Luận án thạc sĩ ngành xây dựng công trình giao thông Nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm mặt đường ô tô có xét đến đặc điểm tác dụng của tải trọng thực tế

Đối với bê tông asphalt làm lớp mặt đường ô tô, trị số mô đun đàn hồi tính toán và phương pháp thí nghiệm xác định này chưa phù hợp với đặc tính đàn hồi - nhớt của vật liệu, chưa thể hiệ

Tính cấp thiết của đề tài

Phương pháp tính toán kết cấu áo đường mềm hiện đang được áp dụng chính thức ở Việt Nam dựa trên cơ sở lý thuyết hệ đàn hồi nhiều lớp chịu áp lực phân

bố đều trên vòng tròn tương đương diện tích tiếp xúc của vệt bánh xe tiêu chuẩn trên mặt đường Thông số của vật liệu các lớp bao gồm mô đun đàn hồi và hệ số Poisson Mô đun đàn hồi tính toán của vật liệu được quy định dựa trên cơ sở thí nghiệm nén dọc trục, tải trọng tĩnh mẫu vật liệu trong phòng thí nghiệm Đối với

bê tông asphalt làm lớp mặt đường ô tô, trị số mô đun đàn hồi tính toán và phương pháp thí nghiệm xác định này chưa phù hợp với đặc tính đàn hồi - nhớt của vật liệu, chưa thể hiện được đặc điểm tác dụng của tải trọng khi xe chạy trên

đường Mặt khác, các giá trị mô đun đàn hồi được quy định có sự chênh lệch khá lớn với các quy trình tính toán của nước ngoài, cho dù với cùng một phương pháp tính toán hệ nhiều lớp đàn hồi và cùng một loại thông số trạng thái giới hạn tính toán, gây nên những khó khăn nhất định trong việc tham khảo hay so sánh các phương pháp thiết kế khác nhau, đặc biệt là ở các dự án yêu cầu mức độ hội nhập nhất định

Xuất phát từ tình hình đó, việc " Nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm mặt đường ô tô có xét đến đặc điểm tác dụng của tải trọng thực tế"

là vấn đề thực sự cần thiết

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt khi chịu tác dụng của tải trọng lặp với thời gian và chu kỳ gia tải được xác định trên cơ sở dòng giao thông thực tế trong điều kiện của Việt Nam

Phương pháp thực hiện

1 Nghiên cứu lý thuyết về đặc tính vật liệu, đặc điểm tải trọng tác dụng đối với vật liệu bê tông asphalt làm mặt đường ô tô Từ đó, lựa chọn mô hình thí nghiệm trong phòng, thiết lập và chế tạo thiết bị thí nghiệm, xây dựng chương trình điều khiển thiết bị theo các thông số thí nghiệm lựa chọn

2 Tiến hành thí nghiệm trong phòng và thí nghiệm hiện trường với cơ chế gia tải phù hợp với đặc điểm tác dụng của tải trọng xe thực tế

3 Trên cơ sở tổng hợp, phân tích kết quả thí nghiệm và các kết quả nghiên cứu

lý thuyết đưa ra các đánh giá định tính về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt khi có xét đến điều kiện chịu tải trọng thực tế ở Việt Nam, kiến nghị về khoảng

thực tế của tải trọng xe chạy

Những đóng góp mới của luận án

1 Xây dựng các thông số thí nghiệm thể hiện đặc điểm tác dụng lên lớp mặt

đường ô tô của tải trọng xe chạy từ số liệu dòng giao thông trong điều kiện Việt Nam bao gồm thời gian và chu kỳ tác dụng lực

2 Chế tạo và lắp dựng thiết bị thí nghiệm có thiết bị gia tải xung, lặp, xây dựng chương trình điều khiển thiết bị thí nghiệm có thể mô phỏng được điều kiện chịu tải trọng thực tế của bê tông asphalt làm mặt đường ô tô trong điều kiện Việt Nam

3 Tiến hành thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi trong phòng với tải trọng xung, lặp :

- Xác định mô đun đàn hồi của các loại bê tông asphalt thông dụng trong các

điều kiện về nhiệt độ và tải trọng mô phỏng các trường hợp chịu tải trọng thực tế

- Khảo sát các mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và nhiệt độ, thời gian tác dụng của tải trọng, độ lớn tải trọng tác dụng

4 Tính thử dần xác định mô đun đàn hồi lớp của bê tông asphalt từ độ võng mặt

đường đo được tại hiện trường bằng thí nghiệm FWD

- Xây dựng phương pháp tính thử dần và áp dụng tính toán với số liệu đo độ võng

động trên tuyến đường Láng - Hoà Lạc

5 Đánh giá định tính về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm thông số tính toán kết cấu mặt đường mềm khi xét đến tác dụng của tải trọng xe chạy thực tế

Đưa ra khoảng giá trị của mô đun đàn hồi của bê tông asphalt khi xét đến điều kiện tác dụng của tải trọng thực tế

6 Đề xuất các hướng phát triển trên cơ sở thiết bị thí nghiệm được thiết kế và chế tạo, mở rộng nghiên cứu thông số của vật liệu mặt đường

Bố cục của luận án

Toàn bộ luận án bao gồm 119 trang thuyết minh, 6 phụ lục, 42 tài liệu tham khảo, 45 bảng biểu, 63 hình vẽ gồm các ảnh chụp và đồ thị

Phần thuyết minh

Mở đầu

Chương I: Tổng quan về bê tông asphalt làm áo đường ôtô và các đặc trưng cơ học cơ bản của bê tông asphatl

Chương III: Tính toán mô đun lớp vật liệu bê tông asphalt từ độ võng mặt đường

đo được bằng thiết bị FWD

Kết luận, kiến nghị

Phần phụ lục

Phụ lục 1: Số liệu điều tra giao thông trên quốc lộ 1A

Phụ lục 2: Bản vẽ cơ cấu thiết bị thí nghiệm

Phụ lục 3: Các chương trình điều khiển và sử lý số liệu thí nghiệm

Phụ lục 4: Các kết quả thí nghiệm

Phụ lục 5: Kết quả tính thử dần mô đun lớp của vật liệu bê tông asphalt từ độ võng động mặt đường

Phụ lục 6: Một số hình ảnh thí nghiệm

Nội dung chính của luận án

Phần mở đầu

Phần mở đầu trình bày khái quát tình hình sử dụng vật liệu bê tông asphalt làm mặt đường ô tô ở Việt Nam, các phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm, các xu hướng nghiên cứu hiện nay về vật liệu bê tông asphalt làm mặt

đường Từ đó, đặt vấn đề nghiên cứu về " mô đun đàn hồi của vật liệu bê tông asphalt làm mặt đường ô tô xét đến điều kiện tải trọng tác dụng thực tế" Trong phạm vi nghiên cứu, tác giả chỉ tập trung vào vấn đề mô đun đàn hồi của bê tông asphalt, nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá định tính về mô đun đàn hồi xét

đến điều kiện chịu tải trọng xe chạy thực tế Kết luận chương I khẳng định đặc tính của vật liệu bê tông asphalt chịu ảnh hưởng của điều kiện chịu tải và muốn nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt phải tìm cách mô hình hoá vật liệu, điều kiện tải trọng xe chạy là thời gian và tần số tác dụng và điều kiện nhiệt

độ khi chịu tải trọng thực tế

Chương I: Tổng quan về bê tông asphalt làm áo đường ôtô và các đặc trưng cơ học của bê tông asphatl

Chương này gồm các nội dung chính:

1.1 Các thành phần vật liệu và tính chất cơ bản của bê tông asphalt

1.2 Các khái niệm về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt và phương pháp xác

định

1.4 Vấn đề nghiên cứu và nội dung chính của luận án

Từ các nội dung trên, tác giả đặt vấn đề nghiên cứu và nêu rõ được sự cần thiết phải nghiên cứu về "mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm lớp mặt đường

ô tô xét đến điều kiện chịu tải trọng thực tế"

Bê tông asphalt là loại vật liệu đàn hồi - nhớt - dẻo, có tính chất từ biến và

đàn hồi chậm Biến dạng của mặt đường bê tông asphalt khi chịu tác dụng của tải trọng phụ thuộc vào thời gian tác dụng của tải trọng và nhiệt độ thí nghiệm Cơ chế tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường rất phức tạp, nhưng có một đặc

điểm cơ bản là tác dụng trong một khoảng thời gian rất ngắn và có tính chất lặp Giá trị mô đun đàn hồi tính toán của bê tông asphalt trong các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau sai khác nhau nhiều, đặc biệt là tiêu chuẩn thiết kế truyền thống của Việt Nam và các tiêu chuẩn của các nước khác như Trung Quốc, CHLB Nga , mặc dù cùng một lý thuyết tính toán là lý thuyết đàn hồi Vấn đề xác định mô

đun đàn hồi của bê tông asphalt sử dụng thí nghiệm gia tải xung, lặp ở Việt Nam còn mới mẻ Các giá trị mô đun đàn hồi này với các mô hình khác nhau như nén dọc trục, ép chẻ, uốn, nén ba trục đều đã được công bố trong tài liệu nghiên cứu của nước ngoài Với mô hình ép chẻ tại nhiệt độ 200C, thời gian tác dụng là 0.1 giây và tần số là 1 Hz đã được quy định các khoảng giá trị trong hướng dẫn AASHTO Tuy nhiên các số liệu này chưa từng được kiểm chứng ở trong nước

do thiết bị thí nghiệm, phần mềm xử lý số liệu cũng như là chi phí chuyển giao công nghệ của các thiết bị này rất đắt Chính vì vậy, việc nghiên cứu về mô đun

đàn hồi của bê tông asphalt xét đến đặc điểm tác dụng của tải trọng xe chạy thực

tế là cần thiết

Chương II : Mô đun đàn hồi trong phòng của bê tông asphalt làm mặt

đường ôtô xét đến đặc điểm chịu tải trọng thực tế

Chương này trình bày các cơ sở lựa chọn mô hình thí nghiệm và thiết lập các thông số thí nghiệm dựa trên điều kiện chịu tải trọng thực tế của bê tông asphalt làm lớp mặt đường ô tô, chế tạo thiết bị thí nghiệm, xây dựng chương trình điều khiển thiết bị và xử lý số liệu, quá trình tiến hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng của vật liệu

2.1 Cơ sở lựa chọn mô hình thí nghiệm

toán, có khả năng thực hiện và có tính phổ biến, có thể sử dụng được với loại mẫu thông dụng, dễ chế tạo hoặc dễ lấy từ hiện trường

2.2 Đề xuất áp dụng mô hình thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi

Mô hình thí nghiệm đề nghị: thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp với mẫu

bê tông asphalt hình trụ chế tạo trong phòng và mẫu khoan mặt đường

Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường ngắn, được tính toán

từ chiều dài vệt tiếp xúc của bánh xe lên mặt đường và tốc độ xe chạy Chiều dài vệt tiếp xúc của bánh xe được lấy bằng đường kính tương đương của vệt bánh và tốc độ xe chạy được tổng hợp từ số liệu theo dõi giao thông trên tuyến quốc lộ1 Chu kỳ tác dụng lực trung bình được tính bằng khoảng trống thời gian trung bình giữa các xe trong dòng xe, là nghịch đảo của suất dòng xe và xác định từ thời gian xe đi qua vị trí đếm tải trọng trục xe trong số liệu điều tra giao thông Nhiệt độ của lớp mặt đường bê tông asphalt trong điều kiện thực tế của Việt Nam được xác định trên cơ sở điều kiện khí hậu Tác giả sử dụng công thức tính toán nhiệt độ trong lớp mặt đường bê tông asphalt từ nhiệt độ không khí và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đo nhiệt độ mặt đường đã tiến hành trong nước

để đưa ra các mức nhiệt độ thí nghiệm

Độ lớn của lực tác dụng được lấy theo số % cường độ phá hoại của mẫu, với

điều kiện là đảm bảo mẫu làm việc xem như trong giai đoạn đàn hồi Giá trị tải trọng áp dụng cho thí nghiệm mô đun đàn hồi tương ứng với 50C, 150C, 200C,

300C, và 50/600C là 15%, 9%, 7%, 5% và 2% của cường độ ép chẻ xác định ở nhiệt độ 50C

Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ được tiến hành theo tiêu chuẩn T

283-89, trên các mẫu chế tạo trong phòng và mẫu khoan hiện trường Mức tải trọng tác dụng được tính toán dựa trên cường độ kéo gián tiếp thí nghiệm được

Loại mẫu thí nghiệm bao gồm: mẫu chế tạo trong phòng là mẫu Marshall, hình trụ, D x h = 101.6 mm x 63.5 mm, gồm các loại hỗn hợp hạt thô, hạt trung

và hạt mịn sử dụng cho các lớp mặt của kết cấu áo đường ôtô; và mẫu khoan hiện trường gồm hạt trung và hạt thô, kích thước mẫu D x h = 100 mm x h phụ thuộc vào chiều dày lớp rải trên mặt đường

Ngoài mục đích mô phỏng điều kiện chịu tải trọng thực tế, thí nghiệm trong phòng còn tiến hành để khảo sát quan hệ giữa mô đun đàn hồi và các thông số

Thông số Thiết bị và hình thức tiến hành

Thiết bị gia tải Thiết bị gia tải có thể tác dụng một lực xung - Sử dụng

máy nén khí Thiết bị đo chuyển vị Thiết bị điện tử đo chuyển vị theo chiều đứng đặt tiếp

xúc với tấm gia tải gồm hai đầu đo gắn hai bên Nhiệt độ thí nghiệm T1; T2; T3; T4; T5 tương ứng là 50C; 150C; 200C; 300C;

500C

Độ lớn lực P1 = (2.8-3.0) KN -nhiệt độ 50C;

P2 = (1.0 - 1.5) KN - nhiệt độ 150C đến 300C;

P3 = (0.3 - 0.4) KN - nhiệt độ thí nghiệm 500C Mẫu khoan: P = 0.5 KN - nhiệt độ 200C Thời gian tác dụng

lực

M1 : Thời gian gia tải 0.1s, chu kỳ 1s

M2 : Thời gian gia tải 0.02 s, chu kỳ 1s

M3 : Thời gian gia tải 0.02 s, chu kỳ 10s

M4 : Thời gian gia tải 0.02 s, chu kỳ 30s

M5 : Thời gian gia tải 0.05 s, chu kỳ 5s

Hệ số Poisson Lấy theo giả thiết là 0.35

2.3 Thiết bị thí nghiệm được chế tạo và lắp dựng

Thiết bị thí nghiệm bao gồm: bộ khung thiết bị (1), bộ khung gá mẫu (2), thiết bị gia tải và điều khiển tải trọng lặp (3), thiết bị đo và ghi tải trọng (4), thiết bị đo

và ghi chuyển vị (5), buồng ổn nhiệt (6), máy tính với các chương trình điều khiển, thu nhận và xử lý số liệu

theo chu kỳ trong chương trình lập sẵn thoả mãn các thông số thí nghiệm Thu nhận các số liệu về lực tác dụng và chuyển vị tương ứng, lưu trữ số liệu, xử lý số liệu nhờ chương trình lập sẵn, cung cấp các bảng số liệu báo cáo và biểu đồ

Bộ PLC : Điều khiển đóng mở van khí theo chu kỳ

Val : Đưa khí nén vào xi lanh làm cho piston dịch chuyển tạo tải trọng được

truyền qua tấm gia tải tác dụng lên mẫu

−Bộ khuyếch đại : Khuyếch đại tín hiệu đo lực và chuyển vị để đưa vào bộ

chuyển đổi

−Bộ chuyển đổi ADC : Chuyển đổi tín hiệu điện tử từ đầu đo sang tín hiệu số

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Máy tính điều khiển hoạt động của PLC theo chương trình lập sẵn Khi PLC hoạt

động sẽ đóng mở van khí theo chu kỳ xác định Van khí mở đẩy piston hoạt

động tạo lực tác dụng lên mẫu

Trị số lực tác dụng và chuyển vị tương ứng được theo dõi và đưa qua bộ khuyếch

đại vào bộ chuyển đổi ADC Tín hiệu sau chuyển đổi là tín hiệu số được đưa vào máy tính nhờ phần mềm lấy số liệu

Chương trình điều khiển, ghi nhận số liệu : Chương trình điều khiển thiết bị và

ghi số liệu được thực hiện bằng ngôn ngữ Delphi

Khuyếch

Chương trình xử lý số liệu

Chương trình xử lý số liệu bao gồm các bước: mở file số liệu số và chuyển đổi các tín hiệu số về lại giá trị của tín hiệu điện tính bằng vôn của các đầu đo; ghi vào file số liệu lưu trữ ; mở file số liệu lưu trữ và chuyển đổi số liệu thành giá trị lực (kN) và biến dạng (mm) nhờ hệ số xác định trong quá trình hiệu chỉnh các

đầu đo Chương trình được viết bằng ngôn ngữ Pascan

Sơ đồ khối chương trình xử lý số liệu:

Đ S

2.5 Kế hoạch thí nghiệm

Kế hoạch thí nghiệm được thiết lập trên cơ sở các thông số thí nghiệm đại diện cho các yếu tố ảnh hưởng đến giá trị mô đun đàn hồi và loại mẫu thí nghiệm

Các công việc được tiến hành

- Chế tạo mẫu thí nghiệm theo quy trình chế tạo mẫu Marshall: Cấp phối hạt của cốt liệu sử dụng thoả mãn các tiêu chuẩn áp dụng phổ biến hiện nay (tiêu chuẩn ASTM 3515 và 22TCN-249-98) Hàm lượng bitum 5.8% theo khối lượng cốt liệu với lớp trên và 5.4% với lớp dưới Bi tum sử dụng loại bitum đặc Shell 60/70 Bột đá sử dụng là bột đá vôi thoả mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật qui định

- Thí nghiệm cường độ kéo gián tiếp

+ Số mẫu chế tạo trong phòng: 4 loại hỗn hợp x 4

+ Số mẫu hiện trường: 2 loại hỗn hợp x 3 mẫu

- Thí nghiệm mô đun đàn hồi với thiết bị thí nghiệm chế tạo Thí nghiệm với nhiệt độ thấp và thời gian gia tải ngắn trước và với nhiệt độ cao và thời gian gia tải dài sau

+ Số mẫu chế tạo trong phòng: 4 loại x 5 mẫu

+ Số mẫu hiện trường: 2 loại hỗn hợp x 9 mẫu

2.6 Kết quả thí nghiệm

Công thức tính toán đề nghị

t x V

P 59 3 R

với MR: Mô đun đàn hồi (MPa)

P: tải trọng tác dụng (N) t: chiều cao mẫu (mm) V: biến dạng của mẫu theo đường kính đứng (mm) Công thức này được rút ra từ các công thức tính mô đun đàn hồi theo biến dạng ngang của mẫu và hệ số Poisson tính theo biến dạng ngang và biến dạng đứng, là kết quả của bài toán phẳng, ép chẻ mẫu hình trụ, và cũng được chứng minh là công thức gần đúng khi tính trực tiếp theo biến dạng mẫu theo đường kính đứng dọc với hệ số Poisson lấy bằng 0.35

Giá trị mô đun đàn hồi thí nghiệm (MPa) trong các điều kiện thí nghiệm

Loại mẫu Chu

kỳ

tải

5 độ C 15 độ C 20 độ C 30 độ C 50 độ C Tức

M4 2,650 2,623 2,072 2,082 4,747 4,446 3,358 3,327

M5 2,375 2,240 3,292 3,157 2,759 2,769 2,107 2,059

T1 M1 - M5 T2 M1 - M5 T3 M1 - M5 T4 M1 - M5 T5 M1 - M5

Tương tự tiến hành với 5 mức nhiệt độ và

5 chu kỳ gia tải Sơ đồ kế hoạch thí nghiệm với mẫu trong phòng

Hỗn hợp trung - lớp trên - 5.8% bitum

Hỗn hợp trung - lớp dưới - 5.4% bitum

Hỗn hợp thô - lớp dưới - 5.4% bitum Tức thời Tổng Tức thời Tổng Tức thời Tổng Tức thời Tổng Mô đun

Quan hệ giữa mô đun đàn hồi với thời gian gia tải và thời gian chu kỳ

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi với lực tác dụng

Quan hệ giữa mô đun đàn hồi với thời gian tác dụng lực (đồ thị trái) và mô đun

đàn hồi với chu kỳ tác dụng lực (đồ thị phải)

Mô đun đàn hồi thí nghiệm với các độ lớn lực khác nhau ở cùng một điều kiện nhiệt độ (200C) và M1 (tần số 1 Hz; thời gian tác dụng lực 0.1 s)

Loại hỗn hợp Tổ hợp lực Lực (N) Mô đun tức

thời (MPa)

Mô đun tổng (MPa) Hỗn hợp hạt

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của mẫu khoan mặt đường

Loại mẫu Mô đun đàn hồi

tức thời (MPa)

Mô đun đàn hồi tổng (MPa) Hỗn hợp hạt trung - lớp trên 1559 1526

Hỗn hợp hạt thô - lớp dưới 1583 1571

2.7 Kết luận chương 2

1 Thiết bị thí nghiệm chế tạo làm việc ổn định, thời gian thí nghiệm ngắn, kết quả thí nghiệm tương đối tập trung và gần với các kết quả thí nghiệm sử dụng mô hình thí nghiệm tương tự đã công bố của nước ngoài

Log (M ô đun đàn hồi tổng)

trọng bánh xe ôtô chạy trên đường

3 Mô đun đàn hồi thí nghiệm ở điều kiện tương ứng với điều kiện để xác định thông số mô đun đàn hồi của bê tông asphalt theo hướng dẫn AASHTO đều nằm trong phạm vi quy định cho hỗn hợp bê tông asphalt chất lượng tốt

4 Kết quả thí nghiệm với các hỗn hợp bê tông asphalt khác nhau và các chế độ nhiệt độ và gia tải khác nhau cho thấy loại bê tông asphalt, cụ thể là thành phần, kích cỡ cốt liệu và hàm lượng bitum cũng có ảnh hưởng nhất định đến giá trị mô

đun đàn hồi xác định bằng thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp, nhưng quy luật chưa rõ ràng

5 Với mẫu khoan mặt đường (sau thời gian khai thác 5 năm), mô đun đàn hồi nhỏ hơn so với mẫu chế tạo trong phòng Mô đun đàn hồi xác định bằng nén dọc trục tải trọng lặp có giá trị cao hơn nhiều so với mô đun đàn hồi xác định bằng thí nghiệm nén dọc trục tải trọng tĩnh (bằng khoảng từ 5 - 7 lần)

6 Quan hệ giữa mô đun đàn hồi và nhiệt độ có dạng phương trình hàm số mũ

tương đối chặt chẽ, và gần giống nhau với các loại hỗn hợp khác nhau Ví dụ là

T

M = 4577 −0.0365 với R2 = 0 9775 cho hỗn hợp hạt trung làm lớp trên

5 Nếu lấy mô đun đàn hồi để kiểm toán kết cấu áo đường theo khoảng giá trị thí nghiệm được với mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp, thì sẽ phù hợp với bản chất thực tế của bê tông asphalt, là vật liệu tốt có giá thành cao hơn so với các vật liệu làm móng và nền đường Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu bước đầu này chỉ mang tính chất định tính Việc sử dụng mô đun đàn hồi là bao nhiêu để kiểm toán cường độ áo đường mềm theo trạng thái giới hạn nào khi sử dụng phương pháp tính toán theo lý thuyết đàn hồi sẽ cần các nghiên cứu thêm cả thông số trạng thái giới hạn và mô hình thí nghiệm với mỗi loại vật liệu mặt đường

6 Các kết quả mô đun đàn hồi có từ thực nghiệm với các loại bê tông asphalt thông dụng này tương đối thống nhất với các giá trị được đề nghị sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN-274-01

7 Một số nhận xét về mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và các yếu tố ảnh hưởng như sau:

- Mô đun đàn hồi giảm khi nhiệt độ thí nghiệm tăng Mối quan hệ này theo hàm số mũ và rất chặt chẽ với hệ số xác định R2 cao

- Khi thời gian tác dụng lực tăng thì mô đun đàn hồi giảm

8 Các mẫu thí nghiệm thường bị phá hoại khi tiến hành thí nghiệm ở nhiệt độ

500C và 600C Do vậy không nên thực hiện ở nhiệt độ lớn hơn 400C

Chương III: Tính toán mô đun lớp vật liệu bê tông asphalt từ độ võng mặt

đường đo bằng thiết bị FWD

Chương này trình bày về phương pháp tính thử dần để xác định mô đun đàn hồi lớp của bê tông asphalt từ số liệu đo độ võng động mặt đường sử dụng thiết bị FWD, để so sánh đối chứng với kết quả thí nghiệm trong phòng

Các công việc chính được tiến hành ở hiện trường là đo độ võng động mặt

đường và khoan mẫu

Đoạn tuyến thí nghiệm có kết cấu theo thiết kế:

- Lớp mặt bê tông asphalt, hỗn hợp hạt trung; 5 cm

- Lớp mặt bê tông asphalt, hỗn hợp hạt thô; 7 cm

- Lớp móng trên cấp phối đá dăm loại 1; 20 cm

- Lớp móng dưới cấp phối đá dăm loại 2; 30 cm

- Nền đường cấp phối sỏi đồi, đầm nén K = 0.98; tiêu chuẩn đầm nén cải tiến

Tình trạng mặt đường tốt theo quan sát bằng mắt chưa xuất hiện bất kỳ dạng hư hỏng nào trên bề mặt Độ bằng phẳng và độ nhám mặt đường tốt

đưa vào các file số liệu và các biểu đồ lưu trữ trong máy tính kèm theo thiết bị Tổng hợp lực và độ võng đo được tại các điểm

Điểm đo Lý trình Số liệu thí nghiệm

áp lực (kPa)

Độ võng thực đo ( à m) cách tâm gia tải

đường đo bằng thiết bị FWD

Nguyên lý tính toán của phương pháp thử dần: Cho các bộ giá trị mô đun

lớp khác nhau, thay đổi trong một phạm vi đã được xác định trước Sử dụng phần mềm BISAR tính toán ra các giá trị độ võng tại các vị trí tương ứng với các vị trí

đo độ võng trên hiện trường Bộ giá trị mô đun lớp cho sai số nhỏ nhất giữa độ võng tính toán được với các độ võng thực đo là giá trị mô đun lớp cần tìm

Lần 1: Tìm khoảng giá trị mô đun lớp cho đường cong chậu võng tính toán nằm gần nhất với đường cong chậu võng thực đo Chương trình tính lặp lần 1

được lập bằng ngôn ngữ Pascan

Lần 2: Cho mô đun lớp thay đổi trong khoảng đã xác định lần 1 với số gia nhỏ hơn, tìm bộ giá trị độ võng tính toán sai khác nhỏ nhất với độ võng thực đo Chương trình tính lặp lần 2 được chạy sử dụng các hàm trong Excel

Các loại sai số xem xét

− Sai số tuyệt đối trung bình (trung bình cho 7 giá trị của một bộ độ võng)

- Sai số tương đối trung bình

d

d d 7

d

d d 7

1

trong đó: d cj là độ võng tính toán bằng chương trình BISAR tại điểm thứ j

d mj là độ võng thực đo bằng thiết bị FWD tại điểm thứ j

3.5 Kết quả tính toán

Tính toán được thực hiện theo 3 bước:

Bước 1: Quy kết cấu nền mặt đường về hệ 3 lớp, với các bộ số liệu mô đun lớp

đưa vào tính toán độ võng được lấy nhỏ nhất là bằng mô đun đàn hồi tĩnh (kết quả nghiên cứu trong nước) và lớn nhất là mô đun đàn hồi động (kết quả nghiên cứu của nước ngoài) đã có Chiều dày lớp bê tông asphalt lấy theo chiều cao mẫu khoan thực tế, chiều dày móng đường lấy bằng 50cm

Giá trị nhỏ nhất của mô đun lớp:

+ Bê tông asphalt: 500 MPa;

+ Cấp phối đá dăm: 150 MPa;

+ Đất nền: 40 MPa

Giá trị lớn nhất của mô đun lớp:

+ Mô đun lớp của bê tông asphalt: 5400 MPa theo kết quả mô đun đàn hồi

động

+ Mô đun lớp của cấp phối đá dăm: 550 MPa;

+ Đất nền bằng cấp phối sỏi đồi: 440 MPa;

Gia số mô đun lớp:

+ Bê tông asphalt: 700 MPa

+ Cấp phối đá dăm: 100 MPa

+ Đất nền: 50 MPa

Kết quả tính toán bước 1 – các khoảng giá trị mô đun lớp của hệ 3 lớp cho

đường cong chậu võng tính toán gần nhất với đường cong chậu võng thực đo

+ Đất nền: 50 MPa: (140-750) MPa

Bước 2: Quy kết cấu nền mặt đường về hệ 2 lớp, với các bộ số liệu mô đun lớp

đưa vào tính toán độ võng được lấy theo kết quả bước 1 Mô đun lớp nền được lấy trong khoảng giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của mô đun lớp móng và lớp đất nền Chiều dày lớp bê tông asphalt lấy theo chiều cao mẫu khoan

Khoảng thay đổi của mô đun lớp: + Bê tông asphalt: (1000-3500) MPa;

+ Nền: (140 - 750) MPa Gia số mô đun lớp: + Bê tông asphalt: 250 MPa

+ Nền: 150 MPa Kết quả tính toán bước 2 – các khoảng giá trị mô đun lớp của hệ 2 lớp cho

đường cong chậu võng tính toán gần nhất với đường cong chậu võng thực đo Các khoảng giá trị này được xác định cho mỗi điểm trong 12 điểm đo

Kết quả tính toán bước 2

Điểm đo

Khoảng xác

định (%)

Khoảng giá trị mô đun lớp cho sai số nhỏ nhất (MPa)

Bê tông asphalt Nền chung Cận dưới Cận trên Cận dưới Cận trên

Bước 3: Quy kết cấu nền mặt đường về hệ 2 lớp, với các bộ số liệu mô đun lớp

đưa vào tính toán độ võng được lấy cho từng điểm theo bảng kết quả trên Chiều dày lớp bê tông asphalt lấy theo chiều cao mẫu khoan

Kết quả mô đun đàn hồi lớp của bê tông asphalt sau bước thực hiện thứ 3:

- SSTĐNN: Sai số tuyệt đối nhỏ nhất

- SSTGĐNN: Sai số tương đối nhỏ nhất

- SSTGĐBPNN: Sai số tương đối bình phương nhỏ nhất

Ví dụ về số liệu độ võng thực đo và các độ võng tính toán ứng với sai số nhỏ nhất đối với điểm đo 1

Vị trí điểm đo độ võng (m) 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 Giá trị độ võng thực đo 386 215 92 46 30 24 19

Điểm đo 1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Chậu võng thực đo

Chậu võng tính toán theo sai số tuyệt đối min

Điểm đo 1

0 50 100 200 300 400

3.5 Kết luận chương 3

1 Đường cong chậu võng thực đo phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của lớp mặt bê tông asphalt, của các lớp móng, của nền, phụ thuộc vào sự tương tác giữa các lớp, vào loại và cường độ tải trọng, thời gian tác dụng của tải trọng, và điều kiện môi trường Dụng cụ thí nghiệm FWD đã cố định tải trọng, thời gian tác dụng của tải trọng, loại hình tải trọng tác dụng Sự tương tác giữa các lớp

được công nhận theo giả thiết là dính hoàn toàn để các lớp làm việc đồng thời Nhiệt độ mặt đường đo tại thời điểm tiến hành thí nghiệm Như vậy, độ võng chỉ còn phụ thuộc vào các mô đun lớp của vật liệu Khi tính thử dần, phải dùng các giá trị mô đun đàn hồi của lớp mặt, lớp móng và lớp nền khác nhau sao cho đường cong độ võng thực đo với đường cong độ võng giải theo

lý thuyết phụ thuộc hi , Ei , ài của các lớp gần với nhau nhất Đây là một bài toán tính lặp với các mô đun của các lớp nền, móng và mặt đường khác nhau

2 Kết quả tính toán cho giá trị mô đun lớp trung bình của bê tông asphalt là

2438 MPa Giá trị này tương đối gần (cùng ở phạm vi giá trị thể hiện loại bê tông asphalt chất lượng tốt theo hướng dẫn thiết kế của AASHTO) so với các giá trị mô đun đàn hồi thí nghiệm được bằng phương pháp kéo gián tiếp tải trọng lặp trong phòng thí nghiệm

3 Các nhận xét:

- Tất cả các mô đun đàn hồi lớp của bê tông asphalt tính được tại 12 điểm

đều phải có giá trị cao (hơn hẳn lớp móng và nền đường), mới có khả năng cho đường cong độ võng tính toán theo lý thuyết phù hợp với đường cong độ võng thực đo trên đường bằng thiết bị FWD

- Nếu chọn sai số tuyệt đối trung bình sẽ tìm ra đường cong độ võng có các độ võng tính toán theo lý thuyết tại và lân cận tâm gia tải sai khác ít nhất với độ võng thực đo, và với sai số tương đối thì ngược lại Vì vậy, nếu tính lặp với mục đích xác định mô đun lớp nền đường, thì nên sử dụng sai số tương đối hoặc sai số tương đối bình phương, còn với mô đun lớp mặt và móng đường thì nên sử dụng sai số tuyệt đối nhỏ nhất giữa độ võng tính toán và độ võng thực đo làm cơ sở cho phép thử dần

Kết luận - kiến nghị

Các kết quả nghiên cứu chính

dựng các chương trình điều khiển hoạt động của thiết bị

2 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng của bê tông aphalt sử dụng mô hình thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm thiết lập

a Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi các loại hỗn hợp bê tông asphalt tại

điều kiện nhiệt độ 200C, thời gian tác dụng của tải trọng là 0.1 giây và thời gian chu kỳ là 1 giây (điều kiện thí nghiệm theo hướng dẫn AASHTO - từ

đây được gọi là điều kiện chuẩn

Mẫu chế tạo trong

phòng thí nghiệm

Hỗn hợp hạt mịn - lớp trên 1,754 Hỗn hợp hạt trung - lớp trên 3,048 Hỗn hợp hạt trung - lớp dưới 2,319 Hỗn hợp thô - lớp dưới 2,280 Mẫu khoan hiện

trường

Hỗn hợp hạt trung - lớp trên 1,526 Hỗn hợp thô - lớp dưới 1,571

b Mô đun đàn hồi theo điều kiện khai thác thực tế phổ biến trên các quốc lộ của Việt Nam với nhiệt độ 300C và thời gian tác dụng của tải trọng là 0.02 giây, ứng với tốc độ xe chạy khoảng 50 km/h

Phương pháp Loại hỗn hợp Mô đun đàn hồi (MPa) Xác định mô đun đàn

hồi trong phòng bằng

thí nghiệm ép chẻ tải

trọng xung lặp

Hỗn hợp hạt mịn - lớp trên 2,662 Hỗn hợp hạt trung - lớp trên 2,904 Hỗn hợp hạt trung - lớp dưới 3,011 Hỗn hợp thô - lớp dưới 2,707

c Trong các tuyến đường trong đô thị của Việt Nam, với nhiệt độ 300C và thời gian tác dụng của tải trọng là 0.05 giây, ứng với tác dụng của tải trọng xe chạy với tốc độ khoảng 20 km/h và thời gian chu kỳ là 5 giây

Mẫu chế tạo trong

phòng thí nghiệm

Hỗn hợp hạt mịn - lớp trên 1,546 Hỗn hợp hạt trung - lớp trên 2,059 Hỗn hợp hạt trung - lớp dưới 1,790 Hỗn hợp thô - lớp dưới 2,119

d Tại các vị trí đỗ xe như bến, bãi đỗ xe, hoặc các vị trí gần các nút giao cắt, các trạm thu phí, có thể lấy theo các giá trị thí nghiệm nén dọc trục tải trọng

e Các đồ thị thể hiện quan hệ giữa mô đun đàn hồi thí nghiệm và nhiệt độ cho thấy mô đun đàn hồi (MR) giảm theo quan hệ hàm số mũ bT

M = * − khi nhiệt độ (T) tăng Mối quan hệ này có hệ số xác định R2 tương đối cao Với các loại hỗn hợp bê tông asphalt khác nhau thì mối quan hệ này không khác nhau nhiều, các hệ số a và b trong phương trình quan hệ và hệ số xác định cũng gần giống nhau

f Mô đun đàn hồi (MR) giảm khi thời gian tác dụng (t) của tải trọng tăng Mối quan hệ này có dạng hàm số mũ b

M R = *ln( )+ với hệ số xác định cao (R2 = 0.98), khi lực tác dụng tăng

3 Tính toán mô đun lớp của bê tông asphalt từ độ võng động của mặt đường đo trên tuyến Láng - Hoà Lạc, nhiệt độ mặt đường khi đo độ võng là 290C, cho giá trị trung bình của 12 điểm đo là 2438 MPa (thay đổi trong khoảng 1200 MPa

đến 3000 MPa)

Nhận xét từ kết quả nghiên cứu

1 Với thiết bị điều khiển lực xung lặp, có thể mô phỏng được đặc điểm tải trọng

xe chạy tác dụng lên mặt đường như thời gian và chu kỳ tác dụng của tải trọng

2 Mô hình thí nghiệm ép chẻ tải trọng xung lặp là mô hình có khả năng sử dụng

được để xác định mô đun đàn hồi của vật liệu bê tông asphalt dùng cho tính toán kết cấu áo đường mềm do phù hợp hơn với đặc tính chịu tải trọng thực tế của vật liệu bê tông asphalt làm lớp mặt đường ôtô so với nén dọc trục tải trọng tĩnh và

dễ thực hiện hơn nhiều so thí nghiệm nén ba trục hay uốn mẫu hình dầm tải trọng lặp

3 Thiết bị thí nghiệm được thiết kế và chế tạo hoạt động tốt, cho kết quả thí nghiệm tương đối ổn định

4 Số liệu thí nghiệm ghi được có độ chính xác cao do quá trình thu nhận và sử

lý số liệu được tiến hành hoàn toàn trên máy tính nhờ các phần mềm tiện ích

5 Thí nghiệm có thể được tiến hành nhanh chóng, tính toán xử lý số liệu không phức tạp Các thông số thí nghiệm thể hiện điều kiện thí nghiệm khác nhau có thể điều khiển được một cách linh hoạt và tương đối chính xác

trọng và độ lớn tải trọng hợp lý và phù hợp với lý thuyết về đặc tính vật liệu

7 Giá trị cao của kết quả thí nghiệm thể hiện đúng bản chất vật liệu bê tông asphalt là vật liệu tốt hơn, có cường độ cao hơn các vật liệu các lớp vật liệu làm lớp móng và nền

8 Kết quả thí nghiệm theo mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp cao hơn nhiều so với kết quả với thí nghiệm nén dọc trục tải trọng tĩnh, phù hợp với các giá trị mô

đun đàn hồi được đề nghị sử dụng trong tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN - 274 - 01 và có thể được sử dụng để xem xét phạm vi giá trị sử dụng cho tính toán kết cấu áo đường mềm theo lý thuyết đàn hồi, nếu xác lập được các trạng thái giới hạn tương ứng

9 Kết quả thí nghiệm với mẫu chế tạo trong phòng lớn hơn mẫu khoan mặt

đường (sau thời gian khai thác 5 năm) với cùng một loại hỗn hợp và điều kiện thí nghiệm Sự khác nhau này có thể do nhiều nguyên nhân, ví dụ như hàm lượng vật liệu thành phần, chất lượng vật liệu thành phần và thời gian sử dụng của hỗn hợp vật liệu bê tông asphalt

10 Mô đun lớp tính toán từ độ võng động đo được trên mặt đường bằng thí nghiệm FWD có giá trị cao và thay đổi trong phạm vi rộng

11 Căn cứ vào kết quả nghiên cứu có thể cụ thể hoá một nhận xét định tính là: khi tính toán kết cấu áo đường mềm theo lý thuyết đàn hồi, mô đun đàn hồi tính toán của bê tông asphalt phải được lấy ở giá trị cao (hơn phạm vi quy định trong tiêu chuẩn hiện hành 22TCN-211-93 và cao hơn khoảng phạm vi từ 500 MPa

đến 1000 MPa), khi xét đến thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy trên đường

Những đóng góp của luận án về mặt khoa học và thực tiễn

1 Luận án đã làm rõ thêm bản chất của vật liệu bê tông asphalt là loại vật liệu

có tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo với bản chất vật liệu phụ thuộc vào điều kiện chịu tải trọng thực tế

2 Mô hình cơ học thể hiện gần đúng đặc điểm biến dạng của bê tông asphalt là mô hình Burger gợi cho chúng ta ý tưởng đưa thông số thời gian vào để nghiên cứu thực nghiệm mô đun đàn hồi của vật liệu

3 Nghiên cứu xử lý số liệu điều tra giao thông trên một tuyến quốc lộ chính của nước ta - quốc lộ 1 để đưa ra thông số thời gian và chu kỳ tác dụng lực cho thiết

bị thí nghiệm chế tạo

5 Thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi theo mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp, tuy đơn giản, nhưng rẻ tiền, có thể tiến hành thí nghiệm nhanh chóng Khi đối chiếu với kết quả thí nghiệm của các nước khác với mô hình thí nghiệm tương tự, cũng cho giá trị tương tự

6 Đã nghiên cứu giải bài toán cơ học để tìm mô đun đàn hồi từ giá trị chuyển vị

có thể đo được, khắc phục nhược điểm của thiết bị thí nghiệm

7 Tiến hành thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm của các loại bê tông asphalt thông dụng ở Việt Nam, sử dụng thiết bị thí nghiệm chế tạo Đưa ra được các kết quả mô đun đàn hồi thí nghiệm trong các điều kiện về thời gian tác dụng và chu kỳ của tải trọng và nhiệt độ khác nhau

8 Khảo sát và đưa ra các mối quan hệ giữa mô đun đàn hôi thí nghiệm và các yếu tố ảnh hưởng, làm rõ thêm đặc tính của vật liệu bê tông asphalt

9 Đã làm rõ về mặt lý thuyết của bài toán dùng hệ hai lớp tính toán mô đun đàn hồi của bê tông asphalt sử dụng kết quả đo độ võng mặt đường bằng thiết bị FWD, loại thiết bị đang và sẽ được sử dụng rộng rãi ở trong nước

10 Tiến hành đo đạc và tính thử với nhiều vị trí khác nhau trên đường để tìm ra giá trị mô đun đàn hồi, đối chứng với giá trị thí nghiệm trong phòng với mẫu khoan hiện trường tại vị trí đo đạc

11 Góp phần giải thích sự khác nhau rất lớn của trị số mô đun đàn hồi của bê tông asphalt trong các tiêu chuẩn hiện hành và thấy là, để nâng cao chất lượng mặt đường bê tông asphalt nên tiến hành những chương trình thí nghiệm bao quát hơn để có các trị số mô đun đàn hồi của bê tông asphalt phù hợp để sử dụng cho nước ta

Các hạn chế của luân án

1 Luận án đã cố gắng đi theo phương pháp thí nghiệm hiện đại nhất, nhưng do trình độ công nghệ và khả năng tài chính có hạn nên thiết bị thí nghiệm thiếu thiết bị đo chuyển vị ngang, nên chưa thể xác định được hệ số Poisson à, phải lấy giá trị cố định là 0.35 để đưa vào công thức tính toán

2 Luận án chưa thể đưa ra được trị số mô đun đàn hồi làm thông số thiết kế kết cấu áo đường mềm Những trị số này đòi hỏi thí nghiệm rất qui mô với chi phí về thời gian và tài chính vượt quá khuôn khổ của luận án và khả năng của nghiên cứu sinh

thí nghiệm để nghiên cứu với vật liệu làm mặt đường ô tô theo hướng sau:

a) Các thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của các loại vật liệu làm mặt đường với tải trọng lặp Mô hình thí nghiệm đối với vật liệu hạt làm móng đường hay với đất nền có thể đơn giản là nén dọc trục hạn chế nở hông, hay kết hợp với thiết bị buồng nén ba trục Giá trị mô đun đàn hồi có thể được rút ra từ các chương trình thí nghiệm có quy mô rộng để loại bỏ được các sai số

b) Thí nghiệm xác định độ bền có tính đến đặc tính mỏi của vật liệu bê tông asphalt sử dụng mô hình kéo gián tiếp, tải trọng lặp Độ bền kéo gián tiếp hay mô đun đàn hồi xác định theo mô hình kéo gián tiếp trọng lặp có xét đến hiện tượng mỏi còn có thể được xác định một cách đơn giản hơn rất nhiều bằng cách

so sánh kết quả thí nghiệm trên mẫu khoan của mặt đường mới và mẫu khoan của mặt đường đã qua các giai đoạn sử dụng với số lần tải trọng trục tích luỹ

được theo dõi qua số liệu điều tra lưu lượng và tải trọng giao thông

c) Tiến hành các nghiên cứu về hiện tượng hư hỏng do tích luỹ biến dạng dẻo trên đường nhựa bằng việc thực hiện các thí nghiệm từ biến (Creep Test) sử dụng

hệ thống theo dõi chuyển vị và ghi số liệu chuyển vị tương tự Đây là vấn đề rất

được quan tâm khi thiết kế kết cấu áo đường thoả mãn yêu cầu giao thông hiện

đại

2 Các kết quả góp phần và đưa ra định hướng cho việc nghiên cứu xác định thông số tính toán kết cấu áo đường mềm theo lý thuyết đàn hồi, theo hướng phù hợp với đặc điểm tác dụng của tải trọng xe chạy trong các trường hợp khác nhau trên đường: trên các đoạn đường quốc lộ xe chạy liên tục với tốc độ cao, trên các

đoạn dòng giao thông không liên tục, có các thao tác tăng, giảm tốc, hãm xe , tại các vị trí đỗ xe, và trên đường thành phố với dòng xe liên tục tốc độ nhỏ Trên cơ sở đó, các thông số vật liệu cơ bản sẽ được xác định bằng thực nghiệm với qui mô rộng, trên mô hình phù hợp với trạng thái giới hạn tính toán và mô phỏng đặc

điểm tác dụng của tải trọng xe chạy trong mỗi trường hợp cụ thể

Mở đầu

Bê tông asphalt là loại vật liệu được dùng rất phổ biến làm lớp mặt của

áo đường ôtô ở Việt Nam cũng như trên thế giới Mạng lưới đường quốc gia ở Việt Nam hiện nay có khoảng trên 80% có lớp mặt có xử lý bằng bitum, trong

đó phần lớn là dùng bê tông asphalt Điều này cũng phù hợp trào lưu chung của thế giới, vật liệu gia cố bitum và bê tông asphalt đã và đang là các loại vật liệu rất thông dụng làm lớp mặt của kết cấu áo đường ôtô Công nghệ thi công lớp mặt đường bằng bê tông asphalt cũng đã trở nên quen thuộc với các nhà thầu Việt Nam

Việc nâng cao chất lượng và tuổi thọ lớp mặt bê tông asphalt của kết cấu

áo đường ở nước ta sẽ góp phần nâng cao chất lượng của cả mạng lưới đường

ôtô và có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật to lớn Những cố gắng nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của lớp mặt bê tông asphalt của kết cấu áo đường có thể đi theo các hướng cơ bản sau đây:

Đ Sử dụng kết cấu áo đường phù hợp với tải trọng giao thông (tải trọng trục

xe và lưu lượng xe) và các điều kiện môi trường Việc làm này được cân nhắc cẩn thận trong bước thiết kế và quyết định đầu tư Theo hướng đó, những mô hình tính toán phù hợp với thực tế chịu lực của kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng xe, có xét đến một cách đầy đủ những tính chất của bê tông asphalt dưới tác dụng của yếu tố môi trường, cần được hoàn thiện và áp dụng thống nhất

Đ Hoàn thiện công nghệ thi công áo đường và chế tạo hỗn hợp bê tông asphalt theo hướng hiện đại hoá thiết bị và công nghệ, kể cả thiết bị thí nghiệm và kiểm tra chất lượng

Đ Hoàn thiện phương pháp và cải tiến tổ chức để công tác duy tu sửa chữa kết cấu áo đường đạt hiệu quả ngày càng cao hơn, đặc biệt trong lĩnh vực tái tạo độ nhám và phòng ngừa hư hỏng

Với mục đích và các hướng nghiên cứu trình bày trên, đặc biệt trong lĩnh vực đào tạo ở trường đại học, vấn đề thiết kế kết cấu áo đường mềm có lớp

mặt sử dụng bitum chiếm vị trí quan trọng hàng đầu Trong thực tế có nhiều cách tiếp cận để đạt được một kết cấu áo đường có lớp mặt sử dụng vật liệu bitum hợp lý Những bước cơ bản của các phương pháp thiết kế bao gồm: thiết

kế (lựa chọn) cấu tạo; kiểm toán chiều dày và luận chứng kinh tế lựa chọn kết cấu áo đường Vấn đề kiểm toán chiều dày kết cấu áo đường nhằm đưa ra kết luận cuối cùng về kích thước của kết cấu trên cơ sở phương án cấu tạo hợp lý

đã lựa chọn Trong bước này kết quả tính toán kết cấu áo đường cũng như bất

kỳ một vấn đề kỹ thuật nào khác đều cần một mô hình tính toán và những thông số tính toán hợp lý Hiện tại trong lĩnh vực xây dựng đường ô tô ở nước

ta đang sử dụng song song hai phương pháp kiểm toán chiều dày kết cấu áo

đường nhựa sau đây

Đ Phương pháp nửa thực nghiệm trong tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế áo đường mềm hiện hành Phương pháp này dựa trên việc giải bài toán hệ nhiều lớp trên nền đàn hồi theo lý thuyết, với các điều kiện trạng thái giới hạn được xác định bằng kết quả bài toán lý thuyết và thông số trạng thái giới hạn

được xác định theo thực nghiệm có sử dụng các hệ số tin cậy trên cơ sở kinh nghiệm sử dụng đường Theo phương pháp này, mỗi lớp vật liệu, kể cả nền đất, khi giải bài toán kiểm toán chiều dày kết cấu áo đường, đều

được đặc trưng bằng mô đun đàn hồi và hệ số Poisson

Đ Phương pháp thực nghiệm mà tiêu biểu là hướng dẫn của hiệp hội xây dựng và vận tải đường ô tô Hoa Kỳ AASHTO (American Assosiation of State Highway and Transportation Officials) Khi kiểm toán chiều dày của kết cấu áo đường theo phương pháp này, chiều dày các lớp vật liệu được

đổi ra chỉ số kết cấu thông qua hệ số lớp Hệ số lớp của bê tông asphalt cao hay thấp tuỳ thuộc chất lượng vật liệu mà tiêu chuẩn đánh giá cũng thông qua mô đun đàn hồi được xác định bằng thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp

Mô đun đàn hồi là đặc trưng không thể thiếu của vật liệu trong tính toán kết cấu áo đường, cho dù tính toán theo trường phái lý thuyết hay thực

nghiệm Trong các hướng dẫn, các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành ở nước ta và ở các quốc gia khác, thông số mô đun đàn hồi của bê tông asphalt và phương pháp xác định thông số không giống nhau Nó phụ thuộc vào phương pháp tính, vào quan điểm và cách xác định trạng thái giới hạn, phụ thuộc vào điều kiện chịu tải trọng được mô phỏng thông qua các phương pháp thí nghiệm xác

định được đề nghị Với cùng một phương pháp tính trên cơ sở lý thuyết đàn hồi, tiêu chuẩn tính toán của nước ta [9], của Trung Quốc [2], của CHLB Nga [42], đều có qui định các trị số mô đun đàn hồi tính toán của bê tông asphalt khác nhau để kiểm toán theo các trạng thái giới hạn khác nhau Các giá trị qui

định trong các tiêu chuẩn này đương nhiên không bằng nhau và chúng cũng khác so với mô đun đàn hồi của bê tông asphalt được đề cập trong hướng dẫn thiết kế của AASHTO [16]

Trong luận án này, tác giả đặt vấn đề nghiên cứu để tìm ra bản chất sự khác nhau của trị số mô đun đàn hồi trong các tiêu chuẩn tính toán, đi sâu nghiên cứu về mô đun đàn hồi với điều kiện chịu tải trọng xe chạy bằng cách

đề nghị mô hình và các thông số thí nghiệm có thể mô phỏng gần hơn với tác dụng tải trọng tức thời do xe chạy trên đường Trong quá trình nghiên cứu, tác giả cố gắng đi theo nguyên tắc là các giá trị và phương pháp thí nghiệm mô

đun đàn hồi của bê tông asphalt cần thống nhất với lý thuyết tính toán, mô phỏng gần hơn đến mức có thể điều kiện chịu tải trọng xe chạy của bê tông asphalt làm lớp mặt của kết cấu áo đường ô tô Với mục tiêu của đề tài như vậy, tác giả mong muốn góp phần vào việc nâng cao độ chính xác của việc tính toán chiều dày các lớp kết cấu áo đường để góp phần vào việc nâng cao chất lượng mặt đường bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam

Chương I

Tổng quan về bê tông asphalt làm áo đường ôtô và

các đặc trưng cơ học của bê tông asphatl

1.1 Các thành phần vật liệu và tính chất cơ bản của bê tông asphalt

Hỗn hợp bê tông asphalt đã đầm nén theo một mô hình đơn giản bao gồm ba pha, pha rắn là cốt liệu khoáng, pha lỏng là bitum và pha khí là các lỗ rỗng [26] Các vật liệu thành phần của bê tông asphalt bao gồm cốt liệu hạt (đá và cát), bột khoáng, bitum và phụ gia (trong các trường hợp cần tạo các tính chất đặc biệt) Các tính chất của bê tông asphalt phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và mức độ dính kết giữa cốt liệu và bi tum Mỗi thành phần trong hỗn hợp bê tông asphalt đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ đến nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làm lớp mặt đường [1]

Cốt liệu gồm có cốt liệu hạt thô và cốt liệu hạt mịn Cốt liệu thô với vai trò tạo bộ khung chịu lực chính, cốt liệu mịn lấp đầy lỗ rỗng trong khung cốt liệu thô, đồng thời tạo các khung chịu lực nhỏ hơn Cốt liệu đóng vai trò cơ bản trong việc tạo cường độ và đảm bảo cường độ của bê tông asphalt ổn định Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu vì thế phải thoả mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn được quy định cho mỗi loại bê tông asphalt khác nhau với mục đích tạo khung chịu lực bền vững mà vẫn đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu Với bê tông asphalt chặt, thành phần cỡ hạt của cốt liệu theo phương trình họ đường cong Fuller:

p = 100 ( d/D )n [25]

với n = 0.45

p: phần trăm lọt sàng tích luỹ tại cỡ sàng d D: cỡ sàng lớn nhất mà lượng hỗn hợp cốt liệu lọt tích luỹ 100% Bitum là một thành phần cơ bản đồng thời là thành phần tạo nên tính chất tiêu biểu của bê tông asphalt, đó là tuỳ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác

dụng của tải trọng mà tính chất vật liệu thay đổi là đàn hồi - nhớt hay đàn hồi

- dẻo [1] Bản chất vật liệu thay đổi khi điều kiện chịu tải trọng thay đổi làm cho cường độ và độ ổn định của hỗn hợp bê tông asphalt cũng thay đổi đáng

kể Để mô phỏng đặc tính biến dạng của bitum cũng như của vật liệu bê tông asphalt, người ta có thể sử dụng nhiều mô hình cơ học khác nhau phù hợp với

điều kiện chịu tải trọng khác nhau Khi làm việc ở nhiệt độ thấp vật liệu bê tông asphalt có thể mô phỏng theo mô hình Maxwell, phản ánh với mức độ khá thích hợp tính chất đàn hồi - nhớt khi biến dạng [1] Mô hình Maxwell gồm một lò xo đàn hồi lý tưởng có mô đun đàn hồi E0 ghép nối tiếp với vật cản chứa chất lỏng có độ nhớt η0 Mô hình Maxwell chưa thể hiện được một

đặc tính của mặt đường bê tông asphalt là biến dạng đàn hồi không phát sinh ngay liền khi lực tác dụng mà cần một khoảng thời gian chậm trễ để phát triển, đó là tính chất đàn hồi chậm [1] Để thể hiện tính chất đàn hồi chậm, người ta dùng mô hình Kelvin gồm một lò xo đàn hồi lý tưởng có mô đun đàn hồi E1 ghép song song với vật cản chứa chất lỏng độ nhớt η1 Thực tế cho thấy tính chất biến dạng của hỗn hợp bê tông asphalt còn phức tạp hơn rất nhiều,

nó bao gồm cả biến dạng đàn hồi, biến dạng nhớt và biến dạng đàn hồi chậm [1] Để thể hiện gần đúng hơn tính chất biến dạng của vật liệu bê tông asphalt người ta có thể dùng mô hình Burger gồm một mô hình Maxwell ghép nối tiếp với một mô hình Kelvin (xem hình 1.1) Biến dạng theo mô hình này là tổng cộng biến dạng của mô hình Maxwell và mô hình Kelvin

1 1

0 0

1 exp 1 ) 1

(

T E

T

t E

σ σ

trong đó:

E0 là mô đun đàn hồi của lò xo trong mô hình Maxwell

E1 là mô đun đàn hồi của lò xo trong mô hình Kelvin

T0 = η0/E0 với T0 là thời gian chùng ứng suất của mô hình Maxwell; η0 là độ nhớt của chất lỏng trong vật cản nhớt của mô hình Maxwell

T1 = η1/E1 với T1 là thời gian trễ của biến dạng đàn hồi; η1 là hệ số nhớt của chất lỏng trong vật cản nhớt của mô hình Kelvin

D là toán tử vi phân sử dụng để áp dụng chuyển đổi Laplace, loại bỏ biến số thời gian trong công thức độ cứng của vật liệu đàn hồi, nhớt, dẻo [26]

Với mô hình thể hiện tính chất biến dạng của bê tông asphalt như trên, có thể thấy tỉ lệ giữa ứng suất và biến dạng (thông số độ cứng) của vật liệu bao gồm cả các thông số đàn hồi và các thông số độ nhớt

Bột khoáng trong hỗn hợp bê tông asphalt cùng với bitum tạo thành chất dính kết asphalt có tính chất hơn hẳn tính chất kết dính của bitum thông thường Bột khoáng có tỉ diện rất lớn, nó có ái lực mạnh với bitum, có thể tạo trạng thái màng mỏng cho bitum để bao bọc hạt cốt liệu Bột khoáng không

Hình 1.1: Mô hình Burgers

1 1

1

1 1 0 0

0

+ +

+

=

D T E D T

chỉ có chức năng làm đầy các lỗ rỗng trong khung cốt liệu mà có tác dụng như một chất phụ gia làm cho bitum tăng thêm độ nhớt, tăng khả năng dính kết và tăng tính ổn định với nhiệt độ [1]

Một thành phần nữa trong hỗn hợp bê tông asphalt cần phải kể đến là phụ gia Có nhiều loại phụ gia được nghiên cứu sử dụng để cải thiện tính chất nhất định của bê tông asphalt phù hợp với một mục đích sử dụng nhất định

1.2 Các khái niệm về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt và các phương pháp xác định

1.2.1 Các khái niệm về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt

Mô đun độ cứng (Stiffness Modulus) của vật liệu được tính bằng tỉ số

giữa ứng suất và biến dạng sinh ra khi vật liệu chịu tác dụng của lực theo một mô hình gia tải nào đó Mô đun độ cứng của bê tông asphalt phụ thuộc vào thời gian gia tải và nhiệt độ Mối quan hệ này thể hiện tính chất lưu biến của

bê tông asphalt Độ cứng của bê tông asphalt không chỉ được dùng để đánh giá tính chất vật liệu mà còn được dùng để đánh giá đặc trưng cường độ của vật liệu bê tông asphalt khi chúng được sử dụng làm mặt đường ô tô Trong phạm vi thời gian gia tải rất ngắn và nhiệt độ thấp thì mô đun độ cứng không phụ thuộc vào thời gian và đạt đến giá trị mô đun đàn hồi (S = E) [26]

Mô đun đàn hồi (Elastic Modulus) là khái niệm gắn với vật liệu thuần

tuý đàn hồi Trong mô hình vật liệu đàn hồi, nhớt, dẻo ở hình 1.1, chính là độ cứng của lò xo Với vật liệu thuần tuý đàn hồi thì mọi mô hình thí nghiệm đều cho giá trị mô đun đàn hồi giống nhau Nhưng với vật liệu có tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo như bê tông asphalt thì khái niệm này không đi kèm với một thí nghiệm nào Trong thực tế, bất kỳ mô hình thí nghiệm nào với mức độ mô phỏng điều kiện chịu tải trọng nhất định, xác định được biến dạng đàn hồi và dùng công thức theo lý thuyết đàn hồi để tính ra mô đun vật liệu, đều được xem là thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Chính vì vậy, với vật liệu như bê tông asphalt làm mặt đường ô tô, người ta cố gắng thiết lập những mô hình thí

nghiệm có khả năng mô phỏng gần hơn với điều kiện chịu tải trọng giao thông

để xác định mô đun đàn hồi làm thông số tính toán kết cấu

Mô đun đàn hồi hồi phục (Resilient Modulus): Mô đun đàn hồi hồi

phục là một đặc trưng có thể sử dụng để tính toán trong lý thuyết đàn hồi [26] Chúng ta đều biết rằng hầu hết các vật liệu xây dựng mặt đường không phải là vật liệu đàn hồi thuần tuý, các biến dạng không hồi phục vẫn xuất hiện sau mỗi lần chịu tác dụng của tải trọng Nhưng khi lực tác dụng nhỏ so với cường

độ vật liệu và được lặp lại với số lần lớn thì biến dạng sau mỗi lần tác dụng lặp lại gần như là được hồi phục hoàn toàn và tỉ lệ với ứng suất tác dụng (hình vẽ 1.2), biến dạng này được xem là biến dạng đàn hồi [27] Mô đun đàn hồi,

được tính toán từ biến dạng hồi phục này, sử dụng các công thức lý thuyết đàn hồi, được gọi là mô đun đàn hồi hồi phục Có thể sử dụng nhiều mô hình thí nghiệm như nén không hạn chế nở hông, nén ba trục hay kéo gián tiếp với tải trọng lặp để xác định mô đun đàn hồi hồi phục Đối với bê tông asphalt, căn

cứ vào tần số tác dụng lực và nhiệt độ, số lần tác dụng lặp lại có thể là từ 50

đến 200 lần Số lần tác dụng lặp này chủ yếu là phải đảm bảo biến dạng đàn hồi ổn định [27]

Mô đun phức (Complex Modulus) và mô đun động (Dynamic Modulus):

Cũng như mô đun đàn hồi hồi phục, mô đun phức là một đặc trưng thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu đàn hồi- nhớt - dẻo Mô

đun này được thể hiện là một số phức trong đó thành phần thực đại diện cho

độ cứng đàn hồi và thành phần ảo thể hiện tính chất do thành phần vật cản

Hình 1.2: Biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng lặp

Biến dạng dẻo tích luỹ

chất lỏng nhớt trong mô hình vật liệu Giá trị tuyệt đối của mô đun phức thường được gọi là mô đun động [27]

Sự khác nhau giữa mô đun đàn hồi hồi phục (Resilient Modulus) và mô đun

phức (Complex Modulus) của bê tông asphalt do dạng tải trọng trong mô hình

thí nghiệm xác định Với mô đun đàn hồi hồi phục, tải trọng có thể có dạng sóng (hình sin hay hình tam giác hoặc hình thang) có thời gian nghỉ và với mô

đun phức là dạng tải trọng hình sin không có thời gian nghỉ [27]

Lý thuyết về mô đun phức có thể được thể hiện bằng việc sử dụng các mô hình cơ học Trường hợp bê tông asphalt được thể hiện bằng mô hình Kelvin chịu tải trọng tác dụng hình sin [27] ứng suất tác dụng hình sin được thể hiện dưới dạng số phức:

trong đó σ0 là độ lớn của ứng suất tác dụng và ω là vận tốc góc có liên quan

đến tần số gia tải f là:

với giả thiết ảnh hưởng của lực quán tính là không đáng kể, phương trình vi phân có thể được viết như sau:

Nghiệm của phương trình là:

trong đó: ε là độ lớn của biến dạng và φ là góc pha, tức là chậm pha của biến

dạng so với ứng suất ( xem hình 1.3)

E1 là mô đun đàn hồi của lò xo trong mô hình Kelvin

η1 là độ nhớt của chất lỏng của vật cản nhớt trong mô hình Kelvin thay thế nghiệm vào phương trình, ta có

Sau khi giản ước eiωt ở hai vế của phương trình và đặt các số hạng thực bằng σ0

và các số hạng ảo bằng 0, ta có 2 phương trình:

t i

e t i

ω σ

σ = 0cos( ) + 0sin( ) = 0

f π

ω 2=

t i

e E

t

ω

σ ε

φ ω

ε

ε = i t−

e

t i t

i t

i

e e

E e

i η ε ω ω φ ε (ω φ) σ0 ω

0 1 ) ( 0

Giải phương trình, ta có:

Với vật liệu đàn hồi, η1= 0 thì φ = 0

Với vật liệu vật liệu nhớt, E1= 0 thì φ = π/2

1 0

1ω ε sinφ ε cosφ σ

0 sin cos 1 0

0

2 1 1

0 0

) (η ω

σ ε

φ=

) ( 0

0

*

φ ω

ω

ε

σ ε

φ ε

σ φ ε

σ

sin cos

0 0 0

0 0 2

0

0

*

sin cos

ε

σ φ ε

σ φ

1.2.2 Các phương pháp xác định mô đun đàn hồi của vật liệu bê tông asphalt

a Các phương pháp thí nghiệm trong phòng

Có nhiều phương pháp thí nghiệm trong phòng để xác định mô đun đàn hồi của bê tông asphalt Mỗi phương pháp theo một mô hình thí nghiệm khả năng mô phỏng đến mức độ nhất định trạng thái ứng suất của bê tông asphalt mặt đường khi chịu tải trọng giao thông [34]

- Mô đun đàn hồi động có thể xác định bằng thí nghiệm nén ba trục mẫu hình trụ, thí nghiệm nén mẫu hình trụ, thí nghiệm kéo mẫu hình trụ, thí nghiệm uốn mẫu dầm và thí nghiệm uốn mẫu dầm ngàm Có thí nghiệm đã

được đưa vào tiêu chuẩn, như thí nghiệm nén mẫu hình trụ [19], thí nghiệm uốn mẫu dầm [41] và thí nghiệm uốn mẫu dầm ngàm [14] Các thí nghiệm còn lại được sử dụng trong nghiên cứu Giá trị mô đun được xác định không chỉ phụ thuộc vào mô hình thí nghiệm, mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ thí nghiệm và tần số tác dụng tải trọng, độ lớn tải trọng [35] Thí nghiệm nén ba trục tải trọng động với mẫu hình trụ là thí nghiệm có khả năng mô phỏng gần hơn cả điều kiện chịu tải trọng của vật liệu bê tông asphalt làm mặt đường ôtô [34] Tuy nhiên, thí nghiệm này rất phức tạp về thiết bị và phương pháp thực hiện

- Thí nghiệm mô đun đàn hồi hồi phục được tiến hành với mô hình nén

ba trục hoặc kéo gián tiếp (ép chẻ) mẫu hình trụ Thí nghiệm nén ba trục được

sử dụng cho vật liệu đất và cốt liệu hạt không gia cố Thí nghiệm kéo gián tiếp mẫu hình trụ được thực hiện với bê tông asphalt [20] Mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp đối với mẫu bê tông asphalt là thí nghiệm phổ biến trong các phòng thí nghiệm do tính đơn giản và dễ thực hiện [26] Trình tự tiến hành thí nghiệm được mô tả trong tiêu chuẩn ASTM D4123 [19] Độ bền kéo gián tiếp hoặc chuyển vị khi phá hoại của thí nghiệm kéo gián tiếp có thể sử dụng để tính toán mức ứng suất hoặc chuyển vị trong thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Sau khi có độ bền kéo gián tiếp, trong thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi, mẫu chịu mức tải trọng để có ứng suất bằng từ 5% đến 20% độ bền kéo

gián tiếp [26] Theo ASTM D4123, thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi bằng kéo gián tiếp tải trọng lặp lấy thời gian tác dụng của tải trọng 0.1 giây và thời gian nghỉ là 0.9 giây Cũng có thể tiến hành thí nghiệm với các thời gian gia tải và thời gian nghỉ khác [26] Mô đun đàn hồi được tính toán theo cùng một công thức cho hai loại mẫu có kích thước khác nhau (d = 101.6 mm và d = 152.4 mm)

với MR: Mô đun đàn hồi (psi)

P: tải trọng tác dụng (pound)

H: biến dạng ngang của mẫu (inches)

t: chiều cao của mẫu (inches)

à: hệ số Poisson

Hệ số Poisson được tính theo hai công thức khác nhau cho hai loại mẫu

- mẫu đường kính 101.6 mm

- mẫu đường kính 152.4 mm

với H: biến dạng ngang của mẫu

V: biến dạng đứng của mẫu

à: hệ số Poisson

- Thí nghiệm sử dụng tải trọng tĩnh với mô hình thí nghiệm nén dọc trục mẫu hình trụ Thí nghiệm này thực hiện đơn giản và có mức độ mô phỏng kém trạng thái ứng suất của bê tông asphalt mặt đường khi chịu tải trọng xe chạy Đối với vật liệu có tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo như bê tông asphalt thì mô hình này thường cho giá trị mô đun đàn hồi thí nghiệm rất thấp Theo các

số liệu thực nghiệm đã được tiến hành và công bố ở Việt Nam đối với bê tông nhựa hạt trung ở điều kiện nhiệt độ khoảng 30 độ C là khoảng 2400 daN/cm2 [3], và 3005 daN/cm2 [15]

t H

P

M R

27 0 59

=

V

H à

27 0 09

=

V H à

b Phương pháp tính toán trên cơ sở các chỉ tiêu vật lý, cơ học của các vật liệu thành phần

Phương pháp này dựa trên các mối quan hệ thực nghiệm giữa mô đun

động và các đặc trưng của vật liệu thành phần và của hỗn hợp bê tông asphalt

được xác định bằng thí nghiệm trong phòng Có nhiều mối quan hệ thực nghiệm đã được thiết lập và được công bố Hãng Shell dựa trên nghiên cứu của Van der Poel [32] về quan hệ giữa độ cứng của bitum với nhiệt độ và thời gian

đặt tải, và nghiên cứu của một số tác giả khác [29] về quan hệ giữa độ cứng của bitum và độ cứng của bê tông asphalt phụ thuộc thành phần theo thể tích của cốt liệu để tổng hợp thành cặp toán đồ để xác định độ cứng của bê tông asphalt có trong nhiều tài liệu cơ bản về bê tông asphalt [26] [34] Các mối quan hệ này cũng được nghiên cứu để lập thành phần mềm tiện ích [23] Viện Asphalt tương tự cũng công bố công thức tính toán mô đun động dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm mô đun động và các thí nghiệm xác định các tính chất của vật liệu thành phần [27] Công thức này cho thấy mô đun động có thể tính toán theo hàm lượng bột khoáng, độ rỗng của hỗn hợp theo thể tích, độ nhớt của bitum, hàm lượng bitum theo khối lượng hỗn hợp, tần số tác dụng lực

và nhiệt độ Từ nghiên cứu này, cũng có tác giả thiết lập phần mềm tính toán mô đun động [28]

Hạn chế của phương pháp tính toán này là các mối quan hệ chỉ áp dụng

được trong các phạm vi nhất định của các vật liệu và các thông số vật liệu thí nghiệm

c Phương pháp tính từ độ võng đo được trên mặt đường

Độ võng trên mặt đường có thể đo được bằng các thí nghiệm với các dạng tải trọng tĩnh (khi đo bằng cần Benkelman), tải trọng tĩnh di động chậm (thiết bị Lacroix), dạng tải trọng động với nguồn tạo rung với tần số 8 chu kỳ lực trong 1 giây (thiết bị Dynaflect) hoặc thay đổi từ 5 đến 70 chu kỳ trong một giây (thiết bị Road Rater), và dạng tải trọng xung một lần do búa rơi từ một độ cao nhất định (các thiết bị FWD - Falling Weight Deflectometer như

Dynatest, KUAB và Phoenix) ưu điểm chính của thí nghiệm FWD là có khả năng mô phỏng tải trọng bánh xe chuyển động về độ lớn và thời gian tác dụng lực [27] Một trong những ứng dụng hữu ích của các thí nghiệm không phá huỷ mặt đường là sử dụng độ võng đo được để tính toán mô đun lớp của các lớp kết cấu mặt đường, bao gồm cả đất nền Đã có nhiều phần mềm được thiết lập để giải bài toán tính mô đun lớp từ độ võng mặt đường cho kết cấu áo

đường mềm Hầu hết chúng đều dựa trên giả thiết kết cấu nền mặt đường là hệ nhiều lớp đàn hồi và sử dụng thuật tính lặp để tìm ra bộ số liệu mô đun lớp tính toán cho các độ võng tính toán phù hợp nhất với các độ võng thực đo [24] Các phần mềm này đều sử dụng một chương trình tính toán kết cấu áo

đường mềm có sẵn như một chương trình con Độ võng thực đo sử dụng cho các phần mềm tính toán này đều là các độ võng đo được ở hiện trường bằng thiết bị FWD – Falling Weight Deflectometer Tuy nhiên, kết quả tính toán mô đun lớp theo nhiều nghiên cứu, sử dụng các phần mềm tính toán khác nhau và độ võng đo được ở các đoạn đường khác nhau cho thấy có sự sai khác nhất định [24] Có nhiều nguyên nhân có thể dẫn đến sự khác nhau này: độ võng mặt đường đo bằng các loại thiết bị FWD với loại hình gia tải khác nhau,

sử dụng các chương trình tính toán khác nhau, phạm vi và số gia mô đun lớp ban đầu lấy không giống nhau và đặc trưng vật liệu mặt đường tại các vị trí đo khác nhau có thể thay đổi trong phạm vi rộng [24] Với độ võng đàn hồi đo

được bằng phương pháp gia tải tĩnh (cần đo độ võng Benkelman), với hệ hai lớp, trong [41], người ta cũng đã lập toán đồ có thể tra được mô đun lớp mặt

đường từ độ võng đàn hồi đo được trên mặt đường

Tuy nhiên, trong thời điểm hiện tại, không chỉ chương trình tính toán,

mà cả phương pháp tính này đều chưa được phổ biến ở Việt Nam, kể cả để áp dụng cũng như trong nghiên cứu

1.3 Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm đường ôtô là một thông số quan trọng trong tính toán kết cấu áo đường mềm

1.3.1 Các tiêu chuẩn tính toán kết cấu áo đường mềm hiện hành ở nước ta và các thông số tính toán

ở nước ta hiện nay đang ban hành song song hai tiêu chuẩn tính toán kết cấu

áo đường mềm được dựa trên hai phương pháp tính toán khác nhau

1 Phương pháp nửa thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi với giả

thiết kết cấu mặt đường mềm là hệ nhiều lớp đàn hồi trên nền đường là bán không gian vô hạn đàn hồi với các thông số tính toán :

a Thông số trạng thái giới hạn

- Độ võng đàn hồi giới hạn (theo tiêu chuẩn 22TCN-211-93 là mô

đun đàn hồi yêu cầu) qui định theo cấp đường và theo lưu lượng giao thông trung bình ngày đêm cho năm tương lai được tính đổi

về xe tải trọng trục tính toán

- ứng suất kéo uốn giới hạn được tính toán từ cường độ chịu kéo khi uốn và hệ số xét đến hiện tượng mỏi của vật liệu liền khối

- ứng suất cắt trượt giới hạn được tính toán thông qua lực cắt C, góc ma sát ϕ và các hệ số xét đến lưu lượng giao thông và điều kiện làm việc của vật liệu rời rạc, kém dính

b Thông số tải trọng giao thông

- Lưu lượng giao thông năm tương lai tính đổi về tải trọng trục tính toán

c Thông số vật liệu

- Mô đun đàn hồi và hệ số Poisson

Trong tiêu chuẩn tính toán [9], mô đun đàn hồi của vật liệu được xem là một thông số chính Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt được cho các giá trị khác nhau khi kiểm toán kết cấu mặt đường theo các trạng thái giới hạn khác nhau, trên cơ sở đặc điểm chịu lực của vật liệu trong mỗi trạng thái tính toán, như trong bảng 1.1 sau:

Bảng 1.1: Mô đun đàn hồi tính toán của loại bê tông asphalt chặt qui định trong tiêu chuẩn 22TCN-211-93

Loại hỗn hợp

Giá trị mô đun đàn hồi (MPa) ứng với trạng thái giới hạn tính toán

Mô hình thí nghiệm ứng suất kéo Độ võng đàn hồi ứng suất cắt trượt

2 Phương pháp thực nghiệm (cơ bản dựa theo hướng dẫn thiết kế của

AASHTO, [16]) được xây dựng chủ yếu trên cơ sở các kết quả thực nghiệm AASHO với các thông số tính toán:

- Mô đun đàn hồi hữu hiệu của nền đường

- Hệ số thoát nước của vật liệu móng của kết cấu mặt đường

d Các thông số độ tin cậy

Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt trong hướng dẫn thiết kế của AASHTO được qui định theo chất lượng của bê tông asphalt, và được xác định bằng thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp mẫu bê tông asphalt hình trụ trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ 200C Cơ bản dựa trên hướng dẫn này và kết hợp với xem xét điều kiện trong nước, tiêu chuẩn thiết kế theo phương pháp này của Việt Nam [10] đề nghị mô đun đàn hồi cũng theo mô hình thí nghiệm