Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện việt nam

-I- MỤC LỤC Danh mục hình ảnh, biểu đồ Danh mục các bảng Danh mục các chữ viết tắt MỞ ĐẦU……………………………………………………………........ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................6 1.1 Tổng quan đặc tính kháng lún vệt bánh xe và kháng mỏi của bê tông asphalt trong xây dựng mặt đƣờng ô tô ...................................................................6 1.1.1 Các vấn đề chung ....................................................................................6 1.1.2 Đặc tính kháng lún vệt bánh xe của bê tông asphalt ..............................8 1.1.3 Đặc tính kháng mỏi của bê tông asphalt ...............................................16 1.2 Các nghiên cứu về biện pháp cải thiện đặc tính kháng lún vệt bánh xe và đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam ......................23 1.2.1 Sử dụng sợi gia cƣờng ..........................................................................24 1.2.2 Sử dụng bitum cải tiến ..........................................................................28 1.3 Xác định vấn đề nghiên cứu ........................................................................30 1.4 Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................31 1.5 Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................32 1.6 Kết luận chƣơng 1 .......................................................................................32 CHƢƠNG 2. SỢI THỦY TINH VÀ KHẢ NĂNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH TRONG BÊ TÔNG ASPHALT .....................................................................34 2.1 Các nghiên cứu cơ bản về sợi thủy tinh và ứng dụng của sợi thủy tinh để gia cƣờng bê tông asphalt ......................................................................................34 2.1.1 Khái niệm và phân loại sợi thủy tinh ....................................................34 2.1.2 Các đặc điểm và tính chất cơ bản của sợi thủy tinh để ứng dụng trong xây dựng công trình giao thông ..........................................................................37 2.1.3 Đề xuất loại sợi thủy tinh sử dụng trong nghiên cứu............................38 2.2 Vai trò sợi thủy tinh trong bê tông asphalt theo một số nghiên cứu trên thế giới 38 -II- 2.2.1 Vai trò sợi thủy tinh ..............................................................................38 2.2.2 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến vai trò của sợi thủy tinh ........................44 2.3 Nghiên cứu thực nghiệm tính chất của sợi thủy tinh dự kiến sử dụng trong nghiên cứu..............................................................................................................46 2.3.1 Tính chất lý học của sợi thủy tinh.........................................................46 2.3.2 Tính chất cơ học của sợi thủy tinh ........................................................47 2.3.3 Hình thái sợi thủy tinh ..........................................................................48 2.4 Kết luận Chƣơng 2.......................................................................................49 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT RẢI NÓNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH (GFRAC) 51 3.1 Thiết kế thành phần G-FRAC......................................................................51 3.1.1 Trình tự thiết kế ....................................................................................52 3.1.2 Lựa chọn vật liệu thành phần ................................................................54 3.1.3 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt ..........................................................60 3.1.4 Nghiên cứu thực nghiệm.......................................................................65 3.1.5 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm .............................................74 3.2 Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của G-FRAC ........................77 3.2.1 Thí nghiệm lún vệt bánh xe (Wheel Tracking Test) .............................77 3.2.2 Phân tích đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe .............................82 3.3 Kết luận chƣơng 3 .......................................................................................89 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT RẢI NÓNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH (G-FRAC ) .......90 4.1 Thí nghiệm mỏi ...........................................................................................90 4.1.1 Mô hình thí nghiệm ..............................................................................90 4.1.2 Mục đích thí nghiệm .............................................................................93 4.1.3 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm .........................................................93 4.1.4 Quá trình thí nghiệm .............................................................................95 4.1.5 Nghiên cứu thực nghiệm.......................................................................98 4.2 Phân tích đánh giá khả năng chống mỏi của G-FRAC..............................100 4.2.1 Tuổi thọ mỏi........................................................................................102 -III- 4.2.2 Mô đun phức động và sự suy giảm độ cứng .......................................108 4.2.3 Độ lệch pha ứng suất biến dạng ..........................................................110 4.2.4 Đặc tính mỏi của vật liệu ....................................................................112 4.2.5 Ảnh hƣởng của sợi thủy tinh đến tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt thí nghiệm 116 4.2.6 4.3 Ảnh hƣởng của loại bitum đến tuổi thọ mỏi .......................................118 Kết luận chƣơng 4 .....................................................................................118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO -IV- DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1-1 Hình ảnh lún vệt bánh xe đoạn trƣớc cổng trƣờng ĐH GTVT....................9 Hình 1-2: Ba đặc trƣng hình dạng của cốt liệu: Hình dạng, Góc cạnh và Độ xù xì bề mặt [12] .....................................................................................................................10 Hình 1-3 Biểu đồ nhiệt độ cao nhất trong 10 năm (2001-2010) tại Hà Nội .............13 Hình 1-4 Nhiệt độ môi trƣờng và nhiệt độ mặt đƣờng Asphalt tại Hà Nội ..............14 Hình 1-5 Ảnh hƣởng của nƣớc tới hỗn hợp bê tông asphalt .....................................16 Hình 1-6. Nứt do mỏi trên mặt đƣờng bê tông asphalt trên đƣờng Nguyễn Trãi – TP Hà Nội .......................................................................................................................17 Hình 1-7. Đƣờng đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau thực hiện bởi thí nghiệm uốn mỏi 4 điểm, khống chế biến dạng[69]................................................................19 Hình 1-8. Đƣờng đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất [80] .......................................................................................................20 Hình 1-9 Nhiệt độ mặt đƣờng thấp nhất 6 năm ở Hà Nội .........................................21 Hình 2-1 Quá trình sản xuất sợi thủy tinh [23] .........................................................36 Hình 2-2 Sợi Thủy tinh loại C-Glass ........................................................................37 Hình 2-3 Đặc tính mỏi của G-FRAC ở các hàm lƣợng sợi thủy tinh khác nhau [49] ...................................................................................................................................40 Hình 2-4: Quan hệ giữa hàm lƣợng sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi, [55] ..............41 Hình 2-5: Quan hệ giữa độ bền chịu mỏi và tỷ lệ sợi, [55].......................................41 Hình 2-6 Sợi trong pha nền asphalt dƣới tác dụng lực P [44] ..................................42 Hình 2-7 Biểu đồ ứng suất cắt và kéo của sợi trong pha nền asphalt theo mô hình « Slippage » ..............................................................................................................43 Hình 2-8 Sợi phân tán trong Bê tông asphalt ............................................................44 Hình 2-9 Sợi 10mm ...................................................................................................45 Hình 2-10 Sợi 20mm .................................................................................................45 Hình 2-11 Sợi 30mm .................................................................................................45 Hình 2-12 Đo đƣờng kính sợi thủy tinh ....................................................................46 Hình 2-13: Hình thái bề mặt sợi thủy tinh theo phƣơng pháp EDX với tỷ lê phóng ×500 (trái) và ×2000 (phải) .......................................................................................48 Hình 2-14: Thành phần hóa học của sợi thủy tinh bằng phƣơng pháp EDX, (kết quả của một mẫu thí nghiệm ngẫu nhiên) ........................................................................49 Hình 3-1: Đƣờng cong cấp phối của hỗn hợp vật liệu khoáng sau khi phối trộn .....62 Hình 3-2 Mẫu thí nghiệm Marshall...........................................................................67 Hình 3-3 Thí nghiệm khối lƣợng thể tích .................................................................67 Hình 3-4 Đầm mẫu Marshall (trái) – Kích lấy mẫu Marshall (phải) ........................67 Hình 3-5 Thí nghiệm nén Marshall ...........................................................................68 Hình 3-6 Thí nghiệm độ ổn định còn lại sau 24h......................................................68 -V- Hình 3-7 Quan hệ giữa hàm lƣợng bitum và 5 chỉ tiêu Marshall của G-FRAC 40-50 ...................................................................................................................................69 Hình 3-8 Khoảng hàm lƣợng bitum thỏa mãn tất cả các chỉ tiêu đối với nhóm .......70 Hình 3-9 Quan hệ giữa hàm lƣợng bitum và các chỉ tiêu Marshall của nhóm GFRAC PMBIII ...........................................................................................................71 Hình 3-10 Khoảng hàm lƣợng bitum thỏa mãn tất cả các chỉ tiêu đối với nhóm .....72 Hình 3-11. Quan hệ giữa hàm lƣợng bitum lựa chọn và hàm lƣợng sợi của G-FRAC ...................................................................................................................................74 Hình 3-12 Quan hệ giữa độ rỗng dƣ và hàm lƣợng sợi của G-FRAC ......................75 Hình 3-13 Quan hệ giữa độ ổn định Marshall và hàm lƣợng sợi của G-FRAC .......76 Hình 3-14 Quan hệ giữa độ dẻo Marshall và hàm lƣợng sợi của G-FRAC..............76 Hình 3-15 Trộn cốt liệu trong máy trộn ....................................................................80 Hình 3-16 Đo nhiệt độ cốt liệu..................................................................................80 Hình 3-17 Trộn hỗn hợp asphalt ...............................................................................80 Hình 3-18: Đúc mẫu bằng máy đầm lăn ...................................................................80 Hình 3-19: Mẫu G-FRAC kích thƣớc 300mm×300mm×50mm ...............................80 Hình 3-20: Thiết bị thí nghiệm vệt lún bánh xe mẫu vuông 300mm×300mm×50mm ...................................................................................................................................81 Hình 3-21 Quan hệ giữa chiều sâu lún vệt bánh xe và hàm lƣợng sợi của G-FRAC PMBIII ......................................................................................................................83 Hình 3-22 Quan hệ giữa chiều sâu lún vệt bánh xe và hàm lƣợng sợi của G-FRAC 40-50 .........................................................................................................................83 Hình 3-23 Xu hƣớng lún của G-FRAC PMBIII và G-FRAC 40-50 ........................85 Hình 3-24 Quan hệ giữa hệ số kháng lún kKLi với hàm lƣợng sợi ............................86 Hình 4-1. Biến dạng đáy lớp móng bê tông asphalt dƣới tác dụng tải trọng xe chạy ...................................................................................................................................91 Hình 4-2. Những sơ đồ tác dụng tải sử dụng trong thí nghiệm mỏi [38] .................91 Hình 4-3 Chƣơng trình và tín hiệu trong thí nghiệm uốn mỏi ..................................92 Hình 4-4 Đo lực và chuyển vị trên mẫu ....................................................................92 Hình 4-5 Thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm thực hiện trong buồng bảo ôn ..................93 Hình 4-6 Kết cấu áo đƣờng giả định để tính ứng suất kéo ban đầu cho thí nghiệm .95 Hình 4-7 Mô hình thí nghiệm mỏi [30].....................................................................97 Hình 4-8 Đúc mẫu thí nghiệm mỏi ...........................................................................98 Hình 4-9 Đầm mẫu thí nghiệm mỏi ..........................................................................98 Hình 4-10 Mẫu tấm thí nghiệm .................................................................................98 Hình 4-11 Cắt mẫu ....................................................................................................98 Hình 4-12 Mẫu dầm 400mmx50mmx50mm ............................................................98 Hình 4-13 Thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm.................................................................98 Hình 4-14. Đƣờng đặc tính mỏi và giá trị bền mỏi của vật liệu .............................101 -VI- Hình 4-15. Xác định tuổi thọ mỏi theo phƣơng pháp cổ điển ................................102 Hình 4-16 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC PMBIII theo phƣơng pháp cổ điển ............103 Hình 4-17 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC 40-50 theo phƣơng pháp cổ điển ...............103 Hình 4-18. Xác định tuổi thọ mỏi theo phƣơng pháp năng lƣợng ..........................106 Hình 4-19. Tuổi thọ mỏi theo phƣơng pháp năng lƣợng (thí nghiệm mỏi B1TT-II) .................................................................................................................................107 Hình 4-20. Tuổi thọ mỏi theo phƣơng pháp năng lƣợng và cổ điển .......................107 Hình 4-21. Sự giảm độ cứng trong thí nghiệm mỏi B1TT-II .................................108 Hình 4-22. Sự thay đổi của độ lệch pha trong quá trình thí nghiệm mỏi B1TT-II .110 Hình 4-23. Đƣờng đặc tính mỏi của B1PMB theo 2 phƣơng pháp: năng lƣợng và cổ điển ..........................................................................................................................113 Hình 4-24. Các đƣờng đặc tính mỏi của bê tông asphalt sử dụng bitum 40-50 .....113 Hình 4-25. Các đƣờng đặc tính mỏi của bê tông asphalt sử dụng bitum polyme PMB III ...................................................................................................................114 Hình 4-26. Sự thay đổi độ nhạy cảm mỏi theo hàm lƣợng sợi ...............................115 Hình 4-27. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi đến tuổi thọ mỏi của G-FRAC- 40-50 117 Hình 4-28. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi đến tuổi thọ mỏi của G-FRAC- PMBIII .................................................................................................................................117 Hình 4-29. Ảnh hƣởng của loại bitum đến tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt .........118 -VII- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Phân loại sợi thủy tinh ...............................................................................36 Bảng 2-2 Bảng đặc tính vật lý và cơ học của sợi thủy tinh [23] ...............................38 Bảng 2-3 Kết quả đo đƣờng kính sợi thủy tinh .........................................................47 Bảng 2-4 Kết quả thí nghiệm đếm số sợi thủy tinh trong một tao sợi ......................47 Bảng 2-5 Kết quả đo độ bền kéo đứt, độ giãn đứt và mô đun đàn hồi của sợi thủy tinh.............................................................................................................................48 Bảng 2-6 Thành phần hóa học của sợi thủy tinh .......................................................48 Bảng 3-1: Bảng ký hiệu các loại G-FRAC tƣơng ứng với loại bitum, tỷ lệ sợi. ......53 Bảng 3-2 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm theo tiêu chuẩn hiện hành ...........55 Bảng 3-3. Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của cát với tiêu chuẩn hiện hành ...................57 Bảng 3-4 Các chỉ tiêu cơ lý của bitum PMBIII ........................................................58 Bảng 3-5. Các chỉ tiêu cơ lý của bitum thƣờng 40-50 ..............................................59 Bảng 3-6 Đặc tính kỹ thuật sợi thủy tinh loại C .......................................................59 Bảng 3-7: Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu của G-FRAC ..............................60 Bảng 3-8: Kết quả phân tích thành phần hạt của từng cốt liệu thành phần ..............61 Bảng 3-9: Kết quả tính toán tỷ lệ phối trộn các cốt liệu thành phần.........................61 Bảng 3-10: Kiểm tra thành phần hỗn hợp vật liệu khoáng sau khi phối trộn với yêu cầu của tiêu chuẩn hiện hành ....................................................................................61 Bảng 3-11 Kế hoạch đúc mẫu thực nghiệm xác định hàm lƣợng bitum thiết kế......65 Bảng 3-12 Kế hoạch đúc mẫu thực nghiệm kiểm tra yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC ...................................................................................................................................66 Bảng 3-13 Kết quả lựa chọn hàm lƣợng bitum .........................................................73 Bảng 3-14 Bảng kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC PMBIII .....................73 Bảng 3-15 Kết quả kiểm tra yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC 40-50 ..........................74 Bảng 3-16 Kế hoạch thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe ...............................................................................................................................82 Bảng 3-17 Kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe.........................................................82 Bảng 4-1 Các thông số đầu vào của thí nghiệm mỏi ................................................95 Bảng 4-2 Kế hoạch thí nghiệm uốn mỏi ...................................................................99 Bảng 4-3 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC ........................................................................99 Bảng 4-4. Mô đun phức động của các loại G-FRAC thí nghiệm (10°C, 10Hz) .....109 Bảng 4-5. Độ lệch pha ứng suất biến dạng của các loại G-FRAC thí nghiệm (10°C, 10Hz) .......................................................................................................................111 Bảng 4-6 Các hệ số đƣờng đặc tính mỏi của các G-FRAC thí nghiệm (10oC, 10Hz) .................................................................................................................................114 -VIII- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO: Hiệp hội những ngƣời làm vận tải và đƣờng bộ Hoa Kỳ (American Association of State Highway and Transportation Officials) ASM Handbook : Sổ tay hiệp hội quốc gia Hoa kỳ về kim loại (American Society for Metals) ASTM: Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing and Materials) Blc: Hàm lƣợng bitum lựa chọn BS EN: Tiêu chuẩn Anh, Châu Âu (British standards, European Union standards) CRT-SA4PT-BB: Thiết bị uốn mỏi bốn điểm (Stand Alone Four Point Bending Beam Machine) CRT-TCC: Buồng bảo ôn (Temperature controlled cabinet) CSGT ĐB-ĐS : Cục Cảnh sát giao thông Đƣờng bộ - Đƣờng sắt DER: Tỷ số năng lƣợng hao tán (Dissipated Energy Ratio) EDX: Phƣơng pháp phổ tán xạ năng lƣợng tia X ( Energy-dispersive ESAL : Tải trọng trục tiêu chuẩn tƣơng đƣơng (Equivalent Standard X-ray) Axle Load) EVA: Chất phụ gia ethylen vinyl acetate FRAC: Bê tông Asphalt Gia cƣờng sợi (Fiber - Reinfored Asphalt – Concrete) FV: Độ dẻo Marshall (Flow Value) G-FRAC: Bê tông asphalt gia cƣờng sợi thủy tinh -IX- HMA: Bê tông Asphalt chặt rải nóng (Hot Mix Assphalt) Ia : Chỉ số hạt của cốt liệu (Particle Index) LCPC: Trung tâm thí nghiệm Cầu – Đƣờng của Pháp (Laboratoire central des Ponts et Chaussées) LEF: Hệ số tải trọng tƣơng đƣơng (Load Equivalent Factor) MS: Độ ổn định Marshall (Marshall Stability) RD : Chiều sâu lún vệt bánh xe (Rut Depth). SHRP: Chƣơng trình nghiên cứu chiến lƣợc về đƣờng bộ (Strategic Highway Research Program) SMA : Hỗn hợp SMA (Stone-mastic-asphalt) TCN: Tiêu chuẩn ngành TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam VA: Độ rỗng dƣ (Void Air) VFA: Độ rỗng lấp đầy bằng bitum (Voids Filled with Asphalt) VMA: Độ rỗng cốt liệu (Voids in Mineral Aggregate) -1- MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Mặt đƣờng bê tông asphalt chiếm tỷ trọng lớn trong mạng lƣới đƣờng ô tô trên thế giới và ở Việt Nam do những ƣu điểm về: chất lƣợng khai thác, giá thành và mức độ thuận lợi trong thi công. Theo số liệu thống kê, hơn 70% tổng số chiều dài đƣờng cao tốc trên thế giới, 72% tổng chiều dài đƣờng cao tốc ở Đức và hơn 80% tổng chiều dài mạng lƣới đƣờng ở Việt Nam sử dụng kết cấu mặt đƣờng bê tông asphalt [18]. Bê tông asphalt là hỗn hợp vật liệu đàn nhớt dẻo, trong điều kiện nhiệt độ cao, thể hiện tính dẻo, sức chống cắt thấp, biến dạng không hồi phục tăng, mặt đƣờng dễ bị lƣợn sóng và lún vệt bánh xe. Ngƣợc lại, khi nhiệt độ thấp, bê tông asphalt trở nên giòn, chịu mỏi kém, dễ bị nứt nẻ, bong tróc. Với cả hai loại hình hƣ hỏng này thì rủi ro sẽ càng cao nếu mặt đƣờng chịu tác dụng của tải trọng giao thông lớn. Các tiêu chuẩn của thế giới và tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định về đặc tính của bê tông asphalt làm mặt đƣờng. Dƣới ảnh hƣởng của nhiệt độ và tải trọng, hai vấn đề cần bổ sung và xem xét: khả năng chống lún và chịu mỏi của bê tông asphalt. Thông qua thí nghiệm lún vệt bánh xe, chiều sâu lún tƣơng quan với số lƣợt tác dụng của tải trọng đƣợc xác định. Thông qua thí nghiệm mỏi, tuổi thọ mỏi và các đƣờng đặc tính mỏi của vật liệu đƣợc xác định. Từ những kết quả thí nghiệm đó có thể đánh giá khả năng chống lún và chống mỏi của vật liệu làm mặt đƣờng ô tô, phục vụ cho quá trình thiết kế và thi công. Để nâng cao chất lƣợng bê tông asphalt, hiện nay trên thế giới thƣờng đi theo ba hƣớng: + Sử dụng bitum cải tiến + Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lƣợng cao -2- + Cải tiến thành phần hỗn hợp bê tông asphalt bằng vật liệu gia cƣờng Theo hƣớng thứ ba, cải tiến thành phần hỗn hợp HMA bằng vật liệu gia cƣờng, bê tông asphalt gia cƣờng sợi là một trong những loại vật liệu cải tiến đã đƣợc sử dụng ở nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Hoa Kỳ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc v.v…Nhờ có thêm thành phần sợi, các tính năng làm việc của bê tông asphalt đƣợc cải thiện đáng kể: tăng khả năng chịu kéo khi uốn, cải thiện đặc tính kháng mỏi và kháng lún vệt bánh xe [20]. Các loại sợi gia cƣờng trong bê tông asphalt rất đa dạng, nhƣ: sợi Cellulose, sợi cácbon, sợi thủy tinh, sợi Polypropylene, sợi khoáng, v.v… Nghiên cứu của Luận án tập trung vào việc xem xét ảnh hƣởng sợi thủy tinh đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt. Trên thế giới, từ những năm 60 của thế kỷ trƣớc bê tông asphalt gia cƣờng sợi đã bắt đầu đƣợc nghiên cứu [51], đến nay nghiên cứu tƣơng đối toàn diện và kết quả thấy rằng vật liệu này làm việc tốt trong điều kiện các nƣớc ôn đới và hàn đới. Vấn đề đặt ra là cốt sợi thủy tinh có cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún cho vật liệu bê tông asphalt nóng trong điều kiện Việt Nam hay không? Cần phải đƣợc nghiên cứu, thực nghiệm để có câu trả lời. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu cơ bản đặc tính chống lún vệt bánh xe, đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng (HMA); - Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấu tạo của bê tông asphalt gia cƣờng sợi thủy tinh (G-FRAC) để cải thiện đặc tính chịu mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt; - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe của G-FRAC, ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thủy tinh gia cƣờng tới -3- khả năng chống lún vệt bánh xe; - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của G-FRAC, ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thủy tinh gia cƣờng đến đặc tính này. 3. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tập trung các vấn đề sau: - Khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt nóng gia cƣờng sợi thủy tinh phân tán (G-FRAC); - Khả năng chống mỏi của G-FRAC; 4. Cấu trúc của luận án Gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chƣơng, phần kết luận, kiến nghị, dự kiến hƣớng nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu tham khảo. Cụ thể nhƣ sau : Đặt vấn đề nghiên cứu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Sợi thủy tinh và khả năng gia cƣờng sợi thủy tinh trong bê tông asphalt Chƣơng 3: Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt gia cƣờng sợi thủy tinh Chƣơng 4: Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt gia cƣờng sợi thủy tinh Kết luận, kiến nghị và dự kiến hƣớng nghiên cứu tiếp theo. Tài liệu tham khảo. 5. Những đóng góp của đề tài - Phân tích đƣợc ảnh hƣởng của cốt sợi thủy tinh phân tán cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún vệt bánh của bê tông asphalt chặt nóng; -4- - Phân tích và lựa chọn đƣợc mô hình thí nghiệm mỏi và lún vệt bánh xe của bê tông asphalt. Đã lựa chọn loại cốt sợi thủy tinh phù hợp để gia cƣờng bê tông asphalt; - Đề xuất công thức hỗn hợp bê tông asphalt chặt nóng gia cƣờng sợi thủy tinh phân tán với hàm lƣợng sợi tốt nhất 0,3%, sử dụng bitum PMBIII và bitum 40-50. Đã đƣa ra định lƣợng hiệu quả cải thiện khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh của bê tông asphalt cốt sợi thủy tinh phân tán với bê tông asphalt đối chứng với 2 loại bitum PMBIII và 40-50; - Đã xây dựng đƣợc 4 đƣờng đặc tính mỏi của bê tông asphalt PMBIII và 4 đƣờng đặc tính mỏi của bê tông asphalt 40/50 tùy thuộc vào hàm lƣợng sợi thủy tinh 0%; 0.1%; 0.3%; 0.5% từ thí nghiệm uốn mỏi theo phƣơng pháp khống chế ứng suất. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Bê tông asphalt rải nóng là vật liệu chính để xây dựng lớp mặt đƣờng ô tô. Trong quá trình khai thác dài hạn, lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt đƣờng có thể bị phá hoại do mỏi và xuất hiện các biến dạng không hồi phục (lún vệt bánh xe). Các vấn đề này ảnh hƣởng lớn đến tuổi thọ và an toàn khai thác. Vì vậy, để tăng cƣờng hai tính chất trên có thể sử dụng biện pháp cải tiến chất lƣợng bê tông asphalt trong đó có hƣớng nghiên cứu sử dụng cốt sợi phân tán. Một số nghiên cứu trên thế giới đã thí nghiệm đặc tính của bê tông asphalt khi sử dụng sợi các bon, sợi polyester, sợi amiang và sợi thủy tinh theo các chỉ tiêu kỹ thuật thu đƣợc các kết quả tốt. Luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có tính mới, lần đầu tiên triển khai nghiên cứu về bê tông asphalt sử dụng sợi thủy tinh gia cƣờng, về bê tông asphalt sử dụng nhựa đƣờng 40/50 liên quan đến mỏi và biến dạng không hồi phục. Luận án đã xác định đƣợc hàm lƣợng sợi thủy tinh phân tán cho bê tông asphalt chặt rải nóng sử dụng bitum 40/50 và bitum polymer với hàm mục tiêu là chu kỳ mỏi khi khống chế ứng suất và chiều sâu vệt lún bánh xe. Luận án góp phần làm rõ -5- hơn vai trò của cốt sợi thủy tinh phân tán với hàm lƣợng từ 0,1% đến 0,5% trong bê tông asphalt rải nóng. Luận án làm phong phú thêm các kiến thức lý thuyết và thực nghiệm về cơ chế gia cƣờng cốt sợi phân tán trong bê tông asphalt rải nóng và là tài liệu tham khảo tốt cho những nhà nghiên cứu về vấn đề trên. -6- CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đặc tính kháng lún vệt bánh xe và kháng mỏi của bê tông asphalt trong xây dựng mặt đƣờng ô tô 1.1.1 Các vấn đề chung 1.1.1.1 Lịch sử phát triển của bê tông asphalt Vào cuối những năm 1900, khi các mạng lƣới đƣờng bộ đƣợc mở rộng, thì công nghệ xây dựng đƣờng và kỹ thuật sử dụng các vật liệu làm kết cấu mặt đƣờng mới đƣợc nghiên cứu và phát triển. Trƣớc đây, vật liệu chủ yếu đƣợc sử dụng để xây dựng mặt đƣờng là các loại đá, gạch dạng khối, liên kết chèn móc với nhau. Rồi sau đó, Jonh Macadam đã phát minh loại mặt đƣờng đá dăm, khắc phục đƣợc hiện tƣợng trơn lầy vào mùa ẩm ƣớt. Tuy nhiên, loại mặt đƣờng này cũng không chịu đƣợc tải trọng xe lớn. Từ thập niên 60 của thế kỷ thứ 19, một ngƣời Mỹ gốc Bỉ là Edward de Smedt ở trƣờng đại học Columbia, New York, bắt đầu nghiên cứu về bê tông asphalt chặt. Ứng dụng thực tế đầu tiên của nghiên cứu này, đƣợc thực hiện ở công viên Battery và trên phố Fifth, New York Mỹ năm 1872. Cho tới năm 1887, Clifford Richardson đã khởi dựng nên tiêu chuẩn về hỗn hợp asphalt. Sự phát triển của ngành công nghiệp hoá dầu là một sự trùng hợp thuận lợi, trong lịch sử phát triển của bê tông asphalt, khi mà sự phát triển của công nghệ ô tô đòi hỏi có một vật liệu, hoặc kết cấu vật liệu mặt đƣờng mới. Đến cuối thế kỷ 20, lƣu lƣợng phƣơng tiện giao thông tăng lên nhanh chóng, cùng với điều kiện khí hậu khắc nghiệt là những tác nhân gây hƣ hỏng mặt đƣờng. Vật liệu bê tông asphalt truyền thống dƣờng nhƣ không còn đáp ứng điều kiện khai thác mới. Việc nghiên cứu cải thiện khả năng làm việc của bê tông atphalt trở nên cấp thiết, và mang tính thời sự. Hiện nay, trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu cải tiến bê tông asphalt bằng các chất hóa học, các chất tái chế, gia cƣờng sợi để tăng độ bền mỏi, tăng khả năng chống lún vệt bánh xe cũng nhƣ độ bền khai thác nói chung của hỗn hợp làm mặt đƣờng [20]. Những loại bê tông asphalt cải tiến này, có thể khai thác tốt trong -7- điều kiện biến đổi khí hậu và đáp ứng đƣợc sự gia tăng nhanh chóng của lƣu lƣợng giao thông và tải trọng trục giao thông. 1.1.1.2 Khái niệm và phân loại bê tông asphalt Bê tông asphalt là hỗn hợp vật liệu khoáng – bitum, đƣợc sử dụng trong xây dựng đƣờng. Thành phần bê tông asphalt bao gồm đá dăm (hoặc sỏi), cát, bột khoáng, bitum dầu mỏ và có thể có phụ gia. Tỷ lệ các thành phần của bê tông asphalt thông thƣờng nhƣ sau: đá dăm: 20-65%; cát: 30 – 66%; bột khoáng: 4-14%; bitum: 5-7%; phụ gia tùy theo kết quả thí nghiệm [16]. Các nguyên vật liệu đầu vào với thành phần hợp lý, đƣợc trộn và đầm nén thành một hỗn hợp đồng nhất. Các cốt liệu lớn làm tăng khối lƣợng hỗn hợp, giảm giá thành của bê tông, tăng cƣờng độ và độ ổn định do tạo bộ khung chịu lực. Cốt liệu nhỏ khi trộn với bitum tạo thành vữa asphalt làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, ảnh hƣởng đến tính công tác và phạm vi ứng dụng của bê tông asphalt. Bột khoáng làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ, làm hỗn hợp đặc hơn, tăng tỷ diện bề mặt cốt liệu và cải thiện tính ổn định nhiệt của hỗn hợp. Chất lƣợng bê tông asphalt phụ thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ nhớt của bitum. Cƣờng độ và độ ổn định của bê tông asphalt đƣợc hình thành nhờ sự liên kết giữa cốt liệu với bột khoáng và bitum. Các tính chất của bê tông asphalt phụ thuộc vào loại vật liệu thành phần, cấp phối cốt liệu, loại và thành phần chất kết dính, chất phụ gia sử dụng. Ứng xử của bê tông asphalt phụ thuộc vào điều kiện khai thác. Theo các tài liệu quốc tế thì bê tông asphalt có thể khai thác ở nhiệt độ từ -50oC đến +60oC tùy thuộc vào loại hỗn hợp [2]. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8819-2011, bê tông asphalt rải nóng đƣợc phân loại bằng nhiều cách. Có thể phân loại:  Theo độ rỗng dƣ: - Bê tông asphalt chặt: có độ rỗng dƣ từ 3% đến 6%, dùng làm lớp mặt trên và lớp mặt dƣới. Trong thành phần hỗn hợp bắt buộc phải có bột khoáng; -8- - Bê tông asphalt rỗng: có độ rỗng dƣ từ 7% đến 12% và chỉ dùng làm lớp móng.  Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định của bê tông asphalt chặt: - Bê tông asphalt chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 12,5 mm); - Bê tông asphalt chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 19 mm); - Bê tông asphalt chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 25 mm); - Bê tông asphalt cát, có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 9,5 mm). 1.1.2 Đặc tính kháng lún vệt bánh xe của bê tông asphalt 1.1.2.1 Giới thiệu chung Lún vệt bánh xe hay đƣợc gọi là biến dạng không hồi phục là một hiện tƣợng của mặt đƣờng bê tông asphalt. Nguyên nhân của nó là: - Sự giảm thể tích của bê tông asphalt do tác dụng đầm nén của bánh xe; - Ứng suất cắt sinh ra dƣới tác dụng lặp đi lặp lại của tải trọng bánh xe, đây là yếu tố cơ bản. Bản chất của hiện tƣợng này là sự tích lũy biến dạng vĩnh cửu trong lớp mặt asphalt do hỗn hợp bê tông asphalt kém chất lƣợng, không đảm bảo tính ổn định về cấu trúc vật liệu. Tích lũy biến dạng theo thời gian và lún trồi vật liệu là nguyên nhân của hiện tƣợng lún vệt bánh xe, một dạng hƣ hỏng điển hình làm giảm tuổi thọ và chất lƣợng khai thác của mặt đƣờng ô tô. Hình ảnh lún vệt bánh xe trên đoạn đƣờng vào trạm trung chuyển xe buýt Đại học Giao thông vận tải -9- Hình 1-1 Hình ảnh lún vệt bánh xe đoạn trƣớc cổng trƣờng ĐH GTVT Cơ chế hình thành phát triển của hiện tƣợng lún vệt bánh xe có thể đƣợc chia thành hai trƣờng hợp [14] : - Trƣờng hợp thứ nhất, lún vệt bánh xe xuất hiện chỉ trong lớp vật liệu bê tông asphalt, ứng suất cắt trƣợt xuất hiện trong lớp vật liệu bê tông asphalt lớn hơn cƣờng độ chịu cắt trƣợt của vật liệu. Hỗn hợp bê tông asphalt khi đó không ổn định, bị biến dạng và xô trƣợt. Dạng hƣ hỏng này thƣờng là nghiêm trọng. Nguyên nhân của hiện tƣợng này thông thƣờng liên quan đến quá trình thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông asphalt, lựa chọn loại và hàm lƣợng bitum. Tích lũy biến dạng do đặc tính từ biến của bê tông asphalt là nguyên nhân thứ hai, là hiện tƣợng mà có thể xảy ra khi ứng suất cắt trƣợt nhỏ hơn cƣờng độ chống cắt của bê tông asphalt. Theo cơ chế này, độ lớn của tải trọng và thành phần lực ngang của tải trọng xe cũng là yếu tố hình thành lún vệt bánh xe dạng này. - Trƣờng hợp thứ hai, biến dạng gây ra lún vệt bánh xe chủ yếu xảy ra trong lớp nền và lớp móng hơn là xảy ra trong lớp bê tông asphalt. Chiều dày kết cấu không đủ hay cƣờng độ nền, móng yếu là nguyên nhân của hƣ hỏng dạng này. Để đánh giá đặc tính này của bê tông asphalt, ngƣời ta có thể sử dụng các dạng thí nghiệm mô phỏng khả năng chịu lún của mẫu vật liệu dƣới tác động của tải trọng bánh xe ngoài thực tế. Có nhiều tiêu chuẩn của các quốc gia đƣợc xây -10- dựng để đánh giá khả năng kháng lún vệt bánh xe của vật liệu bê tông asphalt nhƣ: AASHTO T324; BS EN 12697-22:2004. 1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kháng lún vệt bánh xe: - Cốt liệu Thành phần cấp phối, độ nhám bề mặt của cốt liệu, hình dạng hạt và cỡ hạt là những yếu tố ảnh hƣởng lớn đến đặc tính kháng lún vệt bánh xe của bê tông asphalt. Cốt liệu có độ góc cạnh lớn, tạo nên khung cốt liệu có tính ch n móc tốt, tăng ma sát giữa các hạt cốt liệu sẽ cải thiện đáng kể khả năng chống biến dạng dẻo của hỗn hợp, cũng chính là khả năng chống lún vệt bánh xe. Hình dạng của đá dăm (cốt liệu thô thể hiện thông qua nhóm các chỉ tiêu: hàm lƣợng mặt vỡ của cốt liệu thô; hàm lƣợng hạt d t và chỉ số hạt cốt liệu Ia(Particle Index liên quan đến hình dạng, độ góc cạnh và độ xù xì bề mặt (Particle Shape and Texture của cốt liệu. Ba đặc trƣng hình dạng của cốt liệu đƣợc mô tả nhƣ Hình 1-2 dƣới đây. Hình 1-2: Ba đặc trƣng hình dạng của cốt liệu: Hình dạng, Góc cạnh và Độ xù xì bề mặt [12] Chỉ tiêu hàm lƣợng hạt có hai mặt vỡ của cốt liệu thô và chỉ tiêu hàm lƣợng hạt d t đã đƣợc xét đến trong phƣơng pháp Superpave. Nhóm chỉ tiêu tổng hợp liên quan đến hình dạng và độ xù xì bề mặt cốt liệu mặc dù đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới nghiên cứu áp dụng trong những năm gần đây và đƣợc đánh giá là một trong những yếu tố hiệu quả nhất hạn chế chiều sâu lún vệt bánh xe RD (Rut Depth). -11- Trong nghiên cứu của mình, Cross nhận thấy, với độ rỗng dƣ trên 2,5%, hỗn hợp sử dụng cốt liệu có nhiều mặt vỡ sẽ có khả năng chống RD tốt hơn khi sử dụng cốt liệu có bề mặt trơn nhẵn hoặc ít mặt vỡ [32]. Năm 2005, Chang nghiên cứu ảnh hƣởng của hình dạng cốt liệu đến các đặc trƣng cơ học của HMA và nhận thấy rằng hỗn hợp HMA sử dụng cốt liệu có hình dạng khối (cubical) có khả năng chống RD tốt nhất so với các hạt có hình dạng còn lại nhƣ hạt thoi, hạt d t v.v… [33] - Bitum Các đặc tính cơ lý của bitum có ảnh hƣởng rõ rệt đến chiều sâu lún vệt bánh xe RD. Bitum có nhiệt độ hóa mềm càng cao thì hỗn hợp có khả năng cải thiện đặc tính kháng lún vệt bánh xe tốt hơn. Các loại bitum cải tiến có tính ổn định nhiệt cao có tác dụng làm giảm chiều sâu lún vệt bánh xe của mặt đƣờng bê tông asphalt. - Bột khoáng Bột khoáng giúp lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn hơn (cát, đá dăm hoặc sỏi nghiền), không những làm tăng độ đặc của hỗn hợp mà còn làm tăng diện tích tiếp xúc, làm cho màng bitum trên bề mặt hạt vật liệu khoáng càng mỏng. Do vậy, lực tƣơng tác giữa chúng tăng lên, tăng khả năng dính bám giữa cốt liệu và màng bitum, cải thiện tính ổn định với nhiệt và ổn định với nƣớc. Tuy nhiên, màng bitum mỏng làm tăng diện tiếp xúc của bitum với các yếu tố này gây lão hóa, bitum hóa cứng làm tăng nguy cơ hƣ hỏng nứt của hỗn hợp vật liệu bê tông asphalt. - Tải trọng Tải trọng có thể gây tác dụng giống nhƣ đầm nén, thƣờng gọi là đầm nén thứ cấp (second compaction) làm giảm độ rỗng của hỗn hợp vật liệu. Khi độ rỗng nhỏ đi, nghĩa là phần trăm độ rỗng lấp đầy bằng bitum trở nên lớn hơn, làm tăng nguy cơ tạo pha lỏng liên tục, phát sinh hiện tƣợng chảy bitum trên mặt đƣờng bê tông asphalt khi thời tiết nóng. Tình trạng này có thể trở nên tồi tệ hơn nếu hàm lƣợng bitum trong hỗn hợp quá cao hay độ rỗng trong khối bê tông asphalt quá