a/Khe dãn, b/Khe co giả hoặc khe thi cơng, c/Khe dọc kiểu ngàm, d/Khe dọc cĩ thanh liên kết chống trơi tấm, khơng quét nhựa
1 - Thanh truyền lực d24-d32, 2 - Đường nứt do tiết diện giảm yếu 3 - Thanh thép liên kết bằng thép gờ d12
1.2. Quá trình truyền nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt độ trong mặt đường BTXM1.2.1. Các thơng số nhiệt lý của vật liệu làm mặt đường 1.2.1. Các thơng số nhiệt lý của vật liệu làm mặt đường
Các thơng số nhiệt lý của BTXM bao gồm [35]:
Đại lượng này là nhiệt lượng cần thiết để làm một đơn vị khối lượng hoặc 1 đơn vị thể tích của vật liệu tăng lên 10C.
Nhiệt dung riêng của vật liệu cĩ 2 loại: cv là nhiệt dung riêng theo thể tích (calo/cm3.0C hoặc J/cm3.0C) và cg là nhiệt dung riêng theo khối lượng (calo/g.0C hoặc J/g.0C).
Giá trị của c phụ thuộc vào thành phần khống vật, độ rỗng và độ ẩm của vật liệu và chính trạng thái nhiệt của vật liệu đĩ; vật liệu cĩ độ rỗng càng lớn thì nhiệt dung riêng càng nhỏ, cĩ độ ẩm càng lớn thì nhiệt dung riêng càng lớn [20], nhiệt dung riêng của bê tơng xi măng từ 0,75-1,1 (kJ/kg.0C).
b) Hệ số truyền nhiệt l [32]
Hệ số truyền nhiệt là nhiệt lượng truyền qua 1 đơn vị diện tích (cm2) trong 1 đơn vị thời gian (s) khi cĩ một gradien nhiệt độ là 10C/cm. Đại lượng này thơng số cho khả năng truyền dẫn nhiệt mạnh yếu. Hệ số truyền nhiệt l cĩ đơn vị là kcal/m.h.0C hay W/m.0C, trong đĩ 1 kcal/m.h.0C = 1,163 W/m.0C.
Hệ số truyền nhiệt của các loại vật liệu xây dựng khác nhau cĩ giá trị khác nhau và cĩ thể tra trong các tài liệu chuyên ngành. Nĩ phụ thuộc vào thành phần khống, độ ẩm, độ chặt và phụ thuộc vào chính trạng thái nhiệt của bản thân kết cấu vật liệu truyền dẫn nhiệt.
Hệ số truyền nhiệt là một hàm và cĩ thể biểu diễn như sau:
l = f (r, w, t) (1.1)
Б. Н. Кауфман đã tiến hành thực nghiệm và tìm được cơng thức cĩ dạng:
lbt = 0,0935 rc .2,28 + 0,025 (1.2)
Trong đĩ: lbt là hệ số truyền nhiệt của BTXM ở trạng thái khơ khi nhiệt độ khơng khí là 25 ± 5 0C (kcal/m.h. 0C);rc là độ chặt (mật độ) của BTXM ở trạng thái khơ (T/m3).
Hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu. Trong các thí nghiệm chỉ ra rằng độ ẩm tăng thì độ đẫn nhiệt tăng:
Trong đĩ: l0 là hệ số truyền nhiệt của BTXM ở trạng thái khơ; w là độ ẩm của vật liệu làm mặt đường;aw là hệ số tăng độ dẫn nhiệt do độ ẩm; được xác định bằng cơng thức thực nghiệm:
aw = A1.r 2 - B1.r +C1 (1.4) Với r trọng lượng riêng của BTXM; A1 ,B1 ,C1 là các hệ số thực nghiệm.
Hệ số truyền nhiệt tính tốn của một số loại vật liệu như: BTXM, cát, đá… thường sử dụng khi xây dựng mặt đường BTXM sân bay được trình bày như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Hệ số truyền nhiệt của một số vật liệu thường sử dụng
Trọng lượng đơn Hệ số truyền nhiệt Hệ số truyền STT Loại vật liệu vị ở trạng thái ở trạng thái khơ nhiệt tính tốn l
khơ gk (kg/m3) l0 (Kcal/m.h.0C) (Kcal/m.h.0C)
1 Đá gra nit, đá Ba zan 2700 3,0 3,0
2 Đá cuội 2500 1,5 2,0
3 Đá vơi 2100 0,9 1,2
4 Cát khơ 1700 0,3 0,5
5 Bê tơng đá dăm, sỏi 2400 1,3 1,6
6 Bê tơng cốt thép - 1,45 1,75
7 Bê tơng atsphan 2100 0,9 0,9
8 Nước ở nhiệt độ 200C - 0,58 -
c) Hệ số truyền nhiệt độ a:
Hệ số truyền nhiệt độ a (cm2/s) được xác định theo biểu thức:
a = l = l (1.5)
cg .r
c v
Trong đĩ: r là khối lượng thể tích khơ của vật liệu (g/cm3).
Vì a =f (l, cv ) nên tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến l, cv đều ảnh hưởng đến a. Đây là thơng số chủ yếu sử dụng khi phân tích bài tốn tính tốn nhiệt độ trong kết cấu nền mặt đường.
Hệ số truyền nhiệt độ phụ thuộc vào nhiệt dung riêng, khối lượng riêng và do đĩ cũng chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết khí hậu. Do vậy, khơng thể lấy giá trị
cố định ở bảng 1.1 để áp dụng cho các trường hợp khác nhau về kết cấu mặt đường ở các địa bàn khác nhau. Từ đĩ, yêu cầu đặt ra là phải xem xét tính tốn hệ số truyền nhiệt theo từng điều kiện cụ thể.
1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mặt đường BTXM
Nội dung này đề cập tới tác động của yếu tố biến đổi nhiệt độ tới mặt đường BTXM, bao gồm biến đổi nhiệt độ trung bình trong tấm và biến đối nhiệt độ ngày đêm tại các vị trí khác nhau từ mặt trên đến mặt đáy dưới theo bề dày mặt đường BTXM.
Trường hợp thứ nhất, theo [14][20][24], sự biến đổi nhiệt độ trung bình trong tấm làm nhiệt độ tấm BTXM tăng hoặc giảm, kéo theo việc tấm bị dãn dài hoặc bị co ngắn lại. Điều này ảnh hưởng trực tiếp tới sự làm việc của tấm BTXM ở khu vực khe nối (khe co, khe dãn).
Cụ thể, khi nhiệt độ trung bình trong tấm tăng, tấm bị dãn dài. Hai mặt bên của hai tấm BTXM liền kề cĩ xu hướng tiếp xúc chặt chẽ với nhau hơn [53],[50]. Hiệu ứng chèn mĩc (aggregate
interlock) được hình thành do ma sát giữa các mặt này tăng lên, giúp cho các tấm cĩ thể đồng thời làm việc dưới tác dụng của tải trọng bánh xe (hình 1.4). Độ võng của tấm BTXM ở vị trí khe nối (khi cĩ
tải trọng tác dụng) tại khu vực Hình 1.4. Hiệu ứng chèn mĩc
Hình 1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu ứng aggregate interlock và LTE Khi nhiệt độ trong tấm giảm, tấm bị co ngĩt [11]. Hai mặt liền kề tách xa nhau nhiệt độ trong tấm giảm, tấm bị co ngĩt [11]. Hai mặt liền kề tách xa nhau hơn; hiệu ứng chèn mĩc bị giảm, thậm chí mất hồn tồn. Khi đĩ, sự làm việc đồng thời của các tấm khi cĩ tải trọng tác dụng sẽ giảm đi (hình 1.5). Độ võng của tấm BTXM ở vị trí khe nối (dưới tác dụng của tải trọng) tăng lên.
Trường hợp thứ hai là sự biến đổi nhiệt độ ngày đêm theo bề dày tấm BTXM sẽ dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ Dt giữa thớ trên (t1) và thới dưới (t2) của tấm, gây ra hiện tượng uốn vồng [80],[53],[50]. Hiện tượng này cĩ ảnh hưởng trực tiếp tới sự làm việc ở giữa và cạnh tấm.
Cụ thể, ban ngày, do bức xạ mặt trời, thớ trên sẽ cĩ nhiệt độ cao hơn: t1>t2. Do vậy, thớ này bị dãn ra nhiều hơn thớ dưới, gây ra hiện tượng uốn vồng lên. Ban đêm, mặt trên tấm bị nguội nhanh hơn mặt dưới (t1<t2) nên co lại, gây hiện tượng uốn vồng xuống (hình 1.6). Hiện tượng uốn vồng xảy ra càng mạnh nếu Dt càng lớn.
Hình 1.6. Ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ tới sự uốn vồng của BTXM Nghiên cứu [57] của Mĩ đã chỉ ra độ vồng của tấm BTXM dài 5m, dày 30cm (chi cứu [57] của Mĩ đã chỉ ra độ vồng của tấm BTXM dài 5m, dày 30cm (chi
Hình 1.7. Độ vồng do chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm BTXM [57]
Trong đĩ độ vồng được thể hiện như hình 1.8:
Hình 1.8. Quy ước về độ vồng của tấm BTXM do chênh lệch nhiệt độ
Tại các vị trí tấm bị “tách” khỏi mĩng, khả năng chịu lực sẽ giảm đi. Do vậy, khi tấm cĩ độ vồng dương (+), độ võng tại tâm tấm tăng lên khi tấm chịu tác dụng của tải trọng (thẳng đứng, từ trên xuống); ở trường hợp độ vồng âm (-), độ võng tại cạnh tấm sẽ tăng lên.
1.3. Đánh giá mặt đường BTXM sân bay bằng HWD1.3.1. Giới thiệu thiết bị gia tải động HWD 1.3.1. Giới thiệu thiết bị gia tải động HWD
1.3.1.1. Giới thiệu chung
Thiết bị HWD (hình 1.9) là một thiết bị thuộc nhĩm thiết bị xung đánh giá chất lượng mặt đường nĩi chung, mặt đường BTXM sân bay nĩi riêng theo phương pháp khơng phá hủy [4][19][31][36]. Thiết bị hoạt động bằng cách đo độ võng mặt đường dưới tác dụng lực (một khối lượng) lên một tấm cao su để tạo ra một xung tải [12]. Các thơng số dao động của cơng trình được các cảm biến ghi nhận và được ghi lại dưới dạng file dữ liệu. Trên thế giới, người ta đã chế tạo các thiết bị và phương pháp tính tốn tương ứng với loại thiết bị đĩ sử dụng cho việc kiểm tra đánh giá chất lượng mặt đường. Tùy theo tải trọng, loại thiết bị này được phân thành hai nhĩm, FWD (Falling Weight Deflectometer) [41][60] và HWD (High Weight Deflectometer). FWD cĩ tải trọng thấp hơn, chỉ giới hạn trong đánh giá chất lượng mặt đường ơ tơ. Ngược lại, HWD cĩ thể tạo ra một tải trọng động tối đa lớn hơn 34,000lb (150KN), cĩ thể sử dụng để đánh giá mặt đường sân bay [9][18].
Về cấu tạo, thiết bị HWD bao gồm các bộ phận chính sau đây:
- Bộ phận tạo xung lực: Khối tải trọng được đưa lên độ cao qui định, sau đĩ rơi tự do thẳng đứng theo một thanh dẫn, đập vào một tấm ép thơng qua bộ phận giảm
chấn lị xo (hoặc cao su), tạo nên một xung lực tác dụng lên mặt đường tại vị trí đặt tấm ép. Thời gian tác dụng của xung lực lên mặt đường phù hợp với điều kiện tác động thực tế của tải trọng từ bánh xe lên mặt đường.
Hình 1.9. Thiết bị gia tải động HWD
- Tấm ép: Tấm ép truyền tác dụng của tải trọng lên mặt đường cĩ dạng hình trịn, đường kính D=30cm. Tấm ép được chế tạo bằng hợp kim, mặt đáy tấm ép cĩ dán một lớp cao su mỏng. Tại tâm của tấm ép cĩ lỗ rỗng để đặt cảm biến.
- Các cảm biến đo võng: Độ võng trên mặt đường dưới tác dụng của xung lực được đo bằng các đầu đo cảm biến. Các đầu đo võng được lắp đặt thẳng hàng trên một giá đỡ dọc theo hướng xe đo. Cĩ một đầu đo đặt tại tâm tấm ép, các đầu đo khác cách tâm một khoảng cách quy định. Số lượng đầu đo võng thơng thường là 10 đầu đo. Khoảng cách giữa các đầu đo so với đầu đo đầu tiên là 0, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180, 210 (cm).
- Cảm biến đo lực: Độ lớn của xung lực phụ thuộc khơng những vào trọng lượng quả rơi, độ cao rơi, mà cịn cịn phụ thuộc vào các yếu tố khác (ma sát giữa quả nặng với thanh dẫn hướng, khả năng tiếp xúc giữa tấm ép và mặt đường, ...) nên cần được đo bằng cảm biến. Bộ phận cảm biến đo lực cĩ khả năng đo được giá trị xung lực lớn
nhất tác dụng lên mặt đường tại mỗi lần khối tải trọng rơi. Cảm biến đo lực làm việc theo nguyên lý điện trở hoặc hiệu điện thế của dịng điện, cĩ độ chính xác đo cao.
- Cảm biến đo nhiệt độ: Cho phép ghi lại nhiệt độ bề mặt tấm BTXM, nhiệt độ khơng khí tại thời điểm đo đạc.
- Hệ thống ghi, lưu trữ và xử lý số liệu: Các dữ liệu như độ lớn tải trọng (xung lực) tác dụng, áp lực tác dụng lên mặt đường, trị số độ võng của mặt đường đo được,… được phần mềm chuyên dụng ghi lại vào máy tính. Các thơng tin hỗ trợ khác như nhiệt độ khơng khí, nhiệt độ mặt đường, khoảng cách giữa các vị trí đo, lý trình vị trí đo được lưu lại bằng phần mềm hoặc ghi lại vào sổ tay.
1.3.1.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị HWD [44]
Phần chính của thiết bị là bộ phận gia tải, các đầu đo độ võng và phần mềm tính tốn. Tải trọng va đập tác dụng lên mặt đường do vật nặng cĩ khối lượng Q nhất định rơi từ độ cao H tạo nên một xung lực P (kN) xuống tấm ép cĩ bán kính a (cm), thơng qua bộ phận giảm chấn gây ra một áp lực p (kPa) lên mặt đường trong khoảng thời gian từ 0.025 đến 0.04 giây. Đầu đo tải trọng gắn tại tâm truyền tải, xác định giá trị tải trọng P tác dụng xuống mặt đường. Chuyển vị đứng tại tâm truyền tải và tại các điểm cách tâm truyền tải các khoảng cách nhất định được ghi lại bằng các đầu đo chuyển vị (sensor). Áp lực tác dụng lên mặt đường được điều chỉnh theo khối lượng và chiều cao rơi của vật nặng. Độ võng trên bề mặt và giá trị mơ đun đàn hồi động được tính tốn từ số liệu đầu ra của các đầu đo [72]. Các thơng số chính được ghi lại bao gồm: tải trọng P (kN), áp lực p (kPa) tác dụng lên mặt đường và độ võng mặt đường l (μm) tại các vị trí đặt đầu đo, nhiệt độ khơng khí và nhiệt độ bề mặt tấm BTXM (hình 1.10, 1.11, 1.12).
Hình 1.10. Mơ tả xung tải tạo ra bởi thiết bị HWD [40]
Hình 1.11. Các đầu đo hướng tâm từ tấm nén [44]
Hình 1.12. Sơ đồ chậu võng và các lớp kết cấu áo đường dưới bàn ép
Dữ liệu độ võng thơ ngay dưới tấm nén thể hiện cường độ của cả kết cấu mặt đường. Dữ liệu độ võng thơ tại điểm xa nhất thể hiện cường độ của nền. Mặt cắt độ võng
hoặc độ cứng mặt đường được xây dựng bởi dữ liệu của tồn bộ các điểm thí nghiệm trong một đoạn sẽ thể hiện rõ cường độ cao thấp của từng vùng. Các thơng số vật liệu thu nhận được bằng việc xử lý và phân tích dữ liệu thơ HWD qua các phần mềm.
1.3.2. Các thơng số của mặt đường BTXM đánh giá bằng HWD
Qua thiết bị HWD, cĩ thể khảo sát được hai thơng số trực tiếp: - Độ võng mặt đường khi chịu tải trọng của thiết bị HWD; - Nhiệt độ bề mặt của mặt đường BTXM.
Từ độ võng, sử dụng các lý thuyết về tính tốn ngược (back calculation) (xin xem chi tiết ở chương 3), sẽ xác định được 2 nhĩm thơng số sau đây [13]:
- Nhĩm thứ nhất là các thơng số liên quan tới sự làm việc (chủ yếu liên quan tới sức chịu tải, điều kiện khai thác) của mặt đường, bao gồm: Độ võng, hệ số nền k, mơ đun đàn hồi của tấm và của nền đất, PCN, LTE [6][7][55];
- Nhĩm thứ 2 là các thơng số liên quan tới bài tốn tính tốn, thiết kế tấm BTXM, bao gồm: chiều cao vùng chịu nén của bê tơng ở tiết diện tính tốn x, mơ men uốn giới hạn, ứng suất trong cốt thép chịu kéo σs [10][5][43].
Chi tiết của các thơng số như sau:
1.3.2.1. Nhĩm thơng số thứ nhất a. Độ võng
Độ võng của mặt đường BTXM khi chịu tải trọng thẳng đứng là thơng số rất quan trọng, phản ánh trực tiếp độ cứng của tấm BTXM thuộc tầng mặt và mơ đun đàn hồi hoặc hệ số nền của hệ nền – mĩng.
Khi sử dụng thiết bị HWD, chỉ cĩ độ võng và nhiệt độ bề mặt là hai thơng số được đo đạc trực tiếp. Các thơng số khác được tính tốn từ hai thơng số vừa nêu, thơng qua phần mềm và các phương pháp tính tốn đi kèm, cĩ liên quan tới thiết bị.
Độ võng của mặt đường tại từng điểm được xác định từ các đầu đo chuyển vị bố trí dọc thân máy. Trên thiết bị HWD Primax 2500 cĩ 10 đầu đo với khoảng cách đến tâm tấm gia tải lần lượt là: 0, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180 và 210cm.
Với mỗi cấp tải trọng khai báo, giá trị độ võng, phần mềm tính tốn đi kèm tính ra mơ đun đàn hồi động tương ứng tại từng vị trí đo và trị số PCN của kết cấu áo đường.
Tại mỗi thời điểm đo võng, nhiệt độ bề mặt tấm BTXM và nhiệt độ khơng khí được HWD ghi lại thơng qua một đầu đo nhiệt ở mặt tấm gia tải và một đầu đo nhiệt
ở thân máy. Đây là các giá trị bắt buộc phải theo dõi và ghi lại trong quá trình thí nghiệm HWD [44].
b. Chỉ số phân cấp mặt đường PCN
PCN (Pavement classification number) là con số biểu thị khả năng chịu lực của mặt đường cho phép máy bay hoạt động khơng hạn chế. PCN được thơng báo cho biết rằng một máy bay cĩ ACN bằng hoặc nhỏ hơn PCN thơng báo cĩ thể hoạt động trên mặt đường với giới hạn áp suất bánh hoặc tổng trọng lượng máy bay quy định. Theo tiêu chuẩn Việt Nam cũng như tiêu chuẩn hiện hành của ICAO, nếu sức chịu tải của mặt đường sân bay thay đổi đáng kể theo mùa thì cĩ thể thơng báo