CHƯƠNG 1 : NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.4. Các nghiên cứu có liên quan
1.4.2. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số được đánh giá
giá bằng HWD của tấm BTXM
1.4.2.1. Các nghiên cứu tại Mĩ
Theo [66][64][68][54], hiệp hội đường bộ Mĩ đã xây dựng chương trình nghiên cứu quốc gia về việc sử dụng số liệu đo bằng FWD trong thiết kế mặt đường BTXM theo phương pháp ME. Để xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đánh giá mặt đường bằng FWD, nhiệt độ không khí (TA) và và nhiệt độ mặt đường (TS) được đo trực tiếp tại thời điểm thí nghiệm bằng các đầu đo nhiệt của máy FWD. Nhiệt độ trung bình ban ngày sẽ được lấy theo số liệu của 5 ngày liên tục.
Biến thiên nhiệt độ trong các tấm BTXM mặt đường được đo bởi 5 đầu đo đặt trong tấm, ở các độ sâu lần lượt là 25mm, 50 mm, 100mm, 200mm, 300mm (tính từ bề mặt tấm BTXM).
Các kết quả chính của nghiên cứu bao gồm:
a. Nhiệt độ phù hợp để thực hiện FWD
Để giảm ảnh hưởng của nhiệt độ tới các chỉ tiêu đánh giá mặt đường bằng FWD, nhiệt độ môi trường không nên vượt quá 270C. Nhiệt độ tiêu chuẩn để để thực hiện các thí nghiệm là 200C.
- 29 -
b. Ảnh hưởng giữa nhiệt độ, chiều dày tấm và kết quả FWD
Kết quả đánh giá bằng FWD đối với các tấm có chiều dày nhỏ thì ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ hơn so với tấm có chiều dày lớn.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hệ số nền k
Đối với hệ số nền k, các phép đo được thực hiện tại 4 vị trí trên đoạn đường dài 25m. Buổi sáng, khi nhiệt độ không khí thấp (khoảng 2,70C), hệ số nền k đo được thay đổi từ 55kPa/mm đến 80 kPa/mm; Theo thời gian trong ngày, nhiệt độ không khí (và nhiệt độ bề mặt tấm BTXM) tăng dần, hiện tượng uốn vồng xuất hiện, làm giảm rõ rệt giá trị hệ số nền đo được bằng FWD (hình 1.19). Ở nhiệt độ bề mặt tấm BTXM là 32,20C (lúc 17h), hệ số nền chỉ còn khoảng 20kPa/mm đến 30kPa/mm.
Hình 1.19. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đo k của mặt đường BTXM bằng FWD [64]
(Ta: Nhiệt độ trong không khí, Ts: Nhiệt độ bề mặt tấm BTXM) d. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới LTE
Tại các vị trí khe nối, hệ số LTE cũng bị ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt (như hình 1.20) [46][67][74]. Theo đó, với tấm dày 24cm, không có thanh truyền lực, vào buổi sáng, do nhiệt độ còn thấp nên tấm bị co lại, hiệu ứng aggregate interlock bị giảm, kéo theo LTE nhỏ.
Sang buổi trưa và buổi chiều, nhiệt độ trong tấm tăng lên, tấm bị dãn dài, hiệu ứng “aggregate interlock” [67][70] tăng lên. Do vậy, LTE tăng mạnh, đạt tới lân cận 80% ở hầu hết các điểm đo.
- 30 -
Hình 1.20. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đánh giá LTE
Ngoài việc tấm bị dãn dài, hiện tượng uốn vồng do chênh lệch nhiệt độ giữa thớ trên và thớ dưới cũng có ảnh hưởng tới LTE. Hình 1.21 giới thiệu tương quan giữa LTE và ###∆" (trong đó ∆"### được xác định tại thời điểm thí nghiệm) cho hai trường hợp (khe nối có thanh truyền lực và không có thanh truyền lực), tấm dày 24 cm, chiều dài tấm bằng 4,6m.
Trường hợp khe nối không có thanh truyền lực, khi ∆"### nhỏ hơn 0, nhiệt độ thới trên nhỏ hơn thớ dưới, tại lân cận khe nối, tấm bị uốn vồng lên; đáy tấm tiếp xúc không tốt với mặt tầng móng, hiệu ứng aggregate interlock giảm, LTE nhỏ (dưới 20%).
Hình 1.21. Ảnh hưởng của ###∆" nhất tới LTE [64]
Khi ∆"###=0, không có sự uốn vồng, LTE đạt khoảng 40%. Khi ∆"### lớn hơn 0, tại khe nối, tấm bị uốn vồng xuống, đáy tấm vẫn tiếp xúc với bề mặt lớp móng, hiệu ứng aggregate interlock ít ảnh hưởng, thậm chí tốt hơn khi tấm bị dãn dài. Lúc đó, LTE tăng lên tới 80%.
- 31 -
Trường hợp có thanh truyền lực, LTE hầu như không bị ảnh hưởng bởi ∆"### (hình 1.21).
e. Ảnh hưởng của mùa trong năm tới độ võng [66][73]
Nội dung này không đề cập trực tiếp, nhưng qua đó có thể có thêm các nhận định về ảnh hưởng tổng hợp của chế độ thủy nhiệt ở các thời điểm trong năm tới độ võng của mặt đường BTXM.
Sự thay đổi về độ võng khi đánh giá bằng FWD theo mùa được trình bày trong hình 1.22. Thời gian trong năm được chia làm 4 giai đoạn. Giai đoạn (1) từ tháng 12 năm trước đến tháng 3 năm sau, nhiệt độ môi trường rất thấp, kèm theo hiện tượng băng tuyết. Khi đó, độ võng (khi thí nghiệm FWD) nhỏ. Từ tháng 3 đến tháng 5 (giai đoạn (2)) bắt đầu có sự tan băng, độ ẩm trong nền-móng đường tăng, có thể đến mức bão hòa nước (kèm theo các dòng thấm gây xói ngầm), độ võng tăng mạnh.
Hình 1.22. Thay đổi của độ võng theo mùa [66]
Giai đoạn 3 bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 6, nắng nóng, nền và móng đường giảm dần độ ẩm, hệ số nền k tăng, độ võng giảm dần. Từ tháng 7 đến tháng 11 (giai đoạn 4), tiếp tục có thời tiết khô ráo, nhiệt độ giảm dần, kéo theo chênh lệch nhiệt độ ít hơn, độ võng vì thế mà giảm đi.
1.4.2.2. Các nghiên cứu tại CH Séc
Theo [62], các tác giả trước hết đã đề xuất phương pháp đánh giá LTE bằng thiết bị quả nặng rơi FWD theo sơ đồ sau (hình 1.23):
- 32 -
Hình 1.23. Sơ đồ đánh giá LTE bằng FWD cho mặt đường BTXM [62] Với sơ đồ trên, LTE được xác định như sau:
$%& =(!""
(#""∗ 100% (1.9)
Trong đó d300, d200 lần lượt là độ võng (µm) đo được tại các đầu đo của FWD cách tâm của vị trí tác dụng tải trọng 300mm, 200mm.
Trong nghiên cứu này, các tác giả đã đánh giá được ảnh hưởng của gradien nhiệt độ trong tấm BTXM tới kết quả đo độ võng bằng FWD (hình 1.24)
Hình 1.24. Ảnh hưởng của gradien nhiệt độ (oC/mm) tới kết quả đo độ võng (µm) bằng FWD [62]
Theo đó, với các cấp tải trọng khác nhau, đều tìm ra sự tương quan bậc nhất giữa gradien nhiệt độ và độ võng, theo xu hướng gradien nhiệt độ càng lớn thì độ võng càng lớn. Kết quả nghiên cứu còn chỉ ra rằng, ở cấp tải trọng thí nghiệm lớn
- 33 -
hơn, đường tương quan có độ dốc lớn hơn, cho thấy ảnh hưởng của gradien nhiệt độ mạnh hơn so với các cấp tải trọng thấp hơn.
1.4.2.3. Các nghiên cứu tại Trung Quốc a. Nghiên cứu của Zhao và các cộng sự
Tương tự như tác giả Ozbeki [76], tại Trung Quốc, tác giả Zhao và các cộng sự [88][83][61] cũng chỉ ra sự thay đổi rõ ràng của độ võng tại giữa tấm khi có sự thay đổi về nhiệt độ trên bề mặt tấm BTXM của sân bay A, B, C (tác giả dấu tên sân bay) với các kết cấu như sau (hình 1.25):
Hình 1.25. Kết cấu thí nghiệm trong [61]
Số liệu đo đạc và quan giữa độ võng khi đo bằng thiết bị FWD và nhiệt độ bề mặt tấm được trình bày trong hình 1.26 (D0, D1, …, D8 là các đầu đo của máy FWD).
Theo đó, độ võng tại tâm tấm, góc tấm và cạnh tấm (tại vị trí khe nối) đều thay đổi nhiệt độ bề mặt tấm. Sự thay đổi này không giống nhau: độ võng tại góc tấm có xu hướng biến đổi lớn hơn.
- 34 -
Hình 1.26. Quan hệ giữa độ võng và nhiệt độ bề mặt tấm BTXM [61] Các nhận định quan trọng được rút ra từ nghiên cứu này [61]:
- Độ võng của tấm có thể thay đổi theo 3 đại lượng: (1) Chênh lệch nhiệt độ giữa thớ trên và thới dưới tấm, (2) nhiệt độ trung bình của tấm, (3) nhiệt độ bề mặt tấm. Trong đó, đại lượng (2) và (3) liên quan nhiều hơn tới độ võng tại cạnh tấm và LTE, độ võng tại giữa tấm có tương quan chặt hơn với chênh lệch nhiệt độ giữa thớ trên và thới dưới của tấm.
- Theo diễn biến của nhiệt độ bề mặt, có thể chia quá trình thay đổi độ võng (khi đo bằng FWD) tại góc tấm và cạnh tấm BTXM thành 3 giai đoạn: Giai đoạn 1: độ võng thay đổi khi nhiệt độ tăng; giai đoạn 2, độ võng ổn định, ít phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt; giai đoạn 3: độ võng lại thay đổi khi nhiệt độ giảm;
Thông thường, giai đoạn 2 bắt đầu khoảng từ lúc 13h đến 17h, là thời điểm nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ trung bình trong tấm đạt giá trị lớn nhất trong ngày. Sự chênh lệch nhiệt độ dương sẽ làm tấm bị uốn vồng lên (có độ vồng dương - xem hình 1.8). Khi đó, đáy tấm (ở vị trí góc và cạnh tấm) tiếp xúc nhiều hơn với bề mặt lớp móng (so với khi tấm bị vồng xuống). Bên cạnh đó, nhiệt độ trung bình trong tấm tăng làm cho tấm bị dãn dài, tiếp xúc với tấm bên cạnh tốt hơn nhờ hiệu ứng interlock agreegate. Hai yếu tố này sẽ cho phép độ võng của tấm giảm, và giữ ở giá trị ổn định. Giai đoạn 1 thường từ 5 giờ sáng đến 13 giờ chiều và giai đoạn 3 từ 17 giờ chiều đến 5 giờ sáng hôm sau.
- 35 -
- Giữa nhiệt độ bề mặt và độ võng đo tại góc, cạnh tấm có tương quan chặt chẽ ở từng giai đoạn vừa nêu, với dạng phương trình tương quan bậc 2:
D=a2T+b (1.10)
(D là độ võng, T là nhiệt độ bề mặt, a, b là các hệ số cố định - bảng 1.3):
Bảng 1.3. Tham số của phương trình tương quan giữa nhiệt độ bề mặt tới độ võng tại góc và cạnh tấm [61]
Loại Vị trí Giai đoạn a b R2 Tương
quan Sân bay A Khe nối I -1.31 173.03 0.89 D = a2T+b III -3.35 207.24 0.94 Góc tấm I -1.85 169.91 0.95 III -2.37 195.55 0.92 Sân bay B (kết cấu cũ) Khe nối I -1.66 146.60 0.90 III -4.49 198.77 0.95 Góc tấm I -2.13 172.82 0.92 III -7.07 274.14 0.97 Sân bay B (kết cấu mới) Khe nối I -2.62 173.80 0.87 III -4.68 209.45 0.94 Góc tấm I -3.62 217.35 0.91 III -6.94 288.32 0.95 Sân bay C Khe nối I -2.23 165.58 0.91 III -3.77 194.58 0.96 Góc tấm I -2.25 179.23 0.92 III -5.05 248.64 0.95
- Gradien nhiệt độ trong tấm cũng là yếu tố có ảnh hưởng và có tương quan với độ võng tại cạnh tấm, góc tấm và giữa tấm.
- 36 -
Hình 1.27 thể hiện ảnh hưởng của gradien nhiệt độ tới độ võng lớn nhất tại cạnh tấm khi đánh giá bằng FWD, với các trường hợp độ cứng q của khe nối (là một tham số thể hiện hệ số truyền lực) khác nhau. Định nghĩa của q xin xem thêm tại [88]; q càng nhỏ thì hệ số truyền lực LTE càng nhỏ.
Khi gradien nhiệt độ có giá trị từ -30 đến -8,2 0C/m (nhiệt độ mặt trên nhỏ hơn mặt dưới), tấm có độ vồng xuống, cạnh tấm tiếp xúc kém hơn với bề mặt lớp móng. Gradien có giá trị tuyệt đối càng lớn, độ võng càng lớn. Giữa gradien và độ võng có quan hệ tuyến tính rất chặt chẽ, với hệ số R2= 0,96 [61].
Khi gradien lớn hơn 42,10C/m, cũng tìm thấy tương quan tuyến tính giữa gradien và độ võng, theo hướng gradien càng lớn, độ võng càng lớn.
Trong khoảng giá trị từ -8,2 0C/m đến 42,10C/m, gradien nhiệt độ không có ảnh hưởng rõ rệt tới độ võng tại cạnh tấm.
Ảnh hưởng của gradien nhiệt độ tới độ võng lớn nhất tại góc tấm khi đánh giá bằng FWD được trình bày trong hình 1.28. Khi gradien nhận giá trị từ -300C/m đến - 40C/m, giữa gradien nhiệt độ và độ võng có tương quan bậc nhất với R2=0,9. Giá trị tuyệt đối của gradien càng lớn, độ võng càng lớn. Ảnh hưởng của gradien tới độ võng tại góc tấm lớn hơn ảnh hưởng tới độ võng tại cạnh tấm. Khi gradien nhiệt độ lớn hơn 0, tấm có độ vồng lên, cạnh và góc tấm tiếp xúc tốt hơn với bề mặt móng. Khi đó, gradien nhiệt độ có ảnh hưởng ít hơn tới độ võng lớn nhất tại góc tấm.
- 37 -
Kết quả của nghiên cứu cũng đề cập tới ảnh hưởng của gradien nhiệt độ tới độ võng tại giữa tấm (hình 1.29).
Hình 1.29. Ảnh hưởng của gradien nhiệt độ tới độ võng lớn nhất tại giữa tấm [61] Độ võng tại giữa tấm ít chịu ảnh hưởng của gradien nhiệt độ hơn so với độ võng tại cạnh hay góc tấm. Khi gradien nhiệt độ nhỏ hơn 0, tấm bị vồng xuống. Ở khu vực giữa tấm, đáy tấm vẫn tiếp xúc tốt với bề mặt lớp móng. Do vậy, sự ảnh hưởng của gradien nhiệt độ tới độ võng là không đáng kể.
Khi gradien nhiệt độ tăng lên, độ võng tăng lên, đặc biệt là khi gradien lớn hơn 28,30C/m. Khi đó, cũng tồn tại quan hệ tuyến tính giữa gradien nhiệt độ và độ võng lớn nhất tại giữa tấm khi đo bằng FWD.
b. Nghiên cứu của BeiZhang và cộng sự
Cũng tại Trung Quốc, tác giả Bei Zhang và các cộng sự [52] đã chỉ ra ảnh hưởng của nhiệt độ trong tấm tới sự uốn vồng, và từ đó là tới độ võng ở vị trí góc của tấm BTXM khi đo bằng FWD (hình 1.30).
- 38 -
Hình 1.30. Ảnh hưởng của nhiệt độ và mùa tới độ võng tại góc tấm [52] Theo đó, khi nhiệt độ đáy tấm cao hơn nhiệt độ bề mặt tấm, tấm có độ vồng âm (xem hình 1.11), góc tấm bị võng từ 400-700 µm, tùy thuộc vào tải trọng tác dụng (từ 50 kN-90kN). Khi chênh lệch nhiệt độ giảm dần và chuyển sang xu hướng ngược lại (nhiệt độ bề mặt tấm cao hơn), tấm có độ vồng dương (xem hình 1.8). Tại góc tấm, đáy tấm tiếp xúc tốt hơn với bề mặt móng; độ võng vì thế mà giảm đi so với khi có độ vồng âm. Khi chênh lệch nhiệt độ tiếp tục tăng lên, bắt đầu có ảnh hưởng của độ vồng dương tới sự làm việc chung của tấm, trong đó có góc tấm, dẫn đến độ võng ở vị trí góc tấm tăng dần lên (khoảng 200µm);
1.4.2.4. Các nghiên cứu tại Nhật Bản
Qua kết quả thí nghiệm tại sân bay Haneda, các tác giả Nhật bản [83] đã chỉ ra rằng, khi đo vào ban ngày độ võng lớn nhất tại góc tấm và cạnh tấm tỷ lệ thuận với nhiệt độ tại bề mặt của tấm BTXM (tại thời điểm đo).
1.4.2.5. Nghiên cứu tại Việt Nam
Tại Việt Nam, hiện có một số tác giả của trường ĐH Giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật quân sự đã nghiên cứu về sự truyền nhiệt trong tấm BTXM và ảnh hưởng của môi trường tới chất lượng khai thác. Ngoài các nghiên cứu đã thống kê ở mục 1.4.1.1, còn có một số công trình tiêu biểu khác như sau:
-Đo đạc sóng bề mặt để đánh giá môđun đàn hồi của kết cấu mặt đường BTXM [2][3];
- 39 -
-Nghiên cứu một số thông số thông số đánh giá chất lượng khai thác mặc đường BTXM đường ô tô bằng phương pháp không phá hủy ở Việt Nam [8][9];
-Ứng dụng kết quả thí nghiệm FWD tính toán mô đun đàn hồi lớp của vật liệu kết cấu áo đường mềm [13];
-Phân bố nhiệt độ trong mặt đường bê tông xi măng dưới tác động của nhiệt độ môi trường [15][38];
-Ứng suất nhiệt trên mặt đường BTXM sân bay [38];
-Sử dụng kết quả thí nghiệm FWD phân tích kết cấu mặt đường bê tông xi măng [36];
Ngoài các nghiên cứu trên, hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam về sân bay trong đó có tiêu chuẩn TCVN 11365:2016 đã quy định không đo bằng HWD khi nhiệt độ không khí lớn hơn 380C và nhỏ hơn 100C, khi có gió lớn hơn 5m/s, mặt đường ướt.
Các nghiên cứu trên đã đề cập tới bài toán truyền nhiệt trong mặt đường cứng ở những điều kiện cụ thể và các thông số cơ lý, khai thác của mặt đường cứng. Tuy nhiên, việc xác định ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số đánh giá bằng HWD cho mặt đường BTXM sân bay chưa được đề cập.