Tài liệu Nghiên cứu vật liệu chế tạo và thành phần, tính chất của bê tông asphalt nóng ở nước chdcnd lào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ====000==== THONGĐA SINGHANINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG Ở NƢỚC CHDCND LÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ====000==== THONGĐA SINGHANINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG Ở NƢỚC CHDCND LÀO Chuyên ngành: xây dựng đƣờng ôtô và đƣờng thành phố Mã số: 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN: GS.TS. PHẠM DUY HỮU PGS.TS. ĐÀO VĂN ĐÔNG HÀ NỘI, 2017 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn Bộ giáo dục và Đào tạo Việt Nam, Bộ giáo dục và thế thao Lào. Các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trƣờng Đại Học Giao Thông Vận tải Việt Nam; Trƣờng Đại học Chămpasack Lào. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến các thầy hƣớng dẫn là GS. TS. PHẠM DUY HỮU và PGS. TS. ĐÀO VĂN ĐÔNG đã hết sức tân tình góp ý và định hƣớng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu của luận án. Xin cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Công trình, Bộ môn đừơng bộ, Bộ môn Vật liệu xây dựng và Viện Khoa học Công nghệ xây dụng Giao thông - Trừơng Đại học Giao Thông Vận tải đã động viên, nhiệt tình giúp đỡ và cung cấp các tài liệu quý báu để tác giả hòan thành luận án này. Tác giả ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Thongđa SINGHANINH iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ xiii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG ASPHALT Ở LÀO VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG TẠI CHDCND LÀO ................................................................................................................... 4 1.1. Khái niệm chung bê tông Asphalt. ............................................................. 4 1.2. Phân loại bê tông Asphalt .......................................................................... 4 1.3. Cấu trúc của bê tông Asphalt ..................................................................... 5 1.3.1. Khái quát....................................................................................... 5 1.3.2. Cấu trúc bê tông Asphalt .............................................................. 6 1.3.3. Cấu trúc của bitum trong bê tông Asphalt .................................... 7 1.4. Tính chất của bê tông Asphalt.................................................................... 9 1.4.1 Mở đầu ........................................................................................... 9 1.4.2. Các tính chất cơ học của bê tông Asphalt. ................................. 11 1.4.3. Phƣơng pháp xác định các tính chất cơ học ............................... 12 1.4.4. Các chỉ tiêu cơ học phục vụ thiết kế kết cấu mặt đƣờng ............ 15 1.4.5 Thí nghiệm mỏi ........................................................................... 21 1.4.6 Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp bê tông Asphalt rải mặt đƣờng .......................................................................... 22 1.5. Các phƣơng pháp sản xuất bê tông Asphalt ............................................. 25 1.5.1. Trộn bê tông Asphalt .................................................................. 25 1.5.2 Trạm trộn chu kỳ sấy nóng gián tiếp ........................................... 26 1.6 Thiết kế thành phần bê tông Asphalt nóng. .............................................. 30 iv 1.6.1 Phân loại bê tông nhựa ................................................................ 30 1.6.1.1 Phân loại theo cỡ hạt danh định lớn nhất của cốt liệu theo tiêu chuẩn của Viện Asphalt Hoa kỳ ........................................................... 31 1.6.1.3 Phân loại theo độ rỗng dƣ ......................................................... 31 1.6.1.4 Phân loại theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đƣờng .... 31 1.6.2 Nguyên tắc thiết kế thành phần bê tông Asphalt ......................... 32 1.6.3. Phƣơng pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt ..................... 35 1.7 Đặc điểm điều kiện địa hình và khí hậu ở Lào ......................................... 35 1.8. Hệ thống đƣờng ô tô ở Lào và vị trí đặc điểm các đƣờng có lốp mặt bằng bê tông Asphalt................................................................................................ 37 1.8.1 Giai đoạn trƣớc năm 1975 ........................................................... 37 1.8.2 Giai đoạn các năm 1975-1985 ..................................................... 38 1.8.3 Giai đoạn các năm 1985-2000 ..................................................... 39 1.8.4 Giai đọan năm 2000-2015 ........................................................... 39 1.9. Thành phần và một số các tính chất cơ bản của bê tông Asphalt nóng sử dụng tại Lào..................................................................................................... 46 1.9.1 Hỗn hợp vật liệu khoáng bê tông Asphalt nóng (HMA) tại Lào. .......... 46 - Mở đầu ............................................................................................... 46 Tiêu chuẩn kỹ thuật .............................................................................. 46 1.9.2 Phân tích HMA tại Lào................................................................ 46 Kết luận của chƣơng 1..................................................................................... 50 CHƢƠNG 2 LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG ASPHALT TẠI LÀO ................................................................................................................. 52 2.1. Yêu cầu cốt liệu cho bê tông Asphalt ...................................................... 52 2.1.1. Phân loại ..................................................................................... 52 2.1.2 Cốt liệu lớn .................................................................................. 52 2.1.3 Cốt liệu nhỏ ................................................................................. 53 2.1.4 Bột khoáng, xi măng.................................................................... 54 2.2 Chất kết dính bitum ................................................................................... 55 v 2.2.1 Phân loại ...................................................................................... 55 2.2.2 Thành phần hoá học của bitum dầu mỏ. ...................................... 56 2.2.3 Các tính chất của bitum quánh xây dựng đƣờng ......................... 56 2.3 Phần tích đặc điểm vật liệu chế tạo bê tông Asphalt nóng tại Lào. .......... 66 2.3.1 Thí nghiệm vật liệu chế tạo ......................................................... 66 Kết luận của chƣơng 2..................................................................................... 67 CHƢƠNG 3..................................................................................................... 68 ĐỂ XUẤT THÀNH PHẦN CẤP PHỐI VẬT LIỆU KHOÁNG, CÁC CHỈ TIÊU VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT, RẢI NÓNG CHO CHDCND LÀO .................................................... 68 3.1 Lựa chọn cấp phối vật liệu khoáng hợp lý cho Lào .................................. 68 3.1.1 Thành phần bê tông Asphalt theo các theo chuẩn. ...................... 68 3.1.2 Phân tích độ lệch từng cỡ sàng Max, Min theo các tiêu chuẩn ... 72 3.1.3 Lựa chọn cấp phối hợp lý HMA tại Lào ..................................... 77 3.2 Các chỉ tiêu cho bê tông Asphalt đặc, rải nóng tại Lào. ................. 77 để nghị với chỉ tiêu ghi ở bảng 3.4. ...................................................... 77 3.3. Thiết kế hỗn hợp bê tông Asphalt theo Marshall và Tiêu chuẩn Việt Nam ......................................................................................................................... 78 3.3.1. Mục đích của thiết kế ................................................................. 78 3.3.2. Phạm vi áp dụng của phƣơng pháp Marshall ............................. 79 3.3.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật quy định theo Marshall .............................. 79 3.3.4 Phân tích đánh giá phƣơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nóng, tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu bê tông nhựa nóng của Trung Quốc...................................................................................................... 82 3.4. Thiết kế thành phần theo SUPERPAVE .................................................. 83 3.4.1. Phƣơng pháp thiết kế thành phần PUPERPAVE ....................... 84 3.4.2. Các bƣớc trong thủ tục thiết kế hỗn hợp .................................... 84 3.5 Tiêu chuẩn bê tông nhựa của Malaysia ..................................................... 86 3.6 Hƣớng dẫn thết kế HMA cho Lào ............................................................. 88 vi 3.6.1 Giai đoạn thiết kế sơbộ (Giai đoạn 1) ......................................... 88 Phƣơng pháp đồ thị ............................................................................... 90 3.6.2 Giai đoạn thiết kế hoàn chính (Giai đoạn 2) ............................. 100 3.6.3 Giai đoạn phê duyệt công thức chế tạo HMA (Giai đoạn 3) .... 101 3.7 Lựa chọn thiết kế cuối cùng .................................................................... 103 3.8 Tính toán thành phần cốt liệu của HMA theo các tiêu chuẩn thiết kế. ... 105 Trên có số vật liệu tại Lào đƣợc ghi ở bảng 3.17.......................................... 105 3.9 Thiết kế theo tiêu chuẩn VN ................................................................... 106 3.10 Thiết kế theo tiêu chuẩn Nga 9128-2009 .............................................. 107 3.11 Thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản (Japan) D RA2006 ........................ 108 3.12 Thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ A.D3515.................................................. 108 3.13 Phân tích thành phần vật liệu khoáng thiết kế theo các tiêu chuẩn ...... 109 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... 111 CHƢƠNG 4................................................................................................... 112 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO BÊ TÔNG ASPHALT VỚI VẬT LIỆU TẠI LÀO VÀ ẢNH HƢỞNG LƢỢNG XI MĂNG ....................................................... 112 4.1 Tổng quát................................................................................................. 112 4.2. Lựa chọn hỗn hợp vật liệu khoáng. ........................................................ 112 4.3 Thí nghiệm xác định tính năng cơ học và hàm lƣợng bitum. ................. 114 4.4 Phân tích ảnh hƣởng của hàm lƣợng xi măng đến tính năng HMA. ...... 123 Kết luận chƣơng 4 ......................................................................................... 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 127 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tỷ lê diện tích bề mặt điển hình [53] ............................................... 8 Bảng 1.2: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall .... 14 Bảng 1.3: Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông Asphalt chặt ................. 15 Bảng 1.4: Thống kê đƣờng bộ toàn quốc năm 2013 ....................................... 40 Bảng 1.5 Số lƣợng xe tại Lào 2013 (xe/ngày đêm) ........................................ 40 Bảng 1.6: Mạng lƣới giao thông đƣờng bộ ở Lào........................................... 41 Bảng 1.7: Các tuyến đƣờng đã xây dựng bằng bê tông Asphalt tại Thủ đô Viêng Chăn ..................................................................................... 41 Bảng 1.8: Thống kê mạng lƣới đƣờng toàn Quốc (km) .................................. 44 Bảng 1.8.1: thống kê mạng lƣới đƣờng toàn Quốc (tiếp) ............................... 45 Bảng 1.9: Thành phần cấp phối bê tông Asphalt dự án HMA tại Lào ........... 46 Bảng 1.10: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA1) .............................................................................................. 48 Bảng 1.11: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA2) .............................................................................................. 48 Bảng 1.12: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA3) .............................................................................................. 49 Bảng 1.13: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA4) .............................................................................................. 49 Bảng 1.14: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA5) .............................................................................................. 49 Bảng 2.1: Cấp phối thành phần hạt cốt liệu nghiền nhà máy Nông Hai......... 52 Bảng 2.2: Cốt liệu nghiền nhà máy Sakai ....................................................... 53 Bảng 2.3: Thành phần của cát xay và cát sông Mêkong ................................. 53 Bang 2.4: Kết quả thí nghiệm độ kim lún 60-70 (SHELL) AASHTOT149-BS200.................................................................... 57 Bảng 2.5: Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm bitum 60-70 ....................... 57 Bảng 2.6: Khối lƣợng riêng: 1.030 g/cm3. AASHTO T53 ............................. 58 viii Bảng 2.7: Các tính chất vật liệu và các tác động bên ngoài ảnh hƣởng đến dính bám giữa bitum với cốt liệu .................................................... 60 Bảng 2.8: Phân cấp dính bám giữa bitum và vật liệu khoáng......................... 61 Bảng 2.9: Bitum, yêu cầu kỹ thuật và phƣơng pháp thử (TCVN 74932005) ............................................................................................... 63 Bảng 2.10: Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đặc theo AASHTO - M20 ASTM D946 ................................................................................................ 65 Bảng 2.11: Chỉ tiêu kỹ thuật đối với các loại bitum phân loại theo độ kim lún (Theo BS 3690 - Anh). ............................................................. 66 Bảng 2.12: Tổng hợp tiêu chuẩn cho thí nghiệm vật liệu. .............................. 66 Bảng 3.1: Thành phần hạt cốt liệu theo các tiêu chuẩn Quốc gia ................... 68 Bảng 3.2: Độ lệch theo từng sàng Ri............................................................... 76 Bảng 3.3: Thành phần cấp phối hạt kiến nghị cho Lào .................................. 77 Bảng 3.4: Sử dụng tiêu chuẩn AASHTO ........................................................ 46 Bảng 3.5: Sử dụng tiêu chuẩn ASTM và tiêu chuẩn TQ ................................ 46 Bảng 3.6: Tiêu chuẩn kỹ thuật của hỗn hợp HMA ......................................... 46 Bảng 3.7: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Lào ................................................ 77 Bảng 3.8: Yêu cầu kỹ thuật của HMA theo Viện Asphalt hoa kỳ .................. 80 Bảng 3.9: Độ rỗng cốt liệu nhỏ nhất ............................................................... 81 Bảng 3.10: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Việt Nam ..................................... 82 Bảng 3.11: Các loại hỗn hợp nhựa rải nóng (theo JTGF40.2004) ................. 83 Bảng 3.12 Chỉ tiêu VMA ................................................................................ 86 Bảng 3.13 Chỉ tiêu VFA.................................................................................. 86 Bảng 3.14: Thí nghiệm vệt hằn bánh xe Nhật Bản và Malaysia .................... 87 Bảng 3.15: Thành phần cấp phối hạt kiến nghị .............................................. 88 Bảng 3.16: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Lào (dự kiến) .............................. 88 Bảng 3.17: Vật liệu chế tạo HMA tại Lào .................................................... 105 Bảng 3.18: Kết quả thiết kế theo dự kiến Lào .............................................. 105 Bảng 3.19: Vật liệu chế tạo HMA................................................................. 106 ix Bảng 3.20: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam ................................ 106 Bảng 3.21: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nga ......................................... 107 Bảng 3.22: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản ................................. 108 Bảng 3.23: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ........................................... 108 Bảng 3.24: Thành phần cốt liệu thiết kế theo các tiêu chuẩn ....................... 109 Bảng 3.25: Thành phần cấp phối thiết kế theo các tiêu chuấn...................... 109 Bảng 4.1: Xác định thành phần khoáng 3 hỗn hợp vật liệu khoáng ............. 112 Bảng 4.2: Thành phần hạt cốt liệu ................................................................ 113 Bảng 4.3: Xi măng 5%+ cốt liệu lớn 60% + cốt liệu nhỏ 35% =100% HMA1 ........................................................................................... 113 Bảng 4.4: Xi măng 3.5%cốt liệu lớn 60% + cốt liệu nhỏ 31.5% =100% HMA2............................................................................................ 113 Bảng 4.5: Xi măng 2% + 65 cốt liệu + 33 cốt liệu = 100% HMA3 ............. 114 Bảng 4.6: hàm lƣợng bitum........................................................................... 115 Bảng 4.7: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phƣơng pháp Marshall 5% xi măng (M/X1). ............................... 116 Bảng 4.8: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phƣơng pháp Marshall 3.5% xi măng (M/X2) ............................. 117 Bảng 4.9: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phƣơng pháp Marshall 3.5% xi măng (M/X3). ............................ 118 Bảng 4.10: Kết của thí ghiệm tính năng của HMA....................................... 119 Bảng 4.11: Tính năng của các loại HMA (A, B, C)...................................... 123 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc của bê tông Asphalt ............................................................ 7 Hình 1.2: Thí nghiệm xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall ......................... 13 Hình 1.3: Mô hình thí nghiệm cắt tĩnh xác định c, ..................................... 17 Hình 1.4: Mô hình thí nghiệm cƣờng độ kéo uốn ........................................... 17 Hình 1.5: Mô hình thí nghiệm ép chẻ ............................................................. 18 Hình 1.6: Thí nghiệm xác định cƣờng độ ép chẻ ............................................ 19 Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm vệt hằn bánh xe trên thiết bị APA............... 20 Hình 1.8: Bộ phận gia tải của thiết bị APA .................................................... 21 Hình 1.9: Mẫu sau khi thí nghiệm vệt hằn bánh xe dùng thiết bị APA .......... 21 Hình 1.10. Mô hình thí nghiệm mỏi................................................................ 21 Hình 1.11: Bộ phận gia tải thí nghiệm mỏi trên thiết bị APA ........................ 22 Hình 1.12: Mẫu sau khi thí nghiệm mỏi trên thiết bị APA ............................. 22 Hình 1.13: Các định nghĩa về các loại tỷ trọng............................................... 23 Hình 1.14: Các loại thể tích trong mẫu bê tông Asphalt sau khi đã đƣợc đầm lèn ............................................................................................ 24 Hình 1.15: Trạm trộn chu kỳ sấy nóng gián tiếp ............................................ 27 Hình 1.16: Sơ đồ cấu tạo trạm trộn chu kỳ sấy nóng gián tiếp ....................... 27 Hình 1.17: Trạm trộn đuợc lắp đặt để phục vụ xây dựng sân bay .................. 28 Hình 1.18: Một trạm trộn thùng quay ............................................................. 29 Hình 1.19: Sơ đồ trạm trộn liên tục theo công nghệ Turbin ........................... 30 Hình 1.20: Cấp phối hạt của cốt liệu ............................................................... 33 Hình 1.21: Nhiệt độ trong năm ....................................................................... 36 Hình1.22 Lƣợng mƣa trong năm..................................................................... 37 Hình 1.23: Bản đồ mạng lƣới đƣờng Bộ của nƣớc Lào .................................. 43 Hình 1.24: Biểu đồ ảnh hƣởng cấp phối hạt ................................................... 47 Hình 2.1: Cấp phối của đá. .............................................................................. 53 Hình 2.2: Kiểm tra cấp phối của cát theo AASHTO M29 .............................. 54 xi Hình 2.3: Kiểm tra bột khoáng của xi măng theo AASHTO M17 ................. 55 Hình 2.4: Thử nghiệm màng mỏng bitum quay trong lò ................................ 59 Hình 2.5: Nhiết kế ........................................................................................... 63 Hình 3.1:Lƣợng lọt sang trung bình các tiêu chuẩn Quốc gia ........................ 70 Hình 3.2 Các tiêu chuẩn Quốc gia .................................................................. 71 Hình 3.3a Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=0.075mm theo 5 tiêu chuẩn ............ 72 Hình 3.3b Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=0.15mm theo 5 tiêu chuẩn .............. 73 Hình 3.3c Biến đối lƣợng lọt sàng tại đ=0.30mm theo 5 tiêu chuẩn .............. 73 Hình 3.3d Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=0.60mm theo 5 tiêu chuẩn .............. 73 Hình 3.3e Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=1.18mm theo 5 tiêu chuẩn .............. 74 Hình 3.3f Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=2.63mm theo 5 tiêu chuẩn............... 74 Hình 3.3g Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=4.75mm theo 5 tiêu chuẩn .............. 74 Hình 3.3h Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=9.50mm theo 5 tiêu chuẩn .............. 75 Hình 3.3i Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=12.50mm theo 5 tiêu chuẩn ............. 75 Hình 3.3i Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=0.30mm theo 5 tiêu chuẩn ............... 75 Hình 3.4: Biểu đồ độ lệch trung bình theo 5 tiêu chuẩn ................................. 76 Hình 3.5: Cấp phối BTN 12.5 sử dụng ở Malaysia ........................................ 87 Hình 3.6: Biểu đồ kiểm tra thành phần hạt HMA. ........................................ 106 Hình 3.7. Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam ................................... 107 Hình 3.8. Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nga ............................................ 107 Hình 3.9. Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản ................................... 108 Hình 3.10. Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ ........................................... 109 Hình 3.11: Cấp phối cốt liệu các loại bê tông Asphalt tính theo các tiêu chuẩn ............................................................................................. 110 Hình 3.12: Kết quả kiểm tra cho thấy hỗn hợp với yêu cầu của dự án và các tiêu chuẩn ................................................................................ 110 Hinh 4.1: Cấp phối của HMA 2%, 3.5%, 5% ............................................... 114 Hình 4.2: Kết quả thí nghiệm HMA 5% xi măng (M/X1). ........................... 120 Hình 4.3: Kết quả thí nghiệm HMA 3.5% xi măng(M/X2). ......................... 121 xii Hình 4.4: Kết quả thí nghiệm HMA 2% xi măng(M/X3). ............................ 122 Hình 4.5: Quan hệ độ ổn định Marshall ........................................................ 123 Hình 4.6: Quan hệ tỷ lƣợng xi măng và độ dẻo ............................................ 123 Hình 4.7: Quan hệ lƣợng xi măng và rỗng hỗn hợp vật liệu khoáng............ 124 Hình 4.8: Quan hệ lƣợng xi măng và VMA.................................................. 124 Hình 4.9: Quan hệ lƣợng xi măng và VFA ................................................... 124 Hình 4.10: Quan hệ lƣợng xi măng và Air Void........................................... 125 xiii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO: Hiệp hội những ngƣời làm đƣờng và vận tải toàn nƣớc Mỹ AC: Bê tông nhựa chặt AM: Hỗn hợp nhựa ASTM: Hiệp hội về thí nghiệm và vật liệu Mỹ ATB: Móng gia cố nhựa ATPB: Móng gia cố nhựa thoát nƣớc BTAF: Bê tông Asphalt BTN: Bê tông nhựa BTNC: Bê tông nhựa chặt BTXM: Bê tông xi măng CHDCND: Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào HMA: Bê tông Asphalt nóng OFGC: Lớp hao mòn nhám cấp phối QĐ: Quy định SMA: Hỗn hợp đá - vữa nhựa TCN: Tiêu chuẩn nghành TCVN: tiêu chuẩn Việt Nam TQ: Trung Quốc Va: Độ rỗng dƣ VFA: Độ rỗng cốt liệu VMA: Độ rỗng lấp đầy nhựa VN: Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nƣớc Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào, có truyền thống lịch sử dựng nƣớc và giữ nƣớc lâu đời. Sau Khi giải phóng và thành lập nƣớc CHDCND Lào vào ngày 2/12/1975, đi đôi với việc khắc phục hậu qủa chiến tranh và phát triển kinh tế - xã hội trong toàn quốc, Đảng và Nhà nƣớc Lào đã chủ trƣơng phát triển giao thông đƣờng bộ, lấy giao thông đƣờng bộ đi trƣớc một bƣớc. Trong quá trình chuyển sang kinh tế thị trƣờng và mở rộng hợp tác bên ngoài, Đảng và Nhà nƣớc Lào lấy giao thông đƣờng bộ làm mũi nhọn cho sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, coi việc khôi phục và phát triển giao thông đƣờng bộ là một trong các biện pháp cơ bản nhằm nối liền giữa sản xuất với tiêu thụ, tạo điều kiện cho sản xuất hàng hoá phát triển, mở rộng thị trƣờng trong và ngoài nƣớc. Nhìn lại hiện trạng mạng lƣới giao thông đƣờng bộ của Lào tuy có phát triển nhƣng còn chậm, cả về cơ sở vất chất kỹ thuật và trình độ quản lý. Ở CHDCND Lào hiện nay chƣa có đƣờng sắt, không có đƣờng biển, đƣờng sông chỉ hoạt động vào mùa mƣa là chủ yếu, đƣờng hàng không cũng chƣa phát triển. Khối lƣợng hành khách đƣợc vận chuyển chủ yếu bằng đƣờng bộ, trong khi đó chƣa có một hệ thống mạng lƣới đƣờng bộ hoàn chỉnh, thông suốt, nối liền từ Bắc đến Nam. Trong thực tế, hệ thống giao thông đƣờng bộ chƣa phù hơp với sự phát triển kinh tế - xã hội cả trong nƣớc cũng nhƣ với các nƣớc lân cận trong vùng. Nƣớc CHDCND Lào cũng tƣơng tự nhƣ Việt Nam, đang đẩy mạnh công cuộc phát triển kinh tế để xây dựng một xã hội phồn vinh. Giao thông vận tải, trong đó có ngành xây dựng đƣờng ô tô đƣợc ƣu tiên phát triển. Để xây dựng các con đƣờng có chất lƣợng và tuổi thọ cao đòi hỏi phải giải quyết hàng loạt các vấn đề kỹ thuật. Một trong những vấn đề chính là vật liệu chế 2 tạo và thành phần, tính chất của bê tông Asphalt nóng ở Nƣớc CHDCND Lào. Hiện nay ở Lào mặt đƣờng bê tông Asphalt là loại mặt đƣờng đang đƣợc Bộ Giao thông Vận tải Lào quan tâm và áp dụng rất phổ biến. Nhƣng công tác thiết kế, thi công và công tác quản lý chất lƣợng mặt đƣờng bê tông Asphalt chƣa đƣợc tốt, cho nên nó ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng công trình khi đƣa vào sử dụng nhƣ: có hiện tƣợng nứt, hiện tƣợng lún, bong tróc lớp mặt... Vì vậy, rất cần thiết phải có biện pháp thiết kế, thi công và công tác quản lý chất lƣợng mặt đƣờng bê tông Asphalt hợp lý, góp phần để đƣờng bê tông Asphalt phát triển. Chính vì vậy, Nhà Nƣớc CHDCND Lào cử tác giả Việt Nam sang đây làm nghiên cứu sinh với đề tài: “Nghiên cứu vật liệu chế tạo và thành phần, tính chất của bê tông Asphalt nóng ở Nước CHDCND Lào’’. 2. Mục đích nghiên cứu Luận án nghiên cứu và phân tích các hiện trạng của các công trình mặt đƣờngbê tông Asphalt tại Lào thông qua khảo sát và tìm hiểu tại các cơ quan quản lý đƣờng trung ƣơng, địa phƣơng và tìm hiểu các vấn đề lý thuyết về tính toán thiết kế các công trình bê tông Asphalt để đề nghị phƣơng pháp thiết kế mặt đƣờng bê tông Asphalt cho Lào. Trên cơ sở đối chiếu lý thuyết và thực tiễn để lựa chọn đề xuất phƣơng pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt hợp lý sử dụng cho các công trình trên đƣờng ô tô ở Lào.Thí nghiệm xác định các thành phần chất lƣợng bê tông Asphalt chuyên đề sử dụng xi măng thay thế bọt khoáng trong bê tông Asphalt. 3.Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu hiện trạng đƣờng bê tông Asphalt ở Lào. - Nghiên cứu thí nghiệm các tính chất cơ lý của bê tông Asphalt. - Nghiên cứu phƣơng pháp thiết kế theo AASHTO, thí nghiệm tại Lào. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu: Phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của kết quá nghiên cứu là khẳng định với các vật liệu hiện có ở nƣớc CHDCND Lào hoàn toàn có thể chế tạo đƣợc bê tông Asphalt dùng trong xây dựng đƣờng ô tô đồng thời đã thiết kế thử nghiệm thành công loại bê tông Asphalt chắt rải nóng dùng trong xây dựng đƣờng ô tô ở nƣớc CHDCND Lào dựa theo TCVN 8820:2011. Kết quá nghiên cứu của luận án có thể coi là tài liệu tham khảo tốt cho việc ứng dùng vật liệu bê tông Asphalt nóng ở nƣớc CHDCND Lào, cần thiết cho sự phát triển hệ thống đƣờng ở Lào. 6. Bố cục luận án: Nội dung luận án gồm có 4 chƣơng với, mục lục, mở đầu, kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo. Luận án gồm những phần sau: Mục lục Mở đầu Chương 1: Tổng quan về vật liệu bê tông Asphalt và tình hình sử dụng bê tong Asphalt nóng tại CHDCND Lào. Chương 2:Lựa chọn vật liệu chế tạo bê tông Asphalt tại Lào. Chương 3: Để xuất thành phần cấp phối vật liệu khoáng, các chỉ tiêu và phƣơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông Asphalt chặt, rải nóng cho CHDCND Lào. Chương 4:Thực nghiệm chế tạo bê tông Asphalt với vật liệu tại Lào và ảnh hƣởng hàm lƣợng xi măng. Kết luận và kiến nghị Các công trình khoa học đã được công bố Tài liệu tham khảo Phụ lục 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG ASPHALT Ở LÀO VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG TẠI CHDCND LÀO 1.1. Khái niệm chung bê tông Asphalt. Bê tông Asphalt hoặc bê tông nhựa là một loại sản phẩm quan trọng của bitum và cốt liệu, bột khoáng đƣợc sử dụng nhiều nhất làm vật liệu xây dựng mặt đƣờng ở trên thế giới. Bê tông Asphalt đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp nhào trộn bitum với các hỗn hợp cốt liệu nhƣ đá dăm, cát, bột khoáng có kích thƣớc khác nhau tùy theo yêu cầu của từng loại sản phẩm. bê tông Asphalt đƣợc sử dụng chủ yếu làm kết cấu mặt đƣờng mềm.[20], [21], [15] Thành phần bê tông cần tƣơng ứng với điều kiện làm việc (vùng khí hậu, đặc tính chịu tải), với loại vật liệu khoáng, loại và lƣợng bitum tối ƣu, với tỷ lệ giữa các thành phần thỏa mãn với các yêu cầu quy định trong tiêu chuẩn kỹ thuật dự án. Có nhiều phƣơng pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt. Song phổ biến nhất, cho kết quả tin cậy là phƣơng pháp tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết về đƣờng cong độ đặc hợp lý của hỗn hợp vật liệu khoáng và thí nghiệm đó là phƣơng pháp tính toán kết hợp với thực nghiệm. (tiêu chuẩn Nga, Mỹ và Việt Nam). Trình tự thiết kế thành phần bê tông Asphalt nhƣ sau: lựa chọn và kiểm tra vật liệu, xác định tỷ lệ của các vật liệu theo thành phần cấp phối hạt, lựa chọn thành phần bitum tối ƣu và thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật trên các mẫu thử. Khi lựa chọn thành phần vật liệu khoáng để chế tạo bê tông Asphalt,vật liệu sử dụng phải phù hợp với loại, dạng bê tông và đạt các yêu cầu về tính chất cơ học, tính ổn định nhiệt và tính chống ăn mòn, đồng thời phải phù hợp với yêu cầu củacác tiêu chuẩn mà dự án quy định (Quốc gia, Quốc tế). 1.2. Phân loại bê tông Asphalt Bê tông Asphalt là vật liệu khoáng - bitum có chất lƣợng cao. Ngoài ra còn có các loại hỗn hợp khác nhƣ: vật liệu đá nhựa macadam, đá nhựa cấp phối đặc, đá nhựa cƣờng độ cao, đá nhựa hạt mịn (vữa Asphalt), hỗn hợp tạo nhám, đá nhựa thấm nƣớc. Sự khác nhau cơ bản giữa hỗn hợp bê tôngAsphalt 5 và đá nhựa là cấp phối của hỗn hợp. Cấp phối cốt liệu trongbê tôngAsphalt thƣờng bao gồm cốt liệu lớn, cốt liệu mịn và bột đá. Trong các hỗn hợp đá nhựa thƣờng ít sử dụng bột đá. Các hỗn hợp tạo nhám và đá nhựa thấm nƣớc thƣờng sử dụng các cấp phối gián đoạn [15]. Bê tông Asphalt còn có thể đƣợc chế tạo từ các loại bitum polyme hoặc các loại nhũ tƣơng bitum. Bê tông Asphalt có thể đƣợc phân loại nhƣ sau: Theo đƣờng kính danh dịnh D, D lớn <40mm, D trung bình<20mm D nhỏ và cát<5mm Theo độ đặc: Bê tông Asphalt đặc, rỗng và rất rỗng. Hỗn hợp nóng đƣợc rải và bắt đầu làm đặc khi nhiệt độ không nhỏ hơn 120oC. Hỗn hợp này thƣờng dùng bi tum có độ quánh 40/60, 60/70 và 70/100. Hỗn hợp ấm đƣợc rải và bắt đầu làm đặc khi nhiệt độ không nhỏ hơn 1000C. Hỗn hợp nguội dùng bitum lỏng có độ nhớt 70/130 đƣợc rải ở nhiệt độ không khí không nhỏ hơn 5oC và đƣợc giữ ở nhiệt độ thƣờng. Theo độ rỗng dư của bê tông Asphalt: Bê tông Asphalt còn chia ra loại sau: đặc có độ rỗng 3-6%, có độ rỗng, 6-12%, rất rỗng có độ rỗng 12-18% theo thể tích. Theo nhiệt độ rải, nhiệt độ rải> 120oC, ấm >100oC và nguội >5oC. Trong nghiên cứu này chủ yếu là nghiên cứu thành phần, thiết kế bê tông Asphalt nóng, đặc, Dmax = 19mm phù hợp điều kiện vật liệu tại Lào và khảo sát tính năng bê tông Asphalt tại Lào. 1.3. Cấu trúc của bê tông Asphalt [14] 1.3.1. Khái quát Tính chất vật lý, cơ học của bê tông Asphalt phụ thuộc vào chất lƣợng, tỷ lệ thành phần các vật liệu chế tạo và cấu trúc của bê tông. Cấu trúc của bê tông Asphalt thể hiện mối tƣơng tác giữa các yếu tố cấu tạo, sự phối hợp giữa chúng. Tập hợp của các yếu tố này đƣợc thể hiện bằng mối quan hệ giữa đặc tính của vật liệu với độ đặc và độ rỗng của vật liệu khoáng, cấu trúc và đặc tính của bitum, sự liên kết với vật liệu khoáng và độ lấp đầy lỗ rỗng vật liệu khoáng của bitum. Cấu trúc của bê tông Asphalt bao gồm cấu trúc của hỗn hợp vật liệu khoáng và cấu trúc của bitum trong bê tông Asphalt.