Nghiên cứu dự báo tính năng khai thác của kết cấu mặt đường bê tông asphalt tái chế ấm

Bài viết này trình bày kết quả tính toán dự báo các tính năng khai thác của kết cấu mặt đường sử dụng bê tông asphalt tái chế ấm và kết cấu mặt đường bê tông asphalt nóng truyền thống theo phương pháp ME sử dụng phần mềm AASHTOWare Pavement ME Design (Pavement ME).

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU DỰ BÁO TÍNH NĂNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT TÁI CHẾ ẤM Nguyễn Ngọc Lân1, Đào Văn Đông2, Nguyễn Quang Phúc1, Trương Văn Quyết1 Tóm tắt: Phương pháp thiết kế dự báo tính khai thác kết cấu mặt đường mềm theo học thực nghiệm (Mechanistic Empirical - ME) sử dụng nhiều Mỹ, Canada Hàn Quốc Phương pháp có ưu điểm vượt trội phương pháp thiết kế mặt đường khác dự báo ứng xử kết cấu mặt đường theo dạng hư hỏng thực tế dựa liệu đầu vào gồm có điều kiện giao thơng, điều kiện khí hậu, môi trường tiêu vật liệu kết cấu Bài báo trình bày kết tính tốn dự báo tính khai thác kết cấu mặt đường sử dụng bê tông asphalt tái chế ấm kết cấu mặt đường bê tơng asphalt nóng truyền thống theo phương pháp ME sử dụng phần mềm AASHTOWare Pavement ME Design (Pavement ME) Kết phân tích rằng, kết cấu mặt đường sử dụng bê tông asphalt tái chế ấm cải thiện khả chống lún vệt bánh xe, độ gồ ghề IRI, nứt mỏi từ lên Tuy nhiên, tiêu nứt từ xuống tăng so với kết cấu sử dụng bê tơng asphalt nóng Từ khố: Bê tơng asphalt tái chế ấm, học-thực nghiệm, lún vệt bánh xe, nứt mỏi, độ gồ ghề IRI ĐẶT VẤN ĐỀ * Ngành công nghiệp mặt đường asphalt hướng đến giải pháp “công nghệ xanh”, nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững Trong số giải pháp công nghệ nghiên cứu ứng dụng, giải pháp cơng nghệ bê tông asphalt ấm áp dụng cho hỗn hợp tái chế vật liệu mặt đường asphalt cũ (RAP) chứng minh đem lại nhiều hiệu mặt kinh tế, kỹ thuật môi trường (N.N Lân nnk 2017) Theo báo cáo Hiệp hội mặt đường asphalt Mỹ, năm 2019 có đến 38,9 % khối lượng hỗn hợp bê tông asphalt tái chế ấm sử dụng Mỹ (Brett A.Williams et al 2019) Trong năm qua, hệ thống đường Việt Nam cải tạo, nâng cấp, đầu tư xây dựng số lượng nâng cao chất lượng giải pháp công nghệ vật liệu tiêu chuẩn kỹ thuật cao Tuy nhiên, với biến đổi khí hậu, gia tăng Trường Đại học Giao thông vận tải Viện Chiến lược Phát triển Giao thông vận tải nhanh số lượng phương tiện tham gia giao thông, đặc biệt xe tải trọng dẫn đến hư hỏng xuất hiện, phát triển theo thời gian, làm suy giảm khả chịu tải phận kết cấu toàn cơng trình Vì vậy, việc nghiên cứu phân tích làm việc kết cấu áo đường, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ kết cấu mặt đường, đặc biệt kết cấu sử dụng công nghệ vật liệu quan tâm Nhiều nghiên cứu phân tích làm việc kết cấu áo đường, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ kết cấu mặt đường thực (Halil et al 2015, Jagannath et al 2013, Michael et al 2014, Nguyễn Văn Hùng nnk 2016, Nguyễn Hoàng Long nnk 2017) Trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm, số phương pháp thiết kế kết cấu sử dụng Phương pháp lý thuyết sử dụng lý thuyết đàn hồi với phương trình tính ứng suất - biến dạng phát sinh kết cấu mặt đường hệ nhiều lớp đàn hồi Đây phương pháp Việt Nam sử dụng để thiết lập Tiêu chuẩn thiết kế kết KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 157 cấu mặt đường mềm 22TCN-211-06 (22TCN211, 2006) Phương pháp kinh nghiệm với phương trình thiết kế mối quan hệ thực nghiệm thu thập từ thử nghiệm từ kinh nghiệm trình thiết kế - khai thác mặt đường Hướng dẫn thiết kế mặt đường AASHTO 93 (AASHTO, 1993) tiêu chuẩn điển hình cho phương pháp thiết kế Hướng dẫn thiết kế mặt đường AASHTO sử dụng tương đối phổ biến Việt Nam, đặc biệt dự án sử dụng nguồn vốn nước Bộ Giao thông vận tải ban hành tiêu chuẩn ngành, 22TCN-274-01 (22TCN-274, 2001), tiêu chuẩn soạn thảo dựa phương pháp thiết kế mặt đường mềm AASHTO Hiện nay, Tổng cục Đường Việt Nam chuyển đổi thành tiêu chuẩn Việt Nam Cùng với việc sử dụng phương pháp thực nghiệm AASHTO, bang Mỹ Canada áp dụng phương pháp học thực nghiệm MEPD (MechanisticEmpirical Pavement Design) thiết kế mặt đường mềm (MEPD-3-AASHTO 2015, Nam Tran et al 2017, Bill et al 2018) MEPD khắc phục nhược điểm phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường thực nghiệm AASHTO Phương pháp học-thực nghiệm phương pháp tiên tiến để phân tích tính dự báo tính khai thác tuổi thọ kết cấu mặt đường Trong nghiên cứu này, phần mềm AASHTOWare Pavement ME Design sử dụng để tính tốn, dự báo tính kết cấu mặt đường bê tông asphalt tái chế ấm Các hỗn hợp bê tơng asphalt tái chế ấm có tỷ lệ RAP 20%, 30%, 40% 50% Phụ gia Sasobit Zycotherm sử dụng để giảm nhiệt độ chế tạo thi công hỗn hợp asphalt Kết phân tích đối chứng với hỗn hợp bê tơng asphalt nóng truyền thống khơng có RAP CÁC BƯỚC PHÂN TÍCH KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG THEO PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC-THỰC NGHIỆM Quá trình thiết kế theo phương pháp học- 158 thực nghiệm trình thử dần Người thiết kế phải đưa kết cấu mặt đường mẫu với giới hạn hư hỏng chấp nhận như: biến dạng không phục hồi (độ lún), nứt mỏi (nứt dọc & nứt lưới), nứt nhiệt (nứt ngang), độ gồ ghề (IRI)… tương ứng với dự án Nếu kết cấu mẫu không thoả mãn giới hạn đưa ra, người thiết kế điều chỉnh tính toán lại tiêu giới hạn đạt Trong phần mềm AASHTOWare Pavement ME Design cung cấp tất kết cấu mẫu, số liệu đặc trưng, thông số mặc định, người thiết kế điều chỉnh số liệu cho phù hợp Với phương trình thiết lập chủ yếu theo học, sử dụng hệ số hiệu chỉnh xác lập từ thực nghiệm, phương pháp học-thực nghiệm thực theo trình tự bước thiết kế Hình Hình Trình tự thiết kế kết cấu áo đường mềm theo học – thực nghiệm ỨNG DỤNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ DỰ BÁO TUỔI THỌ KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG THEO PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC THỰC NGHIỆM 3.1 Kết cấu nghiên cứu Kết cấu áo đường nghiên cứu lấy theo thiết kế Quốc lộ 51 (Km 25+100-:-Km 25+400) nằm địa bàn tỉnh Đồng Nai Các thông tin loại vật liệu chiều dầy lớp thể Bảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) Bảng Kết cấu áo đường đối chứng Kết cấu (KC1) Thông số Lớp vật liệu BTA C12,5 BTA R25 BTA C20 Cấp phối đá dăm h, cm 5,2 8,7 Chi tiết 7,8 Lớp BT asphalt chặt D max=12,5mm Lớp BT asphalt rỗng D max= 25mm Lớp BT asphalt chặt D max=20mm 48,3 Lớp cấp phối đá dăm Nền đất Lớp BTA C12,5 thay đổi hỗn hợp bê tông asphalt tái chế ấm sử dụng hai loại phụ gia Sasobit, Zycotherm tỷ lệ RAP tương ứng 20%, 30%, 40% 50% Kết phân tích đối chứng với hỗn hợp HMA có tỷ lệ RAP 0% Các loại bê tơng asphalt tái chế ấm bê tơng asphalt chặt nóng đối chứng Nền đất sét thí nghiệm phịng để có tiêu lý mơ đun đàn hồi động |E*| phục vụ cho phân tích (Đào Văn Đơng nnk 2020) Tổng cộng có loại phụ gia x tỷ lệ RAP + đối chứng = 11 kết cấu phân tích Bảng tổng hợp kết cấu mặt đường để phân tích đánh giá tuổi thọ theo phương pháp học thực nghiệm Bảng Tổng hợp kết cấu nghiên cứu STT 10 11 Ký hiệu KC1 KC2 KC3 KC4 KC5 KC6 KC7 KC8 KC9 KC10 KC11 Lớp mặt sử dụng HMA WMRAP-S00 WMRAP-S20 WMRAP-S30 WMRAP-S40 WMRAP-S50 WMRAP-Z00 WMRAP-Z20 WMRAP-Z30 WMRAP-Z40 WMRAP-Z50 3.2 Phần mềm phân tích kết cấu Phần mềm AASHTOWare Pavement ME Design hệ phần mềm thiết kế mặt đường AASHTOWare®, xây dựng dựa hướng dẫn thiết kế mặt đường theo học-thực nghiệm Các tiêu chuẩn giới hạn thiết kế đề xuất Bảng Mặc định chương trình tổng chiều sâu lún vệt bánh toàn kết cấu giới hạn 0,75 in (19 mm) chiều sâu Hàm lượng RAP (%) 0 20 30 40 50 20 30 40 50 Ghi Công nghệ ấm sử dụng phụ gia Sasobit Công nghệ ấm sử dụng phụ gia Zycotherm lún vệt bánh lớp bê tông asphalt 0,25 in (6,4 mm) để đảm bảo tuổi thọ kết cấu an toàn chạy xe, mùa đơng nước đóng băng vào chỗ lún Tuy nhiên với điều kiện Việt Nam giới hạn khó đạt tỷ lệ xe q tải dịng xe nhiều, trình độ thi cơng, quản lý khai thác chưa cao Việt Nam đóng băng dài ngày vệt bánh nên kiến nghị tổng chiều sâu lún KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 159 vệt bánh giới hạn 25 mm chiều sâu lún lớp BTN 12,5 mm (TCVN 8819-2011) Kiến nghị phù hợp với quy định khai thác đường Các giới hạn khác lấy theo mặc định ứng với đường cấp cao, độ tin cậy 90% Bảng Các tiêu chuẩn giới hạn thiết kế Tiêu chuẩn Giá trị giới hạn Độ gồ ghề IRI ban đầu (m/km) Độ gồ ghề IRI cuối (m/km) Tổng chiều sâu lún vệt bánh xe toàn kết cấu (mm) Nứt mỏi từ lên lớp bê tơng asphalt (% diện tích làn) Nứt nhiệt lớp bê tông asphalt (m/km) Nứt mỏi từ xuống lớp bê tông asphalt (m/km) Chiều sâu lún vệt bánh lớp bê tông asphalt (mm) 3.3 Các thông số đầu vào Thơng số khí hậu: Thơng số khí hậu lấy từ trạm MERRA2 số hiệu ID_111052, địa điểm Quốc lộ 51, tỉnh Đồng Nai liên tục theo từ 1985-2019 Số liệu khí hậu bao gồm nhiệt độ khơng khí, lượng mưa, vận tốc gió, tỷ lệ phần trăm nắng, độ ẩm tương đối chiều sâu từ đáy lớp kết cấu tới mực nước ngầm, lấy giá trị không đổi 10ft (3048m) Các thông số điều kiện khí hậu Quốc lộ 51 bao gồm nhiệt độ trung bình năm 27,52oC; lượng mưa trung bình 2527mm/năm; độ ẩm trung bình 74,69%; tốc độ gió lớn 8m/s Thông số tải trọng: Phương pháp học thực nghiệm (ME) khơng cịn sử dụng tải trọng trục tính tốn tiêu chuẩn quy đổi trục khác trục tiêu chuẩn mà từ số liệu thực tế đếm, phân loại cân xe Có mức độ tải trọng thiết kế: Mức mức độ chi tiết từ số liệu đếm xe cân xe dự án; Mức mức độ trung gian 3, thông số tải trọng xác định giá trị trung bình trình cân xe chuỗi số liệu quan trắc hàng năm khu vực dự án; Mức chủ yếu lấy giá trị mặc định chương trình nghiên cứu quốc gia giao thơng Mục đích nghiên cứu so sánh đánh giá chất lượng bê tông asphalt tái chế ấm đối chứng với bê tông asphalt nóng khơng phải thiết kế kết cấu mặt đường Như điều kiện đầu vào phải giống nhau, khác lớp mặt Hiện Việt Nam cịn có nhiều xe q tải ảnh hưởng đến kết cấu mặt đường Với mục đích 160 1,00 2,70 25,0 25,0 189,4 378,8 12,5 Độ tin cậy, % 90 90 90 90 90 90 90 nên nghiên cứu thiết lập sở để sử dụng số thơng số tải trọng mức theo số liệu đếm cân xe dự án cụ thể khu vực Các thông số đất: Các thông số đất lấy mức 1, mức cao MEPD thí nghiệm thiết bị nén ba trục tải trọng lặp (Đào Văn Đông nnk 2020) Các thông số lớp vật liệu rời bê tông asphalt dưới: Cũng đất, thông số vật liệu cấp phối đá dăm, loại bê tông asphalt lấy mức 1, mức cao MEPD Các thông số lấy từ kết thí nghiệm phịng (Đào Văn Đơng nnk 2020) 3.4 Kết phân tích Với mục đích so sánh đối chứng tiêu giới hạn tuổi thọ theo tiêu IRI lún vệt bánh, nghiên cứu tiến hành chạy chương trình AASHTOWare Pavement ME Design với kết thí nghiệm |E*| loại bê tông asphalt tái chế ấm, mô đun Mr cấp phối đá dăm đất kết cấu có sử dụng lớp mặt bê tơng asphalt tái chế ấm có đối chứng với bê tơng asphalt nóng Kết phân tích độ gồ ghề quốc tế IRI tổng chiều sâu độ lún kết cấu thể Hình Hình cho thấy rằng, kết cấu mặt đường sử dụng bê tông asphalt tái chế ấm (WMRAP) cải thiện khả chống lún vệt bánh, độ gồ ghề IRI Khi hàm lượng RAP hỗn hợp WMRAP nhiều tiêu cải thiện KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) Hình Biểu đồ so sánh độ gồ ghề IRI cuối (m/km) Kết phân tích nứt mỏi kết cấu thể Hình với hai dạng nứt mỏi nứt mỏi từ lên nứt mỏi từ xuống Với nứt mỏi từ lên, tăng tỷ lệ RAP hỗn hợp WMRAP diện tích nứt mỏi từ lên có xu Hình Biểu đồ so sánh tổng chiều sâu lún vệt bánh kết cấu (mm) hướng giảm xuống hai hỗn hợp sử dụng phụ gia Sasobit Zycotherm Tuy nhiên, với tiêu nứt từ xuống tăng lên so với sử dụng HMA hàm lượng RAP nhiều kết cấu dễ nứt từ xuống (a) (b) Hình Biểu đồ so sánh nứt mỏi: (a) Biểu đồ so sánh nứt mỏi từ lên lớp bê tông asphalt (%); (b) Biểu đồ so sánh nứt mỏi từ xuống lớp bê tông asphalt (m/km) Hình Biểu đồ so sánh chiều sâu lún vệt bánh lớp bê tơng asphalt (mm) Hình Biểu đồ so sánh tuổi thọ theo IRI (năm) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 161 Kết phân tích độ lún lớp bê tông asphalt cho thấy, độ lún có xu hướng giảm xuống tăng tỷ lệ RAP sử dụng hỗn hợp WMRAP (Hình 5) Kết phù hợp với kết thí nghiệm độ lún vệt hằn bánh xe hỗn hợp phịng thí nghiệm (Đào Văn Đơng nnk 2020) Tuổi thọ kết cấu theo tiêu chí tổng độ lún vệt bánh độ gồ ghề cuối IRI sử dụng bê tơng asphalt tái chế ấm có xu hướng cao so với sử dụng HMA tuổi thọ tăng lượng RAP sử dụng tăng (Hình Hình 7) Hình Biểu đồ so sánh tuổi thọ theo tổng độ lún vệt bánh (năm) So sánh kết phân tích kết cấu WMRAP sử dụng phụ gia Sasobit cho kết tốt so với sử dụng phụ gia Zycothem Các ưu điểm giải thích sử dụng RAP làm tăng độ cứng |E*| hỗn hợp, cải thiện tính khai thác Tuy nhiên tỷ lệ RAP lớn dẫn đến tiềm ẩn nguy nứt lớp bê tông asphalt từ xuống KẾT LUẬN Với mục tiêu sử dụng phương pháp học thực nghiệm để phân tích dự báo tính tuổi thọ kết cấu mặt đường sử dụng lớp mặt bê tông asphalt tái chế ấm, nghiên cứu rút số kết luận sau: - Kết cấu mặt đường sử dụng bê tông asphalt tái chế ấm cải thiện khả chống lún vệt bánh, độ gồ ghề IRI, nứt mỏi từ lên Hàm lượng RAP nhiều tiêu cải thiện - Tuổi thọ lún vệt bánh độ gồ ghề cuối IRI sử dụng WMRAP có xu hướng cao so với sử dụng HMA Tuổi thọ tăng hàm lượng RAP sử dụng tăng - Khi sử dụng WMRAP tiêu nứt từ xuống tăng so với sử dụng HMA Hàm lượng RAP nhiều kết cấu dễ nứt từ xuống TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Văn Đông nnk (2020), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bê tông asphalt tái chế ấm ứng dụng xây dựng đường ô tô, Mã số KC.02.16/16-20 Nguyễn Hoàng Long nnk (2017), Nghiên cứu điều kiện cần thiết để áp dụng phương pháp học thực nghiệm (MEPD) phân tích kết cấu mặt đường Việt Nam, Mã số đề tài DT174055, Đề tài cấp Bộ GTVT Nguyễn Ngọc Lân nnk (2017), Bê tông asphalt tái chế ấm – giải pháp công nghệ phát triển bền vững, Tạp chí GTVT, Số đặc biệt tháng 5/2017 Nguyễn Văn Hùng nnk (2016), Phân tích tuổi thọ kết cấu mặt đường mềm sử dụng bê tông asphalt cốt liệu xỉ thép phương pháp học thực nghiệm, Tạp chí GTVT, số tháng 04 TCVN 8819-2011 (2011), Mặt đường bê tơng asphalt nóng - u cầu thi công nghiệm thu, Tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 211-06 (2006), Áo đường mềm – Các yêu cầu dẫn thiết kế, Tiêu chuẩn ngành, BGTVT 22TCN 274-01 (2001), Chỉ dẫn thiết kế mặt đường mềm, Tiêu chuẩn ngành, BGTVT AASHTO (1993), Guide for design of pavement structures, AASHTO 162 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) AASHTOWare™ Pavement ME Design (2016), Mechanistic-Empirical Pavement Design Software, Help Version 3.0.2 B Schiebel, M Stanford, E Prieve (2018), M-E Pavement Design Manual, Colorado Department of Transportation B A.Williams, J.Richard Willis, J Shacat (2019), Asphalt Pavement Industry Survey on Recycling Materials and Warm Mix Asphalt Usage, National Asphalt Pavement Association (NAPA) J Mallela, L Titus-Glover, S Sadasivam, B.Bhattacharya, M Darter, and H.Von Quintus (2013), Implementation of The AASHTO Mechanistic – Empirical Pavement Design Guide for Colorado, Report No CDOT- 2013-4 H Ceylan, S Kim, O Kaya, and K Gopalakrishnan (2015), Investigation of AASHTOWare Pavement ME Design/DARWin-ME Performance Prediction Models for Iowa Pavement Analysis and Design, Report No.InTrans Project 14-496 M I Darter, L Titus Glover, H Von Quintus, B B.Bhattacharya, and J Mallela (2014), Calibration and Implementation of the AASHTO Mechanistic Empirical Pavement Design Guide in Arizona, Arizona Departement of Transportation Research Center MEPDG-3-AASHTO (2015), Mechanistic– Empirical Pavement Design Guide A manual of Practice, AASHTO Nam Tran et al (2017), Pavement ME Design – Impact of Local Calibration, Foundation Support, And Design and Reliability Thresholds, NCAT Report 17-08 Abstract: PREDICTION OF THE PERFORMANCE OF PAVEMENT STRUCTURE USING WARM-MIX RECYCLED ASPHALT The design and prediction of the performance of pavement structure according to the mechanisticempirical method are widely used in the US, Canada and Korea This method has many advantages compared to other methods because it can predict the behavior of pavement structures according to actual damage patterns based on input data including traffic conditions, ventilation, climate conditions, environment and material criteria in the structure This paper presents the results of calculation and prediction of the performance of pavement structure using warm-mix recycled asphalt and hot-mix asphalt using AASHTOWare Pavement ME Design (Pavement ME) software The analysis results show that the pavement structure using warm-mix recycled asphalt improves the rutting resistance, IRI roughness, and bottom-up fatigue cracking However, the top-down fatigue cracking increased compared to the structure using hot mix asphalt Keywords: Warm-mix recycled asphalt, mechanistic empirical, wheel-tracking rutting, fatigue cracking, IRI roughness Ngày nhận bài: 30/9/2021 Ngày chấp nhận đăng: 09/11/2021 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 163 ... tính dự báo tính khai thác tuổi thọ kết cấu mặt đường Trong nghiên cứu này, phần mềm AASHTOWare Pavement ME Design sử dụng để tính tốn, dự báo tính kết cấu mặt đường bê tơng asphalt tái chế ấm. .. lớp bê tông asphalt từ xuống KẾT LUẬN Với mục tiêu sử dụng phương pháp học thực nghiệm để phân tích dự báo tính tuổi thọ kết cấu mặt đường sử dụng lớp mặt bê tông asphalt tái chế ấm, nghiên cứu. .. kế kết cấu áo đường mềm theo học – thực nghiệm ỨNG DỤNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ VÀ DỰ BÁO TUỔI THỌ KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG THEO PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC THỰC NGHIỆM 3.1 Kết cấu nghiên cứu Kết cấu