(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa chặt ở việt nam

Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của BTN, gồm có:

Nghiên cứu mô đun cắt động của bitum (|G*|) và mô đun động của BTN (|E*|) cùng với các yếu tố ảnh hưởng đến chúng, bao gồm góc pha của bitum, là rất quan trọng trong việc hiểu rõ đặc tính cơ học của vật liệu Các yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của BTN mà còn quyết định đến khả năng chịu tải và độ bền của các công trình giao thông.

Phương pháp xác định |G*|, góc pha δb, và |E*| là rất quan trọng trong việc xây dựng đường cong chủ cho các thông số này Các mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa |E*| với |G*|, góc pha δb, và độ nhớt (η) của bitum đã được công bố rộng rãi trên thế giới, cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất của vật liệu này.

Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định các giá trị |G*|, δb, |E*| cho vật liệu bitum và hỗn hợp BTNC tại Việt Nam Kết quả thực nghiệm được sử dụng để xây dựng mối quan hệ tương quan giữa |E*| và các tham số |G*|, δb, η Đồng thời, đánh giá mức độ phù hợp của mô hình dự báo theo tiêu chuẩn thống kê và hiệu chỉnh các hệ số để đảm bảo khả năng dự báo |E*| chính xác cao theo điều kiện vật liệu tại Việt Nam.

Ý nghĩa khoa học của đề tài

 trong phương pháp cơ học thực nghiệm, đã chứng tỏ có thể sử dụng phương pháp hiện đại này để thiết kế kết cấu mặt đường ở Việt Nam;

Luận án đã xây dựng mối quan hệ thực nghiệm giữa tính chất của bitum và giá trị mô đun động của BTNC trong điều kiện Việt Nam, nhằm dự báo |E*| dựa trên các tính chất của vật liệu bitum như |G*| và góc pha Điều này sẽ hỗ trợ cho việc thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp (ME) ở Việt Nam trong tương lai.

Luận án đã chỉ ra rằng tính chất vật liệu bitum là yếu tố quyết định đến giá trị mô đun động của BTNC, trong đó giá trị |E*| ảnh hưởng lớn đến dạng hư hỏng lún vệt bánh xe Từ đó, nghiên cứu đề xuất các giải pháp kiểm soát nhằm nâng cao chất lượng công trình.

 Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo tốt về mặt phương pháp luận trong lĩnh vực cơ học nền-mặt đường ô tô.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Luận án đã đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật cho các loại bitum điển hình, phù hợp với cấp đặc tính khai thác (PG) của bitum tại Việt Nam.

Luận án đã xác định bộ giá trị |E*| cho các loại bê tông nhựa nóng (BTNC) sử dụng cốt liệu và bitum điển hình, phục vụ cho việc phân tích và thiết kế kết cấu mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm tại Việt Nam.

Luận án đã đề xuất một quy trình thiết kế thực nghiệm cho mô hình kết cấu mặt đường, bao gồm việc phân tích độ nhạy và thực hiện các phân tích mô phỏng trong nghiên cứu cơ học nền-mặt đường tại Việt Nam.

Luận án đã phát triển một mô hình dự báo |E*| dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm của các vật liệu phổ biến tại Việt Nam, bao gồm chất kết dính và cốt liệu Mô hình này cũng xem xét nhu cầu sử dụng bitum có độ quánh cao và bitum cải tiến PMBIII Với mô hình dự báo |E*|, các kỹ sư, chuyên gia và cán bộ chuyên ngành có thể tham khảo công thức để dự đoán |E*| của BTNC, phục vụ cho các mục đích nghiên cứu và thiết kế.

7 Cấu trúc của luận án

Luận án được tổ chức thành 4 chương, kèm theo phần các công trình khoa học đã công bố, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục.

 Chương 1 Tổng quan về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của

Chương 2 trình bày nghiên cứu thực nghiệm và đề xuất ứng dụng mô hình 2S2P1D để xây dựng đường cong chủ cho mô đun cắt động và góc pha của một số loại bitum Mô hình này giúp phân tích và dự đoán hành vi của bitum dưới tác động của tải trọng, từ đó tối ưu hóa các ứng dụng trong xây dựng và bảo trì hạ tầng giao thông Việc sử dụng mô hình 2S2P1D không chỉ nâng cao độ chính xác trong việc xác định các đặc tính cơ học của bitum mà còn hỗ trợ trong việc phát triển các phương pháp thiết kế đường bộ hiệu quả hơn.

 Chương 3 Nghiên cứu mối quan hệ thực nghiệm giữa tính chất của bitum và mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam

 Chương 4 Nghiên cứu ảnh hưởng của mô đun động của bê tông nhựa chặt tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm ở Việt Nam

 Các công trình khoa học đã công bố (gồm 7 công trình khoa học đã công bố)

Phần phụ lục cung cấp một cái nhìn tổng quát về các thí nghiệm liên quan đến bitum và bê tông nhựa, bao gồm các chỉ tiêu cơ lý của bitum, kết quả thiết kế cho BTNC 12.5 và BTNC 19, cũng như kết quả thí nghiệm |E*| và phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp (ME) áp dụng cho các công trình tại Việt Nam.

TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA

Bitum và tính chất của bitum

Bitum, hay nhựa đường, là vật liệu xây dựng có tính chất đàn nhớt, với hành vi phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác động của tải trọng Ở nhiệt độ thấp dưới 0°C, bitum có trạng thái rắn đàn hồi, trong khi ở nhiệt độ cao trên 100°C, nó chuyển sang trạng thái nhớt lỏng Tại nhiệt độ trung gian, bitum thể hiện tính lưu biến phức tạp.

Bitum, còn được gọi là bitum lọc dầu, là một thuật ngữ phổ biến ở hầu hết các quốc gia Châu Âu Trong khi đó, ở Hoa Kỳ, nó thường được gọi là asphalt hoặc chất kết dính asphalt Ngoài ra, thuật ngữ asphalt cũng thường được sử dụng để mô tả hỗn hợp giữa bitum và cốt liệu.

Theo tiêu chuẩn 22TCN 279-01, bitum (nhựa đường) được định nghĩa là sản phẩm từ công nghệ lọc dầu mỏ, bao gồm các hợp chất hydrocacbon cao phân tử và một số dị vòng chứa oxy, nitơ, lưu huỳnh, có dạng đặc quánh màu đen Để nâng cao chất lượng bitum, các chất phụ gia polymer hữu cơ được thêm vào, tạo ra vật liệu bitum polymer cải tiến, giúp tăng khả năng kháng hằn lún, cải thiện độ bám dính với cốt liệu và tăng độ bền mỏi.

Hình 1.1 minh họa ứng xử của bitum dưới tác dụng của tải trọng ở các giai đoạn khác nhau

Hình 1.1: Các giai đoạn biến dạng của bitum phụ thuộc vào tải trọng tác dụng [56].

Trong nghiên cứu về biến dạng của bitum, tổng biến dạng (εT) bao gồm nhiều thành phần khác nhau: biến dạng phục hồi (εrecoverable), biến dạng đàn hồi (εe) có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian, biến dạng dẻo (εp) không có khả năng phục hồi và cũng phụ thuộc vào thời gian, biến dạng đàn nhớt (εve) có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian, và biến dạng nhớt (εvp) không có khả năng phục hồi mà cũng phụ thuộc vào thời gian Do đó, ứng xử của bitum được xác định là ứng xử đàn nhớt, chịu ảnh hưởng bởi thời gian tác dụng của tải trọng.

1.1.2 Các tính chất của bitum

Bitum có tính chất đàn nhớt, chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời gian tác động của tải trọng, dẫn đến các chỉ tiêu vật lý như độ kim lún và điểm hóa mềm, cùng với các chỉ tiêu cơ học như mô đun độ cứng và mô đun cắt động |G*|.

Các chỉ tiêu vật lý và cơ học đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng và phân loại bitum trong xây dựng đường bộ hiện nay Việc sử dụng các tiêu chí này giúp xác định tính năng và độ bền của bitum, từ đó đảm bảo hiệu quả trong các công trình giao thông.

Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) của bitum (|G*|)

1.2.1 Mô đun cắt động của bitum

Mô đun cắt động của bitum (|G*|) là giá trị tuyệt đối của mô đun cắt phức (G*), phản ánh độ cứng và khả năng chống biến dạng của bitum dưới tải trọng động hình sin Nó được tính bằng tỷ số giữa ứng suất cắt lớn nhất (τmax) và biến dạng cắt lớn nhất (γmax).

Giá trị mô đun động |G*|, góc pha và độ nhớt của bitum là những yếu tố quan trọng trong việc phân loại bitum theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ Những chỉ tiêu này cũng được sử dụng để dự báo |E*| của BTN thông qua các phương trình tương quan thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm Do đó, luận án này sẽ tập trung nghiên cứu các chỉ tiêu này của bitum.

1.2.2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum

Mô đun cắt động của bitum (|G*|) được xác định thông qua phương pháp thực nghiệm Trên thế giới hiện nay, có hai loại thiết bị chính được sử dụng để đo |G*|, bao gồm thiết bị cắt động lưu biến DSR (Dynamic Shear Rheometer) và thiết bị phân tích cơ học động DMA.

1.2.2.1 Xác định |G*| bằng thiết bị DSR

Trong thí nghiệm |G*| sử dụng thiết bị DSR, mẫu bitum được làm nóng đến nhiệt độ thử nghiệm và đặt giữa hai đĩa song song, gồm một đĩa cố định và một đĩa quay quanh trục thẳng đứng Dưới tác dụng của ứng suất hình sin, =o.sin(ωt), mẫu bitum sẽ tạo ra biến dạng hình sin, γ=γo.sin(ωt-δ), nhưng bị trễ pha so với ứng suất một góc pha (δ) do tính đàn hồi và nhớt của vật liệu bitum.

Giá trị của |G*| được xác định bằng tỷ số giữa ứng suất cắt lớn nhất và biến dạng cắt lớn nhất trong thí nghiệm, cụ thể là |G*|=o/γo Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm DSR được lấy theo tiêu chuẩn AASHTO T 315-12 là 10 ±0.1 rad/s, phù hợp với ứng xử của vật liệu mặt đường dưới tải trọng xe chạy phổ biến Theo nghiên cứu của Javed Bari và Matthew W Witcza, tần số góc 10 rad/s tương ứng với tần số tải trọng bánh xe xuống mặt đường là 10 Hz, cũng là giá trị thường được áp dụng trong thí nghiệm xác định hư hỏng mỏi theo ASTM D7460 Nếu sử dụng tần số khác trong thí nghiệm, yêu cầu độ chính xác phải đạt sai số ±1%.

Hình 1.2 trình bày nguyên lý thí nghiệm của thiết bị DSR, trong khi Hình 1.3 minh họa sự trễ pha giữa ứng suất tác dụng và biến dạng trong thí nghiệm này Giá trị của |G*| trong thí nghiệm DSR được xác định theo phương trình 1.1 và có thể phân tích thành hai thành phần: mô đun tổn thất G” (thành phần nhớt) và mô đun dự trữ G’ như thể hiện trong Hình 1.4.

Hình 1.2: Nguyên Lý thí nghiệm cắt động lưu biến (DSR), [76]

Hình 1.3: Sự trễ pha giữa ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm DSR [47]

|G | G" G' Hình 1.4: Hai thành phần của mô đun cắt động |G*| của bitum [76]

1.2.2.2 Xác định |G*| bằng thiết bị DMA

Thiết bị thí nghiệm DMA bao gồm các bộ phận chính như Máy nén DMA, buồng ổn nhiệt để duy trì nhiệt độ mẫu và máy tính để điều chỉnh lực tác dụng vào mẫu cũng như ghi lại kết quả thí nghiệm Hình 1.5 [15] minh họa chi tiết các bộ phận này.

Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB tại IFSTTAR [15]

Máy nén DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) của hãng MetraviB có khả năng đo lực tác dụng lên đến 450 N, với dải tần số hoạt động từ 1 Hz Thiết bị này lý tưởng cho các ứng dụng phân tích cơ học động, giúp nghiên cứu tính chất vật liệu một cách chính xác và hiệu quả.

Hz đến 200 Hz), và đầu đo chuyển vị lờn đến 500 àm

Theo tiêu chuẩn pháp XP-T-66-065 [15], việc xác định |G*| của vật liệu bitum được thực hiện thông qua hai phương pháp tác dụng lực khác nhau, tùy thuộc vào phạm vi nhiệt độ thí nghiệm.

Khi xác định |G*| bằng thiết bị DMA, có hai mô hình tác dụng lực vào mẫu bitum tùy thuộc vào khoảng nhiệt độ thí nghiệm Mô hình kéo-nén (K/N) được áp dụng cho mẫu ở nhiệt độ ≤20 oC, trong khi mô hình cắt góc (C/G) được sử dụng cho các mẫu trong phạm vi nhiệt độ khác Các thông số quan trọng bao gồm τmax, giá trị tuyệt đối của ứng suất cắt lớn nhất (MPa), và γmax, giá trị tuyệt đối biến dạng cắt lớn nhất (%).

Tmax – Mô men xoắn lớn nhất (N-mm); r – Bán kính đĩa mẫu (mm); θmax – Góc biến dạng lớn nhất, (rad) h - Chiều cao mẫu (mm)

|G*| - Mô đun cắt động của bitum, (MPa) max max

Hình 1.6: Nguyên lý thí nghiệm mẫu bitum dạng kéo-nén [15]

Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm mẫu Bitum dạng cắt góc [15]

Khi tác dụng lực theo mô hình kéo nén, giá trị mô đun động của bitum (|E*b|) được xác định theo phương trình (1.4) Mô đun cắt động của bitum được tính dựa trên giá trị mô đun động (|E*b|) theo phương trình tương quan gần đúng (phương trình 1.5) Ở nhiệt độ cao, bitum trở thành vật liệu không chịu nén với hệ số Poisson xấp xỉ 0.5.

Trong mô hình (C/G) giá trị |G*| được xác định theo phương trình 1.6

 Trong phương trình (1.4, 1.5) (Mô hình K/N):

E’, E”: Lần lượt là mô đun dự trữ và mô đun tổn thất của bitum trong thí nghiệm theo mô hình kéo nén (K/N), (Pa)

|Eb*|: Mô đun động của bitum, (Pa) và |G*| mô đun cắt động của bitum, (Pa)

|K|: Mô đun độ cứng của bitum (N/m); δb: Độ trễ pha của ứng suất so với biến dạng, ( o )

H và D đại diện cho chiều cao và đường kính của mẫu (m) Diện tích chịu tác dụng của lực trong thí nghiệm được tính bằng công thức Se = πD²/4 (m²) Đồng thời, diện tích xung quanh mặt ngoài của mẫu được xác định qua công thức S1 = πDH (m²).

Fs: Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào kích thước mẫu

 Trong phương trình 1.6 (mô hình C/G):

|K| và δb có ý nghĩa như phương trình 1.4

G’, G”: Lần lượt là mô đun dự trữ, mô đun tổn thất của bitum, (Pa)

|G*|: Mô đun cắt động của bitum, (Pa)

2r: đường kính pittông (m); 2R: đường kính trong của măng sông (m)

Hc: chiều cao mẫu trong thí nghiệm (C/G), (m) và : hệ số điều chỉnh phụ thuộc kích thước mẫu

Cả thiết bị DSR và DMA đều có khả năng xác định |G*| và góc pha của bitum ở nhiều mức nhiệt độ và tần số khác nhau Tuy nhiên, theo nghiên cứu [72], việc xác định |G*| và góc pha chỉ được thực hiện tại tần số góc 10 rad/s.

Thiết bị DSR sử dụng hệ thống đĩa song song để giữ mẫu bitum, cho phép xác định |G*| và góc pha (δb) ở nhiệt độ cao hơn so với thiết bị DMA Tuy nhiên, việc thí nghiệm với hai kích cỡ đĩa khác nhau (đĩa lớn 25mm cho nhiệt độ ≥ 30°C và đĩa nhỏ 8mm cho nhiệt độ ≤ 30°C) dẫn đến sự khác biệt lớn trong kết quả |G*| và góc pha tại nhiệt độ chuyển tiếp, gây khó khăn trong việc đánh giá kết quả Do đó, thiết bị DSR phù hợp hơn cho việc xác định |G*| và góc pha tại từng nhiệt độ/tần số cụ thể, hoặc phân loại bitum theo tiêu chuẩn AASHTO M320 của Hoa Kỳ, thay vì xây dựng đường cong chủ cho |G*| và góc pha phục vụ nghiên cứu.

Thiết bị DMA có khả năng xác định chính xác giá trị của |G*| và góc pha của vật liệu bitum ở các mức nhiệt độ thấp, trung gian và cao Kết quả thí nghiệm cho thấy không có sự sai lệch đáng kể giữa các kết quả ở nhiệt độ chuyển tiếp giữa mô hình tác dụng lực (K/N) và mô hình khác.

Bê tông nhựa

Bê tông nhựa (bê tông asphalt) là hỗn hợp giữa vật liệu khoáng và bitum, được thiết kế với tỷ lệ hợp lý và yêu cầu độ chặt tối thiểu (Kyc≥98% hoặc Kyc≥96%) Các loại bê tông nhựa (BTN) khác nhau được phân loại dựa trên nhiệt độ thi công, độ rỗng dư (Va), và đường kính danh định lớn nhất Luận án này tập trung nghiên cứu bê tông nhựa chặt (BTNC), loại BTN phổ biến và dễ thi công, được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ và Việt Nam.

Chỉ tiêu quan trọng của BTN là giá trị mô đun đàn hồi tĩnh (E), mô đun đàn hồi động (Mr), và mô đun động |E*| Trong đó:

Mô đun đàn hồi tĩnh (E) được xác định qua phương pháp thực nghiệm và là yếu tố quan trọng trong thiết kế mặt đường mềm theo tiêu chuẩn Việt Nam Giá trị biến dạng được sử dụng trong công thức xác định (E) là biến dạng đàn hồi.

Mô đun đàn hồi động (Mr) của BTN được xác định qua phương pháp kéo gián tiếp với tải trọng lặp, trong đó giá trị biến dạng sử dụng là biến dạng phục hồi theo phương ngang mẫu Mô đun đàn hồi động này đóng vai trò quan trọng trong thiết kế mặt đường mềm theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn thiết kế mặt đường AASHTO 1993.

Mô đun động của bitum |E*| được xác định thông qua các phương pháp thực nghiệm hoặc các phương trình tương quan thực nghiệm kết hợp với bitum và các thông số liên quan Để tính toán giá trị |E*|, biến dạng phục hồi theo phương dọc trục được sử dụng làm cơ sở.

Mô đun động là yếu tố quan trọng trong việc phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm của Hoa Kỳ Luận án này tập trung nghiên cứu giá trị mô đun động của các loại bê tông nhựa composite (BTNC) tại Việt Nam, nhằm cung cấp thông tin hữu ích cho việc cải thiện chất lượng mặt đường.

Mô đun phức động của bê tông nhựa

1.4.1 Mô đun phức của bê tông nhựa

Mô đun phức của BTN (E*) là số phức thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong vật liệu đàn nhớt tuyến tính Hai thành phần của mô đun động cùng với sự trễ pha của biến dạng so với ứng suất được mô tả trong hình 1.16 và hình 1.17 trong thí nghiệm xác định E*.

Công thức xác định mô đun phức (1.9)

Hình 1.16: Hai thành phần của mô đun động |E*|

Hình 1.17: Sự trễ pha của biến dạng so với ứng suất, [51]

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các yếu tố quan trọng liên quan đến ứng suất và biến dạng trong vật liệu, bao gồm ứng suất tác dụng dọc trục lớn nhất (σ0) tính bằng psi (Kpa), biến dạng phục hồi dọc trục lớn nhất (ε0) tính bằng in/in (m/m), góc pha (δ), vận tốc góc (ω) và thời gian (t) tính bằng giây (s).

|E*| - Mô đun động của BTN, và E1, E2 là các thành phần thực (thành phần đàn hồi) và thành phần ảo (thành phần nhớt) của mô đun động

1.4.2 Mô đun động của bê tông nhựa

Mô đun động của bê tông nhựa (BTN), ký hiệu |E*|, là giá trị tuyệt đối của mô đun phức, phản ánh khả năng chống lại biến dạng phục hồi của BTN khi chịu tác động của tải trọng động hình sin Một số tài liệu còn gọi mô đun này là độ cứng của bê tông asphalt Công thức xác định mô đun động |E*| được trình bày trong phương trình (1.10).

Trong đó: σ0 và ε0 lần lượt là ứng suất dọc trục lớn nhất và biến dạng phục hồi dọc trục lớn nhất

1.4.3 Phương pháp xác định mô đun động của bê tông nhựa

Mô đun động của BTN được xác định qua phương pháp thực nghiệm, và khi nghiên cứu với số lượng mẫu lớn, phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi được áp dụng Phương pháp này giúp tối ưu hóa số lượng mẫu thí nghiệm, đảm bảo kết quả nghiên cứu đạt tính khoa học và độ chính xác cao.

Các tiêu chuẩn Hoa Kỳ như AASHTO TP-62, AASHTO TP-79 và AASHTO T 342 có thể được sử dụng để xác định giá trị |E*| của BTN Tuy nhiên, hiện tại, chỉ có thiết bị tại phòng thí nghiệm vật liệu của Trường ĐHGTVT ở Việt Nam có khả năng thực hiện phép đo này Thiết bị này được phát triển bởi Keith Cooper và Giáo sư Steven Brown từ Đại học Nottingham, và đã được kiểm định đạt tiêu chuẩn thí nghiệm |E*| theo quy định Châu Âu (EN 12697-24, EN 12697).

Trong nghiên cứu luận án, các loại bê tông nhựa nóng (BTNC) đã được xác định độ cứng |E*| dựa trên tiêu chuẩn AASHTO TP-62, sử dụng thiết bị tại phòng thí nghiệm vật liệu của trường ĐHGTVT Thiết bị này được cài đặt mặc định để thực hiện các phép đo cần thiết.

|E*| tại các giá trị tần số (0.1 Hz, 0.5 Hz, 1 Hz, 5Hz, 10 Hz và 25 Hz)

Hình 1.18 và Hình 1.19 trình bày thí nghiệm xác định |E*| của BTN bằng thiết bị Cooper tại phòng thí nghiệm vật liệu của Trường ĐHGTVT BTN, giống như vật liệu bitum, có tính đàn nhớt, dẫn đến hiện tượng trễ pha giữa biến dạng và ứng suất Hình 1.20 thể hiện sự trễ pha này qua các chu kỳ ứng suất-biến dạng trong thí nghiệm xác định |E*|.

Hình 1.18 Thiết bị cooper của trường ĐHGTVT

Hình 1.19: Thiết bị thí nghiệm |E*| của trường ĐHGTVT

Hình 1.20: Các chu kỳ ứng suất và biến dạng của mô đun động [23]

1.4.4 Xây dựng đường cong Master curve của mô đun động

Việc xây dựng đường cong chủ |E*| cho phép xác định giá trị |E*| ở bất kỳ nhiệt độ hoặc tần số nào Nguyên lý của việc xây dựng đường cong chủ này là rất quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng của vật liệu.

Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |E*| tương tự như của |G*|, được minh họa qua Hình 1.21 và Hình 1.22 Chi tiết về phương pháp này sẽ được trình bày trong chương 3 của luận án.

Hình 1.21: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |E*| [23]

Hình 1.22: Đường cong chủ của |E*| [23]

Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa

Giá trị mô đun động của bê tông nhựa (BTN) |E*| chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm cấp phối thiết kế, hàm lượng bitum, và các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu thành phần Tính chất của bitum, được đặc trưng bởi các giá trị như |G*|, độ nhớt và góc pha, cũng đóng vai trò quan trọng Thêm vào đó, loại cốt liệu, tỷ lệ bột khoáng, kích thước cốt liệu thô lớn nhất, nhiệt độ, độ lớn và tần số tác động của tải trọng đều góp phần quyết định đến giá trị mô đun động của BTN Nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng để tối ưu hóa tính chất của bê tông nhựa.

1.5.1 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum

Nghiên cứu về ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum đến mô đun động của BTN đã chỉ ra rằng, trong thí nghiệm tại Bang Washington, hỗn hợp BTN với độ rỗng dư 4%, 7% và 9% cho thấy kết quả khác nhau tùy thuộc vào điều kiện thử nghiệm Cụ thể, khi thí nghiệm ở nhiệt độ cao và tần số thấp, loại bitum mác cao (PG) có tác động rõ rệt đến giá trị mô đun động Ngược lại, trong trường hợp thí nghiệm ở nhiệt độ thấp và tần số cao, ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun động của BTN không đáng kể.

Hình 1.23: Ảnh hưởng của loại bitum và mô đun động ở nhiệt độ cao, tần số thấp [65]

Hình 1.24: Ảnh hưởng của loại bitum và mô đun động ở nhiệt độ thấp, tần số cao [65]

Nghiên cứu về mô đun động của BTN thông qua mô hình ANN đã áp dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá tác động của các thông số đầu vào như loại bitum, hình dạng hạt, tần suất tải trọng và các đặc tính thể tích (Va, Vbeff) lên giá trị |E*| của 20 hỗn hợp BTN khác nhau Kết quả cho thấy, tính chất của loại bitum và các đặc tính thể tích là yếu tố chính ảnh hưởng đến giá trị mô đun động của BTN.

Vbeff) và các thông số hình dạng hạt có tương quan rất kém với mô đun động [28]

Một nghiên cứu tại bang Oklahoma, Hoa Kỳ, cho thấy rằng nguồn bitum, tính chất vật liệu bitum và hàm lượng bitum ảnh hưởng đến giá trị của mô đun động Tuy nhiên, nguồn cốt liệu và thành phần hạt với cùng phân loại của NCDOT Superpave dường như không ảnh hưởng đến giá trị mô đun động.

Kỹ thuật phân tích độ nhạy đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu để đánh giá tác động của các thông số đầu vào lên giá trị |E*| theo các mô hình dự báo của Hoa Kỳ, bao gồm mô hình Idaho, Witczak ban đầu, Witczak cải tiến và Hirsch Kết quả cho thấy, tính chất của bitum như |G*|, góc pha (δb) và độ nhớt (η) có ảnh hưởng lớn nhất đến giá trị mô đun động, trong khi các thông số khác như đặc tính thể tích và chỉ tiêu thành phần hạt chỉ có tác động hạn chế đến |E*|.

1.5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác

1.5.2.1 Ảnh hưởng của bột khoáng, vôi thủy hóa, thành phần hạt, hình dạng hạt và độ góc cạnh giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp Ảnh hưởng của bột khoáng, vôi thủy hóa, thành phần hạt, hình dạng hạt và độ góc cạnh đã được nghiên cứu [20], [29], [35], [37], [62], [81] Kết quả các nghiên cứu cho thấy các yếu tố này có ảnh hưởng nhất định tới giá trị của |E*| ở một mức độ nào đó Chính vì vậy mà tiêu chuẩn AASHTO M 323 [71] quy định tỷ lệ bột khoáng trên hàm lượng bitum có hiệu (filler/Pbe) phải nằm trong phạm vi 0.6-1.2) ngoại trừ BTNC có cỡ hạt danh định lớn nhất 4.75mm Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy giá trị |E*| giảm khi độ rỗng dư tăng và ngược lại [65], [82] Xu hướng ảnh hưởng của thành phần hạt tới giá trị của |E*| không rõ ràng đối với cả hai trường hợp thí nghiệm ở nhiệt độ thấp- tần số cao (Hình 1.25) và ở nhiệt độ cao-tần số thấp (Hình 1.26) [65]

Hình 1.25: Ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu tới mô đun động của BTN (Nhiệt độ thấp, tần số cao) [65]

Hình 1.26: Ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu tới mô đun động của BTN (Nhiệt độ cao, tần số thấp) [65]

1.5.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng tới mô đun động

Nghiên cứu thực nghiệm toàn cầu cho thấy giá trị mô đun động của vật liệu BTN phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số tải trọng Cụ thể, mô đun động giảm khi nhiệt độ tăng và tần số giảm, điều này phản ánh tính đàn nhớt của bitum, yếu tố quyết định tính đàn hồi của vật liệu.

Các nghiên cứu toàn cầu đều nhất trí rằng tính chất của vật liệu bitum đóng vai trò quan trọng nhất trong việc xác định giá trị mô đun động của bê tông nhựa.

Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với đun động của bê tông nhựa

1.6.1 Các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa

Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng tính chất của loại bitum sử dụng ảnh hưởng đến mô đun động của BTN Các nghiên cứu này xây dựng các phương trình tương quan thực nghiệm giữa các chỉ tiêu của vật liệu bitum như mô đun độ cứng, |G*|, độ nhớt và góc pha với giá trị mô đun động của BTN (|E*|) Mục tiêu là để có thể dự báo hiệu suất của BTN dựa trên các đặc tính của bitum.

Các nghiên cứu điển hình trên thế giới đã chỉ ra mối quan hệ giữa các thông số như độ rỗng dư (Va), độ rỗng cốt liệu và thể tích bitum trong hỗn hợp BTN Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng và hiệu suất của vật liệu.

1.6.1.1 Các nghiên cứu của tập đoàn Shell

Dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm, tập đoàn Shell đã phát triển phần mềm BANDS 2.0 và xây dựng toán đồ dự báo độ cứng của BTN Phương pháp này yêu cầu các thông số đầu vào như mô đun độ cứng của bitum, thể tích bitum và thể tích cốt liệu trong hỗn hợp.

− Mô đun độ cứng của bitum phục hồi (recovered bitumen) sử dụng, (Pa)

− Thể tích của bitum sử dụng, Vb (%)

− Thể tích của cốt liệu trong hỗn hợp, Vg (%)

Phương pháp này chỉ hiệu quả khi mô đun độ cứng của bitum lớn hơn 5MPa, điều này thường xảy ra khi giao thông di chuyển với tốc độ cao, đảm bảo rằng vật liệu chủ yếu có ứng xử đàn hồi Ngoài ra, phương pháp này dựa trên giả thiết rằng chỉ có loại cấp phối, kiểu và các đặc tính của cốt liệu mới ảnh hưởng đến mô đun độ cứng của hỗn hợp.

1.6.1.2 Nghiên cứu của viện Asphalt Hoa Kỳ (Asphalt Institute method)

Vào năm 1979, Hwang và Witczak đã phát triển một công thức để xác định mô đun động của bê tông nhựa (BTN), tương tự như phương pháp dự đoán mô đun độ cứng của hỗn hợp BTN của Shell, nhưng đã bổ sung thêm một số thông số quan trọng.

− P200: phần trăm lượng lọt sàng số 200, (0.075mm)

− Tần số tác dụng của tải trọng f, (Hz)

Các thông số Va và Vb, được tính bằng phần trăm theo thể tích, có ý nghĩa tương tự như trong phương pháp Shell (mục 1.6.1.1) Bên cạnh đó, phương pháp của Viện Asphalt Hoa Kỳ áp dụng độ nhớt của loại bitum sử dụng, không phải là bitum phục hồi từ hỗn hợp đã trộn.

Dạng phương trình tổng quát dự báo mô đun động của BTN của viện Asphalt Hoa Kỳ như phương trình (1.11)

Công thức E* = f(P200, Va, Vb, f, T, η) mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của bitum, trong đó Va và Vb được giải thích theo mục 1.6.1.1 P200 đại diện cho hàm lượng lọt sàng số 200, f là tần số của tải trọng tác dụng, η là độ nhớt của bitum tại 70 o F (21.1 o C) tính bằng poise, và T là nhiệt độ tính bằng độ Fahrenheit.

1.6.1.3 Các nghiên cứu khác đã thực hiện ở Hoa Kỳ Ở Hoa Kỳ đã có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành để nghiên cứu về mối quan hệ giữa giá trị mô đun động của BTN với các thông số đầu vào khác nhằm mục đích phục vụ cho công tác thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm

Dựa trên nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã phát triển một số mô hình dự báo mô đun động của BTN, phục vụ cho việc thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm Các mô hình này đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế và cải tiến hạ tầng giao thông.

 Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive model)

Mô hình dự báo giá trị mô đun động của vật liệu BTN được phát triển dựa trên dữ liệu của 2.750 giá trị mô đun động từ 205 hỗn hợp BTN khác nhau, được thử nghiệm trong suốt 30 năm Mô hình này có khả năng áp dụng cho cả bitum thường và bitum polymer.

Mô hình này cũng đã từng được sử dụng trong phần mềm thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm [31], [32], [40], [65], [83]

Theo mô hình này, phương trình dự báo mô đun động của BTN có dạng:

|E*| = f(P200, P4, P3/8 , P3/4 , Va,Vbeff, f, η(loại bitum,nhiệt độ) (1.12)

|E*|- Mô đun động của BTN, (psi)

P200 – Phần trăm hạt lọt qua sàng số 200

P4, P3/8 và P3/4 lần lượt là phần trăm hạt giữ lại trên sàng số 4, số 3/8in (9.56mm) và trên sàng số 3/4 (in) (19.01mm)

Va – Giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp BTN (%)

Vbeff là phần trăm hàm lượng nhựa có ích của BTN theo thể tích Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm được ký hiệu là f và được đo bằng Hertz (Hz), có mối quan hệ với tần số trong thí nghiệm |G*|, fc theo phương trình 1.13: f = 2πfc Độ nhớt của bitum tại nhiệt độ tính toán được ký hiệu là η, với đơn vị là 10^6 Poise hoặc 10^5 Pas.

 Mô hình Witczak cải tiến

Mô hình Witczak cải tiến, được phát triển bởi Bari và Witczak vào năm 2006, dựa trên cơ sở dữ liệu mô đun động xác định qua thí nghiệm với hơn 7400 giá trị mô đun động của 346 hỗn hợp BTN Mô hình này phản ánh ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum đến giá trị mô đun động của BTN thông qua hai giá trị chính là mô đun cắt động.

G* và góc pha δb của bitum được xác định thông qua thí nghiệm sử dụng thiết bị DSR Mô hình này hiện đang được áp dụng trong chương trình thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp ME.

Phương trình dự báo |E*| (Phương trình 1.14)

Với |G*| – Mô đun cắt động của bitum (Pound/in 2 ), và δb – Góc pha của bitum xác định cùng với |G*|, độ Các ký hiệu khác có ý nghĩa như trong phương trình 1.12

 Mô hình Hirsch (Hirsch Model)

Mô hình Hirsh, được phát triển bởi Christensen và các tác giả khác, là một phương pháp dự báo bán thực nghiệm dựa trên lý thuyết vật liệu hỗn hợp Mô hình này bao gồm các phần tử chuỗi và song song của các pha khác nhau Nghiên cứu đã sử dụng 18 hỗn hợp BTN với 8 loại bitum khác nhau, trong đó có 2 loại bitum polymer, cùng với 5 cấp phối và kích thước hạt danh định lớn nhất là Dmax=9.5mm và Dmax=7.5mm.

Qua thí nghiệm, 206 dữ liệu đã được thu thập, từ đó xây dựng phương trình dự báo |E*| và góc pha của BTN Các yếu tố này được xác định là hàm của đặc trưng thể tích và mô đun cắt động của bitum theo phương trình 1.15.

|E*|–Mô đun động của BTN (psi).

Pc–Hệ số tiếp xúc cốt liệu;δ–Góc pha của hỗn hợp BTN.

|G*|, mô đun động của bitum,(psi).

VFA-độrỗng lấp đầy nhựa, (%), và VMA-Độrỗng cốt liệ

Mô hìnhđịnhluật của các hỗn hợp tương đương(Al-khateeb Model)

Ảnh hưởng của mô đun động của bê tông nhựa tới đặc trưng khai thác của mặt đường mềm

Mặt đường mềm thường gặp phải tình trạng suy giảm cường độ theo thời gian, dẫn đến nhiều dạng hư hỏng trong quá trình khai thác Những hư hỏng phổ biến bao gồm hằn lún vệt bánh xe, nứt phân bố, nứt nhiệt, và không đạt yêu cầu về chỉ số độ gồ ghề IRI.

Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới đặc trưng khai thác của mặt đường theo phương pháp (ME) của Hoa Kỳ cho thấy mô đun động của BTN (|E*|) có ảnh hưởng rất lớn đến các đặc trưng khai thác của mặt đường mềm, bao gồm nứt phân bố, hằn lún vệt bánh xe với mức độ nhạy cao và chỉ số độ gồ ghề quốc tế (IRI) ở mức độ “rất nhạy”.

Với đặc trưng nứt nhiệt thì ảnh hưởng của |E*| nhỏ hơn nhưng vẫn được ở mức độ nhạy

Như vậy giá trị |E*| có ảnh hưởng lớn tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm [59].

Những vấn đề cần giải quyết trong luận án

1.8.1 Các vấn đề tồn tại cần giải quyết

Các nghiên cứu về đặc tính vật liệu bitum, bao gồm |G*| và góc pha (δb), tại Việt Nam vẫn còn hạn chế và chủ yếu tập trung vào việc phân loại bitum theo tiêu chuẩn AASHTO M 320 Mục tiêu chính của các nghiên cứu này là xác định nhóm bitum đang sử dụng và phù hợp với các vùng khí hậu để lựa chọn mác bitum thích hợp.

Nghiên cứu về mô đun động của BTN hiện vẫn còn hạn chế, chủ yếu chỉ dừng lại ở một số thí nghiệm trong khuôn khổ đề tài thạc sĩ Điều này dẫn đến việc thiếu hụt dữ liệu cần thiết cho phân tích thống kê, đánh giá và thiết lập mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa các yếu tố.

Việc áp dụng phương pháp Taguchi trong thiết kế thí nghiệm (DOE) để xác định các tổ mẫu thí nghiệm |E*| một cách khoa học và phù hợp là một vấn đề mới mẻ trong lĩnh vực nghiên cứu thực nghiệm, đặc biệt là trong nghiên cứu vật liệu BTN.

Việc nghiên cứu sâu về |G*| của các loại bitum và |E*| của các loại BTNC tại Việt Nam là cần thiết để điều chỉnh các phương trình dự báo |E*| phù hợp với điều kiện địa phương Điều này sẽ hỗ trợ cho việc áp dụng phương pháp (ME) trong phân tích kết cấu mặt đường mềm ở Việt Nam trong tương lai.

1.8.2 Phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu Để đạt được mục tiên là nghiên cứu ảnh hưởng của loại bitum đến mô đun động của BTNC ở Việt Nam, phương pháp nghiên cứu sẽ là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm Trong đó:

1.8.2.1 Các nghiên cứu lý thuyết liên quan tới mô đun cắt động của bitum và mô đun động của bê tông nhựa

Nghiên cứu lý thuyết sẽ tập trung vào phân tích mô đun cắt động |G*|, góc pha (δb) của bitum và mô đun phức động của bê tông nhựa |E*| Những thông tin này đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế và tài liệu chuyên ngành liên quan.

Bài viết này khám phá bản chất của |G*| và |E*|, cùng với các yếu tố ảnh hưởng đến chúng Ngoài ra, nó cũng trình bày nguyên lý thí nghiệm và thiết bị cần thiết để xác định giá trị |E*| của bê tông nhựa và |G*| của bitum.

Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng các mô hình cho đường cong chủ của |G*| và |E*| Dựa trên các mô hình đã phân tích, chúng tôi sẽ lựa chọn mô hình phù hợp để phát triển đường cong chủ của |G*| và góc pha của biutm, thông tin chi tiết sẽ được trình bày trong chương 2 Đồng thời, mô hình xây dựng đường cong chủ của |E*| sẽ được thảo luận trong chương 3.

 Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp thiết kế thí nghiệm (Design of experiment,

Việc sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm (DOE) giúp xác định số lượng tổ mẫu thí nghiệm cần thiết, từ đó tiết kiệm thời gian và chi phí mà vẫn đảm bảo độ tin cậy trong nghiên cứu thực nghiệm.

Nghiên cứu mối quan hệ giữa các loại bitum và mô đun động của BTN đã được công bố trên các bài báo khoa học quốc tế và tài liệu chuyên ngành Nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào các mô hình dự báo của Hoa Kỳ, bao gồm mô hình Witczack đầu tiên, mô hình Witczack cải tiến và mô hình Hirsh, những mô hình đã được áp dụng thực tiễn tại Hoa Kỳ.

Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định các giá trị |G*| và góc pha của các loại bitum điển hình tại Việt Nam, bao gồm bitum 40/50, 60/70 và PMBIII, cùng với một loại bitum độ quánh cao theo tiêu chuẩn châu Âu, cụ thể là bitum 35/50, nhằm mục đích so sánh hiệu suất của chúng.

 Thiết kế thí nghiệm (DOE) xác định số tổ mẫu thí nghiệm cần thiết để nghiên cứu thực nghiệm về |E*| của các loại BTNC ở Việt Nam

 Phân tích kết quả, xử lý thống kê và xây dựng mối quan hệ giữa tương quan giữa

Bài viết phân tích và đánh giá độ chính xác của các mô hình dự báo |E*| và |G*| của Hoa Kỳ so với kết quả thực nghiệm theo tiêu chuẩn thống kê Ngoài ra, nghiên cứu cũng xem xét tính khả thi của việc áp dụng các mô hình này vào các loại BTN điển hình tại Việt Nam.

1.8.2.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án để phân tích một số phương án kết cấu mặt đường ở Việt Nam theo phương pháp cơ học thực nghiệm

 Từ kết quả nghiên cứu |E*| và |G*| mô hình hóa một số kết cấu điển hình đang được áp dụng phổ biến ở Việt Nam

 Phân tích bằng phương pháp cơ học thực nghiệm để rút ra kết luận kiến nghị về thiết kế kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam

1.8.3 Nội dung nghiên cứu Để giải quyết được các vấn đề còn tồn tại như đã nêu ở mục 1.7.1, luận án sẽ tập trung nghiên cứu cụ thể các nội dung sau:

1.8.3.1 Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa mô đun cắt độngcủa các loại bitum ở Việt Nam

Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa các loại bitum điển hình tại Việt Nam (40/50; 60; PMBIII) và bitum có độ quánh cao từ Cộng hòa Pháp (bitum 35/50) nhằm so sánh hiệu suất của hai loại bitum này Dựa trên kết quả thực nghiệm, đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) được xây dựng, từ đó xác định sơ bộ phân cấp đặc tính sử dụng của các loại bitum nghiên cứu theo phương pháp PG của Hoa Kỳ.

Dựa vào các đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb), cần xác định giá trị của |G*| và góc pha (δb) tại các nhiệt độ và tần số cần thiết Điều này nhằm xây dựng mối quan hệ tương quan thực nghiêm giữa |E*| và |G*| trong chương 3 của luận án.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÔ HÌNH 2S2P1D ĐỂ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG CHỦ CỦA MÔ ĐUN CẮT ĐỘNG VÀ GÓC PHA CỦA MỘT SỐ LOẠI BITUM Ở VIỆT NAM

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ THỰC NGHIỆM GIỮA TÍNH CHẤT CỦA BITUM VÀ MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM

3.2.1.1 Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp giai thừa

3.4.1 Chuẩn bị vật liệu, thiết bị và đúc mẫu phục vụ công tác thí nghiệm mô đun động của các loại bê tông nhựa

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT TỚI ĐẶC TRƯNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM Ở VIỆT NAM