Mô hình uốn dầm

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.4.1.1Mô hình uốn dầm

Việc xác định mối quan hệ giữa độ bền mỏi với ứng suất hoặc biến dạng được thực hiện trên một mẫu dầm dưới tác dụng của tải trọng lặp, phổ biến là dạng tải hình sin. Theo mô hình này, trên thế giới đã phát triển thành các dạng thí nghiệm uốn dầm 2 điểm - dạng ngàm (Hình 1.18a), uốn dầm 3 điểm (Hình 1.18b), uốn dầm 4 điểm (Hình 1.18c), uốn dầm 5 điểm (Hình 1.18d), uốn lặp trên nền đàn hồi [36], [32].

Dạng thí nghiệm uốn dầm 3, 4, 5 điểm được mô phỏng giống với các điều kiện khai thác thực tế mà lớp mặt đường bê tông asphalt phải làm việc. Mặc dù các dạng này mô phỏng điều kiện làm việc thực tế tốt hơn so với uốn dầm 2 điểm nhưng tình trạng ứng suất chủ yếu vẫn là một trục và phụ thuộc chất lượng ngàm mẫu vào

thiết bị thí nghiệm, ứng suất không thể đảo ngược (Barksdale, 1977).

Hình 1.18 Một số dạng thí nghiệm mỏi theo mô hình uốn dầm 1.4.1.2 Mô hình kéo - nén

- Kéo - nén đúng tâm (Hình 1.19a)

Xác định trực tiếp mối quan hệ giữa độ bền mỏi và ứng suất/biến dạng dưới tác dụng của tải trọng lặp dạng hình sin, đồng trục có hoặc không có sự đảo ngược ứng suất.

- Ép chẻ (kéo gián tiếp) Hình 1.19b

Xác định trực tiếp mối quan hệ giữa độ bền mỏi và ứng suất/biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động lên mẫu hình trụ theo hướng đường sinh.

a/ Kéo nén dọc trục b/ Kéo gián tiếp c/ Kéo - nén d/ Cắt xoay

Hình 1.19 Một số dạng thí nghiệm mỏi theo mô hình kéo - nén, cắt xoay - Phương pháp ba trục: xác định trực tiếp mối quan hệ giữa độ bền mỏi và ứng

a/ Uốn dầm 2 điểm (2PB) b/ Uốn dầm 3 điểm (3PB)

suất/biến dạng bằng thí nghiệm mô phỏng giống phương pháp kéo nén đúng tâm nhưng không cho nở hông.

- Phương pháp phá hủy (Fracture test): sử dụng nguyên lý cơ học phá hủy để dự báo độ bền mỏi.

1.4.1.3 Mô hình cắt xoay

- Mô hình thí nghiệm cắt xoay (rotating bending) [32] được minh họa tại Hình 1.19d.

1.4.2 Các chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi

Kết quả độ bền mỏi vật liệu bê tông asphalt có sự khác nhau khi thực hiện theo các phương pháp thí nghiệm khác nhau, điều kiện tải, môi trường thí nghiệm và tính chất vật liệu khác nhau [36]. Thí nghiệm mỏi được thực hiện bằng hai cách: khống chế ứng suất không đổi và khống chế biến dạng không đổi lên mẫu thí nghiệm [32].

1.4.2.1 Khống chế ứng suất

Tải trọng lặp tác dụng lên mẫu thí nghiệm. Trị số lực tác dụng phải thay đổi phù hợp nhằm duy trì cho mẫu luôn đạt một giá trị ứng suất không đổi cho đến khi mẫu bị phá hoại. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và số chu kỳ tải làm phá hoại mẫu được thể hiện tại Hình 1.20, tương ứng với phương trình (1.3).

( ) (1.3)

Trong đó:

Nf : số chu kỳ tải lặp làm phá hoại mẫu  : ứng suất kéo uốn

k1, k2 : hệ số hồi quy thực nghiệm

Hình 1.20 Đường đặc trưng mỏi - khống chế ứng suất 1.4.2.2 Khống chế biến dạng

cũng khó xác định số chu kỳ tải tác dụng làm mẫu bị phá hoại. Thông thường độ bền mỏi xác định bằng cách duy trì một mức biến dạng không đổi lên mẫu thí nghiệm cho đến khi mô đun độ cứng giảm xuống còn 25% ÷ 50% so với giá trị ban đầu. Đồ thị quan hệ giữa biến dạng và số chu kỳ tải làm phá hoại mẫu thể hiện ở Hình 1.21 và phương trình (1.4):

(

) (1.4)

Trong đó:

 : biến dạng kéo

k1, k2 : hệ số hồi quy thực nghiệm

Hình 1.21 Đường đặc trưng mỏi - khống chế biến dạng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

1.5 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng độ bền mỏi bê tông asphalt 1.5.1 Trên thế giới 1.5.1 Trên thế giới

1.5.1.1 Các trường phái thiết kế kết cấu áo đường mềm

Trong khâu thiết kế kết cấu áo đường, nhìn chung có 2 trường phái:

- Dựa theo các quy luật cơ học - phương pháp lý thuyết (chủ yếu có tính đến mỏi); ví dụ như: phương pháp của Jeuffroy Bachelez, Alize (Pháp), Ivanop (Liên Xô trước đây),... [5].

- Dựa theo kinh nghiệm - phương pháp thực nghiệm; ví dụ như: phương pháp của AASHTO, Shook & Finn, Liddle, Shell, CBR,... [5].

Ngoài ra còn có một số phương pháp thiết kế kết hợp cả hai kiểu này.

Phương pháp AASHTO là tiêu biểu cho phương pháp kinh nghiệm, thường được sử dụng phổ biến tại Hoa Kỳ và Canada. Phương pháp này chỉ cần tính đến khả năng chịu tải cho kết cấu áo đường.

Đối với các phương pháp thiết kế kết cấu mới (kết hợp cơ học - thực nghiệm) thì độ bền mỏi luôn được tính đến. Mỹ đã có một chiến lược phát triển lâu dài. Các thí nghiệm AASHO đã được thực hiện từ những năm 1950. Đến nay, Mỹ đã đưa ra

một phương pháp tổng hợp gần như đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến kết cấu áo đường. Phương pháp ME-Darwin (ME PDG) [25] mới nhất của Mỹ là dạng như vậy. Nó có tính đến hầu hết các tính chất của bê tông asphalt cũng như các dạng phá hoại.

Phương pháp thiết kế áo đường của Viện Asphalt (AI) được xem là phương pháp “bán thực nghiệm” với các thông số cơ học liên quan đến mỏi và biến dạng vĩnh cửu luôn được sử dụng [23].

Ở Pháp, Đức chủ yếu vẫn theo phương pháp kết hợp cơ học - thực nghiệm. Phương pháp thiết kế mặt đường của Pháp (French Pavement Design method - FPD) là điển hình trong số đó. Yếu tố cơ học đều có tính đến độ bền mỏi của bê tông asphalt. Ở Thụy Sĩ vẫn áp dụng phương pháp AASHTO, trong khâu thiết kế kết cấu chỉ tính đến khả năng chịu tải của từng lớp kết cấu áo đường. Tuy nhiên độ bền mỏi được kiểm tra trong bước thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt.

Hiện nay, khâu thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt ở các nước như Pháp, Mỹ, Thụy Sĩ, Đức,... đều áp dụng một quy trình kiểm tra các tính chất của hỗn hợp bê tông asphalt tùy theo mức độ yêu cầu (mức cấp độ 1, 2,...). Trong đó độ bền mỏi thường được xác định nếu con đường sử dụng loại bê tông asphalt đó có tầm quan trọng lớn. Về khâu thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt nói riêng, độ bền mỏi được coi như một trong những đặc tính quan trọng cuối cùng cần phải xác định trước khi xác định các đặc tính khác (độ chặt, độ chống lún, mô đun,...). RILEM TC-MCD là nhóm nghiên cứu quốc tế làm nhiều thí nghiệm khác nhau về mỏi bê tông asphalt tại nhiều nơi trên thế giới, sau đó cùng so sánh kết quả. Họ đang triển khai một chương trình nghiên cứu quy mô lớn, thực hiện từ năm 2011 ÷ 2016 với các tổ chức tham gia chủ yếu đến từ các nước châu Âu và Mỹ.

1.5.1.2 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Các kết quả nghiên cứu về mỏi bê tông asphalt trên thế giới đều chỉ ra được mối tương quan giữa biến dạng/ứng suất với số lần tác dụng của tải trọng làm phá hoại vật liệu. Những kết quả đó được ứng dụng vào trong thiết kế kết cấu áo đường, cụ thể là lựa chọn kết cấu áo đường có lớp bê tông asphalt đảm bảo khả năng chịu mỏi (phá hoại mỏi không xuất hiện trước 106 chu kỳ tải tác dụng). Một số kết quả

nghiên cứu về mỏi bê tông asphalt được giới thiệu sau đây: a/ Nghiên cứu của NCHRP

Mối quan hệ toán học thường được sử dụng cho đặc tính nứt mỏi của bê tông asphalt (được nêu tại [25]) thể hiện theo biểu thức (1.5):

( ) ( ) ( ) ( ) (1.5)

Trong đó:

Nf : số chu kỳ tải trọng lặp làm mẫu bị phá hoại, (chu kỳ) εt : biến dạng kéo, (µ)

E : mô đun độ cứng của vật liệu, (MPa) k1, k2, k3 : hệ số hồi qui thực nghiệm

βf1, βf2, βf3 : các hệ số hiệu chỉnh

C : hệ số điều chỉnh (thí nghiệm trong phòng)

Mối quan hệ được sử dụng để dự đoán số lần tác dụng tải trọng lặp gây nứt mỏi lớp bê tông asphalt (mô hình của viện Asphalt - Mỹ) theo biểu thức (1.6):

( ) ( ) (1.6) Trong đó: , với ( ) Vb : hàm lượng chất kết dính (%) Va : độ rỗng dư (%)

Điều kiện thực tế của mỗi quốc gia được hiệu chỉnh theo hướng dẫn thiết kế bằng các hằng số tối ưu và các mô hình so sánh khác thông qua hệ số hiệu chuẩn:

; β’f1 = 1,0 ; βf2 = 1,2 ; βf3 = 1,5 Kết quả sẽ là biểu thức (1.7): ( ) ( ) (1.7) Trong đó:

C : hệ số điều chỉnh từ kết quả thí nghiệm trong phòng tới hiện trường : hệ số hiệu chỉnh xét tới ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông

+ Đối với vết nứt phát triển từ đáy lên:

( ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

(1.8)

+ Đối với vết nứt phát triển từ trên bề mặt xuống:

( )

(1.9)

hac : tổng chiều dày các lớp bê tông asphalt (inch)

Đặc tính nứt mỏi của bê tông asphalt được tính toán từ phá hoại mỏi theo tương quan sau:

+ Đối với vết nứt phát triển từ đáy lên (% của tổng diện tích làn xe)

(

( ( ))) (

) (1.10)

Trong đó

FCbottom : nứt mỏi phát triển từ đáy lên (% của diện tích làn xe) D : mức độ phá hỏng do mỏi từ trên xuống

= 1,0 ;

= - 2,40874 – 39,748 × (1+hac)-2,856 ; C2 = 1,0 N = 461 mẫu quan sát, Se = 6,2% ; Se/Sy = 0,9747 + Đối với vết nứt phát triển từ trên xuống: (feet/mile)

(

( ( ))) (1.11)

Trong đó

FCtop : nứt mỏi phát triển từ trên xuống, (feet/mile) D : mức độ phá hỏng do mỏi phát triển từ trên xuống N = 414 mẫu quan sát

Se = 1242,25 feet/mile ; Se/Sy = 0,977

b/ Nghiên cứu của NCAT

NCAT đã đưa ra các phương trình độ bền mỏi (được nêu tại [20]) như sau: Phương trình (1.12) dự báo nứt mỏi mặt đường có lớp bê tông asphalt mỏng,

chiều dày ≤ 5 inch: ( ) ( ) (1.12) Phương trình (1.13) dùng để dự báo nứt mỏi mặt đường có chiều dày lớp bê tông asphalt từ 7 inch đến 9 inch:

( )

( )

(1.13)

Phương trình (1.14) dùng để dự báo nứt mỏi mặt đường có chiều dày lớp bê tông asphalt dưới 7 inch:

( )

( )

(1.14) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

c/ Nghiên cứu của ME PDG (DARWin-ME)

Trong sự phát triển của các mô hình nứt mỏi cho ME PDG - NCHRP 1 - 37A (Eres, 2004), các nhà nghiên cứu xem xét cho cả Shell Oil và AI (Asphalt Institute). Họ đã xác định rằng AI MS-1 với phương trình (1.16) là được áp dụng nhiều nhất (El-Basyouny và Witczack, 2005). ( ) ( ) Hoặc (1.15) ( ) (1.16) Về cơ bản, phương trình (1.16) được hiệu chuẩn lại từ dữ liệu của LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) bao gồm hệ số điều chỉnh mới K với lớp bê tông asphalt mỏng (chiều dày < 4 inch).

Phương trình độ bền mỏi (1.17) xem xét phá hoại ở mức 50% tổng vết nứt tại khu vực làn xe (El-Basyouny và Witczack “calibration”, 2005)

( )

( )

Trong đó:

Với: hac : chiều dày lớp bê tông asphalt (inch).

(1.18)

d/ Nghiên cứu của Shell

Kết quả thí nghiệm độ bền mỏi các loại bê tông asphalt truyền thống của Shell (được nêu tại [27], [37]) thể hiện qua phương trình (1.19):

(

( ) )

(1.19)

Trong đó: N độ bền mỏi (chu kỳ)

t biến dạng kéo (µ) Smix mô đun độ cứng (Pa)

Vb hàm lượng chất kết dính (%).

1.5.2 Tại Việt Nam

Cho đến nay chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm về mỏi bê tông asphalt được thực hiện tại Việt Nam. Đối với tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt theo TCVN 8820-2011 [13] (phương pháp Marshall) và thiết kế kết cấu áo đường mềm theo 22TCN 211-06 [9], 22TCN 274-01 [10] chưa xét đến độ bền mỏi của bê tông asphalt một cách rõ ràng. Tiêu chuẩn [10] được soạn dựa trên phương pháp của AASHTO (1993). Còn tiêu chuẩn [9] là phương pháp lý thuyết dựa trên tiêu chuẩn [51] của Nga có tính đến các giá trị cơ học giới hạn.

Theo [9] khi kiểm toán điều kiện chịu kéo uốn ở đáy lớp vật liệu liền khối (1.20) yếu tố mỏi được xét đến thông qua hệ số k1 (1.22) khi tính cường độ chịu kéo uốn tính toán ( ) (1.21).

Điều kiện đảm bảo khả năng chịu kéo uốn theo [9]:

(1.20)

Trong đó

ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất phát sinh ở đáy lớp vật liệu liền khối dưới tác dụng của bánh xe

hệ số dự trữ cường độ

cường độ chịu kéo uốn tính toán của vật liệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

(1.21)

hệ số xét đến sự suy giảm cường độ do vật liệu bị mỏi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục

Với vật liệu là bê tông asphalt thì được xác định theo (1.22)

(1.22)

số trục xe tính toán tích lũy trong suốt thời hạn thiết kế

hệ số xét đến sự suy giảm cường độ theo thời gian do tác nhân thời tiết, khí hậu

cường độ chịu kéo uốn giới hạn ở nhiệt độ tính toán

Hệ số k1 của [9] xuất phát từ hệ số k1 của tiêu chuẩn ОДН 218.046-01 [51] thể hiện tại công thức (1.23)

√∑ (1.23)

Trong đó: Np : số trục xe tính toán trong suốt thời gian thiết kế (~ Ne) m hệ số xét đến sự phụ thuộc vào tính chất của vật liệu [51]

 hệ số xét đến sự khác nhau cơ chế chịu kéo của vật liệu thực tế trong kết cấu áo đường và trong phòng thí nghiệm do tải trọng trùng phục gây ra, cũng như xét đến xác suất trùng hợp ngẫu nhiên theo thời gian của nhiệt độ tính toán (thấp) và trạng thái tính toán của lớp đất nền (vùng hoạt động) về độ ẩm, được xác định theo [51].

1.6 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết

Như đã phân tích, trên thế giới nghiên cứu về mỏi bê tông asphalt đã được triển khai từ khá lâu. Hầu hết các vấn đề có liên quan đến mỏi bê tông asphalt đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm.

về mặt thực nghiệm một cách cụ thể. Các tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm chưa xem xét rõ và chưa có khuyến cáo cụ thể về vấn đề đảm bảo điều kiện chịu mỏi cho lớp bê tông asphalt. Vấn đề mỏi chỉ mới được đề cập đến trong [9] là hệ số xét đến sự suy giảm khả năng chịu kéo uốn (Rku) của lớp bê tông asphalt dưới tác dụng trục xe tích lũy. Chỉ mới thông qua hệ số k1, đặc tính mỏi chưa được định lượng một cách cụ thể và cũng chưa thể hiện rõ bản chất của vấn đề mỏi.

Những năm gần đây, ở VN xuất hiện ngày càng nhiều các hiện tượng thời tiết cực đoan, trong đó có nhiệt độ thấp, tuyết rơi xuất hiện nhiều hơn; các mức nhiệt độ dưới 10 độ C, thậm chí dưới 0 độ C không còn lạ ở nhiều nơi. Vì vậy, việc xem xét đặc tính mỏi cho lớp mặt đường bê tông asphalt ở VN cũng cần được đặt ra. Việc ứng dụng độ bền mỏi không chỉ cho phép xác định tải trọng và lưu lượng xe nặng cho phép, mà còn xác định được thời gian khai thác của con đường.

Luận án này bước đầu sẽ triển khai nghiên cứu thực nghiệm về độ bền mỏi bê tông asphalt trong điều kiện vật liệu chế tạo và thí nghiệm ở những điều kiện phù hợp với VN.

1.7 Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu 1.7.1 Mục tiêu 1.7.1 Mục tiêu

- Có được dữ liệu thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt ở một số điều kiện nhiệt độ, tần số, mức biến dạng;

- Xây dựng được phương trình độ bền mỏi bê tông asphalt;

- Đánh giá ảnh hưởng của các loại bột khoáng đến khả năng kháng mỏi cho bê tông asphalt;

- Đề xuất nội dung kiểm toán độ bền mỏi lớp bê tông asphalt vào trong thiết kế kết cấu áo đường mềm ở VN.

1.7.2 Nội dung

- Tổng quan về nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt;

- Nghiên cứu thực nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 và BTNC 19 trong một số điều kiện của VN;

- Phân tích kết quả thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt ở các điều kiện nhiệt độ, tần số, biến dạng khác nhau; phân tích ảnh hưởng loại bột khoáng đến độ bền mỏi của hỗn hợp bê tông asphalt;

- Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế kết cấu áo đường mềm tại VN.

1.8 Phương pháp nghiên cứu

Với đề tài này, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

- Phương pháp thống kê, tổng hợp: thu thập, phân tích các nghiên cứu về độ bền mỏi bê tông asphalt trên thế giới;

- Phương pháp phân tích, so sánh: phân tích, đánh giá lựa chọn các thông số cho