Tài liệu Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THIỆN LƯU NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT (Dự thảo) Hà Nội, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Trần Thiện Lưu NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số : 62.58.02.05 Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Đường ôtô và đường thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Lã Văn Chăm GS. TS. Nguyễn Xuân Đào Hà Nội, 2015 LỜI CÁM ƠN Sau hơn ba năm nỗ lực hết mình và được sự chỉ dẫn nhiệt tình của các thầy hướng dẫn, sự ủng hộ của nhà trường, sự giúp đỡ của thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, người thân, luận án “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam” của tôi đã hoàn thành. Lời tri ân sâu sắc nhất tôi xin được dành cho hai người thầy đáng kính đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, khích lệ tôi là PGS.TS Lã Văn Chăm và GS.TS Nguyễn Xuân Đào. Điều đặc biệt là PGS.TS Lã Văn Chăm - người thầy đã từng hướng dẫn tôi làm luận văn thạc sĩ, nay lại tiếp tục nâng đỡ tôi làm luận án tiến sĩ. Dù Thầy không hay thể hiện ra ngoài, nhưng tôi cảm nhận được sự tận tâm hiếm có. GS.TS Nguyễn Xuân Đào trong suốt quá trình hướng dẫn đã thường xuyên điện thoại thăm hỏi tình hình, góp ý và động viên tôi cố gắng sớm hoàn thành công trình nghiên cứu. Những lời khen của Thầy dành cho tôi (dù tôi tự thấy mình chưa thực sự xứng đáng) là sự khích lệ quý giá, giúp tôi vượt qua những trở ngại, khó khăn để bước tiếp trên con đường khoa học không dễ dàng này. Xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Quang Phúc - người tư vấn cho tôi chọn đề tài và có nhiều chia sẻ về vấn đề nghiên cứu. Xin chân thành cám ơn GS.TS Phạm Duy Hữu, PGS.TS Trần Thị Kim Đăng, TS. Nguyễn Mai Lân, TS. Nguyễn Quang Tuấn đã rất quan tâm và cho tôi nhiều góp ý chuyên môn xác đáng. Xin cám ơn Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng - Bộ môn Vật liệu xây dựng - Viện Kỹ thuật xây dựng, Bộ môn Đường bộ trường Đại học GTVT, Phòng thí nghiệm VILAS 047, LAS-XD 456 - Trung tâm Kiểm định chất lượng CTGT Bà Rịa Vũng Tàu, Công ty Cổ phần CTGT Bà Rịa Vũng Tàu đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong công tác làm mẫu và thí nghiệm. Tôi cũng xin cám ơn Ban Giám hiệu trường Đại học GTVT TP. Hồ Chí Minh đã ủng hộ và tạo điều kiện cho tôi làm luận án. Cám ơn anh em Phòng Đào tạo, các đồng nghiệp trong bộ môn đã nhiệt tình hỗ trợ công việc trong thời gian tôi đi làm nghiên cứu. Và lòng biết ơn thẳm sâu xin dành cho những người thân đã luôn ở bên và chia sẻ cùng tôi trong suốt những chặng đường gian nan vất vả vừa qua. Thành quả của ngày hôm nay xin ghi khắc công lao của tất cả mọi người. Trân trọng. Hà Nội, ngày 04 tháng 5 năm 2015 Nghiên cứu sinh Trần Thiện Lưu i MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... x PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1 2. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 2 3. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT .............................. 6 1.1 Định nghĩa mỏi ............................................................................................... 6 1.2 Các dạng nứt do mỏi được nghiên cứu ........................................................... 6 1.2.1 Nứt từ dưới lên (nứt dạng cá sấu)............................................................. 7 1.2.2 Nứt từ trên xuống (nứt theo chiều dọc) .................................................... 8 1.3 Phân tích các nghiên cứu liên quan về các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của bê tông asphalt.......................................................................................... 8 1.3.1 Nhóm liên quan đến tải trọng ................................................................... 9 1.3.2 Nhóm liên quan đến môi trường ............................................................ 13 1.3.3 Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt ........................................ 16 1.4 Các mô hình và chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi bê tông asphalt .............. 20 1.4.1 Các mô hình thí nghiệm ......................................................................... 20 1.4.1.1 Mô hình uốn dầm.............................................................................. 20 1.4.1.2 Mô hình kéo - nén............................................................................. 21 ii 1.4.1.3 Mô hình cắt xoay .............................................................................. 22 1.4.2 Các chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi .................................................... 22 1.4.2.1 Khống chế ứng suất .......................................................................... 22 1.4.2.2 Khống chế biến dạng ........................................................................ 22 1.5 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng độ bền mỏi bê tông asphalt .......... 23 1.5.1 Trên thế giới ........................................................................................... 23 1.5.1.1 Các trường phái thiết kế kết cấu áo đường mềm .............................. 23 1.5.1.2 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng .......................................... 24 1.5.2 Tại Việt Nam .......................................................................................... 28 1.6 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết ................................................ 29 1.7 Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu ................................................. 30 1.7.1 Mục tiêu .................................................................................................. 30 1.7.2 Nội dung ................................................................................................. 30 1.8 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 31 1.9 Kết luận chương 1 ......................................................................................... 31 Chương 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT TRONG MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM ........ 33 2.1 Xác định các thông số chính cho thí nghiệm mỏi......................................... 33 2.1.1 Nhiệt độ thí nghiệm ................................................................................ 33 2.1.2 Tần số tải thí nghiệm .............................................................................. 35 2.1.3 Chế độ thí nghiệm .................................................................................. 37 2.1.4 Vật liệu bê tông asphalt .......................................................................... 39 2.1.4.1 Lựa chọn loại bê tông asphalt ........................................................... 39 2.1.4.2 Lựa chọn loại bột khoáng ................................................................. 39 2.1.5 Tổng hợp mẫu thí nghiệm ...................................................................... 41 2.2 Chế tạo mẫu .................................................................................................. 42 2.2.1 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt ........................................................... 43 iii 2.2.1.1 Vật liệu ............................................................................................. 43 2.2.1.2 Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 12,5 ........................................ 46 2.2.1.3 Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 19 ........................................... 50 2.2.2 Thi công tại hiện trường ......................................................................... 51 2.2.2.1 Địa điểm, thời gian thi công ............................................................. 51 2.2.2.2 Chế tạo hỗn hợp bê tông asphalt ...................................................... 51 2.2.2.3 Thi công tại hiện trường ................................................................... 52 2.2.3 Gia công mẫu thí nghiệm ....................................................................... 53 2.2.3.1 Cắt mẫu tại hiện trường .................................................................... 53 2.2.3.2 Gia công mẫu dầm tại xưởng ........................................................... 53 2.3 Các tính chất cơ lý của bê tông asphalt sau thi công .................................... 54 2.3.1 Bê tông asphalt loại BTNC 12,5 ............................................................ 54 2.3.1.1 Thành phần hạt ................................................................................. 54 2.3.1.2 Độ chặt thi công................................................................................ 55 2.3.1.3 Các chỉ tiêu cơ lý khác ..................................................................... 56 2.3.2 Bê tông asphalt loại BTNC 19 ............................................................... 57 2.3.2.1 Thành phần hạt ................................................................................. 57 2.3.2.2 Độ chặt thi công................................................................................ 58 2.3.2.3 Các chỉ tiêu cơ lý khác ..................................................................... 59 2.4 Thí nghiệm mỏi............................................................................................. 59 2.4.1 Sấy mẫu .................................................................................................. 59 2.4.2 Lưu trữ mẫu ............................................................................................ 59 2.4.3 Mô tả thí nghiệm .................................................................................... 60 2.4.4 Các kết quả thí nghiệm ........................................................................... 61 2.4.4.1 Mô đun độ cứng động (Smix)............................................................. 61 2.4.4.2 Ứng suất cực đại (o)........................................................................ 62 2.4.4.3 Biến dạng kéo cực đại (o)................................................................ 62 iv 2.4.4.4 Góc lệch pha () ............................................................................... 63 2.4.5 Đánh giá độ tin cậy kết quả thí nghiệm .................................................. 63 2.5 Kết luận chương 2 ......................................................................................... 65 Chương 3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊTÔNG ASPHALT .......................................................................................... 67 3.1 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (BD) ................................................... 67 3.1.1 Mô đun độ cứng (S) ................................................................................ 69 3.1.1.1 Điều kiện thí nghiệm 10 độ C, tần số 5 Hz ...................................... 69 3.1.1.2 Điều kiện thí nghiệm 10 độ C, tần số 10 Hz .................................... 71 3.1.1.3 Điều kiện thí nghiệm 20 độ C, tần số 5 Hz ...................................... 72 3.1.1.4 Điều kiện thí nghiệm 20 độ C, tần số 10 Hz .................................... 73 3.1.1.5 Phân tích kết quả mô đun độ cứng ................................................... 74 3.1.2 Ứng suất () ........................................................................................... 81 3.1.3 Lực tác dụng (F) ..................................................................................... 84 3.1.4 Góc lệch pha () ..................................................................................... 86 3.1.5 Xây dựng biểu thức đặc trưng độ bền mỏi BTNC 12,5 ......................... 89 3.2 Kết quả thí nghiệm mỏi bê tông asphalt loại BTNC 19 ............................... 91 3.2.1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 19.......................................... 91 3.2.2 Mô đun độ cứng (S) ................................................................................ 91 3.2.3 Xây dựng biểu thức đặc trưng độ bền mỏi BTNC 19 ............................ 93 3.3 Kết quả thí nghiệm mỏi loại BTNC 12,5 (CC) và BTNC 12,5 (CX) ........... 94 3.3.1 Bê tông asphalt sử dụng bột khoáng CaCO3 .......................................... 94 3.3.2 Bê tông asphalt sử dụng bột khoáng CaCO3 + xi măng ......................... 98 3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt .......................... 101 3.4.1 Loại BTNC 12,5 và BTNC 19.............................................................. 101 3.4.2 Các loại BTNC 12,5 sử dụng loại bột khoáng khác nhau .................... 102 v 3.5 Xây dựng phương trình độ bền mỏi cho các loại BTNC 12,5 đã thí nghiệm ..................................................................................................................... 108 3.5.1 Phương trình độ bền mỏi cho BTNC 12,5 (dạng 1) ............................. 108 3.5.2 Phương trình độ bền mỏi cho BTNC 12,5 (dạng 2) ............................. 109 3.6 Kết luận chương 3 ....................................................................................... 110 Chương 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM TẠI VIỆT NAM.............................................. 112 4.1 Đề xuất kiểm toán mỏi lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm . 112 4.1.1 Cơ sở lý thuyết...................................................................................... 112 4.1.2 Trình tự tính toán .................................................................................. 116 4.1.3 Lựa chọn điều kiện tính toán ................................................................ 117 4.1.3.1 Nhiệt độ .......................................................................................... 117 4.1.3.2 Tần số tải trọng ............................................................................... 118 4.1.4 Xác định biến dạng cho phép (cp) và biến dạng tính toán (tt)............ 118 4.1.4.1 Biến dạng cho phép (cp) ................................................................ 118 4.1.4.2 Biến dạng tính toán (tt) .................................................................. 118 4.2 Ứng dụng kiểm toán mỏi lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường mềm ... 119 4.2.1 Thông số đầu vào dùng kiểm toán mỏi ................................................ 119 4.2.1.1 Kết cấu áo đường, thông số vật liệu ............................................... 119 4.2.1.2 Xác định điều kiện kiểm toán mỏi.................................................. 120 4.2.2 Biến dạng cho phép ở đáy lớp BTNC 12,5 (cp) .................................. 120 4.2.3 Biến dạng tính toán (tt) đáy lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường . 122 4.2.3.1 Mô hình tải tác dụng ....................................................................... 122 4.2.3.2 Tính biến dạng (tt) đáy lớp bê tông asphalt................................... 122 4.2.4 Đánh giá................................................................................................ 123 4.2.4.1 Kết cấu 1 ......................................................................................... 123 4.2.4.2 Kết cấu 2 ......................................................................................... 124 vi 4.2.4.3 Nhận xét .......................................................................................... 125 4.3 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 125 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 126 1. Đóng góp về mặt khoa học ......................................................................... 126 2. Đóng góp về mặt thực tiễn.......................................................................... 127 3. Hạn chế ....................................................................................................... 127 4. Kiến nghị..................................................................................................... 128 5. Hướng nghiên cứu tiếp ............................................................................... 128 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ....................................................... xvii TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... xviii vii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố. Tác giả luận án Trần Thiện Lưu viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BTNC Bê tông nhựa chặt CPĐD Cấp phối đá dăm NCS Nghiên cứu sinh 4PBT Four Point Bending Tests (thí nghiệm uốn dầm 4 điểm) AASHTO American Association of State Highways and Transportation Officials (Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước Mỹ) AC Asphalt concrete (Bê tông asphalt) AI Asphalt Institute (Viện asphalt) ASTM American Society of Testing Materials (Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Mỹ) ITT Indirect Tensile Test (Thí nghiệm kéo gián tiếp) LCPC Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (Phòng thí nghiệm trung tâm Đường và Cầu) M-E Mechanical - Empirical (Cơ - thực nghiệm) ME PDG (DARWin-ME) Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (Hướng dẫn thiết kế mặt đường theo Cơ học thực nghiệm) NCAT The National Center for Asphalt Technology (Trung tâm công nghệ Asphalt) NCHRP National Cooperative Highway Research Program (Chương trình hợp tác nghiên cứu đường) Nf Số chu kỳ tác dụng của tải trọng lặp Nf50 Số chu kỳ tải trọng lặp tác dụng làm suy giảm mô đun độ cứng còn lại 50% trị số ban đầu RILEM The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials (Hiệp hội quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu xây dựng) ix SHRP Strategic Highway Research Program (chương trình nghiên cứu Chiến lược đường bộ) SPDM Shell Pavement Design Manual (hướng dẫn thiết kế mặt đường Shell) UCTST Uniaxial Cyclic Tensile Stress Tests (Thí nghiệm kéo dọc trục tải trọng lặp) AFT Apparent film thickness (chiều dày màng bi tum)  Biến dạng tương đối (m/m), biến dạng tương đối gọi tắt là “biến dạng” m/m ~ microstrain, viết tắt là  Gb Tỷ trọng của bi tum Gmb Mixture bulk specific gravity (tỷ trọng khối hỗn hợp bê tông asphalt) Gmm Maximum specific gravity (tỷ trọng lớn nhất) Gmm Theoretical maximum specific gravity (tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bê tông asphalt) Gsa Tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu Gsb Average Aggregate Specific Gravity (tỷ trọng khối của hỗn hợp cốt liệu) Gse Tỷ trọng có hiệu của hỗn hợp cốt liệu HMA Hot mix asphalt (hỗn hợp bê tông nhựa nóng, gọi tắt là BTN) Pb Total asphalt binder content (% bi tum theo khối lượng hỗn hợp) Pba Hàm lượng bi tum hấp phụ, % khối lượng của hỗn hợp cốt liệu Pbe Hàm lượng bi tum có hiệu, % khối lượng của hỗn hợp bê tông asphalt Pmm % khối lượng của tổng khối lượng hỗn hợp ở trạng thái rời (Pmm= 100) Ps Tỷ lệ cốt liệu theo % tổng khối lượng hỗn hợp bê tông asphalt Ss Aggregate Specific Surface (tỷ diện bề mặt) Va Volume of Air Voids (độ rỗng dư) VBE Effective asphalt content, percent by volume (hàm lượng bi tum có hiệu) VFA Voids Filled with Asphalt (độ rỗng lấp đầy bi tum) VMA Voids in the Mineral Aggregate (độ rỗng cốt liệu) x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Ảnh hưởng yếu tố thành phần lên khả năng làm việc của hỗn hợp [31] ... 17 Bảng 2.1 Nhiệt độ mặt đường bê tông asphalt ở VN [4] .......................................... 34 Bảng 2.2 Xác định tần số tải thông qua vận tốc và chiều dài vùng phân bố tải........ 35 Bảng 2.3 Tổng hợp số lượng mẫu theo điều kiện thí nghiệm độ bền mỏi ................ 42 Bảng 2.4 Thành phần hạt các nhóm đá dùng thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt ........ 43 Bảng 2.5 Chỉ tiêu cơ lý các nhóm đá dùng cho hỗn hợp asphalt .............................. 43 Bảng 2.6 Thành phần hạt cát tự nhiên dùng cho hỗn hợp asphalt ............................ 44 Bảng 2.7 Một số chỉ tiêu của cát tự nhiên dùng cho hỗn hợp asphalt....................... 45 Bảng 2.8 Kết quả thí nghiệm các loại bột khoáng dùng cho nghiên cứu.................. 45 Bảng 2.9 Kết quả thí nghiệm độ ẩm các loại bột khoáng ......................................... 45 Bảng 2.10 Kết quả thí nghiệm xi măng PCB40 - Nghi Sơn ..................................... 45 Bảng 2.11 Kết quả thí nghiệm bi tum dùng trong nghiên cứu .................................. 46 Bảng 2.12 Thành phần hỗn hợp cốt liệu BTNC 12,5 dùng cho nghiên cứu ............. 47 Bảng 2.13 Kết quả thí nghiệm lựa chọn hàm lượng bi tum ...................................... 47 Bảng 2.14 Kết quả thí nghiệm BTNC 12,5 với hàm lượng bi tum 5,38%................ 48 Bảng 2.15 Thành phần vật liệu cho 1 tấn hỗn hợp BTNC 12,5 ................................ 50 Bảng 2.16 Thành phần hỗn hợp cốt liệu BTNC 19 dùng cho nghiên cứu ................ 50 Bảng 2.17 Kết quả thí nghiệm BTNC 19 với hàm lượng bi tum 5,21%................... 51 Bảng 2.18 Thành phần vật liệu cho 1 tấn hỗn hợp BTNC 19 ................................... 51 Bảng 2.19 Thành phần cấp phối hạt BTNC 12,5 sau thi công .................................. 55 Bảng 2.20 Độ chặt BTNC 12,5 sau thi công ............................................................. 55 Bảng 2.21 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của BTNC 12,5 sau thi công ........ 56 Bảng 2.22 Cường độ kéo uốn của BTNC 12,5 thí nghiệm ở 10 độ C và 20 độ C .... 57 Bảng 2.23 Thành phần cấp phối hạt BTNC 19 sau thi công ..................................... 57 Bảng 2.24 Độ chặt BTNC 19 sau thi công ................................................................ 58 xi Bảng 2.25 Các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNC 19 sau thi công ..................................... 59 Bảng 2.26 Thời gian tối thiểu ổn định nhiệt cho mẫu trước khi thí nghiệm [41] ..... 60 Bảng 2.27 Đánh giá độ tin cậy của kết quả thí nghiệm mỏi cho loại BTNC 12,5 .... 64 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm độ bền mỏi BTNC 12,5 (BD) ............. 67 Bảng 3.2 Bảng so sánh mức suy giảm mô đun độ cứng ở tần số 5 Hz và 10 Hz...... 76 Bảng 3.3 Bảng so sánh mức độ suy giảm độ bền mỏi theo biến dạng ...................... 80 Bảng 3.4 Bảng so sánh mức độ tăng ứng suất ban đầu theo biến dạng .................... 83 Bảng 3.5 Bảng so sánh mức độ tăng ứng suất ban đầu theo tần số........................... 84 Bảng 3.6 Bảng so sánh mức độ giảm lực tác dụng ban đầu theo nhiệt độ ................ 86 Bảng 3.7 Trị số góc lệch pha ban đầu (o) ở các điều kiện thí nghiệm .................... 89 Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 19 ở điều kiện 10 độ C, 10 Hz. 91 Bảng 3.9 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (CC) ......................... 94 Bảng 3.10 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (CX)....................... 98 Bảng 3.11 So sánh mô đun độ cứng ban đầu các loại BTNC 12,5 thí nghiệm ....... 103 Bảng 3.12 Tổng hợp hệ số các phương trình độ bền mỏi đã thực hiện .................. 106 Bảng 3.13 So sánh độ bền mỏi các loại BTNC 12,5 có bột khoáng khác nhau ...... 107 Bảng 4.1 Bảng thông số vật liệu tham khảo dùng để phân tích mỏi ....................... 119 Bảng 4.2 Bảng giá trị 6 của BTNC 12,5 (BD) đã thí nghiệm ................................ 120 Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết quả tính biến dạng đáy lớp bê tông asphalt ............... 123 xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mô hình các dạng nứt mỏi được nghiên cứu ............................................ 7 Hình 1.2 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi [29] ........................................... 10 Hình 1.3 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi bê tông asphalt [46] .................. 10 Hình 1.4 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi bê tông asphalt - UCTST [29] .. 11 Hình 1.5 Các dạng tải kết hợp với thời gian nghỉ (rest period)............................. 12 Hình 1.6 Ảnh hưởng của thời gian nghỉ đến độ bền mỏi vật liệu bán mềm ......... 12 Hình 1.7 Sự phát triển mô đun theo số chu kỳ tải [I’essai E13-Auto-100-31] ..... 13 Hình 1.8 Sự phát triển mô đun theo thời gian [I’essai E13-Auto-100-31] ........... 13 Hình 1.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền mỏi bê tông asphalt [46] .............. 14 Hình 1.10 Đặc tính mỏi bê tông asphalt của SPDM (Shell - 1978) ........................ 15 Hình 1.11 Ảnh hưởng nhiệt độ và gradient nhiệt độ đến độ bền mỏi lớp BTN dày 8 inch [35].................................................................................................. 15 Hình 1.12 Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại giữa dầm khi thí nghiệm mỏi [27] ......... 15 Hình 1.13 Ảnh hưởng của hàm lượng Ca(OH)2 đến độ bền mỏi BTN [19] ........... 17 Hình 1.14 Ảnh hưởng của độ rỗng dư, biến dạng đến độ bền mỏi BTN [28] ........ 19 Hình 1.15 Ảnh hưởng của cốt liệu đến độ bền mỏi BTN [28] ................................ 19 Hình 1.16 Đường cong mỏi các loại BTN theo kích thước cốt liệu [45] ................ 19 Hình 1.17 Đường cong mỏi các loại BTN theo hàm lượng đá dăm [45] ................ 19 Hình 1.18 Một số dạng thí nghiệm mỏi theo mô hình uốn dầm ............................. 21 Hình 1.19 Một số dạng thí nghiệm mỏi theo mô hình kéo - nén, cắt xoay ............. 21 Hình 1.20 Đường đặc trưng mỏi - khống chế ứng suất ........................................... 22 Hình 1.21 Đường đặc trưng mỏi - khống chế biến dạng ......................................... 23 Hình 1.22 Thiết bị thí nghiệm mỏi - 4PB tại trường Đại học GTVT...................... 32 Hình 2.1 Nhiệt độ kết cấu áo đường đo trong 1 năm (Minhoto et al) [27] ........... 33 Hình 2.2 Mô hình xác định tần số tải [34]............................................................. 35 Hình 2.3 Biểu đồ dạng hình sin tải tác dụng và độ võng của dầm ........................ 36 xiii Hình 2.4 Biểu đồ lực và độ võng dạng hình sin thí nghiệm ở tần số 5 Hz ........... 37 Hình 2.5 Biểu đồ lực và độ võng dạng hình sin thí nghiệm ở tần số 10 Hz ......... 37 Hình 2.6 Lỗ rỗng hình thành trong hỗn hợp bê tông asphalt ................................ 40 Hình 2.7 Tác dụng lấp đầy lỗ rỗng của bột khoáng trong bê tông asphalt............ 40 Hình 2.8 Các loại bột khoáng sử dụng cho nghiên cứu ........................................ 41 Hình 2.9 Biểu đồ thành phần hạt cát tự nhiên dùng cho hỗn hợp asphalt............. 44 Hình 2.10 Biểu đồ thành phần hạt BTNC 12,5 sau khi phối trộn ........................... 47 Hình 2.11 Quan hệ giữa hàm lượng bi tum và các chỉ tiêu của BTNC 12,5 .......... 48 Hình 2.12 Biểu đồ thành phần hạt BTNC 19 sau khi phối trộn .............................. 50 Hình 2.13 Thi công lớp BTNC 12,5 và BTNC 19 tại công trường QL 51B........... 52 Hình 2.14 Cắt, khoan mẫu tại hiện trường .............................................................. 53 Hình 2.15 Tách lấy mẫu 52cm  45cm tại hiện trường........................................... 53 Hình 2.16 Gia công mẫu dầm kích thước 380mm×50mm×63mm ......................... 54 Hình 2.17 Biểu đồ thành phần hạt BTNC 12,5 thực tế sau khi thi công................. 55 Hình 2.18 Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn ................................................. 57 Hình 2.19 Biểu đồ cấp phối hạt bê tông asphalt loại BTNC 19 sau thi công ......... 58 Hình 2.20 Buồng ổn nhiệt và thiết bị thí nghiệm mỏi ............................................. 60 Hình 2.21 Sơ đồ thí nghiệm mỏi 4PB [42].............................................................. 60 Hình 2.22 Giao diện phần mềm thí nghiệm mỏi (4PBT Cooper) ........................... 61 Hình 2.23 Mô tả các thành phần của mô đun phức E* ........................................... 62 Hình 2.24 Biểu đồ ứng suất, biến dạng theo thời gian ............................................ 63 Hình 3.1 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu BD25 (20 độ C, 10 Hz, 200µ) ....... 68 Hình 3.2 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu BD06 (20 độ C, 10 Hz, 400µ) ....... 69 Hình 3.3 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 5 Hz (dạng trục logarit) ....................................... 70 Hình 3.4 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 5 Hz ..................................................................... 70 xiv Hình 3.5 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) với số chu kỳ tải ở 10độC, 5Hz.......................................................................................................... 70 Hình 3.6 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 10 Hz (dạng trục logarit) ..................................... 71 Hình 3.7 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 10 Hz ................................................................... 71 Hình 3.8 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) với số chu kỳ tải ở 10 độ C, 10Hz ....................................................................................................... 72 Hình 3.9 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 20 độ C, 5 Hz (dạng trục logarit) ....................................... 72 Hình 3.10 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) với số chu kỳ tải ở 20 độ C, 5Hz.......................................................................................................... 73 Hình 3.11 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 20 độ C, 10 Hz (dạng trục logarit) ..................................... 73 Hình 3.12 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 20 độ C, 10 Hz ................................................................... 74 Hình 3.13 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) với số chu kỳ tải ở 20 độ C, 10 Hz ...................................................................................................... 74 Hình 3.14 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C ............................................................................... 75 Hình 3.15 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 20 độ C ............................................................................... 75 Hình 3.16 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 5 Hz .................................................................................... 77 Hình 3.17 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 10 Hz .................................................................................. 77 Hình 3.18 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (BD) .......... 78 Hình 3.19 So sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (BD) theo tần số ..... 79 xv Hình 3.20 Biểu đồ so sánh độ bền mỏi BTNC 12,5 (BD)....................................... 80 Hình 3.21 Đồ thị quan hệ giữa biến dạng () với độ võng Z (mm) ........................ 81 Hình 3.22 Biểu đồ suy giảm ứng suất theo tải trọng lặp ở 10 độ C, 5Hz ............... 81 Hình 3.23 Biểu đồ so sánh ứng suất ban đầu của BTNC 12,5 (BD) ở các biến dạng, tần số, nhiệt độ ........................................................................................ 82 Hình 3.24 Biểu đồ so sánh ứng suất ban đầu ở các tần số, biến dạng tại 10 độ C .. 82 Hình 3.25 Biểu đồ so sánh ứng suất ban đầu ở các tần số, biến dạng tại 20 độ C .. 83 Hình 3.26 Biểu đồ giảm lực tác dụng - thí nghiệm BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 5Hz ................................................................................................................ 85 Hình 3.27 Quan hệ giữa lực tác dụng ban đầu với biến dạng và tần số ở 10 độ C . 85 Hình 3.28 Quan hệ giữa lực tác dụng ban đầu với biến dạng và tần số ở 20 độ C . 85 Hình 3.29 Biểu đồ quan hệ giữa góc lệch pha với mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C ....................................................................................... 87 Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ giữa góc lệch pha với mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) ở 20 độ C ....................................................................................... 87 Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn góc lệch pha ban đầu (o) với lực tác dụng ................. 88 Hình 3.32 Đường đặc trưng mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 (BD) ................ 90 Hình 3.33 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 19 ở 10 độ C, 10 Hz..................................................................................... 91 Hình 3.34 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 19 với số chu kỳ tải ở 10 độ C, 10 Hz92 Hình 3.35 So sánh mô đun độ cứng ban đầu BTNC 19 ở 10 độ C, 10 Hz ............. 92 Hình 3.36 Biểu đồ suy giảm ứng suất theo tải trọng lặp của BTNC 19 ở 10 độ C, 10Hz ....................................................................................................... 93 Hình 3.37 Đường đặc trưng mỏi BTNC 19 ở 10 độ C, 10 Hz ................................ 94 Hình 3.38 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu CC31 (20 độ C, 10 Hz, 200µ) ....... 95 Hình 3.39 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu CC12 (10 độ C, 10 Hz, 400µ) ....... 96 xvi Hình 3.40 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (CC) ở 10 độ C, 5 Hz...................................................................... 96 Hình 3.41 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (CC) .......... 97 Hình 3.42 Đường đặc trưng mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 (CC) ................ 97 Hình 3.43 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu CX36 (10 độ C, 5 Hz, 400µ) ......... 99 Hình 3.44 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu CX37 (20 độ C, 10 Hz, 100µ) ....... 99 Hình 3.45 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (CX) ở 10 độ C, 5 Hz ................................................................... 100 Hình 3.46 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (CX) ........ 100 Hình 3.47 Đường đặc trưng mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 (CX) .............. 101 Hình 3.48 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (BD) ........ 102 Hình 3.49 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (CC) ........ 103 Hình 3.50 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (CX) ........ 103 Hình 3.51 Tổng hợp đường đặc trưng mỏi 3 loại BTNC 12,5 ở 10 độ C ............. 105 Hình 3.52 Tổng hợp đường đặc trưng mỏi 3 loại BTNC 12,5 ở 20 độ C ............. 105 Hình 3.53 Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 ........................................................ 108 Hình 4.1 Toán đồ xác định giá trị Ro tại điểm C bất kỳ (theo Odemark) ........... 114 Hình 4.2 Sơ đồ trình tự kiểm toán độ bền mỏi trong kết cấu áo đường mềm ..... 117 Hình 4.3 Đường đặc trưng mỏi của bê tông asphalt các loại đã thí nghiệm ....... 121 Hình 4.4 Mô hình tải trọng khai báo khi tính biến dạng ..................................... 122 Hình 4.5 Kết quả tính kết cấu áo đường 1 bằng phần mềm Alizé ...................... 122 Hình 4.6 Kết quả tính kết cấu áo đường 2 bằng phần mềm Alizé ...................... 123 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Bê tông asphalt là hỗn hợp bao gồm cốt liệu khoáng và chất kết dính (nhựa đường/bi tum/asphalt). Cốt liệu thường chiếm khoảng 95% khối lượng hỗn hợp bê tông asphalt, bi tum chiếm khoảng 5% còn lại. Về thể tích, một hỗn hợp bê tông asphalt điển hình có khoảng 85% cốt liệu, 10% bi tum, và khoảng 5% lỗ rỗng. Một lượng nhỏ chất độn và phụ gia được thêm vào hỗn hợp bê tông asphalt để tăng cường chất lượng hoặc dễ thi công [31]. Chất lượng khai thác mặt đường bê tông asphalt phụ thuộc vào tính chất của bi tum, cốt liệu, thành phần hỗn hợp, chất lượng thi công và cả các yếu tố tác động bên ngoài như xe, môi trường. Bi tum là sản phẩm còn lại sau dầu hỏa, xăng, dầu diesel, dầu mỡ,… được tinh chế từ dầu thô. Bi tum có tác dụng tạo tính công tác cho hỗn hợp và liên kết cốt liệu trong bê tông asphalt. Thành phần bi tum chủ yếu là carbon và hydro, với một lượng nhỏ oxy, lưu huỳnh và một số phi kim loại khác. Chất kết dính bi tum là loại vật liệu đàn hồi nhớt. Tính chất vật lý của bi tum khác nhau rất nhiều khi nhiệt độ thay đổi. Bi tum mềm trong môi trường nhiệt độ cao; dễ nứt gãy, giòn khi nhiệt độ xuống thấp. Bê tông asphalt cũng có những tính chất khác nhau theo nhiệt độ xuất phát từ đặc điểm này của bi tum. Tất cả hỗn hợp bê tông asphalt chứa một lượng nhỏ các lỗ rỗng không khí. Trong phòng thí nghiệm, bê tông asphalt thường được thiết kế khoảng 4% lỗ rỗng, với một phạm vi 3% ÷ 5%, tùy thuộc vào loại hỗn hợp được thiết kế và sử dụng. Với mặt đường bê tông asphalt được xây dựng đúng, thường lỗ rỗng vào khoảng 6% ÷ 8%. Độ rỗng dư sau khi xây dựng - dưới tác dụng của bánh xe, thông thường sẽ dần dần nhỏ lại đạt mức giá trị thiết kế từ 3% ÷ 5%. Tuy nhiên, nếu lớp bê tông asphalt không được đầm chặt đầy đủ trong quá trình xây dựng, tác dụng của bánh xe khai thác sẽ không làm giảm độ rỗng đạt tới giá trị thiết kế. Kết quả là mặt đường sẽ bị rỗng và thấm nước, dẫn đến hư hỏng.