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

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÙI VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA

TẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - 2024

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Người hường dẫn khoa học:

1 PGS.TS Nguyễn Quang Tuấn

Trường Đại học Giao thông Vận tải

2 PGS.TS Nguyễn Quang Phúc

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Phản biện 1: GS.TS Phạm Cao Thăng

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hữu Trí

Phản biện 3: PGS.TS Đỗ Thắng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải

vào hồi giờ ngày tháng năm 2024

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Quốc Gia Việt Nam

2 Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề

Tải trọng xe chạy là tải trọng có tính động tức là tải trọng tác dụng lên một điểm có sự thay đổi về độ lớn và phương tác dụng theo thời gian xe chạy qua Hơn nữa, đối với lớp móng cấp phối và lớp đất nền, mô đun độ cứng của chúng không phải là hằng số mà là hàm số của trạng thái ứng suất Trong khi đó, đối với lớp mặt vật liệu BTN, đây là vật liệu có tính chất đàn hồi nhớt và nhạy cảm nhiệt Ứng xử của BTN phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác dụng lực Chất kết dính nhựa đường trong hỗn hợp chính là yếu tố gây ra tính chất này của vật liệu BTN Tuy nhiên, trong phương pháp tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm quy định trong TCCS 38 : 2022/TCĐBVN của Việt Nam hiện hành, các giá trị mô đun của vật liệu là các giá trị mô đun tĩnh Do đó, các giá trị này không phản ánh chính xác ứng xử của vật liệu với thực tế làm việc của chúng dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường Điều đó dẫn đến kết quả tính toán thiết kế kết cấu áo đường sẽ không có sự phù hợp với ứng xử thực tế của kết cấu

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính chất của vật liệu của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động là khá ít Điều đó dẫn đến các tính toán kết cấu áo đường mềm sử dụng mô đun động của các lớp vật liệu và có tính đến đặc tính đàn nhớt của vật liệu BTN cũng còn hạn chế và mới mẻ

2 Mục đích nghiên cứu

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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

Các loại nhựa đường, ma tít, bê tông nhựa, đất nền và kết cấu áo đường thường được sử dụng ở Việt Nam

b) Phạm vi nghiên cứu

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu vào mô đun động của các vật liệu nhựa đường, ma tít, BTN và đất nền Do số lượng vật liệu lớn nên đề tài không thí nghiệm nhiều loại cho cùng một vật liệu mà chỉ lấy vật liệu đặc trưng thường dùng trong thực tế để thí nghiệm Đối với kết cấu, đề tài sẽ lựa chọn một kết cấu thường được sử dụng trong thực tế để mô phỏng và phân tích Đề tài bao gồm cả phần nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô hình hóa

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu tính chất của các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng động để mô phỏng đúng hơn ứng xử cơ học của vật liệu và của cả kết cấu dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường

- Hệ số Poát xông phức động của BTN được xếp vào danh sách những yếu tố ảnh hưởng lớn đến việc dự đoán các ứng xử của kết cấu áo đường mềm Vì vậy, việc mô tả đúng tính chất của hệ số Poát xông của hỗn hợp BTN là rất cần thiết để cải thiện công tác dự đoán các hư hỏng của kết cấu áo đường mềm

b) Ý nghĩa thực tiễn

- Đề tài đã khắc phục những hạn chế về thiết bị để có thể thực hiện được những thí nghiệm phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao Đây có thể được coi là tiền đề cho những nghiên cứu khác cùng lĩnh vực trong tương lai

- Kết quả thực nghiệm thu được của đề tài có giá trị tham khảo cao, góp phần vào công tác áp dụng phương pháp tính toán thiết kế áo đường mềm tiên tiến của thế giới vào điều kiện Việt Nam - Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của đề tài có thể được sử dụng trong lĩnh vực

nghiên cứu tại các trường Đại học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG

1.1 Ứng xử của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa dưới tác dụng tải trọng động 1.1.1 Nhựa đường và ma tít

1.1.1.1 Nhựa đường

Các nghiên cứu về nhựa đường trên thế giới thường nhấn mạnh đến tính chất lưu biến của vật liệu Nghiên cứu về tính chất lưu biến được định nghĩa là nghiên cứu các đặc tính biến dạng của vật liệu ở dạng lỏng hoặc rắn về độ đàn hồi và độ nhớt Khi nghiên cứu về khía cạnh này, nhựa đường là một chất lỏng dẻo nhiệt có ứng xử đàn nhớt, hoạt động như chất rắn đàn hồi ở nhiệt độ thấp (hoặc thời gian tác dụng lực ngắn - tần số tác dụng lực lớn) hoặc như chất lỏng nhớt ở nhiệt độ cao (hoặc thời gian tác dụng lực dài - tần số tác dụng lực nhỏ)

Thí nghiệm cắt động lưu biến DSR hoặc thí nghiệm DMA là những thí nghiệm được sử dụng rộng rãi trên thế giới để xác định tính chất đàn hồi, đàn hồi nhớt và nhớt của nhựa đường trong miền đàn nhớt tuyến tính và trên một khoảng rộng nhiệt độ và tần số Trong thí nghiệm này, hai tham số đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường được xác định là mô đun phức động |E*| (hoặc mô đun cắt động |G*|) và góc trễ pha φ

1.1.1.2 Ma tít

Ma tít át phan là hỗn hợp của nhựa đường và bột khoáng có cỡ hạt lọt qua mắt sàng 63 𝜇m theo định nghĩa của tiêu chuẩn Châu Âu Ý tưởng là, vật liệu đóng vai trò làm chất kết dính các hạt cốt liệu trong hỗn hợp BTN không phải là nhựa đường mà trước hết nhựa đường sẽ liên kết với các phần tử mịn nhất của cấp phối cốt liệu tạo thành ma tít và chính ma tít này sẽ đóng vai trò là chất kết dính của hỗn hợp BTN Ma tít có ảnh hưởng mạnh mẽ đến ứng xử cơ học của hỗn hợp BTN

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

1.1.2 Bê tông nhựa

Hỗn hợp bê tông nhựa nóng là hỗn hợp bao gồm các cốt liệu (đá dăm, cát và bột khoáng) có tỷ lệ phối trộn xác định, được sấy nóng và trộn đều với nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỉ lệ được thiết kế BTN được biết đến như vật liệu đàn nhớt và nhạy cảm nhiệt Nhựa đường chính là thành phần vật liệu gây ra tính chất này của BTN Tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN có thể được mô tả bởi mô đun phức động E*() trong miền tần số được xác định bằng thí nghiệm mô đun phức động hoặc hàm từ biến J(t) trong miền thời gian được xác định bằng thí nghiệm từ biến

Mặc dù mối quan hệ trong trường hợp 1D (chỉ xác định biến dạng dọc trục) giữa mô đun phức động E*() và hàm từ biến J(t) đã được nhiều tác giả nghiên cứu nhưng vẫn còn thiếu những nghiên cứu về mối quan hệ giữa thí nghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến trong trường hợp 3D (xác định cả biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông)

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

1.1.3.1 Thí nghiệm mô đun phức động

Tác dụng một tải trọng hình sin 𝜎(t) = σ0sin(ωt) lên mẫu thí nghiệm, biến dạng thu được ε(t) = ε0sin(ωt − φE) cũng có dạng hình sin nhưng trễ pha một góc φE do tính nhớt của vật liệu (Hình 1-

Mô đun động |E*| được xác định như sau: |𝐸∗| =𝜎0

1.1.3.2 Hệ số Poát xông phức động

Trong phòng thí nghiệm, để đo đạc hệ số Poát xông của BTN, ngoài biến dạng dọc trục, biến dạng nở hông cũng phải được đo đạc (gọi là thí nghiệm 3 chiều - 3D) Hệ số Poát xông được định nghĩa là tỉ số âm của biến dạng nở hông và biến dạng dọc trục Ở Việt Nam, hiện chưa có nghiên cứu thực nghiệm nào xác định và đánh giá được hệ số Poát xông của BTN cho một dải tần số và nhiệt độ khác nhau cũng như xác định và đánh giá hệ số Poát xông trong thí

nghiệm từ biến Hình 1-3 Ứng suất - biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động

1.1.4 Thí nghiệm từ biến

Từ biến là sự phát triển của biến dạng theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng không đổi Trong thí nghiệm từ biến, tải trọng tĩnh được tác dụng lên mẫu thí nghiệm và xác định sự phát triển của biến dạng theo thời gian tác dụng lực Sau đó, hàm từ biến được xác định bởi công thức sau:

J(t) = 𝜀(𝑡)

Trong đó: J(t) là hàm từ biến; t là thời gian; 𝜀(t) là hàm của biến dạng theo thời gian; 𝜎0 là ứng suất tác dụng

1.1.5 Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số

Mô đun phức động E* là hàm của hai biến số là tần số f và nhiệt độ T Một giá trị của mô đun có thể xác định ở nhiều cặp tần số và nhiệt độ (f, T) khác nhau Điều đó có nghĩa là E*(ω1, T1) = E*(ɷ2, T2) với (ω1, T1) ≠ (ɷ2, T2) Đặc tính này của vật liệu được gọi là nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số cho phép biểu diễn mô đun phức động và góc lệch pha là hàm của một biến duy nhất là tần số nhiệt độ: E*(ωg(T)) Từ tính chất này của vật liệu có thể xây dựng đường cong (log|E*|, log(fref)) duy nhất tại một nhiệt độ tham chiếu Tref lựa chọn ngẫu nhiên như ví dụ trên Hình 1-7 và Hình 1-8 Đường cong nhận được gọi

là đường cong đặc trưng của vật liệu (Master Curve) Việc xây dựng đường cong đặc trưng này nhằm dự đoán các tính chất của vật liệu ở các cặp tần số - nhiệt độ khác nhau không được làm thí nghiệm

Hình 1-7 Đường cong đặc trưng của mô

đun cắt động tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C Hình 1-8 Đường cong đặc trưng góc lệch pha tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C

Hệ số dịch chuyển đường mô đun đẳng nhiệt ở nhiệt độ T về nhiệt độ tham chiếu Tref được kí hiệu là aT Khi đó:

E*(ω, T) = E*(aT ω, Tref) (1-13)

Hệ số dịch chuyển aT định nghĩa như sau: 𝑎𝑇 = 𝑓(𝑇𝑟𝑒𝑓)

𝑓(𝑇) với 𝑎𝑇𝑟𝑒𝑓 = 1

Hệ số dịch chuyển aT là tham số chỉ phụ thuộc vào yếu tố nhiệt độ Quy tắc Williams, Landel và Ferry (WLF) thường dùng để mô phỏng giá trị aT theo nhiệt

độ T (Hình 1-9) Quy tắc này giúp xác định được hệ

số aT tại nhiệt độ bất kỳ và do đó có thể xây dựng đường cong đặc trưng của vật liệu tại nhiệt độ tham chiếu bất kỳ.

Hình 1-9 Quy luật WLF tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C

1.1.6 Mô hình dự đoán tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và bê tông nhựa

1.1.6.2 Mô hình Kelvin - Voigt

Mô hình Kelvin – Voigt gồm một lò xo đàn hồi tuyến tính có mô đun đàn hồi E và một piston nhớt tuyến tính có độ nhớt 𝜂 được lắp song

song với nhau như trên Hình 1-13

Hàm từ biến của mô hình: 𝐽(𝑡) = 1

𝐸(1 − 𝑒−𝜏𝑡) (1-20) Với τ là thời gian đặc trưng như công thức (1-19)

Mô đun phức động của mô hình:

𝐸∗(𝜔) = 𝐸 + 𝑗𝜔𝜂 (1-21)

Hình 1-13 Mô hình Kelvin – Voigt

1.1.6.3 Mô hình Maxwell tổng quát

Mô hình Maxwell tổng quát được xây dựng từ một số lượng hữu hạn các phần tử mô hình Maxwell lắp

ghép song song với nhau (Hình 1-14)

Mô đun phức động của mô hình được tính bởi công thức (1-23)

𝐸∗(𝜔) = 𝐸0+ 𝑗𝜔𝜂00+ ∑ 𝐸𝑖 𝑖𝜔𝜏𝑖

𝑖=1 (1-23) Hình 1-14 Mô hình Maxwell tổng quát

1.1.6.4 Mô hình Kelvin – Voigt tổng quát

Mô hình Kelvin – Voigt tổng quát được tạo thành từ số lượng hữu hạn các phần tử Kelvin – Voigt

ghép nối tiếp nhau và có thể thêm một phần tử lò xo hoặc piston nhớt như trên Hình 1-15

Hàm từ biến của mô hình: 𝐽(𝑡) = 1

𝐸0+ ∑ 1

𝐸𝑖(1 − 𝑒−

𝑖=1 (1-24) Mô đun phức động của mô hình:

𝐸∗(𝜔) = (𝐸1 + ∑ 1

1 )−1 (1-25) Hình 1-15 Mô hình Kelvin – Voigt tổng quát

Cả hai mô hình Maxwell tổng quát và Kelvin – Voigt tổng quát có thể mô phỏng một cách đầy đủ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và BTN nếu có đủ số lượng cần thiết các phần tử thành phần Tuy nhiên cũng cần lưu ý rằng khi số lượng phần tử tăng lên thì quá trình tính toán sẽ trở nên phức tạp hơn

1.1.6.5 Mô hình Huet-Sayegh và mô hình 2S2P1D

Hai mô hình này có sự tương đồng là số lượng phần tử hữu hạn và đều có chứa phần tử nhớt parabolic Sayegh (1956) đề xuất mô hình có tên gọi là mô hình Huet-Sayegh gồm 2 phần tử lò

xo và hai phần tử parabolic được sắp xếp như trên Hình 1-17 Mô hình này không có hàm từ biến

và mô đun phức động của mô hình được tính theo công thức sau:

𝐸∗(𝑗𝜔𝜏) = 𝐸00+ 𝐸0− 𝐸00

1 + 𝛿(𝑗𝜔𝜏𝐸)−𝑘 + (𝑗𝜔𝜏𝐸)−ℎ (1-31)

Trong đó: j là số phức xác định bởi j2 = -1; ω là xung động, ω = 2πfref (fref là tần số tương đương); k, h là là số mũ với 0 < k < h < 1; δ là hằng số; E0 là mô đun tức thời của mô hình được xác định khi ωτ tiến dần tới vô cùng (đối với các tần số cao và/hoặc các nhiệt độ thấp); E00 là mô đun xác định khi ωτ tiến dần về 0 (đối với các tần số thấp và/hoặc các nhiệt độ cao); τ là tham số thời gian đặc trưng, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

Mô hình Huet-Sayegh được chứng minh hoàn toàn có thể mô tả được ứng xử đàn nhớt tuyến tính của vật liệu BTN trong vùng tần số và nhiệt độ bất kỳ Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là không phù hợp cho vật liệu nhựa đường ở vùng tần số thấp (hoặc nhiệt độ cao)

Để khắc phục nhược điểm của mô hình Huet-Sayegh, Olard và Di Benedetto đã đề xuất mô hình 2S2P1D là sự kết hợp của các phần tử vật lý gồm 2 lò xo, 2 thành phần parabolic và 1 piston nhớt

(Hình 1-18) Sự khác biệt của mô hình này so với mô hình Huet-Sayegh là sự hiện diện của một

piston nhớt tuyến tính nhằm bổ sung ứng xử từ biến thích hợp trong miền nhiệt độ cao (tần số thấp) cho vật liệu nhựa đường Mô hình này có thể mô phỏng được tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và cả các vật liệu sử dụng chất kết dính nhựa đường (ma tít và BTN) trong cả 2 trường hợp 1D và 3D trên phạm vi rộng các tần số và nhiệt độ Mô đun phức động E* (hoặc mô đun cắt động G*) và hệ số Poát xông phức động 𝜈* của mô hình được tính theo công thức (1-32) và (1-33)

𝐸2𝑆2𝐷1𝑃∗ (𝑗𝜔𝜏) = 𝐸00+ 𝐸0− 𝐸00

1 + 𝛿(𝑗𝜔𝜏𝐸)−𝑘 + (𝑗𝜔𝜏𝐸)−ℎ+ (𝑗𝜔𝛽𝜏𝐸)−1 (1-32) 𝜈∗(𝜔) = 𝜈00+ 𝜈0− 𝜈00

1 + 𝛿(𝑗𝜔𝜏)−𝑘 + (𝑗𝜔𝜏)−ℎ+ (𝑗𝜔𝛽𝜏)−1 (1-33)

Trong đó: ν0 là hệ số Poát xông tức thời của mô hình được xác định khi ωτ tiến dần tới vô cùng; ν00 là hệ số Poát xông xác định khi ωτ tiến dần về 0; β là tham số được định nghĩa: η = (E0 - E00)βτ;

Như vậy, tại một nhiệt độ bất kỳ, trong trường hợp 1D, mô hình 2S2P1D có 7 thông số đầu vào (E0, E00, k, h, δ, τ và β) và trong trường hợp 3D có thêm 2 thông số là ν0 và ν00

1.1.7 Mô đun động MR của lớp móng cấp phối và đất đắp nền đường

Dưới tác dụng của tải trọng có tính chu kì với biên độ nhỏ hơn cường độ phá hủy của vật liệu, vật liệu có tính dẻo và xuất hiện biến dạng dẻo Cả biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi đều xảy ra ở giai đoạn đầu của lực tác dụng Tuy nhiên, khi số lần lặp của tải trọng tăng lên, độ tăng biến dạng

dẻo trong mỗi chu kỳ giảm xuống và dần dần nhỏ đi ở những chu kỳ tiếp theo Sau một số chu kì tác dụng nhất định, biến dạng gần như phục hồi hoàn toàn

Mô đun đàn hồi động MR được xác định là tỉ số giữa độ lệch ứng suất d và biến dạng đàn hồi r khi vật liệu chịu tác dụng của tải trọng

lặp có tính chu kì (Hình 1-19).

𝑀𝑅 =𝜎𝑑

𝜀𝑟 (1-34)

Hệ thống nén 3 trục được sử dụng để xác định giá trị MR của vật liệu trong phòng thí nghiệm Quy trình thí nghiệm tuân theo tiêu

chuẩn AASHTO T307 Hình 1-19 Tính chất của vật liệu rời dưới tác dụng của tải trọng lặp

1.1.8 Một số mô hình dự đoán MR

1.1.8.1 Các mô hình dựa trên trạng thái ứng suất

Ví dụ như Hicks và Monismith đã đề xuất mô hình K-θ rất nổi tiếng sử dụng cho lớp móng cấp phối dựa trên ứng suất khối được mô tả theo công thức (1-35)

Trong đó: MR là mô đun động; k1 và k2 là các hằng số hồi quy phụ thuộc vào tính chất của vật liệu; θ là ứng suất khối: θ = 𝜎1+ 𝜎2 +𝜎3

1.1.8.2 Các mô hình dựa trên các chỉ số tính chất của đất nền

Ví dụ phương pháp thiết kế MEPDG đề xuất rằng mô đun động của đất nền hạt mịn có thể được dự đoán bằng cách sử dụng công thức của Heukelom và Klomp cho vật liệu có chỉ số CBR < 10%:

Đối với vật liệu có CBR > 10%, công thức sau được áp dụng:

1.1.8.3 Các mô hình dựa trên độ ẩm

Một số mô hình được đề xuất dựa trên sự ảnh hưởng của độ ẩm tới MR Ví dụ như Li và Selig dự đoán MR theo độ ẩm như sau:

𝑀𝑅𝑂𝑃𝑇 = 0,98 − 0,28(𝑊 − 𝑊𝑂𝑃𝑇) + 0,29(𝑊 − 𝑊𝑂𝑃𝑇)2 (1-45) Trong đó: MROPT là mô đun động tại độ ẩm tối ưu; W là độ ẩm sau thí nghiệm; WOPT là độ ẩm tối ưu

1.2 Ứng xử kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng tải trọng động

Cấu tạo kết cấu nền áo đường mềm thông thường gồm có lớp mặt BTN ở phía trên, lớp móng cấp phối vật liệu rời ở ngay phía dưới lớp BTN và dưới cùng là lớp đất đắp nền đường nằm ngay trên nền đất tự nhiên Một nghiên cứu thực nghiệm của Juliette Blanc và các cộng sự năm 2017 đã sử

dụng các đầu đo đặt trực tiếp trong các lớp kết cấu áo đường Hình 1-23 là một kết quả của nghiên

cứu thể hiện biến dạng thẳng đứng ở lớp đất nền đường được đo bởi 2 đầu đo biến dạng khác nhau Kết quả cho thấy, do tính nhớt của BTN, biến dạng lớn nhất do mỗi trục cùng tải trọng gây ra là khác nhau Nghiên cứu của Loft năm 2005 không những nghiên cứu so sánh 2 kết quả tính toán đàn hồi và tính toán đàn nhớt mà còn so sánh kết quả tính toán lý thuyết với số liệu đo đạc trên tuyến đường thực tế thu được từ các đầu đo ứng suất biến dạng được đặt dưới các lớp vật

liệu của kết cấu Hình 1-24 thể hiện kết quả tính toán theo mô hình đàn nhớt tuyến tính có sự

tương đồng cả về độ lớn và xu hướng với ứng xử của kết cấu thực tế

Hình 1-23 Biến dạng theo phương đứng trên bề mặt lớp đất nền

Hình 1-24 So sánh biến dạng ngang εyy tại đáy lớp BTN

1.3 Vấn đề nghiên cứu của luận án

- Thí nghiệm động xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của các pha của hỗn hợp BTN từ nhựa đường đến ma tít đến BTN dưới tác dụng của tải trọng động Dự đoán mô đun phức động của Ma tít và BTN từ thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường

- Thiết lập mối quan hệ định lượng giữa chỉ số phân cấp nhựa đường truyền thống là nhiệt hóa mềm được xác định bởi thí nghiệm Vòng và bi với các tham số đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường được xác định bằng thí nghiệm cắt động lưu biến (DSR) gồm mô đun cắt động |G*| và góc lệch pha φ

- Cải tiến thiết bị thí nghiệm để có thể tiến hành các thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính trong trường hợp 1D và 3D của BTN trên miền tần số và trên miền thời gian Từ đó, hệ số Poát xông phức động và hệ số Poát xông từ biến được xác định Ngoài ra, sự phát triển của biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông trong thí nghiệm từ biến 3D được tính toán và mô phỏng từ thí nghiệm mô đun phức động 3D

- Phân tích, tính toán kết cấu áo đường mềm sử dụng mô đun đàn hồi động của các lớp vật liệu và có tính đến tính chất đàn nhớt của lớp vật liệu BTN

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA NHỰA ĐƯỜNG VÀ MA TÍT DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG

Nội dung chương 2 nghiên cứu các vấn đề sau:

- Thực nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và ma tít dưới tác dụng của tải trọng động Xác thực Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ -Tần số cho các tham số của tính chất này

- Dự đoán mô đun cắt động |G*| của hỗn hợp ma tít từ tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường tương ứng

- Nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt hóa mềm – một chỉ số phân cấp nhựa đường truyền thống và tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường được đặc trưng bởi 2 tham số là mô đun cắt động và góc lệch pha được xác định bằng thí nghiệm cắt động lưu biến (DSR)

2.1 Thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và ma tít 2.1.1 Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu nhựa đường được sử dụng để nghiên cứu gồm có 3 loại: nhựa đường 35/50, nhựa đường 60/70 và nhựa đường polyme PMB3 Các loại ma tít sử dụng cho nghiên cứu được chế tạo bằng cách trộn các loại nhựa ở trên với các hàm lượng bột khoáng nhất định Mỗi một loại nhựa sẽ được dùng để chế tạo 3 loại ma tít

Bảng 2-1 giới thiệu tên các loại nhựa đường và các ma tít tương ứng Cần lưu ý rằng, số % trong

tên của các loại ma tít thể hiện hàm lượng phần trăm theo thể tích của bột khoáng có trong hỗn hợp Mỗi loại vật liệu được thực hiện trên một khoảng rộng các tần số và nhiệt độ nhằm xây dựng đường cong đặc trưng mô đun động

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

Nhựa đường 60/70 Ma tít 60/70-15% Ma tít 60/70-30% Ma tít 60/70-45% Nhựa đường PMB3 Ma tít PMB3-15% Ma tít PMB3-30% Ma tít PMB3-45% Nhựa đường 35/50 Ma tít 35/50-5% Ma tít 35/50-25% Ma tít 35/50-35%

2.1.2 Thiết bị thí nghiệm

2.1.2.1 Thiết bị DSR RHEOTEST RN 4.3

Hình 2-1 mô tả thiết bị thí nghiệm cắt động lưu biến DSR RHEOTEST RN 4.3.Thiết bị được sử

dụng cho vật liệu nhóm 1 (nhựa đường 60/70) và nhóm 2 (nhựa đường PMB3) Mẫu thí nghiệm có hình trụ với đường kính 8mm, dày 2mm khi nhiệt độ thí nghiệm từ 5°C – 35°C Khi nhiệt độ thí nghiệm trên 35°C, mẫu có đường kính 25mm và dày 1mm

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

2.1.2.2 Thiết bị MetraviB DMA

Ở các nhiệt độ thí nghiệm từ trên 20°C đến 60°C hoặc cao hơn, thí nghiệm được thực hiện dạng cắt góc (CG) trên mẫu hình trụ rỗng có chiều cao chịu cắt Hc = 5 mm, đường kính trong Dt = 8 mm, đường kính ngoài Dn = 10 mm (Hình 2-2)

Ở các nhiệt độ thí nghiệm từ 20°C đến -20°C hoặc thấp hơn, thí nghiệm được thực hiện dạng K/N

trên mẫu hình trụ chiều cao H = 18mm và đường kính D = 9mm (Hình 2-3)

Kết quả cho thấy:

- Đối với nhựa đường (xem Hình 2-4), khi cùng nhiệt độ thí nghiệm, tần số tăng thì |G*| tăng và khi cùng một tần số thí nghiệm, nhiệt độ tăng thì |G*| giảm

- Đối với các loại ma tít (Hình 2-7 thể hiện ví dụ về ma tít của nhựa 35/50), có thể thấy sự ảnh

hưởng của nhiệt độ và tần số đến mô đun động của các ma tít giống với nhựa đường nguyên gốc, giá trị mô đun tăng khi tần số tăng (hoặc nhiệt độ giảm) và ngược lại Mô đun động của ma tít cao hơn so với nhựa đường gốc tương ứng Tại cùng một nhiệt độ và tần số, khi hàm lượng bột khoáng tăng lên thì giá trị mô đun động cũng tăng lên

- Hình 2-10 thể hiện mối quan hệ giữa hệ số dịch

chuyển aT với nhiệt độ T của quá trình dịch chuyển xây dựng đường cong đặc trưng của các nhóm vật liệu nhựa đường 35/50 và ma tít tương ứng tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C Kết quả cho thấy, hệ số dịch chuyển của nhựa đường nguyên gốc và hỗn hợp ma tít của nó ở các hàm lượng khoáng khác nhau là xấp xỉ nhau tại các nhiệt độ thí nghiệm Do đó, nhựa đường hoàn toàn có thể xác định hệ số aT cho hỗn hợp ma tít tương ứng của nó Điều này phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây trên thế giới

Hình 2-10 Hệ số dịch chuyển aT của nhựa đường 35/50 và ma tít tại Tref = 25°C

Sử dụng phần mềm Minitab20 phân tích phương sai kết quả thí nghiệm để đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đối với kết quả thí nghiệm và độ tin cậy của mô hình thí nghiệm Kết quả phân tích cho thấy ở tất cả các nhóm thí nghiệm, các yếu tố đầu vào đều có giá trị P-value < 0,05, các hệ số R2 điều chỉnh bằng 88,90%, 72,55% và 88,74% tương ứng với nhóm 1, 2 và 3 Điều đó chứng tỏ mô hình thí nghiệm xác định mô đun động của vật liệu là phù hợp

2.2 Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ kết quả thí nghiệm đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường

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

Sử dụng mô hình 2S2P1D mô phỏng mô đun cắt động |G*| của các vật liệu nhựa đường tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C Kết quả mô phỏng được thể hiện trên Hình 2-14 Giá trị các thông số của mô hình cho các loại vật liệu cụ thể được thể hiện trong Bảng 2-4 Sử dụng phương pháp

mức độ phù hợp (Goodness - of - Fit) để đánh giá kết quả mô phỏng của mô hình 2S2P1D đối với số liệu thí nghiệm Kết quả cho thấy mô hình 2S2P1D có khả năng mô phỏng tốt đặc tính đàn nhớt tuyến tính của không những nhựa đường nguyên gốc mà cả đối với nhựa đường cải tiến trong miền biến dạng nhỏ và trên một dải rộng các tần số và nhiệt độ

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

Vật liệu G00 (Pa) G0 (Pa) k h δ β τ0

Nhựa đường 35/50 0 1,2E9 0,22 0,62 5 120 1,2E-05

Nhựa đường 60/70 0 1,2E9 0,2 0,61 3 70 1,6E-06

Nhựa đường PMB3 4,3E2 1,2E9 0,22 0,72 2,3 5000 2,3E-06

2.2.2 Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ tính chất đàn nhớt của nhựa đường

Sử dụng các công thức của mô hình 2S2P1D, mối quan hệ giữa mô đun cắt động của ma tít và mô đun cắt động của nhựa đường được xây dựng và xác định theo công thức (2-19) sau:

𝐺𝑚𝑎 𝑡í𝑡∗ (𝜔𝑇) = 𝐺00 𝑚𝑎 𝑡í𝑡+ 𝐺𝑏𝑖𝑡𝑢𝑚∗ (10𝛼𝜔, 𝑇)𝐺0 𝑚𝑎 𝑡í𝑡− 𝐺00 𝑚𝑎 𝑡í𝑡

Công thức (2-19) cho phép tính toán mô đun cắt động của hỗn hợp ma tít tại một nhiệt độ nếu biết mô đun cắt động của nhựa đường tương ứng tại nhiệt độ đó với 3 yếu tố đầu vào của ma tít là G0ma tít, G00ma tít và α Tham chuyển đổi α được xác định bằng cách khớp dữ liệu thực nghiệm của nhựa đường và hỗn hợp ma tít Ví dụ về kết quả dự đoán cho ma tít 35/50-15% được thể trên

Hình 2-15

Phương pháp Goodness – of – Fit cũng được sử dụng để đánh giá kết quả dự đoán so với số liệu thí nghiệm Kết quả cho thấy hoàn toàn có thể dự đoán mô đun cắt động của ma tít với các hàm lượng bột khoáng khác nhau từ thí nghiệm tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường tương ứng với mức độ phù hợp rất tốt

Hình 2-14 Kết quả mô phỏng của vật liệu nhựa đường tại Tref = 25°C

Hình 2-15 Kết quả dự đoán |G*| của ma tít 35/50-15% tại Tref = 25°C

Mối quan hệ giữa logarit của giá trị tham số chuyển đổi α và hàm lượng bột khoáng theo

thể tích được thể hiện trên Hình 2-18 Kết

quả cho thấy mối quan hệ giữa log(α) và hàm lượng bột khoáng có thể được xác định là mối quan hệ tuyến tính Hệ số α tăng khi hàm lượng bột khoáng tăng lên Dựa vào kết quả của mối quan hệ này, có thể xác định được giá trị tham số α cho ma tít có hàm

lượng bột khoáng bất kỳ Hình 2-18 Mối quan hệ giữa log(α) và hàm lượng bột khoáng V(%)

2.3 Mối liên hệ giữa tính chất đàn nhớt tuyến tính và nhiệt độ hóa mềm của nhựa đường 2.3.1 Vật liệu thí nghiệm

Đề tài đã lựa chọn một số loại nhựa đường được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam Ngoài ra, nghiên cứu còn đề xuất thêm một số loại nhựa đường-epoxy với các hàm lượng epoxy và thời gian dưỡng

mẫu khác nhau Tổng cộng có 14 loại nhựa được nghiên cứu Thí nghiệm xác định nhiệt độ hóa

mềm của vật liệu theo TCVN 7497:2005 Thí nghiệm cắt động lưu biến DSR cũng được thực

hiện với tần số cố định 10 rad/s và trên một dải rộng các nhiệt độ từ 5°C đến 82°C

2.3.2 Nhiệt độ hóa mềm tương đương TV theo phương pháp của Alisov

Xác định nhiệt độ hóa mềm tương đương TV

tại điểm có giá trị |G*| =15 kPa (tần số 10 rad/s) của các loại vật liệu

Hình 2-20 so sánh kết quả giá trị TV của tất cả các mẫu thí nghiệm và nhiệt độ hóa mềm

tương ứng Từ Hình 2-20 có thể thấy rằng

phương pháp Alisov và cộng sự chỉ phù hợp đối với nhựa đường nguyên gốc trong khi đối với nhựa đường cải tiến, phương pháp này thể hiện sai số lớn Kết quả này phù hợp những

nghiên cứu trước đây Hình 2-20 So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ hóa mềm tương đương TV

2.3.3 Nhiệt độ hóa mềm tương đương TK

Tham số K được xác định theo công thức (2-20) được đề xuất để tìm mối quan hệ giữa tính chất

lưu biến và nhiệt độ hóa mềm Phương pháp này được gọi là phương pháp G’/tanδ

𝐾 = |𝐺

Trong đó: |G’| = |G*| cosδ là thành phần đàn hồi của mô đun cắt phức

Hình 2-23 biểu diễn giá trị K của các loại vật liệu tại nhiệt độ hóa mềm Đề tài đã đề xuất giá trị

K = 900 Pa để tại đó xác định nhiệt độ hóa mềm tương đương Nhiệt độ hóa mềm tương đương này được đặt tên là TK Tất cả các giá trị TK của các vật liệu được xác định và được so sánh với

nhiệt độ hóa mềm thực nghiệm tương ứng của vật liệu trên biểu đồ Hình 2-25 Từ Hình 2-25 có

thể thấy, xác định nhiệt độ hóa mềm tương đương theo tham số K đã thể hiện sự phù hợp rất tốt đối với nhiệt độ hóa mềm không chỉ đối với nhựa đường nguyên gốc mà cả nhựa đường cải tiến

Hình 2-23 Giá trị tham số K tại nhiệt độ hóa mềm (tần số 10 rad/s)

Hình 2-25 So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ hóa mềm tương đương TK

- |G*| tăng khi hàm lượng bột khoáng tăng lên

- Hệ số dịch chuyển xác định cho ma tít đồng nhất với hệ số dịch chuyển của nhựa đường tương ứng

- Mô hình 2S2P1D có thể mô phỏng rất tốt tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường - Hoàn toàn có thể dự đoán mô đun cắt động |G*| của ma tít từ kết quả thí nghiệm tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường tương ứng với mức độ phù hợp cao Hệ số chuyển đổi α có thể được xác định dựa vào mối quan hệ tuyến tính với hàm lượng bột khoáng

- Xác định nhiệt độ hóa mềm tương đương TK theo thông số K = G’/tanδ = 900 Pa Kết quả cho thấy rằng phương pháp này không chỉ phù hợp rất tốt với nhựa đường nguyên gốc mà còn nâng cao được rất đáng kể độ chính xác đối với nhựa đường cải tiến

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG NHỰA DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG

Chương trình thí nghiệm và phân tích trong nghiên cứu gồm các nội dung sau: - Xác định hệ số Poát xông phức động của 3 loại BTN thông qua thực nghiệm

- Xác thực nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số trong trường hợp 3D đối với các thông số đàn nhớt tuyến tính thu được từ thí nghiệm mô đun phức động và thí nghiệm từ biến

- Nghiên cứu mối liên hệ giữa đặc tính đàn nhớt 3D trong miền tần số (đặc trưng bởi mô đun phức động E*) và trong miền thời gian (đặc trưng bởi hàm từ biến J(t))

- Mô phỏng và dự đoán ứng xử từ biến 3D từ thí nghiệm mô đun phức động 3D

- Dự đoán mô đun phức động của hỗn hợp BTN từ thí nghiệm cắt động lưu biến của chất kết dính nhựa đường của hỗn hợp