5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.2 Ứng dụng kiểm toán mỏi lớp BTNC12,5 trong kết cấu áo đường mềm
4.2.1 Thông số đầu vào dùng kiểm toán mỏi
4.2.1.1 Kết cấu áo đường, thông số vật liệu
Kết cấu 1: lớp BTNC 12,5 dày 0,05m; tưới nhựa dính bám 0,5 kg/m2, lớp BTNC 19 dày 0,07m; tưới nhựa thấm bám 1,3 kg/m2
; lớp CPĐD loại I (Dmax = 25mm) dày 0,18m; lớp CPĐD loại II (Dmax = 37,5mm) dày 0,36m; nền đường đầm chặt Kyc = 98%, Enền = 50 MPa.
Kết cấu 2: lớp BTNC 12,5 dày 0,06m; tưới nhựa dính bám 0,5 kg/m2, lớp BTNC 19 dày 0,08m; tưới nhựa thấm bám 1,3 kg/m2
; lớp CPĐD gia cố xi măng 6% dày 0,14m; lớp CPĐD loại II (Dmax = 37,5mm) dày 0,32m; nền đường đầm chặt Kyc = 98%, Enền = 50 MPa.
Thông số vật liệu sử dụng trong tính toán được thể hiện tải Bảng 4.1 Bảng 4.1 Bảng thông số vật liệu tham khảo dùng để phân tích mỏi
Vật liệu
Mô đun (MPa) Hệ số Poisson, µ Ghi chú 10oC 20oC BTNC 12,5 (BD) 6.496 1.910 0,35 Tính mỏi (10o C, 10Hz) Tính kéo uốn BTNC 19 (BD) 6.051 1.750 0,35 Tính mỏi (10o C, 10Hz) Tính kéo uốn CPĐD gia cố xi măng 6% 700 700 0,25 CPĐD loại I (Dmax = 25mm) 320 320 0,35 CPĐD loại II (Dmax = 37,5mm) 270 270 0,35 Nền đường 0,35
Các thông số tính toán mỏi của BTNC 12,5 (BD) và BTNC 19 (BD) được sử dụng từ chính kết quả thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm của 2 loại vật liệu này. Khi kiểm toán kéo uốn dùng kết quả mô đun thí nghiệm theo [9]. Các thông số còn lại của vật liệu CPĐD gia cố xi măng, CPĐD,… tham khảo tài liệu [9].
4.2.1.2 Xác định điều kiện kiểm toán mỏi
- Căn cứ địa điểm xây dựng kết cấu áo đường mà chọn nhiệt độ tính mỏi; - Căn cứ lưu lượng xe, vận tốc thiết kế của đường chọn tần số tải tính mỏi.
Ví dụ: Thông tin dự án Thông số sử dụng để tính mỏi - Khu vực thiết kế miền Bắc Nhiệt độ 10 độ C
- Vận tốc thiết kế Vtk = 80km/h (đường cấp III) Tần số tải f = 10 Hz - Số trục tiêu chuẩn trung bình ngày đêm/làn tại
năm đầu N1 = 500 trục xe/ngày đêm/làn, t = 15 năm, tốc độ tăng trưởng xe q = 8 %
Ne = 4.955.261 trục/làn
4.2.2 Biến dạng cho phép ở đáy lớp BTNC 12,5 (cp)
Sử dụng các phương trình (3.2), (3.3), (3.4), (3.5) để xác định 6 của loại BTNC 12,5 (BD). Trị số biến dạng 6 tương ứng với Nf50 = 106 chu kỳ. Kết quả xác định 6 cho loại BTNC 12,5 (BD) ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau thể hiện tại Bảng 4.2.
Bảng 4.2 Bảng giá trị 6 của BTNC 12,5 (BD) đã thí nghiệm
Loại vật liệu Điều kiện thí nghiệm Phương trình 6 () Độ dốc b BTNC 12,5 (BD) 20 độ C, 5 Hz (3.2) 180,51 - 0,4048 BTNC 12,5 (BD) 20 độ C, 10 Hz (3.3) 165,60 - 0,3715 BTNC 12,5 (BD) 10 độ C, 5 Hz (3.4) 141,88 - 0,4030 BTNC 12,5 (BD) 10 độ C, 10 Hz (3.5) 133,02 - 0,3681
Trị số b dùng trong công thức (4.8) là độ dốc đường đặc trưng mỏi theo hệ trục tọa độ như Hình 4.3. Giá trị b được ghi trong Bảng 4.2.
Hình 4.3 Đường đặc trưng mỏi của bê tông asphalt các loại đã thí nghiệm Biến dạng cho phép được xác định theo công thức (4.7), trong đó:
( ) ( ) Với Ne là trục tiêu chuẩn tích lũy (quy đổi) trong thời gian t năm và được tính theo công thức (4.13) ở tài liệu [9].
Các thông số khác như: SN = 0,25; c = 0,02; Sh = 0,01 (tra bảng tài liệu [44]) b = -0,3681 là độ dốc đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 10 Hz theo Hình 4.3.
= 0,250 (tính theo công thức (4.11))
Với độ tin cậy thiết kế kết cấu áo đường 85% thì độ rủi ro thiết kế r = 15%, tra bảng u theo r ở tài liệu [44] được u = - 1,036
kr = 0,8029 (tính theo công thức (4.10))
Các hệ số khác: kc = 1,1; ks = 1 (tra bảng tài liệu [44])
Biến dạng cho phép cp tại đáy lớp BTNC 12,5 (BD)
BTNC12.5, 10độ, 5Hz y = 38254x-0.403 R² = 0.9162 BTNC12.5, 10độ, 10Hz y = 22057x-0.368 R² = 0.9389 BTNC12.5, 20độ, 5Hz y = 49109x-0.405 R² = 0.8716 BTNC12.5, 20độ, 10Hz y = 29093x-0.372 R² = 0.8119 BTNC19, 10độ, 10Hz y = 5485.8x-0.31 R² = 0.9356 1,E+01 1,E+02 1,E+03
1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07
log( ) logNf50 BTNC12.5, 10độ, 5Hz BTNC12.5, 10độ, 10Hz BTNC12.5, 20độ, 5Hz BTNC12.5, 20độ, 10Hz BTNC19, 10độ, 10Hz Power (BTNC12.5, 10độ, 5Hz) Power (BTNC12.5, 10độ, 10Hz) Power (BTNC12.5, 20độ, 5Hz) Power (BTNC12.5, 20độ, 10Hz) Power (BTNC19, 10độ, 10Hz)
4.2.3 Biến dạng tính toán (tt) đáy lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường
4.2.3.1 Mô hình tải tác dụng
Thông số tải trọng theo [9] thể hiện tại Hình 4.4. + Áp lực tiêu chuẩn p = 0,6 MPa
+ Bán kính vệt bánh xe quy đổi R = 0,165m (D/2)
Hình 4.4 Mô hình tải trọng khai báo khi tính biến dạng
4.2.3.2 Tính biến dạng (tt) đáy lớp bê tông asphalt
Sử dụng phần mềm Alize 2.3.0 [43] để tính biến dạng đáy các lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường. Điều kiện dính bám giữa 2 lớp bê tông asphalt xét ở mức dính là 50% theo khuyến cáo của nghiên cứu [8]. Kết quả tính biến dạng cho 2 kết cấu áo đường thể hiện tại Hình 4.5, Hình 4.6 và biến dạng đáy lớp bê tông asphalt được tổng hợp tại Bảng 4.3.
Hình 4.5 Kết quả tính kết cấu áo đường 1 bằng phần mềm Alizé
33cm p (MPa)
Y
Hình 4.6 Kết quả tính kết cấu áo đường 2 bằng phần mềm Alizé Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết quả tính biến dạng đáy lớp bê tông asphalt
Vị trí tính biến dạng Trị số biến dạng (micro strain)
Kết cấu 1 Kết cấu 2
Đáy lớp BTNC 12,5 - 80,0 - 64,0
Đáy lớp BTNC 19 - 182,4 - 115,4
Ghi chú: trị số biến dạng (EpsT) mang dấu “-” là kéo, dấu “+” là nén.
Nhận xét:
- Điều kiện dính bám ảnh hưởng nhiều đến sự làm việc kéo hay nén của lớp bê tông asphalt. Trong ứng dụng này mức dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt được xét là 50%.
- Kết cấu áo đường có móng cứng (sử dụng vật liệu CPĐD gia cố xi măng) làm giảm biến dạng kéo ở đáy các lớp bê tông asphalt so với móng là CPĐD.
4.2.4 Đánh giá
4.2.4.1 Kết cấu 1
a/ Kiểm toán kéo uốn đáy lớp BTNC 12,5 (BD) theo [9]
Kết quả tính: ku = 1,08 MPa <
= 1,932 MPa (độ tin cậy K = 85%) → lớp BTNC 12,5 đảm bảo điều kiện kéo uốn.
Kết quả tính: tt = 80,00 µ > cp = 65,18 µ
lớp BTNC 12,5 (BD) không đảm bảo điều kiện chịu mỏi. 4.2.4.2 Kết cấu 2
a/ Kiểm toán kéo uốn đáy lớp BTNC 12,5 (BD) theo [9]
Kết quả tính: ku = 0,97 MPa <
= 1,932 MPa (độ tin cậy K = 85%) → lớp BTNC 12,5 đảm bảo điều kiện kéo uốn.
b/ Kiểm toán mỏi lớp BTNC 12,5 (BD)
Kết quả tính: tt = 64,0 µ < cp = 65,18 µ lớp BTNC 12,5 đảm bảo điều kiện chịu mỏi.
* Xác định tuổi thọ mỏi lớp BTNC 12,5 (BD) trong kết cấu 2 (không xét tuổi thọ mỏi của các lớp vật liệu khác trong kết cấu).
Số chu kỳ tải trọng lặp (Nf50) ứng với tt = 64,0 µ ở điều kiện tính toán 10 độ C, 10 Hz được xác định theo phương trình (3.5):
= 6.461.595 chu kỳ
Dự báo trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn thiết kế theo [9] được xác định bởi biểu thức (4.13), (4.14) như sau:
( ) (trục/ngày đêm/làn) (4.13) ( )( ) (4.14) Trong đó: t Ne N1 q
năm dự báo (năm)
trục tiêu chuẩn tích lũy trong thời gian t năm
số trục tiêu chuẩn trung bình ngày đêm/làn tại năm đầu tỷ lệ tăng trưởng giao thông trung bình năm (%)
Với N1 = 500 trục xe/ngày đêm/làn, q = 8%, Ne = Nf50 = 6.461.595 trục/làn Tuổi thọ mỏi của lớp bê tông asphalt loại BTNC 12,5 (BD) trong kết cấu áo đường thứ 2 được khai thác trong điều kiện như trên thì: t = 17,46 năm (tính theo
công thức (4.14)). 4.2.4.3 Nhận xét
Kết cấu 1 có lớp BTNC 12,5 đạt điều kiện kéo uốn theo 22TCN 211-06 tuy nhiên không đạt về điều kiện kháng mỏi.
Kết cấu 2 có lớp bê tông asphalt đạt cả về điều kiện chịu kéo uốn và điều kiện kháng mỏi.
Dạng móng cứng (CPĐD gia cố xi măng) trong kết cấu áo đường sẽ làm giảm biến dạng kéo ở đáy lớp bê tông asphalt bên trên so với loại móng rời (CPĐD). Và đó là lý do giúp lớp mặt bê tông asphalt dễ đảm bảo độ bền mỏi (như kết cấu 2).
Trong ví dụ phân tích trên, nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở kiểm toán mỏi lớp BTNC 12,5; chưa kiểm toán mỏi lớp BTNC 19 và móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng.
4.3 Kết luận chương 4
- Có thể dùng kết quả thí nghiệm độ bền mỏi ở chương 3 làm cơ sở để kiểm toán khả năng kháng mỏi cho lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường;
- Lập được trình tự và áp dụng cách kiểm toán độ bền mỏi lớp bê tông asphalt theo biến dạng giới hạn trong thiết kế kết cấu áo đường mềm ở VN;
- Sử dụng các phương trình đặc trưng độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 và loại BTNC 19 để dự báo tuổi thọ mỏi cho lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường;
- Kết quả tính toán của hai kết cấu áo đường ứng dụng trên cho thấy kiểm toán độ bền mỏi lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm đảm bảo hơn kiểm toán theo điều kiện chịu kéo khi uốn.
PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm của chính tác giả và những phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm, có thể tóm lược những đóng góp có giá trị của luận án như sau:
1. Đóng góp về mặt khoa học
1.1 Bằng thí nghiệm uốn dầm 4 điểm (4PB - Cooper) thực hiện tại VN, nghiên cứu đã đưa ra được dữ liệu thực nghiệm về độ bền mỏi bê tông asphalt theo các yếu tố nhiệt độ, tần số và biến dạng.
1.2 Nghiên cứu đã định lượng được ảnh hưởng tỷ lệ thuận của nhiệt độ, tỷ lệ nghịch của tần số và biến dạng đến độ bền mỏi loại BTNC 12,5 ở điều kiện nhiệt độ 10oC, 20oC, tần số 5 Hz, 10 Hz và loại BTNC 19 ở điều kiện 10oC, 10Hz.
1.3 Đã xác định được đường đặc trưng mỏi và phương trình độ bền mỏi cho loại BTNC 12,5 và BTNC 19 trong điều kiện nghiên cứu này.
+ Phương trình độ bền mỏi BTNC 12,5: ( ) ( ) + Phương trình độ bền mỏi BTNC 19 ở 10oC, 10 Hz: ( )
1.4 Đánh giá được loại bột khoáng tốt hơn cho khả năng kháng mỏi của bê tông asphalt trong 3 loại được nghiên cứu; BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng là bột đá Andesit (p0,075 = 71,18%, chiếm 5,338%) và bột khoáng là CaCO3 (p0,075 = 74,30%, chiếm 5,572%) cho kết quả kháng mỏi (fatigue resistance) tốt hơn loại BTNC 12,5 dùng bột khoáng CaCO3 + xi măng (p0,075 = 86,46%, chiếm 6,484%).
1.5 Độ bền mỏi của BTNC 19 kém hơn so với loại BTNC 12,5 xét ở điều kiện thí nghiệm 10oC, 10 Hz và vật liệu được chế tạo như trong nghiên cứu.
1.6 Ứng dụng kiểm toán mỏi lớp bê tông asphalt vào trong thiết kế kết cấu áo đường; đồng thời sử dụng kết quả nghiên cứu để dự báo tuổi thọ mỏi cho lớp bê tông asphalt.
2. Đóng góp về mặt thực tiễn
2.1 Công trình nghiên cứu này đã đề xuất cách thức kiểm toán độ bền mỏi lớp bê tông asphalt trong thiết kế kết cấu áo đường mềm tại VN dựa trên các phương trình độ bền mỏi đã xác định; qua đó có thể dự báo được tuổi thọ mỏi cho lớp bê tông asphalt.
2.2 Nghiên cứu đưa ra khuyến cáo về việc sử dụng hiệu quả các loại bột khoáng dùng cho bê tông asphalt. Bê tông asphalt dùng bột khoáng là xi măng hoặc hỗn hợp của xi măng (có hàm lượng hạt lọt sàng 0,075mm cao) cho kết quả kháng mỏi thấp hơn bột khoáng đá Andesit và CaCO3 (có hàm lượng hạt lọt sàng 0,075mm thấp).
2.3 Nghiên cứu góp thêm một tiêu chí để kiểm toán lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm thông qua khả năng kháng mỏi; qua đó nâng cao hiệu quả khâu thiết kế và đảm bảo chất lượng khai thác kết cấu áo đường.
2.4 Đây là công trình nghiên cứu thực nghiệm về mỏi bê tông asphalt lần đầu được thực hiện ở VN, do vậy kết quả này là cơ sở tham khảo và làm tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo về mỏi bê tông asphalt.
3. Hạn chế
3.1 Trong phạm vi đề tài và điều kiện thực nghiệm hạn chế ở VN, nghiên cứu chỉ tập trung thí nghiệm phân tích đánh giá độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 và BTNC 19 ở các điều kiện:
+ Loại BTNC 12,5, chỉ xét ảnh hưởng của 3 loại bột khoáng (bột đá Andesit, bột CaCO3, hỗn hợp CaCO3 + xi măng) đến đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt. Bột khoáng chỉ mới được xem xét phân tích ảnh hưởng dưới dạng cấp phối hạt.
+ Loại BTNC 19, chỉ dừng lại ở thí nghiệm mỏi tại 10 độ C và tần số 10 Hz để so sánh với loại BTNC 12,5 cùng điều kiện.
+ Số lượng mẫu thí nghiệm chưa đủ nhiều để có các đánh giá thuyết phục hơn về kết quả thí nghiệm mỏi bê tông asphalt.
3.2 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt như: loại/hàm lượng chất kết dính (bi tum), độ rỗng dư, tính chất cốt liệu,… chưa có điều kiện xét đến trong nghiên cứu này. Hy vọng những nghiên cứu tiếp theo sẽ bổ sung, mở rộng được các khía cạnh đó, để nghiên cứu về mỏi bê tông asphalt ở VN trở nên đầy đủ và toàn diện hơn.
4. Kiến nghị
4.1 Cần nghiên cứu và bổ sung kiểm toán mỏi lớp bê tông asphalt vào trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường tại VN;
4.2 Cần có các kết quả thí nghiệm xác định thông số vật liệu phù với tính toán động để hoàn chỉnh việc kiểm toán mỏi trong thiết kế kết cấu áo đường tại VN.
5. Hướng nghiên cứu tiếp
5.1 Đánh giá ảnh hưởng của chất kết dính bi tum, độ rỗng dư của hỗn hợp đến độ bền mỏi bê tông asphalt;
5.2 Nghiên cứu kết hợp giữa độ bền mỏi với khả năng kháng lún vệt bánh cho vật liệu bê tông asphalt;
5.3 Nghiên cứu độ bền mỏi của các loại bê tông asphalt khác nhau;
5.4 Thí nghiệm xác định các thông số vật liệu để hoàn chỉnh khâu kiểm toán mỏi trong thiết kế kết cấu áo đường.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
1. NCS. Trần Thiện Lưu (2012), Tổng quan về nghiên cứu độ bền mỏi của lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm, Tạp chí Giao thông Vận tải, số 3/2012, trang 33 - 37, Hà Nội.
2. Trần Thiện Lưu, TS. Nguyễn Mai Lân - LUNAM Université, IFSTTAR, Bouguenais, France (2012), Vấn đề nghiên cứu độ bền mỏi bê tông nhựa ở Việt Nam (The necessity for further research into fatigue life of asphalt concrete in Vietnam), Tạp chí Giao thông Vận tải, số 6/2012, trang 23 - 24, Hà Nội.
3. Trần Thiện Lưu, Trần Thiện Nhân, Trần Trọng Vinh (2014), Đánh giá thực nghiệm một số chỉ tiêu cơ học đối với vật liệu bán mềm trong điều kiện Việt Nam, Tạp chí Khoa học Công nghệ GTVT, số 11-05/2014, trang 50 - 53, trường ĐH GTVT TP HCM;
4. Trần Thiện Lưu, Lưu Ngọc Điện, Nguyễn Ba (2014), Đánh giá đặc tính cơ học của cấp phối đá dăm gia cố xi măng trong làm móng đường ô tô, Tạp
chí Khoa học Công nghệ GTVT, số 12-11/2014, trang 90 - 93, trường ĐH
GTVT TP HCM.
5. NCS. Trần Thiện Lưu, PGS.TS Lã Văn Chăm, GS.TS Nguyễn Xuân Đào (2015), Ảnh hưởng của tải trọng đến độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5, Tạp chí Khoa học Công nghệ GTVT, số 14-02/2015, trường ĐH GTVT TP HCM.
6. NCS. Trần Thiện Lưu, PGS.TS Lã Văn Chăm, GS.TS Nguyễn Xuân Đào (2015), Nghiên cứu thực nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam, Tạp chí Giao thông Vận tải, số 4/2015, Hà Nội.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
[1] Nguyễn Quang Chiêu, Dương Học Hải (2007), Thiết kế và tính toán các kết
cấu mặt đường - hướng dẫn kỹ thuật, NXB Xây dựng, Hà Nội.
[2] Nguyễn Xuân Đào (1972), Thiết kế mặt đường mềm đường ô tô, Viện Kỹ thuật Giao thông, Hà Nội.
[3] Trần Thị Kim Đăng (2010), Giáo trình độ bền mỏi và tuổi thọ khai thác của
bê tông nhựa, NXB GTVT, Hà Nội.
[4] Trần Thị Kim Đăng (2004), Nghiên cứu mô đun đàn hồi của bê tông asphalt
làm mặt đường ô tô xét đến điều kiện chịu tải trong thực tế, luận án tiến sĩ
kỹ thuật, trường ĐH GTVT, Hà Nội.
[5] Dương Học Hải, Phạm Huy Khang (2000), Thiết kế mặt đường ô tô theo
hướng dẫn AASHTO và ứng dụng ở Việt Nam, NXB GTVT, Hà Nội.
[6] Phạm Duy Hữu, Vũ Đức Chính, Đào Văn Đông, Nguyễn Thanh Sang (2010),
Bê tông Asphalt và hỗn hợp Asphalt, NXB GTVT, Hà Nội.
[7] Nguyễn Quang Phúc (2010), Nghiên cứu một số tính chất và ứng dụng của
mastic asphalt trong xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam, luận án
tiến sĩ kỹ thuật, trường ĐH GTVT, Hà Nội.