nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở việt nam

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường Bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở Việt Nam” là công trình nghiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS NGƯT Nguyễn Bính và TS Nguyễn Hữu Chí – Bộ môn Máy xây dựng-Xếp dỡ, Trường Đại học Giao thông Vận tải đã hướng dẫn, động viên giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo tại Bộ môn Máy xây dựng Xếp dỡ, các nhà khoa học của Trường Đại học Giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Xây dựng, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Viện Khoa học

và Công nghệ GTVT, Phân hiệu Đại học Giao thông Vận tải tại Tp Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án của mình

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Cơ khí, Phòng Khoa học công nghệ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải cùng các phòng ban chức năng trong Nhà trường đã tạo điều kiện vật chất giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để đạt được kết quả mong muốn

Xin trân trọng cảm ơn tới Lãnh đạo Công ty cổ phần đầu tư HSB và Công ty TNHH Kỹ thuật Quang Nhật, Công ty Cổ phần UTC2 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện đo đạc thực nghiệm thiết bị tại hiện trường để hoàn thành luận án Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình tôi đã động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều về mặt thời gian, ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần để giúp tôi hoàn thành luận án này

NGUYỄN VĂN DŨNG

Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu xác định các thông số làm việc

hợp lý của máy đốt nóng mặt đường Bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô

tô ở Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và tài liệu trong

luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Tất cả những nội dung tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Dũng

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

BẢNG THỨ NGUYÊN VÀ KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ vi

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii

MỤC LỤC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Tổng quan về những hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa 6

1.1.1 Các biến dạng nứt mặt đường bê tông nhựa 6

1.1.2 Các hư hỏng bề mặt lớp bê tông nhựa 8

1.2 Giới thiệu về công nghệ và máy sửa chữa mặt đường 9

1.2.1 Công nghệ sửa chữa mặt đường BTN 9

1.2.2 Giới thiệu về các máy đốt nóng cỡ nhỏ trên thế giới và Việt Nam 12

1.2.3 Giới thiệu về máy đốt nóng MĐN.01 chế tạo tại Việt Nam 14

1.3.1 Xác định khoảng nhiệt độ cần thiết để đốt nóng mặt đường 16

1.3.2 Xác định chiều sâu cần đốt nóng 19

1.4 Điều kiện biên về môi trường ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt 21

1.4.1 Xác định nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa mặt đường trước khi đốt nóng 21

1.4.2 Điều kiện biên về độ ẩm và gió 22

1.5 Tổng quan các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước có liên quan đến luận án 23

1.5.1 Các công trình nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt trong bê tông nhựa 23

1.5.2 Các công trình nghiên cứu các thông số đặc trưng ngọn lửa khí gas trong khoang cháy 31

1.5.3 Các công trình nghiên cứu về xác định thông số làm việc của máy đốt nóng mặt đường 35

1.5.4 Phân tích và nhận xét về các công trình nghiên cứu đã công bố đối với máy đốt nóng mặt đường 43

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 45

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ ĐẶC TRƯNG NGỌN LỬA TRONG KHOANG CHÁY 46

2.1 Các giả thiết khoa học và phạm vi xây dựng mô hình bài toán 46

2.3 Mô hình toán các giai đoạn truyền nhiệt 47

2.3.1 Truyền nhiệt bức xạ từ tấm đốt nóng xuống mặt đường 47

2.3.2 Truyền nhiệt đối lưu 49

2.3.3 Truyền nhiệt trong các lớp bê tông nhựa 50

2.4 Mô hình tính toán ngọn lửa trong khoang cháy 58

2.4.1 Xác định đặc tính của ngọn lửa 58

2.4.2 Tính toán chiều dài ngọn lửa khí cháy 58

2.4.3 Tính toán nhiệt độ ngọn lửa trong khoang cháy 61

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 63

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG THÔNG QUA NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT VÀ LÝ THUYẾT CHÁY 64

3.1 Xác định kích thước tấm đốt nóng 64

3.1.1 Cơ sở xác định kích thước của tấm đốt nóng 64

3.1.2 Xác định kích thước tấm đốt nóng mặt đường 64

3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ của tấm đốt nóng và thời gian truyền nhiệt 65

3.3 Ảnh hưởng của nhiệt lượng và khoảng cách truyền nhiệt của máy 69

3.4 Mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa 71

3.5 Xác định các thông số kết cấu của khoang cháy 74

3.5.1 Đặc điểm cấu tạo khoang cháy 74

3.5.2 Tính toán thông số nhiệt của ngọn lửa 74

3.5.3 Xác định áp suất và lưu lượng khí cháy hợp lý 77

3.5.4 Xác định suất tiêu hao nhiên liệu của máy đốt nóng mặt đường 79

3.5.5 Mô phỏng các thông số của ngọn lửa trong khoang cháy của máy đốt nóng 80

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 84

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG 85

4.1 Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm 85

4.2 Vật liệu nghiên cứu thực nghiệm 85

4.3 Quy trình tiến hành thực nghiệm 86

4.3.1 Các bước tiến hành thực nghiệm 86

4.3.2 Sơ đồ khối tiến hành đo đạc thực nghiệm 88

4.4 Máy và thiết bị phục vụ thực nghiệm 89

4.4.2 Thiết bị đo nhiệt độ mặt đường 89

4.4.3 Các máy và dụng cụ lấy mẫu BTN 91

4.4.4 Thiết bị mô phỏng và đo tốc độ gió môi trường 91

4.4.5 Phương pháp xác định tiêu hao nhiên liệu 92

4.4.6 Phương pháp thay đổi khoảng cách truyền nhiệt 92

4.4.7 Phương án đặt thiết bị đo nhiệt độ 93

4.4.8 Phương án kết nối đầu đo nhiệt độ với máy tính có cài đặt phần mềm đo 94

4.5 Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật của máy đến quá trình đốt nóng mặt đường 95

4.5.1 Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ tấm đốt nóng Tm oC 95

4.5.2 Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng vận tốc gió môi trường 101

4.5.3 Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách truyền nhiệt 103

4.6 Xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bằng quy hoạch thực nghiệm 105

4.6.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu 105

4.6.2 Phát biểu mô hình của bài toán tối ưu 111

4.6.3 Xác định vùng nghiên cứu 111

4.6.4 Kế hoạch thực nghiệm bậc 1 112

4.6.5 Thực nghiệm đa yếu tố 114

4.6.6 Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu xác định chế độ đốt nóng 124

4.7 Đánh giá sản phẩm máy MĐN.01 được chế tạo theo kết quả nghiên cứu của luận án 128

4.7.1 Giới thiệu cấu tạo của máy MĐN.01 128

4.7.2 Thông số vận hành máy đốt nóng 130

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 133

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134

I Kết luận 134

II Kiến nghị 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO 138

PHỤ LỤC 144

Ký hiệu Thông số Thứ nguyên

Bảng 1.1 Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt dọc mặt đường 6

Bảng 1.2 Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt ngang mặt đường 7

Bảng 1.3 Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt dạng lưới mặt đường 8

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của một số dòng máy đốt nóng điển hình trên thế giới 12 Bảng 1.5 Nhiệt độ quy định của hỗn hợp BTN tương ứng với giai đoạn thi công 17

Bảng 1.6 Nhiệt độ các khâu sản xuất và thi công BTN chặt (oC) 17

Bảng 1.7 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt (BTNC) 19

Bảng 1.8 Giá trị nhiệt dung của BTN theo nhiệt độ và loại BTN mặt đường 20

Bảng 1.9 Giá trị tỷ trọng của các loại BTNC 20

Bảng 1.10 Các thông số truyền nhiệt của mặt đường BTN 21

Bảng 1.11 Vận tốc gió trung bình tháng nóng nhất Vtb và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt ngoài αđl 23

Bảng 2.1 Hệ số bức xạ của các loại vật liệu khác nhau 49

Bảng 2.2 Nhiệt độ tại các nút ở những thời điểm xét P=1÷15; bước thời gian Δτ = 30 55

Bảng 3.1 Xác định kích thước của tấm đốt nóng theo kích thước hư hỏng mặt đường……… 65

Bảng 3.2 Giá trị nhiệt độ và mật độ dòng nhiệt theo các thời điểm đốt nóng 66

Bảng 3.3 Giá trị nhiệt độ lớp BTN bề mặt và dòng nhiệt theo thời gian gia nhiệt 67

Bảng 3.4 Giá trị nhiệt độ lớp BTN T5 và dòng nhiệt bức xạ, theo thời gian gia nhiệt 68

Bảng 3.5 Giá trị nhiệt lượng bức xạ phụ thuộc vào khoảng cách truyền nhiệt 69

Bảng 3.6 Giá trị nhiệt lượng, theo khoảng cách truyền nhiệt được xác định 70

Bảng 3.7 Các thông số vật lý đặt trưng của khí nhiên liệu và vật liệu khoang cháy 81 Bảng 4.1 Thông số thiết bị đo nhiệt độ mặt đường……… 90

Bảng 4.2 Thông số nhiệt kế hồng ngoại 91

Bảng 4.3 Thông số máy cắt mặt đường BTN 91

Bảng 4.4 Thông số quạt gió công nghiệp 92

Bảng 4.5 Mức và khoảng biến thiên các yếu tố đầu vào dạng bậc 1 112

Bảng 4.6 Giá trị Z1, Z2, Z3 được chạy ngẫu nhiên từ phần mềm Minitab 21 112

Bảng 4.7 Giá trị các biến của ma trận thực nghiệm bậc 1 113

Bảng 4.8 Bảng giá trị thống số đầu vào và đầu ra chạy phần mềm Minitab 21 113

Bảng 4.9 Mức và khoảng biến thiên các yếu tố đầu vào dạng bậc 2 115

Bảng 4.11 Giá trị các hệ số hồi quy của hàm Y1 117

Bảng 4.12 Giá trị các hệ số hồi quy của hàm Y2 119

Bảng 4.13 Giá trị các hệ số hồi quy của hàm Y3 121

Bảng 4.14 Giá trị các hệ số hồi quy của hàm Y4 123

Bảng 4.15 Bảng phương trình hồi quy đơn mục tiêu 125

Bảng 4.16 Mục tiêu tối ưu và miền ràng buộc 126

Bảng 4.17 So sánh các thông số làm việc của lý thuyết và thực nghiệm 128

Hình 1.1 Các vết nứt dọc và ngang tuyến đường 6

Hình 1.2 Biến dạng nứt dạng mai rùa 7

Hình 1.3 Biến dạng nứt bẻ khóa khối 7

Hình 1.4 Xác định các kích thước phổ biến của vết nứt dạng lưới 8

Hình 1.5 Bong tróc lớp bề mặt BTN trên mặt đường 8

Hình 1.6 Hư hỏng mặt đường dạng ổ gà 9

Hình 1.7 Công nghệ vá nguội mặt đường BTN 10

Hình 1.8 Các công đoạn gia nhiệt và xới trộn mặt đường BTN đã mềm hóa 11

Hình 1.9 Thi công thử nghiệm máy LJ-80 (Trung Quốc) 13

Hình 1.10 Hình ảnh máy đốt nóng mặt đường MĐN.01 15

Hình 1.11 Quá trình đốt nóng tấm đốt nóng của máy MĐN.01 15

Hình 1.12 Cấu tạo, chiều dày các lớp BTN mặt đường 19

Hình 1.13 Hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ và thành phần cấp phối BTN 21

Hình 1.14 Vị trí đặt đầu đo nhiệt độ theo chiều sâu mặt đường 22

Hình 1.15 Nhiệt độ tại các đầu đo và nhiệt độ mô phỏng bằng mô hình toán 24

Hình 1.16 Giá trị nhiệt độ thay đổi trên mặt đường 25

Hình 1.17 Mô hình truyền nhiệt qua các lớp BTN 26

Hình 1.18 Nhiệt độ lớp BTN theo chiều sâu mặt đường 27

Hình 1.19 Phân tích nhiệt độ đo và nhiệt độ tính toán theo thời gian 27

Hình 1.20 Biểu đồ nhiệt độ khi gia nhiệt mặt đường 28

Hình 1.21 Biểu đồ nhiệt độ khi gia nhiệt bằng phương pháp sử dụng khí nóng và 29

Hình 1.22 Mối quan hệ giữa kích thước lỗ gốm và hệ số dư không khí đến nhiệt độ của đầu đốt 32

Hình 1.23 Ảnh hưởng của việc pha trộn O2 bằng N2 với nhiên liệu propan đến chiều dài ngọn lửa khí cháy 33

Hình 1.24 Ảnh hưởng của tỷ lệ của N2 và CO2 đến mức độ oxy hóa 34

Hình 1.25 Mô hình ngọn lửa khuếch tán qua khe hở 2 chiều 34

Hình 1.26 Nhiệt độ phân bố theo chiều sâu mặt đường 35

Hình 1.27 Phổ nhiệt độ mặt đường khi sử dụng 3 phương pháp 36

Hình 1.28 Mô phỏng nhiệt độ của tấm đốt nóng phụ thuộc vào diện tích 38

Hình 1.29 Quy trình gia nhiệt của máy đốt nóng với độ sâu truyền nhiệt 45 mm 39

Hình 1.30 Sơ đồ gia nhiệt mặt đường, nhiệt độ ở 12 phần tử S1÷S12 39

Hình 1.31 Máy đốt nóng mặt đường bằng bức xạ hồng ngoại 40

Hình 1.32 Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí đến các thông số đầu ra (mục tiêu) 41

Hình 1.33 Sơ đồ cấu tạo tổng thể thiết bị gia nhiệt 41

Hình 2.1 Sơ đồ truyền nhiệt từ máy đốt móng……… 47

Hình 2.2 Các giai đoạn quá trình truyền nhiệt từ máy đốt nóng xuống mặt đường 47

Hình 2.3 Mô hình bức xạ truyền nhiệt từ máy đốt nóng xuống mặt đường 48

Hình 2.4 Truyền nhiệt đối lưu trong không gian hẹp 49

Hình 2.5 Mô hình truyền nhiệt xuống mặt đường 50

Hình 2.6 Rời rạc hóa tổng thể môi trường truyền nhiệt 51

Hình 2.7 Phân bố các phần tử truyền nhiệt trong lớp BTN (5 cm) 52

Hình 2.8 Đồ thị mô tả nhiệt độ mặt đường theo nhiệt độ tấm đốt ứng với các thời điểm gia nhiệt (P1÷P15) ứng với khoảng cách truyền nhiệt a = 5 cm 57

Hình 2.9 Sơ đồ ngọn lửa hỗn hợp khí gas-không khí chảy tầng 58

Hình 2.10 Sự phân bố chiều dài ngọn lửa theo sự thay đổi của vận tốc dòng khí 59

Hình 2.11 Sơ đồ ngọn lửa hỗn hợp khí gas-không khí chảy rối 60

Hình 2.12 Mối quan hệ giữa chiều dài ngọn lửa theo áp suất và lưu lượng khí cháy 61 Hình 2.13 Mô hình ngon lửa trong không gian khoang cháy 62

Hình 3.1 Không gian khoang cháy của máy đốt nóng………64

Hình 3.2 Xác định kích thước tấm đốt nóng mặt đường 65

Hình 3.3 Đồ thị mô tả giá trị dòng nhiệt bức xạ xuống mặt đường 66

Hình 3.4 Nhiệt độ bề mặt và dòng nhiệt bức xạ theo thời gian gia nhiệt 67

Hình 3.5 Nhiệt độ lớp BTN dưới cùng và dòng nhiệt bức xạ theo thời gian gia nhiệt 68

Hình 3.6 Dòng nhiệt của MĐN theo khoảng cách truyền nhiệt và nhiệt độ 69

Hình 3.7 Đồ thị phân bố nhiệt độ theo chiều sâu ứng với các nhiệt độ ban đầu của thiết bị Tm = 800 oC; Tm= 700 oC; Tm= 650 oC; Tm= 600 oC 71

Hình 3.8 Sơ đồ phân lưới phần tử hữu hạn của mô hình truyền nhiệt 72

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng nhiệt độ mặt đường 72

Hình 3.10 Nhiệt độ của các lớp BTN mịn có chiều dày 5 cm 73

Hình 3.11 Giá trị nhiệt độ phân bố theo chiều sâu của mặt đường theo phần mềm Ansys 73

Hình 3.12 Cấu tạo máy đốt nóng (a) và mặt cắt dọc khoang cháy nhiên liệu (b) 74

Hình 3.13 Sơ đồ mô hình ngọn lửa hỗn lưu tại tấm gốm bức xạ nhiệt 75

Hình 3.14 Nhiệt độ theo chiều dày của tấm gốm 76

Hình 3.15 Sự phụ thuộc tốc độ dòng nhiên liệu và nhiệt độ của ngọn lửa 76

Hình 3.16 Nhiệt độ của ngọn lửa khí cháy thay đổi theo tốc độ dòng khí 76

Hình 3.17 Sơ đồ mỏ đốt lồng ống của MĐN 77

Hình 3.18 Đồ thị giá trị lượng tiêu hao nhiên liệu và chiều dài ngọn lửa lý thuyết 79

Hình 3.19 Giá trị của vận tốc trong lỗ gốm theo lượng tiêu hao nhiên liệu 80

Hình 3.21 Mô tả véc tơ hướng chuyển động của dòng khí cháy 81

Hình 3.22 Tốc độ dòng khí cháy và nhiệt độ của ngọn lửa 82

Hình 3.23 Chiều dài ngọn lửa và tốc độ phun nhiên liệu 82

Hình 3.24 Mô phỏng áp suất khi cháy và nhiệt độ ngọn lửa qua tấm gốm nhiệt 83

Hình 3.25 Sự phụ thuộc giữa áp lực khí cháy và chiều dài ngọn lửa tại các đường kính khác nhau của vòi phun 83

Hình 4.1 Quy trình thực nghiệm máy đốt nóng mặt đường……………….86

Hình 4.2 Quy trình thực nghiệm máy đốt nóng mặt đường 88

Hình 4.3 Đầu đo cảm biến nhiệt 89

Hình 4.4 Hình ảnh và phạm vị hoạt động của nhiệt kế hồng ngoại 90

Hình 4.5 Máy cắt mẫu BTN trên mặt đường 91

Hình 4.6 Quạt gió mô phỏng cấp gió và đồng hồ đo gió 91

Hình 4.7 Sử dụng thiết bị cân định lượng để xác định lượng gas 92

Hình 4.8 Kích vít thay đổi chiều cao tấm đốt nóng 92

Hình 4.9 Cơ cấu kích vít nâng chiều cao của tấm đốt nóng từ 3÷7 cm 93

Hình 4.10 Chuẩn bị mặt bằng thực nghiệm MĐN tại mặt đường 93

Hình 4.11 Sơ đồ cắt đường BTN được cắt bỏ và khoan lỗ để đặt đầu đo 93

Hình 4.12 Sơ đồ đặt đầu đo cảm biến nhiệt độ 94

Hình 4.13 Bề mặt đặt 5 đầu đo vào các lỗ khoan và hình ảnh kết nối máy tính 94

Hình 4.14 Giao diện phần mềm đo nhiệt độ mặt đường 95

Hình 4.15 Cài đặt các dữ liệu nhiệt độ và kiểm tra nhiên liệu ban đầu 95

Hình 4.16 Đồ thị mô tả giá trị nhiệt độ tại các lớp BTN theo thời gian gia nhiệt 96

Hình 4.17 Sơ đồ gia nhiệt gián đoạn từ MĐN xuống mặt đường 97

Hình 4.18 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với nhiệt độ duy trì Tm = 600 oC 97

Hình 4.19 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với nhiệt độ duy trì Tm = 650 oC 98

Hình 4.20 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với nhiệt độ duy trì Tm = 700 oC 99

Hình 4.21 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với nhiệt độ duy trì Tm = 750 oC 100

Hình 4.22 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với nhiệt độ duy trì Tm = 800 oC 101

Hình 4.23 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với chế độ gió cấp 2, a=4 cm, Tm = 700oC 102

Hình 4.24 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với chế độ gió cấp 4, a=4 cm, Tm = 700oC 103

Hình 4.25 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với nhiệt độ duy trì Tm = 700 oC (a= 30 mm) 104

Hình 4.26 Chế độ gia nhiệt trên máy ứng với nhiệt độ duy trì Tm = 700 oC (a=50 mm) 105

Hình 4.28 Sơ đồ mô hình bài toán hộp đen 111

Hình 4.29 Biểu đồ Pareto hệ số hồi quy Y1 117

Hình 4.30 Ảnh hưởng của X1, X2 đến Y1 ………117

Hình 4.31 Ảnh hưởng của X1, X3 đến Y1 118

Hình 4.32 Ảnh hưởng của X2, X3 đến Y1 ……….118

Hình 4.33 Đồ thị tối ưu giá trị hàm mục tiêu Y1 118

Hình 4.34 Biểu đồ Pareto hệ số hồi quy Y2 119

Hình 4.35 Ảnh hưởng của X1, X2 đến Y2 ……….………119

Hình 4.36 Ảnh hưởng của X1, X3 đến Y2 120

Hình 4.37 Ảnh hưởng của X2, X3 đến Y2 ……… 120

Hình 4.38 Đồ thị tối ưu giá trị hàm mục tiêu Y2 120

Hình 4.39 Biểu đồ Pareto hệ số hồi quy Y3 121

Hình 4.40 Ảnh hưởng của X1, X2 đến Y3 ……….121

Hình 4.41 Ảnh hưởng của X1, X3 đến Y3 122

Hình 4.42 Ảnh hưởng của X2, X3 đến Y3 ……….122

Hình 4.43 Đồ thị tối ưu giá trị hàm mục tiêu Y3 122

Hình 4.44 Biểu đồ Pareto hệ số hồi quy Y4 123

Hình 4.46 Ảnh hưởng của X1, X3 đến Y4 124

Hình 4.47 Ảnh hưởng của X2, X3 đến Y4 ……… ………124

Hình 4.48 Đồ thị tối ưu giá trị hàm mục tiêu Y4 124

Hình 4.49 Đồ thị tối ưu hóa đa mục tiêu từ thực nghiệm 127

Hình 4.50 Cấu tạo tổng thể của máy đốt nóng MĐN.01 129

Hình 4.51 Cấu tạo khoang cháy của máy đốt nóng 129

Hình 4.52 Cấu tạo bề mặt các tấm gốm nhiệt của máy MĐN.01 130

Hình 4.53 Các bộ phận máy đốt nóng mặt đường của máy MĐN.01 130

Hình 4.54 Các máy đốt nóng đã sử dụng ở Việt Nam 132

Hình 4.55 Cấu tạo bề mặt bức xạ của tấm đốt nóng của một số máy 132

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN

Theo số liệu thống kế của tổng cục đường bộ thì hệ thống đường bộ Việt Nam hiện có tổng chiều dài 570.448 km, trong đó quốc lộ chiếm 24.136 km; đường cao tốc chiếm 816 km; đường tỉnh chiếm 25.741 km; đường huyện chiếm 58.347 km; đường đô thị 26,953 km; đường xã 144.670 km; đường thôn xóm 181.188 km; và đường nội đồng 108.597 km Theo tổng cục đường bộ kinh phí dự trù cho hoạt động bảo dưỡng, bào trì, sửa chữa đường bộ là 25.000 tỷ VNĐ/năm Tuy nhiên, nguồn lực hạn hẹp nên thực tế nguồn ngân sách hàng năm chi cho công tác động bảo dưỡng, bào trì, sửa chữa đường

bộ là khoảng 9.000 tỷ VNĐ/năm trong đó (khoảng 2000 tỷ VNĐ chi cho công tác bảo dưỡng, 7000 tỷ VNĐ chi cho công tác sửa chữa thường xuyên) Công tác duy tu, sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng đường bộ là hết sức quan trọng, duy trì kỹ thuật, khai thác và đảm bảo ATGT; các kết quả nghiên cứu thực tế của các nước trên thế giới cho thấy, chi

1 đồng cho bảo trì đường bộ sẽ tiết kiệm được 3 đồng khi phải đầu tư xây dựng mới các tuyến đường Trong khi đó, vốn bảo trì đường bộ hàng năm chiếm khoảng 1% tổng giá trị tài sản đường bộ

Theo tiêu chuẩn cơ sở (TCCS) 07.2013 của Tổng cục Đường bộ về công tác duy

tu bảo dưỡng, bảo trì, sửa chữa mặt đường bê tông nhựa (BTN) thì công việc sửa chữa thường xuyên mặt đường chiếm một tỷ trọng lớn bao gồm các công việc như: Vá ổ gà, sửa chữa các vết nứt, vết lún…Sửa chữa mặt đường bằng phương pháp đốt nóng tại chỗ

có nhiều ưu điểm như do tận dụng được vật liệu của mặt đường cũ nên tiết kiệm được 30% lượng BTN cấp mới, có tính liền mạch không tạo mép liên kết của mặt đường, không ảnh hưởng đến các công trình ngầm, phù hợp với việc sửa chữa những hư hỏng

có diện tích nhỏ, các khu vực mép cống thoát nước, hố ga Với những ưu điểm nổi bật như trên, công nghệ sửa chữa mặt đường bằng phương pháp đốt nóng rất phù hợp với công tác bảo trì và sửa chữa nhỏ mặt đường

Trong phương pháp sửa chữa nóng mặt đường việc vận hành máy đốt nóng (MĐN) cần truyền nhiệt cho mặt đường BTN đến nhiệt độ nhằm đảm bảo chất lượng lớp BTN tái chế dưới ảnh hưởng của điều kiện của môi trường đồng thời thỏa mãn chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của máy Do đó, cần nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng MĐN mặt đường cỡ nhỏ trong điều kiện khai thác thực tế tại Việt Nam làm cơ sở cho việc vận hành máy có hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu, giảm thời gian thi công đồng thời đảm bảo được chất lượng mặt đường sau khi sửa chữa Vì vậy,

luận án “Nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường

bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở Việt Nam” có tính cấp thiết và tính thực

tiễn cao

- Xác định được các thông số làm việc của MĐN mặt đường như: nhiệt độ cần đốt nóng, thời gian đốt nóng, khoảng cách đốt nóng và các thông số kết cấu nhằm đảm bảo chất lượng mặt đường sửa chữa và tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất

- Xây dựng cơ sở khoa học cho việc vận hành có hiệu quả và thiết kế, chế tạo máy đốt nóng thay thế thiết bị nhập ngoại

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

a) Đối tượng nghiên cứu

MĐN mặt đường cỡ nhỏ có kích thước tấm đốt nóng ≤ 1 m2, di chuyển đẩy tay

do công nhân thực hiện, đốt nóng bằng nguyên lý bức xạ hồng ngoại sử dụng nhiên liệu khí gas, phục vụ công tác sửa chữa nhỏ mặt đường BTN Máy có ký hiệu là MĐN.01 là sản phẩm của đề tài NCKH cấp Trường trọng điểm do NCS thực hiện trong thời gian nghiên cứu luận án

- Máy đốt nóng được cấu tạo từ 9 bộ phận:

Máy đốt nóng mặt đường cỡ nhỏ MĐN.01

1 Bình nhiên liệu, 2 Giá đỡ cách nhiệt, 3 Vỏ tấm đốt, 4,7 Bánh xe, 5 Tấm đốt nóng,

6 Quạt gió, 8 Bộ điều khiển nhiên liệu, 9 Tủ điện

b) Phạm vi nghiên cứu

- Máy sử dụng để sửa chữa các vết nứt, hư hỏng có kích thước ≤ 0,5 m2 trên mặt đường BTN Phạm vi đối tượng đốt nóng là mặt đường BTN loại nhựa đường 60/70 độ hạt C12,5 bị hư hỏng nhỏ còn khả năng tái chế nóng

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và khảo sát, cụ thể như sau:

a) Nghiên cứu lý thuyết

- Xây dựng mô hình bài toán truyền nhiệt bức xạ từ máy đốt nóng xuống mặt đường và truyền nhiệt không ổn định trong các lớp BTN bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để thiết lập phương trình ma trận truyền nhiệt nhằm xác định sơ bộ khoảng

cháy của ngọn lửa để xác định các thông số kết cấu của khoang cháy đây là cơ sở cho việc chế tạo máy MĐN.01, đồng thời là các thông số vận hành của máy khi thực nghiệm nhằm giảm số lượng bài thí nghiệm

b) Nghiên cứu thực nghiệm

- Chế tạo máy đốt nóng với mục đích thực nghiệm để xác định các thông số liên quan nhằm kiểm chứng và xác định chính xác các thông số làm việc của máy

- Thực nghiệm trên máy đốt nóng theo ma trận thực nghiệm được thiết lập theo phương pháp Taguchi gồm: xác định số thí nghiệm, số lần lặp, các thông số đầu vào: Nhiệt độ tấm đốt nóng, khoảng cách truyền nhiệt, vận tốc gió và xác định các thông số đầu ra cần đạt được (nhiệt độ các lớp BTN, thời gian truyền nhiệt, tiêu hao nhiên liệu)

c) Nghiên cứu khảo sát

- Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu bề mặt chỉ tiêu thuật ngữ tiếng Anh “Response Surface Methods” (RSM), ứng dụng phần mềm minitab để xây dựng các phương trình hồi quy của hàm mục tiêu và khảo sát cực trị đa mục tiêu để xác định các thông số kỹ thuật của máy đốt nóng mặt đường

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

a) Ý nghĩa khoa học

Xác định được nhiệt độ đốt nóng cần thiết khi sửa chữa mặt đường là điều kiện cho việc nghiên cứu bài toán truyền nhiệt không ổn định từ máy xuống mặt đường bằng phương pháp PTHH và lý thuyết cháy của ngọn lửa trong khoang cháy, từ đó xác định được khoảng giá trị thông số làm việc của máy là cơ sở khoa học cho việc chế tạo máy đốt nóng

Thực nghiệm tại hiện trường và sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu bề mặt chỉ tiêu để xây dựng các phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu và khảo sát đồng thời đa mục tiêu là cơ sở khoa học cho việc xác định thông số làm việc của máy thỏa mãn yêu cầu của hàm mục tiêu

b) Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của luận án là tài liệu hướng dẫn vận hành máy đốt nóng khi thi công sửa chữa nhỏ mặt đường Cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo máy đốt nóng tại Việt Nam

6 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

a) Nghiên cứu lý thuyết

- Sử dụng phương pháp PTHH để giải bài toán truyền nhiệt không ổn định cho thiết bị máy đốt nóng mặt đường với các điều kiện biên của môi trường và đối tượng thi

nóng

b) Nghiên cứu thực nghiệm

- Xây dựng ma trận thực nghiệm, áp dụng mô hình bài toán quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu cho máy đốt nóng mặt đường để xác định các thông số làm việc hợp lý của máy

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Tổng quan về những hư hỏng nhỏ phổ biến của mặt đường BTN, tổng quan về công nghệ sửa chữa mặt đường BTN Xác định nhiệt độ và chiều sâu truyền nhiệt, xác định các điều kiện biên của môi trường truyền nhiệt Đánh giá tổng quan các kết quả nghiên cứu ở trong và ngoài nước về những vấn đề có liên quan đến luận án như nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong các lớp BTN, nghiên cứu các thông số kỹ thuật của máy đốt nóng mặt đường, nghiên cứu phương pháp gia nhiệt của máy đốt nóng mặt đường Thông qua việc phân tích các kết quả đã đạt được và định hướng nghiên cứu để nêu lên tính cấp thiết và hình thành các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học của quá trình truyền nhiệt và đặc trưng ngọn lửa trong khoang cháy

Xây dựng mô hình vật lý của quá trình truyền nhiệt, xác định các giả thiết của bài toán truyền nhiệt, xây dựng mô hình toán truyền nhiệt không ổn định từ máy đốt nóng xuống mặt đường có tính toán đến ảnh hưởng của các điều kiện biên của môi trường truyền nhiệt và đối tượng truyền nhiệt là môi trường BTN Thiết lập được phương trình ma trận truyền nhiệt bằng phương pháp PTHH Xây dựng mô hình toán để xác định nhiệt độ của tấm đốt nóng, khoảng cách đốt nóng, thời gian đốt nóng nhằm đạt được nhiệt độ BTN theo yêu cầu Nghiên cứu đặc trưng của ngọn lửa khí gas, xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ ngọn lửa theo chiều dài ngọn lửa, tốc độ dòng khí và lưu lượng khí cháy

Chương 3: Xác định các thông số làm việc của máy đốt nóng mặt đường thông qua nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt và lý thuyết cháy

Từ mô hình toán trong chương 2, xác định các thông số kích thước của tấm đốt

nhiệt đến nhiệt độ mặt đường khi đốt nóng, đánh giá ảnh hưởng của nhiệt lượng và khoảng cách truyền nhiệt của máy đốt nóng đến nhiệt độ mặt đường, xác định các thông

số làm việc của máy như nhiệt độ tấm đốt nóng, thời gian truyền nhiệt, khoảng cách truyền nhiệt thông qua việc khảo sát mô hình truyền nhiệt từ máy đốt nóng xuống mặt đường có ảnh hưởng của các điều kiện biên để đạt được nhiệt độ mặt đường theo yêu cầu, đồng thời mô phỏng giá trị nhiệt độ thông qua phần mềm Ansys để đánh giá độ tin cậy của giá trị được tính toán bằng lý thuyết

Nghiên cứu các thông số đặc trưng của ngọn lửa khí gas để xác định các thông

số của khoang cháy nhằm đạt được nhiệt độ của tấm đốt nóng

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm và xác định thông số làm việc hợp lý bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu

Xây dựng mô hình thực nghiệm bằng máy đốt nóng do Việt Nam chế tạo trên cơ

sở việc nghiên cứu lý thuyết Khảo sát đoạn đường hư hỏng, thực hiện quá trình đốt nóng mặt đường khi thay đổi các thông số đầu vào như: Nhiệt độ tấm đốt nóng, khoảng cách truyền nhiệt, tốc độ gió Thiết lập các thiết bị đo các thông số thay đổi và các đầu

đo cảm biến đo nhiệt độ mặt đường tại các chiều sâu khác nhau Sử dụng phần mềm để lưu dữ liệu đo nhiệt độ mặt đường

Xác định bộ dữ liệu ma trận thực nghiệm theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, xây dựng được các phương trình hồi quy của các hàm mục tiêu và tối ưu hóa đa mục tiêu theo phương pháp đáp ứng bề mặt để khảo sát điều kiện cực trị đồng thời của các hàm mục tiêu thông qua phầm mềm Minitab từ đó xác định các thông số đầu vào thỏa mãn các giá trị của hàm mục tiêu Trên cơ sở đó xác định được bộ thông số hợp lý làm việc của máy

1.1 Tổng quan về những hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa

1.1.1 Các biến dạng nứt mặt đường bê tông nhựa

1.1.1.1 Nứt dọc, ngang tuyến đường

- Nứt dọc là các vết nứt song song với đường tâm của mặt đường hoặc theo hướng nền đường Đây có thể là kết quả của hiện tượng mỏi mặt đường, hoặc kết cấu liên kết kém Khe nối thường là khu vực có độ dày bé nhất của mặt đường, các đường nứt dọc thường xuất hiện ở chỗ tiếp giáp giữa các vệt rải khi thi công BTN (chỗ tiếp giáp bị bẩn,

bị ẩm khi rải hoặc chỗ tiếp giáp với lề gia cố) Các đường nứt dọc gần mép phần xe chạy còn có thể xuất hiện các nhánh nứt ngang lan ra phía lề mặt đường

- Vết nứt ngang là các vết nứt đơn vuông góc với đường tâm của mặt đường hoặc hướng nằm của mặt đường Các vết nứt ngang có thể do các vết nứt phản xạ từ lớp bên dưới, chu kỳ nhiệt độ hàng ngày và kết cấu liên kết kém do máy rải hoạt động không đúng cách hoặc thảm phủ trên lớp bê tông có khe co giãn Nứt phản ánh do nứt lan truyền từ lớp móng gia cố xi măng khi bề dày lớp mặt BTN phía trên không đủ Nứt loại này thường là các vết nứt ngang phần xe chạy và với khoảng cách nhất định giữa các vết nứt Hình dạng hư hỏng của các vết nứt được mô tả trong hình 1.1

Hình 1.1 Các vết nứt dọc và ngang tuyến đường

*) Chỉ số nứt dọc LC

Đối với dạng nứt chạy dọc theo trục của tuyến đường LC (Longitudinal

Cracking), mức độ hư hỏng mặt đường được đánh giá theo bề rộng vết nứt t (mm) Hư hỏng dạng LC được đánh giá là loại L nếu t < 6 mm, loại M nếu 6 mm < t < 19 mm, và loại H nếu t > 19 mm Theo [30] các kích thước hư hỏng được mô tả trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt dọc mặt đường

1 Chiều dài vết nứt < 0,75 m 0,75 ÷ 1,25 m >1,25 m

Vỉa hè Vết nứt dọc mép ngoài Vết nứt dọc mặt đường

Vỉa hè Vết nứt ngang mặt đường

Lớp bê tông nhựa Mép mối nối

Bề rộng vết nứt Chiều sâu vết nứt

được đánh giá theo bề rộng vết nứt t (mm) Theo kết quả tính toán từ [30] ta có bảng 1.2

Bảng 1.2 Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt ngang mặt đường

1 Chiều dài vết nứt < 0,45 m 0,45 ÷ 1 m >1m

1.1.1.2 Hư hỏng nứt dạng lưới

Hình 1.2 Biến dạng nứt dạng mai rùa

- Nứt mai rùa (nứt cá sấu) nguyên nhân do bề mặt các lớp nền móng quá mỏng, không đủ cường độ, bão hòa nước hoặc cả kết cấu nền mặt đường không đủ cường độ chịu tải trọng xe Nhựa bị lão hóa cũng là một nguyên nhân gây ra loại nứt này Loại hư hỏng này thường bắt đầu như nứt dọc và kết thúc là nứt cá sấu sau khi gặp tải trọng nặng

hư hỏng nứt dạng mai rùa được mô tả trong hình 1.2

- Nứt bẻ khóa khối là các vết nứt khối trông giống như các hình chữ nhật lớn nối liền nhau Nứt khối không liên quan đến tải trọng, mà thường do sự co ngót của mặt đường nhựa do chất kết dính nhựa đường không có khả năng giãn nở và co lại theo chu

kỳ nhiệt độ

Hình 1.3 Biến dạng nứt bẻ khóa khối

- Nứt phản ánh: Các vết nứt xuất hiện khi lớp kết cấu bên dưới mặt đường bị nứt (lớp móng dưới bị nứt hoặc thảm chồng lên lớp BTN cũ đã bị nứt không được xử lý),

Vết nứt mai rùa bắt đầu hình

thành Vết nứt mai rùa

Vết nứt mới hình thành

Vĩa hè

thảm trên tấm bê tông xi măng khi chịu tác dụng của bánh xe lớp mặt đường BTN bên trên chịu các ứng suất kéo và có thiên hướng sao chép vết nứt đã hình thành trong các lớp bên dưới

- Phân tích kích thước hư hỏng nứt dạng lưới theo [30], biến dạng lưới có kích thước theo bề rộng cạch trung bình d, mm và độ sâu vết nứt trung bình t, mm

Hình 1.4 Xác định các kích thước phổ biến của vết nứt dạng lưới

Theo [30], Ta có bảng tổng hợp giá trị phần trăm các loại hư hỏng dạng mắt lưới như bảng 1.3 sau:

Bảng 1.3 Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt dạng lưới mặt đường

1 Diện tích < 0,5 m2 0,5 ÷ 1 m2 >1 m2

1.1.2 Các hư hỏng bề mặt lớp bê tông nhựa

1.1.2.1 Bong tróc và bong bật mặt đường

Hình 1.5 Bong tróc lớp bề mặt BTN trên mặt đường

Bong tróc vật liệu lớp mặt do tính dính kết của chất kết dính trong hỗn hợp BTN không đảm bảo, thường xảy ra khi có nước giữa bề mặt hạt cốt liệu và màng nhựa đường xung quanh Khả năng dính bám giữa bề mặt hạt cốt liệu và nhựa đường phụ thuộc vào

Cơ sở phân chia cấp độ hư hỏng

thông, công nghệ thi công, công nghệ chế tạo hỗn hợp BTN và phụ gia dính bám sử dụng khi chế tạo hỗn hợp BTN

1.1.2.2 Hư hỏng dạng ổ gà dạng nhỏ

Hiện tượng mặt đường bị bong lớp BTN dưới tác dụng của nước dẫn đến tình trạng rời rạc bề mặt đường do nhựa đường bị tách khỏi cốt liệu hình thành các vệt bong tróc và tạo thành các ổ gà, gây ra các vết lõm trên mặt đường được mô tả trên hình 1.6

bị bong tróc, bong bật và mài mòn cục bộ; 6 Sửa chữa chỗ mặt đường bị lún, nứt dạng khối, nứt hình parabol; 7 Sửa chữa các chỗ bị đẩy trồi nhựa, dồn nhựa quy mô nhỏ

Để thực hiện quá trình sửa chữa nhỏ mặt đường có thể áp dụng công nghệ sửa

chữa nóng bằng phương pháp đốt nóng hóa mềm mặt đường

1.2 Giới thiệu về công nghệ và máy sửa chữa mặt đường

1.2.1 Công nghệ sửa chữa mặt đường BTN

Sửa chữa nhỏ mặt đường là quá trình khắc phục các hư hỏng nhỏ trên mặt đường như vá các ổ gà, bong tróc, mất vật liệu trên mặt đường nhằm trả lại độ bằng phẳng và

ổn định cho mặt đường, công nghệ sử dụng để sửa chữa nhỏ mặt đường như:

1.2.1.1 Công nghệ sửa chữa nguội mặt đường BTN

Tại vị trí mặt đường bị hỏng, sẽ được dùng thiết bị chuyên dụng để cắt và cào bóc lớp BTN hỏng, làm sạch mặt đường cũ, sau đó rải lớp BTN mới, thực hiện đầm lèn

Độ sâu của ổ gà Độ sâu của ổ gà

Các vết ổ gà trên mặt đường 10 cm

Vỉa hè

hình 1.7

Hình 1.7 Công nghệ vá nguội mặt đường BTN

Theo TCCS 07: 2013/TCĐBVN của Tổng cục đường bộ về bảo dưỡng thường xuyên đường bộ thì các hư hỏng nhỏ mặt đường thường được xử lý như sau:

a) Khi vá ổ gà, vá các vết vỡ mép mặt đường có chiều sâu ≤ 8 cm trên mặt đường BTN sử dụng hỗn hợp đá trộn nhựa pha dầu hoặc BTNN theo trình tự sau:

- Dùng máy cắt bê tông cắt vuông góc, sắc nét và đào sâu tới đáy chỗ hư hỏng

- Lấy hết vật liệu rời rạc trong khu vực vừa cắt, quét và chải sạch bụi đảm bảo chỗ vá phải sạch, khô

- Tưới nhựa dính bám (lượng nhựa từ 0,5÷0,8 kg/m2) lên chỗ vá sửa, lưu ý tưới

cả dưới đáy và xung quanh thành chỗ vá Trường hợp sử dụng nhựa lỏng (TCVN 1:2022) hay nhũ tương (TCVN 13567-1-2-3:2022), chờ nhựa dính bám phân tách xong

13567 Rải hỗn hợp BTNN hay hỗn hợp nguội sử dụng nhựa pha dầu, nhũ tương hay một loại hỗn hợp nguội được chấp thuận, san phẳng kín chỗ hỏng Chiều dày lớp rải phụ thuộc vào chiều sâu hố đào

- Đầm lèn phần vật liệu rải bằng thiết bị thích hợp đạt độ chặt quy định, hệ số lèn ép 1,3

b) Khi vá ổ gà, vá các vết vỡ mép mặt đường với chiều sâu ổ gà, vết vỡ > 8 cm trên mặt đường đá dăm láng nhựa hoặc thấm nhập nhựa, theo trình tự sau:

- Dùng cuốc chim, xà beng cuốc sửa cho vuông thành sắc cạnh và đào sâu tới đáy

vị trí hư hỏng;

a

- Rải đá 40/60 hoặc đá 20/40, san phẳng và căn cứ hệ số lèn ép 1,3 để khi đầm

chặt lớp đá dăm thì mặt lớp đá thấp hơn mặt đường cũ khoảng 3 cm;

- Dùng đầm cóc đầm chặt lớp đá dăm;

- Rải hỗn hợp đá trộn nhựa pha dầu hoặc BTNN và san phẳng, chiều dày san rải

phụ thuộc vào chiều sâu còn lại của hố và theo hệ số lèn ép 1,3;

- Rắc đá mạt kích cỡ 2÷5 mm hoặc cát sạn, cát vàng phủ đều kín lớp hỗn hợp đá

nhựa để chống dính, lượng đá 4÷5 lít/m2;

- Đầm bằng thiết bị thích hợp để đạt độ chặt cần thiết

1.2.1.2 Công nghệ sửa chữa nóng mặt đường bê tông nhựa

Theo [46] Công nghệ này được mô tả trong hình 1.8 như sau:

Hình 1.8 Các công đoạn gia nhiệt và xới trộn mặt đường BTN đã mềm hóa

Công nghệ này gồm các bước sau:

- Bước 1: Vệ sinh khu vực mặt đường cần sửa chữa

Quét sạch bụi đất, bùn lỏng hoặc hút nước đọng, sử dụng thiết bị vệ sinh và hút

nước làm khô tại các vị trí ổ gá vết nứt cần sửa chữa

Duy trì 5-10 phút đốt nóng

a

Bức xạ nhiệt xuống mặt đường

a

Mặt đường được mềm hóa

Di chuyển máy đến vị trí cần sửa chữa, đặt tấm đốt nóng hồng ngoại, gia nhiệt mặt đường đạt 150-170 oC, trong quá trình gia nhiệt phải đảm bảo nhiệt độ không làm cháy lớp BTN đồng thời hóa mềm nhựa đường để có thể cào bóc lên bằng dụng cụ thủ công đồng thời đảm bảo sự dính kết với hỗn hợp BTN bổ sung

- Bước 3: Xới trộn mặt đường BTN cũ tại vị trí gia nhiệt

Sau khi gia nhiệt mặt đường, tiến hành cào bóc, xới đều mặt đường cũ bằng cách

sử dụng cào thủ công, hoặc sử dụng máy xới trộn

- Bước 4: Bổ sung vật liệu BTN mới

Bổ sung BTN cho vùng mặt đường cần sửa chữa nhằm đảm bảo chiều dày của lớp mặt sửa chữa so với mặt đường hiện hữu, tiến hành san gạt phẳng và đầm lèn

1.2.2 Giới thiệu về các máy đốt nóng cỡ nhỏ trên thế giới và Việt Nam

1.2.2.1 Các máy đốt nóng cỡ nhỏ trên thế giới

Hiện nay trên thế giới rất nhiều nước sử dụng công nghệ đốt nóng để sửa chữa nhỏ mặt đường như: sửa chữa hư hỏng bong tróc mất vật liệu, sửa chữa vết nứt dọc, ngang, vết trồi lún Quá trình sửa chữa, tái chế nóng mặt đường được thực hiện đồng bộ bao gồm: máy đốt nóng, trạm trộn BTN cơ động, máy đầm mini Các thông số kỹ thuật

cơ bản của một số dòng máy trên thế giới được trình bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của một số dòng máy đốt nóng điển hình trên thế giới

1 Máy ARS (Mỹ)

- LxWxH: 208 x 165 x 99 cm

- Diện tích vùng nhiệt: 122 x 92 cm

- Nhiệt độ làm việc: 150-170 oC

- Thời gian gia nhiệt: 5 phút

- Nhiên liệu: propane – butane

- Năng lượng: 250,000 BTU

- Nhiên liệu: diesel, khí đốt propan

- Điều khiển tự động quá trình đốt nóng

3 Máy HDE P200

(Canada)

- Năng lượng: 200,000 BTU

- LxWx H: 157 x 113 x 87 cm

- Diện tích vùng nhiệt: 122 x 92 cm

- Nhiệt độ làm việc: 140-170 oC

- Thời gian gia nhiệt: 5-10 phút

- Nhiên liệu: propane – butane

- Thời gian gia nhiệt: 8-10 phút

- Nhiên liệu: Propane,

- Thời gian gia nhiệt: 8-10 phút

- Nhiên liệu: Gas

- Khối lượng: 78 kg

1.2.2.2 Tình hình khai thác máy đốt nóng ở Việt Nam

Năm 2017 công ty Cổ phần đầu tư HSB đã nhập thiết bị máy đốt nóng mặt đường

mã hiệu LJ80 của hãng Guangdong(Trung Quốc), hình 1.9

Hình 1.9 Thi công thử nghiệm máy LJ-80 (Trung Quốc)

Máy đốt nóng có các thông số:

+ Nhiệt độ đốt nóng 120 oC ÷140 oC + Kích thước máy: 800x550x300 mm + Thời gian truyền nhiệt: 5÷7 phút

+ Suất tiêu hao nhiên liệu, 6-7 kg/h

- Thiết bị được thi công thử nghiệm tại Nghệ An, theo quy trình của hãng cung cấp, áp dụng cho mặt đường BTN sử dụng nhựa 60/70 Gia nhiệt mặt đường với thời gian 7 phút thì nhiệt độ mặt đường với chiều sâu 3 cm đạt nhiệt độ 1200 C, thời gian gia nhiệt lâu dẫn tới lớp bề mặt có dấu hiệu bị quá nhiệt

Sau khi thi công thử nghiệm và đánh giá chất lượng mặt đường cùng thực tế thi công thiết bị này có những hạn chế như sau:

- Diện tích đốt nóng nhỏ, chưa phù hợp với những hư hỏng có diện tích rộng, hoặc vết nứt kéo dài, không thay đổi được kích thước tấm đốt nóng nên phạm vị làm việc của máy bị ảnh hưởng

- Trong quá trình vận hành sự tổn hao nhiệt lớn dẫn tới mức tiêu hao nhiên liệu lớn khoảng 7,5 kg/h so với thông số mà hãng công bố khoảng 6-7 kg/h

- Sự cách nhiệt kém, máy hoạt động một thời gian trung bình khoảng 30 phút thì nhiệt độ bình gas và bộ điều khiển khá nóng mất an toàn và giảm tuổi thọ của máy

Sản phẩm chế tạo máy đốt nóng của đề tài NCKH cấp bộ GTVT năm 2020 [8] Máy đã thực nghiệm và bước đầu đã đáp ứng được việc gia nhiệt mặt đường BTN theo yêu cầu đề ra Tuy nhiên, kích thước tấm đốt nóng của máy quá nhỏ và chưa được đề cập đến việc xác định các thông số làm việc hợp lý của máy trên cơ sở nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt để mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật

- Với việc thử nghiệm máy chưa mang lại kết quả như kỳ vọng, đòi hỏi để sử dụng máy thành công tại Việt Nam, cần có quá trình nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong điều kiện môi trường Việt Nam, tương ứng với kết cấu mặt đường từ đó xác định được thông số làm việc hợp lý của máy như: nhiệt độ đầu vào; thời gian truyền nhiệt; khoảng cánh gia nhiệt…nhằm đảm bảo chất lượng mặt đường và tiết kiệm nhiên liệu

1.2.3 Giới thiệu về máy đốt nóng MĐN.01 chế tạo tại Việt Nam

1.2.3.1 Đặc điểm cấu tạo của máy đốt nóng

- Máy có ký hiệu là MĐN.01, MĐN.01 là sản phẩm của đề tài NCKH cấp trường trọng điểm mã số T2020-PH11-004TĐ do NCS thực hiện trong quá trình làm luận án Máy MĐN.01 đã được thiết kế, chế tạo và hoàn thiện các thông số kỹ thuật trong quá trình nghiên cứu Máy MĐN.01 chính là đối tượng nghiên cứu của luận án

- Máy có kết cấu nhỏ gọn tấm đốt nóng có diện tích ≤ 1 m2, bình nhiên liệu dùng khí gas, máy có lắp 4 bánh xe bằng kim loại, di chuyển do công nhân đẩy đi khi thi công

Để đảm bảo tính linh hoạt trong quá trình thi công NCS đưa ra phương án thiết kế máy bao gồm 2 khối gia nhiệt ghép với nhau, gồm các bộ phận cơ bản: tấm đốt nóng, hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống di chuyển hệ thống điều khiển Cấu tạo máy MĐN.01 được mô tả trên hình 1.10

Hình 1.10 Hình ảnh máy đốt nóng mặt đường MĐN.01 1.2.3.2 Nguyên lý và các thông số làm việc của máy đốt nóng

Đẩy máy đốt nóng đến vị trí mặt đường hư hỏng, điều chỉnh van lưu lượng khí

từ bình gas, khí gas sẽ được hòa trộn với không khí thông qua quạt gió, lượng không khí hòa trộn được điều chỉnh bằng cửa nạp khí của quạt gió Hỗn hợp khí cháy (khí gas và không khí) được thổi vào khoang cháy tại đây bộ phận đánh lửa sẽ đốt cháy hỗn hợp khí Ngọn lửa sẽ đốt nóng tấm gốm nhiệt, bức xạ hồng ngoại từ các tấm gốm được đốt nóng sẽ truyền nhiệt xuống mặt đường, hình 1.11

Hình 1.11 Quá trình đốt nóng tấm đốt nóng của máy MĐN.01

1 Gốm hồng ngoại, 2 Bộ phận đánh lửa, 3,5 Lớp cách nhiệt, 4 Vỏ máy, 5 Ống phun,

Sau khi làm mềm hóa theo nhiệt độ cho phép, BTN mặt đường sẽ được cào xới

và trộn đều với hỗn hợp BTN mới bổ sung, sau đó đầm lèn để tạo nền mặt đường sửa chữa tái chế nóng tại chỗ

1.2.3.3 Tiêu chí đánh giá các thông số hợp lý máy đốt nóng

a) Kích thước máy: Đảm bảo tính nhỏ gọn có thể di chuyển bằng cách đẩy tay,

đồng thời kích thước tấm đốt nóng phải thỏa mãn có thể sửa chữa được nhiều các hư

liệu thống kê các kích thước hư hỏng nhỏ phổ biến của mặt đường

b) Thể tích khoang cháy: Không gian của khoang cháy là nơi tạo ra ngọn lửa khí

cháy đốt nóng tấm gốm hồng ngoại Do vậy, thể tích của khoảng cháy sẽ quyết định giá trị nhiệt độ của tấm đốt Việc xác định thể tích của khoang cháy phải dựa trên cơ sở nghiên cứu về đặc trưng nhiệt của ngọn lửa khí cháy và tấm gốm hòng ngoại

c) Đường kính ống phun: Đường kính ống phun sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng, áp

lực của dòng khí cháy Nên cần xác định đường kính ống phun phù hợp để đảm bảo được nhiệt độ của tấm đống nóng

d) Khoảng cách truyền nhiệt: là khoảng cách theo từ bề mặt tấm đốt nóng xuống

bề mặt hư hỏng của mặt đường theo phương thẳng đứng Khoảng cách truyền nhiệt có ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt từ máy đốt nóng xuống mặt đường Vì vậy, cần phải xác định giá trị khoảng cách hợp lý để đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt đồng thời giúp cho máy di chuyển thuận lợi

e) Nhiệt độ tấm đốt nóng: là nhiệt độ được tạo ra từ quá trình đốt nóng tấm gốm

hồng ngoại của ngọn lửa khí cháy Nhiệt độ tấm đốt nóng sẽ quyết định quá trình gia nhiệt cho mặt đường Nên cần phải xác định nhiệt độ hợp lý của máy đốt nóng để đảm bảo nhiệt độ của mặt đường khí đốt nóng

f) Thời gian gia nhiệt: Đây là thông số vận hành quan trọng ảnh hưởng tới nhiệt

độ đốt nóng của mặt đường, vì vậy xác định thời gian gia nhiệt để đảm bảo nhiệt độ mặt đường không bị cháy (quá nhiệt) và đủ nhiệt để mềm hóa BTN đảm bảo quá trình tái chế đạt chất lượng tốt

g) Mức tiêu hao nhiên liệu: Đây là thông số đánh giá mức độ hiệu quả kinh tế

vận hành máy Cần xác định giá trị mức tiêu nhiên liệu bé nhất đồng thời vẫn thỏa mãn các yêu cầu về nhiệt độ cần đốt nóng của mặt đường

1.3 Xác định nhiệt độ và chiều sâu truyền nhiệt cần thiết cho mặt đường

1.3.1 Xác định khoảng nhiệt độ cần thiết để đốt nóng mặt đường

Cơ sở khoa học để xác định khoảng nhiệt độ đốt nóng mặt đường (cho đối tượng nghiên cứu là MĐN mặt đường) được dựa theo tiêu chuẩn TCVN 13567-1-2-3:2022, Quyết định 858/QĐ-BGTVT và quá trình thí nghiệm với mặt đường BTN [46]

Mục tiêu của việc đốt nóng là làm mềm chảy, phân rã vùng mặt đường BTN bị

hư hỏng, nên quá trình đốt nóng cần đạt đến chiều sâu truyền nhiệt phù hợp nhằm đảm bảo sửa chữa triệt để vùng hư hỏng của mặt đường

Trong quá trình đốt nóng mặt đường cần đạt được nhiệt độ phù hợp để vẫn đảm bảo chất lượng của lớp BTN trong từng giai đoạn sửa chữa mặt đường như: Giai đoạn đốt nóng mềm chảy BTN; giai đoạn xới mặt đường BTN sau khi được mềm hóa; giai

lèn Tùy theo các thành phần hạt cốt liệu và phụ gia mà nhiệt độ đốt nóng BTN có sự khác nhau, nên việc xác định nhiệt độ cần đạt được của mặt đường bằng thực nghiệm trên cơ sở các tiêu chuẩn

- Theo TCVN 13567-1-2-3:2022-Giá trị nhiệt độ cần đạt được ứng với các giai

đoạn khác của quá trình thi công mặt đường BTN được nêu cụ thể trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Nhiệt độ quy định của hỗn hợp BTN tương ứng với giai đoạn thi công

Giai đoạn thi công

Nhiệt độ quy định tương ứng với mác nhựa đường, o C

1 Trộn hỗn hợp BTNN trong thùng trộn 155÷165 150÷160

2 Xả hỗn hợp BTNN vào thùng xe ô tô (hoặc

3 Đổ hỗn hợp BTNN từ xe vào phễu máy rải ≥130 ≥125

5 Kết thúc lu lèn (lu lèn không hiệu quả nếu

6 Nhiệt độ thí nghiệm tạo mẫu Marshall:

- Vậy, theo TCVN 13567-1-2-3:2022 thì nhiệt độ mặt đường BTN cần đạt được khoảng nhiệt thỏa mãn cả hai loại nhựa đường, 40/50 và 60/70 là: 120 oC ÷165 oC

- Quyết định 858/QĐ-BGTVT của Bộ GTVT nêu chi tiết các nội dung liên quan

đến kiểm soát nhiệt độ ở các khâu thi công theo bảng 1.6

Bảng 1.6 Nhiệt độ các khâu sản xuất và thi công BTN chặt ( o C)

TT Các khâu công nghệ Mác nhựa đường sử dụng

Nhiệt độ rải BTNN tương ứng

khi nhiệt độ bề mặt lớp dưới là

- TCVN 13567-1-2-3:2022 và Quyết định 858/QĐ-BGTVT của Bộ GTVT quy

định nhiệt độ của sản phẩm BTN sản xuất từ trạm trộn và thi công mới mặt đường, đối

tượng mặt đường được đề cập trong luận án là mặt đường cũ đã hư hỏng Do vậy, cần

tham khảo thêm giá trị nhiệt độ từ phòng thí nghiệm đối với mặt đường hư hỏng làm căn cứ, theo [46] trong quá trình thực nghiệm đốt nóng mặt đường BTN luận án xác định nhiệt cháy của hỗn hợp BTN cũ là 220 ÷ 350 oF ≈ 104÷ 177 oC

Để xác định khoảng nhiệt độ cần đạt được cho quá trình tái chế nóng lại mặt đường cũ (hư hỏng) ta cần nghiên cứu kết hợp 3 nội dung:

1 Nhiệt độ BTN đạt được theo yêu cầu của các giai đoạn thi công theo tiêu chuẩn TCVN 13567-1-2-3:2022, bảng 1.5;

2 Theo quyết định 858/QĐ-BGTVT của Bộ GTVT, hướng dẫn áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường BTN, bảng 1.6;

3 Vùng nhiệt độ thí nghiệm mặt đường BTN cũ theo [46]

- Căn cứ theo các tài liệu pháp lý trên ta thấy rằng: để đảm bảo chất lượng của lớp BTN mặt đường cũ với loại nhựa đường thông dụng 60/70; 40/50 khi được đốt nóng đồng thời đạt được nhiệt độ tại các giai đoạn thi công như: Cào xới, trộn với lớp BTN

bổ sung và đầm lèn thì nhiệt độ lớp BTN cũ cần được đốt nóng với nhiệt độ từ 104 o C đến 177 o C, đây là nhiệt độ cho phép đốt nóng của hỗn hợp BTN mặt đường tái chế,

đồng thời là điều kiện của bài toán truyền nhiệt

1.3.2 Xác định chiều sâu cần đốt nóng

Quá trình đốt nóng mặt đường nhằm xử lý triệt để các vết nứt và thuận tiện trong quá trình xới trộn mặt đường nên chiều sâu cần đốt nóng cần đạt được theo chiều dày của các lớp BTN nhựa mặt đường

Theo [1] kết cấu áo đường mềm được thiết kế 2 lớp bao gồm các thông số chiều dày theo bảng 1.6: Lớp trên mặt là BTN hạt mịn (BTN chặt cỡ hạt mịn 12,5 mm); lớp thứ 2 là lớp BTN hạt trung (BTN rỗng cỡ hạt trung 19 mm) với chiều dày được thiết kế các kích thước độ dày các lớp BTN thiết kế đươc mô tả trong bảng 1.7 sau:

Bảng 1.7 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt (BTNC)

Lớp mặt dưới

Vỉa hè, làn dành cho xe đạp, xe thô sơ

Cấu trúc của mặt đường BTN điển hình với chiều dày các lớp vật liệu được mô

tả trên hình 1.12:

Hình 1.12 Cấu tạo, chiều dày các lớp BTN mặt đường

Như vậy, trong quá trình sửa chữa những hư hỏng của mặt đường, lớp BTN dễ

hư hỏng nhất là lớp bề mặt có chiều dày 5 cm và chiều dày xới trộn khi sửa chữa cần

đạt được độ sâu là 5 cm cần đạt nhiệt độ từ 104 o C đến 177 o C, thông số này là cơ sở

cho việc mô hình hóa các phần tử truyền nhiệt bằng phương pháp PTHH

1.3.3 Xác định các hệ số vật lý đặc trưng truyền nhiệt của vật liệu bê tông nhựa lớp mặt đường

Để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong lớp BTN mặt đường ta cần xác định các thông số truyền nhiệt đặc trưng của vật liệu BTN như: nhiệt dung, khối lượng riêng,

hệ số dẫn nhiệt, hệ số tỏa nhiệt và sự phân bố nhiệt độ hiện trạng của mặt đường BTN

1.3.3.1 Nhiệt dung của vật liệu bê tông nhựa:

Nhiệt dung Cp, J/kg.oC của vật liệu BTN phụ thuộc đặc điểm từng loại BTN có cấu trúc và thành phần vật liệu khác nhau và giá trị nhiệt dung cũng phụ thuộc vào nhiệt

độ hiện hữu của BTN theo [54] ta có bảng giá trị nhiệt dung theo loại BTN và nhiệt độ được mô tả trong bảng 1.8 sau:

Bảng 1.8 Giá trị nhiệt dung của BTN theo nhiệt độ và loại BTN mặt đường

1.3.3.2 Khối lượng riêng:

Theo tiêu chuẩn TCVN 8860-5: 2011, tính trung bình dựa trên quy định về tỷ lệ

% các thành phần vật liệu trong hỗn hợp BTNC

Bảng 1.9 Giá trị tỷ trọng của các loại BTNC

Loại BTN BTNC 9,5 BTNC 12,5 BTNC 19 BTNC 4,75

1.3.3.3 Hệ số dẫn nhiệt:

Theo [54] hệ số dẫn nhiệt của BTN được tính toán theo công thức:

Với k là hệ số dẫn nhiệt (W/m.K); Q là nhiệt lượng (W/m·oC); T1 là nhiệt độ đo

ban đầu (oC); T2 là nhiệt độ đo được cuối cùng (oC); t1 là thời gian đo ban đầu (giây), và

t2 là thời gian đo cuối cùng (giây) Đồ thị hình 1.13 mô tả giá trị hệ số dẫn nhiệt theo

nhiệt độ và loại vật liệu BTN

Hình 1.13 Hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ và thành phần cấp phối BTN

Theo [54] ở nhiệt độ môi trường 35 oC ta có hệ số dẫn nhiệt của lớp BTN mịn k1 =

1,0416 W/m.oC; hệ số dẫn nhiệt của lớp BTN thô k2 = 1.1515 W/m.oC

1.3.3.4 Hệ số tỏa nhiệt của vật bê tông nhựa

- Hệ số tỏa nhiệt của BTN theo [54] là: h = 2.4466×10-2 (J/mm2.h oC) = 25,5,

W/m2 Tích hợp các thông số truyền nhiệt đã được xác định ta lập được bảng các hệ số

truyền nhiệt đặc trưng theo bảng 1.10 như sau:

Bảng 1.10 Các thông số truyền nhiệt của mặt đường BTN

Tỷ trọng, δ, kg/m3

Nhiệt dung, c, J/kg.oC

Hệ số dẫn nhiệt,

k, W/m.oC

Hệ số tỏa nhiệt, h, h (W/m2 oC)

1.4 Điều kiện biên về môi trường ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt

1.4.1 Xác định nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa mặt đường trước khi đốt nóng

Trong quá trình giải bài toán truyền nhiệt, yếu tố nhiệt lượng tồn tại hiện hữu

trong mặt đường có ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt từ MĐN, vì vậy khi xét điều

Thông số

Vật liệu

(1.1)

kiện biên của bài tốn truyền nhiệt, luận án cần xác định nhiệt độ hiện hữu của mặt đường Nhiệt độ các lớp BTN mặt đường phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu khu vực Tại khu vực Tp Hồ Chí Minh (phạm vi của luận án) mặt đường BTN chịu nhiệt độ cao từ 6 giờ đến 7 giờ (chiếu nắng) mỗi ngày và nhiệt độ mặt đường cĩ thể lên đến 65oC

Để khảo sát nhiệt độ hiện trạng trong các lớp BTN mặt đường NCS đã tiến hành lắp đầu

đo nhiệt độ mặt đường trên đường Lê Văn Việt khu vực trước cổng trường Phân hiệu Trường Đại học Giao thơng Vận tải tại thành phố Hồ Chí Minh, 450 Lê Văn Việt, Tp Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh theo sơ đồ hình 1.14 như sau:

Hình 1.14 Vị trí đặt đầu đo nhiệt độ theo chiều sâu mặt đường

Xét kết cấu đường ơ tơ với lớp mặt đường BTN dày 12 cm, lớp cấp phối đá dăm dày 30 ÷ 40 cm, nền đường đối tượng sửa chữa cĩ BTN cũ đã xuống cấp Đặt các đầu

đo theo sơ đồ hình 1.14 với đầu đo T0 đo nhiệt độ khơng khí trên mặt đường; Tw1 đo nhiệt độ ở độ sâu 2cm; Tw2 đo nhiệt độ ở độ sâu 4 cm; Tw3 đo ở độ sâu 5 cm; Tw4 đo ở

độ sâu 6 cm; Tw5 đo ở độ sâu 8 cm; Tw6 đo ở độ sâu 10 cm; Tw7 đo ở độ sâu 12 cm;

Dữ liệu được truyền về thiết bị đọc dữ liệu và gửi dữ liệu khơng dây về máy tính

Kết quả khảo sát cho thấy nhiệt độ phân bố theo chiều sâu của mặt đường thay đổi theo thời gian chiếu sáng của mặt trời cao điểm từ thời gian 11h đến 17h; để đảm bảo nhiệt

độ tính tốn nhiệt lượng trong các lớp BTN ta lấy giá trị trung bình nhiệt độ tại các lớp

BTN như sau: trên bề mặt T 0 = 35 o C; độ sâu 2 cm nhiệt độ T w1 =40 o C; độ sâu 3 cm nhiệt độ T w2 = 39 o C; độ sâu 5 cm T w3 = 37 oC

1.4.2 Điều kiện biên về độ ẩm và giĩ

Độ ẩm của lớp mặt đường BTN chịu ảnh hưởng của độ ẩm tương đối khí hậu thành phố Hồ Chí Minh (theo tài liệu khí tượng thủy văn khu vực thành phố Hồ Chí Minh lấy từ các trạm quan trắc và tổng hợp các điều kiện khí tượng thủy văn) cĩ các giá trị sau:

MẶT CẮT BỐ TRÍ ĐẦU ĐO NHIỆT ĐỘ

ĐẦU ĐO NHIỆT ĐỘ

TỈ LỆ 1:10

20 20

ĐƠN VỊ: MM

MẶT BẰNG BỐ TRÍ LỖ KHOAN

TÔNG NHỰA

TỈ LỆ 1:30

- Độ ẩm không khí tương đối trung bình năm: 79.4%

- Độ ẩm không khí tương đối cao nhất: 85%

- Độ ẩm không khí tương đối thấp nhất: 66%

- Độ ẩm không khí tương đối cao nhất vào các tháng mùa mưa (từ 82%-85%) và thấp nhất vào các tháng mùa khô (từ 71%-76%) Lượng mưa trung bình năm 1949 mm

Số ngày mưa trung bình/năm là 159 ngày

- Độ ẩm của lớp BTN mặt đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đặc tính kháng nước của vật liệu BTN, điều kiện về thời tiết của khu vực mặt đường (nhiệt độ và lượng mưa) Trong quá trình khảo sát đánh giá, giá trị độ ẩm thường lấy giá trị trung bình với mặt đường BTN ở độ sâu từ 2cm đến 7cm được xác định [19] giá trị độ ẩm trung bình của mặt đường BTN là 60 %

Số liệu về vận tốc gió trung bình tháng được trích ra từ bảng 1.11 theo [5] vận tốc gió trung bình tháng nóng nhất của 12 trạm/địa phương đều có giá trị nhỏ hơn 5 m/s,

dữ liệu này là cơ sở để xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt đường khi đốt nóng Khu vực Tp Hồ Chí Minh có 2 hướng gió chính (gió Đông-Nam, Tây-Tây Nam) lần lượt xen kẽ nhau từ tháng 5-tháng 10, không có hướng gió nào chiếm ưu thế, tốc độ gió trung bình năm 2,4 m/s

Bảng 1.11 Vận tốc gió trung bình tháng nóng nhất V tb và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt ngoài α đl

1.5.1 Các công trình nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt trong bê tông nhựa

Các công trình nghiên cứu liên quan đến tính toán quá trình truyền nhiệt trong môi trường BTN, bao gồm các công trình sau:

- Công trình [51], tác giả Cedric Vuye và cộng sự đã nghiên quá trình hấp thụ nhiệt độ của BTN, từ đó đưa ra phương án sử dụng nguồn năng lượng nhiệt mặt đường phục vụ trong cuộc sống, thiết lập các chế độ truyền nhiệt khác nhau, bao gồm dẫn nhiệt,

hấp thụ và phản xạ bức xạ mặt trời, hấp thụ và phản xạ bức xạ sóng dài, phát xạ bức xạ sóng dài và đối lưu, tác giả sử dụng các lý thuyết truyền nhiệt để xây dựng phương trình truyền nhiệt Để nghiên cứu quá trình truyền nhiệt trong BTN tác giả đã xây dựng mô hình thực nghiệm được bố trí các đường ống trao đổi nhiệt di chuyển ngang trên mặt đường Tác giả đã mô phỏng nhiệt độ bằng phần mềm và so sánh giữa dữ liệu thực nghiệm và kết quả mô phỏng để đánh giá độ tin cậy của mô hình tính hình 1.15

Hình 1.15 Nhiệt độ tại các đầu đo và nhiệt độ mô phỏng bằng mô hình toán

Qua nghiên cứu tác giả cho rằng nhiệt độ đầu ra của mô hình là một hàm của thời gian Nhiệt độ không khí của mối trường cũng được xét đến, cho thấy quá trình trao đổi nhiện giữa vật liệu BTN với môi trường chậm hơn so với môi trường xung quanh Biểu

đồ này cũng mô tả ảnh hưởng của độ sâu của đường ống

Tác giả đánh giá quá trình truyền nhiệt giữa các môi trường đống nhất và đẳng hướng như BTN, ống kim loại, và nước từ đó đưa ra kiến nghị sử dụng nguồn nhiệt này phục vụ cuộc sống Tuy nhiên, nghiên cứu này cần được xác định ở các điều kiện khác nhau của môi trường để có kết quả chính xác

- Trong công trình [45], tác giả Khaled Ksaibati đã nghiên cứu sự cân bằng năng lượng nhiệt bên trong mặt đường BTN, theo tác giả mặt đường chịu tác động trực tiếp của các điều kiện nhiệt độ như: bức xạ mặt trời, bức xạ nhiệt và sóng dài giữa bề mặt mặt đường và môi trường, đối lưu do truyền nhiệt giữa bề mặt mặt đường và chất lỏng (không khí hoặc nước) tiếp xúc với bề mặt đường và dẫn nhiệt bên trong mặt đường

Từ việc tình toán các thành phần nhiệt trao đổi với mặt đường, tác giả xây dựng được phương trình nhiệt độ của lớp bề mặt BTN và lớp sâu 20 cm như sau:

Xét quá trình truyền nhiệt trên đoạn đường có chiều dài 1 mét đối với nhiệt độ bề mặt mặt đường và nhiệt độ dưới lớp sâu 20 cm, tác giả mô tả giá trị nhiệt độ thay đổi theo đồ thị hình 1.16, đánh giá sự thay đổi nhiệt đường theo chiều dài mặt đường không đáng kể, chênh lệch 1,5 oC trên lớp bề mặt và chênh lệch 1 oC với lớp BTN sâu 20 cm

Hình 1.16 Giá trị nhiệt độ thay đổi trên mặt đường

Tác giả kết luận: Một mô hình sai phân hữu hạn hai chiều được trình bày có khả năng xác định nhiệt độ trên các vị trí và thời điểm tùy ý trên mặt đường nhựa Để hỗ trợ công tác thiết kế mặt đường, các dự đoán nhiệt độ ở bề mặt mặt đường và ở độ sâu 20

mm sử dụng dữ liệu thời tiết điển hình của năm khí tượng được so sánh với các thuật toán Superpave thường được sử dụng trong thiết kế mặt đường đường cao tốc

- Tác giả Manuel J C.Minhoto và cộng sự, trong công trình [47] đã sử dụng mô hình truyền nhiệt phần tử hữu hạn để mô phỏng nhiệt độ mặt đường nằm ở phía đông bắc Bồ Đào Nha, đánh giá độ chính xác của mô hình bằng số liệu nhiệt độ đo được

Trong công trình nghiên cứu tác giả đã đề cập đến nhiều phương pháp tính toán quá trình truyền nhiệt như: Phương pháp pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn và sử dụng phương pháp PTHH 3D trên cơ sở sử dụng phần mềm tính toán Ansys 5.6

Phương pháp sai phân hữu hạn: Phương pháp sai phân hữu hạn áp dụng nguyên

lý cân bằng năng lượng và phương trình truyền nhiệt Fourier Độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt độ của mặt đường được ước tính thông qua một quá trình hội tụ

Dạng rời rạc của phương trình Fourier trong lớp có thể được viết là:

a) Nhiệt đô bền mặt b) nhiệt độ ở các độ sâu mặt đường