Nghiên cứu quan hệ giữa cường độ chống cắt và đặc tính biến dạng không hồi phục của hỗn hợp bê tông asphalt mặt đường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - NGÔ NGỌC QUÝ NGHIÊN CỨU QUAN HỆ GIỮA CƢỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT VÀ ĐẶC TÍNH BIẾN DẠNG KHƠNG HỒI PHỤC CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG ASPHALT MẶT ĐƢỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - NGÔ NGỌC QUÝ NGHIÊN CỨU QUAN HỆ GIỮA CƢỜNG ĐỘ CHỐNG CẮT VÀ ĐẶC TÍNH BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG ASPHALT MẶT ĐƢỜNG Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông Mã số : 9.58.02.05 Chuyên ngành: Xây dựng đƣờng ôtô đƣờng thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Trần Thị Kim Đăng PGS TS Lã Văn Chăm Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu quan hệ cường độ chống cắt đặc tính biến dạng khơng hồi phục hỗn hợp bê tông Asphalt mặt đường” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa cơng bố Trong q trình nghiên cứu, tơi thích liệt kê phần tài liệu tham khảo kết nghiên cứu, công thức, hình vẽ, bảng biểu phần mềm ứng dụng tác giả khác Hà Nội, ngày … tháng năm 2021 Tác giả luận án Ngô Ngọc Quý LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nỗ lực nghiên cứu, luận án “Nghiên cứu quan hệ cường độ chống cắt đặc tính biến dạng khơng hồi phục hỗn hợp bê tông asphalt mặt đường” tơi hồn thành Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy, cô hướng dẫn khoa học tôi: PGS.TS Trần Thị Kim Đăng PGS.TS Lã Văn Chăm Các Thầy, Cô định hướng tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận án Trong thời gian thực luận án, nhận giúp đỡ nhiều từ Ban Giám hiệu Trường đại học Giao thông Vận tải, Phịng Đào tạo Sau đại học, Bộ mơn Đường bộ, Trung tâm Khoa học công nghệ Giao thông Vận tải, Phịng thí nghiệm Cơng trình Vilas 047, Phịng thí nghiệm trọng điểm LasXD 1256, Phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng thuộc Trường Đại học Giao thông Vận tải Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành giúp đỡ Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, TS Nguyễn Quang Tuấn, TS Bùi Tuấn Anh, TS Lương Xuân Chiểu, TS Trần Danh Hợi, TS Nguyễn Ngọc Lân thầy, cô Bộ môn Đường bộ, đồng nghiệp, nhà khoa học ngồi Trường quan tâm, giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến chun mơn xác đáng cho luận án Xin cảm ơn cán bộ, nhân viên Phịng thí nghiệm Cơng trình Vilas 047 – nơi tơi cơng tác Phịng thí nghiệm trọng điểm LasXD1256 thuộc Trung tâm Khoa học công nghệ GTVT giúp tơi thực thí nghiệm luận án Lời tri ân sâu sắc xin dành cho vợ, người thân gia đình bên tôi, chia sẻ, động viên, ủng hộ tinh thần vật chất, giúp vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Xin khắc ghi công lao tất người Trân trọng! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2021 Tác giả luận án Ngô Ngọc Quý i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii ĐẶT VẤN ĐỀ 1 Tính cấp thiết đề tài Các mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận án CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH KHÁNG CẮT, ĐẶC TÍNH BIẾN DẠNG KHƠNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG ASPHALT MẶT ĐƢỜNG VÀ XU THẾ NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CHÚNG 1.1- Đặc tính kháng cắt bê tông asphalt mặt đƣờng 1.1.1 - Các nghiên cứu cường độ kháng cắt thông số đặc trưng cho sức kháng cắt bê tông asphalt Việt Nam 1.1.2- Một số nghiên cứu nước ngồi đặc tính kháng cắt bê tơng asphalt 1.2- Đặc tính biến dạng không hồi phục bê tông asphalt mặt đƣờng 20 1.2.1 - Các nghiên cứu nước đặc tính biến dạng khơng hồi phục bê tông asphalt21 1.2.2 - Một số nghiên cứu tiêu biểu giới thời gian gần đặt tính biến dạng khơng hồi phục bê tơng asphalt 23 1.3 – Bản chất mối liên hệ đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng không hồi phục bê tông asphalt 28 1.3.1 – Cơ chế hình thành phát triển lún vệt bánh xe mối liên hệ với đặc tính kháng cắt bê tơng asphalt 28 1.3.2 – Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng khơng hồi phục bê tơng asphalt mặt đường 30 1.4 – Xu hƣớng nghiên cứu mối quan hệ cƣờng độ chống cắt biến dạng không hồi phục bê tông asphalt Việt Nam giới 31 1.4.1 – Tình hình nghiên cứu nước 31 1.4.2 – Các xu hướng nghiên cứu nước 31 1.5 – Kết luận chƣơng 36 CHƢƠNG 2: LỰA CHỌN CHỈ TIÊU, MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM, THIẾT KẾ LẮP ii DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐẶC TÍNH KHÁNG CẮT VÀ ĐẶC TÍNH BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG ASPHALT 37 2.1 Lựa chọn tiêu mơ hình thí nghiệm xác định đặc tính kháng cắt bê tông asphalt 37 2.1.1- Các mơ hình thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt, tham số đặc trưng đặc tính kháng cắt bê tơng asphalt 37 2.1.2 – Tiêu chuẩn thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt tham số cường độ kháng cắt 42 2.2 Thiết kế cải tiến thiết bị nén ba trục đất để thí nghiệm đặc tính kháng cắt cho bê tông asphalt 45 2.3 Lựa chọn tiêu mơ hình thí nghiệm đặc tính biến dạng khơng hồi phục bê tơng asphalt 50 2.3.1 – Các mơ hình tiêu chuẩn thí nghiệm đặc tính biến dạng không hồi phục bê tông asphalt 50 2.4 Thiết kế lắp dựng thiết bị nén dọc trục tải trọng lặp thí nghiệm biến dạng khơng hồi phục bê tơng asphalt 54 2.5 Kết luận chƣơng 57 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHỊNG ĐẶC TÍNH KHÁNG CẮT CỦA BÊ TƠNG ASPHALT 59 3.1 Kế hoạch thí nghiệm 59 3.2 Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông asphalt 60 3.2.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế 60 3.2.2 Lựa chọn vật liệu thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt 60 3.2.3 Xác định tiêu lý cốt liệu khoáng nhựa đường 60 3.2.4 Thiết kế cấp phối hỗn hợp 63 3.2.5 Xác định hàm lượng nhựa tối ưu theo phương pháp Marshall 65 3.2.6 Kết thí nghiệm tiêu thể tích tiêu lý mẫu Marshall hỗn hợp bê tông asphalt 67 3.3 Thí nghiệm nén ba trục xác định cƣờng độ kháng cắt tham số kháng cắt 68 3.3.1 Các tham số kháng cắt cách xác định 68 3.3.2 Thiết kế thí nghiệm trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu 70 3.4 Kết thí nghiệm xác định tiêu c,  hỗn hợp bê tông asphalt 71 3.4.1 Phạm vi nghiên cứu điều kiện thí nghiệm 71 3.4.2 Kết thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng màng bao mẫu 73 3.4.3 Kết thí nghiệm c,  hỗn hợp bê tông asphalt 77 3.5 Phân tích kết thí nghiệm tiêu kháng cắt (c,) 78 3.5.1 Ảnh hưởng loại chất kết dính đến c,  hỗn hợp AC13_CP1 AC13_CP2 78 iii 3.5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ đến c,  cấp phối AC19_CP1_N1 82 3.5.3 Ảnh hưởng tốc độ gia tải đến c,  cấp phối AC19_CP1_N1 85 3.5.4 Phân tích kết thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng đồng thời cấp phối loại nhựa đến c,  cấp phối AC13 88 3.6 Kết luận chƣơng 92 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHỊNG VỀ ĐẶC TÍNH BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG ASPHALT LÀM MẶT ĐƢỜNG 94 4.1 Kế hoạch thí nghiệm 94 4.2 – Thí nghiệm từ biến tĩnh (thí nghiệm creep tĩnh) xác định đặc tính biến dạng bê tông asphalt 95 4.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm: 95 4.2.2 Kết phân tích kết thí nghiệm 97 4.3 – Thí nghiệm biến dạng khơng hồi phục tải trọng lặp 102 4.3.1 Chuẩn bị thí nghiệm 103 4.3.2 Kết phân tích kết thí nghiệm 103 4.4 – Kết luận chƣơng 110 CHƢƠNG 5: TƢƠNG QUAN THỰC NGHIỆM GIỮA ĐẶC TÍNH KHÁNG CẮT VÀ ĐẶC TÍNH BIẾN DẠNG KHƠNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG ASPHALT MẶT ĐƢỜNG 112 5.1 – Lựa chọn phƣơng trình mơ tả tƣơng quan đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng không hồi phục bê tông asphalt 112 5.2 – Xây dựng quan hệ đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng khơng hồi phục hỗn hợp bê tông asphalt 120 5.3 – Định hƣớng ứng dụng cƣờng độ kháng cắt mối quan hệ đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng khơng hồi phục thiết kế kết cấu áo đƻ�m nén trục để xác định tham số đặc trưng cho sức kháng cắt mô hình thí nghiệm tải trọng lặp có áp lực hơng (3 trục tải trọng lặp) để nghiên cứu đặc tính biến dạng không hồi phục bê tông asphalt  Đã nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị c,  hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phổ biến Việt Nam thiết bị nén trục cải tiến Từ kết thí nghiệm, luận án phân tích, đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ, loại nhựa đường, tốc độ gia tải nguồn cốt liệu đến tiêu c,  bê tông asphalt  Luận án khảo sát đánh giá đặc tính biến dạng loại bê tơng asphalt sử dụng mơ hình thí nghiệm từ biến tĩnh nhiệt độ cấp tải trọng khác Qua đó, phân tích ảnh hưởng nhiệt độ, tải trọng đến tham số đặc trưng cho đặc tính biến dạng  Luận án nghiên cứu thực nghiệm đặc tính biến dạng khơng hồi phục loại bê tơng asphalt sử dụng mơ hình thí nghiệm tải trọng lặp có áp lực hơng cải tiến lắp dựng  Luận án phân tích chế lún vệt bánh xe mối liên hệ với biến dạng cắt bê tông asphalt  Xây dựng tương quan thực nghiệm biến dạng không hồi phục với số lần tác dụng tải N thơng số /f Những đóng góp luận án mặt thực tiễn    Cải tiến thiết bị thí nghiệm ba trục vật liệu để thí nghiệm xác định tham số c,  hỗn hợp bê tông asphalt phù hợp với tiêu chuẩn JTG E20-2011 phần T 0718-2011, thực thí nghiệm giá trị nhiệt độ tốc độ gia tải mong muốn Nghiên cứu, cải tiến, lắp dựng thiết bị thí nghiệm tải trọng lặp có áp lực hơng để thí nghiệm nghiên cứu đặc tính biến dạng không hồi hỗn hợp bê tông asphalt giá trị nhiệt độ, áp lực hông, áp lực dọc, tần số, thời gian số lần tác dụng tải mong muốn Các kết nghiên cứu thông số kháng cắt c,  vật liệu bê tông asphalt đường đặc tính biến dạng khơng hồi phục sử dụng kiểm tra tính tốn lún kết cấu áo đường 138 Các nội dung kết nghiên cứu mang tính  Luận án nghiên cứu cải tiến, lắp dựng hồn thiện thiết bị thí nghiệm để xác định tiêu kháng cắt (thiết bị thí nghiệm ba trục) đặc tính biến dạng khơng hồi phục (thiết bị thí nghiệm tải trọng lặp có áp lực hơng) bê tơng asphalt với điều kiện thí nghiệm mô gần thực tế trạng thái ứng suất, biến dạng bê tông asphalt kết cấu mặt đường Các thiết bị thí nghiệm sử dụng để tiếp tục mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng chất lượng cốt liệu, cấp phối, hàm lượng loại chất kết dính, nhiệt độ, áp lực hông, tốc độ gia tải…đến tham số đặc trưng cho đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng không hồi phục hỗn hợp bê tông asphalt  Đã sử dụng thiết bị nén ba trục để nghiên cứu thực nghiệm xác định tham số c,  số loại bê tông asphalt phổ biến sử dụng Việt Nam  Sử dụng thiết bị gia tải lặp có áp lực hơng cải tiến lắp dựng để nghiên cứu thực nghiệm đặc tính biến dạng không hồi phục 02 số loại bê tông asphalt phổ biến sử dụng Việt Nam BTAC12.5 sử dụng nhựa PMB III BTAC19 sử dụng nhựa 60/70, nhiệt độ 60oC  Đã nghiên cứu phân tích chế lún vệt bánh xe mối liên hệ với biến dạng cắt bê tông asphalt  Đã xây dựng tương quan thực nghiệm đánh giá đủ độ tin cậy tương quan thực nghiệm tổng biến dạng không hồi phục trọng lặp N tỉ số ⁄ với số lần tác dụng tải để minh chứng mối liên hệ đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng không hồi phục 02 số loại bê tông asphalt phổ biến sử dụng Việt Nam điều kiện nhiệt độ khai thác cao Đây kết có ý nghĩa ban đầu để mở hướng ứng dụng mối liên hệ kiểm soát lún vệt bánh xe bê tông asphalt mặt đường từ bước thiết kế Những tồn tại, hạn chế  Với thí nghiệm xác định c , luận án chưa thực thí nghiệm mơ hình thí nghiệm khác đơn giản như: mơ hình nén đơn trục kết hợp ép chẻ, thí nghiệm cắt theo tiêu chuẩn Nga, Belarus Phân tích, đánh giá kết thí nghiệm theo mơ hình thí nghiệm khác để khuyến cáo sử dụng phương pháp thí nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam 139  Từ kết thực nghiệm đối chứng thí nghiệm nén trục với mẫu bê tơng asphalt chặt 19mm sử dụng nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng không đáng kể việc sử dụng hay không sử dụng màng bao mẫu, thí nghiệm chương trình nghiên cứu luận án khơng sử dụng màng bao mẫu thí nghiệm xác định c,  mơ hình thí nghiệm nén trục Tuy nhiên, kết nghiên cứu ảnh hưởng màng bao mẫu giới hạn loại hỗn hợp bê tông asphalt chặt 19 sử dụng nhựa 60/70 điều kiện nhiệt độ 60oC, tốc độ gia tải 7.5mm/phút khoảng độ rỗng dư mẫu  Khi nghiên cứu đặc tính biến dạng khơng hồi phục mơ hình thí nghiệm trục tải trọng lặp chưa thực thí nghiệm với cấp áp lực hơng, điều kiện nhiệt độ, tốc độ gia tải, thời gian tác dụng tải khác  Các phương trình tương quan p tham số đặc trưng cho cường độ kháng cắt xây dựng chưa xét đến điều kiện nhiệt độ, thời gian tác dụng tải khác nhau…  Các phương trình tương quan p tham số đặc trưng cho cường độ kháng cắt xây dựng chưa thể áp dụng để dự báo lún vệt bánh xe cho kết cấu áo đường mềm ngồi trường do: Lớp bê tơng asphalt kết cấu áo đường đặt bán không gian vô hạn đàn hồi, ứng suất tải trọng xe gây nhiệt độ vị trí khác bê tông asphalt thay đổi theo chiều sâu điểm kết cấu đường Mặt khác, lực ngang phương tiện giao thông gây ra, vị trí tăng, giảm tốc, hãm xe cần phải xét đến nghiên cứu hình thành phát triển hư hỏng lún vệt bánh xe Các điều kiện thực tế khác nhiều so với điều kiện thí nghiệm phịng thí nghiệm để xây dựng phương trình tương quan Hƣớng nghiên cứu tiếp Các tồn hạn chế đề cập gợi ý cho số hướng nghiên cứu tiếp tục, kiến nghị sau:  Mở rộng phạm vi nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng ảnh hưởng đồng thời yếu tố đến đặc trưng kháng cắt bê tông asphalt như: điều kiện nhiệt độ, tốc độ gia tải, đặc tính cốt liệu (loại cốt liệu, cường độ, độ góc cạnh), đặc tính hỗn hợp cốt liệu, hàm lượng loại chất kết dính… sử dụng mơ hình thí nghiệm khác 140  Mở rộng phạm vi nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng ảnh hưởng đồng thời yếu tố đến biến dạng không hồi phục bê tông asphalt chịu tác dụng tải trọng động như: điều kiện nhiệt độ, áp lực hơng, đặc tính tải trọng (tần số, thời gian tác dụng tải), đặc tính cốt liệu, hỗn hợp, chất kết dính…  Nghiên cứu đề xuất phương pháp thí nghiệm xác định tham số đặc trưng cho sức kháng cắt (c, ) đơn giản, tin cậy, phù hợp điều kiện Việt Nam  Nghiên cứu xây dựng tương quan p tham số đặc trưng cho cường độ kháng cắt bê tông asphalt điều kiện phịng thí nghiệm có xét đến điều kiện nhiệt độ, thời gian tác dụng tải  Nghiên cứu ứng dụng kết nghiên cứu luận án công tác thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu đường với lớp mặt bê tông asphalt nhằm giảm thiểu hư hỏng biến dạng không hồi phục  Đề xuất xây dựng đoạn đường thử nghiệm để theo dõi, đánh giá hư hỏng lún vệt bánh xe, qua hiệu chỉnh công thức tương quan p tham số đặc trưng cho cường độ kháng cắt xây dựng để áp dụng dự báo lún vệt bánh xe cho kết cấu đường ... TỔNG QUAN VỀ ĐẶC TÍNH KHÁNG CẮT, ĐẶC TÍNH BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG ASPHALT MẶT ĐƢỜNG VÀ XU THẾ NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA CHÚNG 1.1- Đặc tính kháng cắt bê tơng asphalt mặt. .. đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng khơng hồi phục bê tông asphalt 112 5.2 – Xây dựng quan hệ đặc tính kháng cắt đặc tính biến dạng không hồi phục hỗn hợp bê tông asphalt ... Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ ? ?Nghiên cứu quan hệ cường độ chống cắt đặc tính biến dạng không hồi phục hỗn hợp bê tông Asphalt mặt đường? ?? cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình