Nghiên cứu vật liệu chế tạo và thành phần, tính chất của bê tông asphalt nóng ở nước CHDCND lào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ====000==== THONGĐA SINGHANINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TƠNG ASPHALT NÓNG Ở NƢỚC CHDCND LÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ====000==== THONGĐA SINGHANINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TƠNG ASPHALT NĨNG Ở NƢỚC CHDCND LÀO Chuyên ngành: xây dựng đƣờng ôtô đƣờng thành phố Mã số: 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN: GS.TS PHẠM DUY HỮU PGS.TS ĐÀO VĂN ĐƠNG HÀ NỘI, 2017 i LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn Bộ giáo dục Đào tạo Việt Nam, Bộ giáo dục thao Lào Các quan tạo điều kiện giúp đỡ: Trƣờng Đại Học Giao Thông Vận tải Việt Nam; Trƣờng Đại học Chămpasack Lào Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn GS TS PHẠM DUY HỮU PGS TS ĐÀO VĂN ĐÔNG tân tình góp ý định hƣớng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu luận án Xin cảm ơn đến thầy cô Khoa Cơng trình, Bộ mơn đừơng bộ, Bộ mơn Vật liệu xây dựng Viện Khoa học Công nghệ xây dụng Giao thông - Trừơng Đại học Giao Thông Vận tải động viên, nhiệt tình giúp đỡ cung cấp tài liệu quý báu để tác giả hòan thành luận án Tác giả ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả Thongđa SINGHANINH iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TƠNG ASPHALT Ở LÀO VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BÊ TƠNG ASPHALT NĨNG TẠI CHDCND LÀO 1.1 Khái niệm chung bê tông Asphalt 1.2 Phân loại bê tông Asphalt 1.3 Cấu trúc bê tông Asphalt 1.3.1 Khái quát 1.3.2 Cấu trúc bê tông Asphalt 1.3.3 Cấu trúc bitum bê tơng Asphalt 1.4 Tính chất bê tông Asphalt 1.4.1 Mở đầu 1.4.2 Các tính chất học bê tơng Asphalt 11 1.4.3 Phƣơng pháp xác định tính chất học 12 1.4.4 Các tiêu học phục vụ thiết kế kết cấu mặt đƣờng 15 1.4.5 Thí nghiệm mỏi 21 1.4.6 Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích hỗn hợp bê tơng Asphalt rải mặt đƣờng 22 1.5 Các phƣơng pháp sản xuất bê tông Asphalt 25 1.5.1 Trộn bê tông Asphalt 25 1.5.2 Trạm trộn chu kỳ sấy nóng gián tiếp 26 1.6 Thiết kế thành phần bê tơng Asphalt nóng 30 iv 1.6.1 Phân loại bê tông nhựa 30 1.6.1.1 Phân loại theo cỡ hạt danh định lớn cốt liệu theo tiêu chuẩn Viện Asphalt Hoa kỳ 31 1.6.1.3 Phân loại theo độ rỗng dƣ 31 1.6.1.4 Phân loại theo vị trí cơng kết cấu mặt đƣờng 31 1.6.2 Nguyên tắc thiết kế thành phần bê tông Asphalt 32 1.6.3 Phƣơng pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt 35 1.7 Đặc điểm điều kiện địa hình khí hậu Lào 35 1.8 Hệ thống đƣờng tơ Lào vị trí đặc điểm đƣờng có lốp mặt bê tơng Asphalt 37 1.8.1 Giai đoạn trƣớc năm 1975 37 1.8.2 Giai đoạn năm 1975-1985 38 1.8.3 Giai đoạn năm 1985-2000 39 1.8.4 Giai đọan năm 2000-2015 39 1.9 Thành phần số tính chất bê tơng Asphalt nóng sử dụng Lào 46 1.9.1 Hỗn hợp vật liệu khoáng bê tơng Asphalt nóng (HMA) Lào 46 - Mở đầu 46 Tiêu chuẩn kỹ thuật 46 1.9.2 Phân tích HMA Lào 46 Kết luận chƣơng 50 CHƢƠNG LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG ASPHALT TẠI LÀO 52 2.1 Yêu cầu cốt liệu cho bê tông Asphalt 52 2.1.1 Phân loại 52 2.1.2 Cốt liệu lớn 52 2.1.3 Cốt liệu nhỏ 53 2.1.4 Bột khoáng, xi măng 54 2.2 Chất kết dính bitum 55 v 2.2.1 Phân loại 55 2.2.2 Thành phần hoá học bitum dầu mỏ 56 2.2.3 Các tính chất bitum quánh xây dựng đƣờng 56 2.3 Phần tích đặc điểm vật liệu chế tạo bê tơng Asphalt nóng Lào 66 2.3.1 Thí nghiệm vật liệu chế tạo 66 Kết luận chƣơng 67 CHƢƠNG 68 ĐỂ XUẤT THÀNH PHẦN CẤP PHỐI VẬT LIỆU KHOÁNG, CÁC CHỈ TIÊU VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT, RẢI NÓNG CHO CHDCND LÀO 68 3.1 Lựa chọn cấp phối vật liệu khoáng hợp lý cho Lào 68 3.1.1 Thành phần bê tông Asphalt theo theo chuẩn 68 3.1.2 Phân tích độ lệch cỡ sàng Max, Min theo tiêu chuẩn 72 3.1.3 Lựa chọn cấp phối hợp lý HMA Lào 77 3.2 Các tiêu cho bê tơng Asphalt đặc, rải nóng Lào 77 để nghị với tiêu ghi bảng 3.4 77 3.3 Thiết kế hỗn hợp bê tông Asphalt theo Marshall Tiêu chuẩn Việt Nam 78 3.3.1 Mục đích thiết kế 78 3.3.2 Phạm vi áp dụng phƣơng pháp Marshall 79 3.3.3 Các tiêu kỹ thuật quy định theo Marshall 79 3.3.4 Phân tích đánh giá phƣơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tơng nhựa nóng, tiêu chuẩn thi cơng nghiệm thu bê tơng nhựa nóng Trung Quốc 82 3.4 Thiết kế thành phần theo SUPERPAVE 83 3.4.1 Phƣơng pháp thiết kế thành phần PUPERPAVE 84 3.4.2 Các bƣớc thủ tục thiết kế hỗn hợp 84 3.5 Tiêu chuẩn bê tông nhựa Malaysia 86 3.6 Hƣớng dẫn thết kế HMA cho Lào 88 vi 3.6.1 Giai đoạn thiết kế sơbộ (Giai đoạn 1) 88 Phƣơng pháp đồ thị 90 3.6.2 Giai đoạn thiết kế hồn (Giai đoạn 2) 100 3.6.3 Giai đoạn phê duyệt công thức chế tạo HMA (Giai đoạn 3) 101 3.7 Lựa chọn thiết kế cuối 103 3.8 Tính tốn thành phần cốt liệu HMA theo tiêu chuẩn thiết kế 105 Trên có số vật liệu Lào đƣợc ghi bảng 3.17 105 3.9 Thiết kế theo tiêu chuẩn VN 106 3.10 Thiết kế theo tiêu chuẩn Nga 9128-2009 107 3.11 Thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản (Japan) D RA2006 108 3.12 Thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ A.D3515 108 3.13 Phân tích thành phần vật liệu khống thiết kế theo tiêu chuẩn 109 Kết luận chƣơng 111 CHƢƠNG 112 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO BÊ TÔNG ASPHALT VỚI VẬT LIỆU TẠI LÀO VÀ ẢNH HƢỞNG LƢỢNG XI MĂNG 112 4.1 Tổng quát 112 4.2 Lựa chọn hỗn hợp vật liệu khoáng 112 4.3 Thí nghiệm xác định tính học hàm lƣợng bitum 114 4.4 Phân tích ảnh hƣởng hàm lƣợng xi măng đến tính HMA 123 Kết luận chƣơng 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tỷ lê diện tích bề mặt điển hình [53] Bảng 1.2: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall 14 Bảng 1.3: Yêu cầu tiêu lý bê tông Asphalt chặt 15 Bảng 1.4: Thống kê đƣờng toàn quốc năm 2013 40 Bảng 1.5 Số lƣợng xe Lào 2013 (xe/ngày đêm) 40 Bảng 1.6: Mạng lƣới giao thông đƣờng Lào 41 Bảng 1.7: Các tuyến đƣờng xây dựng bê tông Asphalt Thủ đô Viêng Chăn 41 Bảng 1.8: Thống kê mạng lƣới đƣờng toàn Quốc (km) 44 Bảng 1.8.1: thống kê mạng lƣới đƣờng toàn Quốc (tiếp) 45 Bảng 1.9: Thành phần cấp phối bê tông Asphalt dự án HMA Lào 46 Bảng 1.10: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA1) 48 Bảng 1.11: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA2) 48 Bảng 1.12: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA3) 49 Bảng 1.13: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA4) 49 Bảng 1.14: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA5) 49 Bảng 2.1: Cấp phối thành phần hạt cốt liệu nghiền nhà máy Nông Hai 52 Bảng 2.2: Cốt liệu nghiền nhà máy Sakai 53 Bảng 2.3: Thành phần cát xay cát sông Mêkong 53 Bang 2.4: Kết thí nghiệm độ kim lún 60-70 (SHELL) AASHTOT149-BS200 57 Bảng 2.5: Kết thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm bitum 60-70 57 Bảng 2.6: Khối lƣợng riêng: 1.030 g/cm3 AASHTO T53 58 viii Bảng 2.7: Các tính chất vật liệu tác động bên ảnh hƣởng đến dính bám bitum với cốt liệu 60 Bảng 2.8: Phân cấp dính bám bitum vật liệu khoáng 61 Bảng 2.9: Bitum, yêu cầu kỹ thuật phƣơng pháp thử (TCVN 74932005) 63 Bảng 2.10: Các tiêu lý nhựa đặc theo AASHTO - M20 ASTM D946 65 Bảng 2.11: Chỉ tiêu kỹ thuật loại bitum phân loại theo độ kim lún (Theo BS 3690 - Anh) 66 Bảng 2.12: Tổng hợp tiêu chuẩn cho thí nghiệm vật liệu 66 Bảng 3.1: Thành phần hạt cốt liệu theo tiêu chuẩn Quốc gia 68 Bảng 3.2: Độ lệch theo sàng Ri 76 Bảng 3.3: Thành phần cấp phối hạt kiến nghị cho Lào 77 Bảng 3.4: Sử dụng tiêu chuẩn AASHTO 46 Bảng 3.5: Sử dụng tiêu chuẩn ASTM tiêu chuẩn TQ 46 Bảng 3.6: Tiêu chuẩn kỹ thuật hỗn hợp HMA 46 Bảng 3.7: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Lào 77 Bảng 3.8: Yêu cầu kỹ thuật HMA theo Viện Asphalt hoa kỳ 80 Bảng 3.9: Độ rỗng cốt liệu nhỏ 81 Bảng 3.10: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Việt Nam 82 Bảng 3.11: Các loại hỗn hợp nhựa rải nóng (theo JTGF40.2004) 83 Bảng 3.12 Chỉ tiêu VMA 86 Bảng 3.13 Chỉ tiêu VFA 86 Bảng 3.14: Thí nghiệm vệt hằn bánh xe Nhật Bản Malaysia 87 Bảng 3.15: Thành phần cấp phối hạt kiến nghị 88 Bảng 3.16: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Lào (dự kiến) 88 Bảng 3.17: Vật liệu chế tạo HMA Lào 105 Bảng 3.18: Kết thiết kế theo dự kiến Lào 105 Bảng 3.19: Vật liệu chế tạo HMA 106 117 Bảng 4.8: Thí nghiêm tính tốn hỗn hợp bê tơng Asphalt nóng theo phƣơng pháp Marshall 3.5% xi măng (M/X2) 117 118 Bảng 4.9: Thí nghiêm tính tốn hỗn hợp bê tơng Asphalt nóng theo phƣơng pháp Marshall 2% xi măng (M/X3) 118 119 Từ kết bảng 4.7, 4.8, 4.9 lập biểu đồ quan hệ gồm hàm lƣợng bitum độ ổn định, độ dẻo VMA, VA, VFA,theo hƣớng dẫn mục 3.9.1 chƣơng 3, từ lựa chọn dƣới hàm lƣợng bitum tối ƣu 5% theo tổng khối lƣợng Với lƣợng bitum 5% tính HMA Kết thí nghiệm đƣợc ghi bảng sau: Bảng 4.10 Bảng 4.10:Kết thí ghiệm tính HMA Hỗn hợp MIX MIX MIX Stab 12.2 11.3 10.8 Flow 4.36 5.17 3.31 Danst 2.386 2.410 2.385 VMA 14.10 14.00 15.20 119 VA 5.59 3.85 4.32 VFA 57.8 72.5 71.7 Tiêu chuẩn Đạt Đạt Đạt 120 Hình 4.2: Kết thí nghiệm HMA 5% xi măng (M/X1) 120 121 Hình 4.3: Kết thí nghiệm HMA 3.5% xi măng(M/X2) 121 122 Hình 4.4: Kết thí nghiệm HMA 2% xi măng(M/X3) 122 123 4.4 Phân tích ảnh hƣởng hàm lƣợng xi măng đến tính HMA Tính loại HMA A, B, C Bảng 4.11: Tính loại HMA (A, B, C) Số thứ tự Tính A 2% xi măng B 3.5% xi măng C 5% xi măng Độ ổn định 10.8 11.30 12.2 Độ dẻo 3.67 3.96 3.2 Tỷ trọng khối 2.385 2.41 2.386 VMA 15.2 14.00 14.1 VFA 71.7 72.5 67.8 Air void 4.34 3.85 5.59 Lƣợng bitum 5% 5% 5% Khi lƣợng xi măng biếu đổ từ - 5% độ ổn định Marshall tăng lên từ 10.8-12.2 độ ổn điịnh KN (Hình 4.5) 12.4 12.2 12 11.8 11.6 11.4 11.2 11 10.8 10.6 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 lượng xi măng độ dẻo Hình 4.5: Quan hệđộ ổn định Marshall 5.5 4.5 3.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 lương xi măng Hình 4.6: Quan hệ tỷ lượng xi măng độ dẻo Trên hình 4.6 khối lƣợng xi măng tang từ 2-5% theo khối lƣợng hỗn hợp với X = 3.5% độ deo từ 3.7-3.2 mm 123 tỷ trọng khối 124 2.5 2.48 2.46 2.44 2.42 2.4 2.38 2.36 2.34 2.32 2.3 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 lượng xi măng VMA Hình 4.7: Quan hệ lượng xi măng rỗng hỗn hợp vật liệu khoáng 17 16.5 16 15.5 15 14.5 14 13.5 13 12.5 12 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 lương xi măng VFA Hình 4.8: Quan hệ lượng xi măng VMA 75 73.5 72 70.5 69 67.5 66 64.5 63 3.5 lương xi măng Hình 4.9: Quan hệ lượng xi măng VFA Độ rỗng hỗn hợp khóang >14%, hỗn hợp VFA>67.8 hỗn hợp xi măng hợp ly cho 3.5% để độ rỗng dƣ Marshall kết cao 124 Air Void 125 6.5 5.5 4.5 3.5 3 Lƣợng xi măng Hình 4.10: Quan hệ lượng xi măng Air Void Nhận xét kết thí nghiệm thiết kế quy định lƣợng hạt 0.075mm từ 4-9% Hàm lƣơng xi măng từ 2-5% làm lƣơng cốt D (hàm lƣợng bột khống Lƣợng hat