Nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm mặt đường ô tô có xét đến đặc điểm tác dụng của tải trọng thực tế,luận án thạc sĩ khoa học kỹ thuật chuyên ngành đường bộ

-1- Mở đầu Bê tông asphalt loại vật liệu đ-ợc dùng phổ biến làm lớp mặt áo đ-ờng ôtô Việt Nam nh- giới Mạng l-ới đ-ờng quốc gia Việt Nam có khoảng 80% có lớp mặt có xử lý bitum, phần lớn dùng bê tông asphalt Điều phù hợp trào l-u chung giới, vật liệu gia cố bitum bê tông asphalt đà loại vật liệu thông dụng làm lớp mặt kết cấu áo đ-ờng ôtô Công nghệ thi công lớp mặt đ-ờng bê tông asphalt đà trở nên quen thuộc với nhà thầu Việt Nam Việc nâng cao chất l-ợng tuổi thọ lớp mặt bê tông asphalt kết cấu áo đ-ờng n-ớc ta góp phần nâng cao chất l-ợng mạng l-ới đ-ờng ôtô có ý nghÜa kinh tÕ kü tht to lín Nh÷ng cè gắng nhằm nâng cao chất l-ợng tuổi thọ lớp mặt bê tông asphalt kết cấu áo đ-ờng theo h-ớng sau đây: Sử dụng kết cấu áo đ-ờng phù hợp với tải trọng giao thông (tải trọng trục xe l-u l-ợng xe) điều kiện môi tr-ờng Việc làm đ-ợc cân nhắc cẩn thận b-ớc thiết kế định đầu t- Theo h-ớng đó, mô hình tính toán phù hợp với thực tế chịu lực kết cấu áo đ-ờng d-ới tác dụng tải trọng xe, có xét đến cách đầy đủ tính chất bê tông asphalt d-ới tác dụng yếu tố môi tr-ờng, cần đ-ợc hoàn thiện áp dụng thống Hoàn thiện công nghệ thi công áo đ-ờng chế tạo hỗn hợp bê tông asphalt theo h-ớng đại hoá thiết bị công nghệ, kể thiết bị thí nghiệm kiểm tra chất l-ợng Hoàn thiện ph-ơng pháp cải tiến tổ chức để công tác tu sửa chữa kết cấu áo đ-ờng đạt hiệu ngày cao hơn, đặc biệt lĩnh vực tái tạo độ nhám phòng ngừa h- hỏng Với mục đích h-ớng nghiên cứu trình bày trên, đặc biệt lĩnh vực đào tạo tr-ờng đại học, vấn đề thiết kế kết cấu áo đ-ờng mềm có lớp -2- mặt sử dụng bitum chiếm vị trí quan trọng hàng đầu Trong thực tế có nhiều cách tiếp cận để đạt đ-ợc kết cấu áo đ-ờng có lớp mặt sử dụng vật liệu bitum hợp lý Những b-ớc ph-ơng pháp thiết kế bao gồm: thiết kế (lựa chọn) cấu tạo; kiểm toán chiều dày luận chứng kinh tế lựa chọn kết cấu áo đ-ờng Vấn đề kiểm toán chiều dày kết cấu áo đ-ờng nhằm đ-a kÕt ln ci cïng vỊ kÝch th-íc cđa kÕt cÊu sở ph-ơng án cấu tạo hợp lý đà lựa chọn Trong b-ớc kết tính toán kết cấu áo đ-ờng nh- vấn đề kỹ thuật khác cần mô hình tính toán thông số tính toán hợp lý Hiện lĩnh vực xây dựng đ-ờng ô tô n-ớc ta sử dụng song song hai ph-ơng pháp kiểm toán chiều dày kết cấu áo đ-ờng nhựa sau Ph-ơng pháp nửa thực nghiệm tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế áo đ-ờng mềm hành Ph-ơng pháp dựa việc giải toán hệ nhiều lớp đàn hồi theo lý thuyết, với điều kiện trạng thái giới hạn đ-ợc xác định kết toán lý thuyết thông số trạng thái giới hạn đ-ợc xác định theo thực nghiệm có sử dụng hệ số tin cậy sở kinh nghiệm sử dụng đ-ờng Theo ph-ơng pháp này, lớp vật liệu, kể đất, giải toán kiểm toán chiều dày kết cấu áo đ-ờng, đ-ợc đặc tr-ng mô đun đàn hồi hệ số Poisson Ph-ơng pháp thực nghiệm mà tiêu biểu h-ớng dẫn hiệp hội xây dựng vận tải đ-ờng ô tô Hoa Kỳ AASHTO (American Assosiation of State Highway and Transportation Officials) Khi kiểm toán chiều dày kết cấu áo đ-ờng theo ph-ơng pháp này, chiều dày lớp vật liệu đ-ợc đổi số kÕt cÊu th«ng qua hƯ sè líp HƯ sè líp bê tông asphalt cao hay thấp tuỳ thuộc chất l-ợng vật liệu mà tiêu chuẩn đánh giá thông qua mô đun đàn hồi đ-ợc xác định thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp Mô đun đàn hồi đặc tr-ng thiếu vật liệu tính toán kết cấu áo đ-ờng, cho dù tính to¸n theo tr-êng ph¸i lý thut hay thùc -3- nghiƯm Trong h-ớng dẫn, tiêu chuẩn thiết kế hành n-ớc ta quốc gia khác, thông số mô đun đàn hồi bê tông asphalt ph-ơng pháp xác định thông số không giống Nó phụ thuộc vào ph-ơng pháp tính, vào quan điểm cách xác định trạng thái giới hạn, phụ thuộc vào điều kiện chịu tải trọng đ-ợc mô thông qua ph-ơng pháp thí nghiệm xác định đ-ợc đề nghị Với ph-ơng pháp tính sở lý thuyết đàn hồi, tiêu chuẩn tính toán n-ớc ta [9], cña Trung Quèc [2], cña CHLB Nga [42], có qui định trị số mô đun đàn hồi tính toán bê tông asphalt khác để kiểm toán theo trạng thái giới hạn khác Các giá trị qui định tiêu chuẩn đ-ơng nhiên không chúng khác so với mô đun đàn hồi bê tông asphalt đ-ợc ®Ị cËp h-íng dÉn thiÕt kÕ cđa AASHTO [16] Trong luận án này, tác giả đặt vấn đề nghiên cứu để tìm chất khác trị số mô đun đàn hồi tiêu chuẩn tính toán, sâu nghiên cứu mô đun đàn hồi với điều kiện chịu tải trọng xe chạy cách đề nghị mô hình thông số thí nghiệm mô gần với tác dụng tải trọng tức thời xe chạy đ-ờng Trong trình nghiên cứu, tác giả cố gắng theo nguyên tắc giá trị ph-ơng pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi bê tông asphalt cần thống với lý thuyết tính toán, mô gần đến mức điều kiện chịu tải trọng xe chạy bê tông asphalt làm lớp mặt kết cấu áo đ-ờng ô tô Với mục tiêu đề tài nhvậy, tác giả mong muốn góp phần vào việc nâng cao độ xác việc tính toán chiều dày lớp kết cấu áo đ-ờng để góp phần vào việc nâng cao chất l-ợng mặt đ-ờng bê tông asphalt điều kiện Việt Nam -4- Ch-ơng I Tổng quan bê tông asphalt làm áo đ-ờng ôtô đặc tr-ng học bê tông asphatl 1.1 Các thành phần vật liệu tính chất bê tông asphalt Hỗn hợp bê tông asphalt đà đầm nén theo mô hình đơn giản bao gồm ba pha, pha rắn cốt liệu khoáng, pha lỏng bitum pha khí lỗ rỗng [26] Các vật liệu thành phần bê tông asphalt bao gồm cốt liệu hạt (đá cát), bột khoáng, bitum phụ gia (trong tr-ờng hợp cần tạo tính chất đặc biệt) Các tính chất bê tông asphalt phụ thuộc vào tỉ lệ tính chất vật liệu thành phần, phụ thuộc vào phân bố chất kết dính hỗn hợp mức độ dính kết cốt liệu bi tum Mỗi thành phần hỗn hợp bê tông asphalt đóng vai trò định có liên quan chặt chẽ đến việc tạo nên khối liên kết có đủ tính chất cần thiết vật liệu làm lớp mặt đ-ờng [1] Cốt liệu gồm có cốt liệu hạt thô cốt liệu hạt mịn Cốt liệu thô với vai trò tạo khung chịu lực chính, cốt liệu mịn lấp đầy lỗ rỗng khung cốt liệu thô, đồng thời tạo khung chịu lực nhỏ Cốt liệu đóng vai trò việc tạo c-ờng độ đảm bảo c-ờng độ bê tông asphalt ổn định Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải thoả mÃn đ-ờng cong cấp phối tiêu chuẩn đ-ợc quy định cho loại bê tông asphalt khác với mục đích tạo khung chịu lực bền vững mà đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc kết dính hạt cốt liệu Với bê tông asphalt chặt, thành phần cỡ hạt cốt liệu theo ph-ơng trình họ đ-ờng cong Fuller: p = 100 ( d/D )n [25] víi n = 0.45 p: phần trăm lọt sàng tích luỹ cỡ sàng d D: cỡ sàng lớn mà l-ợng hỗn hợp cốt liệu lọt tích luỹ 100% Bitum thành phần đồng thời thành phần tạo nên tính chất tiêu biểu bê tông asphalt, tuỳ thuộc vào nhiệt độ thời gian tác -5- dụng tải trọng mà tính chất vật liệu thay đổi đàn hồi - nhớt hay đàn hồi - dẻo [1] Bản chất vật liệu thay đổi điều kiện chịu tải trọng thay đổi làm cho c-ờng độ độ ổn định hỗn hợp bê tông asphalt thay đổi đáng kể Để mô đặc tÝnh biÕn d¹ng cđa bitum cịng nh- cđa vËt liƯu bê tông asphalt, ng-ời ta sử dụng nhiều mô hình học khác phù hợp với điều kiện chịu tải trọng khác Khi làm việc nhiệt độ thấp vật liệu bê tông asphalt mô theo mô hình Maxwell, phản ánh với mức độ thích hợp tính chất đàn hồi - nhớt biến dạng [1] Mô hình Maxwell gồm lò xo đàn hồi lý t-ởng có mô đun đàn hồi E0 ghÐp nèi tiÕp víi vËt c¶n chøa chÊt láng có độ nhớt Mô hình Maxwell ch-a thể đ-ợc đặc tính mặt đ-ờng bê tông asphalt biến dạng đàn hồi không phát sinh liền lực tác dụng mà cần khoảng thời gian chậm trễ để phát triển, tính chất đàn hồi chậm [1] Để thể tính chất đàn hồi chậm, ng-ời ta dùng mô hình Kelvin gồm lò xo đàn hồi lý t-ởng có mô đun đàn hồi E1 ghÐp song song víi vËt c¶n chøa chÊt láng ®é nhít 1 Thùc tÕ cho thÊy tÝnh chÊt biÕn dạng hỗn hợp bê tông asphalt phức tạp nhiều, bao gồm biến dạng đàn hồi, biến dạng nhớt biến dạng đàn hồi chậm [1] Để thể gần tính chất biến dạng vật liệu bê tông asphalt ng-ời ta dùng mô hình Burger gồm mô hình Maxwell ghép nối tiếp với mô hình Kelvin (xem hình 1.1) Biến dạng theo mô hình tổng cộng biến dạng mô hình Maxwell mô hình Kelvin -6- Hình 1.1: Mô hình Burgers E0 (1    t   )  1  exp    T0 E1   T1    T0    E0T0 D E1 T1D  1 ®ã: E0 mô đun đàn hồi lò xo mô hình Maxwell E1 mô đun đàn hồi lò xo mô hình Kelvin T0 = 0/E0 với T0 thời gian chùng ứng suất mô hình Maxwell; độ nhớt chất lỏng vật cản nhớt mô hình Maxwell T1 = 1/E1 với T1 thời gian trễ biến dạng đàn hồi; hệ số nhớt chất lỏng vật cản nhớt mô hình Kelvin D t D toán tử vi phân sử dụng để áp dụng chuyển đổi Laplace, loại bỏ biến số thời gian công thức độ cứng vật liệu đàn hồi, nhớt, dẻo [26] Với mô hình thể tính chất biến dạng bê tông asphalt nh- trên, thấy tỉ lệ ứng suất biến dạng (thông số độ cứng) vật liệu bao gồm thông số đàn hồi thông số độ nhớt Bột khoáng hỗn hợp bê tông asphalt với bitum tạo thành chất dính kết asphalt có tính chất hẳn tính chất kết dính bitum thông th-ờng Bột kho¸ng cã tØ diƯn rÊt lín, nã cã ¸i lùc mạnh với bitum, tạo trạng thái màng mỏng cho bitum để bao bọc hạt cốt liệu Bột khoáng không -7- có chức làm đầy lỗ rỗng khung cốt liệu mà có tác dụng nhmột chất phụ gia làm cho bitum tăng thêm độ nhớt, tăng khả dính kết tăng tính ổn định với nhiệt độ [1] Một thành phần hỗn hợp bê tông asphalt cần phải kể đến phụ gia Có nhiều loại phụ gia đ-ợc nghiên cứu sử dụng để cải thiện tính chất định bê tông asphalt phù hợp với mục đích sử dụng định 1.2 Các khái niệm mô đun đàn hồi bê tông asphalt ph-ơng pháp xác định 1.2.1 Các khái niệm mô đun đàn hồi bê tông asphalt Mô đun độ cứng (Stiffness Modulus) vật liệu đ-ợc tính tỉ số ứng suất biến dạng sinh vật liệu chịu tác dụng lực theo mô hình gia tải Mô đun độ cứng bê tông asphalt phụ thuộc vào thời gian gia tải nhiệt ®é Mèi quan hƯ nµy thĨ hiƯn tÝnh chÊt l-u biến bê tông asphalt Độ cứng bê tông asphalt không đ-ợc dùng để đánh giá tính chất vật liệu mà đ-ợc dùng để đánh giá đặc tr-ng c-ờng độ vật liệu bê tông asphalt chúng đ-ợc sử dụng làm mặt đ-ờng ô tô Trong phạm vi thời gian gia tải ngắn nhiệt độ thấp mô đun độ cứng không phụ thuộc vào thời gian đạt đến giá trị mô đun đàn hồi (S = E) [26] Mô đun đàn hồi (Elastic Modulus) khái niệm gắn với vật liệu tuý đàn hồi Trong mô hình vật liệu đàn hồi, nhớt, dẻo hình 1.1, độ cứng lò xo Với vật liệu tuý đàn hồi mô hình thí nghiệm cho giá trị mô ®un ®µn håi gièng Nh-ng víi vËt liƯu cã tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo nh- bê tông asphalt khái niệm không kèm với thí nghiệm Trong thực tế, mô hình thí nghiệm với mức độ mô điều kiện chịu tải trọng định, xác định đ-ợc biến dạng đàn hồi dùng công thức theo lý thuyết đàn hồi để tính mô đun vật liệu, đ-ợc xem thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Chính vậy, với vật liệu nh- bê tông asphalt làm mặt đ-ờng ô tô, ng-ời ta cố gắng thiết lập mô hình thí -8- nghiệm có khả mô gần với điều kiện chịu tải trọng giao thông để xác định mô đun đàn hồi làm thông số tính toán kết cấu Mô đun đàn hồi hồi phục (Resilient Modulus): Mô đun đàn hồi hồi phục đặc tr-ng sử dụng để tính toán lý thuyết đàn hồi [26] Chúng ta biết hầu hết vật liệu xây dựng mặt đ-ờng vật liệu đàn hồi tuý, biến dạng không hồi phục xuất sau lần chịu tác dụng tải trọng Nh-ng lực tác dụng nhỏ so với c-ờng độ vật liệu đ-ợc lặp lại với số lần lớn biến dạng sau lần tác dụng lặp lại gần nh- đ-ợc hồi phục hoàn toàn tỉ lệ với ứng suất tác dụng (hình vẽ 1.2), biến dạng đ-ợc xem biến dạng đàn hồi [27] Mô đun đàn hồi, đ-ợc tính toán từ biến dạng hồi phục này, sử dụng công thức lý thuyết đàn hồi, đ-ợc gọi mô đun đàn hồi hồi phục Có thể sử dụng nhiều mô hình thí nghiệm nh- nén không hạn chế nở hông, nén ba trục hay kéo gián tiếp với tải trọng lặp để xác định mô đun đàn hồi hồi phục Đối với bê tông asphalt, vào tần số tác dụng lực nhiệt độ, số lần tác dụng lặp lại từ 50 đến 200 lần Số lần tác dụng lặp chủ yếu phải đảm bảo biến dạng đàn B/d đàn hồi Tổng biến dạng hồi ổn định [27] r Biến dạng dẻo Biến dạng dẻo tích luỹ Biến dạng dẻo Hình 1.2: Biến dạng đàn hồi d-ới tác dụng tải trọng lặp Mô đun phức (Complex Modulus) mô đun động (Dynamic Modulus): Cũng nh- mô đun đàn hồi hồi phục, mô đun phức đặc tr-ng thể mối quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu đàn hồi- nhớt - dẻo Mô đun đ-ợc thể số phức thành phần thực đại diện cho độ cứng đàn hồi thành phần ảo thể tính chất thành phần vật cản -9- chất lỏng nhớt mô hình vật liệu Giá trị tuyệt đối mô đun phức th-ờng đ-ợc gọi mô đun động [27] Sự khác mô đun đàn hồi hồi phục (Resilient Modulus) mô đun phức (Complex Modulus) bê tông asphalt dạng tải trọng mô hình thí nghiệm xác định Với mô đun đàn hồi hồi phục, tải trọng có dạng sóng (hình sin hay hình tam giác hình thang) có thời gian nghỉ với mô đun phức dạng tải trọng hình sin kh«ng cã thêi gian nghØ [27] Lý thut vỊ m« ®un phøc cã thĨ ®-ỵc thĨ hiƯn b»ng viƯc sư dụng mô hình học Tr-ờng hợp bê tông asphalt đ-ợc thể mô hình Kelvin chịu tải trọng tác dụng hình sin [27] ứng suất tác dụng hình sin đ-ợc thể d-ới dạng số phức:   cos( t )  i sin( t )   e i t ®ã độ lớn ứng suất tác dụng vận tốc góc có liên quan đến tần số gia tải f là: f với giả thiết ảnh h-ởng lực quán tính không đáng kể, ph-ơng trình vi phân đ-ợc viết nh- sau: 1   E1   e i t t Nghiệm ph-ơng trình là:   ei ( t  ) ®ã: độ lớn biến dạng góc pha, tức chậm pha biến dạng so với ứng suất ( xem hình 1.3) E1 mô đun đàn hồi lò xo mô hình Kelvin độ nhớt chất lỏng vật cản nhớt mô hình Kelvin thay nghiệm vào ph-ơng tr×nh, ta cã i 1   e i ( t   )  E1  e i ( t   )   e i  t Sau gi¶n -íc eit ë hai vế ph-ơng trình đặt số hạng thực số hạng ảo 0, ta có ph-ơng trình: - 10 sin   E1  cos    1   cos   E1  sin Giải ph-ơng trình, ta có: 0  0 E  (1  ) 2 tan   1  E1 Víi vËt liƯu đàn hồi, 1= = Với vật liƯu vËt liƯu nhít, E1= th×  = /2 Mô đun phức đ-ợc xác định là: ei t  E     e i ( t  ) * tøc lµ: E*  0  cos   i sin  0 0 Mô đun động giá trị tuyệt đối mô ®un phøc 2      E   cos     sin    0  0   0  * øng suÊt Thêi gian biÕn d¹ng Thêi gian Hình 1.3: Đồ thị biến dạng d-ới tác dụng ứng suất dạng hình sin - 109 mặt móng đường nên sử dụng sai số tuyệt đối nhỏ độ võng tính toán độ võng thực đo làm sở cho phép thử dần - 110 - kết luận - kiến nghị 4.1 Tổng hợp kết nghiên cứu 4.1.1 Lựa chọn mô hình thí nghiệm phòng - thiết lập thông số thí nghiệm sở đặc điểm tải trọng xe chạy thực tế, lắp dựng thiết bị thí nghiệm xây dựng chương trình điều khiển hoạt động thiết bị Đây kết nghiên cứu sở để thực mục đích nghiên cứu Để lựa chọn mô hình thí nghiệm phòng thích hợp nhằm xác định mô đun đàn hồi bê tông asphalt, tác giả đà tham khảo mô hình thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi sử dụng tiêu chuẩn nước, xem xét mức độ phù hợp với đặc điểm chịu tải trọng xe chạy vật liệu bê tông asphalt làm lớp mặt đường ô tô mô hình Các thông số thí nghiệm thiết lập sở phân tích điều kiện làm việc thực tế bê tông asphalt làm lớp mặt kết cấu áo đường ô tô điều kiện Việt Nam Thiết bị thí nghiệm chế tạo đảm bảo thoả mÃn thông số thí nghiệm cần thiết Kết chi tiết việc thiết lập, chế tạo lắp đặt thiết bị đà trình bày cụ thể từ thiết bị thành phần cấu thành đến phần mềm điều khiển xử lý số liệu đo đạc chương II Các số liệu thí nghiệm thu thập cách sử dụng thiết bị sở để đánh giá mô đun đàn hồi bê tông asphalt, có xét đến đặc điểm tác dụng tải trọng xe chạy đường 4.1.2 Kết thí nghiệm mô đun đàn hồi phòng bê tông aphalt sử dụng mô hình thí nghiệm thiết bị thí nghiệm thiết lập Tác giả đà làm nhiều thí nghiệm với mô hình thiết bị thí nghiệm thiết lập, đưa kết mô đun đàn hồi loại bê tông asphalt khác (bảng 2.13, 2.14, 2.15, 2.17) Từ kết mô đun đàn hồi thí nghiệm điều kiện tương ứng với thông số thí nghiệm khác nhau, tác giả đà tổng hợp - 111 - mối quan hệ mô đun đàn hồi xác định theo mô hình thí nghiệm với yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhiệt độ, thời gian tác dụng tải trọng Kết thí nghiệm mô đun đàn hồi loại hỗn hợp bê tông asphalt điều kiện nhiệt độ 200C, thời gian tác dụng tải trọng 0.1 giây thời gian chu kỳ giây (điều kiện thí nghiệm theo hướng dẫn AASHTO - từ gọi điều kiện chuẩn) thể bảng 4.1 Bảng 4.1: Mô đun đàn hồi xác định theo mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp loại hỗn hợp bê tông asphalt điều kiện thí nghiệm chuẩn Loại hỗn hợp Mô đun đàn hồi (MPa) Hỗn hợp hạt mịn - lớp 1,754 Mẫu chế tạo Hỗn hợp hạt trung - lớp 3,048 phòng thí nghiệm Hỗn hợp hạt trung - lớp 2,319 Hỗn hợp thô - lớp Mẫu khoan Hỗn hợp hạt trung - lớp trường Hỗn hợp thô - lớp 2,280 1,526 1,571 Điều kiện khai thác thực tế phổ biến quốc lộ Việt Nam xem nhiệt độ 300C thời gian tác dụng tải trọng 0.02 giây, ứng với tác dụng tải trọng xe chạy với tốc độ khoảng 50 km/h (gọi điều kiện khai thác thông thường quốc lộ) Trong điều kiện số liệu mô đun đàn hồi thí nghiệm bảng 4.2 sau Bảng 4.2: Mô đun đàn hồi bê tông asphalt điều kiện khai thác thông thường quốc lộ Phương pháp xác định Loại hỗn hợp Mô đun đàn hồi (MPa) Xác định mô đun đàn hồi Hỗn hợp hạt mịn - lớp 2,662 phòng thí Hỗn hợp hạt trung - lớp 2,904 nghiệm Kéo gián tiếp tải Hỗn hợp hạt trung - lớp 3,011 trọng xung lặp 2,707 Hỗn hợp thô - lớp - 112 - Đối với đường đô thị Việt Nam, nhiệt độ nên lấy 300C, thời gian tác dụng tải trọng lớn (là 0.05 giây) tốc độ xe chạy chậm (20 km/h) thời gian chu kỳ giây Số liệu thí nghiệm mô đun đàn hồi ứng với điều kiện bảng 4.3 sau Bảng 4.3: Mô đun đàn hồi bê tông asphalt điều kiện khai thác thông thường đường đô thị Loại hỗn hợp Mô đun đàn hồi (MPa) Hỗn hợp hạt mịn - lớp 1,546 Mẫu chế tạo Hỗn hợp hạt trung - lớp 2,059 phòng thí nghiệm Hỗn hợp hạt trung - lớp 1,790 Hỗn hợp thô - lớp 2,119 Tại vị trí đỗ xe bến, bÃi đỗ xe, vị trí gần nút giao cắt, trạm thu phí, xem tác dụng tải trọng xe tác dụng tĩnh Mô đun đàn hồi bê tông asphalt điều kiện thông thường trường hợp lấy theo giá trị thí nghiệm nén dọc trục tải trọng tÜnh cho mÉu h×nh trơ kÝch th­íc Dxh = 100mm x 100 mm nhiệt độ 300C, giá trị sử dụng tiêu chuẩn 22TCN-211-93 (bảng 1.1) Quan hệ mô đun đàn hồi thí nghiệm phòng nhiệt độ thể biểu đồ hình 2.27 2.28 Các biểu đồ thể mô đun đàn hồi (M R ) giảm theo quan hệ hàm số mũ M R = a * e bT nhiệt độ (T) tăng Mối quan hệ chặt chẽ với hệ số xác định R2 tương đối cao Với loại hỗn hợp bê tông asphalt khác mối quan hệ không khác nhiều, hệ số a b phương trình quan hệ hệ số xác định R2 gần giống Mô đun đàn hồi (M R ) giảm thời gian tác dụng (t) tải trọng tăng Mối quan hệ theo thể hình 2.29 chương có dạng hàm số mũ M R = a * t b nh­ng hÖ sè xác định thấp (R2 = 0.42) - 113 - Theo kết thí nghiệm tổng hợp đồ thị hình 2.31 2.32 với tải trọng tác dụng (P) mô đun đàn hồi (M R ) giảm theo quan hệ hàm số logarit M R = a * ln ( P) + b víi hƯ số xác định cao (R2 = 0.98) Các mối quan hệ phù hợp với đặc tính đàn hồi, nhớt nhạy cảm với nhiệt độ bê tông asphalt, chúng thống với mối quan hệ đà công bố tài liệu nghiên cứu cho bê tông asphalt theo mô hình thí nghiệm tương tự mô hình thí nghiệm khác [18][20][35] 4.1.3 Kết tính toán mô đun lớp bê tông asphalt từ độ võng động mặt đường Tính toán mô đun lớp vật liệu bê tông asphalt từ số liệu độ võng động mặt đường đà đề cập chương III phương pháp tính lặp nhiều lần toán theo lý thuyết với thông số mô đun lớp thay đổi để tìm số liệu mô đun lớp cho đường cong độ võng tính toán theo lý thuyết gần với đường cong độ võng thực đo sử dụng thiết bị FWD Kết mô đun đàn hồi lớp bê tông asphalt tính với hệ hai lớp từ độ võng mặt đường đo nhiệt độ 290C (nhiệt độ mặt đường đo được) 2438 MPa, tính trung bình cho 12 điểm đo (giá trị tính toán với 12 điểm thay đổi khoảng từ 1200 MPa đến 3000 MPa) 4.1.4 Nhận xét từ kết nghiên cứu Với thiết bị điều khiển lực lặp, mô đặc điểm tải trọng xe chạy tác dụng lên mặt đường thời gian, chu kỳ tác dụng tải trọng Mô hình thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp mô hình có khả sử dụng để xác định mô đun đàn hồi vật liệu bê tông asphalt dùng cho tính toán kết cấu áo đường mềm thí nghiệm này, mẫu bê tông asphalt chịu kéo tải trọng nén, so với thí nghiệm nén dọc trục tải trọng tĩnh gần với trạng thái ứng suất lớp mặt đường bê tông asphalt chịu tác dụng tải trọng xe chạy Việc thiết lập thiết bị thí nghiệm tiến hành thí nghiệm theo mô hình - 114 - kéo gián tiếp tải trọng lặp dễ dàng nhiều so với thí nghiệm nén ba trục hay uốn mẫu hình dầm tải trọng lặp Thiết bị thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp phòng thí nghiệm để xác định mô đun đàn hồi bê tông asphalt đà lắp dựng hoạt động tốt, cho kết thí nghiệm tương đối ổn định Với thiết bị thí nghiệm thiết lập, số liệu thí nghiệm ghi có độ xác cao trình thu nhận xử lý số liệu tiến hành hoàn toàn máy tính nhờ phần mềm tiện ích Các đầu đo lực đầu đo chuyển vị hiệu chỉnh kết hợp với chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu số đảm bảo số liệu đưa vào chương trình máy tính xác Thí nghiệm tiến hành nhanh chóng, tính toán xử lý số liệu không phức tạp Các thông số thí nghiệm thể điều kiện thí nghiệm khác điều khiển cách linh hoạt tương đối xác Kết thí nghiệm tương đối tập trung Quan hệ kết mô đun đàn hồi thí nghiệm yếu tố ảnh hưởng nhiệt độ, thời gian tác dụng tải trọng độ lớn tải trọng hợp lý phù hợp với lý thuyết đặc tính vật liệu Giá trị cao kết thí nghiệm thể chất vật liệu bê tông asphalt vật liệu tốt hơn, có cường độ cao vật liệu lớp vật liệu làm lớp móng nền, đủ khả chịu tác dụng trực tiếp tải trọng yếu tố khí hậu, thời tiết Kết thí nghiệm theo mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp cao nhiều so víi kÕt qu¶ víi thÝ nghiƯm nÐn däc trơc t¶i trọng tĩnh Điều thể rõ đặc tính hỗn hợp bê tông asphalt biến dạng thành phần biến dạng phụ thuộc nhiều vào thời gian tác dụng tải trọng Kết thí nghiệm mô đun đàn hồi phòng thiết bị thiết lập phù hợp với giá trị mô đun đàn hồi đề nghị sử dụng tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN-274- - 115 - 01 sử dụng để xem xét phạm vi giá trị mô đun đàn hồi sử dụng cho tính toán kết cấu áo đường mềm theo lý thuyết đàn hồi, xác lập trạng thái giới hạn tương ứng mặt đường bê tông asphalt Kết thí nghiệm với mẫu chế tạo phòng lớn mẫu khoan mặt đường đà qua thời gian sử dụng năm với loại hỗn hợp điều kiện thí nghiệm Với mẫu chế tạo phòng, hỗn hợp hạt thô hạt trung có mô đun đàn hồi khác với mẫu khoan trường hai loại hỗn hợp lại tương đương Sự khác nhiều nguyên nhân khác bao gồm khác cấu trúc hỗn hợp hàm lượng vật liệu thành phần, chất lượng vật liệu thành phần hay mức độ đầm nén khác quy trình chế tạo mẫu phòng công nghệ thi công thực tế Ngoài ra, có nguyên nhân liên quan đến thời gian sử dụng hỗn hợp vật liệu bê tông asphalt Chất lượng vật liệu có khả có thay đổi định sau mét thêi gian sư dơng, ch­a cã biĨu hư hỏng mặt đường 10 Mô đun lớp tính toán từ độ võng động đo mặt đường thí nghiệm FWD có giá trị cao (trung bình 2438 MPa) thay đổi phạm vi tương đối rộng với điểm đo khác đường (từ 1200 MPa đến 3000 MPa) Các kết trình tính toán cho thấy mô đun lớp mà có mô đun lớp bê tông asphalt thấp (500 MPa - 1000 MPa), cho ®­êng cong ®é tÝnh to¸n theo lý thuyÕt phï hợp với đường cong độ võng thực đo Điều chứng tỏ rằng, xét đến thời gian tác dụng tải trọng xe chạy đường, thông số mô đun đàn hồi tính toán bê tông asphalt tính toán mặt đường mềm theo lý thuyết đàn hồi phải có giá trị cao Kết tính toán tương đối thống với kết thí nghiệm phòng với mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp Sự thống nói lên phần tính tin cậy thiết bị phương pháp thí nghiệm phòng - 116 - 11 Căn vào kết nghiên cứu sở thí nghiệm phòng trường, cụ thể hoá nhận xét định tính là: tính toán kết cấu áo đường mềm theo lý thuyết đàn hồi, mô đun đàn hồi tính toán bê tông asphalt phải lấy giá trị cao (hơn phạm vi quy định tiêu chuẩn hành 22TCN-211-93 cao khoảng phạm vi từ 500 MPa đến 1000 MPa), có xét đặc điểm thời gian tác dụng tải trọng xe chạy đường 4.2 Những đóng góp luận án mặt khoa học thực tiễn Luận án đà làm rõ thêm chất vật liệu bê tông asphalt loại vật liệu có tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo với chất vật liệu phụ thuộc vào điều kiện chịu tải trọng thực tế Mô hình học thể gần tính chất đặc điểm chịu lực loại vật liệu mô hình Burger gợi cho ý tưởng chế tạo thiết bị thí nghiệm nghiên cứu mô đun đàn hồi bê tông asphalt, đưa thời gian vào làm thông số thiết bị thí nghiệm Đà nghiên cứu xử lý số liệu điều tra giao thông tun qc lé chÝnh cđa n­íc ta - qc lé để đưa thông số thời gian chu kỳ tác dụng lực cho thiết bị thí nghiệm chế tạo Đà nghiên cứu sử dụng cách tính toán nhiệt độ mặt đường bê tông asphalt từ nhiệt độ không khí kết nghiên cứu thực nghiệm đo nhiệt độ lớp mặt bê tông asphalt Việt Nam để đưa thông số nhiệt độ cho thiết bị thí nghiệm chế tạo Để phục vụ cho nghiên cứu sản xuất, đà chế tạo thiết bị, đơn giản, rẻ tiền, tiến hành nhanh chóng Khi đối chiếu với kết thí nghiệm nước khác với mô hình thí nghiệm tương tự, cho giá trị tương tự - 117 - Đà nghiên cứu giải toán học để tìm mô đun đàn hồi từ giá trị chuyển vị đo được, khắc phục nhược điểm thiết bị thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi phòng thí nghiệm loại bê tông asphalt thông dụng ë ViƯt Nam, sư dơng thiÕt bÞ thÝ nghiƯm chÕ tạo Luận án đà đưa kết mô đun đàn hồi thí nghiệm điều kiện thời gian tác dụng chu kỳ tải trọng nhiệt độ khác Đà khảo sát đưa mối quan hệ mô đun đàn hôi thí nghiệm yếu tố ảnh hưởng Các mối quan hệ thể rõ đặc tính vật liệu bê tông asphalt Đà làm rõ mặt lý thuyết toán dùng hệ hai lớp tính toán mô đun đàn hồi bê tông asphalt sử dụng kết đo độ võng mặt đường thiết bị FWD, loại thiết bị sử dụng rộng rÃi nước 10.Tiến hành đo đạc tính thử với nhiều vị trí khác đường để tìm giá trị mô đun đàn hồi, đối chứng với giá trị thí nghiệm phòng với mẫu khoan trường vị trí đo đạc Cả giá trị thí nghiệm mô đun đàn hồi phòng với mẫu khoan mặt đường giá trị tính từ độ võng động đo thiết bị FWD mức cao 11.Góp phần giải thích khác lớn trị số mô đun đàn hồi bê tông asphalt tiêu chuẩn hành thấy là, để nâng cao chất lượng mặt đường bê tông asphalt nên tiến hành chương trình thí nghiệm bao quát để có trị số mô đun đàn hồi bê tông asphalt phù hợp để sử dụng cho nước ta 4.3 Các hạn chế luân án Luận án đà cố gắng theo phương pháp thí nghiệm đại nhất, trình độ công nghệ khả tài có hạn nên thiết bị thí nghiệm thiếu - 118 - thiết bị đo chuyển vị ngang, nên chưa thể xác định hệ số Poisson à, phải lấy giá trị cố định 0.35 để đưa vào công thức tính toán, ảnh hưởng đến tính xác kết mô đun đàn hồi xác định ảnh hưởng đến kết không lớn Cũng nhược điểm thiết bị nên tính toán mô đun đàn hồi từ biến dạng ngang mẫu Để có trị số mô đun đàn hồi tin tưởng thí nghiệm, tính từ biến dạng dọc mẫu, nhiều thời gian để khảo sát toán phẳng toán không gian ép chẻ mẫu hình trụ để chứng minh sở công thức tính toán Luận án chưa thể đưa trị số mô đun đàn hồi dù số loại bê tông asphalt thông dụng nhất, để yên tâm sử dụng làm thông số thiết kế kết cấu áo đường mềm Vì trị số đòi hỏi thí nghiƯm rÊt qui m« víi chi phÝ vỊ thêi gian tài vượt khuôn khổ luận án khả nghiên cứu sinh 4.4 Hướng phát triển nghiên cứu Trên sở chế tạo thành công thiết bị thí nghiệm có khả mô đặc điểm tác dụng tải trọng xe chạy hoạt động ổn định, mở rộng khả ứng dụng cải tiến thiết bị đà có để tiến hành thí nghiệm phục vụ công tác nghiên cứu vật liệu làm mặt đường ô tô theo hướng sau: a) Các thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi loại vật liệu làm mặt đường khác với thiết bị gia tải lặp Mô hình thí nghiệm vật liệu hạt làm móng đường hay với đất đơn giản nén dọc trục hạn chế nở hông, hay kết hợp với thiết bị buồng nén ba trục để mô gần trạng thái ứng suất mặt đường chịu tác dụng tải trọng xe Giá trị mô đun đàn hồi rút từ chương trình thí nghiệm có quy mô rộng để loại bỏ sai số - 119 - b) Thí nghiệm xác định độ bền có tính đến đặc tính mỏi vật liệu bê tông asphalt sử dụng mô hình kéo gián tiếp, tải trọng lặp với thiết bị gia tải tương tự Độ bền kéo gián tiếp hay mô đun đàn hồi xác định theo mô hình kéo gián tiếp trọng lặp có xét đến tượng mỏi xác định cách đơn giản nhiều cách so sánh kết thí nghiệm mẫu khoan mặt đường mẫu khoan mặt đường đà qua giai đoạn sử dụng với số lần tải trọng trục tích luỹ theo dõi qua số liệu điều tra lưu lượng tải trọng giao thông c) Thành công hệ thống theo dõi chuyển vị ghi số liệu chuyển vị nghiên cứu đà mở hướng khả quan cho việc tiến hành nghiên cứu tượng hư hỏng tích luỹ biến dạng dẻo đường nhựa, vấn đề quan tâm thiết kế kết cấu áo đường thoả mÃn yêu cầu giao thông đại việc thực thÝ nghiƯm tõ biÕn (Creep Test) ThÝ nghiƯm nµy cã thể thực với việc lắp đặt hệ thống theo dõi chuyển vị thời gian dài sử dụng mô hình khác nhau: đường vòng thử nghiệm [37], nén hay kéo gián tiếp với tải trọng dài hạn phòng thí nghiệm [36] (2) Các kết góp phần đưa định hướng cho việc nghiên cứu xác định thông số tính toán kết cấu áo đường mềm theo lý thuyết đàn hồi, theo hướng phù hợp với đặc điểm tác dụng tải trọng xe chạy trường hợp khác đường: đoạn đường quốc lộ xe chạy liên tục với tốc độ cao, đoạn dòng giao thông không liên tục, có thao tác tăng, giảm tốc, hÃm xe , vị trí đỗ xe, đường thành phố với dòng xe liên tục tốc độ nhỏ Thông số vật liệu mô đun đàn hồi xác định thực nghiệm có mô hình phù hợp với trạng thái giới hạn tính toán mô đặc tác dụng tải trọng xe chạy trường hợp cụ thể Tài liệu tham khảo Trần Đình Bửu, Nguyễn Quang Chiêu, Dương Học Hải (1978), Xây dựng mặt đường ôtô, Nhà xuất giao thông vận tải, Hà Nội Nguyễn Quang Chiêu (2003), Thiết kế nền, mặt đường ôtô theo tiêu chuẩn Trung Quốc - Phần 2: Thiết kế mặt đường nhựa (JTJ 014 - 97), Nhà xuất giao thông vận tải, Hà Nội Trần Thị Kim Đăng (1997), Luận án thạc sĩ " Nghiên cứu xác định số tiêu tính toán bê tông asphalt làm mặt đường ôtô", Khoa Đào tạo Sau Đại học, Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội Trần Thị Kim Đăng (1994), "ứng dụng kết thí nghiệm FWD tính toán mô đun đàn hồi lớp vật liệu kết cấu áo đường mềm", Tạp chí khoa học giao thông vận tải, (Số tháng 5/2004), 60-64,69 Dương Học Hải, Nguyễn Hào Hoa (1985), Đề tài nghiên cứu khoa học "Về phương pháp tính toán phân bố nhiệt kết cấu mặt đường ôtô tần suất xuất khoảng nhiệt độ cao mặt đường bê tông nhựa", Trường Đại học Xây dựng, Hà Nội Vũ Đình Lai (2000), Chuyên đề Sau Đại học " Các mô hình tính toán kết cấu mặt đường", Khoa Đào tạo sau Đại học, Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội Vũ Đình Lai (2001), Giáo trình Sau Đại học " Lý thuyết đàn hồi", Khoa Đào tạo sau Đại học, Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng (2002), Sức bền vật liệu tập 3, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội Nhà xuất Giao thông vận tải (2001), Qui trình thiết kế áo đường mềm 22TCN - 211 - 93, Hµ Néi 10 Nhµ xuÊt giao thông vận tải (2001), Tiêu chuẩn kỹ thuật công trình giao thông tập X, tiêu chuẩn thiết kế mặt đường mềm 22TCN-274- 01, Hà Nội 11 Nguyễn Kim Sơn (2000), Luận án thạc sĩ " Nghiên cứu nhiệt độ tính toán bê tông nhựa tính phía Nam", Khoa Đào tạo sau Đại học, Đại học Giao thông vận tải, Hà Nội 12 Nguyễn Xuân Trục (1999), Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước KHCN.10.05 " Phân khu khí hậu đường sá", Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải, Hà Nội 13 Lục Đỉnh Trung, Trình Gia Câu, Đại học Đồng Tế, Trung Quốc (1995), Công trình mặt đường, Bản dịch tiếng Việt, Nhà xuất giao thông vận tải, Hà Nội 14 Viện thí nghiệm Cầu đường Trung tâm Pháp (LCPC); Phòng nghiên cứu kỹ thuật đường ô tô đường cao tốc (SETRA); Trung tâm an toàn kỹ thuật đường ô tô - Bản dịch tiếng Việt - Dương Học Hải, Nguyễn Quang Chiêu (1999), Thiết kế tính toán kết cấu mặt đường - Hướng dẫn kỹ thuật, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội 15 Nguyễn Xuân Vinh (1985), Luận án PTS Khoa học kỹ thuật "Nghiên cứu tính toán cường độ tầng mặt bê tông atfan làm việc điều kiện khí hậu nhiệt đới nước ta", Trường Đại học Xây dựng, Hµ Néi 16 American Association of State Highway and Transportation Officials (1993), AASHTO Guide for Design of Pavement Structure, Washington DC 17 American Association of State Highway and Transportation Officials (1990), AASHTO DESIGNATION T 283-89; Standard Mothod of Test for Resistance of Compacted Bituminous Mixture to Moisture Induced Damage, Washington DC 18 Akhtarhusein A Tayebali, Bor-wen Tsai, Carl L Monismith (1994), Stiffness of Asphalt - Aggregate Mixes - SHRP-A-388, National Research Council, Washington DC 19 American Society for Testing and Materials (1994), Book of ASTM Standars - Volume 04 " Road and Paving Materials 20 Jorge Alba and Richard D Barksdale - Georgia Institute of Technology and N.Paul Khosla, Richard Kim, Phil C Lambe, and M S Rahman (2000), The Final Report of Laboratory Determination of Resilients Modulus for Flexible Pavement Design, North Carolina State University, The National Academy of Sciences 21 W.R.Barker, W.N.Brabstone, Y.T Chou (1997) - A General System for the Structure Design of Flexible Pavement - Proceedings, the Fourth Intenational Conference on the Struc ture Design of Asphalt Pavement, Ann Arbor 22 Bitumen Bussiness Group (1998), BISAR 3.0 User Manual 23 Bitumen Bussiness Group (1998), BAND User Manual 24 Y.J.Chou, Robert L Lytton (1991), Accuracy and Consistency of Backcalculated Pavement Layer Moduli, Transportation Research Record 1293, TRB, National Research Council, Washington, D.C 25 Freddy L.Roberts, Prithvi S.Kandhal, E.Ray Brown - National Center for Asphalt Technology, Dah-Yinn Lee - Iowa State University and Thomas W.Kenedy (1996), Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design, and Construction, NAPA Education Foundation Lanham, Maryland 26 Yang H.Huang (1993), Pavement Analysis and Design, University of Kentucky, Pentice-Hall Inc 27 Hwang, D., and M.W.Witczak (1979), Program DAMA (Chevron), User's Manual, Department of Civil Engineering, University of Maryland 28 McLeod (1976), Pen-Vis Number and Its Application to Moduli of Stiffness - ASTM Journal of Testing and Evaluation, (Volume 4, No.4) 29 M W Mirza, and Witczak (1999), Development of Relationships to Predict Poisson's Ratio for Paving Materials", Interteam Technical Report for NCHRP 1-37A, University of Maryland, College Park 30 Terhi K.Pellinen, Matthew W.Witczak (2000), Use of Stiffness of Hot-Mix Asphalt as A Simple Performance Test, The National Academies 31 Van der Poel (1954), A General Systems Describing the Viscoelastic Properties of Bitumen and Its Relation to Routine Test Data, Journal of Applied Chemistry 32 Stephen Brown (1990), Shell Bitumen Handbook, University of Nottingham, Shell Bitumen UK 33 Shell International Petroleum Company Limited (1978), Shell Pavement Design Manual 34 M W Witczak, K Kaloush, T Pellinen, M El-Basyouny – Arizona State University, Tempe AZ, H.Von Quintus (2002), Simple Performance Test for Superpave Mix Design - NCHRP Report 465, Transportation Research Board National Research Council, National Academy Press, Washington, D.C 35 Wiczak, M.W and R.E Root (1994), Summary of Complex Modulus Laboratory Test Procedures and Results, STP 561, American Society for Testing and Materials 36 M W Witczak, M El-Basyouny and Mirza (2000), Indirect Creep Test - NCHRP Project 9-19, Arizona State University 37 Walaa Mogawer, Kevin D Stuart, and Pedro Romeo (2000), Validation of Asphalt Binder and Mixture Tests that Measure Rutting Susceptibility using the Accelerated Loading Facility, U.S Department of Transportation, Federal Highway Administration 38 Dac Chi NGUYEN, Francois DERKX (1997), Methãde de measure des caractÐristiques rhÐologiques d'un matÐriau moyen de la compression diamÐtra application aux matÐriau routiers, Bulletin des laboratoirex des Ponts ChaussÐes (207) 39 Dr.-Ing.Bernd Gratz (1999), Einfluβ der Temperatur, der Belastungsfrequenz der Impulskraft beim Falling Weight Deflectometer (FWD) anf die Groβe der effektiven Schicht-EModuli, Technische Universităt Darmstadt 40 лабораторный практикум "Транспорт" (1985), 41 Информавтодор (2001), Отраслевые дорожные нормы.ОДН 218.046-01 42 А.П Алексеева (1974), Справочник инженера-дорожпика, москва "Транспорт"