Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa chặt ở việt nam tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN NHƯ HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9580205 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng đường ô tô và đường thành phố TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Đồng Xuân Trường, Nguyễn Như Hải, Nguyễn Quang Phúc (2018), “Nghiên cứu áp dụng mô hình Witczak cải tiến dự báo mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam” Tạp chí giao thông vận tải số ISSN 2354-0818, tháng 11/2018. 2. Nguyễn Như Hải (2018), “Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của BTNC ở Việt Nam” Hội thảo quốc tế các kỹ sư đường bộ tại Hàn Quốc (International Conference for Road Engineers (June 2018). 3. Nguyễn Như Hải (2017), “Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa mô đun cắt phức và góc pha của một số loại bitum ở Việt Nam” Tạp chí khoa học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 58, tháng 6 năm 2017. 4. Nguyễn Như Hải (2016), “Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun phức động của bê tông nhựa” Tạp chí giao thông vận tải, số 8, tháng 8 năm 2016 5. Nguyễn Quang Phúc, Phạm Thanh Hà, Nguyễn Như Hải (2016), “Lựa chọn loại nhựa đường phù hợp với điều kiện giao thông và khí hậu trong thiết kế bê tông nhựa” Tạp chí khoa học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 51, tháng 4 năm 2016. 6. Nguyễn Như Hải, Nguyễn Quang Phúc (2015), “Ảnh hưởng của loại bitum và chiều dày lớp bê tông nhựa tăng cường tới các đặc tính nứt phản ánh và lún vệt bánh xe trong kết cấu mặt đường” Tạp chí khoa học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 48, tháng 10 năm 2015. 7. Nguyễn Quang Phúc, Nguyễn Như Hải (2013), “Lựa chọn loại nhựa đường phù hợp trong thiết kế bê tông nhựa” Tạp chí khoa học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 42, tháng 06 năm 2013. 1: PGS.TS Nguyễn Quang Phúc 2: PGS .TS Vũ Đức Chính Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi giờ’ ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Quốc gia 2. Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải -1MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Mô đun động của BTN (Dynamic modulus of Asphalt concrete, |E*|) và mô đun cắt động của bitum (|G*|) là hai trong số các thông số đầu vào rất quan trọng được sử dụng để phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp cơ học- thực nghiệm, còn được gọi tắt là phương pháp (ME). Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được các mô hình dự báo |E*| theo các tính chất của bitum (|G*|, góc pha và độ nhớt) và một số thông số khác như độ rỗng dư Va, độ rỗng cốt liệu VMA, thể tích có hiệu của bitum Vbeff…để áp dụng cho phân tích kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm. Tuy nhiên, các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ được thiết lập theo các điều kiện cụ thể của Hoa Kỳ trong một số dự án nhất định, nên chỉ phù hợp với đặc thù về vật liệu, khí hậu, ... của các dự án đó. Vì vậy để có thể áp dụng các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ vào Việt Nam cần có các nghiên cứu thực nghiệm để hiệu chỉnh lại các hệ số trong mô hình dự báo theo điều kiện vật liệu địa phương. Trong phạm vi của luận án, chỉ nghiên cứu và hiệu chỉnh các hệ số cho ba mô hình đã và đang được sử dụng trong phầm mềm thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm ở Hoa Kỳ gồm có:    Mô hình Witczak đầu tiên (Original Witczak Equation). Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak Equation). Mô hình Hirsh (Hirsch model). Kết quả nghiên cứu của luận án đã xác định được mô hình Witczak cải tiến (sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số trong mô hình dự báo theo điều kiện vật liệu Việt Nam) có khả năng dự báo |E*| với độ chính xác cao nhất. Luận án cũng đã sử dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào tới giá trị của |E*| cho ba mô hình trên và cho thấy rằng giá trị của |E*| bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi tính chất vật liệu bitum (|G*|, góc pha, độ nhớt của bitum). Các thông số còn lại như độ rỗng dư -2Va, độ rỗng cốt liệu VMA, độ rỗng lấp đầy nhựa VFA…. có ảnh hưởng tới giá trị của |E*| nhưng không nhiều. 2. Tính cần thiết của luận án Phương pháp (ME) của Hoa Kỳ là phương pháp thiết kế mặt đường rất hiện đại, có khả năng dự báo được các dạng hư hỏng của kết cấu mặt đường trong khai thác theo thời gian như hằn lún vệt bánh, chỉ số độ gồ ghề quốc tế (IRI), nứt phân bố, nứt nhiệt…với yêu cầu các giá trị đầu vào rất chặt chẽ, đặc biệt với vật liệu BTN sử dụng giá trị |E*|, với bitum (nhựa đường) sử dụng các thông số |G*| và góc pha nên phản ánh được ứng xử của vật liệu BTN và bitum là các vật liệu có tính đàn nhớt, do vậy kết quả phân tích kết cấu có độ tin cậy cao. Ở Việt Nam, do vấn đề kinh phí cho công tác nghiên cứu nên các nghiên cứu về việc áp dụng phương pháp (ME) vào Việt Nam trong thời gian qua còn hạn chế. Với mục tiêu hướng tới áp dụng phương pháp (ME) vào phân tích kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam trong tương lai, việc triển khai nghiên cứu đề tài này là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có tính thời sự nhằm từng bước tiếp cận công nghệ hiện đại trong xây dựng và khai thác đường bộ. Trong phạm vi luận án, sẽ tập trung giải quyết một phần về các vấn đề cấp thiết để phục vụ việc áp dụng phương pháp (ME) vào điều kiện Việt Nam trong tương lai đó là “nghiên cứu về mối quan hệ của |E*| với tính chất của bitum” mà bản chất là (mối quan hệ |E*|- |G*|, góc pha) trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định mô hình dự báo |E*| phù hợp theo điều kiện vật liệu, khí hậu địa phương. 3. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài là xác định được mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa (|G*|, góc pha, độ nhớt) của các loại bitum (60/70, 40/50, 35/50, PMBIII) với mô đun động |E*| của hai loại BTNC (BTNC 12.5 và BTNC 19) của Việt Nam theo các mô hình Witczak và mô hình Hirsch. Các hệ số trong các mô hình này sẽ được hiệu chỉnh lại để các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ có khả năng dự báo |E*| với độ chính xác cao theo tiêu chuẩn thống kê với (R2 ≥0.9; Se/Sy ≤0.35) cho các vật liệu BTNC ở Việt Nam. Đồng thời xác định được mô hình nào có khả năng dự báo |E*| tốt nhất. -34. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Việc nghiên cứu của luận án sẽ tập trung vào nghiên cứu tính chất và vật liệu bitum và hỗn hợp BTNC ở Việt Nam. Do hạn chế về thời gian và kinh phí, nên trong phạm vi luận án chỉ tiến hành nghiên cứu các chỉ tiêu cơ học (|G*| và góc pha) của bitum 60/70 và có xét tới nhu cầu sử dụng vật liệu bitum có độ quánh cao và bitum cải tiến polymer để nâng cao khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe và tăng độ bền và tuổi thọ của mặt đường BTN. Cụ thể việc nghiên cứu sẽ tập chung nghiên cứu mô đun cắt động |G*| và góc pha của các loại bitum (60/70; 35/50; 40/50; PMBIII) và mô đun động |E*| của BTNC 12.5, BTNC19 sử dụng các loại cốt liệu được sản xuất từ đá vôi, đá bazan, đá granit, bột khoáng được sản xuất từ đá gốc là đá vôi. Các yêu cầu về tiêu chuẩn vật liệu và cấp phối tuân thủ theo TCVN 8819: 2011 [2]. Điều kiện nhiệt độ lấy theo khí hậu của miền Bắc Việt Nam. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Trong đó:   Nghiên cứu lý thuyết sẽ nghiên cứu bản chất mô đun cắt động của bitum |G*|, mô đun động |E*| của BTN, và các yếu tố ảnh hưởng đến |G*|, góc pha của bitum, mô đun động của BTN (|E*|) và phương pháp xác định |G*|, góc pha δb, |E*| và cách xây dựng đường cong chủ của |G*|, δb, |E*|. Các mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa |E*| với (|G*|, góc pha δb, độ nhớt (η) của bitum đã được công bố trên thế giới. Nghiên cứu thực nghiệm sẽ xác định các giá trị |G*|, δb, |E*| bằng thực nghiệm và xây dựng mối quan hệ tương quan thực nghiệm theo các mô hình dự báo của Hoa Kỳ theo điều kiện Việt Nam. Giá trị độ nhớt của bitum được xác định theo mối quan hệ tương quan với |G*| và tần số góc theo quy tắc thực nghiệm Cox-Merz. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài -4 Luận án đã phân tích được cơ sở khoa học của các thông số bê tông nhựa sử dụng trong phương pháp cơ học thực nghiệm, đã chứng tỏ có thể sử dụng phương pháp hiện đại này để thiết kế kết cấu mặt đường ở Việt Nam;  Điểm mới của luận án là đã xây dựng được mối quan hệ thực nghiệm giữa tính chất của bitum và giá trị mô đun động của BTNC theo điều kiện của Việt Nam phục vụ việc dự báo |E*| theo |G*| và góc pha (δ) và các chỉ tiêu thiết kế của hỗn hợp BTN để áp dụng cho thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp (ME) ở Việt Nam trong tương lai. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài   Luận án đã đưa ra được bộ giá trị |E*| của các loại BTNC sử dụng cốt liệu và bitum điển hình để sử dụng trong phân tích, thiết kế kết cấu mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm ở Việt Nam. Luận án đã xây dựng được mô hình dự báo |E*| trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm của vật liệu (chất kết dính, cốt liệu) phổ biến ở Việt Nam và có xét tới nhu cầu sử dụng bitum có độ quánh cao và bitum cải tiến PMBIII, căn cứ vào mô hình dự báo |E*|, các kỹ sư, các chuyên gia và cán bộ chuyên ngành có thể tham khảo công thức này để dự báo |E*| của BTNC phục vụ mục đích nghiên cứu hoặc thiết kế. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA 1.1.2 Các tính chất của bitum Do bitum có tính đàn nhớt và ứng xử phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng nên các tính chất của bitum gồm các chỉ tiêu vật lý (độ kim lún, điểm hóa mềm, ….) và các chỉ tiêu cơ học (mô đun độ cứng, mô đun cắt động của bitum |G*|). 1.2 Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) của bitum (|G*|) 1.2.1 Mô đun cắt động của bitum Mô đun cắt động của bitum (|G*|) là giá trị tuyệt đối của mô đun cắt phức của bitum, (complex shear modulus), (G*). Về bản chất là độ cứng của -5bitum hay khả năng chống lại biến dạng của bitum dưới tác dụng của tải trọng động hình sin, theo định nghĩa là tỷ số của giá trị tuyệt đối của ứng suất cắt lớn nhất (τmax) và biến dạng cắt lớn nhất (γmax). 1.2.2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum Mô đun cắt độngcủa bitum (|G*|) được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Hiện nay trên thế giới sử dụng hai loại thiết bị thí nghiệm để xác định |G*| là thiết bị cắt động lưu biến DSR (Dynamic shear Rheometer) hoặc thiết bị phân tích cơ học động (DMA) “Dynamic Mechanical Analyzer”. Khi xác định |G*| bằng thiết bị (DMA) thì dạng thí nghiệm theo mô hình kéo-nén áp dụng cho nhiệt độ T≤20oC và dạng cắt góc áp dụng với T≥20oC. Hình 1.5 minh họa xác định |G*| bằng thiết bị (DMA) Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB tại IFSTAR 1.2.3 Các nghiên cứu về mô đun cắt động và góc pha của bitum Có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới về |G*| và góc pha (δb) của bitum thường và bitum cải tiến nhằm xác định |G*|, (δb), đánh giá chất lượng và phân loại các loại bitum khác nhau thông qua các thông số |G*| và góc pha (δ). -6- 1.4 Mô đun phức động của bê tông nha 1.4.1 Mô đun phức của bê tông nhựa Mô đun phức của BTN (E*) là số phức xác định mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng đối với vật liệu đàn nhớt tuyến tính. [55], [71], [78]. Công thức xác định mô đun phức, phương trình 1.9.  .eit E*  io(t  )  E1  iE2 (1.9) o Trong đó: σ0 - ứng suất tác dụng dọc trục lớn nhất (maximum stress), psi(Kpa). ε0 - biến dạng phục hồi dọc trục lớn nhất (maximum strain), in/in(m/m). δ - Góc pha (độ), ω – Vận tốc góc, và t- Thời gian, (s). Hình 1.17: Sự trễ pha của biến dạng so với ứng suất, [51] 1.4.2 Mô đun động của bê tông nhựa Mô đun động của BTN là giá trị tuyệt đối của mô đun phức, ký hiệu |E*|. Công thức xác định mô đun động |E*| như phương trình (1.10). (1.10) Trong đó: σ0 và ε0 lần lượt là ứng suất dọc trục lớn nhất và biến dạng phục hồi dọc trục lớn nhất và được minh họa trong Hình 1.17. -71.4.3 Phương pháp xác định mô đun động của bê tông nhựa Mô đun động của BTN được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Để có thể xác định được |E*| ở nhiệt độ, tần số bất kỳ, cần phải xây dựng đường cong chủ của |E*| trên cơ sở các dữ liệu thực nghiệm đã biết với nguyên lý xây dựng đường cong chủ như hình Hình 1.21: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |E*| [24] 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa Giá trị của |E*| bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố, tuy nhiên các nghiên cứu trên thế giới cho thấy giá trị của |E*| bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi các giá trị |G*|, góc pha (δ) và độ nhớt của bitum, ví dụ Hình 1.29: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Witczak cải tiến [61] Hình 1.30: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mô hình Hirsch [61] 1.6 Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với đun động của bê tông nhựa 1.6.1 Các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với mô đun động được nghiên cứu nhiều trên thế giới, trong đó các nghiên cứu có độ chính xác cao và được ứng dụng vào thực tiễn là các mô hình Witczak và mô hình Hirsch của Hoa Kỳ. -8 Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive model) Phương trình dự báo mô đun động của BTN có dạng: |E*| = f(P200, P4, P3/8 , P3/4 , Va,Vbeff, f, η(loại bitum,nhiệt độ) (1.12) Trong đó: |E*|- Mô đun động của BTN, (psi). P200 – Phần trăm hạt lọt qua sàng số 200. P4, P3/8 và P3/4 lần lượt là phần trăm hạt giữ lại trên sàng số 4, số 3/8in (9.56mm) và trên sàng số 3/4 (in) (19.01mm). Va – Phần trăm độ rỗng dư của hỗn hợp BTN (theo thể tích). Vbeff – Phần trăm hàm lượng nhựa có hiệu (có ích) của BTN theo thể tích. f – Tần số tác dụng của tải trọng, (Hz). Tần số f trong thí nghiệm |E*| có quan hệ với tần số fc (thí nghiệm |G*|) theo phương trình 1.13 (f=2πfc). và (η) - Độ nhớt của bitum tại nhiệt độ tính toán (106 Poise/105 Pas).  Mô hình Witczak cải tiến Mô hình Witczak cải tiến được Bari và Witczak phát triển năm 2006 Phương trình dự báo |E*| (Phương trình 1.14). |E*| = f(P200, P4, P3/4 ,P3/8 ,Va,Vbeff, f, |G*|, δb) (1.14) 2 Với |G*| – Mô đun cắt động của bitum (Pound/in ), và δb – Góc pha của bitum xác định cùng với |G*|, độ. Các ký hiệu khác có ý nghĩa như trong phương trình 1.12.  Mô hình Hirsch (Hirsch Model) Mô hình Hirsh là mô hình dự báo |E*| bán thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết vật liệu hỗn hợp bao gồm các phần tử chuỗi và song song của các pha khác nhau. Phương trình dự báo |E*| và góc pha của BTN là hàm của đặc trưng thể tích và mô đun cắt độngcủa bitum theo dạng sau. (|E*| và δ) = f(VMA, VFA,|G*|) (1.15) Trong đó: |E*| – Mô đun động của BTN (psi). Pc – Hệ số tiếp xúc cốt liệu; δ – Góc pha của hỗn hợp BTN. |G*|, mô đun động của bitum, (psi). VFA- độ rỗng lấp đầy nhựa, (%), và VMA- Độ rỗng cốt liệu, (%). 1.6.2 Các nghiên cứu đã thực hiện ở Việt Nam về ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun phức động của bê tông nhựa -9Ở Việt Nam do điều kiện về kinh phí cho công tác nghiên cứu, nên các nghiên cứu cụ thể về mô đun cắt động của bitum |G*| và mô đun động của BTNC còn rất hạn chế và chỉ ở phạm vi rất hẹp. 1.7 Ảnh hưởng của mô đun động của bê tông nhựa tới đặc trưng khai thác của mặt đường mềm Kỹ thuật phân tích độ nhạy đã được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của |E*| tới đặc trưng khai thác của mặt đường ở Hoa Kỳ đã cho thấy rằng |E*| ảnh hưởng rất lớn tới các đặc trưng khai thác của mặt đường mềm gồm nứt phân bố, hằn lún vệt bánh ở mức độ nhạy cao và với chỉ số độ gồ ghề (IRI) với mức độ “rất nhạy”. 1.8 Những vấn đề cần giải quyết trong luận án Các nghiên cứu về |G*| và |E*| ở Việt Nam tới hiện tại còn mới và có rất ít, chỉ dừn ở phạm vi nghiên cứu của đề tài thạc sĩ, hoặc một số công trình khoa học nhỏ, không đủ cơ sở dữ liệu để phân tích thống kê và đánh giá cũng như xây dựng mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa |E*| và |G*|. Do vậy, việc thực hiện các nghiên cứu sâu và cụ thể về |G*| của các loại bitum và |E*| của các loại BTNC ở Việt Nam để hiệu chỉnh các phương trình dự báo |E*| theo điều kiện cụ thể của Việt Nam là rất cần thiết. 1.8.3 Nội dung nghiên cứu Để giải quyết các vấn đề còn tồn tại, nội dung nghiên cứu của luận án gồm có: - Nghiên cứu lý thuyết về bản chất |G*|, góc pha (δ), độ nhớt, |E*| và mối quan hệ thực nghiệm giữa (|G*|, góc pha (δ), độ nhớt) của bitum với |E*| theo các mô hình Witczak và mô hình Hirsch. - Nghiên cứu thực nghiệm (xác định|G*|, góc pha (δ), độ nhớt của bitum (60/70; 40/50;35/50 và PMBIII), xác định |E*| của BTNC 12.5 và BTNC 19. Xây dựng các mối quan hệ |E*| - (|G*|, góc pha (δ), độ nhớt) của các loại bitum theo điều kiện Việt Nam Chương 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÔ HÌNH 2S2P1D ĐỂ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG CHỦ CỦA MÔ ĐUN CẮT ĐỘNGVÀ GÓC PHA CỦA MỘT SỐ LOẠI BITUM Ở VIỆT NAM Nội dung của chương 2 là xác định được các thông số trong mô hình 2S2P1D trên cơ sở các kết quả thực nghiệm (|G*|, góc pha của các loại - 10 bitum 60/70; 40/50; 35/50 và PMBIII), xây dựng các đường cong chủ của |G*|, góc pha (δ) của các loại bitum phục vụ nghiên cứu tương quan thực nghiệm |E*| - (|G*|, góc pha (δ), độ nhớt) trong chương 3. 2.1 Lựa chọn vật liệu bitum 4 loại bitum (60/70; 40/50; 35/50 và PMBIII) được lựa chọn để nghiên cứu. Các chỉ tiêu vật lý của bitum được thực hiện phòng thí nghiệm kiểm định trọng điểm trường Đại học GTVT (LAS XD 1256). 2.3 Xác định mô đun cắt động và góc pha của bitum Mô đun cắt động |G*| và góc pha của bitum được xác định tại phòng thí nghiệm kết cấu hạ tầng giao thông Cộng Hòa Pháp (IFSTAR) với thiết bị phân tích cơ học động (DMA). 2.3.2 Xác định các thông số thí nghiệm Các thông số thí nghiệm gồm có nhiệt độ, tần số, độ lớn của tải trọng tác dụng. 2.3.2.1 Nhiệt độ thí nghiệm Giá trị nhiệt độ với bitum thường thấp nhất từ (-9.9oC - 50oC) với bitum 60/70 và từ (-9.9oC - 60oC) với bitum 40/50 và bitum 35/50. Với Bitum PMBIII từ (-19.9oC - 80oC). 2.3.2.2 Tần số thí nghiệm Tần số thí nghiệm từ 1 Hz- 80 Hz. 2.3.2.3 Độ lớn của tải trọng tác dụng Độ lớn của tải trọng được kiểm soát để sao cho chuyển vị của mẫu trong miền biến dạng nhỏ. 2.4.2 Xây dựng đường cong chủ của mô đun cắt động và góc pha cho các loại bitum ở Việt Nam theo mô hình 2S2P1D 2.4.2.1 Xác định các thông số trong mô hình 2S2P1D Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm, sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu sẽ xác định được các thông số của mô hình 2S2P1D tại các nhiệt độ khác nhau. Kết quả phân tích thống kê cho thấy mô hình 2S2P1D mô phỏng rất tốt giá trị |G*| và góc pha của các loại bitum với các chỉ tiêu thống kê (R2 ≥0.999, Se/Sy≤0.05) với |G*| và (R2 ≥0.99, Se/Sy≤0.138) với góc pha. - 11 2.4.2.4 So sánh các loại bitum với nhau trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô hình 2S2P1D đã xây dựng (Hình 2.14 và hình 2.15)  Mô hình 2S2P1D mô phỏng rất tốt ứng xử đàn nhớt của vật liệu bitum - 12  Ở phạm vi tần số <10 Hz. Khi tần số giảm, các loại bitum thường có giá trị |G*| giảm dần tới giá trị nhỏ nhất (G00 =0 Kpa), và góc pha tăng dần tiệp cận tới 90o, còn với bitum PMBIII, giá trị |G*| giảm dần tới giá trị nhỏ nhất (G00 =0.3 Kpa), nhưng góc pha lại có xu hướng giảm theo xu hướng của tần số. Điều này do ảnh hưởng của chất phụ gia trong bitum PMBIII làm tăng tính đàn hồi của vật liệu bitum. Chương 3: NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ THỰC NGHIỆM GIỮA MÔ ĐUN CẮT ĐỘNG CỦA BITUM VÀ MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM Mục đích chương 3 là xây dựng được mối quan hệ giữa (|G*|, η, δ) với giá trị mô đun động |E*| của BTN trên cơ sở các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ (các mô hình Witczak, mô hình Hirsch) và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về |E*| của BTNC 12.5 và BTNC 19 ở Việt Nam. 3.1 Lựa chọn vật liệu, cấp phối và thiết kế bê tông nhựa 4 loại vật liệu bitum (60/70; 40/50; 35/50 và PMBIII), ba loại đá (vôi, bazan, granit), bột khoáng là đá vôi của mỏ gọng vối và 6 cấp phối theo TCVN 8819: 2011 (3 cấp phối cho BTNC 12.5 và 3 cấp phối cho BTNC 19). Chi tiết các cấp phối sử dụng trong luận án như bảng 3.5. Phương pháp thiết kế BTN là phương pháp Marshall. - 13 3.2 Thiết kế quy hoạch thí nghiệm Việc thiết kế mẫu theo phương pháp Taguchi với 36 tổ mẫu theo quy hoạch mẫu và hai tổ mẫu thiết kế kiểm chứng, tổng cộng có 38 tổ mẫu cho nghiên cứu thực nghiệm. 3.3 Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa Sử dụng phương pháp phân tích độ nhạy tổng thể với sự trợ giúp của phần mềm Orcral Crystal Ball để phân tích độ nhạy cho các mô hình Witczak và mô hình Hirsch. Kết quả phân tích độ nhạy cho thấy |G*|, góc pha, độ nhớt của bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị |E*|, các yếu tố còn lại có ảnh hưởng nhưng rất ít. - 14 - Từ các hình 3.8- 3.10 cho thấy loại bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị của |E*|, các thông số khác ảnh hưởng tới |E*| không nhiều. Lý do là bitum là vật liệu đàn nhớt, giá trị |G*| ở nhiệt độ thấp (≤0) so với |G*| ở nhiệt đô cao (50oC) thay đổi hàng nghìn lần. 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm xác định mô động và đề xuất các hệ số của mô hình dự báo mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam 3.4.1.1 Chuẩn bị vật liệu, thiết bị và đúc mẫu phục vụ công tác thí nghiệm mô đun động của các loại bê tông nhựa Đúc các mẫu bitum theo quy hoạch mẫu với các hàm lượng bitum khác nhau như các bảng (3.9 và bảng 3.10). Thiết bị thí nghiệm là thiết bị của CRT-UTM-NU của phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng của trường ĐHGTVT, thiết bị này đã được kiểm định và có khả năng thực hiện các thí nghiệm liên quan tới BTN theo các tiêu chuẩn AASHTO TP-62/TP 79, EN 12697-25/26, ASTM D7369/D4123/D349. Trong luận án sử dụng tiêu chuẩn thí nghiệm |E*| theo AASHTO TP 62. Các nhiệt độ trong thí nghiệm là (10oC, 25oC, 40oC và 55oC). Số chu kỳ và tần số trong thí nghiệm |E*| như bảng 3.14 - 15 - 3.5. Xây dựng đường cong chủ (Master curve) của |E*| Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm sẽ xác định được các thông số của đường cho chủ của |E*| cho các mẫu BTNC khác nhau. Từ các thông số của đường cong chủ xác định được các giá trị |E*| ở các mức nhiệt độ (-5oC, 10oC, 30oC, 40oC và 60oC). Các giá trị |E*| này có thể coi như |E*| thực nghiệm vì các thông số thống kê có các giá trị hệ số xác định R2 ≥0.976 và tỷ số Se/Sy ≤0.18. Hình 3.16 là đường cong chủ của BTNC 12.5 với nhiệt độ tham chiếu 10oC Hình 3.16: Đường cong chủ của |E*| (BTNC 12.5, nhiệt độ tham chiếu là 10oC) 3.6. Phương trình dự báo mô đun động cho bê tông nhựa chặt ở Việt Nam Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu thực nghiệm ở chương 2 và chương 3, tiến hành xác định các giá trị |G*|, góc pha, độ nhớt của bitum theo mô hình 2S2P1D ở các mức nhiệt độ và tần số trong bảng 3.17. Trong đó, - 16 f(Hz) là tần số trong thí nghiệm |E*| có quan hệ với tần số fc trong thí nghiệm |G*| như nêu ở mục 1.6 (f=2πfc). Trên cơ sở các kết quả |G*|, góc pha, độ nhớt của bitum và các giá trị |E*| xác định theo bảng 3.17. Thiết lập mối quan hệ |E*| với |G*|, góc pha, độ nhớt, độ rỗng dư Va, độ rỗng cốt liệu VMA, độ rỗng lấp đầy nhựa VFA, cấp phối hạt … theo các mô hình Witczak và mô hình Hirsch, xác định được các hệ số trong các mô hình dự báo |E*| theo điều kiện Việt Nam như các bảng 3.18 –bảng 3.20. Dấu của các hệ số trong các mô hình không thay đổi so với mô hình ban đầu. Từ các hệ số trong các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ đã đã hiệu chỉnh theo điều kiện vật liệu của Việt Nam tổng hợp trong các bảng 3.18 – bảng 3.20. Các dạng phương trình dự báo |E*| của BTNC ở Việt Nam như sau: - 17 3.6.1.1. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Witczak ban đầu Phương trình dự báo |E*| của BTNC theo mô hình Witczak ban đầu sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số theo điều kiện của Việt Nam như phương trình 3.4. Log | E* | 3.462  0.156 P200  0.0109(P200 ) 2  0.00001P4  0.0072Va  2.88  0.0054 P4  0.0055P3/8  0.000055(P3/8 ) 2  0.0155P3/ 4 1  e( 0.478 0.39 log(f)  0.442 log( )) (3.4) 3.6.1.2. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Witczak cải tiến Phương trình dự báo |E*| của BTNC theo mô hình Witczak cải tiến sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số theo điều kiện vật liệu của Việt Nam có dạng phương như phương trình 3.5.     2 7.174  0.00062 P200  0.0015( P200 )  0.00825P4    log E*  0.124  0.6242(| G* |0.013 ) x  0.00019(P4 ) 2  0.0123P3/8     Vbeff   0.002Va  1.3932     Va  V    beff    Vbeff  2.288  0.00882Va  1.2812   0.0024 P3/8  0.0025P3/4  Va  V  beff    1  e( 0.580.489log|G*|0.483log b ) 3.6.1.3. Dự báo mô đun động cho BTNC ở Việt Nam theo mô hình Hirsch Phương trình dự báo |E*| của BTNC theo mô hình Hirsch sau khi đã hiệu chỉnh lại các hệ số theo điều kiện vật liệu của Việt Nam có dạng phương như phương trình 3.6. Hệ số tiếp xúc cốt liệu Pc theo phương trình 3.7.  VMA  (3.6)   VFA.VMA   | E* | Pc 4200000 1   3| G * |   100   ( 1  Pc )  1  VMA / 100   VMA 4200000 3.| G b* | .VFA   b   10000   (3.5) - 18 0.419 126.464 + 3(| G b * | .VFA)    VMA  Pc   0.419  3(| G b * | .VFA)  104.627    VMA   (3.7) Chương 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT TỚI ĐẶC TRƯNG KHAI THÁC CỦA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM Ở VIỆT NAM Mục đích chương 4 là ứng dụng các kết quả nghiên cứu thực nghiệm để phân tích một số phương án kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam theo phương pháp (ME). 4.2.2 Các thông số đầu vào sử dụng để phân tích ứng xử của kết cấu theo phương pháp cơ học thực nghiệm một dự án tại Hải Phòng  Dữ liệu giao thông Các dữ liệu giao thông được lấy theo dữ liệu điều tra giao thông của giai đoạn thiết kế kỹ thuật, có lượng giao thông thiết kế trong năm đầu khai thác là 4403 xe/2 làn xe (tính cho hai hướng thiết kế). Phần trăm xe tải trong làn thiết kế là 80% và vận tốc thiết kế là 37.3mph. Sự phân bố theo nhóm các phương tiện và các hệ số điều chỉnh lưu lượng giao thông theo giá trị mặc định của phương pháp (ME).  Khí hậu Do phạm vi Hải Phòng và Hà Nội khá gần nhau, không có sự khác nhau nhiều giữa khí hậu của Hà Nội và Hải Phòng, nên sử dụng khí hậu của Hà Nội để phân tích kết cấu mặt đường theo (ME). Bảng 4.3: Thông tin khí hậu của một số khu vực đại diện ở Việt Nam Số liệu thống kê hàng năm Hà Nội Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm (ºF) 74.89 Lượng mưa trung bình hàng năm (in) 85.17 Chỉ số đóng băng (Freezing index ºF - days) 0.00 Số chu kỳ đóng băng và tan băng 0.00  Vật liệu