Trong trường hợp này, xu hướng ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt tới độ võng cạnh tấm khác với trường hợp độ võng ở tâm tấm.
Trong vùng nhiệt độ từ 200C-270C, nhiệt độ thấp, tấm bị co ngĩt, hiệu ứng tiếp xúc bề mặt của hai cạnh tấm liên tiếp (aggreegate interlock) giảm, khả năng làm việc đồng thời của hai tấm tại khe nối giảm. Do vậy, độ võng của tấm lớn. Khi nhiệt độ tăng dần, hiệu ứng này tăng lên, độ võng giảm.
Từ ngưỡng 270C, nhiệt độ tăng, mặc dù hiệu ứng tiếp xúc ở trên tăng lên, nhưng độ võng vẫn tăng (với tốc độ chậm hơn so với khi nhiệt độ giảm). Điều này cĩ thể giải thích qua việc tấm bị vồng xuống (xin xem chi tiết ở phần sau).
Độ võng tại cạnh tấm cĩ xu hướng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ nhiều hơn so với độ võng tại giữa tấm.
4.4.2.2. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ tới độ võng a. Độ võng tại tâm tấm
Liên hệ giữa chênh lệch nhiệt độ Dt (0C) (mặt trên, mặt dưới) và độ võng tại tâm tấm được trình bày trong hình 4.20. Giữa hai yếu tố này cũng cĩ tương quan chặt, dạng phương trình bậc 2, với R2=83,4%:
d=171,8+4,377.Dt+0,5474. Dt2 (4.6)
Hình 4.20. Tương quan độ võng tại tâm tấm và Dt
Khi Dt<0 (nhiệt độ mặt trên thấp hơn đáy tấm), tấm cĩ độ vồng âm (vồng xuống), đáy tấm tại vị trí giữa tấm vẫn tiếp xúc tốt với bề mặt lớp mĩng. Khi đĩ, độ võng tại giữa tấm ít chịu ảnh hưởng của Dt. Trên hình 4.20, cĩ thể thấy khi Dt thay đổi từ -50C tới 1,50C, độ võng tại giữa tấm khá ổn định.
Khi Dt>1,50C, bắt đầu cĩ sự vồng lên của tấm, giảm tiếp xúc giữa đáy tấm và bề mặt lớp mĩng. Độ võng tăng nhanh khi Dt tăng, đạt giá trị lớn nhất khoảng 245µm (hình 4.20).
b. Độ võng tại cạnh tấm
Giữa Dt và độ võng tại cạnh tấm cĩ quan hệ theo tương quan bậc 2 với R2=84,1% (hình 4.21):
d=198,2-11,47.Dt+1,539. Dt2 (4.7) Khi Dt thay đổi từ khoảng 1,50C đến 6,00C, độ võng tương đối ổn định. Giá trị độ võng tăng mạnh khi Dt nhỏ hơn 0 và cĩ giá trị tuyệt đối tăng. Điều này được giải thích qua việc tấm bị uốn vồng xuống, đáy tấm BTXM ở vị trí cạnh tấm tiếp xúc khơng tốt với bề mặt lớp mĩng.
Khi Dt tiếp tục tăng, mặc dù tấm bị uốn vồng lên, đáy tấm ở khu vực cạnh tấm vẫn tiếp xúc với bề mặt lớp mĩng nhưng đã cĩ sự xuất hiện khoảng trống ở khu vực lân cận (giữa đáy tấm và bề mặt lớp mĩng) (hình 4.22).
Do vậy, nếu Dt tiếp tục tăng, sức chịu tải tổng thể của hệ kết cấu mĩng - tấm BTXM giảm (do xuất hiện khoảng trống dưới đáy tấm), độ võng vì thế sẽ tăng theo. Tuy nhiên, mức độ thay đổi của độ võng khi đĩ khơng lớn.
Hình 4.22. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ tới tiếp xúc đáy tấm (T1>T2)
4.4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới chỉ số PCN
Từ kết quả đo độ võng và số liệu kết cấu mặt đường sân bay Vân Đồn (mục 3.2.2.2), chỉ số PCN được tính tốn theo các mơ hình tốn (mục 2.2.1). Chỉ số PCN được tính tốn với độ võng tại tâm tấm. Theo bảng 4.11, Dt được xem xét ảnh hưởng với PCN (hình 4.23).
Khi Dt nhỏ hơn 1,50C (bao gồm cả trường hợp Dt<0), số liệu ở hình 4.23 cho thấy giá trị của PCN tương đối ổn định.
Khi Dt bắt đầu tăng từ 1,50C trở lên, PCN giảm dần. Giá trị trung bình thay đổi từ khoảng 100 (Dt=2) xuống tới 85 (khi Dt đạt giá trị lớn nhất).
Hình 4.23. Tương quan chỉ số PCN và chênh nhiệt độ
Theo phân tích ở mục 4.1.2, mặc dù từ tháng 9/2020 đến tháng 8/2021 cĩ những ngày nắng nĩng với nhiệt độ bề mặt tăng cao nhưng biến thiên chênh lệch nhiệt độ Dt quan sát được giao động chủ yếu ở khoảng từ -4 đến 8% (tấn xuất suất hiện trong
tháng trên 25%). Bản thân chênh lệch nhiệt độ trong tấm cũng thay đổi theo quy luật hàm cos (như đã phân tích ở mục 4.1.2).
Do vậy, khi nhiệt độ bề mặt tăng hay giảm, chưa thể kết luận ngay được về sự thay đổi của PCN, mà phải xét theo Dt. Bản thân sự thay đổi của PCN theo Dt cũng được giới hạn trong vùng giá trị của Dt như phân tích ở trên.
Ngồi ra, giữa PCN và Dt cĩ tương quan bậc 2 nhưng chưa chặt chẽ (R2=52%).
PCN=101,1-0,2694Dt-0,2363Dt2 (4.8)
4.4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu quả truyền lực khe nối (LTE)
4.4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt
Chỉ số LTE được đánh giá thơng qua kết quả đo võng tại cạnh tấm. Khi nhiệt độ bề mặt tăng, chỉ số LTE cĩ xu hướng tăng (hình 4.24):
Hình 4.24. Tương quan LTE và nhiệt độ bề mặt tấmGiữa nhiệt độ bề mặt và LTE cĩ tương quan bậc 2 với R2=66,4%: Giữa nhiệt độ bề mặt và LTE cĩ tương quan bậc 2 với R2=66,4%:
LTE=1,047-0,008174.tm+0,000192.tm2 (4.9)
4.4.3.2. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ
Hình 4.25. Tương quan LTE và chênh nhiệt độ
Giữa LTE và chênh lệch nhiệt độ Dt (tại cạnh tấm) cĩ tương quan bậc 2 với R2=66,2%:
LTE=0,9610+0,000933.Dt+0,000200. Dt2 (4.10) Khi Dt nhỏ hơn 1,50C và giảm dần về hướng chênh lệch nhiệt độ âm, tấm cĩ xu hướng bị co ngĩt, kèm theo uốn vồng xuống. Tiếp xúc chèn mĩc (aggregate interlock) giảm. LTE vì thế cũng giảm theo. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới LTE khi Dt<1,50C là khơng lớn.
Khi Dt bắt đầu tăng trên 1,50C (gần như nhiệt độ trung bình trong tấm cũng tăng theo), tấm bị dãn dài. Khi đĩ, LTE cĩ xu hướng tăng.
4.4.4. Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thơng số tính tốn thiết kế của mặt đường BTXM sân bay mặt đường BTXM sân bay
Tổng hợp số liệu tính tốn các thơng số thiết kế (từ kết quả đo HWD) được trình bày trong phụ lục 10. Theo [43] [44], các thơng số này liên quan chủ yếu tới độ võng tại tâm tấm. Do vậy, chênh lệch nhiệt độ Dt giữa thớ trên và thớ dưới tấm BTXM là yếu tố chính được đưa vào xem xét, phân tích.
4.4.4.1. Ảnh hưởng tới chiều cao vùng chịu nén của bê tơng x
(a) (b)
Hình 4.26. Tương quan chiều cao vùng chịu nén của bê tơng và Dt a. Theo điều kiện cường độ; b. Theo điều kiện xuất hiện vết nứt
Quan sát tương quan chiều cao vùng chịu nén x tính theo HWD và theo vật liệu cấu tạo như trong [43] với t và Dt, nhận thấy: trong khi TCVN 10907:2015 [43] quy định 1 giá trị khơng đổi theo vật liệu để tính tốn thiết kế thì thực tế, ở điều kiện làm việc, giá trị x cĩ xu hướng thay đổi tăng dần theo Dt. Các giá trị thu được cĩ mức độ phân tán lớn, khơng hình thành tương quan.
4.4.4.2. Ảnh hưởng của Dt tới mơ men uốn giới hạn mu
Xu hướng quan sát được đối với mu cũng cĩ diễn biến tương tự như đối với vùng chịu nén x của bê tơng (hình 4.27).
4.4.4.3. Ảnh hưởng của Dt tới bán kính độ cứng tương đối của tấm l
Giữa bán kính độ cứng tương đối l của tấm và Dt cĩ xuất hiện tương quan bậc 2. với
R2 thay đổi từ 65% và 61% (theo điều kiện cường độ hoặc xuất hiện vết nứt) (hình 4.28). (4.12)
Theo điều kiện cường độ; b. Theo điều kiện xuất hiện vết nứt
Sự tăng mạnh của l quan sát được khi Dt tăng và dương (tấm bị uốn vồng). Khi Dt nhỏ hơn 1,50C (bao gồm cả trường hợp Dt âm), giá trị l tương đối ổn định.
Theo điều kiện cường độ:
l=1,374+0,006758.Dt+0,003336. Dt2 Theo điều kiện xuất hiện vết nứt:
l=1,001+0,005797.Dt+0,002314. Dt2
4.4.4.4. Ảnh hưởng của Dt tới ứng suất trong cốt thép chịu kéo ss
Tính tốn thiết kế theo [43] cho mặt đường BTXM cốt thép (tức là cĩ 2 lớp cốt thép) thì ứng suất trong cốt thép chịu kéo được xác định là ứng suất trong lớp cốt thép đặt phía trên mặt tấm khi xem xét tới ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ.
Hình 4.29. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ và ứng suất trong cốt thép chịu kéo Dt nhỏ hơn 0, tấm bị uốn vồng xuống, ứng suất chịu kéo trong cốt thép (khi thực hiện đo, gia tải bằng HWD) giảm, đặc biệt là khi Dt<-2,50C. Khi Dt>0, sự thay đổi của ứng suất ss là khơng rõ ràng. Điều này cĩ thể được giải thích như sau:
Mặc dù hiện tượng uốn vồng lên của tấm gây ra ứng suất chịu kéo trong cốt thép
[38]. Tuy nhiên, khi gia tải để thực hiện thí nghiệm HWD, tải trọng thẳng đứng theo phương từ trên xuống sẽ cĩ tác dụng ngược với tác dụng của nhiệt độ, tạo ra ứng suất nén ở khu vực thớ trên của tấm. Từ đĩ, gĩp phần cân bằng lại ứng suất kéo do hiện tượng uốn vồng gây ra.
4.4.5. Kiến nghị về thời điểm thích hợp và hiệu chỉnh kết quả đo HWD theo nhiệt độ
Các kết quả phân tích ở trên cho thấy, đối với độ võng tại giữa tấm, chỉ số PCN,
bán kính độ cứng tương đối của tấm, sự ảnh hưởng của Dt là khơng lớn khi Dt nhỏ hơn 1,50C. Do vậy, bỏ qua cá yếu tố ngồi nhiệt độ, thời điểm đo các thơng số vừa nêu sẽ là thích hợp nếu Dt thỏa mãn yêu cầu Dt≤1,50C.
Từ đĩ, dựa vào kết quả khảo sát, NCS đã thiết lập lại các thời điểm trong ngày, trong tháng và trong cả năm mà nhiệt độ trong tấm BTXM thỏa mãn yêu cầu trên.
Bảng 4.12 trình bày kết quả ví dụ cho tháng 9 và tháng 10 năm 2020. Các ơ được được bơi đậm ứng với Dt≤1,50C. Thời điểm ứng với ơ dạng này được coi là thời điểm hợp lý để thực hiện thí nghiệm HWD.
Từ số liệu nhiệt độ và số liệu HWD đã khảo sát, cĩ thể tổng hợp và thiết lập được các thời điểm thuận lợi để tiến hành thí nghiệm HWD như bảng sau:
Bảng 4.12. Thời gian cĩ thể thực hiện HWD tại tâm tấm trong từng thángSTT Tháng trong năm Thời gian cĩ thể thực hiện HWD tại Tổng số STT Tháng trong năm Thời gian cĩ thể thực hiện HWD tại Tổng số
tâm tấm giờ/ngày
1 Tháng 9 Sau 20h30 và trước 10h 13.5 giờ
2 Tháng 10 Sau 20h và trước 10h30 14.5 giờ
3 Tháng 11 Sau 17h30 và trước 10h30 17.0 giờ
4 Tháng 12 Sau 21h và trước 11h30 14.5 giờ
5 Tháng 1 Sau 20h30 và trước 11h 14.5 giờ
6 Tháng 2 Sau 22h và trước 9h30 11.5 giờ
7 Tháng 3 Sau 22h và trước 10h 12.0 giờ
8 Tháng 4 Sau 19h30 và trước 9h30 14.0 giờ
9 Tháng 5 Sau 22h và trước 8h30 10.5 giờ
10 Tháng 6 Sau 23h và trước 7h30 8.5 giờ
11 Tháng 7 Sau 21h và trước 7h30 10.5 giờ
12 Tháng 8 Sau 21h30 và trước 8h30 11.0 giờ
Ngồi ra, cĩ thể thấy rằng, khi Dt=00C, các hiện tượng uốn vồng, kể cả dãn dài cũng ít xảy ra, giảm tối thiểu ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự làm việc của tấm BTXM. Do vậy, trước mắt, kiến nghị Dt=00C là điều kiện chuẩn.
Ở các thời điểm khác, số liệu sẽ được hiệu chỉnh về thời điểm tiêu chuẩn này thơng qua phương trình tương quan của từng thơng số với Dt (Bảng 4.14 đến 4.16). Chi tiết được trình bày trong phụ lục 11.
Bảng 4.14. Hiệu chỉnh độ võng về điều kiện chuẩn
4.5. Kết luận chương 4
4.5.1. Đối với nội dung liên quan tới phương trình truyền nhiệt:
Số liệu thực nghiệm thu được trong thời gian 1 năm đã được đánh giá, đủ điều kiện về mức độ chính xác, cho phép phân tích để tìm ra quy luật biến thiên và hiệu chỉnh phương trình truyền nhiệt trong tấm BTXM.
Nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ đáy tấm BTXM cĩ cùng quy luật biến thiên theo hàm cos nhưng hiệt độ đáy tấm bị trễ pha so với nhiệt độ bề mặt tấm (đạt giá trị lớn nhất chậm hơn khoảng 2 giờ). Tuy nhiên, cĩ thể thấy là nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ đáy tấm đều cĩ xu hướng cùng tăng, hoặc cùng giảm.
Chênh lệch nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất khơng cố định theo thời gian, cĩ quy luật theo hàm cos và nằm trong khoảng từ -5,70C đến 90C.
Qua các kết quả thí nghiệm, điều kiện biên của phương trình truyền nhiệt b với biến thiên nhiệt độ tại từng độ sâu z=1.5cm (b3), z=20cm (b2), z=40cm (b1) đã được đề xuất như sau:
b3 = 0.7350 + 0.1004 * ttb.mat - 0.001603 * ttb2.mat
b2 = -0.0495 + 0.1479 * ttb.mat - 0.002937 * ttb2.mat
b1 = -0.349 + 0.2485 * ttb.mat - 0.005369 * ttb2.mat
Với R2 = (0.77 đến 0.80), đạt mức độ tốt theo bảng 2.2.
Cũng từ kết quả thí nghiệm, tác giả đã bước đầu đánh giá và tìm ra được một tham số cụ thể cho phương trình truyền nhiệt như thơng số K – là tham số chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện mơi trường. Với các số liệu đo cụ thể ở từng vị trí chiều sâu mặt đường, tại các thời điểm khác nhau trong ngày của cả năm khảo sát, tác giả đã xác định được tương quan của các thơng này đến các yếu tố mơi trường trong điều kiện thí nghiệm cụ thể. Từ đĩ đưa ra các đề xuất để hiệu chỉnh thơng số K theo hướng hồn thiện phương trình, đưa kết quả tính gần hơn với điều kiện khí hậu thực tế của miền Bắc. Kiến nghị sử dụng Kt = f(z,t) theo từng tháng trong năm, lần lượt với z=20cm và z=40cm.
z=20cm Tháng 1 2 3 4 5 6 Ktháng 1.48 -0.69 -0.33 -0.57 -2.07 -3.18 Tháng 7 8 9 10 11 12 Ktháng -4.07 -4.69 -2.12 1.18 0.25 1.31 z=40cm Tháng 1 2 3 4 5 6 Ktháng 1.45 -0.75 -0.31 -0.43 -2.49 -3.33 Tháng 7 8 9 10 11 12 Ktháng -3.60 -3.95 -1.44 0.98 0.19 1.33
Từ các đề xuất trên, điều chỉnh điều kiện biên và các tham số, phương trình truyền nhiệt được viết lại cĩ dạng như sau:
4.5.2. Về ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ tới các thơng số mặt đường BTXM đánh giá bằng HWD BTXM đánh giá bằng HWD
Ở giữa tấm, chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm cĩ ảnh hưởng tới các đặc khi đánh giá bằng HWD, trong đĩ phải kể đến là độ võng, chỉ số PCN, bán kính độ cứng tương đối. Các phương trình tương quan dạng bậc 2 đã được thiết
lập, với giá trị R2 đủ lớn. Riêng đối với PCN, tương quan này chưa thực sự chặt chẽ, khi R2 chỉ nằm ở khoảng lân cận 50%. Sự ảnh hưởng và các tương quan vừa nêu được thấy rõ khi Dt>1,50C. Khi Dt≤1,50C, sự ảnh hưởng của Dt tới các thơng số khơng lớn.
Ở cạnh tấm, độ võng cũng chịu ảnh hưởng của Dt và nhiệt độ bề mặt (với tương quan chặt). Hệ số truyền lực LTE tăng khi Dt tăng, và ổn định Dt≤1,50C.
Ảnh hưởng của Dt tới các thơng số tính tốn, thiết kế cũng đã được xem xét. Trong số đĩ, bán kính độ võng tương đối là thơng số cĩ chịu ảnh hưởng khá rõ ràng,
cĩ tương quan tốt với chênh lệch nhiệt độ Dt. Trong khi đĩ, giá trị ứng suất trong cốt thép chịu kéo σs lại ít chịu ảnh hưởng hơn bởi yếu tố Dt.
Dựa trên vùng Dt cho phép các thơng số độ võng, PCN, LTE ổn định, khung thời gian ứng với điều kiện nhiệt độ cĩ D≤1,50C đã được đề xuất, được coi là các thời điểm phù hợp để thực hiện thí nghiệm HWD.
KẾT LUẬN Những kết quả đạt được của luận án
1. Tổng hợp được kết quả nghiên cứu trong nước và trên thế giới (Trung Quốc, Nhật Bản, Mĩ…) về sự truyền nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thơng số của mặt đường BTXM đánh giá bằng FWD, HWD:
- Dạng phương trình vi phân bậc 2 theo Fourier vẫn được dùng phổ biến, với giả thiết nhiệt độ bề mặt tấm BTXM biến động theo dạng điều hịa.
- Sự thay đổi chênh lệch nhiệt độ, nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ trung bình trong tấm cĩ liên quan tới độ vồng, sự dãn dài và hiệu ứng chèn mĩc (aggregate interlock) trên bề mặt cạnh tấm ở vị trí khe nối. Từ đĩ, cĩ ảnh hưởng tới độ võng và các thơng số xác định bằng HWD. Các tương quan tốn học đã được tìm thấy giữa nhiệt độ bề