Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số tính chất và ứng dụng của Mastic Asphalt trong xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam

Luận án với mục đích xây dựng phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp ma có các đặc tính phù hợp với điều kiện khí hậu, công nghệ thi công chấp nhận được; đưa ra các chỉ tiêu yêu cầu cho ma làm tầng mặt áo đường; đề xuất phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường sử dụng ma, kiến nghị các kết cấu áp dụng cho mặt đường, mặt cầu phù hợp với thời tiết khí hậu tại Việt Nam.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Nguyễn Quang Phúc NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA MASTIC ASPHALT TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Ở VIỆT NAM Chun ngành: Xây dựng đường ô tô đường thành phố Mã số: 62.58.30.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS Bùi Xuân Cậy 2: PGS.TS Nguyễn Quang Toản Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Xuân Đào Phản biện 3: PGS.TS Phạm Cao Thăng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi 30’ ngày 02 tháng 10 năm 2010 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc gia Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ ThS Nguyễn Quang Phúc (2005), Vật liệu Mastic Asphalt Anh, Tạp chí KHGTVT, Trường Đại học GTVT, (12), tr 215-219 ThS Nguyễn Quang Phúc (2005), Bê tông nhựa đúc ứng dụng xây dựng cơng trình giao thơng, Tạp chí Cầu - Đường Việt Nam, (12), tr.24-29 PGS.TS Bùi Xuân Cậy, ThS Nguyễn Quang Phúc (2007), Nghiên cứu sử dụng loại cốt tăng cường khả chịu kéo chống nứt bê tơng nhựa, Tạp chí Giao thông vận tải, số 12-tháng 12 năm 2007, trang 32-34 NCS Nguyễn Quang Phúc, TS Đào Văn Đông (2010), Nghiên cứu ứng xử kéo uốn số loại bê tơng asphalt sử dụng thiết bị thí nghiệm Marshall, Tạp chí Giao thơng vận tải, số 6-tháng năm 2010, trang 22-25 PGS.TS Bùi Xuân Cậy, ThS Nguyễn Quang Phúc, KS Trần Nam Hưng (2010), Phân tích ứng suất cắt trượt kết cấu mặt đường mềm có xét đến điều kiện dính bám lớp bê tơng asphalt, Tạp chí Cầu - Đường Việt Nam, số 6, tháng 6/2010, trang 15-19 NCS Nguyễn Quang Phúc, ThS Trần Khắc Dương (2010), Đề xuất phương pháp thiết kế hỗn hợp mastic asphalt Việt Nam, Tạp chí KHGTVT, Trường Đại học GTVT, số 6/2010, trang 29-38 PGS.TS Bùi Xuân Cậy, ThS Nguyễn Quang Phúc, Bùi Tuấn Anh (2010), Phân tích ứng suất kéo uốn kết cấu mặt đường mềm có xét đến điều kiện dính bám lớp bê tơng asphalt, Tạp chí KHGTVT, Trường Đại học GTVT, số 6/2010, trang 59-66 Nguyễn Quang Phúc, ThS Bùi Tuấn Anh (2010), Phân tích biến dạng lún vệt bánh xe kết cấu mặt đường hỗn hợp, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 8-tháng năm 2010, trang 37-39 -1MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Hiện nay, gia tăng tải trọng, biến đổi khí hậu, yêu cầu thiết kế xây dựng đường tơ có chất lượng cao xuất Mastic Asphalt (MA) hay bê tông asphalt đúc (Gussasphalt-GA) sử dụng chất kết dính có độ quánh cao không cần lu lèn, loại vật liệu cao cấp sử dụng làm lớp phủ mặt kết cấu áo đường số nước phát triển MA có tính chất học độ bền cao bê tông asphalt (BTAP) truyền thống, sử dụng để xây dựng mặt đường có lưu lượng xe lớn tải trọng cấp giao thơng nặng MA đặc biệt thích hợp làm lớp mặt áo đường cấp cao, lớp mặt cầu, lớp phủ sàn cơng nghiệp, lớp phòng nước cho hầm Mạng lưới đường cao tốc Đức (Autobahn) sử dụng đến 46% lớp mặt MA, trung bình hàng năm nước châu Âu sử dụng khoảng triệu MA MA nước vùng lãnh thổ tiên tiến giới Đức, Nhật Bản, Hà Lan, Anh, Pháp, Đài Loan, Hồng Kông, nghiên cứu, phát triển, sử dụng cho kết tốt Qua nghiên cứu, phân tích nước sử dụng nhiều MA nêu ưu điểm vật liệu Mastic Asphalt:  Có cường độ tuổi thọ cao, chịu lưu lượng xe lớn xe tải nặng, có khả chống vệt hằn bánh xe;  Độ rỗng dư thấp (thường 2%), có khả phòng nước tốt tạo khả ngăn ngừa hố già bitum Đây đặc tính quan trọng MA;  Khi sử dụng mặt cầu thép, MA có khả dính bám tốt với thép có khả dịch chuyển với mặt cầu phát sinh tượng mỏi, phù hợp với lượng giao thông lớn;  Sau rải hỗn hợp MA khơng cần đầm nén mà tự hình thành cường độ nên loại bỏ khiếm khuyết mà loại mặt đường khác hay gặp phải cơng nghệ đầm nén khơng phù hợp;  MA rải thủ công máy với độ phẳng hồn hảo, sử dụng địa hình chật hẹp, khơng sử dụng lu, nơi đòi hỏi mỹ quan cao thơng xe Bên cạnh MA bộc lộ nhược điểm: -2 Có giá thành xây dựng cao, khoảng 150-200% so với giá thành lớp phủ BTAP rải nóng thơng thường;  Nhiệt độ thi cơng cao từ 200-2400C phải có thiết bị thi cơng chuyên dụng Để áp dụng loại vật liệu này, nước sử dụng nhiều MA giới tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực sau: Lĩnh vực vật liệu; Lĩnh vực xác định tiêu học dùng xây dựng CTGT; Lĩnh vực công nghệ xây dựng quản lý chất lượng Những nghiên cứu mang đặc tính chung nguyên lý ứng dụng loại MA nước có khác biệt Sự khác biệt lý sau:  Điều kiện khí hậu, tải trọng khai thác nước khác nhau;  Trình độ cơng nghệ nước khác nhau;  Điều kiện vật liệu kinh tế khác Xuất phát từ yêu cầu thực tế, đề tài “Nghiên cứu số tính chất ứng dụng Mastic Asphalt xây dựng cơng trình giao thơng Việt Nam” cần thiết có tính thời Những nội dung cần giải  Xây dựng phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp MA có đặc tính phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, công nghệ thi công chấp nhận được;  Hệ thống tiêu chuẩn thí nghiệm bước đầu đề xuất thí nghiệm xác định đặc tính cơ, lý kiểm tra chất lượng MA;  Bước đầu đưa tiêu yêu cầu cho MA làm tầng mặt áo đường điều kiện Việt Nam;  Đề xuất phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường sử dụng MA, kiến nghị kết cấu áp dụng cho mặt đường, mặt cầu;  Khuyến nghị công nghệ hợp lý sản xuất công nghệ thi công MA sử dụng xây dựng CTGT Luận án tập trung nghiên cứu thành phần, đặc tính học vật liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật, khả hiệu ứng dụng MA mà không sâu vào mơ hình vật liệu MA cơng nghệ thi công MA -33 Phương pháp nghiên cứu  Nghiên cứu tổng quan MA, phân tích đánh giá ưu nhược điểm MA phạm vi áp dụng nó;  Nghiên cứu lý thuyết chất đặc tính hỗn hợp MA;  Nghiên cứu thực nghiệm xác định tiêu chuẩn hỗn hợp MA đặc trưng học Phân tích, luận chứng, đưa đề xuất phương pháp thiết kế hỗn hợp MA, tiêu chuẩn thí nghiệm đánh giá kết cấu sử dụng MA Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu - Về lý thuyết : Luận án nghiên cứu chất lý thuyết hỗn hợp MA, phân tích ưu nhược điểm phạm vi áp dụng loại vật liệu với điều kiện khí hậu Việt Nam Hệ thống hố tiêu chuẩn thí nghiệm đánh giá chất lượng MA - Về thực nghiệm: Dựa kết nghiên cứu phòng so sánh đánh giá hỗn hợp MA loại BTAP khác, từ xây dựng phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp, đề xuất thí nghiệm tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hỗn hợp MA kiến nghị áp dụng MA CTGT Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HỖN HỢP M.A 1.1 Thành phần Mastic Asphalt Mastic Asphalt hỗn hợp cốt liệu, bột khoáng chất liên kết, thể tích bột khống chất liên kết lớn thể tích lỗ rỗng khung cốt liệu, thi cơng đúc núng, khụng cn lu lốn a) Bê tông Asphalt b) Mastic Asphalt Chất liên kết thừa Không khí Bitum Bitum Bọt không khí Cốt liệu khoáng Cốt liệu khoáng Hỡnh 1.1 Sơ đồ mô tả thành phần Bê tông asphalt Mastic Asphalt -41.2 Cấu trúc Mastic Asphalt Cấu trúc hỗn hợp MA cấu trúc khơng có khung, có hệ thống hai pha, lập nên từ vật liệu khống chất liên kết hạt đá dăm dễ di chuyển lượng thừa chất liên kết asphalt Hình 1.3 Mơ hình cấu trúc bê tông asphalt tỷ lệ quan sát 1.3 Các tính chất Mastic Asphalt Tính chất biến dạng MA phức tạp bao gồm: a) biến dạng đàn hồi; b) biến dạng nhớt; c) biến dạng đàn hồi chậm; d) biến dạng dẻo tùy theo điều kiện tải trọng nhiệt độ 1.4 Lý thuyết cường độ độ ổn định MA 1.4.1 Cường độ chống cắt trượt   c   tg (1.1) - Đường 1: Hỗn hợp vật liệu rời rạc khơng có chất kết dính (c1=0) - Đường 2: Hỗn hợp bê tông asphalt + 2-1 : Khi tăng độ cứng bitum bột khoáng lực dính tăng lên + 2-2 : Tăng kích thước hạt nhiều đá dăm tăng góc ma sát φ  - Đường 3: Khi tất lỗ rỗng 4 = 2.2 khơng lực ma sát lực dính 3 = nhỏ Trường hợp độ cứng chất liên kết asphalt không c =c thành chất linh động,  c4 2.1 lấp đầy hỗn hợp tạo  c1 = o  Hình 1.5 Phân tích khả chống cắt loại vật liệu cao, hỗn hợp khơng thích hợp sử dụng cho đường ô tô -5- Đường 4: Mastic Asphalt, giống trường hợp tăng độ cứng hỗn hợp bi tum bột khống, trường hợp sử dụng nhựa có độ cứng lớn nên lực dính đơn vị c lớn nhất, cường độ vật liệu cao 1.4.2 Cường độ chịu kéo: Cường độ chịu kéo Mastic Asphalt chủ yếu lực dính vật liệu Dưới nhiệt độ thông thường, cường độ chịu kéo MA tăng lên theo tăng hàm lượng bitum tốc độ gia tải, giảm xuống theo tăng lên độ kim lún nhiệt độ 1.4.3 Cường độ chịu kéo uốn: Cường độ chịu kéo uốn MA phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: a) vật liệu chế tạo; b) mức độ lão hóa bitum; c) đặc tính tải trọng tác dụng; d) cường độ lớp kết cấu mặt đường phía 1.4.4 Đặc tính mỏi: Tuổi thọ mỏi MA phụ thuộc vào nhiệt độ, vật liệu, tải trọng mơi trường MA có độ cứng lớn, sử dụng cấp phối chặt, hỗn hợp có độ đặc cao, lỗ rỗng, sử dụng bitum có độ cứng cao, hàm lượng bitum lớn nên giảm nhỏ tượng tập trung ứng suất, từ làm tăng tuổi thọ mỏi 1.5 Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích Mastic asphalt Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích MA có ảnh hưởng lớn đến độ xác kết thiết kế thành phần MA 1.6 Những nghiên cứu, ứng dụng MA giới Việt Nam Nội dung phân tích, đánh giá nghiên cứu tác giả nước vật liệu MA Tập hợp, phân tích quy trình cơng nghệ MA nước giới khu vực để đề xuất công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam Nghiên cứu công nghệ MA nước sau: - Tiêu chuẩn chung châu Âu MA: EN13108-6 (2006); - Gussasphalt CHLB Đức: (DIN1993) Các kết nghiên cứu Gussasphalt Đức tập trung vào nội dung: nâng cao khả chịu lực, kéo dài thời gian sử dụng, giảm nhiệt độ sản xuất, thi công để tiết kiệm nhiên liệu, giảm giá thành thân thiện với môi trường; - Mastic Asphalt Anh: (BS 1447: 1988) MA thường sử dụng cho mặt đường chịu tải trọng nặng, rải cầu thép, đường cho xe thô sơ, ga điện ngầm gần MA tập trung nghiên cứu rải lớp mặt lớp bê tông xi măng; -6- Mastic Asphalt Hà Lan: Những nghiên cứu gần Hà Lan chủ yếu dùng Mastic Asphalt để làm lớp phủ mặt cầu thép, bãi đỗ xe lớp sàn công nghiệp Công nghệ MA Hà Lan giống Đức; - Sử dụng Gussasphalt Nga: Nghiên cứu MA phù hợp với vùng lạnh; - Sử dụng Gussasphalt Nhật Bản: Được phát triển từ năm 1950 theo công nghệ Đức Hiện sử dụng MA cầu thép, mặt đường; - Nghiên cứu Gussasphalt Đài Loan: MA Đài Loan theo công nghệ Đức, Nhật Bản Những nghiên cứu trường Đại học Quốc gia, Đại học Thành Công từ năm 2000 trở lại tập trung vào nghiên cứu chất GA, thành phần đặc tính học, sử dụng GA làm lớp phủ mặt cầu thép, cầu bê tông, mặt đường cao tốc để đảm bảo chịu lượng giao thơng ngày tăng điều kiện khí hậu nhiệt đới đại dương, nóng ẩm, mưa nhiều; Hình 1.12: Rải thử nghiệm Gussasphalt Đại học Quốc gia Đài Loan 2002 - Nghiên cứu MA Trung Quốc: Mastic Asphalt theo công nghệ Anh sử dụng chủ yếu mặt cầu thép Trung Quốc Nội dung nghiên cứu phân tích cơng nghệ MA Phân tích hư hỏng lớp MA rải mặt cầu Giang Âm để rút kinh nghiệm Việt Nam; - Nghiên cứu MA Việt Nam: Những nghiên cứu ứng dụng MA ít, có báo phân tích ưu nhược điểm phạm vi sử dụng MA lựa chọn kết cấu lớp phủ mặt cầu GS.TS.Nguyễn Xuân Đào (1985), PGS.TS.Nguyễn Hữu Trí (2005), Mai Triệu Quang,… 1.7 Cơng nghệ thi công Mastic Asphalt Công nghệ thi công MA: Bao gồm sản xuất, vận chuyển, rải san hoàn thiện, khơng cần lu lèn Trong cần phải rải đá găm tạo nhám vào hỗn hợp nóng, đá găm lu găm vào MA lu nhẹ -7mặt cắt mặt 1- Thùng chứa trộn hỗn hợp MA; 7- Bộ phận cấp bù nhiệt; 2- Gạt trải sơ hỗn hợp; 3Thanh nâng điều chỉnh chiều dày rải thủy lực ; 4- Điều chỉnh chiều dày rải; 5- Bộ phận chứa rải đá găm tạo nhám; 6- Kiểm tra; 8- Lu nhẹ đá găm vào hỗn hợp Hình 1.18: Sơ đồ cơng nghệ thi cơng hỗn hợp MA máy Hình 1.19: Thi cơng hỗn hợp MA Frankfurt – Đức 1.8 Tính khả thi áp dụng Mastic Asphalt Việt Nam - Tính kinh tế sử dụng MA: Chi phí xây dựng ban đầu lớn với tuổi thọ cao, chi phí bảo trì thấp nên MA lựa chọn để làm lớp phủ mặt cầu, mặt đường cao tốc - Khả công nghệ: Luận án phân tích kết luận: Cơng nghệ MA hồn tồn đáp ứng với điều kiện Việt Nam Chương 2: NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THÀNH PHẦN VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP M.A Nội dung chương đề xuất loại hỗn hợp MA, xây dựng thí nghiệm đánh giá hỗn hợp, quy trình đúc mẫu phòng, thực nghiệm xác định đặc tính cơ, lý phân tích đưa giá trị giới hạn phù hợp với điều kiện đặc thù Mục tiêu nhằm xây dựng phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp, xác định hàm lượng bitum tối ưu 2.1 Đề xuất loại hỗn hợp Mastic Asphalt Đề xuất nghiên cứu loại hỗn hợp MA 12.5; MA 9.5 MA 4.75 theo công nghệ Đức, với D cỡ hạt danh định lớn nhất, chuẩn hóa sàng theo ASTM Độ rỗng Va tối đa đề xuất 2%, độ rỗng cốt liệu VMA từ 16% đến 18%, đề xuất chứng tỏ thực nghiệm - 10 Thí nghiệm uốn mẫu dầm nhiệt độ thấp - Bending Test: Đánh giá khả chống nứt MA tác dụng tải trọng nhiệt độ 150C Gia t¶i-P 50,8 mm/phút Mẫu dầm MA Đồng hồ l c c L h Mặt cắt ngang mẫu b b) Thit b thớ nghiệm GTVT a) Sơ đồ ngun lý thí nghiệm Hình 2.5: Thí nghiệm kéo-uốn mẫu dầm MA Và thí nghiệm vệt hằn bánh xe Wheel Tracking mang tính nghiên cứu 2.3 Lựa chọn vật liệu thiết kế hỗn hợp Mastic Asphalt  Vật liệu khoáng: Sử dụng loại vật liệu từ trạm trộn BTN Công ty CTGT Hà Nội Công ty XDCTGT 810;  Bitum: Shell 60/70; Shell PmB-I; Total 20/30 Total 30/45 (Đức) 2.4 Quy trình đúc mẫu hỗn hợp MA phòng thí nghiệm Luận án lựa chọn đề xuất loại máy móc dụng cụ thí nghiệm Xây dựng trình tự đúc mẫu MA phòng thí nghiệm 2.5 Nghiên cứu lựa chọn cấp phối hỗn hợp Mastic Asphalt  Tiến hành đúc mẫu với loại MA cấp phối (CP1-CP5) với hàm lượng bitum Shell 60/70 7.0%, tổ mẫu đúc mẫu;  Đánh giá tính cơng tác thí nghiệm xun HNT cho tổ mẫu điều kiện nhiệt độ 600C để tìm cấp phối tối ưu;  Phân tích kết thí nghiệm rút tỷ lệ BK/B hợp lý từ 3.0 đến 4.0 chiều dày màng bitum vào khoảng từ 7.5 đến 10.0 μm;  Cấp phối đề xuất được: MA12.5 MA9.5 CP2; MA4.75 CP4: d (mm) MA12.5 CP2 MA9.5 CP2 MA4.75 CP4 16 100.0 12.5 95.0 100.0 9.5 80.0 82.0 100.0 4.75 63.0 62.5 78.0 2.36 50.0 50.0 58.0 1.18 42.0 42.7 43.0 0.6 37.0 37.8 35.0 0.3 0.15 0.075 32.0 29.0 26.0 33.0 29.0 26.0 31.0 29.0 27.0 2.6 Xây dựng phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp MA Mục đích việc thiết kế thành phần hỗn hợp MA phù hợp với yêu cầu khai thác (vùng khí hậu, đặc tính chịu tải) có tính kinh tế * Đã đề xuất bước thiết kế hỗn hợp MA: Đánh giá lựa chọn vật liệu sử dụng: Cốt liệu, bột khoáng, bitum - 11 Tính tốn lựa chọn hỗn hợp vật liệu khoáng: Theo cấp phối đề xuất Chế tạo mẫu thử với tỷ lệ bitum khác nhau: từ 6.8 đến 8.0% theo tổng khối lượng hỗn hợp, thay đổi hàm lượng bitum từ ±0.3% đến ±0.5% Thí nghiệm đặc tính vật lý học: Thí nghiệm tính cơng tác; Thí nghiệm xun nhiệt độ cao; TN uốn mẫu dầm MA nhiệt độ thấp Ngoài có u cầu đặc biệt tiến hành thí nghiệm Wheel Tracking để xác định chiều sâu vệt hằn bánh xe Tính tốn phân tích đặc trưng vật lý hỗn hợp Lựa chọn hỗn hợp thiết kế tối ưu: Lập biểu đồ, xác định lượng bitum tối ưu cho tiêu lượng bitum tối ưu MA phương pháp biểu đồ Phân tích thành phần MA: Lập bảng phân tích thành phần hỗn hợp vật liệu khoáng, thành phần bitum tiêu học vật lý đạt thiết kế 2.7 Chương trình nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm tiến hành MA12.5 CP2; MA9.5 CP2 Hình 2.25: Sơ đồ bước lựa chọn MA4.75 CP4, cấp phối không hàm lượng bitum tối ưu thay đổi với hàm lượng bitum : 6.8; 7.0; 7.2; 7.5; 8.0% Có loại bitum sử dụng: Total 20/30; Total 30/45 (lấy từ Đức); Shell 60/70 Shell PmBI (chủ yếu loại 30/45; PmBI 60/70) Nhiệt độ nung cốt liệu bitum; trộn hỗn hợp thời gian trộn quy định chặt chẽ Tất thí nghiệm thực Việt Nam, phòng thí nghiệm Đường bộ, VLXD, VILAS047 - Đại học GTVT; Phòng thí nghiệm trọng điểm đường Một vài thí nghiệm mang tính tham khảo đối chứng thực trường Đại học TU Darmstadt – Đức Kết xây dựng giới hạn cho thí nghiệm, cấp phối cốt liệu, xác định hàm lượng bitum tối ưu cho hỗn hợp từ 7.0-7.5% (Bảng 2.37) - 12 hàm lượng bitum-Độ xuyên 11 50 Độ xuyên (mm) Độ linh động (s) hàm lượng bitum-Độ linh động 60 40 30 20 10 6.75 7.00 7.25 7.50 7.75 8.00 8.25 6.75 7.00 7.25 7.50 7.75 8.00 8.25 Hàm lượng bitum (%) Hàm lượng bitum (%) hàm lượng bitum-VMA hàm lượng bitum-biến dạng 19 Độ rỗng -VMA (%) Biến dạng (0,001) 50 40 30 18 17 16 15 20 6.75 7.00 7.25 7.50 7.75 8.00 8.25 14 6.75 7.00 7.25 7.50 7.75 8.00 8.25 Hàm lượng bitum (%) Hàm lượng bitum (%) hàm lượng bitum-Va Độ rỗng dư Va (%) 2.5 Phạm vi hàm lượng bitum thoả mãn tiêu: - Độ linh động ===7.20==========8.00 - Độ xuyên 6.80=============8.00 - Biến dạng 6.80=============8.00 - Độ rỗng VMA 6.80=========7.50==== - Độ rỗng Va 6.80=============8.00 Ph¹m vi lùa chän: ===7.20======7.50==== 2.0 1.5 1.0 0.5 6.75 7.00 7.25 7.50 7.75 8.00 8.25 Hàm lượng bitum (%) Hàm lượng bitum thiết kế (% theo khối lượng hỗn hỵp) 7,20% Hình 2.46: Các biểu đồ xác định lượng bitum tối ưu MA9.5CP2 30/45 2.8 Đề xuất yêu cầu tiêu kỹ thuật hỗn hợp MA Tác giả đề xuất yêu cầu tiêu kỹ thuật hỗn hợp MA: Vật liệu khoáng; Thành phần cấp phối; Chất liên kết; Các tiêu lý thí nghiệm đánh giá (Xem Bảng 2.38) - 13 Bảng 2.37: Kết thiết kế thành phần hỗn hợp Mastic Asphalt Thành phần Vật liệu khoáng - Cốt liệu thô: >2.36 - Cốt liệu mịn: 0.075-2.36 - Bột khoáng: 80 > 40 NỊn ®­êng > 40 NỊn ®­êng h > 40 h h h > 40 NỊn ®­êng NỊn ®­êng Hình 4.18: Các kết cấu đề xuất cho đường cao tốc, đường ô tô – Lớp MA9.5 – Lớp BTAP chặt BTNC19 – Lớp BTAP rỗng BTNR25 10-14 15-20 12-16 > 80 15-25 14-24 > 80 8 KC4 Đá găm KC3 Đá găm KC2 Đá găm KC1 Đá găm – Lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng – Lớp móng cấp phối đá dăm loại – Lớp móng cấp phối đá dăm loại - 20 - 15-20 2-4 + Các kết cấu sử dụng đường ô tô nâng cấp: Lớp MA dày 3-4cm găm đá tăng độ bám, tùy trường hợp cụ thể mà lựa chọn lớp BTAP với lớp bù vênh, tạo nhám phía + Các kết cấu sử dụng cho bến xe bus Tại bến xe bus có lực ngang lớn đề xuất sử dụng KC1, KC3, KC4 + Các kết cấu sử dụng cho đường xe đạp, KC5 Lớp MA4.75 dày 2-4cm sử dụng nhựa quánh 60/70, cú gm cỏt ht Cát găm thụ cng sc hoc lu tạo rãnh tăng khả chống trơn trượt Có thể tạo màu để tăng mỹ quan Lớp móng sử dụng đá, cát NỊn ®­êng gia cố xi măng, bê tơng xi măng mác Hình 4.19: Kết cấu MA cho thấp cấp phối đá dăm đầm chặt đường xe đạp, 3.2 Các kết cấu sử dụng MA mặt cầu - Các kết cấu áp dụng cho mặt cầu thép trực hướng + Tác giả nghiên cứu mơ hình nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng kết cấu mặt đề xuất mơ hình dầm liên tục áp dụng: 50 B¸nh xe pv 50 50 B¸nh xe pv 50 b h2 Lớp mặt ĐK tiếp xúc: t Trục trung hòa E2 Bản thép Trục trung hßa E3 E1 300 T 2 300 -h: A h h1 Lớp mặt h3 -h+h1: B 3 -h+h1+h2: C -h+h1+h2+h3: D y Hình 4.20: Sơ đồ nghiên cứu ứng suất, biến dạng + Khảo sát trạng thái ứng suất, biến dạng hệ dầm composite liên tục kết cấu nhằm tìm tổ hợp lớp BTAP thích hợp chứng minh sử dụng hỗn hợp MA ưu việt bê tông nhựa thường + Trên sở phân tích kinh nghiệm thiết kế, khai thác mặt cầu giới Việt Nam, sở nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng kết cấu mặt cầu, tác giả đề nghị kết cấu: - 21 KC7 Líp dÝnh b¸m Líp chèng thÊm Bản thép trực hướng h3 Lớp chịu lùc MA9.5 ~5-9cm h2 h2 Líp mỈt MA9.5 h1 Lớp dính bám h1 ~5-9cm h3 KC6 Lớp mặt SMA Lớp dính bám Lớp chịu lực MA9.5 Lớp dính bám Líp chèng thÊm B¶n thÐp trùc h­íng Hình 4.25: Các kết cấu đề xuất sử dụng mặt cầu thép ~9-12cm 4.0 h h1=1.2-1.4cm; h2=3.0-5.0cm; h3=3.0-4.0cm; KC8 + Ngồi kết cấu KC6, KC7 sử dụng cho bn mt 1 Lớp mặt AC Lớp dÝnh b¸m cầu bê tơng tác giả kiến Líp chÞu lùc MA9.5 nghị kết cấu KC8 với lớp mặt Líp dÝnh b¸m bê tơng nhựa chặt rải nóng Líp chèng thÊm 5 B¶n mặt cầu bê tông AC hoc lp SMA vi chiu Hình 4.26: Các kết cấu đề xuất sử dụng dày h=3-5cm mặt cầu bê tông KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mastic Asphalt loại BTAP có nhiều ưu điểm, sử dụng rộng rãi xây dựng cơng trình giao thơng nhiều nước tiên tiến khu vực năm gần Luận án tổng hợp, đánh giá nghiên cứu MA, phân tích lý thuyết ngun lý hình thành cường độ độ ổn định hỗn hợp Luận án nghiên cứu thực nghiệm đề xuất phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp Luận án kiến nghị phạm vi áp dụng MA xây dựng cơng trình giao thơng với khả cơng nghệ tính kinh tế đáp ứng với điều kiện Việt Nam Những định hướng nghiên cứu thực nghiệm MA áp dụng BTAP rải nóng thơng thường, điều góp phần làm phong phú thêm tri thức BTAP Việt Nam tài liệu tham khảo giảng dạy chuyên ngành công nghệ xây dựng đường bậc đại học 5.1 Những đóng góp luận án mặt khoa học Luận án nghiên cứu, phân tích ưu nhược điểm phát triển Mastic Asphalt –một loại bê tông asphalt Việt Nam, chứng minh sử dụng loại vật liệu xây dựng cơng trình giao thơng với điều kiện Việt Nam; Luận án làm rõ tính chất biến dạng MA phức tạp, bao gồm biến dạng đàn hồi, biến dạng nhớt, biến dạng đàn hồi chậm, biến dạng dẻo tùy theo điều kiện tải trọng nhiệt độ; - 22 Luận án chứng minh loại cốt liệu, cấp phối cốt liệu, loại hàm lượng bitum có ảnh hưởng lớn đến tính ổn định nhiệt cường độ hỗn hợp MA Luận án đề xuất phương pháp xác định thành phần vật liệu theo tiêu đề xuất để hỗn hợp MA thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật khai thác với đặc điểm khí hậu đặc thù địa phương; Cường độ độ ổn định nhiệt độ cao MA quan trọng với vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm Lựa chọn hợp lý cốt liệu, sử dụng bitum có độ quánh cao, bitum polyme, sử dụng tỷ lệ bột khống bitum thích hợp tăng lực dính MA tăng cường độ độ ổn định nhiệt MA Luận án phân tích, sử dụng cải tiến loại bitum cho hỗn hợp MA Bằng thực nghiệm khoa học luận án chứng tỏ vai trò chất liên kết bitum-bột khoáng đặc biệt quan trọng hỗn hợp MA; Luận án đề xuất kết cấu áo đường mềm, kết cấu mặt cầu sử dụng vật liệu Mastic Asphalt Xây dựng mơ hình nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng, cường độ mỏi, độ dính kết lớp kết cấu đề xuất Từ kết nghiên cứu ban đầu đề hướng thiết kế kết cấu áo đường mềm đánh giá chất lượng mặt đường có xét đến điều kiện dính bám lớp vật liệu 5.2 Những đóng góp luận án mặt thực tiễn Luận án bước đầu xây dựng phương pháp thiết kế tiêu giới hạn hỗn hợp MA, kiến nghị loại hỗn hợp MA12.5; MA9.5 MA4.75 phạm vi sử dụng chúng Định hướng ban đầu cho công tác thiết kế kiểm tra chất lượng vật liệu MA kết cấu sử dụng MA; (Thể chi tiết Bảng 2.38) Sử dụng bitum có độ quánh lớn, bitum polyme thay cho loại bitum tự nhiên TLA, điều làm giảm nhiệt độ sản xuất san rải hỗn hợp từ làm giảm giá thành xây dựng; Hàm lượng bitum hợp lý hỗn hợp MA từ 7.0 đến 8.0% tổng khối lượng định thơng qua thí nghiệm đề xuất, cần khống chế chiều dày màng bitum tối ưu từ 7.5 đến 10.0μm ứng với tỷ lệ BK/B từ 3.0 đến 4.0; Luận án tiến hành thí nghiệm để xác định tiêu phục vụ thiết kế khai thác kết cấu áo đường có sử dụng MA Luận án đề xuất thí nghiệm kéo-uốn, thí nghiệm dính bám lớp, thí nghiệm xác định lực dính c BTAP Các kết thí nghiệm tập - 23 trung, đủ tin cậy phù hợp với lý thuyết đặc tính vật liệu, phù hợp với kết thực nghiệm công bố nghiên cứu giới Bước đầu xác định mức độ liên kết lớp BTAP 20% so với dính chặt tuyệt đối Kết luận sử dụng làm thơng số ma sát tính tốn ứng suất, biến dạng kết cấu áo đường phần mềm BISAR3.0, từ đánh giá độ tin cậy tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm hành; Lực ngang bánh xe điều kiện tiếp xúc lớp có ảnh hưởng lớn đến ứng suất cắt-trượt bề mặt đường Với tải trọng xe tiêu chuẩn đề nghị, luận án đưa giá trị ứng suất cắt lớn bề mặt phụ thuộc điều kiện tiếp xúc sau : + Khi áp lực ngang ph 0% áp lực đứng pv : τmax=(0.03-0.09)pv + Khi áp lực ngang ph 20% áp lực đứng pv : τmax=(0.53-0.60)pv + Khi áp lực ngang ph 50% áp lực đứng pv : τmax=(1.35-1.40)pv + Khi áp lực ngang ph 80% áp lực đứng pv : τmax=(2.14-2.26)pv Những đoạn đường có lực ngang lớn gần nút giao thơng, chỗ vào khu đô thị, bến xe Bus phải sử dụng lớp MA có cường độ chống cắt cao làm lớp mặt Nghiên cứu vật liệu làm lớp dính bám để tăng liên kết lớp làm giảm nhiều ứng suất cắt lớp mặt ứng suất kéo-uốn đáy lớp mặt cần thiết; Chiều dày lớp mặt điều kiện tiếp xúc có ảnh hưởng lớn đến ứng suất kéo-uốn đáy lớp vật liệu liền khối Khi bố trí lớp móng rời rạc, điều kiện tiếp xúc lớp không tốt, chiều dày lớp mặt chọn không hợp lý gây ứng suất kéo-uốn lớn ku=(1.4-2.0)pv tuổi thọ mỏi kết cấu giảm Để đảm bảo không phát sinh phá hoại cần bố trí lớp vật liệu có cường độ chịu kéo-uốn cao lớp có biện pháp đảm bảo tiếp xúc tốt lớp Không nên thiết kế kết cấu có lớp BTAP có h/d từ (0.29-0.38), tổng chiều dày lớp BTAP kết cấu tối thiểu từ 12-15cm Lớp BTAP nên 4cm để đảm bảo công nghệ thi công cường độ chống mỏi tốt nhất; 5.3 Những tồn tại, hạn chế Chưa thể thực thí nghiệm mỏi thí nghiệm từ biến để đánh giá định lượng toàn diện ưu điểm vật liệu MA so với loại bê tông asphalt thông thường; - 24 Luận án nghiên cứu thực nghiệm phòng tổng hợp kinh nghiệm thi cơng MA nước ngồi mà chưa có điều kiện sản xuất rải thử hỗn hợp MA thực tế Việt Nam 5.4 Kiến nghị Sử dụng tốc độ thí nghiệm 50.8mm/phút máy Marshall phổ biến để thí nghiệm cường độ kéo-uốn bê tông asphalt, từ kết thí nghiệm lập mối quan hệ với cường độ Marshall, ép chẻ, kéo gián tiếp tải trọng lặp,… Điều kiện tiếp xúc lớp bê tông asphalt quan trọng, kiến nghị sử dụng thiết bị Leutner để xác định cường độ dính bám lớp, xác định lực dính c bê tông asphalt nhiệt độ cao, từ kết tính khả dính kết lớp để đưa vào phần mềm tính tốn kết cấu áo đường; Nên bố trí lớp móng vật liệu liền khối, có sử dụng chất liên kết (đá gia cố xi măng, bê tông nhựa rỗng, đá dăm đen) để chịu phần ứng suất kéo uốn cho lớp mặt phía phân bố ứng suất xuống lớp móng đất; Có thể tính tốn thiết kế kết cấu áo đường mềm theo trình tự: a) Các thơng số tải trọng, đất vật liệu xác định theo 22TCN21106 thí nghiệm đề xuất; b) Sử dụng chương trình BISAR3.0 để tính tốn xác ứng suất, biến dạng kết cấu; c) Các trạng thái giới hạn tiêu chuẩn trạng thái giới hạn theo 22TCN211-06; d) So sánh, đánh giá lựa chọn phương án tối ưu; Để sử dụng kết cấu áo đường đề xuất cần thông qua đoạn đường thực nghiệm trước ứng dụng có quy mơ 5.5 Hướng nghiên cứu tiếp tục luận án Kết hợp với quan sản xuất cải tiến trạm trộn bê tông asphalt thông thường để sản xuất MA rải thử cơng trình thực tế áp dụng loại vật liệu - kết cấu nghiên cứu để kiểm chứng kết đề nghị nêu trên; Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn kết cấu áo đường hỗn hợp sử dụng lớp mặt MA rải lớp móng BTXM nhằm phát huy ưu điểm hai loại vật liệu này; Nghiên cứu xây dựng mơ hình lớp BTAP mặt cầu thép trực hướng có xét đến điều kiện dính kết lớp; Xây dựng quy trình cơng nghệ thi cơng nghiệm thu lớp MA ... yêu cầu thực tế, đề tài Nghiên cứu số tính chất ứng dụng Mastic Asphalt xây dựng công trình giao thơng Việt Nam cần thiết có tính thời Những nội dung cần giải  Xây dựng phương pháp thiết kế... phát triển Mastic Asphalt một loại bê tông asphalt Việt Nam, chứng minh sử dụng loại vật liệu xây dựng cơng trình giao thơng với điều kiện Việt Nam; Luận án làm rõ tính chất biến dạng MA phức tạp,... sử dụng dày h=3-5cm mặt cầu bê tông KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Mastic Asphalt loại BTAP có nhiều ưu điểm, sử dụng rộng rãi xây dựng cơng trình giao thơng nhiều nước tiên tiến khu vực năm gần Luận án