Tóm tắt luận Án tiếng việt nghiên cứu Đặc tính cơ học lớp dính bám của kết cấu lớp phủ mặt cầu bê tông xi măng trong Điều kiện việt nam

Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu tập trung vào mục đích nghiên cứu về đặc tính kháng cắt của lớp dính bám tại mặt tiếp xúc giữa bản bê tông mặt cầu và lớp phủ bê tông asphalt với c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐINH QUANG TRUNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CƠ HỌC LỚP DÍNH BÁM CỦA KẾT CẤU LỚP PHỦ MẶT CẦU BÊ TÔNG XI MĂNG

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NaAM

NGÀNH: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Trong hệ thống mạng lưới đường bộ của Việt Nam, công trình cầu chiếm một số lượng đáng kể và đang không ngừng tăng nhanh cùng với yêu cầu phát triển của đất nước Hầu hết các cầu trên hệ thống đường của Việt Nam là cầu bê tông, hoặc cầu liên hợp dầm thép có bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép (BTCT) Lớp phủ bên trên lớp mặt cầu bằng BTCT phổ biến ở Việt Nam là một hoặc hai lớp asphalt với chiều dày thông thường từ 50 ÷ 70 mm, tối đa đến 120mm

Tỉ lệ hư hỏng lớp phủ asphalt trên mặt cầu theo chiều dài cầu khá cao so với hư hỏng mặt đường thông thường Các hiện tượng hư hỏng của lớp phủ asphalt trên mặt cầu đã được đề cập trong một đề tài nghiên cứu của Bộ Giao thông vận tải được thực hiện vào 2010 bởi Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải [1] Hầu hết các hiện tượng hư hỏng lớp phủ asphalt trên mặt cầu ở Việt Nam đều có mối liên hệ với chất lượng dính bám và suy giảm chất lượng dính bám theo thời gian Khí hậu nhiệt đới nóng, ẩm, mưa nhiều của Việt nam, đặc biệt điều kiện thời tiết cực đoan gần đây như nắng nóng dài ngày, mưa lũ kết hợp với gia tăng lưu lượng xe lớn là các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mặt đường nói chung và kết cấu lớp phủ asphalt mặt cầu nói riêng, đặc biệt với mặt cầu có lớp phủ asphalt một lớp với chiều dày mỏng

Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu đặc tính cơ học lớp dính bám của kết cấu lớp phủ trên mặt cầu bê tông trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu tập trung vào mục đích nghiên cứu về đặc tính kháng cắt của lớp dính bám tại mặt tiếp xúc giữa bản bê tông mặt cầu và lớp phủ bê tông asphalt với các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dính bám, bao gồm đặc tính cắt mỏi và dự tính tuổi thọ cắt mỏi của vật liệu dính bám lớp phủ mặt cầu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là lớp dính bám trong kết cấu lớp phủ bê tông asphalt trên bản mặt cầu bê tông, bao gồm bê tông xi măng (BTXM) và bê tông siêu tính năng (UHPC)

Lớp dính bám bao gồm vật liệu dính bám được sử dụng phổ biến trong thực tế hiện nay ở Việt Nam cho cầu lớn – mặt cầu bê tông là CRS-1P và hai loại vật liệu dính bám mới là nhựa epoxy nhiệt dẻo và nhựa đường epoxy

b) Phạm vi nghiên cứu

Có nhiều chỉ tiêu về tính chất cơ lý của vật liệu dính bám lớp phủ asphalt mặt cầu Nghiên cứu chỉ tập trung vào đặc tính kháng cắt, bao gồm cắt mỏi với 03 loại vật liệu dính bám lựa chọn Đề tài không nghiên cứu về các chỉ tiêu cơ học phục vụ phân tích kết cấu lớp phủ mặt cầu

và không thực hiện tính toán kết cấu lớp phủ mặt cầu

Nghiên cứu chỉ tập trung vào mặt cầu bê tông, được mô phỏng bằng bản BTXM và bản bê tông UHPC Các nghiên cứu cũng chỉ thực hiện ở trong phòng, không có thử nghiệm hiện trường

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu sự làm việc và cơ chế hư hỏng lớp phủ bê tông asphalt mặt cầu, vai trò của lớp dính bám trong kết cấu lớp phủ asphalt trên mặt cầu bê tông Nghiên cứu đặc tính kháng cắt và cắt mỏi của lớp dính bám kết cấu lớp phủ mặt cầu bê tông

- Nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kháng cắt và tuổi thọ mỏi của lớp dính bám kết cấu lớp phủ mặt cầu

b) Ý nghĩa thực tiễn

- Đánh giá và khẳng định yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng dính bám So sánh đối

chứng tương đối về chất lượng dính bám của các loại vật liệu dính bám được nghiên cứu

- Kết quả nghiên cứu có giá trị tham khảo tốt, đặc biệt liên quan đến các tham số đường cong cắt và đặc tính cắt mỏi của vật liệu dính bám lớp phủ mặt cầu

CHƯƠNG 1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DÍNH BÁM LỚP PHỦ ASPHALT CHO MẶT

CẦU 1.1 Tổng quan về lớp phủ trên mặt cầu bê tông ở Việt Nam và trên thế giới

1.1.1 Kết cấu lớp phủ asphalt trên mặt cầu bê tông

Kết cấu lớp phủ asphalt trên mặt cầu BTXM [42,43,75] thông thường được cấu tạo điển hình như sau:

Hình 1.1 Kết cấu lớp phủ mặt cầu bê tông ở một số

quốc gia châu Âu

Ở các quốc gia châu Âu, kết cấu lớp phủ mặt cầu đảm bảo yêu cầu kín nước trong mọi trường hợp, đủ cường độ và độ bền cơ học với tải trọng giao thông, bao gồm các lực nén và lực cắt sinh ra khi xe chạy trong đường cong, khi xe phanh hay khi tăng tốc, chống lại nứt và bong tróc dưới tác dụng điều kiện nhiệt, ẩm cũng như duy trì được độ bền cơ học và hóa học dưới tác dụng khác nữa của tải trọng, của thời tiết và các tác nhân hóa học từ quá trình tan băng

Cho đến thời điểm hiện nay, so với các nước, kết cấu lớp phủ asphalt trên mặt cầu BTXM

ở Việt Nam khá đơn giản với một lớp vật liệu dính bám thông thường: nhựa đường nóng, nhựa lỏng hay nhũ tương từ nhựa đường thông thường hoặc nhựa đường cải thiện Thông thường, lớp phủ asphalt trên mặt cầu BTXM có thể là BTNC nhựa đường 60/70 hoặc BTNC nhựa đường cải tiến (BTNP) với chiều dày 70 mm Cũng có lớp BTNP dày 50 mm (tối thiểu) hoặc hai lớp với tổng chiều dày đến 120 mm Cấu tạo lớp phủ mặt cầu Tân Vũ - Lạch Huyện [10] được mô

tả dưới đây là điển hình của kết cấu lớp phủ trên bản mặt cầu BTXM của các cầu lớn, bao gồm:

- Lớp phủ BTNC12,5, nhựa polime dày 5cm

- Nhựa dính bám 0.5 kg/m2

- Lớp phòng nước dạng phun

Hình 1.2 - Cấu tạo lớp phủ mặt cầu Tân Vũ - Lạch Huyện [10]

1.1.2 Tổng quan các hư hỏng lớp phủ bê tông asphalt trên mặt cầu bê tông xi măng trên

thế giới và ở Việt Nam

Hư hỏng lớp phủ bê tông asphalt mặt cầu là tình trạng suy giảm cấu trúc bê tông asphalt, làm xuất hiện các biểu hiện hư hỏng có thể quan sát được, thể hiện các cơ chế hình thành hư hỏng khác nhau

Tại các nước phát triển như Anh, Đức, Tây Ban Nha, Ý,… lớp phủ bê tông asphalt trên mặt cầu thường gặp hai loại hư hỏng chính: nứt và biến dạng, trong đó nứt là phổ biến nhất Nước thấm qua các vết nứt làm giảm độ dính, gây bong tróc và tạo ổ gà Biến dạng có thể xảy

ra khi cấu trúc vật liệu kém ổn định dẫn đến hiện tượng lún, trồi

Tại Hồng Kông, nhiều công trình cầu như cầu Ting Kau, West Kowloon, Kap Shui Mun

và Ma Wan, lớp phủ bê tông asphalt mặt cầu được thiết kế với tuổi thọ 20 năm, nhưng đã xuất hiện hư hỏng không lâu sau khi đưa vào khai thác Tại Trung Quốc, ở vùng có điều kiện khá tương đồng như Việt Nam, nhưng cũng có nhiều cây cầu có lớp phủ asphalt bị hư hỏng sớm Chỉ khoảng sáu tháng đến một năm sau khi đưa vào sử dụng đã xuất hiện lún vệt bánh xe, nứt

và bong bật lớp phủ mặt cầu

Tại Việt Nam các hiện tượng hư hỏng xảy ra khá phổ biến không chỉ ở các công trình cầu

đã đưa vào khai thác một thời gian mà cả ở những công trình vừa được xây dựng và đưa vào sử dụng một thời gian ngắn Các hư hỏng phổ biến là các hiện tượng lún vệt bánh xe, các vết nứt

1.1.3 Các nguyên nhân và cơ chế gây hƣ hỏng lớp phủ mặt cầu

Các nghiên cứu trong nước [1] và ngoài nước [35, 53, 77, 83] cho thấy mặt đường trên cầu thường bị hư hỏng nhanh chóng do một số nguyên nhân chính sau:

- Chất lượng lớp dính bám kém do bề mặt bản mặt cầu, chất lượng thi công dính bám kém làm cho lớp bê tông nhựa bị bong tách

- Thành phần lực ngang của tải trọng bánh xe gây ứng suất kéo trực tiếp lớp bê tông asphalt trên bề mặt tiếp xúc với bản mặt cầu, lớp bê tông asphalt bị trượt trên bề mặt tiếp xúc, gây nứt trượt đồng thời đẩy lớp phủ bê tông asphalt xô dồn, bóc tách khỏi bản mặt cầu

- Hỗn hợp bê tông nhựa có độ rỗng lớn do thiết kế thành phần, do chất lượng lu lèn, tạo điều kiện cho nước thấm qua, lưu cữu trên bề mặt lớp tiếp xúc, tạo hiệu ứng thủy động khi có

bánh xe đi qua làm mất mát dính bám Lớp phủ bê tông asphalt bị bong tróc Mất mát dính bám cũng làm cho lớp phủ bê tông asphalt dễ dàng bị trượt trên bề mặt tiếp xúc, gây nứt trượt và đẩy trồi, bong tách lớp phủ

- Nhiệt độ cao vào mùa hè làm cho hỗn hợp lớp phủ bê tông asphalt và vật liệu dính bám

có nguồn gốc từ nhựa đường kém ổn định nhiệt Hỗn hợp asphalt kém ổn định, giảm sức chống cắt dẫn đến lún vệt bánh Vật liệu dính bám kém ổn định, gây trượt, đẩy trồi vật liệu và bong tách

- Vật liệu kém ổn định nhiệt: Thiếu sức chống cắt trượt, dẫn đến vệt hằn bánh xe trên lớp phủ bê tông asphalt hoặc lớp phủ bê tông asphalt bị đẩy trượt

Từ các phân tích về nguyên nhân và cơ chế chủ yếu gây ra hư hỏng ở lớp phủ mặt cầu, có thể thấy các yếu tố chủ yếu là tải trọng và các yếu tố

của môi trường khai thác

Hình 1.17 thể hiện kết quả phân tích từ nghiên

cứu của Shahin MY và các cộng sự [64] để giải thích

cơ chế trượt trường hợp giữa hai lớp bê tông nhựa bị

mất mát dính bám có thể xem là cùng cơ chế gây hư

hỏng của lớp phủ bê tông asphalt trên mặt cầu

Shahin và cộng sự trong hai bài báo [64,66] đã đánh

giá ảnh hưởng của trượt giữa các lớp với ứng xử của

mặt đường sử dụng các mô hình cơ học khác nhau

Theo hình 1.17, bánh xe khi di chuyển ngoài thành

phần áp lực theo phương pháp tuyến phụ thuộc vào

tải trọng trục xe sẽ tạo nên thành phần lực ngang Thành phần lực ngang này phụ thuộc vào tải trọng trục, tốc độ xe và trạng thái chuyển đổi của tốc độ xe, ngoài ra còn phụ thuộc độ dốc dọc

và độ dốc ngang của đường Trường hợp nguy hiểm nhất là khi xe hãm phanh hoặc khởi động với sự thay đổi tốc độ là lớn nhất, trên đoạn có độ dốc lớn và/hoặc có đường cong có bán kính nhỏ [15] Lực ngang đẩy lớp phủ asphalt trượt trên bề mặt tiếp xúc, gây trượt ngang Từ cơ chế trượt ngang này, hỗn hợp lớp phủ asphalt có khả năng bị nứt do kéo trực tiếp gây nứt trượt Hỗn hợp lớp phủ asphalt do vậy bị đẩy dồn và bong bật tại bề mặt tiếp xúc ở vị trí kém dính bám, cũng do kéo trực tiếp nhưng theo phương vuông góc với bề mặt đường

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về lớp dính bám trong kết cấu mặt đường asphalt và kết cấu lớp phủ mặt cầu bê tông

1.2.1 Các nghiên cứu trong nước về lớp dính bám và các yếu tố ảnh hưởng đến dính bám

giữa các lớp bê tông nhựa mặt đường và lớp phủ mặt cầu

Ở Việt Nam đã có các nghiên cứu [3,13] về dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt đường mềm, nhưng chưa có các nghiên cứu về dính bám giữa lớp phủ bê tông asphalt và bản mặt cầu, ngoài một vài nghiên cứu trong khuôn khổ dự án thực tế

Đề tài [1] do Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải thực hiện năm 2010 mới chỉ đưa ra và phân tích các hiện tượng hư hỏng và nguyên nhân hư hỏng của lớp phủ asphalt trên mặt cầu Các hiện tượng hư hỏng được tổng hợp lại bao gồm lún và trồi tại vị trí vệt bánh, nứt

do trượt và bong bật tạo các ổ gà, bong tróc từng mảng trên bề mặt Nguyên nhân được tổng kết đều có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến chất lượng của dính bám lớp phủ mặt cầu

Trong một số dự án xây dựng và sửa chữa cầu bản mặt thép trực hướng, điển hình là cầu Thuận Phước và cầu Thăng Long có nghiên cứu thử nghiệm cho dính bám lớp phủ mặt cầu Mặc dù công tác thiết kế được hỗ trợ bằng thử nghiệm, các lớp phủ mặt cầu này cũng đã bị hư hỏng dưới nhiều hình thức như nứt, xô trượt Nguyên nhân hư hỏng được xác định là do mất mát dính bám giữa lớp phủ BTN và bản mặt cầu

Dự án sửa chữa lớp phủ mặt cầu Thăng Long năm 2020 được dựa trên nghiên cứu khá bài bản, bao gồm: đánh giá mức độ hư hỏng cầu [6], nghiên cứu giải pháp tăng cường độ cứng bản

Hình 1.17 - Cơ chế trượt khi dính bám kém hoặc mất mát dính bám giữa

lớp phủ và lớp dưới

thép trực hướng bằng bê tông siêu tính năng UHPC [7, 4], nghiên cứu lựa chọn vật liệu dính bám và lớp phủ bê tông asphalt trên mặt bê tông UHPC [5] Nghiên cứu này đã thực hiện các thí nghiệm cơ bản theo các hướng dẫn của Hiệp hội Đường bộ Nhật Bản là thí nghiệm kéo nhổ

và thí nghiệm cắt phẳng Kết quả thí nghiệm cho thấy vật liệu Epoxy hai thành phần Hyper Prime cho khả năng dính bám tốt, kể cả đối với mẫu sau khi chịu 15,000 lượt gia tải thí nghiệm lún vệt bánh xe trong nước ở nhiệt độ 500C, được cắt ở ngưỡng nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao Vật liệu này đã được quyết định để sử dụng làm lớp chức năng kép chống thấm và tạo dính bám, với phía trên là BTN sử dụng nhựa đường PMB3 Các kết quả thí nghiệm cũng như việc

sử dụng thí nghiệm lún vệt bánh xe điều kiện trong nước để mô phỏng điều kiện khai thác của

tổ hợp kết cấu lớp phủ mặt cầu UHPC là cơ sở cho phương pháp luận về nghiên cứu trong luận

án về các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính dính bám của lớp phủ mặt cầu

1.2.2 Các nghiên cứu của nước ngoài về vật liệu dính bám và các yếu tố ảnh hưởng đến

dính bám giữa các lớp mặt đường và lớp phủ mặt cầu

Ở nước ngoài cũng có khá nhiều nghiên cứu về dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt đường Số các nghiên cứu về lớp phủ asphalt trên bản mặt cầu cũng hạn chế Với kết cấu lớp phủ trên bản mặt bê tông siêu tính năng UHPC, một số nghiên cứu ở Trung Quốc được công bố, điển hình như nghiên cứu [51] nhưng chủ yếu tập trung vào giải pháp kết cấu tăng cường độ cứng của bản thép và lớp phủ phía trên mà nghiên cứu về dính bám giữa lớp asphalt và bản mặt cầu Trong dự án thực tế với giải pháp tăng cường độ cứng bản thép trực hướng bằng bê tông UHPC, người ta sử dụng lớp phủ SMA với chất kết dính là nhựa đường polime và dính bám bằng Epoxy

Trong thời gian gần đây, có một số nghiên cứu mới về vật liệu dính bám nói chung và dính bám lớp phủ BTN trên mặt cầu BTXM, điển hình như [81] đề cập đến vấn đề dính bám giữa lớp phủ BTN trên mặt cầu tập trung vào các mục đích:

- Cải thiện vật liệu nhằm tăng khả năng kháng cắt trượt của lớp phủ BTN trên mặt cầu

- Phân tích cơ học kết cấu lớp phủ mặt cầu, khảo sát mối quan hệ giữa ứng suất pháp và ứng suất cắt tại bề mặt được xác định trong kết cấu bằng phương pháp PTHH

- Xác định thông số phá hoại cắt dựa trên giới hạn cường độ cắt

- Xây dựng phương pháp tính toán kiểm soát dính bám lớp phủ BTN trên mặt cầu BTXM

Để thực hiện nghiên cứu này, các tác giả đã tập trung nghiên cứu khả năng phá hoại cắt của lớp phủ BTN trên bản mặt cầu BTXM bằng phương pháp PTHH, thực hiện so sánh với các phần mềm tính toán khác Cường độ kháng cắt của bê tông asphalt được sử dụng để đánh giá khả năng phá hoại cắt tại bề mặt tiếp xúc giữa lớp asphalt và bản mặt cầu BTXM

Nhóm tác giả [83] tập trung nghiên cứu khả năng dính bám giữa lớp mặt BTXM và lớp phủ asphalt xét đến ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tấm BTXM, cụ thể là mối quan hệ giữa độ nhám bề mặt và cường độ cắt trực tiếp để xác định tỉ lệ tưới dính bám tối ưu tương ứng với chỉ

số độ nhám bề mặt

Trong một nghiên cứu khác [48] các tác giả khảo sát chất lượng của lớp phòng nước dưới tác dụng thay đổi nhiệt bằng phân tích hiển vi, đồng thời đánh giá khả năng kháng mỏi bằng thí nghiệm đối với kết cấu tổ hợp lớp phủ mặt cầu

Một công bố mới cũng trong năm 2020 nghiên cứu về ảnh hưởng của độ nhám của bề mặt lớp UHPC đến dính bám lớp phủ BTN phía trên [29] liên quan đến công nghệ bắn bi tạo nhám

bề mặt UHPC trước khi thi công dính bám và lớp phủ asphalt Phân tích được thực hiện đồng thời với thí nghiệm cường độ kháng cắt và phân tích hình ảnh số để đánh giá độ nhám bề mặt, xây dựng mối liên quan giữa độ nhám bề mặt và cường độ dính bám

1.2.3 Vật liệu dính bám lớp phủ mặt cầu bê tông ở Việt Nam

Các loại vật liệu lớp dính bám trong hệ thống lớp phủ mặt cầu bê tông cốt thép ở Việt Nam hiện nay khá đa dạng, bao gồm nhựa đường đặc - tưới nóng, nhựa đường lỏng, nhũ tương

nhựa đường, nhũ tương nhựa đường polymer Trong công trình đặc biệt sửa chữa cầu Thăng Long, vật liệu dính bám HyperPrimer được sử dụng Mặc dù vậy, chưa có một tiêu chuẩn quốc gia hay tiêu chuẩn ngành chính thức nào của Việt Nam về vật liệu dính bám cho lớp phủ mặt cầu nói chung và bản mặt cầu bê tông Trong các dự án xây dựng cầu, vật liệu dính bám cho lớp phủ mặt cầu được qui định trong Chỉ dẫn kỹ thuật, thường là không chi tiết, chỉ có thông tin về loại vật liệu và tỉ lệ dính bám sử dụng

1.3 Các nghiên cứu về chỉ tiêu đặc tính cắt và cắt mỏi của liên kết dính bám giữa các lớp kết cấu mặt đường và lớp phủ mặt cầu

Phân tích mỏi của vật liệu nói chung được tiếp cận từ mối quan hệ giữa các ứng suất và biến dạng thành phần xuất hiện tại các vị trí nhất định có liên quan đến số lần tác dụng lặp lại của tải trọng

Hình 1.20 thể hiện đường cong quan hệ giữa

chuyển vị (mm) và số chu kỳ gia tải từ nghiên cứu

của Cristina Tozzo và cộng sự [38] Dạng đường

cong tương tự như hình 1.20 thể hiện trong nhiều

nghiên cứu cắt mỏi, ở điều kiện nhiệt độ thí nghiệm,

ngưỡng lực tác dụng khác nhau

Phương trình đường cong mỏi có thể được xây

dựng bằng cách sử dụng phép phân tích hồi qui Tùy

thuộc mô hình và điều kiện thí nghiệm, có thể xây

dựng được các phương trình hồi qui với các tham số

phụ thuộc và/hoặc tham số độc lập khác nhau

Theo [38], trong thí nghiệm cắt mỏi, ở mỗi chu kỳ lực, mô đun độ cứng cắt của vật liệu lớp liên kết có thể được tính toán theo công thức (1.4) có xét đến góc lệch pha cũng được xác định ở mỗi chu kỳ lực:

(1.4)

Với:

- Mô đun độ cứng cắt lớp liên kết tương

ứng với chu kỳ lực i, MPa/mm

- độ lớn của ứng suất cắt tác dụng ở chu

kỳ lực thứ i, MPa

- chuyển vị đo được ở bề mặt liên kết

tương ứng chu kỳ lực i, mm

- góc lệch pha giữa lực và chuyển vị

Mô đun độ cứng cắt có thể được tính toán và vẽ lên lên biểu đồ quan hệ với số chu kỳ tải Tuổi thọ mỏi được xác định là số chu kỳ gia tải tương ứng với thời điểm mà độ cứng giảm 50%, tức là tương ứng ở khoảng giữa của giai đoạn 2,

gọi là N50 (Xem hình 1.21)

Phân tích độ cứng cắt từ thí nghiệm cắt mỏi

có xét đến góc pha cũng được M Diakhaté và các

cộng sự thực hiện [54] để nghiên cứu cho liên kết

dính bám giữa hai lớp bê tông nhựa Tương tự, ở

mỗi chu kỳ lực, có thể xác định được độ cứng cắt

của lớp liên kết thể hiện ở dạng số phức:

Trong nghiên cứu này, tuổi thọ mỏi của lớp liên kết dính bám cũng được xác định tương ứng với số chu kỳ tải tương ứng độ cứng cắt giảm 50% (hình 1.22)

Phân tích mỏi có thể thực hiện theo năng lượng tiêu án tích lũy Năng lượng tiêu tán này thể hiện trong thí nghiệm tải trọng lặp chính là diện tích của vòng chu kỳ lặp với sự khác nhau giữa đường gia tải và đường dỡ tải [68]

Năng lượng tiêu tán trong mỗi vòng lặp của

tải trọng có thể tính toán bằng công thức:

(1.10)

Với:

- năng lượng tiêu tán trong chu kỳ i

- mức ứng suất trong chu kỳ i

- mức biến dạng trong chu kỳ i

- Góc (trễ) pha trong chu kỳ i

Nghiên cứu [68] xây dựng nên phương pháp

dự toán tuổi thọ mỏi theo tỉ lệ thay đổi năng lượng

tiêu tán tích lũy Khái niệm của tỉ lệ thay đổi năng

lượng tiêu tán (RDEC - Ratil of Dissepted) và

phương pháp phân tích mỏi theo RDEC được đề

xuất bởi Carpenter và Jansen trong nghiên cứu mỏi đối với hỗn hợp bê tông nhựa nóng dùng cho mặt đường sân bay [33] sau đó được Ghuzlan mở rộng trong chương trình nghiên cứu luận

án tiến sĩ [45] và tiếp tục được Carpenter và các cộng sự [34] khẳng định về tính đúng đắn và khả năng áp dụng

(1.11) Trong đó:

RDEC - tỉ số thay đổi năng lượng tiêu tán

qua mỗi chu kỳ lực

- năng lượng tiêu tán trong chu kỳ lực

thứ n

- năng lượng tiêu tán qua chu kỳ lực

thứ n +1

1.4 Các vấn đề cần nghiên cứu của luận án và

nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của lớp dính bám

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng là phương pháp lý thuyết thực nghiệm:

Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính lớp dính bám sử dụng thí nghiệm cắt phẳng trong điều kiện thí nghiệm khác nhau mô phỏng điều kiện khai thác thực tế ở Việt Nam

Hình 1.26 - Đường gia tải và dỡ tải trong thí nghiệm tải trọng lặp với vật liệu đàn - nhớt ở các chu kỳ tải khác nhau

Hình 1.27 - Đường cong giữa RDEC và

số chu kỳ lực với ba giai đoạn rõ rệt

Xây dựng mô hình và thực hiện thí nghiệm cắt lặp đánh giá tuổi thọ cắt mỏi của lớp dính bám

Phân tích số liệu để đánh giá các yếu tố hảnh hưởng, phân tích hồi qui để xây dựng phương trình cắt mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi của lớp dính bám trong kết cấu lớp phủ mặt cầu bê tông

CHƯƠNG 2.CÁC MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1 Các mô hình thí nghiệm cắt trên thế giới và sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm của nghiên cứu sinh

2.1.1 Tổng quan các mô hình thí nghiệm nghiệm được sử dụng để nghiên cứu yếu tố ảnh

hưởng đến dính bám và mất mát dính bám trên thế giới

Có nhiều mô hình thí nghiệm được sử dụng trong các nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến dính bám và mất mát dính bám lớp giữa các lớp bê tông asphalt của kết cấu mặt đường cũng như giữa lớp phủ bê tông asphalt trên mặt đường BTXM cũ hoặc mặt cầu BTXM Trong số đó, điển hình và phổ biến nhất là thí nghiệm cắt Leutner Mô hình thí nghiệm này được áp dụng ở nhiều nghiên cứu [61,69,46]

2.1.2 Các mô hình thí nghiệm cắt tải trọng động

Tải trọng lặp hay tải trọng động có thể mô phỏng gần hơn với tác dụng của tải trọng giao thông lên kết cấu mặt đường Thí nghiệm cắt đánh giá liên kết giữa các lớp kết cấu mặt đường nói chung, và với kết cấu lớp phủ asphalt trên bản mặt cầu bê tông cũng được thực nghiệm với tác dụng của tải trọng động với 03 mô hình thí nghiệm điển hình: cắt phẳng trực tiếp, cắt phẳng gián tiếp từ tải trọng theo phương đứng, thí nghiệm xoắn

Phiên bản động của thí nghiệm cắt Leutner được nhiều nghiên cứu sử dụng để thí nghiệm cắt động Với thiết bị này, nhóm nghiên cứu [30, 49] tìm hệ số dính bám giữa các lớp để đưa vào các phần mềm phân tích kết cấu mặt đường

Mô hình thí nghiệm khá nổi tiếng được rất nhiều nghiên cứu sử dụng được phát triển bởi Romanoschi và Metcalf [59] năm 1999, tên goi là thí nghiệm độ mỏi cắt (SFT - Shearing Fatigue Test) để nghiên cứu đặc tính dính bám giữa các lớp bê tông asphalt mặt đường Với mô hình thí nghiệm này, mẫu thí nghiệm hình trụ bao gồm hai lớp bê tông nhựa sử dụng các loại

dính bám và vật liệu dính bám khác nhau chịu tải trọng tác dụng động với độ nghiêng 25,50 so với trục dọc của mẫu để nhận được lực cắt động có độ lớn bằng ½ ứng suất pháp tuyến Năm

2007, mô hình cắt phẳng đầu tiên của Uzan được một nhóm nghiên cứu của đại học Nottingham [55] tiếp tục phát triển để thực hiện thí nghiệm cắt với tải trọng lặp lại và có lực pháp tuyến vào Dạng mô hình thứ 3 là thí nghiệm sử dụng mô-men xoắn để có thể đánh giá tác động tác dụng của lực lặp lên lớp dính bám Loại thiết bị được nhóm nghiên cứu của Collop và cộng sự [36] phát triển là thiết bị thí nghiệm dính bám xoắn tự động có thể thực hiện với mô men xoắn không đổi hoặc tốc độ biến dạng xoắn không đổi

2.1.3 Mô hình thí nghiệm cắt sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm của nghiên cứu sinh

Hình 2.2 - Thí nghiệm cắt Leutner với tác dụng tải trọng động

Mô hình và điều kiện thiết bị để thực hiện nghiên cứu dính bám hiện có ở Việt Nam và sẵn có ở điều kiện nghiên cứu trong trường Đại học GTVT Đây là thí nghiệm cắt theo mô hình cắt Leutner, với tốc độ cắt không đổi để khảo sát đặc tính kháng cắt của vật liệu dính bám và các yếu tố ảnh hưởng

Mô hình cắt động chưa có trong điều kiện thí nghiệm của Việt Nam Tuy nhiên, thiết bị gia tải động đã được nghiên cứu để lắp dựng theo [24], và được sử dụng trong nghiên cứu [14]

về biến dạng không hồi phục của bê tông asphalt sử dụng thí nghiệm từ biến tải trọng động Thí nghiệm cắt trực tiếp theo mô hình Leutner được kết hợp với hệ thống gia tải động để hình thành nên mô hình thí nghiệm cắt động được NCS sử dụng để nghiên cứu đặc tính mỏi của vật liệu dính bám cho lớp phủ bê tông asphalt trên bản mặt cầu BTXM

2.1.4 Các chỉ tiêu của các vật liệu chính trong kết cấu lớp phủ mặt cầu sử dụng trong

nghiên cứu

Chất chất dính bám được nghiên cứu như đã được trình bày trong chương trình nghiên cứu thực nghiệm ở chương 2, bao gồm: nhũ tương nhựa đường polime CRS-1P, nhựa đường Epoxy (BE), và Epoxy Hyper Prime (HP) Các chỉ tiêu của nhũ tương nhựa đường CRS-1P thỏa mãn tiêu chuẩn hiện hành [18] và các tính chất cơ bản của BE và HP theo tài liệu kỹ thuật của nhà cung cấp [71, 72] và trong nghiên cứu [22] Bản mặt BTXM và bê tông UHPC mô phỏng bản mặt cầu được đúc ở nhà máy theo tiêu chuẩn kỹ thuật dự án thực tế, tương ứng là [10] và [9] Trình tự chế tạo mẫu tấm:

- Tấm BTXM và bê tông UHPC được đúc với kích thước L x B x h = 320 mm x 260 mm x 40mm và bảo dưỡng trong điều kiện ẩm (đối với tấm BTXM) và ẩm nóng (đối với tấm UHPC) để đạt đến 28 ngày tuổi

- Sau khi bảo dưỡng và hình thành cường độ, bề mặt tấm của hai loại đều được bắn (bi) tạo nhám và/hoặc xẻ khe tạo nhám

- Lớp liên kết chức năng kép nhựa epoxy nhiệt dẻo và nhựa đường epoxy được quét lên bề mặt mẫu theo tỉ lệ đã xác định Tỉ lệ quét nhựa epoxy được lấy theo khuyến cáo của nhà cung cấp [71] Tỉ lệ quét BE được lấy theo kết quả thí nghiệm nhổ bật

- Thực hiện thí nghiệm nhổ từ mẫu tấm hoặc khoan mẫu hình trụ từ các mẫu tấm để thực hiện các thí nghiệm cắt

2.1.5 Thiết kế và lắp dựng thiết bị cắt mỏi

Thiết bị cắt mỏi được thực hiện bằng việc phối hợp thiết bị cắt Leutner và bộ gia tải động

Mô hình cắt Leutner không có tải trọng pháp tuyến, chịu tác dụng cắt tải trọng lặp có chu kỳ gia tải lựa chọn Nhiệt độ cao được điều kiểm soát bằng buồng gia nhiệt sử dụng khí nóng có thiết

bị đóng/ngắt tự động duy trì nhiệt độ

Thiết bị thí nghiệm có thể thực hiện thí nghiệm nghiên cứu đặc tính kháng cắt mỏi thông qua biểu đồ thể hiện số lần tác dụng của tải trọng cắt tương ứng với chuyển vị cắt đo được ở vị trí lớp dính bám giữa 2 lớp bê tông nhựa, dính bám giữa lớp bê tông nhựa và bê tông xi măng hay dính bám giữa lớp bê tông nhựa với bản thép ở điều kiện nhiệt độ, lực cắt, tần số, thời gian gia tải lựa chọn

2.2 Điều kiện khai thác lớp phủ mặt cầu

BTXM ở Việt Nam

Có khá nhiều nghiên cứu về phân bố nhiệt

trong kết cấu mặt đường mềm ở Việt Nam [8, 23,

25] cho kết quả nhiệt độ lớp asphalt mặt đường

đạt đến ngưỡng 600

C khi nhiệt độ không khí cao đến hoặc hơn 400C Tuy nhiên, chưa có nghiên

cứu về nhiệt độ ở vị trí lớp dính bám và trong lớp

phủ mặt cầu bê tông xi măng Với lớp phủ mặt

cầu, mô hình truyền nhiệt với mô trường xung Hình 2.14 - Mô hình truyền nhiệt trong

kết cấu mặt cầu

quanh có khác với mô hình truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường (Hình 2.14)

NCS đã thực hiện đo nhiệt độ lớp phủ bê tông nhựa trên mặt cầu Thăng Long Đầu đo nhiệt độ đặt trên lớp UHPC tăng cường độ cứng mặt cầu thép, trước khi rải lớp bê tông nhựa polime cho mặt cầu Nhiệt độ trên bề mặt lớp phủ và nhiệt độ không khí ở khoảng cách 1m trên lớp phủ mặt cầu được đo để đối chứng Kết quả theo dõi nhiệt độ theo thời gian như trong hình

2.16

2.3 Các tiêu chuẩn và chỉ tiêu kỹ thuật được sử dụng để đánh giá dính bám giữa hai lớp vật liệu mặt đường hoặc dính bám lớp phủ mặt cầu

2.3.1 Tiêu chuẩn thí nghiệm của Nhật Bản

Sổ tay chống thấm bản mặt cầu của Hiệp hội đường bộ Nhật Bản [11] là hướng dẫn kỹ thuật kiểm soát sự tương tác giữa lớp chống thấm và dính bám giữa bản mặt cầu và vật liệu lớp phủ Các chỉ tiêu kỹ thuật liên quan đến đánh giá dính bám trong tiêu chuẩn này bao gồm thí nghiệm kéo nhổ và thí nghiệm cắt

Thí nghiệm nhổ bật được thực hiện trên mẫu tấm đúc bằng phương pháp đầm lăn

Thí nghiệm cắt kiểm tra cường độ kháng cắt ở giữa lớp bản mặt cầu và lớp phủ asphalt Mẫu cắt là mẫu hình vuông thí nghiệm ở 23 ± 20C và -10 ± 20C Tốc độ cắt là 1mm/phút

2.3.2 Tiêu chuẩn thí nghiệm của Trung Quốc [56]

Lớp phòng nước và dính bám của lớp phủ mặt cầu thưởng dùng ở Trung Quộc thường dùng nhựa đường Epoxy Thí nghiêm được thực hiện trên mẫu bảo ôn trong điều kiện (23 ±20C)

và độ ẩm tương đối (45-70%) Thí nghiệm cắt theo mô hình cắt trên mặt phẳng nghiêng ở nhiệt

độ 500

C

2.3.3 Tiêu chuẩn thí nghiệm của AASHTO/ASTM

Dính bám giữa hai lớp mặt đường có thể được thử nghiệm cắt và nhổ bật theo tiêu chuẩn của Mỹ: tiêu chuẩn thí nghiệm nhổ bật [26] và thí nghiệm cắt theo tiêu chuẩn AASHTO [27]

2.4 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dính bám lớp phủ mặt cầu bê tông

Vật liệu dính bám

03 loại vật liệu được lựa chọn để đưa vào thí nghiệm bao gồm:

Hình 2.16 - Nhiệt độ đáy lớp phủ mặt cầu - vị trí lớp dính bám, trên mặt lớp phủ bê tông

asphalt mặt cầu và nhiệt độ không khí

- Tổ hợp vật liệu chống thấm dạng phun + dính bám bằng nhũ tương CS1-P, là tổ hợp kết cấu điển hình trong thực tế ở Việt Nam đối với lớp phủ asphalt trên bản mặt cầu BTXM

- Lớp vật liệu chức năng kép (chống thấm + dính bám) bằng nhựa đường Epoxy (BE) có tỉ

lệ nhựa đường 60/70 và nhựa epoxy hai thành phần là 50:50

- Lớp vật liệu phối hợp hai chức năng chống thấm + dính bám bằng nhựa Epoxy nhiệt dẻo Các tổ hợp chống thấm trên được quét lên 02 loại vật liệu tương ứng bản mặt cầu bê tông

xi măng: tấm BTXM thông thường và tấm bê tông xi măng UHPC

Lớp phủ bê tông asphalt mặt cầu là bê tông asphalt polime, sử dụng nhựa đường có phụ gia polime PMB1

Số lượng mẫu thí nghiệm

Các nhóm mẫu và số lượng mẫu được tổng hợp trong các bảng:

Bảng 2.10 - Số lượng mẫu tấm được thí nghiệm theo các tổ hợp vật liệu và phân bố lượng

mẫu thử nghiệm lún vệt bánh xe

Số mẫu tấm cho TN nhổ bật xác định HL dính bám

Tổng số tấm dùng cho TN cắt phẳng, cắt mỏi Không TN

lún vệt bánh

TN lún vệt bánh

1 BTN + Nhựa đường Epoxy +

Bảng 2.11 - Thí nghiệm kéo nhổ bật xác định hàm lượng dính bám tốt nhất của BE

Mục đích thí nghiệm Điều kiện thí nghiệm kiện thí nghiệm Mô phỏng điều Số lượng và kích thước mẫu