Luận án tiến sĩ nghiên cứu các đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa dùng làm tầng mặt cho kết cấu áo đường ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Ngô Lâm NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA DÙNG LÀM TẦNG MẶT CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Ô TÔ Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô đường thành phố Mã số: 9580205-2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA DÙNG LÀM TẦNG MẶT CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Ô TƠ Chun ngành: Xây dựng đường tơ đường thành phố Mã số: 9580205-2 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS HOÀNG TÙNG PGS.TS BÙI PHÚ DOANH Hà Nội - Năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Ngô Lâm ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hồng Tùng, PGS.TS Bùi Phú Doanh tận tình hướng dẫn, cho nhiều dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập, nghiên cứu, hồn thành luận án nâng cao lực khoa học cho tác giả Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô Bộ môn Đường ô tô đường thị trường Đại Học Xây dựng có nhiều giúp đỡ, góp ý xác đáng quý báu cho tác giả q trình hồn thiện luận án; cảm ơn Phịng thí nghiệm LAS-XD1256, LAS-XD1498, Khoa Cầu Đường, Khoa Đào tạo Sau đại học nơi tác giả nghiên cứu hoàn thành luận án Cuối tác giả bày tỏ lịng biết ơn người thân gia đình động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn với tác giả trình thực luận án Tác giả luận án Ngô Lâm iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii DANH MỤC CÁC BẢNG xii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kết cấu mặt đường vật liệu bê tông nhựa 1.1.1 Kết cấu mặt đường .7 1.1.2 Vật liệu bê tông nhựa 1.1.3 Cấp phối cốt liệu bê tông nhựa 18 1.2 Tổng quan cường độ chống cắt bê tông nhựa 21 1.2.1 Tiêu chuẩn phá hoại Mohr Coulomb .21 1.2.2 Phương trình cường độ chống cắt Coulomb [15] 23 1.3 Về ảnh hưởng đặc trưng kháng cắt tới lún vệt bánh xe mặt đường bê tông nhựa 25 1.3.1 Lún vệt bánh xe 25 1.3.2 Nguyên nhân tượng hằn lún vệt bánh xe đẩy trồi vật liệu 26 1.4 Thực trạng áp dụng đặc trưng kháng cắt phương pháp thí nghiệm tương ứng thiết kế thành phần bê tông nhựa 27 1.5 Các nghiên cứu có liên quan tới luận án 29 iv 1.5.1 Nghiên cứu Việt Nam 30 1.5.2 Nghiên cứu giới 32 1.6 Nhận xét chương 32 Chương VỀ ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA 34 2.1 Mở đầu 34 2.2 Trạng thái ứng suất phân bố ứng suất cắt kết cấu mặt đường BTN 34 2.2.1 Áp lực lốp xe trạng thái ứng suất kết cấu áo đường mềm 34 2.2.2 Về phân phối nhiệt độ mặt đường nhựa 37 2.2.3 Phân phối ứng suất cắt biến dạng trượt, hằn lún bê tông nhựa .38 2.2.4 Về thay đổi kích thước phân tố chịu cắt trượt 40 2.3 Về lý thuyết xác định đặc trưng kháng cắt vật liệu 41 2.4 Về đặc trưng kháng cắt số loại bê tông nhựa 42 2.4.1 Tổng hợp kết nghiên cứu hành 42 2.4.2 Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng kháng cắt BTN 46 2.5 Một số giải pháp nâng cao sức kháng cắt vật liệu mặt đường BTN 54 2.5.1 Về nhóm giải pháp cho vật liệu chế tạo bê tơng nhựa .55 2.5.2 Nhóm giải pháp cho thiết kế, thi công khai thác kết cấu mặt đường ô tô 57 2.6 Nhận xét chương 64 Chương LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 66 3.1 Mở đầu 66 3.2 Phân tích, đánh giá phương pháp thí nghiệm xác định đặc trưng kháng cắt bê tông nhựa 66 3.2.1 Các thí nghiệm theo hướng thứ 67 v 3.2.2 Các thí nghiệm theo hướng thứ hai 83 3.3 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm 90 3.3.1 Tiêu chí lựa chọn 90 3.3.2 Kết lựa chọn phương pháp thí nghiệm 93 3.4 Nhận xét chương 94 Chương CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ ÁP DỤNG KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT CỦA BTN 95 4.1 Mở đầu 95 4.2 Chế tạo thiết bị thí nghiệm 95 4.2.1 Thiết bị thí nghiệm theo phương pháp IDT-UCS 95 4.2.2 Chế tạo thiết bị theo phương pháp Nga .96 4.2.3 Chế tạo thiết bị thí nghiệm theo phương pháp Romanoschi .99 4.3 Áp dụng khảo sát đặc trưng kháng cắt số loại bê tông nhựa điều kiện Việt Nam 112 4.3.1 Mục tiêu, phạm vi khảo sát 112 4.3.2 Sơ quy hoạch thực nghiệm 114 4.3.3 Kết thí nghiệm theo phương pháp IDT-UCS 120 4.3.4 Kết thí nghiệmvới thiết bị AST1 Marshall, Wheel Tracking .121 4.3.5 Kết thí nghiệm với thiết bị AST2 Wheel Tracking 125 4.3.6 Về tương quan kết thí nghiệm theo AST2 AST1 .134 4.4 Nhận xét chương 136 KẾT LUẬN 137 Kết luận 137 Các hạn chế luận án 138 vi Kiến nghị 138 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 140 ĐĂNG KÝ SỞ HỮU TRÍ TUỆ ĐỐI VỚI THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA (AST2) 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 PHỤ LỤC PL1 PHỤ LỤC THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG NHỰA .PL1 PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN BẰNG AST1 PL16 PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN BẰNG AST2 PL20 PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỆT HẰN BÁNH XE PL32 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU AST1 Asphalt Mixture Shear Test 1- Thiết bị thí nghiệm đặc trưng kháng cắt AST2 Asphalt Mixture Shear Test 2- Thiết bị thí nghiệm đặc trưng kháng cắt BTN Bê tơng nhựa BTNC Bê tông nhựa chặt DST Duplicate Shear Tester FST Field Shear Test IDT Indirect Tensil Strength LPDS Layer Parallel Direct Shear SST Superpave Shear Test UCS Unconfied Compression Strength UPT Uni Penestration Test UST Uniaxial Shear Tester VFA Voids Filled with Asphalt - Độ rỗng lấp đầy nhựa c Lực dính  Góc nội ma sát QĐ858 Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 Bộ Giao thông vận tải việc ban hành hướng dẫn áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế thi công mặt đường bê tơng nhựa nóng tuyến đường tơ có quy mơ giao thơng lớn viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu tạo tầng, lớp kết cấu áo đường .8 Hình 1.2 Ảnh hưởng tỷ lệ [bitum/bột khống] đến cường độ nén bê tơng nhựa 11 Hình 1.3 Ảnh hưởng hàm lượng đá dăm đến cường độ nén bê tông nhựa [2] 12 Hình 1.4 “Mơ hình” tương quan phối hợp cấu trúc vĩ mô, trung gian, tế vi bê tông nhựa .13 Hình 1.5 So sánh BTNC 12,5 theo QĐ858 [26] theo TCVN 8819:2011 [19] 20 Hình 1.6 Phân tố ứng suất gây phá hoại [15] 22 Hình 1.7 Các vòng Morh lúc phá hoại xác định đường bao phá hoại Mohr 22 Hình 1.8 Điều kiện ứng suất phân tố phá hoại mặt phẳng f 23 Hình 1.9 Ví dụ lún vệt hằn bánh xe .25 Hình 1.10 Hiện tượng xô dồn vật liệu mặt đường bê tơng nhựa 26 Hình 1.11 Cơ chế hình thành lún vệt bánh xe lớp BTN 26 Hình 2.1 Kết cấu mặt đường bê tông asphalt chịu tác dụng tải trọng [39] 35 Hình 2.2 Phân bố ứng suất [39] 36 Hình 2.3 Sơ đồ phân bố ƯS MĐ mềm tác dụng tải trọng bánh xe [39] 36 Hình 2.4 Phân phối áp lực lốp xe lên mặt đường [46] .37 Hình 2.5 Diễn biến nhiệt độ mặt đường bê tông nhựa Brazil [46] 37 Hình 2.6 Ứng suất cắt lớn theo áp lực lốp nhiệt độ [46] .38 PL29 PL30 PL31 PL32 PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỆT HẰN BÁNH XE PL33 PL34 PL35 PL36 PL37 PL38 PL39 PL40 PL41 PL42 PL43