Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu Stone Mastic Asphalt đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống nứt mặt đường bê tông Asphalt trong điều kiện Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:181

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu về thành phần, những đặc tính cơ học của vật liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật, khả năng, hiệu quả ứng dụng của vật liệu Stone Mastic Asphalt. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu Stone Mastic Asphalt đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống nứt mặt đường bê tông Asphalt trong điều kiện Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ THANH HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU STONE MASTIC ASPHALT ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE VÀ CHỐNG NỨT MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG ASPHALT TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2021
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ THANH HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA VẬT LIỆU STONE MASTIC ASPHALT ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE VÀ CHỐNG NỨT MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG ASPHALT TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9 58 02 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. Phạm Cao Thăng 2. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Long HÀ NỘI - NĂM 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TẬP THỂ HƢỚNG DẪN Hà Nội, tháng năm 2021 Ngƣời hƣớng dẫn 1 Ngƣời hƣớng dẫn 2 Nghiên cứu sinh GS.TS. Phạm Cao Thăng PGS.TS. Nguyễn Hoàng Long Lê Thanh Hải
ii LỜI CÁM ƠN Trong thời khắc vinh dự và quan trọng với cá nhân, từ đáy lòng mình với tất cả sự chân thành, NCS xin được nói lời tri ân sâu sắc đến GS.TS. Phạm Cao Thăng và PGS.TS. Nguyễn Hoàng Long - những người Thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng khoa học và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án. NCS xin gửi lời cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, Phòng Sau đại học, Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Bộ môn Cầu đường Sân bay đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho NCS trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. NCS xin bày tỏ lòng biết ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu trường Đại học Công nghệ GTVT, Phòng KHCN&HTQT, Khoa Công trình, Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc, Phòng thí nghiệm LAS-XD72, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng - Trường Đại học GTVT, các bạn đồng nghiệp, các TS-NCS nước ngoài, đặc biệt là PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc, TS. Nguyễn Ngọc Lân và ThS. Vũ Thế Thuần đã tận tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu, số liệu, vật liệu và tạo điều kiện trong quá trình thí nghiệm, giúp NCS hoàn thành luận án này. NCS xin chân thành cảm ơn thầy chủ tịch, các thầy/cô trong hội đồng chấm luận án, các chuyên gia trong lĩnh vực đường bộ, vật liệu đã cho NCS những đóng góp quý báu trong quá trình thực hiện luận án này. Cho phép NCS chân thành cảm tạ và bày tỏ lòng biết ơn tới bố mẹ hai bên, vợ, con cùng những người thân yêu trong gia đình, anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn đồng hành, dành cho tôi rất nhiều sự giúp đỡ, động viên, khích lệ trong quá trình học tập, nghiên cứu. NCS sẽ luôn khắc ghi trong lòng những tình cảm và công lao ấy. Nghiên cứu sinh Lê Thanh Hải
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ........................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................. x DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ............................................................ xii DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................... xv MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ STONE MASTIC ASPHALT, HƢ HỎNG LÚN VỆT BÁNH XE VÀ NỨT LỚP MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG NHỰA ........................................................................................ 3 1.1. Tổng quan về Stone Mastic Asphalt ................................................... 3 1.1.1. Khái niệm Stone Mastic Asphalt .................................................... 3 1.1.2. Ứng dụng SMA trên thế giới .......................................................... 4 1.1.2.1. SMA tại Mỹ .............................................................................. 4 1.1.2.2. SMA tại châu Âu ...................................................................... 5 1.1.2.3. SMA tại Úc ............................................................................... 8 1.1.2.4. SMA tại New Zealand .............................................................. 9 1.1.2.5. SMA tại Trung Quốc .............................................................. 10 1.1.2.6. SMA cho mặt đường sân bay ................................................. 11 1.1.2.7. SMA cho mặt cầu ................................................................... 12 1.1.2.8. Bảng tổng hợp các yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp SMA sử dụng trên thế giới ............................................................................................ 14 1.1.2.9. Các kết quả nghiên cứu khác về SMA trên thế giới ............... 15 1.1.3. Ứng dụng SMA ở Việt Nam ......................................................... 16 1.1.3.1. Sử dụng hỗn hợp SMA cho mặt cầu Thăng Long .................. 16 1.1.3.2. Sử dụng hỗn hợp SMA cho mặt cầu Thuận Phước ................ 16 1.1.3.3. Sử dụng hỗn hợp SMA cho mặt cầu Cần Thơ ........................ 17 1.1.3.4. Các kết quả nghiên cứu khác về SMA ở Việt Nam ................ 17 1.1.4. Các ưu điểm của hỗn hợp SMA .................................................... 18 1.2. Một số nhận xét về kết quả nghiên cứu tổng quan SMA ............... 20 1.2.1. Ứng dụng SMA trên thế giới ........................................................ 20 1.2.1.1. Thành phần vật liệu chế tạo ................................................... 20
iv 1.2.1.2. Cấp phối ................................................................................. 20 1.2.1.3. Yêu cầu kỹ thuật ..................................................................... 21 1.2.2. Ứng dụng SMA ở Việt Nam ......................................................... 21 1.2.2.1. Thành phần vật liệu chế tạo ................................................... 21 1.2.2.2. Cấp phối ................................................................................. 22 1.2.2.3. Yêu cầu kỹ thuật ..................................................................... 22 1.3. Thực trạng LVBX trên mặt đƣờng BTN ở Việt Nam và trên thế giới .............................................................................................................. 22 1.3.1. Thực trạng LVBX mặt đường mềm ô tô ở Việt Nam................... 22 1.3.2. Thực trạng LVBX mặt đường mềm ô tô trên thế giới .................. 23 1.4. Các nguyên nhân gây biến dạng xô dồn, lún lớp BTN mặt đƣờng 24 1.4.1. Điều kiện nhiệt độ tại Việt Nam ................................................... 24 1.4.2. Yếu tố vật liệu, thành phần cấp phối ............................................ 25 1.4.3. Điều kiện khai thác ....................................................................... 27 1.5. Các biện pháp hạn chế LVBX trên thế giới và ở Việt Nam ........... 28 1.5.1. Các biện pháp hạn chế LVBX trên thế giới .................................. 28 1.5.1.1. Giải pháp về vật liệu .............................................................. 28 1.5.1.2. Một số giải pháp sử dụng phụ gia với chất kết dính nhựa đường............................................................................................................... 30 1.5.1.3. Giải pháp hoàn thiện kết cấu phối hợp sử dụng vật liệu cải thiện ................................................................................................................. 31 1.5.2. Các biện pháp khắc phục hạn chế LVBX tại Việt Nam ............... 32 1.5.2.1. Ban hành các Quyết định liên quan đến kiểm soát LVBX ..... 32 1.5.2.2. Kiểm soát tải trọng xe ............................................................ 33 1.5.2.3. Các nghiên cứu khác về giải pháp khắc phục LVBX ở Việt Nam ................................................................................................................. 33 1.6. Các phƣơng pháp dự báo LVBX ...................................................... 34 1.6.1. Phương pháp của Liên Bang Nga ................................................. 35 1.6.2. Phương pháp cơ học thực nghiệm của Mỹ ................................... 38 1.7. Hƣ hỏng nứt trên mặt đƣờng BTN................................................... 39 1.7.1. Khái niệm ...................................................................................... 39 1.7.2. Thí nghiệm kháng nứt của hỗn hợp BTN trên thế giới................. 41 1.7.3. Thí nghiệm kháng nứt của hỗn hợp BTN ở Việt Nam ................. 43 1.8. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .................................................... 43
v CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN VẬT LIỆU, PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP STONE MASTIC ASPHALT ĐỂ HẠN CHẾ LÚN VỆT BÁNH XE VÀ NỨT MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG NHỰA .................................................................................................. 45 2.1. Nghiên cứu thành phần vật liệu của hỗn hợp SMA........................ 45 2.1.1. Bộ khung cốt liệu của hỗn hợp SMA............................................ 45 2.1.2. Sự hình thành khung cốt liệu thô .................................................. 46 2.1.3. Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp SMA.. 47 2.1.3.1. Độ rỗng dư (Va) của hỗn hợp SMA........................................ 47 2.1.3.2. Độ rỗng hỗn hợp vật liệu khoáng (VMA) của hỗn hợp SMA 48 2.1.3.3. Độ rỗng lấp đầy bitum (VFA) của hỗn hợp SMA .................. 49 2.1.3.4. Độ rỗng cốt liệu thô trong hỗn hợp SMA sau khi đầm .......... 50 2.1.4. Ảnh hưởng của cốt liệu đến chất lượng hỗn hợp SMA ................ 54 2.1.5. Thành phần và cấp phối của hỗn hợp SMA.................................. 55 2.1.6. Cốt liệu lớn trong hỗn hợp SMA .................................................. 57 2.1.7. Mastic ............................................................................................ 58 2.2. Phƣơng pháp thiết kế hỗn hợp SMA................................................ 64 2.3. Trình tự thiết kế hỗn hợp SMA ........................................................ 65 2.4. Khả năng chống nứt của hỗn hợp SMA........................................... 66 2.5. Phƣơng pháp thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của vật liệu BTN - theo tiêu chuẩn ASTM D8225 - 19 thông qua chỉ số CTIndex ......... 67 2.5.1. Mô tả thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của vật liệu BTN (IDEAL-CT) .................................................................................................... 67 2.5.2. Điểm quyết định để tính toán chỉ số CTIndex ................................. 68 2.5.3. Công thức tính CTIndex ................................................................... 69 2.5.4. Quy trình thí nghiệm ..................................................................... 70 2.6. Phân tích tác động của tải trọng đến biến dạng LVBX lớp BTN mặt đƣờng ...................................................................................................... 71 2.6.1. Sơ đồ tác dụng của tải trọng.......................................................... 71 2.6.2. Phân loại biến dạng lún ................................................................. 72 2.7. Cấu trúc và cƣờng độ kháng cắt của hỗn hợp BTN ....................... 73 2.7.1. Cấu trúc của hỗn hợp BTN ........................................................... 73 2.7.2. Bộ khung cốt liệu của hỗn hợp BTN ............................................ 73 2.7.3. Cường độ kháng cắt của BTN....................................................... 75
vi 2.7.3.1. Thành phần lực nội ma sát .................................................... 75 2.7.3.2. Thành phần lực dính .............................................................. 75 2.8. Nghiên cứu lựa chọn giải pháp tăng sức kháng cắt cho BTN áp dụng trong điều kiện Việt Nam .................................................................... 76 2.8.1. Giải pháp tăng hệ số nội ma sát .................................................... 76 2.8.2. Giải pháp tăng lực dính ................................................................. 78 2.8.3. Lựa chọn phương pháp thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt của hỗn hợp BTN ............................................................................................ 80 2.8.3.1. Thí nghiệm cắt động............................................................... 80 2.8.3.2. Thí nghiệm xác định lực dính bằng cắt phẳng Leutner ......... 80 2.8.3.3. Phương pháp thí nghiệm xác định góc nội ma sát φ và lực dính đơn vị C theo Tiêu chuẩn Liên Bang Nga ............................................... 80 2.9. Kết luận chƣơng 2 .............................................................................. 82 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CỐT LIỆU, CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP STONE MASTIC ASPHALT TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ................... 84 3.1. Lựa chọn thành phần vật liệu và kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật .. 84 3.1.1. Cốt liệu thô, cốt liệu mịn và bột khoáng ....................................... 84 3.1.2. Chất kết dính ................................................................................. 84 3.1.3. Chất ổn định .................................................................................. 85 3.1.4. Phụ gia sasobit .............................................................................. 85 3.2. Thiết kế thành phần cấp phối các loại BTN .................................... 86 3.3. Thiết kế thí nghiệm và trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu .. 87 3.3.1. Thiết kế thí nghiệm ....................................................................... 87 3.3.2. Loại bỏ số liệu ngoại lai và đánh giá độ chụm ............................. 88 3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm hàm lƣợng sợi, và hàm lƣợng nhựa sử dụng trong hỗn hợp SMA ........................................................................ 88 3.4.1. Kết quả phân tích độ rỗng dư ........................................................ 89 3.4.2. Phân tích độ ổn định Marshall (S) ................................................ 90 3.4.3. Phân tích độ dẻo Marshall (F)....................................................... 91 3.5. Xác định hàm lƣợng chất kết dính tối ƣu của hỗn hợp SMA với các hàm lƣợng sợi cellulose khác nhau .............................................................. 93 3.5.1. Lập kế hoạch thí nghiệm ............................................................... 93
vii 3.5.2. Thí nghiệm kiểm tra xác định sự liên kết đá chèn đá ................... 93 3.5.3. Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng nhựa tối ưu ................... 94 3.5.4. Kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật đối với hỗn hợp SMA thiết kế ..... 95 3.5.4.1. Thí nghiệm kiểm tra hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp ........ 96 3.5.4.2. Tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp SMA12,5 thiết kế với hàm lượng sợi: 0,2%; 0,3% và 0,5% ........................................................ 96 3.6. Lựa chọn chỉ tiêu nghiên cứu thí nghiệm và công tác chế tạo mẫu .. .............................................................................................................. 97 3.6.1. Lựa chọn chỉ tiêu cơ học của BTN trong nghiên cứu thí nghiệm 97 3.6.2. Chế tạo mẫu và quy hoạch thí nghiệm .......................................... 98 3.7. Thí nghiệm xác định hệ số nội ma sát (tgφ) và lực dính đơn vị (C) .. .............................................................................................................. 99 3.7.1. Kế hoạch thí nghiệm ..................................................................... 99 3.7.2. Trình tự thí nghiệm xác định hệ số nội ma sát và lực dính đơn vị 99 3.7.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích ................................................. 101 3.8. Thí nghiệm xác định hệ số dẻo (m) và năng lƣợng kích hoạt biến dạng nhớt dẻo (U) ........................................................................................ 104 3.8.1. Kế hoạch thí nghiệm ................................................................... 104 3.8.2. Trình tự thí nghiệm xác định m và U .......................................... 104 3.8.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích ................................................. 106 3.9. Thí nghiệm đánh giá LVBX ............................................................ 108 3.10. Thí nghiệm cƣờng độ kéo uốn....................................................... 109 3.10.1. Phương pháp thí nghiệm cường độ kéo uốn ............................. 109 3.10.2. Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn ................................... 110 3.10.3. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn và phân tích ................. 111 3.11. Thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp BTN ... 111 3.11.1. Kế hoạch thí nghiệm ................................................................. 111 3.11.2. Kết quả thí nghiệm và bình luận ............................................... 112 3.12. Thí nghiệm đánh giá sức kháng ẩm ............................................. 119 3.12.1. Phương pháp thí nghiệm ........................................................... 119 3.12.2. Kết quả thí nghiệm và thảo luận ............................................... 119 3.13. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tĩnh................................... 120 3.13.1. Phương pháp thí nghiệm ........................................................... 120
viii 3.13.2. Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh ................................ 121 3.13.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích ............................................... 122 3.14. Thí nghiệm đánh giá mô đun đàn hồi động ................................. 123 3.14.1. Trình tự thí nghiệm mô đun đàn hồi động ................................ 123 3.14.2. Kết quả thí nghiệm mô đun động.............................................. 124 3.15. Kết luận chƣơng 3 .......................................................................... 130 CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG HỖN HỢP STONE MASTIC ASPHALT LÀM MẶT ĐƢỜNG CẤP CAO TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ............................................................................................................ 131 4.1. Một số lƣu ý về thiết kế, chế tạo hỗn hợp SMA trong điều kiện Việt Nam ............................................................................................................ 131 4.1.1. Một số lưu ý về các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho hỗn hợp SMA .............................................................................................................. 131 4.1.2. Một số lưu ý về thiết kế hỗn hợp SMA....................................... 132 4.1.3. Các giai đoạn thiết kế hỗn hợp SMA .......................................... 132 4.2. Một số lƣu ý về công nghệ chế tạo và thi công hỗn hợp SMA ..... 132 4.3. Nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp SMA trong KCAĐM cấp cao ở Việt Nam ............................................................................................................ 137 4.3.1. Quy mô giao thông trên các tuyến đường ô tô cấp cao ở Việt Nam ....................................................................................................................... 137 4.3.2. KCAĐM áp dụng cho đường ô tô quy mô giao thông lớn ở Việt Nam ............................................................................................................... 138 4.3.3. Tính toán ứng dụng hỗn hợp SMA làm lớp mặt trong kết cấu mặt đường mềm ô tô ở Việt Nam theo 22 TCN 211-06 ...................................... 138 4.3.4. Đề xuất cấu tạo KCAĐM áp dụng cho đường ô tô quy mô giao thông lớn ở Việt Nam .................................................................................... 140 4.4. Ứng dụng tính toán đánh giá LVBX cho mặt đƣờng ô tô ............ 140 4.5. Ứng dụng tính toán đánh giá LVBX cho mặt đƣờng sân bay ..... 143 4.6. Phân tích sơ bộ chi phí xây dựng lớp mặt ..................................... 146 4.7. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................ 148 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 149 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .... 151 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 153
ix A. TIẾNG VIỆT ...................................................................................... 153 B. TIẾNG ANH ....................................................................................... 155 C. TIẾNG NGA ....................................................................................... 161 D. TÀI LIỆU TRÊN INTERNET .......................................................... 162
x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AC Asphalt Concrete - Bê tông nhựa AASHTO American Association of State Highway Transportation Officials - Hiệp hội giao thông quốc gia và đường cao tốc Mỹ ASTM American Society of Testing Materials - Hiệp hội vật liệu thử nghiệm Mỹ AĐM Áo đường mềm BTA (BTN) Bê tông asphalt (Bê tông nhựa) BTNC Bê tông nhựa chặt BTNR Bê tông nhựa rỗng BTNP Bê tông nhựa polime BTXM Bê tông xi măng CHC Cất hạ cánh CHK Cảng hàng không CHLB Cộng hòa liên bang CPĐD Cấp phối đá dăm DGA Dense-Graded Asphalt Mix - Hỗn hợp bê tông nhựa cấp phối chặt ĐL Đường lăn EAPA European Asphalt Pavement Association - Hiệp hội mặt đường bê tông nhựa Châu Âu GTVT Giao thông vận tải LVBX Lún vệt bánh xe HMA Hot Mix Asphalt - Hỗn hợp bê tông nhựa nóng ICAO International Civil Aviation Organization - Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế IDEAL-CT Indirect tensile asphalt cracking test - Thí nghiệm nứt bằng phương pháp kéo gián tiếp bê tông nhựa KCAĐ Kết cấu áo đường KCAĐM Kết cấu áo đường mềm L.A. Los Angeles Abrasion - Độ hao mòn Los Angeles MEPDG Mechanistic Empirical Pavement Design Guide - Hướng dẫn thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm NAPA National Asphalt Pavement Association - Hiệp hội mặt đường bê tông nhựa quốc gia - Mỹ NAA National Aggregate Association - Hiệp hội cốt liệu quốc gia - Mỹ
xi NCAT National Center for Asphalt Technology - Trung tâm công nghệ asphalt quốc tế - Mỹ NCHRP National Cooperative Highway Research Program - Chương trình nghiên cứu đường bộ quốc gia - Mỹ NMAS Nominal Maximum Aggregate Size - Cỡ hạt lớn nhất danh định của cốt liệu QĐ Quyết định QĐ 858 Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ GTVT QĐ 1617 Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ngày 29/4/2014 của Bộ GTVT QL Quốc lộ SĐ Sân đỗ SMA Stone Mastic Asphalt (Stone Matrix Asphalt) SHRP Strategic Highway Research Plan - Chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ - Mỹ TCN Tiêu chuẩn Ngành TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TPP TAF-PACK-PREMIUM TSR Tensile Strength Ratio - Hệ số cường độ chịu kéo TWG Technical Working Group - Nhóm công tác kỹ thuật - Mỹ Va Air Voids - Độ rỗng dư VCA Voids in Coarse Aggregate - Độ rỗng cốt liệu thô VCAMIX Voids in Coarse Aggregate Mix - Độ rỗng cốt liệu thô trong hỗn hợp SMA đã đầm chặt VCADRC Volume of coarse Aggregate - Dry Rodded condition - Độ rỗng cốt liệu thô ở trạng thái đầm khô VFA Voids Filled with Asphalt - Độ rỗng lấp đầy bitum VMA Voids in the Mineral Aggregate - Độ rỗng cốt liệu WTSAIR Độ dốc hình thành độ sâu LVBX trong không khí ở 60oC, 10.000 chu kỳ (Phương pháp B) PRDAIR Độ sâu LVBX tương đối của mẫu thử trong không khí ở 60oC, 10.000 chu kỳ (Phương pháp B)
xii DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1. Yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp SMA sử dụng trên thế giới ............ 14 Bảng 1.2. Tổng số giờ nắng tại một số trạm quan trắc chia theo Tỉnh, thành phố và Năm [24].............................................................................................. 25 Bảng 1.3. Thành phần cấp phối của ba loại BTNC 12,5 tại Việt Nam ........... 25 Bảng 1.4. Giới hạn chiều sâu lún mặt đường .................................................. 37 Bảng 1.5. Bảy thí nghiệm nứt đã được chọn bởi NCHRP 9-57...................... 41 Bảng 2.1. Thể tích ống nghiệm tương ứng kích thước danh định cốt liệu ..... 52 Bảng 2.2. Độ dày ống trụ thí nghiệm tương ứng thể tích ống ........................ 52 Bảng 2.3. Thành phần cấp phối của SMA và các loại hỗn hợp BTN ............. 55 Bảng 2.4. Một số yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu thô ........................................ 58 Bảng 2.5. Bảy giai đoạn của đường cong chuyển vị tải trọng ........................ 68 Bảng 2.6. Yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp SMA............................................... 83 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm các yêu cầu kỹ thuật đối với cốt liệu .............. 84 Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cơ bản của PMB III và PMB III pha sasobit ................. 85 Bảng 3.3. Số lượng mẫu thí nghiệm xác định hàm lượng nhựa tối ưu ........... 93 Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm VCADRC và VCAMIX ........................................ 93 Bảng 3.5. Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế (0% sợi cellulose) ...... 94 Bảng 3.6. Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế (0,2% sợi cellulose) ... 94 Bảng 3.7. Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế (0,3% sợi cellulose) ... 95 Bảng 3.8. Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế (0,5% sợi cellulose) ... 95 Bảng 3.9. Kết quả kiểm tra hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp ...................... 96 Bảng 3.10. Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp SMA ứng với hàm lượng bitum thiết kế (hàm lượng sợi 0,2%) ......................................................................... 96 Bảng 3.11. Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp SMA ứng với hàm lượng bitum thiết kế (hàm lượng sợi 0,3%) ......................................................................... 96 Bảng 3.12. Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp SMA ứng với hàm lượng bitum thiết kế (hàm lượng sợi 0,5%) ......................................................................... 97 Bảng 3.13. Số lượng thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học phục vụ tính toán theo tiêu chuẩn của Liên Bang Nga ........................................................................ 98
xiii Bảng 3.14. Số lượng thí nghiệm các chỉ tiêu phục vụ tính toán kết cấu áo đường mềm theo 22TCN 211-06 .................................................................... 99 Bảng 3.15. Số lượng thí nghiệm đánh giá tính năng của các loại hỗn hợp .... 99 Bảng 3.16. Số lượng mẫu thí nghiệm xác định hệ số nội ma sát (tgθ) và lực dính đơn vị (C) của vật liệu BTN.................................................................... 99 Bảng 3.17. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số C, θ của hỗn hợp SMA sử dụng bitum PMBIII ................................................................. 101 Bảng 3.18. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số C, θ của hỗn hợp BTNC 858 sử dụng bitum PMBIII ........................................................ 102 Bảng 3.19. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số C, θ của hỗn hợp BTNC 356 sử dụng bitum PMBIII ........................................................ 102 Bảng 3.20. Bảng tổng kết quả xác định hệ số nội ma sát (tgθ) và lực dính đơn vị (C) của 3 loại hỗn hợp BTN...................................................................... 102 Bảng 3.21. Số lượng mẫu thí nghiệm xác định hệ số dẻo (m) và năng lượng kích hoạt biến dạng nhớt dẻo (U) của hỗn hợp BTN .................................... 104 Bảng 3.22. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số m, U của hỗn hợp SMA sử dụng bitum PMBIII ................................................................. 106 Bảng 3.23. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số m, U của hỗn hợp BTNC 858 sử dụng bitum PMBIII ........................................................ 106 Bảng 3.24. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số m, U của hỗn hợp BTNC 356 sử dụng bitum PMBIII ........................................................ 107 Bảng 3.25. Bảng tổng kết quả xác định hệ số m và U .................................. 107 Bảng 3.26. Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn ..................................... 110 Bảng 3.27. Kết quả thí nghiệm cường kéo uốn mẫu SMA nóng .................. 111 Bảng 3.28. Kết quả thí nghiệm cường kéo uốn mẫu BTNC 858 nóng ......... 111 Bảng 3.29. Kế hoạch thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp BTN - theo tiêu chuẩn ASTM D8225 ........................................................... 112 Bảng 3.30. Giá trị của chỉ số kháng nứt CTIndex ............................................ 113 Bảng 3.31. Giá trị giới hạn tối thiểu chỉ số kháng nứt CTIndex ...................... 114 Bảng 3.32. Giá trị độ dốc của đường cong chuyển vị - tải trọng .................. 114 Bảng 3.33. Giá trị góc dốc của đường cong chuyển vị - tải trọng ................ 114
xiv Bảng 3.34. Năng lượng phá hủy Gf ............................................................... 117 Bảng 3.35. Số lượng thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh của BTN .................. 121 Bảng 3.36. Mô đun đàn hồi tĩnh của các hỗn hợp ở 15oC ............................ 122 Bảng 3.37. Mô đun đàn hồi tĩnh của các hỗn hợp ở 30oC ............................ 122 Bảng 3.38. Mô đun đàn hồi tĩnh của các hỗn hợp ở 60oC ............................ 122 Bảng 4.1. Tiêu chuẩn thành phần hạt của hỗn hợp SMA12,5 ...................... 131 Bảng 4.2. Yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật của hỗn hợp SMA ........................... 131 Bảng 4.3. Thông số đặc trưng của các lớp vật liệu dùng trong tính toán ..... 139 Bảng 4.4. Kết quả xác định chiều dày và mô đun đàn hồi ............................ 139 Bảng 4.5. Kết quả tính toán tổng biến dạng dẻo tương đối và chiều sâu vệt lún lớp BTN cho mặt đường ô tô của các loại hỗn hợp ...................................... 142 Bảng 4.6. Một số loại tàu bay lớn đang khai thác tại sân bay Nội Bài và Tân Sơn Nhất ........................................................................................................ 144 Bảng 4.7. Kết quả tính toán tổng biến dạng dẻo và chiều sâu vệt lún mặt đường sân bay của SMA ............................................................................... 145 Bảng 4.8. Kết quả tính toán tổng biến dạng dẻo và chiều sâu vệt lún lớp BTN cho mặt đường sân bay của BTNC 858 ........................................................ 145 Bảng 4.9. Kết quả tính toán tổng biến dạng dẻo và chiều sâu vệt lún lớp BTN cho mặt đường sân bay của BTNC 356 ........................................................ 145 Bảng 4.10. Bảng tổng hợp chi phí xây dựng................................................. 147
xv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hỗn hợp SMA ..................................................... 3 Hình 1.2. Hiện tượng LVBX trên Đại lộ Đông Tây [119].............................. 23 Hình 1.3. Sơ đồ phân bố sự làm việc của các lớp áo đường mềm .................. 31 Hình 1.4. Nứt mỏi ở mặt đường BTN [25] ..................................................... 40 Hình 2.1. Minh họa các loại bộ khung của hỗn hợp ....................................... 45 Hình 2.2. Các thành phần cơ bản của hỗn hợp SMA...................................... 45 Hình 2.3. Các hạt được gia tải theo phương thẳng đứng ................................ 46 Hình 2.4. Phân bố tải giữa các hạt cốt liệu thô ............................................... 46 Hình 2.5. Phân chia thể tích của các phần tử hỗn hợp khoáng ....................... 50 Hình 2.6. Bộ khung đã được đầm của hỗn hợp cốt liệu .................................. 50 Hình 2.7. Độ rỗng cốt liệu thô ở trạng thái đầm khô VCADRC ....................... 51 Hình 2.8. Độ rỗng cốt liệu thô trong hỗn hợp SMA đầm chặt VCAMIX ......... 51 Hình 2.9. Độ rỗng cốt liệu trong hỗn hợp SMA đầm chặt.............................. 51 Hình 2.10. Ba đặc trưng hình dạng của cốt liệu .............................................. 54 Hình 2.11. Đường cong cấp phối của SMA và các loại hỗn hợp BTN .......... 56 Hình 2.12. Thể tích cốt liệu thô, mastic và lỗ rỗng của hỗn hợp SMA .......... 59 Hình 2.13. Lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu thô (hạt chủ động) bằng các hạt bị động ........................................................................................ 59 Hình 2.14. Khái niệm về bitum cố định và bitum tự do ................................. 61 Hình 2.15. Lấp đầy các lỗ trỗng trong bột khoáng ......................................... 62 Hình 2.16. Thí nghiệm xác định độ chảy nhựa của hỗn hợp SMA ................ 64 Hình 2.17. Thiết bị thí nghiệm và đường cong chuyển vị - tải trọng sau khi nén mẫu bằng phương pháp thí nghiệm IDEAL-CT ...................................... 68 Hình 2.18. Minh họa về điểm PPP75 và độ dốc |m75| ...................................... 69 Hình 2.19. Các lực gây biến dạng xô dồn, lún lớp BTN ................................ 71 Hình 2.20. Phân loại biến dạng lún ................................................................. 73 Hình 2.21. Cấu trúc của các loại hỗn hợp BTN khác nhau ............................ 74 Hình 2.22. Mô phỏng hiệu ứng Dilatancy lớp vật liệu mặt đường ................. 77 Hình 2.23. Sơ đồ phân bố lực tác động của bánh xe trong lớp SMA [50] ..... 77
xvi Hình 2.24. Mô hình thử nghiệm mẫu BTN theo GOST 12801-1998 ............. 81 Hình 3.1. Chất ổn định - sợi cellulose ............................................................. 85 Hình 3.2. Đường cong cấp phối của hỗn hợp SMA........................................ 86 Hình 3.3. Đường cong cấp phối của hỗn hợp BTNC 858............................... 87 Hình 3.4. Đường cong cấp phối của hỗn hợp BTNC 356............................... 87 Hình 3.5. Ảnh hưởng của các yếu tố đến độ rỗng dư ..................................... 89 Hình 3.6. Biểu đồ tổng hợp độ rỗng dư Va của hỗn hợp SMA ...................... 90 Hình 3.7. Ảnh hưởng của các yếu tố đến độ ổn định Marshall ...................... 90 Hình 3.8. Biểu đồ tổng hợp độ ổn định Marshall (S) của hỗn hợp SMA ....... 91 Hình 3.9. Ảnh hưởng các yếu tố Bitum, Cellulose đến độ dẻo Marshall ....... 92 Hình 3.10. Biểu đồ tổng hợp độ dẻo Marshall (F) của hỗn hợp SMA ........... 92 Hình 3.11. Khoan rút lõi mẫu BTN .............................................................. 100 Hình 3.12. Nén mẫu theo mô hình marshall và mô hình nén dọc trục ......... 100 Hình 3.13. Mẫu SMA và BTNC 858 sau khi nén theo mô hình dọc trục ..... 101 Hình 3.14. Mẫu SMA và BTNC 858 sau khi nén theo mô hình marshall .... 101 Hình 3.15. Hệ số nội ma sát và lực dính đơn vị của 3 loại hỗn hợp BTN .... 103 Hình 3.16. Năng lượng phá hoại mẫu theo hai mô hình ............................... 104 Hình 3.17. Khoan rút lõi mẫu và ngâm mẫu trong bể ổn nhiệt .................... 105 Hình 3.18. Nén mẫu theo dọc trục với tốc độ 3mm/phút.............................. 106 Hình 3.19. Hệ số dẻo (m) và năng lượng kích hoạt biến dạng nhớt dẻo (U) 107 Hình 3.20. Mẫu SMA nóng và SMA ấm sau khi chạy LVBX ..................... 108 Hình 3.21. Mẫu BTNC 858 nóng và BTNC 858 ấm sau khi chạy LVBX ... 108 Hình 3.22. Biểu đồ chiều sâu LVBX của các loại hỗn hợp BTN ................ 109 Hình 3.23. Thí nghiệm kéo uốn mẫu ............................................................ 110 Hình 3.24. Toàn bộ mẫu sau khi thí nghiệm kéo uốn ................................... 110 Hình 3.25. Mẫu thí nghiệm sau khi đúc bằng máy đầm xoay ...................... 112 Hình 3.26. Mẫu thí nghiệm sau khi phá hoại ................................................ 112 Hình 3.27. Quá trình thí nghiệm xác định chỉ số kháng nứt CTIndex ............. 113 Hình 3.28. Đường cong lực - chuyển vị của các tổ mẫu ............................... 115 Hình 3.29. Biểu đồ độ dốc m75 và góc dốc của đường cong lực - chuyển vị ở giai đoạn sau khi phá hoại ............................................................................. 115
xvii Hình 3.30. Giá trị độ dốc và góc dốc của đường cong chuyển vị - tải trọng 116 Hình 3.31. Kết quả thí nghiệm năng lượng phá hủy (Gf) ............................. 116 Hình 3.32. Ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố đến chỉ số CTIndex ........ 117 Hình 3.33. Kết quả thí nghiệm chỉ số kháng nứt CTIndex .............................. 118 Hình 3.34. Tương quan giữa chỉ số kháng nứt CTIndex với góc dốc (°) và độ dốc |m75| ......................................................................................................... 118 Hình 3.35. Hệ số cường độ chịu kéo (TSR) của 4 loại hỗn hợp BTN .......... 120 Hình 3.36. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tĩnh .................................. 120 Hình 3.37. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tĩnh .................................. 121 Hình 3.38. Mô đun đàn hồi tĩnh của 3 loại hỗn hợp BTN ............................ 122 Hình 3.39. Quá trình thí nghiệm mô đun đàn hồi động ................................ 124 Hình 3.40. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến |E*| ................................ 125 Hình 3.41. Biểu đồ ảnh hưởng giữa các yếu tố đến |E*| ............................... 126 Hình 3.42. Ảnh hưởng của tần số đến |E*| của 4 loại BTN .......................... 126 Hình 3.43. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến |E*| của 4 loại BTN ...................... 127 Hình 3.44. Mô đun đàn hồi động |E*| của các hỗn hợp ứng với các điều kiện thí nghiệm khác nhau .................................................................................... 129 Hình 4.1. Trình tự và thời gian trộn SMA với chất ổn định dạng xốp [78].. 134 Hình 4.2. Thiết bị tự động đưa chất ổn định vào buồng trộn [78] ................ 134 Hình 4.3. Trộn sợi cellulose thủ công tại trạm trộn ...................................... 134 Hình 4.4. Không sử dụng lu bánh lốp để lu lèn mặt đường SMA [84] ........ 136 Hình 4.5. Ống theo dõi việc cung cấp chất ổn định và ngắt ống cấp chất ổn định để kiểm tra khối lượng cân [78] ............................................................ 137 Hình 4.6. KCAĐ đề xuất áp dụng cho đường ô tô có quy mô giao thông lớn ở Việt Nam ....................................................................................................... 140 Hình 4.7. Biểu đồ quan hệ mức biến dạng dẻo tương đối; Chiều sâu vệt lún của lớp BTN theo từng mức nhiệt độ ............................................................ 142 Hình 4.8. Biểu đồ quan hệ mức biến dạng dẻo; chiều sâu lún của lớp BTN theo các mức nhiệt độ cho mặt đường sân bay ở khu vực sân đỗ................. 145 Hình 4.9. Biểu đồ quan hệ chiều sâu lún của lớp BTN theo các mức nhiệt độ cho mặt đường sân bay ở khu vực đường lăn và cất hạ cánh ....................... 146
1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu BTN là loại vật liệu phổ biến sử dụng cho các lớp kết cấu mặt đường ô tô tại Việt Nam. Trên nhiều tuyến quốc lộ, tuyến đường ô tô cấp cao có quy mô giao thông lớn ở Việt Nam thường xuất hiện các hư hỏng như nứt, LVBX làm suy giảm cường độ và tuổi thọ của KCAĐ. LVBX trên mặt đường BTN xuất hiện từ đầu những năm 2000 đến nay, khi lưu lượng khai thác trên các tuyến quốc lộ, tình trạng trục xe quá tải tăng cao. Đặc biệt trong khoảng thời gian từ năm 2009 đến 2014, nhiều tuyến đường xuất hiện hư hỏng LVBX, thậm chí hư hỏng sau một thời gian ngắn đưa vào khai thác. Đây là vấn đề không chỉ xảy ra ở Việt Nam mà cũng xảy ra ở các quốc gia trên thế giới có nền khoa học kỹ thuật phát triển. LVBX xuất hiện khi ứng suất cắt trượt do tải trọng bánh xe gây ra, có giá trị lớn hơn cường độ kháng cắt trượt của BTN, sẽ gây ra biến dạng dẻo lớp BTN. Quá trình tích tụ các biến dạng dẻo trên đường do trùng phục tải trọng, sẽ tạo thành các vệt lún lớp BTN trên mặt đường. Trong điều kiện khí hậu nắng nóng của Việt Nam, sức kháng cắt của BTN bị suy giảm. Để khắc phục hiện tượng LVBX lớp BTN, cần nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu có cường độ kháng cắt cao khi ở điều kiện nhiệt độ môi trường cao. Hiện nay, ở Việt Nam đang có hiệu lực song song TCVN 8819:2011, 22TCN 356-06 và QĐ 858. Những điều chỉnh trong QĐ 858 của Bộ GTVT tập trung vào khuyến cáo thiết kế BTN có cấp phối thô, đảm bảo khung cốt liệu chịu lực, nâng cao khả năng kháng LVBX của BTN. Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện, không ít nhà thầu, đơn vị thi công đã sử dụng cấp phối quá “thô” dẫn đến một số đoạn đường BTN có hiện tượng phân bố cốt liệu không đồng đều, là nguyên nhân làm cho mặt đường dễ bị bong tróc, thấm nước, nứt mỏi, làm suy giảm tuổi thọ mặt đường. Hỗn hợp SMA có nguồn gốc ở Đức vào cuối những năm 1960, sau đó phổ biến ở Châu Âu, Mỹ, New Zealand, Nhật Bản,… SMA được sử dụng cho các mặt đường ô tô lưu lượng giao thông lớn, đường đua F1, đường sân bay, mặt cầu và các loại mặt đường thường xuyên chịu tải trọng xe nặng. Nhiều kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng hỗn hợp SMA có ưu điểm như: Tăng sức chịu tải của KCAĐ, tăng độ nhám mặt đường, tăng sức kháng cắt trượt của hỗn hợp, giảm hiện tượng LVBX. Với hàm lượng chất kết dính cao, độ rỗng dư thấp và tác dụng của chất ổn định, giúp tăng khả năng kháng biến dạng, kháng nứt của hỗn hợp, góp phần tăng tuổi thọ mặt đường.