Tài liệu Nghiên cứu hỗn hợp đá – nhựa nóng cường độ cao dùng trong kết cấu mặt đường ô tô cấp cao ở việt nam.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN DANH HỢI NGHIÊN CỨU HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA NÓNG CƯỜNG ĐỘ CAO DÙNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ CẤP CAO Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN DANH HỢI NGHIÊN CỨU HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA NÓNG CƯỜNG ĐỘ CAO DÙNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ CẤP CAO 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Trần Thị Kim Đăng 2. GS.TS Bùi Xuân Cậy Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố. Tác giả luận án Trần Danh Hợi LỜI CẢM ƠN Sau 4 năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, Nghiên cứu sinh (NCS) đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu hỗn hợp đá – nhựa nóng cường độ cao dùng trong kết cấu mặt đường ô tô cấp cao ở Việt Nam”. Để hoàn thành luận án này, xin được gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến 2 thầy cô giáo đã trực tiếp hướng dẫn NCS là PGS.TS Trần Thị Kim Đăng và GS.TS Bùi Xuân Cậy. Các thầy cô luôn tận tình chỉ bảo, hỗ trợ NCS ngay từ định hướng nghiên cứu ban đầu và trong suốt quá trình nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, TS Nguyễn Quang Tuấn – Trường Đại học GTVT đã luôn nhiệt tình hỗ trợ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm, xử lý và phân tích số liệu thực nghiệm và cũng đã cung cấp cho NCS những tài liệu khoa học hết sức quý giá để thực hiện đề tài nghiên cứu này. NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Mai Lân – Viện Giao thông Pháp (IFSTTAR) đã giúp đỡ NCS mua và vận chuyển một số loại nhựa đường từ Pháp về Việt Nam phục vụ cho nghiên cứu. Ngoài ra, TS. Lân cũng đã cung cấp cho NCS nhiều tài liệu có giá trị cho đề tài nghiên cứu này. NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng thí nghiệm trọng điểm LasXD 1256, phòng thí nghiệm công trình Vilas 047 – Trung tâm KHCN GTVT, phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng – Bộ môn Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học GTVT đã nhiệt tình hỗ trợ NCS tiến hành các thí nghiệm trong phòng. NCS xin cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học GTVT, phòng đào tạo sau đại học và Bộ môn Đường Bộ đã luôn ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin gửi lời cảm ơn đến các nhóm sinh viên lớp Cầu Đường bộ K52 và lớp Cầu Đường bộ K53 đã nhiệt tình giúp đỡ NCS thực hiện một số các nghiên cứu tại phòng LasXD 1256. Và lòng biết ơn từ sâu thẳm xin được dành cho những người thân trong gia đình của NCS – những người luôn ủng hộ về tinh thần và vật chất giúp cho NCS vượt qua được những khó khăn trong suốt chặng đường làm nghiên cứu của mình. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2018 Nghiên cứu sinh Trần Danh Hợi I MỤC LỤC MỞ ĐẦU……………………………………………………….....................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM ................ 4 1.1. HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA SỬ DỤNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM ............................................................................................ 4 1.1.1. Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Vương quốc Anh ............................ 4 1.1.2. Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Ấn Độ ............................................. 5 1.1.3. Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Pháp ............................................... 7 1.1.4. Hỗn hợp đá – nhựa trộn nóng sử dụng ở Mỹ .................................. 7 1.1.5. Hỗn hợp đá – nhựa làm móng ở Trung Quốc ................................. 8 1.1.6. Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Việt Nam ........................................ 9 1.1.7. Đánh giá chung về hỗn hợp đá – nhựa ......................................... 12 1.2. HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM ....................................................................... 13 1.2.1. Hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao sử dụng ở Vương quốc Anh .... 14 1.2.2. Hỗn hợp đá - nhựa cường độ cao sử dụng ở Pháp ........................ 18 1.2.3. Đánh giá chung về hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao ................... 22 1.3. VAI TRÒ CỦA LỚP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM ....................................................................... 22 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỖN HỢP ĐÁ - NHỰA VÀ ĐÁ NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO Ở VIỆT NAM ................................................. 24 1.5. XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ..................... 25 1.6. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ............... 27 1.6.1. Mục tiêu ...................................................................................... 27 1.6.2. Nội dung ..................................................................................... 27 1.7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................... 28 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO Ở VIỆT NAM ................................................................................................................. 29 II 2.1. ĐỀ XUẤT HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ KIẾN NGHỊ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA HỖN HỢP ............................... 29 2.1.1. Đề xuất các hỗn hợp đá – nhựa nghiên cứu .................................. 29 2.1.2. Cấu trúc của đá – nhựa cường độ cao .......................................... 30 2.1.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật cho hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao ......... 30 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHỐI TRỘN CỐT LIỆU CHO HỖN HỢP ĐÁ NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO – PHƯƠNG PHÁP BAILEY ........................... 32 2.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến xếp chặt cốt liệu ................................. 32 2.2.2. Vai trò của các thành phần cốt liệu trong hỗn hợp ....................... 32 2.2.3. Phối trộn giữa các cốt liệu thành phần ......................................... 33 2.2.4. Cải thiện sự chèn móc cốt liệu ..................................................... 33 2.2.5. Thiết kế thành phần cốt liệu theo phương pháp Bailey [24] ......... 36 2.3. CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ KIẾN NGHỊ ĐỐI VỚI VẬT LIỆU THÀNH PHẦN ....................................................................................................... 41 2.3.1. Cốt liệu thành phần và cấp phối cốt liệu ...................................... 41 2.3.2. Nhựa đường ................................................................................. 46 2.4. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP ĐÁ - NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO .................................................................................... 48 2.4.1. Một số phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nóng sử dụng trên thế giới ........................................................................................... 48 2.4.2. Lựa chọn phương pháp thiết kế hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao 49 2.5. THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO ......................................................................................................... 49 2.5.1. Lựa chọn vật liệu thí nghiệm ....................................................... 50 2.5.2. Kế hoạch thí nghiệm .................................................................... 50 2.5.3. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu khoáng và nhựa đường ... 50 2.5.4. Thiết kế cấp phối cốt liệu cho hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao theo phương pháp Bailey ....................................................................... 56 2.5.5. Xác định hàm lượng nhựa tối ưu của các hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao theo phương pháp Marshall cải tiến ........................................... 58 III 2.6. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO ...................................................... 61 2.6.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao .......... 61 2.6.2. Kế hoạch thực nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao ......................................................................... 64 2.6.3. Kết quả thí nghiệm và bình luận .................................................. 64 2.7. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO Ở VIỆT NAM ........................................ 70 2.7.1. Đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật cho hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao .............................................................................................................. 70 2.7.2. Đề xuất phương pháp thiết kế hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao .. 71 2.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................... 71 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ HỌC CỦA ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO PHỤC VỤ THIẾT KẾ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM Ở VIỆT NAM ...................................................... 73 3.1. LẬP KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM ................................................... 73 3.2. CƯỜNG ĐỘ KÉO UỐN CỦA ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO ........ 74 3.2.1. Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn ....................................... 74 3.2.2. Trình tự thí nghiệm cường độ kéo uốn ......................................... 74 3.2.3. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn và bình luận ..................... 75 3.3. MÔ ĐUN ĐÀN HỒI TĨNH CỦA ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO .... 78 3.3.1. Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh ................................... 78 3.3.2. Phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh .............................. 79 3.3.3. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh và bình luận .................. 80 3.4. MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO ................... 84 3.4.1. Khái niệm về mô đun động của hỗn hợp asphalt .......................... 84 3.4.2. Ứng dụng của mô đun động trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm .............................................................................................................. 86 3.4.3. Kế hoạch thí nghiệm mô đun động .............................................. 86 3.4.4. Trình tự thí nghiệm mô đun động ................................................ 87 3.4.5. Kết quả thí nghiệm mô đun động của ĐNMC .............................. 88 IV 3.4.6. Xây dựng đường cong chủ mô đun động của ĐNMC ................... 91 3.4.7. Mô hình hóa mô đun động của đá – nhựa cường độ cao............... 94 3.4.8. Dự báo mô đun động của đá – nhựa cường độ cao từ mô đun cắt động của nhựa đường tương ứng ......................................................... 100 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................. 109 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CẤP CAO Ở VIỆT NAM . 111 4.1. QUY MÔ GIAO THÔNG TRÊN CÁC TUYẾN ĐƯỜNG Ô TÔ CẤP CAO Ở VIỆT NAM ................................................................................ 111 4.2. ĐỀ XUẤT CẤU TẠO KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG Ô TÔ QUY MÔ GIAO THÔNG LỚN Ở VIỆT NAM ...... 113 4.3. TÍNH TOÁN CHIỀU DÀY CÁC LỚP KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM THEO 22 TCN 211-06 ............................................................................ 114 4.3.1. Quy mô giao thông của các đường ô tô cấp cao ở Việt Nam ...... 115 4.3.2. Thiết kế cấu tạo các kết cấu mặt đường mềm............................. 115 4.3.3. Các thông số đặc trưng của các lớp vật liệu ............................... 116 4.3.4. Tính toán chiều dày các lớp KCMĐ mềm cho các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 .................. 116 4.4. PHÂN TÍCH KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM THEO PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC THỰC NGHIỆM ...................................................................... 118 4.4.1. Tổng quan về thiết kế mặt đường theo cơ học thực nghiệm (M-E) ............................................................................................................ 118 4.4.2. Ứng dựng phương pháp cơ học - thực nghiệm phân tích các kết cấu mặt đường mềm ................................................................................... 120 4.4.3. Phân tích các KCMĐ mềm sử dụng lớp móng hoặc mặt dưới ĐNMC theo phương pháp cơ học - thực nghiệm .................................. 127 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................. 131 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………….….………..........133 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ...…………………….136 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………….………………………………..137 V DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình 1-1. Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp DBM 0/32 [57] ......................................... 5 Hình 1-2. Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ATB 25 của các gói thầu EX3 và EX10 thuộc dự án cao tốc Hà Nội – Hải Phòng ...................................................... 11 Hình 1-3. Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ATB 25 của gói thầu 1B thuộc dự án cao tốc Long Thành – Dầu Giây ........................................................................ 12 Hình 1-4. Cỡ hạt lớn nhất danh định Dmax của các hỗn hợp đá – nhựa .................... 13 Hình 1-5. Quan hệ giữa chiều dày các lớp asphalt và tuổi thọ thiết kế [47] ............ 16 Hình 1-6. Những KCMĐ mềm thiết kế để cải thiện khả năng kháng lún [47] ......... 17 Hình 1-7: Kết cấu mặt đường mềm tuổi thọ cao [22]................................................ 24 Hình 2-1. Tương quan giữa kích thước 2 nhóm cốt liệu trong không gian 2D khi tất cả các hạt cốt liệu có bề mặt dạng hình tròn [58] ................................................... 35 Hình 2-2. Tương quan giữa kích thước 2 nhóm cốt liệu trong không gian 2D khi 2 hạt có bề mặt dạng hình tròn và 1 hạt có bề mặt dạng mặt phẳng [58] .................... 35 Hình 2-3. Tương quan giữa kích thước 2 nhóm cốt liệu trong không gian 2D khi 1 hạt có bề mặt dạng hình tròn và 2 hạt có bề mặt dạng mặt phẳng [58] .................... 35 Hình 2-4. Tương quan giữa kích thước 2 nhóm cốt liệu trong không gian 2D khi tất cả các hạt có bề mặt dạng mặt phẳng [58] .............................................................. 36 Hình 2-5. Khối lượng thể tích của cốt liệu [24] ...................................................... 38 Hình 2-6. Đường bao cấp phối cốt liệu đề xuất của ĐNMC 25 ............................... 44 Hình 2-7. Đường bao cấp phối cốt liệu đề xuất của ĐNMC 31,5 ............................ 45 Hình 2-8. Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích của các loại cốt liệu khoáng theo AASHTO T19 ........................................................................................................ 52 Hình 2-9. So sánh độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm của 3 loại nhựa đường ............ 53 Hình 2-10. Thiết bị cắt động lưu biến RHEOTEST RN 4.3 .................................... 54 Hình 2-11. Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ĐNMC 25 ................................ 57 Hình 2-12. Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ĐNMC 31,5 ............................. 57 Hình 2-13. Thí nghiệm Marshall cải tiến ............................................................... 59 Hình 2-14. Các mẫu ĐNMC và ĐNC trước thí nghiệm lún vệt bánh xe .................. 63 Hình 2-15. Thiết bị đầm lăn và thí nghiệm chiều sâu lún vệt bánh xe tại phòng thí nghiệm LASXD 1256 – Trường Đại học GTVT ..................................................... 63 VI Hình 2-16. Độ rỗng dư của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC ....................................... 65 Hình 2-17. Biểu đồ so sánh độ rỗng dư của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA - Fisher (khoảng tin cậy 95%) ................. 66 Hình 2-18. Độ ổn định Marshall của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC ......................... 66 Hình 2-19. Độ ổn định Marshall cải tiến của các mẫu ĐNMC và ĐNC CP2 ........... 67 Hình 2-20. So sánh độ ổn định Marshall cải tiến của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA - Fisher (khoảng tin cậy 95%) .......... 67 Hình 2-21. Độ dẻo Marshall cải tiến của các mẫu ĐNMC và ĐNC ........................ 68 Hình 2-22. Độ ổn định còn lại của ĐNMC và ĐNC................................................ 68 Hình 2-23. So sánh độ ổn định còn lại của ĐNMC và ĐNC theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA - Fisher (khoảng tin cậy 95%) ........................................... 69 Hình 2-24. Các mẫu ĐNMC và ĐNC 25 sau khi thí nghiệm lún vệt bánh xe .......... 69 Hình 2-25. Kết quả thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu ĐNMC và ĐNC 25 CP2 ................................................................................................................... 70 Hình 3-1. Gia công mẫu dầm bằng máy cắt đá ....................................................... 75 Hình 3-2. Thí nghiệm kéo uốn mẫu ĐNMC và ĐNC trên máy nén Marshall .......... 75 Hình 3-3. Cường độ kéo uốn của ĐNMC và ĐNC (CP1, CP2 và CP3) ................... 77 Hình 3-4. So sánh cường độ kéo uốn của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA - Fisher (khoảng tin cậy 95%) .............................. 77 Hình 3-5. Cường độ kéo uốn của ĐNMC 25 và ĐNC 25 CP2................................. 78 Hình 3-6. So sánh R ku của ĐNMC và ĐNC CP2 (nhựa đường 3,7% và 4%) theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA – Fisher (khoảng tin cậy 95%) ................. 78 Hình 3-7. Biến dạng của mẫu thí nghiệm theo thời gian gia tải và dỡ tải ................ 80 Hình 3-8. Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 150 C ................................... 81 Hình 3-9. Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 300 C ................................... 82 Hình 3-10. Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 600 C ................................. 83 Hình 3-11. Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC CP2 ..................................... 83 Hình 3-12. Miền ứng xử của vật liệu sử dụng chất kết dính asphalt [54] ................ 84 Hình 3-13. Sự trễ pha giữa biến dạng và ứng suất trong thí nghiệm mô đun động .. 85 Hình 3-14. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm bằng đầm xoay Troxler ................................ 87 Hình 3-15. Thí nghiệm mô đun động trên thiết bị Cooper ...................................... 87 Hình 3-16. Mô đun động của ĐNMC và ĐNC CP1 3,7% ở 300 C ............................ 89 VII Hình 3-17. Mô đun động của ĐNMC và ĐNC CP2 3,7% ở 300 C ............................ 90 Hình 3-18. Mô đun động của ĐNMC và ĐNC CP2 4,0% ở 300 C ............................ 90 Hình 3-19. Mô đun động của ĐNMC và ĐNC CP3 3,7% ở 300 C ............................ 90 Hình 3-20. Xây dựng đường cong chủ |E * | của ĐNMC 25 CP2 20/30 ..................... 91 Hình 3-21. Đường cong chủ |E * | của ĐNMC và ĐNC đối chứng ............................ 93 Hình 3-22. Xác định các hệ số của quy tắc WLF cho các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC 94 Hình 3-23. Mô tả mô hình 2S2P1D [49] ................................................................. 95 Hình 3-24. Mô hình hóa đường cong chủ |E * | của ĐNMC và ĐNC ......................... 98 Hình 3-25. Xây dựng đường cong chủ |G * | của nhựa đường 20/30 ....................... 101 Hình 3-26. Đường cong chủ |G * | của nhựa đường 20/30, 35/50 và 60/70.............. 102 Hình 3-27. Quan hệ giữa a T và nhiệt độ thí nghiệm |G * | của nhựa đường ............. 102 Hình 3-28. Mô hình hóa |G * | của 3 loại nhựa đường theo mô hình 2S2P1D .......... 104 Hình 3-29. Dự báo |E * | của ĐNMC và ĐNC theo mô hình SHStS ........................ 107 Hình 3-30. So sánh kết quả đo và kết quả dự báo |E * | của ĐNMC và ĐNC .......... 108 Hình 4-1. Các KCMĐ mềm có lớp móng trên bằng ĐNMC hoặc ĐNC................. 114 Hình 4-2. Các KCMĐ mềm với cả lớp mặt dưới và móng trên bằng ĐNMC hoặc ĐNC .................................................................................................................... 114 Hình 4-3. Trình tự thiết kế KCMĐ mềm theo phương pháp M-E [25] .................. 119 Hình 4-4. Dự báo lún, mỏi của các KCMĐ mềm theo phương pháp M-E ............. 124 Hình 4-5. Tổng độ lún KCMĐ dự báo theo thời gian của KC1, KC7 và KC8 ....... 125 Hình 4-6. Độ lún các lớp BTN dự báo theo thời gian của KC1, KC7 và KC8 ....... 125 Hình 4-7. Tổng nứt từ dưới lên (mỏi và phản ánh) dự báo theo thời gian cho KC1, KC7 và KC8 ........................................................................................................ 126 Hình 4-8. Nứt mặt đường từ trên xuống dự báo theo thời gian cho các kết cấu KC1, KC7 và KC8 ........................................................................................................ 126 Hình 4-9. Độ lún tổng dự báo theo thời gian của KC1 – KC6 .............................. 128 Hình 4-10. Độ lún của các lớp asphalt theo thời gian dự báo cho KC1 – KC6 ..... 128 Hình 4-11. Nứt mỏi (từ đáy lên) dự báo theo thời gian của KC1 – KC6 ............... 129 Hình 4-12. Nứt từ trên xuống dự báo theo thời gian của KC1 – KC6 ................... 129 VIII DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Cấp phối cốt liệu DBM theo tiêu chuẩn IRC 111-2009 [30] ..................... 5 Bảng 1-2. Lựa chọn nhựa đường theo điều kiện khí hậu ở Ấn Độ [30] ..................... 6 Bảng 1-3. Yêu cầu đối với hỗn hợp DBM theo IRC 111-2009 [30] .......................... 6 Bảng 1-4. Cấp phối cốt liệu cho hỗn hợp ATB ở Alaska [35] ................................... 8 Bảng 1-5. Cấp phối cốt liệu ATB sử dụng ở Trung Quốc [56].................................. 8 Bảng 1-6. Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu với hỗn hợp ATB ở Trung Quốc [56] ......... 9 Bảng 1-7. Một số KCMĐ có lớp móng đá – nhựa chặt sử dụng ở Việt Nam ........... 10 Bảng 1-8. Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp HMB 15 và DBM đối chứng [46] ........... 14 Bảng 1-9. Mô đun động thiết kế của DBM và HMB [47] ....................................... 17 Bảng 1-10. Kết quả thí nghiệm nhựa đường sử dụng trong hỗn hợp GB5 [50] ....... 18 Bảng 1-11. Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp GB5 [50] ................................. 19 Bảng 1-12. Các chỉ tiêu của hỗn hợp GB5 và GB2 (cốt liệu Noubleau) [50] .......... 20 Bảng 1-13. Các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp GB5 và GB2 (cốt liệu Obourg) [50] ..... 20 Bảng 1-14. Đường bao cấp phối của EME2 [52] .................................................... 21 Bảng 1-15. Các chỉ tiêu cơ học yêu cầu đối với đá – nhựa cường độ cao................ 22 Bảng 2-1. Các tiêu chuẩn kỹ thuật kiến nghị đối với hỗn hợp ĐNMC và ĐNC thiết kế theo phương pháp Marshall cải tiến ................................................................... 31 Bảng 2-2. Các hệ số đánh giá cấp phối cốt liệu của hỗn hợp ĐNMC ...................... 41 Bảng 2-3. Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp ĐNMC 31,5 và ĐNMC 25 đề xuất .......... 45 Bảng 2-4. Các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm và bột khoáng ......................................... 50 Bảng 2-5. Cấp phối cốt liệu của đá dăm các loại và bột khoáng ............................. 51 Bảng 2-6. Khối lượng thể tích của các cốt liệu thành phần ..................................... 52 Bảng 2-7. Các chỉ tiêu cơ bản của 3 loại nhựa đường nghiên cứu .......................... 52 Bảng 2-8. Số mẫu thí nghiệm phân loại nhựa đường theo cấp đặc tính PG ............. 55 Bảng 2-9. Kết quả bước đầu phân cấp nhựa đường theo đặc tính PG ...................... 56 Bảng 2-10. Phối trộn cốt liệu cho hỗn hợp ĐNMC 25 ............................................ 57 Bảng 2-11. Phối trộn cốt liệu cho hỗn hợp ĐNMC 31,5 ......................................... 57 Bảng 2-12. Các hệ số cốt liệu của các cấp phối cốt liệu ĐNMC và ĐNC ............... 58 IX Bảng 2-13. Nhiệt độ của hỗn hợp ĐNMC và ĐNC khi trộn .................................... 59 Bảng 2-14. Số lượng mẫu xác định hàm lượng nhựa tối ưu .................................... 60 Bảng 2-15. Hàm lượng nhựa tối ưu của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC .................... 61 Bảng 2-16. Số lượng mẫu thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của ĐNMC và ĐNC ......... 64 Bảng 2-17. Độ rỗng dư của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC ....................................... 65 Bảng 3-1. Số lượng mẫu thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học của ĐNMC và ĐNC ......... 73 Bảng 3-2. Số lượng thí nghiệm cường độ kéo uốn của ĐNMC và ĐNC.................. 74 Bảng 3-3. Cường độ kéo uốn của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC ở 150 C .................. 76 Bảng 3-4. Số lượng thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC .............. 79 Bảng 3-5. Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 150 C ................................... 80 Bảng 3-6. Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 300 C ................................... 81 Bảng 3-7. Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 600 C ................................... 82 Bảng 3-8. Số lượng thí nghiệm mô đun động của ĐNMC và ĐNC ......................... 86 Bảng 3-9. Mô đun động của ĐNMC 25 CP2 (nhựa đường 20/30 3,7%) .................. 88 Bảng 3-10. Các thông số của mô hình 2S2P1D mô phỏng |E * | ................................ 96 Bảng 3-11. Đánh giá mức độ phù hợp của kết quả dự báo |E * | của ĐNMC và ĐNC bằng mô hình 2S2P1D ........................................................................................... 99 Bảng 3-12. Kế hoạch thí nghiệm |G * | của 3 loại nhựa đường ................................ 101 Bảng 3-13. Các thông số của mô hình 2S2P1D cho 3 loại nhựa đường ................. 103 Bảng 3-14. Đánh giá mức độ phù hợp của kết quả dự báo |G * | bằng mô hình 2S2P1D ............................................................................................................................ 104 Bảng 3-15. Các thông số của mô hình SHStS dự đoán |E * | của ĐNMC và ĐNC ... 106 Bảng 3-16. Đánh giá sự phù hợp mô hình SHStS dự báo |E * | ............................... 108 Bảng 4-1. Tổng số trục xe 10T tích lũy dự báo trong thời kỳ thiết kế trên QL1 (đoạn Dốc Xây,Thanh Hóa) ........................................................................................... 112 Bảng 4-2. Tổng số trục xe 10T tích lũy dự báo trong thời kỳ thiết kế trên QL5 (đoạn qua trạm thu phí Quán Toan, thành phố Hải Phòng) ............................................. 112 Bảng 4-3. Tổng số trục xe 10T tích lũy dự báo trong thời kỳ khai thác 20 năm của tuyến cao tốc Bến Lức – Long Thành................................................................... 113 Bảng 4-4. Các quy mô giao thông thiết kế đề xuất trong nghiên cứu .................... 115 X Bảng 4-5. Các kết cấu mặt đường mềm với lớp móng ĐNC đề xuất cho các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn ................................................................... 115 Bảng 4-6. Mô đun đàn hồi yêu cầu tương ứng với 3 mức quy mô giao thông ....... 116 Bảng 4-7. Kết quả thiết kế KCMĐ mềm theo 22 TCN 211-06 .............................. 116 Bảng 4-8. Đề xuất phân loại xe sử dụng trong phương pháp M-E ở Việt Nam ..... 120 Bảng 4-9. Lưu lượng xe dự báo năm đầu và hệ số tăng trưởng xe ........................ 121 Bảng 4-10. Số liệu giao thông tính toán trong phân tích M-E ............................... 121 Bảng 4-11. Tổng số trục xe 10 T tích lũy trong thời kỳ thiết kế 15 năm ............... 122 Bảng 4-12. Tổng số ESAL 8,2T tích lũy trong thời kỳ thiết kế 15 năm ................ 122 Bảng 4-13. Các kết cấu mặt đường phân tích theo phương pháp M-E .................. 123 Bảng 4-14. Các kết quả phân tích KC1, KC7 và KC8 theo phương pháp M-E ...... 123 Bảng 4-15. Các KCMĐ sử dụng lớp ĐNMC hoặc ĐNC ....................................... 127 Bảng 4-16. Kết quả dự báo hư hỏng của KCMĐ sử dụng ĐNMC sau 15 năm ...... 130 XI DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHTO (American Association of Highway and Transportation Officials): Hiệp hội đường bộ và vận tải liên bang Mỹ ATB (Asphalt Treated Base): cấp phối đá gia cố nhựa sử dụng làm móng BTN: Bê tông nhựa BTNC: Bê tông nhựa chặt BTNP: Bê tông nhựa polime BTXM: Bê tông xi măng CPĐD: Cấp phối đá dăm CPĐD GCXM: Cấp phối đá dăm gia cố xi măng DBM (Dense bitumen macadam): đá – nhựa chặt DBM 50 (Dense bitumen macadam – 50 penetration grade binder): đá – nhựa chặt (nhựa đường có độ kim lún 50 1/10 mm) ĐNMC: Đá – nhựa chặt cường độ cao (đá – nhựa chặt mô đun cao) ĐNC: Đá – nhựa chặt EME (Enrobés à Module Élevé): Bê tông nhựa mô-đun cao E *: mô đun động ESAL (Equivalent Single Axle Load): tải trọng trục đơn tương đương E yc : mô đun đàn hồi yêu cầu FHWA (Federal Highway Administration): Cơ quan quản lý đường bộ liên bang GB (Grave- Bitume): đá - nhựa G *: mô đun cắt động HATB (Hot Asphalt Treated Base): cấp phối đá gia cố nhựa trộn nóng sử dụng làm lớp móng của KCA Đ HDM (Heavy duty macadam): đá – nhựa cho đường xe nặng HMB (High modulus base): Lớp móng cường độ cao XII HMB 35 (High modulus base – 35 penetration grade binder): Lớp móng cường độ cao (nhựa đường có độ kim lún 35 1/10 mm) HMB 25 (High modulus base – 25 penetration grade binder): Lớp móng cường độ cao (nhựa đường có độ kim lún 25 1/10 mm) HMB 15 (High modulus base – 15 penetration grade binder): Lớp móng cường độ cao (nhựa đường có độ kim lún 15 1/10 mm). HMAC (high modulus asphalt concrete): bê tông nhựa cường độ cao HRA (Hot rolled asphalt): Bê tông nhựa nóng đầm chặt bằng lu HS (half sieve): cỡ sàng giữa (phân định cỡ hạt thô lớn và trung gian) KCMĐ: Kết cấu mặt đường M-E (Mechanistic-Empirical): cơ học - thực nghiệm MEPDG (Mechanistic Empirical Pavement Design Guide): Hướng dẫn thiết kế theo phương pháp cơ học - thực nghiệm NAPA (National Asphalt Pavement Association): Hiệp hội mặt đường asphalt quốc gia NCAT (National Center for Asphalt Technology): Trung tâm công nghệ asphalt quốc gia NMPS (nominal maximum particle size): cỡ hạt lớn nhất danh định PCS (primary control sieve): cỡ sàng điều khiển chính (thứ nhất) PG (Performance Grade): cấp nhựa theo đặc tính QMGTL: Quy mô giao thông lớn SCS (secondary control sieve): cỡ sàng điều khiển thứ 2 TTSP (time–temperature superposition principle): quy tắc tương quan tần số và nhiệt độ TCS (tertiary control sieve): cỡ sàng điều khiển thứ 3. TCN: Tiêu chuẩn ngành TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam Va : độ rỗng dư VMA : độ rỗng cốt liệu 1 MỞ ĐẦU I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ở Việt Nam, kết cấu mặt đường (KCMĐ) mềm có tầng mặt bằng bê tông nhựa (BTN) được sử dụng phổ biến trong xây dựng các tuyến đường ô tô cấp cao. Thời gian gần đây, ở nhiều tuyến đường ô tô cấp cao có quy mô giao thông lớn sử dụng loại KCMĐ này thường xuất hiện các hư hỏng như nứt, lún vệt bánh xe sau thời gian ngắn đưa vào khai thác làm suy giảm cường độ chung và tuổi thọ của KCMĐ. Với tầng móng bằng các vật liệu hạt rời rạc có cường độ thấp thì để đảm bảo cường độ chung của KCMĐ đòi hỏi chúng phải có chiều dày lớn. Ngoài ra, vật liệu rời rạc dễ bị các nguồn ẩm xâm nhập vào, điều này không những làm cho bản thân lớp vật liệu đó giảm cường độ mà còn có ảnh hưởng xấu đến sự liên kết giữa nhựa đường và các cốt liệu khoáng của hỗn hợp BTN. Giải pháp sử dụng móng bằng vật liệu hạt gia cố chất liên kết vô cơ (vôi, xi măng) hoặc chất liên kết hữu cơ (nhựa đường) tạo ra một lớp móng có cường độ cao không những giảm chiều dày KCMĐ mà còn giảm được biến dạng kéo ở đáy các lớp mặt BTN, nhờ đó làm tăng tuổi thọ chịu mỏi của KCMĐ. Tuy nhiên, nếu sử dụng lớp móng trên bằng vật liệu gia cố xi măng đặt dưới tầng mặt BTN mỏng thường có nguy cơ xảy ra hư hỏng nứt phản ánh [5]. Trong khi đó, KCMĐ mềm với lớp móng đá – nhựa ít có nguy cơ xảy ra hiện tượng này hơn [35]. Vật liệu đá – nhựa, trong đó phổ biến là đá – nhựa chặt được sử dụng làm lớp móng trên của KCMĐ mềm ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Trung Quốc, Ấn Độ [1], [15], [17], [30], [56], [57]... Ngoài ra, loại vật liệu này còn được ứng dụng làm lớp mặt dưới của KCMĐ ở Anh, Ấn Độ [30], [57]. Bên cạnh việc sử dụng hỗn hợp đá – nhựa thông thường, ở một số nước còn nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao cho lớp móng trên và lớp mặt dưới nhằm giảm chiều dày đồng thời cải thiện tuổi thọ KCMĐ mềm của những tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn [15], [46], [47], [50]. Ở Việt Nam, KCMĐ mềm có lớp móng trên bằng vật liệu đá – nhựa chặt (asphalt treated base - ATB) được sử dụng cho một số tuyến cao tốc trong thời gian gần đây. Lớp móng đá – nhựa là giải pháp để giảm chiều dày thiết kế so với phương án sử dụng lớp móng CPĐD loại 1. Giải pháp này bước đầu được đánh giá tốt khi sử dụng cho lớp móng trên trong KCMĐ mềm. Mặc dù vậy, các nghiên cứu về thành phần, tính chất của hỗn hợp đá – nhựa chặt và 2 ứng xử của nó khi đặt trong KCMĐ mềm vẫn chưa được thực hiện nhiều ở Việt Nam. Trong bối cảnh lưu lượng giao thông và tỉ lệ xe nặng trên các tuyến đường ô tô cấp cao ở nước ta ngày càng tăng [1], bên cạnh nghiên cứu phát triển hỗn hợp đá – nhựa chặt thông thường thì các nghiên cứu cải thiện tính chất cơ học của loại đá – nhựa này nhằm giảm hơn nữa chiều dày thiết kế và cải thiện tuổi thọ của KCMĐ mềm là cần thiết. Chính vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu hỗn hợp đá – nhựa nóng cường độ cao dùng trong kết cấu mặt đường ô tô cấp cao ở Việt Nam” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Đề tài luận án xác định thành phần, tính chất của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao sử dụng các nguồn cốt liệu ở Việt Nam. Từ đó, đánh giá khả năng ứng dụng của đá – nhựa cường độ cao sử dụng trong KCMĐ mềm cho các tuyến đường ô tô cấp cao có quy mô giao thông lớn. III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là các hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao với cỡ hạt lớn nhất danh định 25 mm và 31,5 mm sử dụng các cốt liệu ở Việt Nam. Các hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao được chế tạo với 2 loại nhựa đường có độ quánh cao (nhựa đường mác 20/30, 35/50) đối chứng với hỗn hợp đá – nhựa chặt sử dụng nhựa đường thông thường ở Việt Nam (nhựa đường mác 60/70). Phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án: Đề tài luận án tập trung nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao trong phòng thí nghiệm và ứng xử của nó khi được sử dụng làm móng trên hoặc đồng thời làm cả móng trên và mặt dưới của KCMĐ mềm. IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI a) Ý nghĩa khoa học của đề tài  Luận án đã phân tích, làm rõ cơ sở khoa học việc sử dụng lớp móng đánhựa cường độ cao tốt hơn so với lớp đá-nhựa thông thường, lớp CPĐD loại 1 hoặc CPĐD loại 1 gia cố xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô cấp cao có quy mô giao thông lớn để tăng tuổi thọ mỏi, giảm lún vệt bánh xe và giảm chiều dày KCAĐ mềm ở Việt Nam; 3  Đề xuất cấp phối cốt liệu và kiến nghị phương pháp thiết kế hỗn hợp đánhựa cường độ cao ở Việt Nam.  Luận án đã xây dựng mối liên hệ giữa mô đun cắt động của nhựa đường và mô đun động của đá – nhựa cường độ cao tương ứng.  Xác định được các chỉ tiêu cơ học của vật liệu đá - nhựa cường độ cao khi thiết kế KCMĐ mềm theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 và phương pháp cơ học-thực nghiệm; b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài  Luận án đề xuất một số KCMĐ mềm cấp cao sử dụng hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao và đá – nhựa chặt thông thường làm lớp móng trên hoặc đồng thời làm móng trên và mặt dưới. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM 1.1. HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA SỬ DỤNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM Hiện nay hỗn hợp đá – nhựa được sử dụng trong KCMĐ mềm ở nhiều nước trên thế giới. Trong đó, xu hướng sử dụng hỗn hợp đá – nhựa chặt (ĐNC) làm lớp mặt dưới và móng trên của KCMĐ mềm là xu hướng khá phổ biến. Các hỗn hợp đá – nhựa sử dụng trên thế giới có một số tên gọi khác nhau. Ở Vương Quốc Anh và Ấn Độ, các hỗn hợp này được gọi tên là Dense Bituminous Macadam (viết tắt là DBM) [47], [57]. Hỗn hợp đá – nhựa ở Mỹ, Trung Quốc và một số nước khác được gọi là Asphalt treated Base (viết tắt là ATB) [30], [56]. Ở Pháp, hỗn hợp đá – nhựa được gọi là Grave Bitume (viết tắt là GB) [32]. Các hỗn hợp DBM và ATB có đặc điểm chung là sử dụng cấp phối cốt liệu với cỡ hạt danh định khá lớn (≥ 25 mm). Đây là hỗn hợp chặt với độ rỗng dư thường trong khoảng từ 3 – 6 %. Trong khi đó, các hỗn hợp GB lại sử dụng cấp phối cốt liệu có cỡ hạt lớn nhất danh định nhỏ hơn so với DBM và ATB (thường là 14 mm và 20 mm) và độ rỗng dư của hỗn hợp sau khi đầm nén cũng khá lớn (từ 7-10 % đối với GB2 và GB3, 5–10 % đối với GB4) [32]. 1.1.1. Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Vương quốc Anh Hỗn hợp đá - nhựa sử dụng ở Vương quốc Anh có tên gọi là Dense bituminous macadam (viết tắt là DBM). Hỗn hợp DBM thường được sử dụng làm lớp móng trên hoặc mặt dưới của KCMĐ mềm. Các hỗn hợp đá – nhựa này được thiết kế với cấp phối chặt 0/32 mm (đối với lớp móng trên và mặt dưới) hoặc 0/20 mm (đối với lớp mặt dưới) [57]. Các loại hỗn hợp đá - nhựa chặt 0/32 và 0/20 thông thường gồm DBM 50, DBM 125 và DBM 190 tương ứng với loại nhựa được sử dụng là 40/60, 100/150, 160/220. Hàm lượng nhựa thiết kế của các hỗn hợp này tùy thuộc vào cấp phối cốt liệu và loại cốt liệu sử dụng. Đối với hỗn hợp đá – nhựa sử dụng đá dăm nghiền thì hàm lượng nhựa thiết kế khoảng 4,0% (đối với lớp móng trên) và 4,7% (đối với lớp mặt dưới) [57].