Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam

Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt NamNghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÙI VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀKẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦATẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÙI VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀKẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦATẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:1 PGS.TS Nguyễn Quang Tuấn2 PGS.TS Nguyễn Quang Phúc

HÀ NỘI – 2024

-I-LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác.

Hà Nội, 05/2024Tác giả luận án

NCS Bùi Văn Phú

-II-LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướngdẫn trực tiếp của PGS.TS Nguyễn Quang Tuấn và PGS.TS Nguyễn Quang Phúc.Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy hướng dẫn đã giúp đỡ, chỉ dẫn tậntình, đã đóng góp các ý kiến quý báu và tạo điều kiện thuận lợi để giúp nghiên cứusinh thực hiện luận án này.

Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao thôngvận tải, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Đường Bộ, Khoa KHCB, Bộ môn Hìnhhọa- Vẽ kỹ thuật, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thông vận tải, Phòng thínghiệm trọng điểm LasXD 1256, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng đã tạo điều kiệnthuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập nghiên cứu Nghiên cứu sinhcũng trân trọng cảm ơn Quỹ đổi mới Sáng tạo Vingroup - VINIF đã cấp học bổng 1năm cho những kết quả nghiên cứu khoa học có liên quan đến đề tài nghiên cứu sinhvới mã số học bổng VINIF.2021.TS.148.

Cuối cùng nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình, người thân đãgiúp đỡ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.

Hà Nội, 05/2024

-III-MỤC LỤC

MỞĐẦU 1

CHƯƠNG 1.TỔNGQUAN VỀỨNGXỬCƠHỌCCỦAVẬTLIỆU VÀKẾTCẤUÁO

ĐƯỜNGMỀM DƯỚI TÁC DỤNGCỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG 6

1.1 Ứng xử của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa dưới tác dụng tải trọngđộng 6

1.1.1.Nhựa đường và ma tít 6

1.1.2.Bê tông nhựa 8

1.1.3 Thí nghiệm mô đun phức động của nhựa đường, ma tít và bê

tông nhựa 10

1.1.4.Thí nghiệm từ biến 14

1.1.5.Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số 15

1.1.6.Mô hình dự đoán tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và bê tôngnhựa… 20

1.2 Ứng xử của cấp phối đá dăm và đất nền dưới tác dụng tải trọng động 26

1.2.1.Mô đun động M R của lớp móng cấp phối và đất đắp nền đường .26

1.2.2.Một số mô hình dự đoán M R .28

1.3 Ứng xử của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng tải trọng động và cácphương pháp thiết kế 31

1.3.1.Giới thiệu chung về kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng động 31

1.3.2.Các dạng hư hỏng thường gặp của kết cấu áo đường mềm 34

1.3.3.Một số phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm 35

1.4 Tình hình nghiên cứu ứng xử của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác

dụng của tải trọng động tại Việt nam 39

1.5 Vấn đề nghiên cứu của luận án 40

1.6 Phương pháp nghiên cứu 41

1.7 Kết luận chương 1 42

2.2.1.Mô phỏng ứng xử đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường 54

2.2.2.Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ tính chất đàn nhớt của nhựađường 56

2.3 Mối liên hệ giữa tính chất đàn nhớt tuyến tính và nhiệt độ hóa mềm của nhựađường 62

2.3.1.Vật liệu thí nghiệm 63

2.3.2.Nhiệt độ hóa mềm tương đương T V theo phương pháp của Alisov .64

2.3.3.Nhiệt độ hóa mềm tương đương T K .65

-V-3.4.2.Kết quả thí nghiệm và nhận xét 83

3.5 phỏngMô thí nghiệm từ biến 3D từ thí nghiệm mô đun phức động 3D 90

3.5.1.Mô hình Kelvin - Voigt 3D 90

3.5.2.Dự đoán biến dạng từ biến từ thí nghiệm mô đun phức động 91

3.6 Dự đoán mô đun động của bê tông nhựa từ tính chất đàn nhớt tuyến tính củanhựa đường 102

3.7 Kết luận chương 3 104

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI

TRỌNGĐỘNG 106

4.1 Giới thiệu phần mềm Viscoroute 2.0 107

4.1.1.Thiết lập mô hình kết cấu và thông số tính chất vật liệu 107

4.1.2.Thiết lập thông số tải trọng, vận tốc tính toán và dữ liệu đầu ra 108

4.1.3.Phân tích kết cấu và xuất kết quả 109

4.2 Lựa chọn kết cấu, tải trọng tính toán và các trường hợp tính toán 109

4.2.1.Lựa chọn kết cấu và tải trọng 109

4.2.2.Các trường hợp tính toán 111

4.3 thôngCác số tính chất vật liệu trong trường hợp tính toán đàn nhớt 111

4.3.1.Mô phỏng tính chất đàn nhớt tuyến tính của lớp mặt bê tông nhựa 111

4.3.2.Mô đun đàn hồi động của lớp đất nền 113

4.3.3.Mô đun động của lớp móng cấp phối đá dăm 120

4.4 Các thông số tính vật liệu trong trường hợp tính toán đàn hồi 121

4.4.1.Mô đun tĩnh của vật liệu bê tông nhựa 121

4.4.2.Mô đun tĩnh của lớp đất nền đường và lớp móng cấp phối 121

4.5 So sánh ứng xử của kết cấu của hai trường hợp tính toán: đàn hồi và đàn

nhớt 122

4.5.1.So sánh ứng suất kéo uốn tại nhiệt độ 15°C 123

-VI-4.5.2.So sánh độ võng ở nhiệt độ 30°C 125

4.5.3.So sánh ứng suất cắt trượt ở nhiệt độ 60°C 126

4.6 Phân tích ảnh hưởng của tốc độ xe chạy và nhiệt độ đến ứng xử của của kếtcấu khi tính toán đàn nhớt tuyến tính 129

4.6.1.Ảnh hưởng của tốc độ xe chạy 129

4.6.2.Ảnh hưởng của nhiệt độ 131

4.7 Kết luận chương 4 132

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134

CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐCỦATÁC GIẢ 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 137

-VII-DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Ứng xử đàn hồi nhớt của nhựa đường dưới tác dụng của tải trọng [25] 7

Hình 1-2 Các dạng ứng xử của BTN phụ thuộc vào biến dạng (ε) và số lượt tải trọngε) và số lượt tải trọng) và số lượt tải trọngtác dụng (ε) và số lượt tải trọngN) [31] 9

Hình 1-3 Ứng suất - biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động 11

Hình 1-4 Hai thành phần của mô đun phức động 12

Hình 1-5 Biểu đồ Cole-Cole biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thõa mãn

Nguyêntắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số 16

Hình 1-6 Biểu đồ Black biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thỏa mãn Nguyên

tắcTương quan Nhiệt độ - Tần số 17

Hình 1-7 Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng của mô đun cắt động |G* | tại nhiệtđộ tham chiếu T ref = 25°C .17

Hình 1-8 Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng góc lệch pha tại nhiệt độ tham

chiếuT ref = 25°C .17

Hình 1-9 Ví dụ về hệ số a T phụ thuộc vào nhiệt độ T và mô phỏng theo quy luật WLFtại nhiệt độ tham chiếu T ref = 25°C .18

Hình 1-10 Biểu đồ Black của mô đun phức của nhựa đường polyme [78] 19

Hình 1-11 Đường cong đặc trưng mô đun phức động của BTN sử dụng nhựa đườngpolyme [78] 19

Hình 1-12 Mô hình Maxwell 20

Hình 1-13 Mô hình Kelvin - Voigt 21

Hình 1-14 Mô hình Maxwell tổng quát 21

Hình 1-15 Mô hình Kelvin – Voigt tổng quát 22

-VIII-Hình 1-20 Dạng tải trọng chu kỳ tác dụng lên mẫu trong thí nghiệm M R .28

Hình 1-21 Kết cấu tổng thể nền áo đường mềm 32

Hình 1-22 Minh họa trạng thái ứng suất trong kết cấu dưới tác dụng của tải trọng xechạy [62] 32

Hình 1-23 Biến dạng theo phương đứng trên bề mặt lớp đất nền [40] 33

Hình 1-24 So sánh biến dạng ngang ε) và số lượt tải trọng yy trong tính toán đàn hồi, tính toán đàn nhớt vàkết quả đo thực tế tại đáy lớp BTN [65] 34

Hình 2-1 Thí nghiệm DSR: a) thiết bị DSR RHEOTEST RN 4.3; b) nguyên lý thínghiệm 46

Hình 2-2 Thí nghiệm dạng cắt góc (ε) và số lượt tải trọngCG): a) thiết bị thí nghiệm; b) mô hình mẫu 47

Hình 2-3 Thí nghiệm dạng kéo nén (ε) và số lượt tải trọngK/N): a) thiết bị thí nghiệm; b) mô hình mẫu 48

Hình 2-4 Đường cong đặc trưng của |G* | của 3 loại nhựa đường nghiên cứu 50

Hình 2-5 Đường cong đặc trưng |G* | của nhựa đường 60/70 và ma tít tương ứng 51

Hình 2-6 Đường cong đặc trưng |G* | của nhựa đường PMB3 và ma tít tương ứng 51

Hình 2-7 Đường cong đặc trưng |G* | của nhựa đường 35/50 và ma tít tương ứng 51

Hình 2-8 Hệ số dịch chuyển a T của nhựa đường 60/70 và ma tít tại T ref = 25°C 52

Hình 2-9 Hệ số dịch chuyển a T của nhựa đường PMB3 và ma tít tại T ref = 25°C .52

Hình 2-10 Hệ số dịch chuyển a T của nhựa đường 35/50 và ma tít tại T ref = 25°C .52

Hình 2-11 Phân tích ANOVA thí nghiệm |G* | của vật liệu nhóm 1 53

Hình 2-12 Phân tích ANOVA thí nghiệm |G* | của vật liêu nhóm 2 53

Hình 2-13 Phân tích ANOVA thí nghiệm |G* | của vật liệu nhóm 3 54

Hình 2-14 Kết quả mô phỏng của vật liệu nhựa đường tại T ref = 25°C .55

Hình 2-15 Kết quả dự đoán |G* | của ma tít nhựa đường 35/50 tại T ref = 25°C .58

Hình 2-16 Kết quả dự đoán |G* | của ma tít nhựa đường 60/70 tại T ref = 25°C .59

Hình 2-17 Kết quả dự đoán |G* | của ma tít nhựa đường PMB3 tại T ref = 25°C .60

Hình 2-18 Mối quan hệ giữa log(ε) và số lượt tải trọngα) và hàm lượng bột) và hàm lượng bột khoáng V(ε) và số lượt tải trọng%) 61

-IX-Hình 2-19 Xác định giá trị T V của nhựa đường nguyên gốc 60/70 loại 1 .65

Hình 2-20 So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ hóa mềm tương đương T V .65

Hình 2-21 Giá trị |G* | tại nhiệt độ hóa mềm 66

Hình 2-22 Giá trị δ tại nhiệt độ hóa mềm 66

Hình 2-23 Giá trị tham số K tại nhiệt độ hóa mềm (ε) và số lượt tải trọngtần số 10 rad/s) 67

Hình 2-24 Tham số K tại các nhiệt độ và cách xác định T K của nhựa đường

PMB3 68

Hình 2-25 So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ hóa mềm tương đương T K .68

Hình 3-1 Đường cong cấp phối: a) BTN C12,5 và BTN P12,5; b) BTN C19 73

Hình 3-2 Mẫu thí nghiệm 74

Hình 3-3 Thiết bị thí nghiệm Cooper 75

Hình 3-4 a) Bố trí các đầu đo biến dạng; b) Hình chiếu bằng của mẫu; c) Thiết bị ghidữ liệu ngoài 76

Hình 3-5 Sự phát triển theo thời gian của ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm néndọc trục tải trọng hình sin [79, 81] 77

Hình 3-6 Đường cong đặc trưng |E* | và ϕ E của BTN C12,5 tại T ref = 40℃ .79

Hình 3-7 Hệ số dịch chuyển a T của 3 loại BTN tại T ref = 40℃ .79

Hình 3-8 Đường cong đặc trưng hệ số Poát xông | ν * | của 3 loại BTN tại

T ref = 40℃ .80

Hình 3-9 Đường cong đặc trưng góc lệch pha ϕ ν của 3 loại BTN tại T ref= 40℃ .80

Hình 3-10 Phân tích ANOVA thí nghiệm |ν * | 82

Hình 3-11 Phân tích ANOVA thí nghiệm |E* | 82

Hình 3-12 Quá trình gia tải-dỡ tải của mẫu BTN C12,5 tại nhiệt độ thí

nghiệm 30°C 83

Hình 3-13 Thí nghiệm từ biến: Biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông của BTNC12,5 tại 15°C, 30°C và 60°C 84

-X-Hình 3-14 Thí nghiệm từ biến: Biến dạng dọc trục của 3 loại BTN tại 15°C,

30°C và 60°C 85

Hình 3-15 Biến dạng thể tích theo thời gian của mẫu BTN P12,5 tại nhiệt độ 60ºC 86

Hình 3-16 Sự phát triển của hệ số Poát xông trong thí nghiệm từ biến ν(ε) và số lượt tải trọngt) theo

thời gian 87

Hình 3-17 Biến dạng dọc trục theo thời gian tương đương 88

Hình 3-18 Biến dạng nở hông theo thời gian tương đương 89

Hình 3-19 Mô hình Kelvin-Voigt 3D tổng quát 90

Hình 3-20 Mô phỏng mô đun phức động của BTN C19 tại T ref = 40  C .92

Hình 3-21 Mô phỏng hệ số Poát xông động |ν* | của BTN C19 tại T ref = 40  C .92

Hình 3-22 Mô đun động của BTN C12,5 trên biểu đồ Cole-Cole 94

Hình 3-23 Đường cong đặc trưng |E*| của BTN C12,5 tại nhiệt độ Tref = 15  C,

30  C và 60  C 95

Hình 3-24 Đường cong đặc trưng |ν*| của BTN C12,5 tại nhiệt độ Tref = 15  C,

30  C và 60  C 96

Hình 3-25 Sự chồng chất của ứng suất tác dụng trong thí nghiệm từ biến 97

Hình 3-26 BTN C12,5 - thí nghiệm và mô phỏng tại các nhiệt độ của biến dạng

dọc trục 99

Hình 3-27 BTN C12,5 - thí nghiệm và mô phỏng tại các nhiệt độ của biến dạng

nở hông 100

Hình 3-28 Thí nghiệm và mô phỏng biến dạng dọc trục của BTN C12,5, BTN C19 vàBTN P12,5 tại nhiệt độ 30  C 101

Hình 3-29 Kết quả dự đoán |E* | của BTN C12,5 tại T ref = 40°C .103

Hình 3-30 Kết quả dự đoán |E* | của BTN C19 tại T ref = 40°C .103

Hình 3-31 Kết quả dự đoán |E* | của BTN P12,5 tại T ref = 40°C .103

Hình 4-1 Thiết lập mô hình kết cấu và lựa chọn thông số vật liệu: Tính toán

đàn hồi 108

-XI-Hình 4-2 Thiết lập mô hình kết cấu và lựa chọn thông số vật liệu: Tính toán

đàn nhớt 108

Hình 4-3 Thiết lập thông số tải trọng và vận tốc và dữ liệu đầu ra 109

Hình 4-4 Xuất kết quả 109

Hình 4-5 Mô phỏng kết cấu áo đường 110

Hình 4-6 Mô hình tải trọng tính toán: a) tải trong trục đơn; b) tải trọng trục kép 110

Hình 4-7 Tính chất đàn nhớt của BTN C12,5: a) Mô đun động | E*|; b) góc

pha φ 112

Hình 4-8 Tính chất đàn nhớt của BTN C19: a) Mô đun động |E*|; b) góc lệch

pha φ 113

Hình 4-9 Biểu đồ thành phần hạt của các vật liệu nghiên cứu 114

Hình 4-10 Chuẩn bị mẫu và cài đặt máy thí nghiệm 115

Hình 4-11 Phân tích phương sai ANOVA 116

Hình 4-12 Ảnh hưởng của cấp áp lực hông (ε) và số lượt tải trọnga) và ứng suất lệch (ε) và số lượt tải trọngb) đến giá trị M R củamẫu đất loại 1 117

Hình 4-13 Ảnh hưởng của cấp áp lực hông (ε) và số lượt tải trọnga) và ứng suất lệch (ε) và số lượt tải trọngb) đến giá trị M R củamẫu đất loại 2 118

Hình 4-14 Biến dạng của mẫu thí nghiệm BTN C12,5 tại nhiệt độ 30ºC theo thời giangia tải và dỡ tải 121

Hình 4-15 Ứng suất kéo uốn 𝜎 xx tại đáy lớp BTN C19 - tải trọng trục đơn .123

Hình 4-16 Biến dạng 𝜀 xx tại đáy lớp BTN C19 tại nhiệt độ 15°C .123

Hình 4-17 Biến dạng 𝜀 yy tại đáy lớp BTN C19 .124

Hình 4-18 Ứng suất kéo uốn 𝜎 xx tại đáy lớp BTN C19 - tải trọng trục kép .124

Hình 4-19 Độ võng của kết cấu ở nhiệt độ 30°C 126

Hình 4-20 Ứng suất cắt trượt xz τ tại đáy lớp BTN C19 ở nhiệt độ 60°C .127

Hình 4-21 Ứng suất cắt trượt xz τ lớn nhất theo chiều sâu kết cấu ở nhiệt độ 60°C 127

Hình 4-22 Thiết lập nhiệt độ của các phân lớp BTN 129

-XII-Hình 4-23 Ứng suất cắt trượt xz τ tại đáy lớp BTN C19 .129

Hình 4-24 Ảnh hưởng của vận tốc xe chạy đến ứng suất 𝜎 xx tại đáy lớp

BTN C19 130

Hình 4-25 Ảnh hưởng của vận tốc xe chạy đến biến dạng 𝜀 xx tại đáy lớp

BTN C19 130

Hình 4-26 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất 𝜎 xx tại đáy lớp BTN C19 .131

Hình 4-27 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất τ xz tại đáy lớp BTN C19 .131

Hình 4-28 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng 𝜀 xx tại đáy lớp BTN C19 .132

-XIII-DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Các loại nhựa đường và ma tít tương ứng 45

Bảng 2-2 Kế hoạch thí nghiệm 45

Bảng 2-3 Giá trị |G* | của nhựa đường 35/50 và các ma tít tương ứng ở tần số 5 Hz 50

Bảng 2-4 Các tham số của mô hình 2S2P2D cho các loại vật liệu 54

Bảng 2-5 Tiêu chí phân loại của phương pháp đánh giá Goodness-of-fit 56

Bảng 2-6 Mức độ phù hợp của kết quả dự đoán sử dụng mô hình 2S2P1D đối với vậtliệu nghiên cứu 56

Bảng 2-7 Giá trị các tham số sử dụng cho phương pháp chuyển đổi 57

Bảng 2-8 Mức độ phù hợp của mô hình dự đoán 61

Bảng 2-9 Vật liệu thí nghiệm 63

Bảng 2-10 Nhiệt hóa mềm và mô đun cắt động |G* |, góc pha  tại nhiệt hóa mềm 64

Bảng 2-11 So sánh sự chênh lệch giữa nhiệt độ hóa mềm tương đương với nhiệt độ

hóamềm thực nghiệm 69

Bảng 2-12 Phương trình hồi quy của nhiệt độ hóa mềm với nhiệt độ hóa mềm tươngđương 69

Bảng 3-1 Thông số của các hỗn hợp BTN 73

Bảng 3-2 Số lượng mẫu và số lượng thí nghiệm mô đun phức động của BTN 74

Bảng 3-3 Các tham số của mô hình 2S2P1D cho các loại BTN 92

Bảng 3-4 Các tham số của mô hình GKV 3D cho các loại BTN tại nhiệt độ thí nghiệm15  C và hệ số dịch chuyển tương ứng với nhiệt độ 30ºC and 60ºC 93

Bảng 3-5 Giá trị các thông số của phương pháp dự đoán 102

Bảng 3-6 Mức độ phù hợp của mô hình dự đoán 102

Bảng 4-1 Các tham số mô hình Huet-Sayegh 112

Bảng 4-2 Mô đun đàn hồi động và góc lệch pha của vật liệu BTN tại các cặp nhiệt tần số tính toán 113

độ-Bảng 4-3 Tính chất cơ lý cơ bản của vật liệu sử dụng làm thí nghiệm 114

-XIV-Bảng 4-4 Kế hoạch thí nghiệm mô đun động của đất nền 115 Bảng 4-5 Giá trị mô đun đàn hồi động M R (ε) và số lượt tải trọngMPa) của các mẫu thí nghiệm .116Bảng 4-6 Kết quả nội suy giá trị mô đun đàn hồi động M R .120Bảng 4-7 Tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN và mô đun đàn hồi động của các vậtliệu CPĐD và đất nền 120 Bảng 4-8 Mô đun đàn hồi tĩnh của vật liệu 122 Bảng 4-9 Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu trong lớp BTN 128

-XV-DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

hội người làm đường bộ và vận tải Hoa Kỳ

liệu Hoa Kỳ

theo phương pháp cơ học – thực nghiệm

mặt đường dài hạn

-1-MỞ ĐẦU1 Đặt vấn đề

Tại Việt Nam cũng như các nước khác trên thế giới, kết cấu mặt đường bê tông nhựa(ε) và số lượt tải trọnggọi tắt là BTN) được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến Hiện nay hầu hết các tuyếnđường cấp cao ở Việt Nam sử dụng loại kết cấu áo đường này Kết cấu áo đường BTNcó nhiều ưu điểm so với áo đường bê tông xi măng như: Chi phí sản xuất ban đầu thấphơn Mặt đường êm thuận, ít gây tiếng ồn Lớp mặt BTN có tính kín không thấm nướcxuống nền móng phía dưới Cường độ tương đối cao và dễ dàng hơn trong công tácduy tu bảo dưỡng Thời gian thi công nhanh và có thể đưa vào sử dụng nhanh chóngsau khi thi công Tuy nhiên, lớp mặt BTN của loại kết cấu này là loại vật liệu nhạycảm với nhiệt độ, thường bị biến dạng ở nhiệt độ cao, nứt ở nhiệt độ thấp Trong quátrình sử dụng, loại kết cấu áo đường này cũng thường xuyên đối mặt với các hư hỏngnhư: Hiện tượng nứt mỏi là do biến dạng theo phương ngang tại đáy của lớp BTN hayhư hỏng dạng hằn lún vệt bánh xe do biến dạng theo phương đứng trong các lớp móngcủa kết cấu Những hư hỏng này gây thiệt hại lớn về mặt kinh tế, xã hội Nguyênnhân của các hư hỏng trong kết cấu áo đường BTN có thể xuất phát trong các giaiđoạn từ giai đoạn thiết kế đến giai đoạn thi công, giai đoạn vận hành và cả công tácduy tu bảo dưỡng Trong đó, công tác thiết kế là giai đoạn đầu tiên đòi hỏi sự đảm bảocác yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như tính kinh tế của tuyến đường Hiện nay ở ViệtNam, đang tồn tại song hành hai tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm là TCCS

TCĐBVN vẫn được sử dụng phổ biến nhất do tiêu chuẩn này khá đơn giản để áp dụngvà đã quen thuộc với nhiều thế hệ kỹ sư Để công tác thiết kế kết cấu áo đường đượcđảm bảo về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế, việc mô tả đúng đắn ứng xử cơ học của cáclớp vật liệu làm đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trườngđóng vai trò then chốt bởi các tính chất cơ học của vật liệu đóng vai trò là thông số đầuvào rất quan trọng của tất cả các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường hiện nay.Tải trọng xe chạy là tải trọng có tính động tức là tải trọng tác dụng lên một điểm có sựthay đổi về độ lớn và phương tác dụng theo thời gian xe chạy qua Hơn nữa, các lớpvật liệu khác nhau trong kết cấu áo đường mềm có đặc tính cường độ và biến dạngkhác nhau khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy Một số nghiên cứu trên thế giớitrước đây đã chỉ ra rằng, đối với lớp móng cấp phối và lớp đất nền, các loại vật liệunày thể hiện

-2-ứng xử phi tuyến phụ thuộc trạng thái -2-ứng suất tức là mô đun độ c-2-ứng của chúngkhông phải là hằng số mà là hàm số của trạng thái ứng suất (ε) và số lượt tải trọnggồm cấp tải trọng thẳng

có tính chất đàn hồi nhớt và nhạy cảm nhiệt Ứng xử của BTN phụ thuộc vào nhiệt độ

chính là yếu tố gây ra tính chất này của vật liệu BTN Khi sử dụng tính chất đàn hồinhớt của vật liệu này thay cho tính chất đàn hồi tuyến tính trong tính toán, ứng xử củakết cấu áo đường mềm thay đổi rất rõ rệt Tuy nhiên, trong phương pháp tính toán thiếtkế kết cấu áo đường mềm quy định trong TCCS 38 : 2022/TCĐBVN của Việt Namhiện hành, các giá trị mô đun của vật liệu là các giá trị mô đun tĩnh Tức là các giá trịmô đun này được xác định trong điều kiện tải trọng tĩnh với phương, chiều và độ lớncủa tải trọng tác dụng không thay đổi trong suốt quá trình gia tải Do đó, các giá trị nàykhông phản ánh chính xác ứng xử của vật liệu với thực tế làm việc của chúng dưới tácdụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường Điều đó dẫn đến kết quả tính toánthiết kế kết cấu áo đường sẽ không có sự phù hợp với ứng xử thực tế của kết cấu Hiệnnay, rất nhiều tính toán đang hướng đến việc thay thế ứng xử đàn hồi tuyến tính củavật liệu BTN bằng đàn nhớt tuyến tính dưới tác dụng tải trọng động để có thể môphỏng kết cấu sát hơn với trạng thái làm việc thực tế của các lớp vật liệu và kết cấu.Một số nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy rằng, kết quả tính toán khi coi ứng xử củaBTN là đàn nhớt tuyến tính cũng cho kết quả phù hợp hơn với các giá trị biến dạng đo

Tính chất đàn nhớt tuyến tính của vật liệu nhựa đường và BTN được đặc trưng bởi mô

Modulus) và góc trễ pha φ giữa ứng suất tác dụng và biến dạng sinh ra Tính chất củacác lớp vật liệu rời (ε) và số lượt tải trọnglớp móng cấp phối đá và đất đắp nền đường) được đặc trưng bởi

bằng thí nghiệm sử dụng tải trọng động (ε) và số lượt tải trọngtải trọng biến thiên theo dạng hình sin hoặchaversine) Để đo các thông số này của các loại vật liệu cần những thiết bị máy móc cóđộ chính xác cao, hiện đại và đắt tiền mà không phải phòng thí nghiệm nào cũng có thểtrang bị được Ngoài ra, các loại thí nghiệm này cũng đòi hỏi nhân công thí nghiệmphải được đào tạo và có tay nghề cao Do đó, ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính chấtcủa vật liệu của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động là khá ít Điềuđó dẫn đến các tính toán kết cấu áo đường mềm sử dụng mô đun động của các lớpvật liệu và có

-3-tính đến đặc -3-tính đàn nhớt của vật liệu BTN cũng còn hạn chế và mới mẻ.

2 Mục đích và nội dung nghiên cứua) Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng tính chất cơ học của vật liệu kết cấuáo đường mềm (ε) và số lượt tải trọngnhựa đường, ma tít, BTN và đất nền) dưới tác dụng của tải trọng cótính động trong điều kiện Việt Nam Sử dụng các kết quả thực nghiệm của vật liệu đểmô phỏng và dự đoán ứng xử của một kết cấu áo đường mềm thường dùng dưới tácdụng của tải trọng xe chạy.

b) Nội dung nghiên cứu

Nội dung của nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau:

hợp BTN từ nhựa đường đến ma tít đến BTN dưới tác dụng của tải trọng động.Dự đoán mô đun phức động của Ma tít và BTN từ thí nghiệm xác định tính chấtđàn nhớt tuyến tính của nhựa đường.

nghiệm Vòng và bi với các tham số đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến tínhcủa nhựa đường được xác định bằng thí nghiệm cắt động lưu biến (ε) và số lượt tải trọngDSR-

đàn nhớt tuyến tính trong trường hợp 1D và 3D của BTN trên miền tần số vàtrên miền thời gian Từ đó, hệ số Poát xông phức động và hệ số Poát xông từbiến được xác định Ngoài ra, sự phát triển của biến dạng dọc trục và biến dạngnở hông trong thí nghiệm từ biến 3D được tính toán và mô phỏng từ thí nghiệmmô đun phức động 3D.

các lớp vật liệu và có quan tâm đến tính chất đàn nhớt tuyến tính của lớp vậtliệu BTN.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứua) Đối tượng nghiên cứu

-4-vật liệu nhựa đường, ma tít, BTN, lớp móng cấp phối và đất nền.

loại vật liệu trong kết cấu áo đường mềm.

có xét đến tính chất đàn nhớt tuyến tính của vật liệu BTN.

b) Phạm vi nghiên cứu

Tính chất cơ học của các loại vật liệu sử dụng trong kết cấu áo đường rất phức tạp: môđun độ cứng, mỏi, lún, nứt Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu vào mô đun động của cácvật liệu nhựa đường, ma tít, BTN và đất nền Do số lượng vật liệu lớn nên đề tài khôngthí nghiệm nhiều loại cho cùng một vật liệu mà chỉ lấy vật liệu đặc trưng thường dùngtrong thực tế để thí nghiệm Đối với kết cấu, đề tài sẽ lựa chọn một kết cấu thườngđược sử dụng trong thực tế để mô phỏng và phân tích Đề tài bao gồm cả phần nghiêncứu lí thuyết, thực nghiệm và mô hình hóa.

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễna) Ý nghĩa khoa học

của tải trọng động để mô phỏng đúng hơn ứng xử cơ học của vật liệu và của cảkết cấu dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường.

hưởng lớn đến việc dự đoán các ứng xử của kết cấu áo đường mềm Vì vậy,việc mô tả đúng tính chất của hệ số Poát xông của hỗn hợp BTN là rất cần thiếtđể cải thiện công tác dự đoán các hư hỏng của kết cấu áo đường mềm.

b) Ý nghĩa thực tiễn

thí nghiệm phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao Đây có thể được coi là tiền đềcho những nghiên cứu khác cùng lĩnh vực trong tương lai.

công tác áp dụng phương pháp tính toán thiết kế áo đường mềm tiên tiến củathế

-5-giới vào điều kiện Việt Nam.

trong lĩnh vực nghiên cứu tại các trường Đại học.

dạng màu đen và đặc quánh Chất lượng của hỗn hợp BTN phụ thuộc rất lớn vào chấtlượng của nhựa đường bởi vì trong hỗn hợp BTN, nhựa đường là pha liên tục; thành

yêu cầu cơ học và lưu biến nhất định Thứ nhất, nhựa đường phải đủ lỏng ở nhiệt độcao (ε) và số lượt tải trọngkhoảng 160°C) để có thể tạo ra lớp phủ đồng nhất cho cốt liệu khi trộn Thứ hai, ởmôi trường làm việc của kết cấu áo đường, nhựa đường phải đủ độ cứng ở nhiệt độ caođể chống lại biến dạng lún và phải đủ độ mềm ở nhiệt độ thấp để chống lại hư hỏng donứt Tuy nhiên, nhựa đường nguyên gốc chỉ thể hiện được ứng xử lưu biến phù hợp,cần thiết cho hoạt động của kết cấu áo đường trong phạm vi nhiệt độ tương đối hẹp.Do đó, nhựa đường cải tiến (ε) và số lượt tải trọngnhựa đường polyme) ra đời để tăng hiệu quả làm việc củathành phần nhựa trong hỗn hợp, chống lại các loại biến dạng của kết cấu áo đường –nứt ở nhiệt độ thấp và lún ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của tải trọng xe và nhiệt độ môitrường.

Các nghiên cứu về nhựa đường trên thế giới thường nhấn mạnh đến tính chất lưu biếncủa vật liệu Nghiên cứu về tính chất lưu biến được định nghĩa là nghiên cứu các đặc

nghiên cứu về khía cạnh này, nhựa đường là một chất lỏng dẻo nhiệt có ứng xử đànnhớt, hoạt động như chất rắn đàn hồi ở nhiệt độ thấp (ε) và số lượt tải trọnghoặc thời gian tác dụng lực ngắn- tần số tác dụng lực lớn) hoặc như chất lỏng nhớt ở nhiệt độ cao (ε) và số lượt tải trọnghoặc thời gian tácdụng lực dài - tần số tác dụng lực nhỏ) Ở nhiệt độ làm việc của kết cấu áo đường,nhựa đường là vật liệu đàn hồi nhớt, ứng xử của nhựa đường thể hiện cả hai tính chấtđàn hồi và nhớt Khi đó, mối quan hệ giữa ứng suất tác dụng và biến dạng sinh ra phụthuộc vào

-7-nhiệt độ và thời gian (ε) và số lượt tải trọngHình 1-1) Khi nghiên cứu vật liệu trong miền đàn nhớt tuyếntính, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thờigian tác dụng lực mà không phụ thuộc vào cường độ của ứng suất tác dụng, nghĩa là

Hình 1-1 Ứng xử đàn hồi nhớt của nhựa đường dưới tác dụng của tải trọng [25]

Tính chất của nhựa đường rất phức tạp và để mô tả được tính chất của nhựa đườngtrong nhiều điều kiện khác nhau (ε) và số lượt tải trọngnhiệt độ, tần số, ứng suất và biến dạng) thường đòihỏi một số lượng lớn các thí nghiệm Hai thí nghiệm truyền thống thường được yêucầu để phân cấp nhựa đường là thí nghiệm độ kim lún (ε) và số lượt tải trọngxác định độ quánh) và thínghiệm nhiệt hóa mềm (ε) và số lượt tải trọngxác định tính ổn định nhiệt) Tuy nhiên, hai thí nghiệm nàykhông mô tả được ứng xử đàn nhớt của vật liệu và do đó chưa tạo được cơ sở khoa họcđể phân loại nhựa đường Điều quan trọng là phải hiểu được mối quan hệ ứng suất –biến dạng của nhựa đường trên một khoảng rộng các nhiệt độ và tần số Thí nghiệmcắt động lưu biến (ε) và số lượt tải trọngDynamic Shear Rheometer - DSR) hoặc thí nghiệm DMA(ε) và số lượt tải trọngDynamic Mechanical Analysis) là những thí nghiệm được sử dụng rộng rãi trên thếgiới để xác định tính chất đàn hồi, đàn hồi nhớt và nhớt của nhựa đường trong miềnđàn nhớt tuyến tính và trên một khoảng rộng nhiệt độ và tần số Thí nghiệm thườngđược thực hiện trong miền biến dạng nhỏ để đảm bảo ứng xử của vật liệu nằm trongmiền đàn nhớt tuyến tính Trong thí nghiệm này, hai tham số đặc trưng cho tính chất

Tuy nhiên, thí nghiệm DSR là loại thí nghiệm cần thiết bị hiện đại, đắt tiền và đòi hỏinhân công có tay nghề cao Do đó, hướng tới việc mô phỏng tính chất lưu biến củanhựa đường bằng các mô hình (ε) và số lượt tải trọngmô hình toán học, mô hình cơ học…) là rất cần thiếtđể có thể dự đoán được ứng xử của vật liệu tại

-8-các nhiệt độ và tần số khác không được thực hiện thí nghiệm nhằm tiết kiệm kinh phívà thời gian thực hiện.

1.1.1.2 Ma tít

Ma tít át phan là hỗn hợp của nhựa đường và bột khoáng có cỡ hạt lọt qua mắt sàng 63

chất kết dính các hạt cốt liệu trong hỗn hợp BTN không phải là nhựa đường mà trướchết nhựa đường sẽ liên kết với các phần tử mịn nhất của cấp phối cốt liệu tạo thành matít và chính ma tít này sẽ đóng vai trò là chất kết dính của hỗn hợp BTN Ma tít có ảnhhưởng mạnh mẽ đến ứng xử cơ học của hỗn hợp BTN Trong nhiều nghiên cứu trướcđây cho thấy rằng, tính chất lưu biến của ma tít ảnh hưởng đến hầu như tất cả các dạnghư hỏng của BTN Đặc biệt, ứng xử mỏi và nứt ở nhiệt độ thấp cũng như lún của hỗn

đoán ứng xử của vật liệu BTN Ngoài yếu tố hàm lượng thể tích, các đặc tính của bộtkhoáng, đặc tính của nhựa đường cũng như sự tương tác bột khoáng – nhựa đườngđóng vai trò quan trọng trong việc xác định ứng xử của ma tít và sau đó là hỗn hợpBTN.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến ứng xử cơ học của ma tít đã và đang được nghiên cứubởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới Đặc biệt, các tính chất vật lý và hóa học của

Ngoài ra, hàm lượng bột khoáng, nhiệt độ và tần số tải trọng cũng ảnh hưởng đáng kểđến ứng xử của ma tít.

Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã hướng tới việc nghiên cứu tính chất của ma tít vớimục đích tạo cầu nối chuyển tiếp giữa đặc tính của nhựa đường với ứng xử của BTN.Ảnh hưởng của bột khoáng có thể được xác định một cách trực tiếp hơn ở ma tít so vớitrong hỗn hợp BTN.

1.1.2 Bê tông nhựa

Hỗn hợp bê tông nhựa nóng (ε) và số lượt tải trọngHot mix asphal-HMA) là hỗn hợp bao gồm các cốt liệu(ε) và số lượt tải trọngđá dăm, cát và bột khoáng) có tỷ lệ phối trộn xác định, được sấy nóng và trộn đều với

BTN, hàm lượng nhựa (ε) và số lượt tải trọngtheo khối lượng) phổ biến từ 4% đến 7% Nhựa đường đóngvai trò là chất liên kết trong khi hỗn hợp cốt liệu là bộ khung tạo độ cứng cho hỗn hợp.Tính chất

-9-cơ học của BTN phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nhựa đường và hàm lượng cácthành phần của hỗn hợp như: cấp phối, nhựa đường và độ rỗng dư BTN được biết đếnnhư vật liệu đàn nhớt và nhạy cảm nhiệt Nhựa đường chính là thành phần vật liệu gâyra tính chất này của BTN Ở nhiệt độ thấp (ε) và số lượt tải trọnghoặc tải trọng tác dụng rất nhanh), độ cứngcủa vật liệu cao Ngược lại, khi ở nhiệt độ cao (ε) và số lượt tải trọnghoặc tải trọng tác dụng rất chậm), độcứng của vật liệu thấp BTN có ứng xử rất phức tạp dưới tác dụng của tải trọng và

- Loại 1: Khi số lượt tải trọng tác dụng ít (ε) và số lượt tải trọngvài trăm chu kỳ) và biến dạng nhỏ (ε) và số lượt tải trọng<

- Loại 2: Khi số lượt tải trọng tác dụng lớn và biến dạng tác dụng nhỏ, hiện tượngmỏi được coi là ứng xử của vật liệu.

- Loại 3: Khi số lượt tải trọng tác dụng ít, biến dạng tác dụng từ khoảng vài %, ứng xử của vật liệu là phi tuyến.

- Loại 4: Khi độ lệch ứng suất lớn hơn không và mức biến dạng tác dụng cao, vậtliệu có biến dạng dư và dần phá hoại do có các biến dạng dư cộng dồn.

Hình 1-2 thể hiện các dạng ứng xử khác nhau của BTN tại một nhiệt độ cố định.

Đường biên phá hủy của vật liệu sẽ thay đổi phụ thuộc vào dạng tải trọng, nhiệt độ vàcác loại vật liệu khác nhau Việc mô phỏng và dự đoán ứng xử của hỗn hợp BTN dựavào các mô hình đàn nhớt tuyến tính được coi là phù hợp với ứng xử của vật liệu trong

Hình 1-2 Các dạng ứng xử của BTN phụ thuộc vào biến dạng (ε) và số lượt tảiε) và số lượt tải) và số lượt tảitrọng tác dụng (ε) và số lượt tảiN) [31]

-10-Tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN có thể được mô tả bởi mô đun phức động

từ biến J(ε) và số lượt tải trọngt) trong miền thời gian được xác định bằng thí nghiệm từ biến Mô đun phứcđộng thể hiện độ cứng của vật liệu và có thể được xác định bằng cách tác dụng lên

vật liệu dưới tác dụng của tải trọng không đổi Trong thực tế, các thí nghiệm mô đun

được sử dụng trực tiếp trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường Mối quan hệ giữa môđun phức động và hàm từ biến được chứng minh bởi lý thuyết đàn nhớt tuyến tính vàđược xác nhận bằng các nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu của Martinez và các

hàm từ biến J(ε) và số lượt tải trọngt) có thể được dự đoán từ mô đun phức động E*(ε) và số lượt tải trọng) và ngược lại.

Trong miền biến dạng nhỏ, ứng xử của BTN có thể được coi là đàn nhớt tuyến tính và

nhớt tuyến tính và xác thực nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số của vật liệutrong trường hợp 1D (ε) và số lượt tải trọngchỉ có duy nhất biến dạng dọc trục của mẫu được xác định), cả

trong miền tần số, một số nghiên cứu đã nghiên cứu đo đạc hệ số Poát xông phức động

rất ít các nghiên cứu tiến hành thí nghiệm từ biến 3D Do đó, mặc dù mối quan hệ

tác giả nghiên cứu nhưng vẫn còn thiếu những nghiên cứu về mối quan hệ giữa thínghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến trong trường hợp 3D.

Cũng giống như nhựa đường, thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính củahỗn hợp BTN là loại thí nghiệm đắt tiền và tiêu tốn nhiều thời gian Do đó, nhiềunghiên cứu trên thế giới đã được tiến hành để tìm ra những mô hình phù hợp, nhằmhướng đến có thể dự đoán tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN.

1.1.3 Thí nghiệm mô đun phức động của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa

Trong thí nghiệm mô đun phức động, 2 giá trị đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến

-11-tính của vật liệu là mô đun phức động và góc lệch pha được xác định Trên thế giới,mô đun phức động được sử dụng nhiều trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềmcũng như trong các nghiên cứu tính chất đàn nhớt tuyến tính của vật liệu Giá trị môđun phức động của BTN phản ánh sát hơn với ứng xử của vật liệu BTN trong kết cấuáo đường dưới tác dụng của tải trọng trùng phục xe chạy Thí nghiệm đo mô đun phứcđộng được thực hiện trong miền biến dạng nhỏ để ứng xử của vật liệu nằm trong miềnđàn nhớt tuyến tính.

Đối với vật liệu BTN, nếu thí nghiệm mô đun phức động xác định được cả biến dạngdọc trục và biến dạng nở hông, hệ số Poát xông phức động sẽ được tính toán và do đó,sự biến thiên của biến dạng thể tích của mẫu được quan sát.

1.1.3.1 Thí nghiệm mô đun phức động

Nguyên tắc thí nghiệm đo mô đun phức động là tác dụng một tải trọng 𝜎(ε) và số lượt tải trọngt) dạng hìnhsin lên mẫu vật liệu, kết quả biến dạng 𝜀(ε) và số lượt tải trọngt) nhận được cũng có dạng hình sin nhưng trễ

Hình 1-3 Ứng suất - biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động

Từ các giá trị ứng suất và biến dạng đo đạc được, giá trị mô đun phức động được tínhtoán theo các công thức từ (ε) và số lượt tải trọng1-1) đến (ε) và số lượt tải trọng1-11) [53].

-12-Trong đó:

σ(ε) và số lượt tải trọngt) = σ0sin(ε) và số lượt tải trọngωt)t) (ε) và số lượt tải trọng1-1)

ε) và số lượt tải trọng(ε) và số lượt tải trọngt) = ε) và số lượt tải trọng0sin(ε) và số lượt tải trọngωt)t − φE) (ε) và số lượt tải trọng1-2)

ωt) là vận tốc góc;

t là thời gian.

ứng suất và biến dạng có thể viết dưới dạng:

(ε) và số lượt tải trọng1-6)

= (𝜀0

(ε) và số lượt tải trọng1-7)

Phần thực E’ còn được gọi là mô đun đàn hồi, phần ảo E” còn được gọi là mô đun tổn

Hình 1-4 Hai thành phần của mô đun phức động

0

Mô đun cắt động G* được định nghĩa giống như mô đun phức động E* khi tác dụng ứngsuất dạng cắt lên mẫu và nhận được biến dạng góc được mô tả như các công thức sau:

τ(ε) và số lượt tải trọngt) = τ0 sin(ε) và số lượt tải trọngωt)t) (ε) và số lượt tải trọng1-8)

γ(ε) và số lượt tải trọngt) = γ0 sin(ε) và số lượt tải trọngωt)t – φG) (ε) và số lượt tải trọng1-9)

Khi đó, mô đun cắt động được tính theo công thức sau:

quan trọng đến ứng xử của kết cấu ngay cả khi tham số này gần như luôn được coi là

toán của phương pháp thiết kế MEPDG để đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi hệ sốPoát xông của các lớp BTN đến các dự báo hư hỏng của kết cấu áo đường mềm Kếtquả cho thấy rằng hệ số Poát xông của BTN được xếp vào danh sách những yếu tố ảnhhưởng lớn đến việc dự đoán các ứng xử của kết cấu áo đường mềm Đặc biệt, việcgiảm hệ số Poát xông của lớp BTN ảnh hưởng tiêu cực tới dự đoán hằn lún mặt đườngcũng như sự

phát triển của vết nứt Vì vậy, việc mô tả đúng tính chất của hệ số Poát xông của hỗnhợp BTN dưới tác dụng của tải trọng xe là rất cần thiết để cải thiện công tác dự đoáncác hư hỏng của kết cấu áo đường mềm.

Trong phòng thí nghiệm, để đo đạc hệ số Poát xông của BTN, ngoài biến dạng dọctrục, biến dạng nở hông cũng phải được đo đạc (ε) và số lượt tải trọnggọi là thí nghiệm 3 chiều - 3D) Hệ sốPoát xông được định nghĩa là tỉ số âm của biến dạng nở hông và biến dạng dọc trục.So với thí nghiệm xác định mô đun động, thí nghiệm xác định hệ số Poát xông độngcủa BTN khó khăn và phức tạp hơn do biến dạng nở hông thường bé hơn nhiều so vớibiến dạng dọc trục Thí nghiệm dạng 3D này là thí nghiệm phức tạp đòi hỏi thiết bị giatải và thiết bị đo phải có độ chính xác cao, được lắp đặt và thiết kế tỉ mỉ Do vậy, ngaycả trên thế giới cũng không có nhiều nhóm nghiên cứu công bố kết quả về hệ số Poátxông của BTN Ở Việt Nam, hiện chưa có nghiên cứu thực nghiệm nào xác định vàđánh giá được hệ số Poát xông của BTN cho một dải tần số và nhiệt độ khác nhaucũng như xác định và đánh giá hệ số Poát xông trong thí nghiệm từ biến.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự biến thiên của hệ số Poát xông phức động như: Ảnhhưởng của Nhiệt độ - tần số tác dụng lực; ảnh hưởng của hiện tượng mỏi; Ảnh hưởngcủa biên độ biến dạng… Một số nghiên cứu cho thấy nhiệt độ - tần số có ảnh hưởng

biên độ biến dạng cũng ảnh hưởng tới hệ số Poát xông phức động Đối với từ biến,trong thời gian gia tải, hệ số Poát xông có xu hướng giảm Trong thời gian dỡ tải, hệ sốPoát xông gần như không thay đổi.

1.1.4 Thí nghiệm từ biến

Từ biến là sự phát triển của biến dạng theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng khôngđổi Như đã đề cập ở trên, tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN có thể được mô tảbởi hàm từ biến J(ε) và số lượt tải trọngt) trong miền thời gian và được xác định bởi thí nghiệm từ biến.Thí nghiệm từ biến của BTN có ý nghĩa quan trọng vì thí nghiệm này giúp xác định vàphân chia các thành phần của biến dạng gồm biến dạng đàn hồi (ε) và số lượt tải trọngkhông phụ thuộc vào

thu được từ thí nghiệm từ biến ở nhiệt độ thấp được sử dụng để dự đoán sự phát triểncủa nứt nhiệt, còn các thông số thu được ở nhiệt độ cao được sử dụng để dự đoán hư

hỏng hằn lún Trong thí nghiệm từ biến, tải trọng tĩnh được tác dụng lên mẫu thínghiệm và xác định sự phát triển của biến dạng theo thời gian tác dụng lực Sau đó,

1.1.5 Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số

1.1.5.1 Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số toàn phần

Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng, nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số (ε) và số lượt tải trọngTime– Temperature Superposition Principle ) được chứng minh là có thể được áp dụng cho

đun phức động E* (ε) và số lượt tải trọnghoặc G*) là hàm của hai biến số là tần số f (ε) và số lượt tải trọnghoặc tần số góc ɷ f) và nhiệt độ T Trong các nghiên cứu thực nghiệm về mô đun động của nhựađường và BTN đã chỉ ra rằng một giá trị của mô đun có thể xác định ở nhiều cặp tầnsố và nhiệt độ (ε) và số lượt tải trọngf,

T) khác nhau Ví dụ như trong nghiên cứu này giá trị mô đun của nhựa đường 35/50tại nhiệt độ 10°C và tần số 1 Hz xấp xỉ bằng 23 MPa Giá trị mô đun này của vật liệucũng có thể được xác định tại cặp tần số nhiệt độ khác như tại nhiệt độ 20°C và tần số55 Hz Điều đó có nghĩa là E*(ε) và số lượt tải trọngωt)1, T1) = E*(ε) và số lượt tải trọngɷ2, T2) với (ε) và số lượt tải trọngωt)1, T1) ≠ (ε) và số lượt tải trọngɷ2, T2) Đặc tính nàycủa vật liệu được gọi là nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số Nguyên tắc nàyđược xác định cho vật liệu khi trong mặt phẳng Cole - Cole và mặt phẳng Black,đường cong biểu diễn mô đun của vật liệu là duy nhất Trong biểu đồ Cole - Cole(ε) và số lượt tải trọngHình 1-5) phần thực (ε) và số lượt tải trọngE’) của mô đun phức động được biểu diễn là hàm số của phần

dạng tọa độ logarit là hàm số

của góc lệch pha φ (ε) và số lượt tải trọngHình 1-6) Khi trên các biểu đồ Cole-Cole và Black chỉ có một

Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số cho phép biểu diễn mô đun phức động vàgóc lệch pha là hàm của một biến duy nhất là tần số nhiệt độ: E*(ε) và số lượt tải trọngωt)g(ε) và số lượt tải trọngT)) Từ tính chấtnày của vật liệu có thể xây dựng đường cong (ε) và số lượt tải trọnglog|E*|, log(ε) và số lượt tải trọngfref)) duy nhất tại một nhiệt

dịch chuyển các đường mô đun đẳng nhiệt về đường đẳng nhiệt ở nhiệt độ tham chiếu

E*(ε) và số lượt tải trọngωt), T) = E*(ε) và số lượt tải trọngaT ωt), Tref) (ε) và số lượt tải trọng1-13)

Đường cong nhận được sau dịch chuyển được gọi là đường cong đặc trưng của vật liệu(ε) và số lượt tải trọngMaster Curve) Cần lưu ý rằng, hệ số dịch chuyển xây dựng đường cong đặc trưngcủa mô đun động và góc lệch pha là đồng nhất với nhau cho một loại vật liệu Việc xâydựng đường cong đặc trưng này nhằm dự đoán các tính chất của vật liệu ở các cặp tầnsố - nhiệt độ khác nhau không được làm thí nghiệm Ngoài ra, đường cong này cũngthể hiện đầy đủ ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số đến mô đun của vật liệu Điều nàycho phép giảm thiểu số lượng thí nghiệm.

Hình 1-5 Biểu đồ Cole-Cole biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thõa mãnNguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số

Hình 1-6 Biểu đồ Black biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thỏa mãn Nguyêntắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số

Hình 1-7 Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng của mô đun cắt động |G*| tạinhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C

Hình 1-8 Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng góc lệch pha tại nhiệt độ thamchiếu Tref = 25°C

Hình 1-9 Ví dụ về hệ số aT phụ thuộc vào nhiệt độ T và mô phỏng theo quy luậtWLF tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C