Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu thô tạo khung đến sự phát triển biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng trong điều kiện Việt Nam

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu thô tạo khung đến sự phát triển biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng trong điều kiện Việt Nam

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ VƯƠNG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU THÔ TẠO KHUNG ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG NHỰA NÓNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐỖ VƯƠNG VINH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT LIỆU THÔ TẠO KHUNG ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG NHỰA NÓNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9.58.02.05 Chuyên ngành : Xây dựng đường ôtô và đường thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Trần Thị Kim Đăng 2. PGS. TS. Nguyễn Hữu Trí Hà Nội - 2021
3. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Đỗ Vương Vinh
4. ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tôi trân trọng cảm ơn các cơ quan, đơn vị đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trường Đại học Giao thông vận Tải; Phòng Đào tạo Sau đại học; Trung tâm Khoa học công nghệ GTVT; Phòng Thí nghiệm trọng điểm LasXD 1256, Phòng Thí nghiệm công trình Vilas 047; Khoa Công trình; Bộ môn Đường bộ; Bộ môn Vật liệu xây dựng. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy cô hướng dẫn khoa học là PGS.TS Trần Thị Kim Đăng và PGS.TS Nguyễn Hữu Trí. Các Thầy, Cô đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn GS. TS Bùi Xuân Cậy, PGS. TS Lã Văn Chăm, PGS. TS Nguyễn Quang Phúc, các thầy cô trong bộ môn Đường bộ, các đồng nghiệp, các nhà khoa học trong và ngoài Trường đã quan tâm, giúp đỡ, nhận xét, góp ý về mặt chuyên môn cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm trọng điểm LasXD1256, Phòng thí nghiệm Công trình Vilas 047, Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật liệu Xây dựng, các em sinh viên lớp Đường bộ K55, Đường bộ K56, Kỹ thuật Giao thông Đường bộ K56 đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của luận án. Cảm ơn gia đình và bạn bè, những người thân luôn ở bên tôi, ủng hộ và khích lệ tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, tháng năm 2021 Tác giả luận án Đỗ Vương Vinh
5. iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CẤP PHỐI CỐT 4 LIỆU VÀ KHUNG CỐT LIỆU THÔ ĐẾN BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG NHỰA 1.1. Thành phần vật liệu và cấu trúc của bê tông nhựa 4 1.1.1. Thành phần vật liệu của bê tông nhựa 4 1.1.2. Cấu trúc của hỗn hợp bê tông nhựa 4 1.2. Biến dạng không hồi phục và các hư hỏng có liên quan đến biến 10 dạng không hồi phục của mặt đường bê tông nhựa 1.2.1. Lún vệt bánh xe do BTN bị chảy dẻo (Instability Rutting) 10 1.2.2. Lún vệt bánh xe do kết cấu ( Strutural Rutting) 11 1.2.3. Lún vệt bánh xe lớp mặt BTN (Surface/Wear Rutting) 12 1.3. Các phương pháp đánh giá đặc tính biến dạng không hồi phục 15 của hỗn hợp bê tông nhựa 1.3.1. Thí nghiệm từ biến 15 1.3.2. Thí nghiệm biến dạng không hồi phục tải trọng lặp tải trọng lặp 16 1.3.3. Các thí nghiệm mô phỏng 18 1.4. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu và khung cốt 23 liệu thô đến khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới 23 1.4.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam 26 1.5. Các nghiên cứu trong và ngoài nước về phương pháp phân tích 27 ảnh xác định cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa 1.6. Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án 30 1.7. Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu 32
6. iv 1.7.1. Mục tiêu nghiên cứu 32 1.7.2. Nội dung của đề tài nghiên cứu 32 1.8. Phương pháp nghiên cứu 32 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ 34 CẤP PHỐI CỐT LIỆU HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA CÓ XÉT ĐẾN HÌNH THÀNH KHUNG CỐT LIỆU THÔ 2.1. Nguyên lý hình thành cường độ của hỗn hợp bê tông nhựa và vai 34 trò của khung cốt liệu thô trong việc hình thành cường độ của hỗn hợp bê tông nhựa 2.1.1. Nguyên lý hình thành cường độ của hỗn hợp bê tông nhựa 34 2.1.2. Vai trò của cốt liệu thô và khung cốt liệu thô trong việc hình thành 37 cường độ và chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN 2.2. Lý thuyết về cấp phối cốt liệu và các phương pháp thiết kế hỗn 39 hợp bê tông nhựa 2.2.1. Khái niệm về cấp phối cốt liệu 39 2.2.2. Phân loại hỗn hợp bê tông nhựa theo thành phần cấp phối 41 2.2.3. Các phương pháp thiết kễ hỗn hợp bê tông nhựa 41 2.3. Hướng dẫn lựa chọn cấp phối thô theo các quy trình 44 2.4. Cơ sở thiết kế cấp phối cốt liệu hỗn hợp bê tông nhựa chặt có xét 46 đến việc tạo khung cốt liệu thô 2.5. Phương pháp thiết kế cấp phối cốt liệu hỗn hợp BTN có xét đến 50 việc hình thành khung cốt liệu thô - Phương pháp Bailey 2.5.1. Cỡ sàng phân định cốt liệu thô và cốt liệu mịn 51 2.5.2. Phối hợp cốt liệu theo thể tích 52 2.5.3. Các tỉ số đánh giá cấp phối cốt liệu 55 2.5.4. Trình tự thiết kế cấp phối cốt liệu hỗn hợp BTN có xét đến việc hình 57 thành khung cốt liệu thô – phương pháp Bailey
7. v 2.6. Kết quả thiết kế cấp phối cốt liệu hỗn hợp BTN có xét đến việc 60 hình thành khung cốt liệu thô - phương pháp Bailey 2.6.1. Xác định các thông số vật liệu đầu vào phục vụ công tác thiết kế cấp 60 phối cho BTNC theo phương pháp Bailey 2.6.2. Kết quả thiết kế thành phần cấp phối cốt liệu theo phương pháp 60 Bailey cho BTNC 12,5 nguồn cốt liệu mỏ Thống Nhất – Hải Dương 2.6.2. Kết quả thiết kế thành phần cấp phối cốt liệu theo phương pháp 62 Bailey cho BTNC 12,5 nguồn cốt liệu mỏ Sunway – Hà Nội 2.7. Kết luận chương 2 67 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH 68 HƯỞNG CỦA CẤP PHỐI CỐT LIỆU VÀ KHUNG CỐT LIỆU THÔ ĐẾN BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA 3.1. Kế hoạch thực nghiệm 68 3.1.1. Vật liệu thí nghiệm 68 3.1.2. Lựa chọn hỗn hợp BTN có đặc điểm khung cốt liệu thô điển hình 68 3.1.3. Thí nghiệm đánh giá đặc tính biến dạng không hồi phục của hỗn hợp 70 bê tông nhựa 3.1.3.1. Thí nghiệm vệt hằn bánh xe 70 3.1.3.2. Thí nghiệm từ biến 71 3.1.4. Kế hoạch thí nghiệm 72 3.2. Thiết kế thành phần và chế tạo mẫu thí nghiệm 72 3.2.1. Thí nghiệm đánh giá vật liệu thành phần 72 3.2.2. Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa 74 3.2.3. Đúc mẫu thí nghiệm làm thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe và thí 76 nghiệm từ biến 3.3. Kết quả thí nghiệm – phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 77 3.3.1. Kết quả và phân tích kết quả thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe 77
8. vi 3.3.1.1. Kết quả thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe 77 3.3.1.2. Phân tích đánh giá kết quả chiều sâu LVBX sau 20.000 lượt gia 79 tải 3.3.1.3. Phân tích quá trình hình thành vệt lún bánh xe 83 3.3.2. Kết quả và phân tích kết quả thí nghiệm từ biến 86 3.3.2.1. Kết quả thí nghiệm từ biến 86 3.3.2.2. Phân tích đánh giá kết quả thí nghiệm từ biến 90 3.4. Kết luận Chương 3 103 CHƯƠNG 4: CẤU TRÚC CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA VÀ 105 KHẢ NĂNG CHỐNG BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC 4.1. Phương pháp phân tích ảnh xác định cấu trúc hỗn hợp bê tông 105 nhựa 4.1.1. Các chỉ số đặc trưng cho cấu trúc của hỗn hợp bê tông nhựa 105 4.1.2. Nguyên lý phương pháp phân tích ảnh xác định cấu trúc hỗn hợp bê 107 tông nhựa 4.2. Phần mềm IPAS-2 – phần mềm phân tích ảnh xác định cấu trúc 108 hỗn hợp bê tông nhựa 4.2.1. Giới thiệu về phần mềm IPAS-2 108 4.2.2. Nguyên lý phương pháp phân tích cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa của 109 phần mềm IPAS-2 4.2.3. Phân tích cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa bằng phần mềm IPAS 2 111 4.2.4. Các thông số cấu trúc cốt liệu trong bê tông nhựa xác định bởi phần 112 mềm IPAS-2 4.3. Áp dụng phần mềm IPAS-2 phân tích cấu trúc của hỗn hợp bê 117 tông nhựa 4.3.1. Chế bị mẫu phục vụ phân tích cấu trúc BTN bằng phần mềm IPAS- 117 2 4.3.2. Kết quả xác định cấu trúc hỗn hợp BTN sử dụng phần mềm IPAS-2 118
9. vii 4.4. Phân tích đánh giá kết quả cấu trúc của hỗn hợp BTN xác định 119 bằng phần mềm IPAS-2 4.4.1. Chỉ tiêu Chỉ số cấu trúc ISI 119 4.4.2. Chỉ tiêu số tiếp xúc 123 4.4.3. Chỉ tiêu chiều dài tiếp xúc 126 4.5. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với các thông số đặc trưng cho 128 khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN 4.5.1. Quan hệ giữa Chỉ số cấu trúc ISI với chiều sâu lún vệt bánh xe 128 4.5.2. Quan hệ giữa chỉ số cấu trúc cốt liệu với đặc tính từ biến của hỗn 129 hợp bê tông nhựa ở 60 oC 4.5.2.1. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với độ cứng từ biến ở 60 oC 130 4.5.2.2. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với biến dạng tổng ở 60 oC 131 4.5.2.3. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với biến dạng không hồi 132 phục ở 60 oC 4.6. Kết luận Chương 4 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 138
10. viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình cấu trúc bê tông nhựa ở các cấp độ nghiên cứu 5 Hình 1.2. Cấu trúc của hỗn hợp bitum và bột khoáng với tỉ lệ bitum tăng 6 dần Hình 1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ [bitum/bột khoáng] đến cường độ nén của 7 bê tông nhựa Hình 1.4. Thành phần vữa nhựa và cốt liệu thô trong hỗn hợp bê tông nhựa 8 Hình 1.5. Cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa 9 Hình 1.6. Ảnh hưởng của hàm lượng đá dăm đến cường độ nén của bê tông 9 nhựa Hình 1.7. Lún vệt bánh xe do bê tông nhựa bị chảy dẻo 10 Hình 1.8. Hằn lún vệt bánh xe do kết cấu 11 Hình 1.9. Lún vệt bánh xe lớp mặt bê tông nhựa 12 Hình 1.10. Ảnh hưởng của số lần tác dụng đến sự hình thành hằn lún vệt 13 bánh xe Hình 1.11. Tỉ lệ các dạng hư hỏng quan sát ở các nước Châu Âu 14 Hình 1.12. Mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất trong thí nghiệm từ biến 15 Hình 1.13. Thí nghiệm từ biến không hạn chế nở hông 16 Hình 1.14. Mô hình thí nghiệm 3 trục tải trọng lặp 17 Hình 1.15. Đường cong từ biến điển hình 17 Hình 1.16. Thiết bị hằn lún vệt bánh xe Hamburg 19 Hình 1.17. Máy phân tích mặt đường asphalt - APA 21 Hình 1.18. Thiết bị French Rutting Tester 22 Hình 1.19. Thiết bị thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe của Đại học Purdue 23 Hình 2.1. Ảnh hưởng của nhựa đường và cốt liệu đến cường độ chống cắt 36 của hỗn hợp BTN Hình 2.2. Sự truyền ứng suất trong khung cốt liệu 37
11. ix Hình 2.3. Đường cấp phối cốt liệu mũ 0,45 40 Hình 2.4. Tỉ lệ đường kính hạt nêm chèn và hạt thô tạo khung – trường hợp 48 các mặt cốt liệu thô đều hình tròn Hình 2.5. Tỉ lệ đường kính hạt nêm chèn và hạt thô tạo khung – trường hợp 48 cốt liệu thô có 2 mặt tròn, một mặt phẳng Hình 2.6. Tỉ lệ đường kính hạt nêm chèn và hạt thô tạo khung – trường hợp 49 cốt liệu thô có 1 mặt tròn, 2 mặt phẳng Hình 2.7. Tỉ lệ đường kính hạt nêm chèn và hạt thô tạo khung – trường hợp 49 cốt liệu thô các mặt đều phẳng Hình 2.8a: Cốt liệu thô ở trạng thái rời 52 Hình 2.8b: Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích ở trạng thái rời của cốt 52 liệu thô Hình 2.9a: Cốt liệu thô ở trạng thái đã đầm nén 53 Hình 2.9b: Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích ở trạng thái đã đầm nén 53 của cốt liệu thô Hình 2.10. Lựa chọn khối lượng thể tích thiết kế của cốt liệu thô 54 Hình 2.11. Sơ đồ phương pháp thiết kế cấp phối cốt liệu hỗn BTN có xét 59 đến hình thành khung cốt liệu thô - phương pháp Bailey Hình 2.12. Đường cong cấp phối cốt liệu thiết kế theo phương pháp Bailey 64 – cốt liệu mỏ Thống Nhất Hình 2.13. Đường cong cấp phối cốt liệu thiết kế theo phương pháp Bailey 66 – cốt liệu mỏ Sunway Hình 3.1. Đường cong cấp phối BTN 12,5 các hỗn hợp nghiên cứu 70 Hình 3.2. Hình ảnh thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe 71 Hình 3.3. Thí nghiệm từ biến 71 Hình 3.4. Hình ảnh công tác chế tạo mẫu thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe 76 Hình 3.5. Hình ảnh mẫu thí nghiệm từ biến 77 Hình 3.6. Quan hệ giữa chiều sâu vệt lún bánh xe với số lần gia tải – BTN 78 cốt liệu mỏ Thống Nhất
12. x Hình 3.7. Quan hệ giữa chiều sâu vệt lún bánh xe với số lần gia tải – BTN 79 cốt liệu mỏ Sunway Hình 3.8. Biểu đồ tổng hợp hiều sâu LVBX tại 20.000 lượt gia tải 80 Hình 3.9. Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu LVBX 81 tại 20.000 lượt gia tải Hình 3.10. Các biến ảnh hưởng chính đến LVBX tại 20.000 lượt gia tải 81 Hình 3.11. Quan hệ giữa hàm lượng cốt liệu tạo khung và tốc độ lún ở giai 85 đoạn 2 – BTN cốt liệu mỏ Thống Nhất Hình 3.12. Quan hệ giữa lượng cốt liệu tạo khung và tốc độ lún ở giai đoạn 86 2 – BTN cốt liệu mỏ Sunway Hình 3.13. Đường cong biến dạng từ biến ở 30 oC với áp lực 200 kPa của 87 các hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ Thống Nhất Hình 3.14. Đường cong biến dạng từ biến ở 60 oC với áp lực 200 kPa của 87 các hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ Thống Nhất Hình 3.15. Đường cong biến dạng từ biến ở 30 oC với áp lực 200 kPa của 89 các hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ Sunway Hình 3.16. Đường cong biến dạng từ biến ở 60 oC với áp lực 200 kPa của 89 các hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ Sunway Hình 3.17. Biểu đồ tổng hợp độ cứng từ biến của các hỗn hợp BTN 93 Hình 3.18. Các biến ảnh hưởng chính đến độ cứng từ biến của các hỗn hợp 94 BTN Hình 3.19. Biểu đồ tổng hợp biến dạng tổng của các hỗn hợp BTN 95 Hình 3.20. Các biến ảnh hưởng chính đến biến dạng tổng của các hỗn hợp 96 BTN Hình 3.21. Biểu đồ tổng hợp biến dạng không hồi phục của các hỗn hợp của 98 các hỗn hợp BTN Hình 3.22. Các biến ảnh hưởng chính đến biến dạng không hồi phục của 99 các hỗn hợp BTN
13. xi Hình 3.23. Biểu đồ tổng hợp độ dốc từ biến của các hỗn hợp của các hỗn 100 hợp BTN Hình 3.24. Các biến ảnh hưởng chính đến độ dốc từ biến của các hỗn hợp 101 BTN Hình 4.1. Sự truyền tải trọng của vật liệu hạt liên kết yếu 106 Hình 4.2 . Giao diện phần mềm IPAS-2 109 Hình 4.3. Nguyên lý thể hiện ảnh kỹ thuật số trong MATLAB sử dụng một 110 ma trận Hình 4.4. Biểu đồ cường độ màu của ba thành phần của mẫu bê tông nhựa 110 Hình 4.5. Các bước phân tích cấu trúc bê tông nhựa bằng phần mềm IPAS 111 2 Hình 4.6. Sơ đồ mô tả quá trình xử lý ảnh trong phần mềm IPAS-2 112 Hình 4.7. Hình mô tả góc xoay của cốt liệu 113 Hình 4.8. Hình thể hiện phân bố góc xoay theo phương ngang và phương 113 hướng tâm của của cốt liệu trong một mẫu BTN Hình 4.9. Hình ảnh mô tả cách chia mẫu bê tông nhựa để xác đinh sự phân 114 bố của cốt liệu Hình 4.10. Hình ảnh mô tả sự phân bố cỡ hạt cốt liệu ở ba vùng của một 114 mẫu bê tông nhựa Hình 4.11. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa số điểm tiếp xúc với khoảng 115 cách tiếp xúc Hình 4.12. Hình mô tả đường tiếp xúc giữa 2 viên cốt liệu 115 Hình 4.13. Sơ đồ thể hiện nguyên lý tính toán hướng tiếp xúc giữa các viên 116 cốt liệu Hình 4.14. Đường tiếp xúc và hướng tiếp xúc trong một hỗn hợp thực (các 116 đường pháp tuyến tiếp xúc được thể hiện bằng mũi tên) Hình 4.15. Công tác chế bị mẫu phục vụ phân tích cấu trúc BTN 117 Hình 4.16. Biểu đồ tổng hợp chỉ số cấu trúc ISI của các hỗn hợp BTN 121
14. xii Hình 4.17. Biểu đồ Pareto thể hiện các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số cấu trúc 122 ISI của các hỗn hợp BTN. Hình 4.18. Các biến ảnh hưởng chính đến chỉ số cấu trúc ISI của các hỗn 122 hợp BTN Hình 4.19. Biểu đồ tổng hợp chỉ tiêu số tiếp xúc của các hỗn hợp BTN 124 Hình 4.20. Các biến ảnh hưởng đến chỉ tiêu số tiếp xúc của các hỗn hợp 125 BTN Hình 4.21. Biểu đồ tổng hợp chỉ tiêu chiều dài tiếp xúc của các hỗn hợp 126 BTN Hình 4.22. Các biến ảnh hưởng chính đến chỉ số chiều dài tiếp xúc của các 127 hỗn hợp BTN Hình 4.23. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với chiều sâu lún vệt bánh xe 129 sau 20.000 lượt gia tải Hình 4.24. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với độ cứng từ biến ở 60 oC 130 Hình 4.25. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với độ biến dạng tổng ở 60 oC 131 Hình 4.26. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với biến dạng không hồi phục 132 ở 60 oC
15. xiii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Yếu tố cốt liệu ảnh hưởng đến lún vệt bánh 24 Bảng 2.1. Cấp phối cốt liệu BTNC theo Quyết định 858 46 Bảng 2.2. Khống chế cỡ hạt trong BTNC để tạo BTNC thô theo Quyết định 46 858 Bảng 2.3. Cỡ sàng phân định cốt liệu thô và cốt liệu mịn theo quan điểm cốt 51 liệu tạo khung và cốt liệu nêm chèn – phương pháp Bailey Bảng 2.4. Các cỡ sàng phân định cốt liệu theo phương pháp Bailey 56 Bảng 2.5. Khoảng giá trị khuyến nghị cho các tỉ số cốt liệu theo phương 57 pháp Bailey Bảng 2.6. Các thông số của cốt liệu và bột khoáng phục vụ thiết kế cấp phối 60 cốt liệu theo phương pháp Bailey mỏ đá Thống Nhất – Hải Dương Bảng 2.7. Các thông số của cốt liệu và bộ khoáng phục vụ thiết kế cấp phối 61 cốt liệu theo phương pháp Bailey mỏ đá Sunway – Hà Nội Bảng 2.8. Kết quả lựa chọn các thông số thiết kế thành phần cấp phối cốt 62 liệu BTNC 12,5 theo phương pháp Bailey với mỏ Thống Nhất – Hải Dương Bảng 2.9. Tỉ lệ phối trộn giữa các loại cốt liệu và bột khoáng cốt liệu mỏ 63 Thống Nhất - Hải Dương Bảng 2.10. Cấp phối cốt liệu BTNC 12,5 thiết kế theo phương pháp Bailey 63 cốt liệu mỏ Thống Nhất – Hải Dương Bảng 2.11. Các tỉ số đánh giá cấp phối cốt liệu thiết kế hỗn hợp BTNC 12,5 64 cốt liệu mỏ Thống Nhất – Hải Dương Bản 2.12. Kết quả lựa chọn các thông số thiết kế thành phần cấp phối cốt 65 liệu BTNC theo phương pháp Bailey với liệu mỏ Sunway – Hà Nội Bảng 2.13. Tỉ lệ phối trộn giữa các loại cốt liệu và bột khoáng – cốt liệu mỏ 65 Sunway – Hà Nội Bảng 2.14. Cấp phối cốt liệu thiết kế theo phương pháp Bailey – cốt liệu mỏ 65 Sunway – Hà Nội Bảng 2.15. Các tỉ số đánh giá cấp phối cốt liệu thiết kế hỗn hợp BTNC 12,5 66 cốt liệu mỏ Sunway – Hà Nội
16. xiv Bảng 3.1. Thành phần cấp phối của các hỗn hợp BTNC12,5 nghiên cứu 69 Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cơ bản của nhựa đường 60/70 73 Bảng 3.3. Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu mỏ đá Thống Nhất 73 Bảng 3.4. Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu mỏ đá Sunway 74 Bảng 3.5. Các chỉ tiêu cơ lý ở hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp BTN 75 nguồn vật liệu mỏ Thống Nhất Bảng 3.6. Các chỉ tiêu cơ lý ở hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp BTN 75 nguồn vật liệu mỏ Sunway Bảng 3.7 Chiều sâu lún vệt bánh xe sau 20.000 lượt gia tải 78 Bảng 3.8. Đánh giá độ chụm của chiều sâu LVBX sau 20.000 lượt gia tải – 79 BTN cốt liệu mỏ Thống Nhất Bảng 3.9. Đánh giá độ chụm của chiều sâu LVBX sau 20.000 lượt gia tải – 79 BTN cốt liệu mỏ Sunway Bảng 3.10. Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA chiều sâu LVBX 80 tại 20.000 lượt gia tải Bảng 3.11. Phân giai đoạn lún – BTN cốt liệu mỏ Thống Nhất 84 Bảng 3.12. Tốc độ lún theo giai đoạn – BTN cốt liệu mỏ Thống Nhất 84 Bảng 3.13. Phân giai đoạn lún – BTN cốt liệu mỏ Sunway 85 Bảng 3.14. Tốc độ lún theo giai đoạn – BTN cốt liệu mỏ Sunway 85 Bảng 3.15. Kết quả thí nghiệm từ biến của các hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ 87 Thống Nhất ở 30 oC Bảng 3.16 Kết quả thí nghiệm từ biến của các hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ 88 Thống Nhất ở 60 oC Bảng 3.17. Kết quả thí nghiệm từ biến của các hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ 89 Sunway ở 30 oC Bảng 3.18. Kết quả thí nghiệm từ biến của các hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ 90 Sunway ở 60 oC Bảng 3.19. Đánh giá độ chụm của độ cứng từ biến thí nghiệm ở 30 oC – BTN 91 cốt liệu mỏ Thống Nhất
17. xv Bảng 3.20. Đánh giá độ chụm của độ cứng từ biến thí nghiệm ở 60 oC – BTN 91 cốt liệu mỏ Thống Nhất Bảng 3.21. Đánh giá độ chụm của độ cứng từ biến thí nghiệm ở 30 oC – BTN 92 cốt liệu mỏ Sunway Bảng 3.22. Đánh giá độ chụm của độ cứng từ biến thí nghiệm ở 60 oC – BTN 92 cốt liệu mỏ Sunway Bảng 3.23. Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA độ cứng từ biến 93 của các hỗn hợp BTN Bảng 3.24. Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA biến dạng tổng 96 của các hỗn hợp BTN Bảng 3.25. Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA biến dạng không 98 hồi phục của các hỗn hợp BTN Bảng 3.26. Kết quả chi tiết phân tích phương sai ANOVA độ dốc từ biến 101 của các hỗn hợp BTN Bảng 4.1. Kết quả phân tích cấu trúc hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ Thống Nhất 118 Bảng 4.2. Kết quả phân tích cấu trúc hỗn hợp BTN cốt liệu mỏ Sunway 119 Bảng 4.3. Đánh giá độ chụm Chỉ số cấu trúc ISI – BTN cốt liệu mỏ Thống 120 Nhất Bảng 4.4. Đánh giá độ chụm Chỉ số cấu trúc ISI – BTN cốt liệu mỏ Sunway 120 Bảng 4.5. Phân tích phương sai ANOVA Chỉ số cấu trúc ISI của các hỗn 121 hợp BTN Bảng 4.6. Phân tích phương sai ANOVA chỉ số số tiếp xúc của các hỗn hợp 124 BTN Bảng 4.7. Phân tích phương sai ANOVA chỉ số số tiếp xúc của các hỗn hợp 126 BTN
18. xvi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO (American Association of Highway and Transportation Officials): Hiệp hội những người làm đường và vận tải Hoa Kỳ APA (Asphalt Pavement Analyzer – APA): Thiết bị phân tích mặt đường asphalt ASTM (American Society for Testing and Materials): Hiệp hội thử nghiệm vật liệu Hoa Kỳ ATPB (Asphalt treated permeable base): Lớp móng xử lý nhựa có thể thấm nước BTN: Bê tông nhựa BTNC: Bê tông nhựa chặt CA LUW (Loose Unit Weight of Coarse Aggregate): Khối lượng thể tích của cốt liệu thô ở trạng thái rời CA RUW (Rodded Unit Weight of Coarse Aggregate): Khối lượng thể tích của cốt liệu thô ở trạng thái đã đầm nén. CA CUW (Chosen Unit Weight of Coarse Aggregate): Khối lượng thể tích thiết kế của cốt liệu thô lựa chọn khi thiết kế CP: Cấp phối CT (Computed Tomography): Chụp cắt lớp vi tính DIP (Digital Image Processing): Kỹ thuật xử lý ảnh số EN: Tiêu chuẩn Châu Âu FHWA (Federal Highway Administration): Cục đường bộ liên bang HLN: Hàm lượng nhựa HS (Half Sieve): Cỡ sàng giữa (cỡ sàng phân định hạt thô lớn và trung gian) HWTD (Hamburg Wheel-Tracking Device): Thiết bị hằn lún vệt bánh xe Hamburg. IDT (Indirect Tensile Test): Cường độ kéo gián tiếp KCMĐ: Kết cấu mặt đường IPAS (Image Processing and analysis System): Hệ thống xử lý và phân tích hình ảnh LVDT (Linear variable differential transformer): Cảm biến vi sai tuyến tính
19. xvii 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 NCHRP (National Cooperative Highway Research Program): Chương trình nghiên cứu đường bộ hợp tác quốc gia NMPS (Nominal Maximum Particle Size): Cỡ hạt lớn nhất danh định OGFC (Open-Graded Friction Course): Lớp tạo nhám cấp phối hở PCS (Primary Control Sieve): Cỡ sàng kiểm soát chính (cỡ sàng phân định cốt liệu thô và cốt liệu mịn) SCS (Secondary Control Sieve): Cỡ sàng kiểm soát cấp 2 SCT (Ctatic Creep Test): Thí nghiệm từ biến SHRP (Strategic Highway Research Program): Chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ SMA (Stone Mastic Asphalt): Hỗn hợp đá dăm vữa nhựa SST (Superpave Shear Test): Thí nghiệm cắt Superpave TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam TCN: Tiêu chuẩn ngành TCS (Tertiary Control Sieve): Cỡ sàng kiểm soát cấp 3 Va (Air Voids): Độ rỗng dư VMA (Voids in Mineral Aggregate): Độ rỗng cốt liệu
20. 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Bê tông nhựa là loại vật liệu được sử dụng phổ biến để làm mặt đường ô tô cấp cao, đường đô thị và đường cao tốc ở Việt Nam cũng như trên thế giới do có nhiều ưu điểm như như tuổi thọ khá cao, chịu được lưu lượng và tải trọng xe lớn, có thể thông xe ngay sau khi thi công, êm thuận và độ ồn nhỏ khi xe chạy. Tuy nhiên loại mặt đường này cũng có nhược điểm là nhạy cảm với nhiệt độ, khi nhiệt độ thấp thì giòn dễ bị nứt, khi nhiệt độ cao thì cường độ giảm dễ bị biến dạng không hồi phục. Thời gian gần đây ở Việt Nam, do sự gia tăng của lưu lượng và tải trọng xe biến dạng không hồi phục dạng lún vệt bánh xe đã trở thành một trong những hư hỏng phổ biến trên mặt đường. Theo các nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam hư hỏng lún vệt bánh xe chủ yếu do lớp bê tông nhựa kém ổn định trong điều kiện khai thác, không đủ cường độ kháng cắt làm cấu trúc vật liệu bị phá hoại. Bê tông nhựa gồm cốt liệu thô (đá dăm), cốt liệu mịn (cát), bột khoáng, nhựa đường và phụ gia (nếu có) phối hợp với nhau theo tỉ lệ hợp lý. Mỗi thành phần vật liệu đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ cường độ và các tính chất cần thiết trong quá trình sử dụng. Bên cạnh các yếu tố về chất lượng vật liệu thì cấp phối cốt liệu hay tỉ lệ phối trộn giữa các nhóm cỡ hạt cốt liệu là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hầu hết các tính chất quan trọng của hỗn hợp bê tông nhựa trong đó có khả năng chống biến dạng không hồi phục cũng như cường độ chống cắt. Một hỗn hợp BTN có tỉ lệ phối trộn cốt liệu hợp lý cho phép các hạt cốt liệu thô tiếp xúc với nhau và các hạt cốt liệu mịn nêm chèn vừa đủ mà không đẩy các hạt cốt liệu thô ra xa. Hỗn hợp như vậy sẽ có khung cốt liệu thô chịu lực tốt từ đó tăng cường độ kháng cắt cũng như tăng khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp do tăng ma sát giữa các hạt cốt liệu. Trên thế giới, ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu và khung cốt liệu thô đến khả năng kháng lún của hỗn hợp bê tông nhựa đã được một số tác giả quan tâm nghiên cứu. Do nguồn gốc vật liệu, phương pháp nghiên cứu, thiết bị nghiên cứu khác nhau nên kết quả thu được cũng khác nhau. Tuy nhiên, về cơ bản các tác giả đều thống nhất cho rằng cấp phối cốt liệu ảnh hưởng lớn đến khả năng kháng lún của bê tông nhựa và cường độ chống cắt tăng khi có sự tiếp xúc và chèn móc giữa các hạt cốt liệu thô trong hỗn hợp. Nhận thấy vai trò của khung cốt liệu thô trong việc hình thành khả năng kháng lún cho hỗn hợp bê tông nhựa, Robert Bailey đã nghiên cứu phát triển một phương pháp thiết kế cấp phối cốt liệu cho bê tông nhựa có xét đến hình thành
21. 2 khung cốt liệu thô như một giải pháp chống hằn lún vệt bánh xe ở bang Illinois, Hoa Kỳ. Thêm vào đó, nhằm làm rõ hơn vai trò của khung cốt liệu thô trong khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN, một số nhà khoa học đã nghiên cứu phát triển các công cụ xác định cấu trúc khung cốt liệu hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng dụng phương pháp phân tích ảnh. Ở Việt Nam gần đây cũng đã có một số tác giả nghiên cứu về ảnh hưởng của mức độ thô của cấp phối cốt liệu đến khả năng kháng lún và mỏi của hỗn hợp bê tông nhựa. Tuy nhiên các nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu thô mà chưa xem xét đến việc tạo ra khung cốt liệu thô và vai trò của khung cốt liệu thô trong khả năng kháng lún của hỗn hợp bê tông nhựa. Chính vì vậy đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu thô tạo khung đến sự phát triển biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết và có ý nghĩa khoa học. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa chặt có xét đến việc hình thành khung cốt liệu thô, khảo sát ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu và hàm lượng cốt liêu thô tạo khung đến khả năng chống biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng. Nghiên cứu cũng đề xuất và xác định các thông số cấu trúc của hỗn hợp bê tông nhựa có liên quan đến khả năng chống biến dạng không hồi phục bằng phương pháp phân tích ảnh. Từ đó làm rõ vai trò của khung cốt liệu thô trong việc hình thành khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp bê tông nhựa. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là bê tông nhựa nóng sử dụng làm mặt đường ô tô ở Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu là khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng các thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe và thí nghiệm từ biến, nghiên cứu các thông số cấu trúc có liên quan đến khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa có xét đến khung cốt liệu thô nhằm xác định được cấp phối cốt liệu và hàm lượng cốt liệu thô hợp lý cho hỗn hợp bê tông nhựa cho khả năng chống biến dạng không hồi phục tốt.
22. 3 - Thông qua khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng cốt liệu thô đến khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp bê tông nhựa với hai nguồn cốt liệu khác nhau từ đó xác định được khoảng hàm lượng cốt liệu thô hợp lý cho khả năng chống biến dạng không hồi phục cao. - Nghiên cứu xác định cấu trúc của hỗn hợp BTN sử dụng phương pháp phân tích ảnh, thiết lập tương quan giữa các chỉ số này với các thông số cơ học thể hiện khả năng kháng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN. Từ các chỉ tiêu cấu trúc xác định bằng phương pháp phân tích ảnh có thể cơ bản dự báo được khả năng chống biến dạng không hồi phục, giúp đánh giá, sàng lọc sơ bộ hỗn hợp bê tông nhựa theo khả năng chống biến dạng không hồi phục.
23. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CẤP PHỐI CỐT LIỆU VÀ KHUNG CỐT LIỆU THÔ ĐẾN BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG NHỰA 1.1. Thành phần vật liệu và cấu trúc của bê tông nhựa 1.1.1. Thành phần vật liệu của bê tông nhựa Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm các thành phần là cốt liệu khoáng (đá dăm, cát, bột khoáng), chất liên kết là nhựa đường và phụ gia (nếu có) được phối hợp với nhau theo tỷ lệ hợp lý. Mỗi thành phần trong bê tông nhựa đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ cường độ và các tính chất cần thiết cho quá trình sử dụng. - Đá dăm (cốt liệu thô): Làm nên bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa, làm cho bê tông nhựa có khả năng chịu tác dụng của ngoại lực và tạo độ nhám bề mặt. - Cát (cốt liệu mịn): Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm và cùng với đá dăm làm thành bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa. - Bột khoáng: Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn. Bột khoáng là loại vật liệu có tỷ diện cao (250300 m2/kg), có ái lực mạnh với nhựa, biến nhựa vốn có ở trạng thái khối, giọt thành trạng thái màng mỏng, bao bọc dễ dàng với các hạt khoáng vật. Bột khoáng có vai trò như một chất phụ gia làm cho nhựa tăng thêm độ nhớt, tăng thêm khả năng dính bám và tăng tính ổn định nhiệt. Bột khoáng cùng với nhựa tạo ra một chất liên kết mới, chất liên kết asphalt có tính chất hơn hẳn các tính chất riêng của nhựa đường. - Nhựa đường: Là chất liên kết, kết dính các hạt cốt liệu khoáng lại với nhau thành một khối và góp phần lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu. - Phụ gia: Mặc dù được sử dụng với hàm lượng rất nhỏ, nhưng phụ gia có vai trò trong việc cải thiện một hoặc một số tính chất nào đó của bê tông nhựa. 1.1.2. Cấu trúc của hỗn hợp bê tông nhựa Về mặt cấu trúc, bê tông nhựa là một vật liệu xây dựng có cấu trúc thuộc loại cuội kết nhân tạo, trong đó các cốt liệu khoáng vật được dính kết với nhau nhờ chất liên kết asphalt. Tuy nhiên cũng còn một vài quan điểm về cấu trúc của hỗn hợp: - Quan điểm theo mô hình đơn giản xem bê tông nhựa gồm hai pha cơ bản: pha rắn là cốt liệu khoáng vật gồm đá, cát và bột khoáng, còn pha lỏng là nhựa.