Xem mẫu
1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Mặt đường bê tông asphalt chiếm tỷ trọng lớn trong mạng lưới đường ô tô trên thế giới và ở Việt Nam do
những ưu điểm về: chất lượng khai thác, giá thành và mức độ thuận lợi trong thi công. Theo số liệu thống
kê, hơn 70% tổng số chiều dài đường cao tốc trên thế giới, 72% tổng chiều dài đường cao tốc ở Đức và hơn
80% tổng chiều dài mạng lưới đường ở Việt Nam sử dụng kết cấu mặt đường bê tông asphalt [18].
Các tiêu chuẩn của thế giới và tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định về đặc tính của bê tông asphalt làm mặt
đường. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng, hai vấn đề cần bổ sung và xem xét: khả năng chống lún và
chịu mỏi của bê tông asphalt. Thông qua thí nghiệm lún vệt bánh xe, chiều sâu lún tương quan với số lượt
tác dụng của tải trọng được xác định. Thông qua thí nghiệm mỏi, tuổi thọ mỏi và các đường đặc tính mỏi
của vật liệu được xác định. Từ những kết quả thí nghiệm đó có thể đánh giá khả năng chống lún và chống
mỏi của vật liệu làm mặt đường ô tô, phục vụ cho quá trình thiết kế và thi công.
Để nâng cao chất lượng bê tông asphalt, hiện nay trên thế giới thường đi theo ba hướng:
+ Sử dụng bitum cải tiến
+ Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lượng cao
+ Cải tiến thành phần hỗn hợp bê tông asphalt bằng vật liệu gia cường
Các loại sợi gia cường trong bê tông asphalt rất đa dạng, như: sợi Cellulose, sợi cácbon, sợi thủy tinh, sợi
Polypropylene, sợi khoáng, v.v… Nghiên cứu của Luận án tập trung vào việc xem xét ảnh hưởng sợi thủy
tinh đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt.
Trên thế giới, từ những năm 60 của thế kỷ trước bê tông asphalt gia cường sợi đã bắt đầu được nghiên cứu
[51], đến nay nghiên cứu tương đối toàn diện và kết quả thấy rằng vật liệu này làm việc tốt trong điều kiện
các nước ôn đới và hàn đới. Vấn đề đặt ra là cốt sợi thủy tinh có cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún
cho vật liệu bê tông asphalt nóng trong điều kiện Việt Nam hay không? Cần phải được nghiên cứu, thực
nghiệm để có câu trả lời.
Do vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún
vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự.
2. Mục đích nghiên cứu
-
Nghiên cứu cơ bản đặc tính chống lún vệt bánh xe, đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt chặt rải
nóng (HMA);
Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấu tạo của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (G-FRAC)
để cải thiện đặc tính chịu mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt;
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe của G-FRAC,
ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh gia cường tới khả năng chống lún vệt bánh xe;
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của G-FRAC, ảnh hưởng của
hàm lượng sợi thủy tinh gia cường đến đặc tính này.
3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung các vấn đề sau:
- Khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán (GFRAC);
- Khả năng chống mỏi của G-FRAC;
4. Cấu trúc của luận án
Gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chương, phần kết luận, kiến nghị, dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo,
danh mục tài liệu tham khảo. Cụ thể như sau :
Đặt vấn đề nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Sợi thủy tinh và khả năng gia cường sợi thủy tinh trong bê tông asphalt
Chương 3: Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh
Chương 4: Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh
Kết luận, kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo.
Tài liệu tham khảo
2
5. Những đóng góp của đề tài l
-
-
Phân tích được ảnh hưởng của cốt sợi thủy tinh phân tán cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún
vệt bánh của bê tông asphalt chặt nóng;
Phân tích và lựa chọn được mô hình thí nghiệm mỏi và lún vệt bánh xe của bê tông asphalt. Đã lựa
chọn loại cốt sợi thủy tinh phù hợp để gia cường bê tông asphalt;
Đề xuất công thức hỗn hợp bê tông asphalt chặt nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán với hàm
lượng sợi tốt nhất 0,3%, sử dụng bitum PMBIII và bitum 40-50. Đã đưa ra định lượng hiệu quả cải
thiện khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh của bê tông asphalt cốt sợi thủy tinh phân tán với
bê tông asphalt đối chứng với 2 loại bitum PMBIII và 40-50;
Đã xây dựng được 4 đường đặc tính mỏi của bê tông asphalt PMBIII và 4 đường đặc tính mỏi của bê
tông asphalt 40/50 tùy thuộc vào hàm lượng sợi thủy tinh 0%; 0.1%; 0.3%; 0.5% từ thí nghiệm uốn
mỏi theo phương pháp khống chế ứng suất.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Bê tông asphalt rải nóng là vật liệu chính để xây dựng lớp mặt đường ô tô. Trong quá trình khai thác dài hạn,
lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt đường có thể bị phá hoại do mỏi và xuất hiện các biến dạng không hồi
phục (lún vệt bánh xe). Các vấn đề này ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ và an toàn khai thác. Vì vậy, để tăng
cường hai tính chất trên có thể sử dụng biện pháp cải tiến chất lượng bê tông asphalt trong đó có hướng
nghiên cứu sử dụng cốt sợi phân tán. Một số nghiên cứu trên thế giới đã thí nghiệm đặc tính của bê tông
asphalt khi sử dụng sợi các bon, sợi polyester, sợi amiang và sợi thủy tinh theo các chỉ tiêu kỹ thuật thu
được các kết quả tốt.
uận án có ngh a khoa học và thực tiễn, có tính mới, lần đầu tiên triển khai nghiên cứu về bê tông asphalt
sử dụng sợi thủy tinh gia cường, về bê tông asphalt sử dụng nhựa đường 40/50 liên quan đến mỏi và biến
dạng không hồi phục. Luận án đã xác định được hàm lượng sợi thủy tinh phân tán cho bê tông asphalt chặt
rải nóng sử dụng bitum 40/50 và bitum polymer với hàm mục tiêu là chu kỳ mỏi khi khống chế ứng suất và
chiều sâu vệ lún bánh xe. Luận án góp phần làm rõ hơn vai trò của cốt sợi thủy tinh phân tán với hàm lượng
từ 0,1% đến 0,5% trong bê tông asphalt rải nóng. Luận án làm phong phú thêm các kiến thức lý thuyết và
thực nghiệm về cơ chế gia cường cốt sợi phân tán trong bê tông asphalt rải nóng và là tài liệu tham khảo tốt
cho những nhà nghiên cứu về vấn đề trên.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1
Tổng quan đặc tính kháng lún vệt bánh xe và kháng mỏi của bê tông asphalt trong xây dựng
mặt đƣờng ô tô
1.1.1 Các vấn đề chung
1.1.1.1 ịch sử phát triển của bê tông asphalt
1.1.1.2 Khái niệm và phân loại bê tông asphalt
1.1.2 Đặc tính kháng lún vệt bánh xe của bê tông asphalt
1.1.2.1 Giới thiệu chung
Lún vệt bánh xe hay được gọi là biến dạng không hồi phục là một hiện tượng của mặt đường bê tông
asphalt. Nguyên nhân của nó là:
- Sự giảm thể tích của bê tông asphalt do tác dụng đầm nén của bánh xe;
- Ứng suất cắt sinh ra dưới tác dụng lặp đi lặp lại của tải trọng bánh xe, đây là nhân tố cơ bản.
Cơ chế hình thành phát triển của hiện tượng lún vệt bánh xe có thể được chia thành hai trường hợp [14] :
- Trường hợp thứ nhất, lún vệt bánh xe xuất hiện chỉ trong lớp vật liệu bê tông asphalt, ứng suất cắt
trượt xuất hiện trong lớp vật liệu bê tông asphalt lớn hơn cường độ chịu cắt trượt của vật liệu.
- Trường hợp thứ hai, biến dạng gây ra lún vệt bánh xe chủ yếu xảy ra trong lớp nền và lớp móng hơn
là xảy ra trong lớp bê tông asphalt.
Để đánh giá đặc tính này của bê tông asphalt, người ta có thể sử dụng các dạng thí nghiệm mô phỏng khả
năng chịu lún của mẫu vật liệu dưới tác động của tải trọng bánh xe ngoài thực tế. Có nhiều tiêu chuẩn như:
AASHTO T324; BS EN 12697-22:2004.
1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kháng lún vệt bánh xe:
- Cốt liệu
3
-
Bitum
Bột khoáng
Tải trọng
Nhiệt độ cao
Ở ngưỡng nhiệt độ cao, thay đổi từ 46oC đến 82oC [2], mặt đường HMA thường xuất hiện tình trạng trồi lún.
Tại Hà nội, trong 10 năm gần đây, nhiệt độ không khí cao nhất trong năm theo thống kê của Trung tâm tư liệu khí tượng
thủy văn luôn đạt ở ngưỡng cao và rất cao, dao động xung quanh mốc 39oC. Ta có biểu đồ nhiệt độ tại mặt đường
(chiều sâu 20mm dưới lớp bê tông asphalt) như Hình 1-1.
Hình 1-1 Nhiệt độ môi trường và nhiệt độ mặt đường Asphalt tại Hà nội
trong 10 năm gần đây
Biến dạng ban đầu (m/m)
- Nước
1.1.3 Đặc tính kháng mỏi của bê tông asphalt
1.1.3.1 Giới thiệu chung
Bản chất hiện tượng mỏi là sự suy giảm độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng trùng phục. Dưới tác
dụng của tải trọng ban đầu các vết nứt vi mô xuất hiện trong vật liệu. Dần dần, các vết nứt vi mô phát triển,
liên kết và hình thành vết nứt lớn gây suy giảm cường độ, phá hoại mặt đường.
Để đánh giá đặc tính mỏi của bê tông asphalt người ta tiến hành hai nhóm thí nghiệm chính: nhóm thực
nghiệm hiện trường và nhóm thí nghiệm trong phòng.
Nhóm thí nghiệm hiện trường
Nhóm trong phòng thí nghiệm có thể chia làm 3 loại lớn:
- Thí nghiệm uốn (hai, ba, bốn điểm);
- Thí nghiệm kéo nén (trực tiếp hoặc gián tiếp);
- Thí nghiệm trượt.
Hai dạng thí nghiệm được sử dụng:
- Thí nghiệm khống chế biến dạng;
- Thí nghiệm khống chế ứng suất.
1.1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt
Nhiệt độ
Thí nghiệm khống chế ứng suất
Với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất, nhiều nghiên cứu thấy rằng tuổi thọ mỏi giảm đi khi nhiệt độ tăng
lên [65]. Trong một vài nghiên cứu, phân tích những thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất chỉ ra rằng, khi thể
hiện tuổi thọ mỏi theo sự thay đổi của biến dạng ban đầu, đường đặc tính mỏi là duy nhất không bị ảnh
hưởng của yếu tố nhiệt độ khi nhiệt độ thí nghiệm trong khoảng từ -10oC đến 20oC. [80] (Hình 1-2).
Tuổi thọ mỏi N (chu kì)
Hình 1-2. Đường đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất [80]
4
iên quan đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới vị trí phá hủy trong thí nghiệm mỏi, Kim đã làm các thí nghiệm
mỏi khống chế ứng suất, ép theo phương đường kính của mẫu trụ tròn [52]. Kết quả chỉ ra rằng ở 0°C, vị trí
vết phá hủy nằm ở màng bitum hoặc thậm chí là cốt liệu đá, trừ những trường hợp vật liệu kém dính. Còn ở
20°C, vị trí nứt mỏi nằm ở bề mặt tiếp xúc của đá và bitum.
- Nhiệt độ thấp
Bê tông asphalt là một loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp từ - 10oC đến - 46oC [2], bitum
trong hỗn hợp bê tông asphalt bị hóa cứng khiến cho cốt liệu dễ bị bong bật khỏi chất kết dính asphalt. Gây
nên hiện tượng gẫy vỡ của lớp bê tông asphalt mặt đường.
Biểu đồ nhiệt độ thấp nhất của mặt đường thể hiện trên Hình 1-3. Đây có thể lấy làm cơ sở ngưỡng nhiệt độ
thấp để nghiên cứu tuổi thọ mỏi của mặt đường bê tông asphalt. Theo phân vùng khí hậu của Việt Nam, các
khu vực khác nhau có thể có ngưỡng nhiệt độ thấp hơn (như vùng núi phía Bắc) hoặc cao hơn (như vùng
miền Nam Trung Bộ và Nam Bộ).
Hình 1-3 Nhiệt độ mặt đường thấp nhất 6 năm ở Hà nội
Tần số tác dụng lực
Yếu tố tần số tác dụng lực ít được nghiên cứu hơn so với nhiệt độ. Nghiên cứu của Doan chỉ ra rằng khi tần
số tác dụng lực tăng, tuổi thọ mỏi giảm với thí nghiệm khống chế biến dạng và tăng với thí nghiệm khống
chế ứng suất [80]
Hình dạng mẫu
Thời gian nghỉ tác dụng lực
Hai dạng sơ đồ tác dụng tải thường được sử dụng trong các thí nghiệm có thời gian chờ:
- Tác dụng nhiều chu kì tải liên tục sau đó là thời gian nghỉ chờ dài;
- Tác dụng như xung lực, sau mỗi chu kì đều có khoảng nghỉ và lặp lại nhiều lần.
Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt tăng lên khi có thời gian nghỉ chờ
trong các thí nghiệm mỏi [28], [80]. Tuy nhiên thời gian nghỉ chờ cũng có giới hạn hiệu quả. Vượt qua
khoảng giới hạn này, tăng thời gian nghỉ không làm tăng tuổi thọ mỏi của vật liệu. Thời gian nghỉ chờ gấp
10 lần thời gian tác dụng lực được lấy là ngưỡng thí nghiệm đánh giá tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt [21].
Bitum
Nhìn chung, sử dụng các loại bitum polyme, bitum cải tiến sẽ làm tăng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt.
Cốt liệu và bột khoáng
Kết quả nghiên cứu của một số tác giả [27] cho rằng hình dạng cốt liệu ảnh hưởng ít đến đặc tính mỏi của bê
tông asphalt. Kim chỉ ra rằng tính dính bám của bitum và cốt liệu có ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê
tông asphalt [52]. Mặt khác bê tông asphalt sử dụng cấp phối gián đoạn có tuổi thọ mỏi kém hơn so với bê
tông asphalt sử dụng cấp phối liên tục [60]
Cũng giống như hàm lương bitum, bê tông asphalt cũng tồn tại một hàm lượng bột khoáng thiết kế cho sức
kháng mỏi [83]. Hàm lượng này khoảng từ 7-9% đối với hỗn hợp đá bitum sử dụng làm lớp móng (GB Grave Bitume) ở Pháp.
1.2
Các nghiên cứu về biện pháp cải thiện đặc tính kháng lún vệt bánh xe và đặc tính chịu mỏi của
bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam
Để cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và đặc tính mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng, hiện nay thế giới nói
chung và ở Việt Nam nói riêng đã và đang sử dụng theo ba hướng:
- Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lượng cao;
5
Cải tiến thành phần hỗn hợp bằng vật liệu gia cường;
Sử dụng bitum cải tiến.
Luận án tập trung hướng cải tiến bằng vật liệu gia cường và sử dụng bitum cải tiến.
1.2.1 Sử dụng sợi gia cƣờng
Trên thế giới, một trong những biện pháp cải tiến thành phần chế tạo hữu hiệu nhất để nâng cao chất lượng
của bê tông asphalt là biện pháp gia cường sợi trong bê tông asphalt. Phương pháp này đã được nghiên cứu
từ những năm 60 của thế kỷ trước [51] và đã được nghiên cứu sử dụng ở nhiều nước như Hoa Kỳ, Nhật
Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc v.v…
- Bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (Glass fiber)
- Bê tông asphalt gia cường sợi cacbon
- Bê tông asphalt gia cường sợi polypropylen
- Bê tông asphalt sử dụng sợi Cellulose phân tán
- Bê tông asphalt gia cường sợi polypropylen
- Bê tông asphalt gia cường sợi polyester
1.2.2 Sử dụng bitum cải tiến
Bitum là chất kết dính tạo tính đàn - nhớt cho bê tông asphalt. Một số phương pháp cải tiến bitum được trình
bày sau đây:
- Bitum polime
- Bium cải tiến bằng cách cho thêm lưu huỳnh
- Bitum cải tiến bằng cách cho thêm cao su
- Bitum cải tiến bằng cách cho thêm cao su dẻo nhiệt
1.3
Xác định vấn đề nghiên cứu
Các biện pháp cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và đặc tính mỏi của bê tông asphalt đã được phân tích và
đánh giá ở phần 1.2. Nhìn chung biện pháp gia cường sợi phân tán là một trong những biện pháp hữu hiệu
để cải thiện khả năng làm việc của bê tông asphalt.
Việc nghiên cứu mới chỉ ở giai đoạn bước đầu, các nghiên cứu về bê tông asphalt chặt rải nóng sử dụng cốt
sợi thủy tinh còn hạn chế, khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe chưa được đề cập đầy đủ. Chưa
có nghiên cứu nào về khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh và
chưa đề cập đến ảnh hưởng của điều kiện nhiệt đới ở Việt Nam. Do đó luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt
sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện
Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự.
1.4
Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định thành phần cấu tạo của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy tinh G-FRAC sử
dụng hàm lượng sợi 0%; 0,1%; 0,3%; 0,5%;
- Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy
tinh phân tán;
- Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán;
- Phân tích đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh, bitum polymer PMBIII và bitum thường
mác 40-50 đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng.
1.5
Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về bản chất và các đặc tính sợi thủy tinh và G-FRAC; vai trò của sợi thủy tinh
khi gia cường bê tông asphalt;
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định công thức thành phần của G-FRAC trong phòng thí nghiệm ở Việt
Nam;
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe và khả năng chống mỏi của GFRAC trong điều kiện của Việt Nam.
-
nguon tai.lieu . vn
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Mặt đường bê tông asphalt chiếm tỷ trọng lớn trong mạng lưới đường ô tô trên thế giới và ở Việt Nam do
những ưu điểm về: chất lượng khai thác, giá thành và mức độ thuận lợi trong thi công. Theo số liệu thống
kê, hơn 70% tổng số chiều dài đường cao tốc trên thế giới, 72% tổng chiều dài đường cao tốc ở Đức và hơn
80% tổng chiều dài mạng lưới đường ở Việt Nam sử dụng kết cấu mặt đường bê tông asphalt [18].
Các tiêu chuẩn của thế giới và tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định về đặc tính của bê tông asphalt làm mặt
đường. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng, hai vấn đề cần bổ sung và xem xét: khả năng chống lún và
chịu mỏi của bê tông asphalt. Thông qua thí nghiệm lún vệt bánh xe, chiều sâu lún tương quan với số lượt
tác dụng của tải trọng được xác định. Thông qua thí nghiệm mỏi, tuổi thọ mỏi và các đường đặc tính mỏi
của vật liệu được xác định. Từ những kết quả thí nghiệm đó có thể đánh giá khả năng chống lún và chống
mỏi của vật liệu làm mặt đường ô tô, phục vụ cho quá trình thiết kế và thi công.
Để nâng cao chất lượng bê tông asphalt, hiện nay trên thế giới thường đi theo ba hướng:
+ Sử dụng bitum cải tiến
+ Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lượng cao
+ Cải tiến thành phần hỗn hợp bê tông asphalt bằng vật liệu gia cường
Các loại sợi gia cường trong bê tông asphalt rất đa dạng, như: sợi Cellulose, sợi cácbon, sợi thủy tinh, sợi
Polypropylene, sợi khoáng, v.v… Nghiên cứu của Luận án tập trung vào việc xem xét ảnh hưởng sợi thủy
tinh đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt.
Trên thế giới, từ những năm 60 của thế kỷ trước bê tông asphalt gia cường sợi đã bắt đầu được nghiên cứu
[51], đến nay nghiên cứu tương đối toàn diện và kết quả thấy rằng vật liệu này làm việc tốt trong điều kiện
các nước ôn đới và hàn đới. Vấn đề đặt ra là cốt sợi thủy tinh có cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún
cho vật liệu bê tông asphalt nóng trong điều kiện Việt Nam hay không? Cần phải được nghiên cứu, thực
nghiệm để có câu trả lời.
Do vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún
vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự.
2. Mục đích nghiên cứu
-
Nghiên cứu cơ bản đặc tính chống lún vệt bánh xe, đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt chặt rải
nóng (HMA);
Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấu tạo của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (G-FRAC)
để cải thiện đặc tính chịu mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt;
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe của G-FRAC,
ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh gia cường tới khả năng chống lún vệt bánh xe;
Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của G-FRAC, ảnh hưởng của
hàm lượng sợi thủy tinh gia cường đến đặc tính này.
3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung các vấn đề sau:
- Khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán (GFRAC);
- Khả năng chống mỏi của G-FRAC;
4. Cấu trúc của luận án
Gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chương, phần kết luận, kiến nghị, dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo,
danh mục tài liệu tham khảo. Cụ thể như sau :
Đặt vấn đề nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Sợi thủy tinh và khả năng gia cường sợi thủy tinh trong bê tông asphalt
Chương 3: Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh
Chương 4: Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh
Kết luận, kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo.
Tài liệu tham khảo
2
5. Những đóng góp của đề tài l
-
-
Phân tích được ảnh hưởng của cốt sợi thủy tinh phân tán cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún
vệt bánh của bê tông asphalt chặt nóng;
Phân tích và lựa chọn được mô hình thí nghiệm mỏi và lún vệt bánh xe của bê tông asphalt. Đã lựa
chọn loại cốt sợi thủy tinh phù hợp để gia cường bê tông asphalt;
Đề xuất công thức hỗn hợp bê tông asphalt chặt nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán với hàm
lượng sợi tốt nhất 0,3%, sử dụng bitum PMBIII và bitum 40-50. Đã đưa ra định lượng hiệu quả cải
thiện khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh của bê tông asphalt cốt sợi thủy tinh phân tán với
bê tông asphalt đối chứng với 2 loại bitum PMBIII và 40-50;
Đã xây dựng được 4 đường đặc tính mỏi của bê tông asphalt PMBIII và 4 đường đặc tính mỏi của bê
tông asphalt 40/50 tùy thuộc vào hàm lượng sợi thủy tinh 0%; 0.1%; 0.3%; 0.5% từ thí nghiệm uốn
mỏi theo phương pháp khống chế ứng suất.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Bê tông asphalt rải nóng là vật liệu chính để xây dựng lớp mặt đường ô tô. Trong quá trình khai thác dài hạn,
lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt đường có thể bị phá hoại do mỏi và xuất hiện các biến dạng không hồi
phục (lún vệt bánh xe). Các vấn đề này ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ và an toàn khai thác. Vì vậy, để tăng
cường hai tính chất trên có thể sử dụng biện pháp cải tiến chất lượng bê tông asphalt trong đó có hướng
nghiên cứu sử dụng cốt sợi phân tán. Một số nghiên cứu trên thế giới đã thí nghiệm đặc tính của bê tông
asphalt khi sử dụng sợi các bon, sợi polyester, sợi amiang và sợi thủy tinh theo các chỉ tiêu kỹ thuật thu
được các kết quả tốt.
uận án có ngh a khoa học và thực tiễn, có tính mới, lần đầu tiên triển khai nghiên cứu về bê tông asphalt
sử dụng sợi thủy tinh gia cường, về bê tông asphalt sử dụng nhựa đường 40/50 liên quan đến mỏi và biến
dạng không hồi phục. Luận án đã xác định được hàm lượng sợi thủy tinh phân tán cho bê tông asphalt chặt
rải nóng sử dụng bitum 40/50 và bitum polymer với hàm mục tiêu là chu kỳ mỏi khi khống chế ứng suất và
chiều sâu vệ lún bánh xe. Luận án góp phần làm rõ hơn vai trò của cốt sợi thủy tinh phân tán với hàm lượng
từ 0,1% đến 0,5% trong bê tông asphalt rải nóng. Luận án làm phong phú thêm các kiến thức lý thuyết và
thực nghiệm về cơ chế gia cường cốt sợi phân tán trong bê tông asphalt rải nóng và là tài liệu tham khảo tốt
cho những nhà nghiên cứu về vấn đề trên.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1
Tổng quan đặc tính kháng lún vệt bánh xe và kháng mỏi của bê tông asphalt trong xây dựng
mặt đƣờng ô tô
1.1.1 Các vấn đề chung
1.1.1.1 ịch sử phát triển của bê tông asphalt
1.1.1.2 Khái niệm và phân loại bê tông asphalt
1.1.2 Đặc tính kháng lún vệt bánh xe của bê tông asphalt
1.1.2.1 Giới thiệu chung
Lún vệt bánh xe hay được gọi là biến dạng không hồi phục là một hiện tượng của mặt đường bê tông
asphalt. Nguyên nhân của nó là:
- Sự giảm thể tích của bê tông asphalt do tác dụng đầm nén của bánh xe;
- Ứng suất cắt sinh ra dưới tác dụng lặp đi lặp lại của tải trọng bánh xe, đây là nhân tố cơ bản.
Cơ chế hình thành phát triển của hiện tượng lún vệt bánh xe có thể được chia thành hai trường hợp [14] :
- Trường hợp thứ nhất, lún vệt bánh xe xuất hiện chỉ trong lớp vật liệu bê tông asphalt, ứng suất cắt
trượt xuất hiện trong lớp vật liệu bê tông asphalt lớn hơn cường độ chịu cắt trượt của vật liệu.
- Trường hợp thứ hai, biến dạng gây ra lún vệt bánh xe chủ yếu xảy ra trong lớp nền và lớp móng hơn
là xảy ra trong lớp bê tông asphalt.
Để đánh giá đặc tính này của bê tông asphalt, người ta có thể sử dụng các dạng thí nghiệm mô phỏng khả
năng chịu lún của mẫu vật liệu dưới tác động của tải trọng bánh xe ngoài thực tế. Có nhiều tiêu chuẩn như:
AASHTO T324; BS EN 12697-22:2004.
1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kháng lún vệt bánh xe:
- Cốt liệu
3
-
Bitum
Bột khoáng
Tải trọng
Nhiệt độ cao
Ở ngưỡng nhiệt độ cao, thay đổi từ 46oC đến 82oC [2], mặt đường HMA thường xuất hiện tình trạng trồi lún.
Tại Hà nội, trong 10 năm gần đây, nhiệt độ không khí cao nhất trong năm theo thống kê của Trung tâm tư liệu khí tượng
thủy văn luôn đạt ở ngưỡng cao và rất cao, dao động xung quanh mốc 39oC. Ta có biểu đồ nhiệt độ tại mặt đường
(chiều sâu 20mm dưới lớp bê tông asphalt) như Hình 1-1.
Hình 1-1 Nhiệt độ môi trường và nhiệt độ mặt đường Asphalt tại Hà nội
trong 10 năm gần đây
Biến dạng ban đầu (m/m)
- Nước
1.1.3 Đặc tính kháng mỏi của bê tông asphalt
1.1.3.1 Giới thiệu chung
Bản chất hiện tượng mỏi là sự suy giảm độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng trùng phục. Dưới tác
dụng của tải trọng ban đầu các vết nứt vi mô xuất hiện trong vật liệu. Dần dần, các vết nứt vi mô phát triển,
liên kết và hình thành vết nứt lớn gây suy giảm cường độ, phá hoại mặt đường.
Để đánh giá đặc tính mỏi của bê tông asphalt người ta tiến hành hai nhóm thí nghiệm chính: nhóm thực
nghiệm hiện trường và nhóm thí nghiệm trong phòng.
Nhóm thí nghiệm hiện trường
Nhóm trong phòng thí nghiệm có thể chia làm 3 loại lớn:
- Thí nghiệm uốn (hai, ba, bốn điểm);
- Thí nghiệm kéo nén (trực tiếp hoặc gián tiếp);
- Thí nghiệm trượt.
Hai dạng thí nghiệm được sử dụng:
- Thí nghiệm khống chế biến dạng;
- Thí nghiệm khống chế ứng suất.
1.1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt
Nhiệt độ
Thí nghiệm khống chế ứng suất
Với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất, nhiều nghiên cứu thấy rằng tuổi thọ mỏi giảm đi khi nhiệt độ tăng
lên [65]. Trong một vài nghiên cứu, phân tích những thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất chỉ ra rằng, khi thể
hiện tuổi thọ mỏi theo sự thay đổi của biến dạng ban đầu, đường đặc tính mỏi là duy nhất không bị ảnh
hưởng của yếu tố nhiệt độ khi nhiệt độ thí nghiệm trong khoảng từ -10oC đến 20oC. [80] (Hình 1-2).
Tuổi thọ mỏi N (chu kì)
Hình 1-2. Đường đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất [80]
4
iên quan đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới vị trí phá hủy trong thí nghiệm mỏi, Kim đã làm các thí nghiệm
mỏi khống chế ứng suất, ép theo phương đường kính của mẫu trụ tròn [52]. Kết quả chỉ ra rằng ở 0°C, vị trí
vết phá hủy nằm ở màng bitum hoặc thậm chí là cốt liệu đá, trừ những trường hợp vật liệu kém dính. Còn ở
20°C, vị trí nứt mỏi nằm ở bề mặt tiếp xúc của đá và bitum.
- Nhiệt độ thấp
Bê tông asphalt là một loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp từ - 10oC đến - 46oC [2], bitum
trong hỗn hợp bê tông asphalt bị hóa cứng khiến cho cốt liệu dễ bị bong bật khỏi chất kết dính asphalt. Gây
nên hiện tượng gẫy vỡ của lớp bê tông asphalt mặt đường.
Biểu đồ nhiệt độ thấp nhất của mặt đường thể hiện trên Hình 1-3. Đây có thể lấy làm cơ sở ngưỡng nhiệt độ
thấp để nghiên cứu tuổi thọ mỏi của mặt đường bê tông asphalt. Theo phân vùng khí hậu của Việt Nam, các
khu vực khác nhau có thể có ngưỡng nhiệt độ thấp hơn (như vùng núi phía Bắc) hoặc cao hơn (như vùng
miền Nam Trung Bộ và Nam Bộ).
Hình 1-3 Nhiệt độ mặt đường thấp nhất 6 năm ở Hà nội
Tần số tác dụng lực
Yếu tố tần số tác dụng lực ít được nghiên cứu hơn so với nhiệt độ. Nghiên cứu của Doan chỉ ra rằng khi tần
số tác dụng lực tăng, tuổi thọ mỏi giảm với thí nghiệm khống chế biến dạng và tăng với thí nghiệm khống
chế ứng suất [80]
Hình dạng mẫu
Thời gian nghỉ tác dụng lực
Hai dạng sơ đồ tác dụng tải thường được sử dụng trong các thí nghiệm có thời gian chờ:
- Tác dụng nhiều chu kì tải liên tục sau đó là thời gian nghỉ chờ dài;
- Tác dụng như xung lực, sau mỗi chu kì đều có khoảng nghỉ và lặp lại nhiều lần.
Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt tăng lên khi có thời gian nghỉ chờ
trong các thí nghiệm mỏi [28], [80]. Tuy nhiên thời gian nghỉ chờ cũng có giới hạn hiệu quả. Vượt qua
khoảng giới hạn này, tăng thời gian nghỉ không làm tăng tuổi thọ mỏi của vật liệu. Thời gian nghỉ chờ gấp
10 lần thời gian tác dụng lực được lấy là ngưỡng thí nghiệm đánh giá tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt [21].
Bitum
Nhìn chung, sử dụng các loại bitum polyme, bitum cải tiến sẽ làm tăng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt.
Cốt liệu và bột khoáng
Kết quả nghiên cứu của một số tác giả [27] cho rằng hình dạng cốt liệu ảnh hưởng ít đến đặc tính mỏi của bê
tông asphalt. Kim chỉ ra rằng tính dính bám của bitum và cốt liệu có ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê
tông asphalt [52]. Mặt khác bê tông asphalt sử dụng cấp phối gián đoạn có tuổi thọ mỏi kém hơn so với bê
tông asphalt sử dụng cấp phối liên tục [60]
Cũng giống như hàm lương bitum, bê tông asphalt cũng tồn tại một hàm lượng bột khoáng thiết kế cho sức
kháng mỏi [83]. Hàm lượng này khoảng từ 7-9% đối với hỗn hợp đá bitum sử dụng làm lớp móng (GB Grave Bitume) ở Pháp.
1.2
Các nghiên cứu về biện pháp cải thiện đặc tính kháng lún vệt bánh xe và đặc tính chịu mỏi của
bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam
Để cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và đặc tính mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng, hiện nay thế giới nói
chung và ở Việt Nam nói riêng đã và đang sử dụng theo ba hướng:
- Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lượng cao;
5
Cải tiến thành phần hỗn hợp bằng vật liệu gia cường;
Sử dụng bitum cải tiến.
Luận án tập trung hướng cải tiến bằng vật liệu gia cường và sử dụng bitum cải tiến.
1.2.1 Sử dụng sợi gia cƣờng
Trên thế giới, một trong những biện pháp cải tiến thành phần chế tạo hữu hiệu nhất để nâng cao chất lượng
của bê tông asphalt là biện pháp gia cường sợi trong bê tông asphalt. Phương pháp này đã được nghiên cứu
từ những năm 60 của thế kỷ trước [51] và đã được nghiên cứu sử dụng ở nhiều nước như Hoa Kỳ, Nhật
Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc v.v…
- Bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (Glass fiber)
- Bê tông asphalt gia cường sợi cacbon
- Bê tông asphalt gia cường sợi polypropylen
- Bê tông asphalt sử dụng sợi Cellulose phân tán
- Bê tông asphalt gia cường sợi polypropylen
- Bê tông asphalt gia cường sợi polyester
1.2.2 Sử dụng bitum cải tiến
Bitum là chất kết dính tạo tính đàn - nhớt cho bê tông asphalt. Một số phương pháp cải tiến bitum được trình
bày sau đây:
- Bitum polime
- Bium cải tiến bằng cách cho thêm lưu huỳnh
- Bitum cải tiến bằng cách cho thêm cao su
- Bitum cải tiến bằng cách cho thêm cao su dẻo nhiệt
1.3
Xác định vấn đề nghiên cứu
Các biện pháp cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và đặc tính mỏi của bê tông asphalt đã được phân tích và
đánh giá ở phần 1.2. Nhìn chung biện pháp gia cường sợi phân tán là một trong những biện pháp hữu hiệu
để cải thiện khả năng làm việc của bê tông asphalt.
Việc nghiên cứu mới chỉ ở giai đoạn bước đầu, các nghiên cứu về bê tông asphalt chặt rải nóng sử dụng cốt
sợi thủy tinh còn hạn chế, khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe chưa được đề cập đầy đủ. Chưa
có nghiên cứu nào về khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh và
chưa đề cập đến ảnh hưởng của điều kiện nhiệt đới ở Việt Nam. Do đó luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt
sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện
Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự.
1.4
Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định thành phần cấu tạo của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy tinh G-FRAC sử
dụng hàm lượng sợi 0%; 0,1%; 0,3%; 0,5%;
- Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy
tinh phân tán;
- Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán;
- Phân tích đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh, bitum polymer PMBIII và bitum thường
mác 40-50 đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng.
1.5
Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về bản chất và các đặc tính sợi thủy tinh và G-FRAC; vai trò của sợi thủy tinh
khi gia cường bê tông asphalt;
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định công thức thành phần của G-FRAC trong phòng thí nghiệm ở Việt
Nam;
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe và khả năng chống mỏi của GFRAC trong điều kiện của Việt Nam.
-