Tóm tắt luận án Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam

29 506 0
Tóm tắt luận án Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THIỆN LƯU NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số : 62580205 Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô đường thành phố TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2015 Cơng trình hồn thành Khoa Cơng trình Trường Đại học Giao thơng Vận tải Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lã Văn Chăm - Trường Đại học GTVT GS.TS Nguyễn Xuân Đào - Viện KHCN GTVT Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục Trường Đại học Xây dựng Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên Trường Đại học Thủy Lợi Phản biện 3: GS.TS Phạm Cao Thăng Học Viện Kỹ thuật Quân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi … ngày… tháng … năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện trường Đại học Giao thông Vận tải Research on Factors Affecting Asphalt Concrete Fatigue of Road Pavement in Vietnam Abstract Asphalt concrete is a popular material used for making road surfaces in the world in general and Vietnam in particular The performance of this type of material denpends mainly on the properties of the bitumen used Bitumen is a product which is extracted from crude oil Bitumen is has the property of viscoelasticity which is easy to be affected by changes in temperature Therefore, the performance of asphalt concrete changes when the temperature changes Specifically, asphalt concrete becomes softer when the temprature increases and harder when the temperature decreases There are two main types of serious damage to asphalt concrete road surfaces: rutting and fatigue crack A large number of researches on asphalt concrete fatigue have been conducted and implemented in designing and building roads in the world However, in Vietnam, almost no research of such type has been conducted This research is the first to consider the effects of asphalt concrete fatigue on the pavement performance in Vietnam The research presents results of experiments on fatigue life of asphalt concrete done in specific conditions of environmental temprature, loads, and aggregate composition in Vietnam The material types used in this research were dense-graded hot-mix asphalt 12.5 mm (HMA 12.5) and dense-graded hot-mix asphalt 19mm (HMA 19) made at construction sites with technologies widely used in Vietnam The composition of the HMA was designed with difference in type of mineral filler The three types of mineral filler used were: Andesit powder, CaCO3 powder, and the mixture of CaCO3 and cement (weight ratio 1:1) The experiment was conducted employing the standards stated in ASTM - Designation: D7460 - 10 under strain control mode by four-point flexural beam fatigue test device available at University of Transport and Communication Based on such experiment, the affects of aggregate size and mineral filler on fatigue performance of asphalt concrete mixture was assessed corresponding to different values of temperature and load frequency On the basis of this research a fatigue performance audit procedure in pavement surface design was proposed In addition, the service life of asphalt concrete layer in pavement structure was also determined by analyzing the fatigue resistance Furthermore, this research lays the foundation for further researches into asphalt concrete fatigue in Vietnam MỞ ĐẦU Mỏi tượng nứt gãy tác dụng tải trọng lặp mà trị số lớn ứng suất nhỏ cường độ chịu kéo vật liệu Phá hoại mỏi dạng phá hoại phổ biến bê tông asphalt Lý chọn đề tài Trên giới, nứt mỏi dạng phá hoại định tính định lượng cách rõ ràng thơng qua nhiều mơ hình thí nghiệm khác Nhiều nơi áp dụng kết nghiên cứu mỏi vào khâu thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm có lớp bê tông asphalt đảm bảo điều kiện chịu mỏi Tại Việt Nam (VN), mỏi bê tông asphalt chưa triển khai nghiên cứu mặt thực nghiệm cách cụ thể Các nghiên cứu độ bền mỏi bê tơng asphalt cịn hạn chế, dừng mức tập hợp lý thuyết Vấn đề ứng dụng kết nghiên cứu mỏi bê tông asphalt giới vào VN chưa thực quan tâm Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh thực đề tài “Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường Việt Nam” Mục đích nghiên cứu Tìm quy luật cho phá hoại mỏi bê tơng asphalt điều kiện thí nghiệm khác Kết nghiên cứu sở cho việc thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt thiết kế kết cấu áo đường mềm có xét đến đặc tính mỏi vật liệu bê tông asphalt Đối tượng phạm vi nghiên cứu Bê tông asphalt loại BTNC 12,5 BTNC 19; nghiên cứu ảnh hưởng số loại bột khoáng (bột đá Andesit, bột CaCO3, bột CaCO3 + xi măng (XM)) đến đặc tính kháng mỏi bê tông asphalt Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cơng trình nghiên cứu bước đầu góp phần xây dựng hệ thống lý luận mỏi bê tông asphalt Việt Nam Kết nghiên cứu áp dụng vào khâu thiết kế kết cấu áo đường có xét đến đặc tính mỏi bê tơng asphalt, xác định tuổi thọ mỏi khai thác cho lớp bê tông asphalt kết cấu áo đường Kết cấu luận án Luận án trình bày 129 trang gồm mở đầu, nội dung nghiên cứu gồm chương, kết luận - kiến nghị, hướng nghiên cứu tiếp theo, danh mục cơng trình tác giả, tài liệu tham khảo Chương TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA BÊ TƠNG ASPHALT 1.1 Định nghĩa mỏi Mỏi định nghĩa tượng nứt gãy vật liệu tác dụng tải trọng trùng phục ứng suất thay đổi điều kiện giá trị cực đại ứng suất nhỏ cường độ chịu kéo vật liệu 1.2 Các dạng nứt mỏi nghiên cứu - Nứt từ lên (nứt dạng cá sấu) - Nứt từ xuống (nứt theo chiều dọc) 1.3 Phân tích nghiên cứu liên quan yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt Nhiều nghiên cứu giới thực tập trung vào yếu tố sau: - Nhóm liên quan đến tải trọng: trị số độ lớn tải trọng, chế độ tải, hình dạng sóng tải, thời gian nghỉ (rest period) tần số tải - Nhóm liên quan đến mơi trường: độ ẩm, nhiệt độ, xạ nhiệt - Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt: thành phần hỗn hợp, loại/hàm lượng bi tum, loại/thành phần cấp phối độ rỗng 1.4 Mơ hình chế độ kiểm sốt thí nghiệm mỏi 1.4.1 Các mơ hình thí nghiệm - Mơ hình uốn dầm: uốn dầm điểm (dạng ngàm), uốn dầm điểm, uốn dầm điểm, uốn dầm điểm, uốn lặp đàn hồi - Mơ hình kéo - nén: kéo - nén tâm, ép chẻ (kéo gián tiếp), phương pháp ba trục, phương pháp phá hủy - Mơ hình cắt xoay 1.4.2 Các chế độ kiểm sốt thí nghiệm mỏi Thí nghiệm mỏi thực cách: khống chế ứng suất không đổi khống chế biến dạng không đổi [32] 1.5 Một số kết nghiên cứu ứng dụng độ bền mỏi BTN 1.5.1 Trên giới Phương pháp thiết kế kết cấu áo đường (kết hợp học thực nghiệm) độ bền mỏi ln tính đến Phương pháp MEDarwin (ME PDG) [25] Mỹ dạng Phương pháp thiết kế áo đường Viện Asphalt (AI) coi phương pháp “bán thực nghiệm” với thông số học liên quan đến mỏi biến dạng vĩnh cửu sử dụng [23] Ở Pháp, Đức chủ yếu theo phương pháp kết hợp học - thực nghiệm Phương pháp thiết kế mặt đường Pháp (FPD) điển hình số Yếu tố học có tính đến độ bền mỏi bê tơng asphalt, độ bền mỏi kiểm tra bước thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt Các kết nghiên cứu mỏi bê tông asphalt giới mối tương quan biến dạng/ứng suất với số lần tác dụng tải trọng làm phá hoại vật liệu Những kết ứng dụng vào thiết kế kết cấu áo đường Cụ thể lựa chọn kết cấu áo đường có lớp bê tơng asphalt đảm bảo khả chịu mỏi (phá hoại mỏi không xuất trước 106 chu kỳ tải tác dụng) Một số kết nghiên cứu ứng dụng mỏi bê tông asphalt tiêu biểu như: NCHRP, NCAT, ME PDG (DARWin-ME), Shell, LCPC, 1.5.2 Tại Việt Nam Cho đến chưa có cơng trình nghiên cứu thực nghiệm mỏi bê tông asphalt thực Việt Nam Đối với tiêu chuẩn thiết kế hành, phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt thiết kế kết cấu áo đường mềm theo [9], [10] VN chưa xét đến yếu tố mỏi bê tông asphalt cách rõ ràng Cụ thể chưa có định lượng việc thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt đạt yêu cầu khả chịu mỏi, cách kiểm toán mỏi thiết kế kết cấu áo đường mềm chưa tường minh Tiêu chuẩn [9] phương pháp lý thuyết dựa tiêu chuẩn [51] Nga Yếu tố mỏi xét đến thông qua hệ số k1 kiểm toán kéo uốn đáy lớp vật liệu liền khối 1.6 Những vấn đề tồn luận án cần giải Thế giới nghiên cứu ứng dụng mỏi bê tông asphalt thực từ lâu Tại VN, đến mỏi bê tông asphalt chưa triển khai nghiên cứu mặt thực nghiệm cách cụ thể Các tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm chưa xem xét rõ chưa có khuyến cáo cụ thể vấn đề đảm bảo điều kiện chịu mỏi cho bê tông asphalt Luận án bước đầu triển khai nghiên cứu thực nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt điều kiện vật liệu chế tạo thí nghiệm phù hợp cho VN Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT TRONG MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM Nghiên cứu mẫu dầm bê tông asphalt chế tạo thi công giống hoàn toàn với thực tế sử dụng loại vật liệu Thí nghiệm mỏi thiết bị uốn dầm điểm 2.1 Xác định thơng số cho thí nghiệm mỏi 2.1.1 Nhiệt độ thí nghiệm Chọn mức nhiệt độ quy ước mang tính bất lợi cho độ bền mỏi bê tông asphalt đặc trưng cho khu vực có khí hậu cao, thấp VN 20oC 10oC 2.1.2 Tần số tải thí nghiệm Trên sở tính tốn tham khảo khuyến cáo, mức tần số tải lựa chọn thí nghiệm Hz 10 Hz 2.1.3 Chế độ thí nghiệm - Khống chế biến dạng, với mc: 100à, 200à v 400à (à, microstrain = strain ì10-6 [39]) - Thí nghiệm mỏi kết thúc mơ đun độ cứng giảm cịn 50% mơ đun độ cứng ban đầu 2.1.4 Vật liệu bê tông asphalt - Loại bê tơng asphalt Nghiên cứu luận án loại BTNC 12,5 BTNC 19 Riêng BTNC 19 thí nghiệm điều kiện 10oC, 10Hz; sử dụng bi tum 60/70 (Shell) - Bột khoáng: nghiên cứu sử dụng loại bột khoáng: bột đá nghiền từ đá Andesit (BD), bột đá vôi CaCO3 (CC); hỗn hợp gồm 50% bột CaCO3 + 50% xi măng (CX) 2.1.5 Tổng hợp mẫu thí nghiệm Nghiên cứu thực 46 mẫu thức 2.2 Chế tạo mẫu 2.2.1 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt - Vật liệu: đá dăm, cát tự nhiên, bi tum lấy từ trạm trộn BTN Đông Sung, thuộc Công ty CP CTGT Bà Rịa - Vũng Tàu - BTNC 12,5 thiết kế chung với khác loại bột khoáng sử dụng, ký hiệu: BTNC 12,5 (BD), BTNC 12,5 (CC), BTNC 12,5 (CX) - BTNC 19 sử dụng loại bột khống bột đá Andesit (BD) 2.2.2 Thi cơng trường (Hình 2.1) Hình 2.1 Thi cơng lớp BTNC 12,5 BTNC 19 (Quốc lộ 51B) Cắt mẫu trường 2.2.3 Gia cơng mẫu thí nghiệm - Cắt mẫu trường (Hình 2.2) - Gia cơng mẫu dầm xưởng (Hình 2.3) Hình 2.2 Cắt mẫu trường Hình 2.3 Gia cơng mẫu dầm kích thước 380mm×50mm×63mm 2.3 Các tính chất lý bê tông asphalt sau thi công - Thành phần hạt Thành phần hạt BTNC 12,5 BTNC 19 sau thi công thể Bảng 2.1 Bảng 2.1 Thành phần cấp phối hạt BTNC sau thi công Vật liệu BTNC 12,5 Hàm lượng lọt sàng (%) 25 19 12,5 9,5 4,75 2,36 1,18 0,6 0,3 0,15 0,075 100 100 99,4 86,1 51,1 36,3 26,1 21,1 16,0 10,3 6,0 11 20oC, Hz ( ) (3.1) 20oC, 10 Hz ( ) (3.2) 10oC, Hz ( ) (3.3) 10oC, 10 Hz ( ) (3.4) log(Nf50) 1,E+07 (b) 1,E+06 20độ, 10Hz y = 7E+10x-2.185 R² = 0.8119 10độ, 5Hz y = 8E+10x-2.273 R² = 0.9162 10độ, 10Hz y = 3E+11x-2.55 R² = 0.9389 1,E+05 1,E+04 10 (c) (a) (d) 100 20độ, 5Hz 10độ, 10Hz Power (10độ, 5Hz) (a) (d) 20độ, 5Hz y = 7E+10x-2.153 R² = 0.8716 log() 20độ, 10Hz Power (20độ, 5Hz) (b) Power (10độ, 10Hz) (c) 1.000 10độ, 5Hz Power (20độ, 10Hz) Hình 3.5 Đường đặc trưng mỏi loại BTNC 12,5 (BD) 3.2 Kết thí nghiệm mỏi BTNC 19 log(Nf50) Với mức biến dạng 50µ, 100µ, 200µ, 400µ thí nghiệm, đường đặc trưng mỏi phương trình độ bền mỏi BTNC 19 10oC, 10Hz thể Hình 3.6 cơng thức (3.5) 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 y = 427.558.550.975,724x-3,022 R² = 0,936 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 10 100 log() 1000 Hình 3.6 Đường đặc trưng mỏi BTNC 19 10oC, 10Hz 12 ( ) (3.5) 3.3 Kết thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (CC), BTNC 12,5 (CX) 3.3.1 BTNC 12,5 (CC) - dùng bột khoáng CaCO3 Các đường đặc trưng mỏi phương trình độ bền mỏi BTNC 12,5 (CC) điều kiện thí nghiệm thể Hình 3.7 cơng thức (3.6), (3.7), (3.8), (3.9) log(Nf50) 1,E+07 20độ, 5Hz y = 1E+11x-2.268 R² = 0.8419 1,E+06 1,E+05 10độ, 5Hz y = 2E+11x-2.418 R² = 0.9098 10độ, 10Hz y = 8E+12x-3.275 R² = 0.9342 (a) (b) (c) (d) 1,E+04 (c) 10 20độ, 5Hz 10độ, 10Hz Power (10độ, 5Hz) (a) (d) 20độ, 10Hz y = 2E+11x-2.372 R² = 0.8267 100 log() 20độ, 10Hz (b) Power (20độ, 5Hz) Power (10độ, 10Hz) 1.000 10độ, 5Hz Power (20độ, 10Hz) Hình 3.7 Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 (CC) 20oC, Hz ( ) (3.6) 20oC, 10 Hz ( ) (3.7) 10oC, Hz ( ) (3.8) 10oC, 10 Hz ( ) (3.9) 3.3.2 BTNC 12,5 (CX) - dùng bột khoáng CaCO3 + XM Các đường đặc trưng mỏi phương trình độ bền mỏi BTNC 12,5 (CX) điều kiện thí nghiệm thể Hình 3.8 công thức (3.10), (3.11), (3.12), (3.13) 13 20oC, Hz ( ) (3.10) 20oC, 10Hz ( ) (3.11) 10oC, 5Hz ( ) (3.12) 10oC, 10Hz ( ) (3.13) log(Nf50) 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E+04 (c) 10độ, 5Hz y = 4E+12x-3.125 R² = 0.9559 10độ, 10Hz y = 6E+13x-3.698 R² = 0.9328 10 20độ, 5Hz 10độ, 10Hz Power (10độ, 5Hz) (a) (d) (b) 20độ, 5Hz y = 2E+11x-2.406 R² = 0.9607 20độ, 10Hz y = 2E+12x-3.081 R² = 0.9956 (a) (c) (d) 100 20độ, 10Hz Power (20độ, 5Hz) Power (10độ, 10Hz) log() (b) 1.000 10độ, 5Hz Power (20độ, 10Hz) Hình 3.8 Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 (CX) 3.4 Phân tích kết thí nghiệm độ bền mỏi bê tơng asphalt 3.4.1 Loại BTNC 12,5 (BD) BTNC 19 Ở điều kiện thí nghiệm 10oC, 10 Hz, loại BTNC 19 có độ bền mỏi hẳn so với loại BTNC 12,5 So sánh phương trình (3.4) với (3.5) dễ nhận thấy điều Độ dốc b đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 2,5503 BTNC 19 3,022 Xét 10oC, 10 Hz với biến dạng 150µ Nf50 (BTNC 12,5) = 736.131 chu kỳ > Nf50 (BTNC 19) = 113.462 chu kỳ Ở điều kiện so sánh độ bền mỏi BTNC 12,5 gấp 6,49 lần độ bền mỏi BTNC 19 3.4.2 Các loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng khác Tổng hợp mô đun độ cứng ban đầu loại BTNC 12,5 dùng 14 bột khoáng khác thể Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11 Mơ đun độ cứngban đầu (MPa) 10.000 Tần số 5Hz 8.164 8.000 Tần số 10Hz 7.385 6.230 6.000 5.126 5.849 4.912 5.475 5.397 4.249 4.112 4.757 3.854 4.000 2.000 - 100  10 độ 100  20 độ 200  10 độ 200  20 độ 400  10 độ 400  20 độ Hình 3.9 Biểu đồ mơ đun độ cứng ban đầu điều kiện thí nghiệm - loại BTNC 12,5 (BD) Mô đun độ cứng ban đầu (MPa 10.000 Tần số 5Hz 8.231 8.000 7.526 6.552 6.748 6.317 5.495 6.000 Tần số 10Hz 5.003 4.412 5.573 4.206 5.029 3.576 4.000 2.000 - 100  10 độ 100  20 độ 200  10 độ 200  20 độ 400  10 độ 400  20 độ Mô đun độ cứng ban đầu (MPa) Hình 3.10 Biểu đồ mơ đun độ cứng ban đầu điều kiện thí nghiệm - loại BTNC 12,5 (CC) 10.000 Tần số 5Hz 8.236 8.000 7.701 5.9176.008 6.000 6.501 6.058 4.811 4.582 200  10 độ 200  20 độ Tần số 10Hz 5.790 4.146 5.338 4.144 4.000 2.000 - 100  10 độ 100  20 độ 400  10 độ 400  20 độ Hình 3.11 Biểu đồ mơ đun độ cứng ban đầu điều kiện thí nghiệm - loại BTNC 12,5 (CX) Kết cho thấy mô đun độ cứng ban đầu loại BTNC 12,5 có chệnh lệch nhỏ 15 Nhìn chung loại bột khoáng CaCO3 xi măng làm tăng độ cứng cho hỗn hợp bê tông asphalt so với loại bột đá thơng thường xi măng làm giảm tính nhớt bê tông asphalt nhiệt độ cao Hệ số phương trình mỏi loại BTNC 12,5 thí nghiệm tổng hợp Bảng 3.1 Bảng 3.1 Tổng hợp hệ số phương trình độ bền mỏi BTN Loại BTN % bi tum theo hỗn hợp (Pb) Độ rỗng dư (Va), % BTNC 12,5 (BD) 5,23 BTNC 12,5 (CC) 20 20 Nhiệt độ, o C 20 Tần số, Hz 20 Hệ số 4,33 k1 ( 1011) 0,7219 2,1531 5,30 4,58 1,1549 2,2685 BTNC 12,5 (CX) 5,25 4,46 1,5589 2,4056 10 BTNC 12,5 (BD) 5,23 4,33 0,7065 2,1852 20 10 BTNC 12,5 (CC) 5,30 4,58 1,7641 2,3723 20 10 BTNC 12,5 (CX) 5,25 4,46 22,0541 3,0809 10 BTNC 12,5 (BD) 5,23 4,33 0,7798 2,2733 10 BTNC 12,5 (CC) 5,30 4,58 1,5789 2,4184 10 BTNC 12,5 (CX) 5,25 4,46 35,3332 3,1251 10 10 BTNC 12,5 (BD) 5,23 4,33 2,6100 2,5503 10 10 BTNC 12,5 (CC) 5,30 4,58 78,2720 3,2748 10 10 BTNC 12,5 (CX) 5,25 4,46 557,6682 3,6982 10 10 BTNC 19 5,21 4,66 4,2756 3,0221 k2 Nhận xét: - Loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng CaCO3 + XM cho kết độ bền mỏi thấp Xét mức độ suy giảm độ bền mỏi thơng qua vị trí độ dốc đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 (CX) có đường đặc trưng mỏi ln nằm bên có độ dốc thường lớn - Ở nhiệt độ cao (20oC) ảnh hưởng tần số tải đến độ bền mỏi không nhiều hai loại BTNC 12,5 (BD) BTNC 12,5 (CC) Nhưng với loại BTNC 12,5 (CX) ngược lại, ảnh hưởng tần số tải đến độ bền mỏi đáng kể 16 - Ở nhiệt độ thấp (10oC), tăng mức biến dạng làm suy giảm mô đun độ cứng Tốc độ suy giảm nhanh nhiều thí nghiệm nhiệt độ cao (20oC) 3.5 Xây dựng phương trình độ bền mỏi cho loại BTNC 12,5 thí nghiệm Dạng phương trình độ bền mỏi tổng quát cho loại BTNC 12,5 thí nghiệm thể theo dạng (3.14), (3.15): - Dạng 1: ( ) - Dạng 2: ( ) (3.14) ( ) (3.15) Với Nf50 số chu kỳ tải trọng lặp làm giảm mô đun độ cứng lại 50% độ cứng ban đầu; k1, k2, k3, k4, k5 hệ số hồi qui thực nghiệm;  biến dạng kéo (); S mơ đun độ cứng (MPa) 3.5.1 Phương trình độ bền mỏi BTNC 12,5 (dạng 1) Các đường đặc trưng mỏi chung cho loại BTNC 12,5 thể Hình 3.12 Hình 3.12 Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 Phương trình độ bền mỏi chung cho loại BTNC 12,5 thí nghiệm (3.16), (3.17), (3.18), (3.19) sau: 17 20oC, Hz ( ) (3.16) 20oC, 10 Hz ( ) (3.17) 10oC, Hz ( ) (3.18) 10oC, 10 Hz  ( ) (3.19) Độ dốc đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 từ 2,2757 ÷ 3,1770 phù hợp với kết nghiên cứu mỏi bê tông asphalt loại thông thường mà giới công bố Kết nghiên cứu Jacobs, Hopman Molenaer (1966) [33] đưa giá trị độ dốc đường đặc trưng mỏi nằm khoảng ÷ 3.5.2 Phương trình độ bền mỏi cho BTNC 12,5 (dạng 2) Sử dụng phần mềm Eviews 8.1 ước lượng phương trình để tìm hệ số thực nghiệm Kết phương trình tổng quát dạng (3.20), (3.21), (3.22), (3.23) Hệ số R2 20oC, Hz 20oC, 10 Hz 10oC, Hz 10oC, 10 Hz ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0,9113 (3.20) 0,9209 (3.21) 0,8776 (3.22) 0,9520 (3.23) Trường hợp xét chung điều kiện nhiệt độ, tần số tải trọng tác dụng vào giá trị mô đun độ cứng (S) BTNC 12,5 phương trình độ bền mỏi tổng quát (3.24) cho BTNC 12,5 thiết lập: 18 ( ) ( ) (3.24) Hệ số xác định R2 = 0,8621 3.6 Kết luận chương 1) Kết thí nghiệm uốn dầm điểm bước đầu xây dựng liệu độ bền mỏi cho BTNC 12,5 phần BTNC 19 2) Độ bền mỏi bê tông asphalt tỷ lệ thuận với nhiệt độ, tỷ lệ nghịch với biến dạng tần số tải trọng Tải trọng lặp làm mô đun độ cứng giảm nhanh giai đoạn đầu chậm dần sau Nhiệt độ cao (20oC) ảnh hưởng tần số đến suy giảm mô đun độ cứng lớn nhiệt độ thấp (10oC) 3) Độ bền mỏi BTNC 19 so với loại BTNC 12,5 4) Yếu tố tải trọng (biến dạng) tỷ lệ nghịch với độ bền mỏi ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi bê tông asphalt, đặc biệt nhiệt độ thấp 5) Kết thí nghiệm xây dựng phương trình đặc trưng độ bền mỏi (3.20), (3.21), (3.22), (3.23) phương trình tổng quát (3.24) cho loại BTNC 12,5; loại BTNC 19 điều kiện 10oC, 10 Hz có phương trình (3.5) 6) Kết thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng loại bột khoáng đến độ bền mỏi BTNC 12,5, cụ thể: - Loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng Andesit bột khoáng CaCO3 cho kết độ bền mỏi cao loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng CaCO3 + XM thực nghiên cứu - Loại bê tông asphalt dùng bột khống CaCO3 + XM nghiên cứu đạt mơ đun độ cứng cao (thí nghiệm 20oC), lại không cho kết tốt khả kháng mỏi - Tốc độ giảm mô đun độ cứng loại BTNC 12,5 dùng bột khoáng CaCO3 + XM nhanh so với loại BTNC 12,5 lại 19 Chương ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM TẠI VIỆT NAM Phá hoại mỏi dạng phá hoại lặp lại biến dạng kéo Vấn đề mỏi kiểm sốt trực tiếp thơng qua giới hạn biến dạng kéo đáy lớp bê tông asphalt kết cấu áo đường 4.1 Đề xuất kiểm toán mỏi lớp bê tông asphalt kết cấu áo đường mềm 4.1.1 Cơ sở lý thuyết Từ năm 1970, nhiều tác giả giới đề xuất tính kết cấu áo đường mềm theo trạng thái giới hạn nứt theo biến dạng giới hạn Korsunskiy M.B [49] đề xuất biểu thức (4.1):  ≤ gh (4.1) Trong đó: gh biến dạng kéo giới hạn () biến dạng lớn bề mặt chịu kéo ()  4.1.2 Đề xuất trình tự tính tốn Chọn cấu tạo kết cấu áo đường (vật liệu, chiều dày) Xác định điều kiện kiểm toán mỏi: toC, Hz Xác định biến dạng cp , tt Không đạt độ bền mỏi tt > cp So sánh cp , tt Ký hiệu: cp - biến dạng cho phép đáy lớp BTN tt - biến dạng tính toán đáy lớp BTN kết cấu áo đường tt ≤ cp Đạt độ bền mỏi Tính tuổi thọ mỏi (t) Hình 4.1 Sơ đồ kiểm tốn độ bền mỏi kết cấu áo đường mềm 20 Nghiên cứu đề xuất trình tự tính độ bền mỏi lớp bê tơng asphalt kết cấu áo đường theo sơ đồ khối Hình 4.1 4.1.3 Lựa chọn điều kiện tính tốn Nhiệt độ, tần số tải trọng, mô đun độ cứng bê tông asphalt 4.1.4 Xác định cp tt - Biến dạng cho phép cp tính theo cơng thức (4.2) [1] ( - ) (4.2) Biến dạng tính tốn (tt) Sử dụng phần mềm tính biến dạng/ứng suất kết cấu áo đường để xác định biến dạng tính tốn tt 4.2 Ứng dụng kiểm tốn mỏi lớp BTNC 12,5 4.2.1 Thơng số đầu vào dùng kiểm tốn mỏi - Kết cấu áo đường, thông số vật liệu Kết cấu Vật liệu Lớp BTNC 12,5 (BD) Nhựa dính bám 0,5 kg/m2 Lớp BTNC 19 Nhựa thấm bám 1,3 kg/m2 Kết cấu hi (m) Vật liệu 0,05 Lớp BTNC 12,5 (BD) hi (m) 0,06 Nhựa dính bám 0,5 kg/m2 0,07 Lớp BTNC 19 0,08 Nhựa thấm bám 1,3 kg/m2 Lớp CPĐD loại I 0,18 Lớp CPĐD gia cố XM 6% 0,14 Lớp CPĐD loại II 0,36 Lớp CPĐD loại II 0,32 Nền đường 50 MPa Nền đường 50 MPa Các thơng số tính tốn mỏi BTNC 12,5 (BD) BTNC 19 (BD) sử dụng từ kết thí nghiệm mỏi uốn dầm điểm loại vật liệu này; thông số khác tham khảo [9] - Xác định điều kiện kiểm toán mỏi Ví dụ: Thơng tin dự án Thơng số để tính mỏi 21 - Khu vực thiết kế miền Bắc Nhiệt độ 10oC - Vtk = 80km/h (đường cấp III) Tần số tải f = 10 Hz - Tại năm đầu N1 = 500 trục xe/ngày  Ne = 4.955.261 trục/làn đêm/làn, t = 15 năm, tốc độ tăng trưởng xe q = % 4.2.2 Biến dạng cho phép (cp) đáy lớp BTNC 12,5 (BD) Từ phương trình mỏi xác định 6 (biến dạng ứng với Nf50 = 106 chu kỳ) Kết xác định 6 thể Bảng 4.1 Bảng 4.1 Bảng giá trị 6 BTNC 12,5 (BD) thí nghiệm Loại vật liệu Điều kiện thí nghiệm Phương trình BTNC 12,5 BD) 20 độ C, Hz (3.1) 180,51 - 0,4048 BTNC 12,5 (BD) 20 độ C, 10 Hz (3.2) 165,60 - 0,3715 BTNC 12,5 (BD) 10 độ C, Hz (3.3) 141,88 - 0,4030 BTNC 12,5 (BD) 10 độ C, 10 Hz (3.4) 133,02 - 0,3681 6 () Độ dốc b Biến dạng cho phép xác định: ( ) (  ) Tra [44] SN = 0,25; c = 0,02; b = -0,3681; Sh = 0,01 →  ( ) 0,250 [1] Độ rủi ro thiết kế r = 15% (R = 85%), theo [44] u = - 1,036 → = 0,8029 [1] Các hệ số khác BTNC 12,5 theo [44]: kc = 1,1; ks = Biến dạng cho phép đáy lớp BTNC 12,5 (cp): ( )  4.2.3 Xác định tt đáy lớp BTNC 12,5 kết cấu áo đường Thông số tải trọng: áp lực tiêu chuẩn p = 0,6 MPa, bán kính vệt 22 bánh xe quy đổi R = 0,165m (D/2) Sử dụng phần mềm Alize 2.3.0 [43] để xác định tt lớp bê tông asphalt kết cấu áo đường; xét dính bám lớp bê tơng asphalt 50% [8] Kết thể Bảng 4.2 Bảng 4.2 Bảng tổng hợp kết xác định tt lớp bê tơng asphalt Vị trí tính biến dạng Trị số biến dạng (micro strain) Ghi Kết cấu Kết cấu Đáy lớp BTNC 12,5 - 80,0 - 64,0 Chịu kéo Đáy lớp BTNC 19 - 182,4 - 115,4 Chịu kéo 4.2.4 Đánh giá - Kết cấu + Lớp BTNC 12,5 đảm bảo điều kiện kéo uốn + Lớp BTNC 12,5 không đảm bảo điều kiện chịu mỏi Cụ thể tt = 80,00 µ > cp = 65,18 µ - Kết cấu + Lớp BTNC 12,5 đảm bảo điều kiện kéo uốn + Lớp BTNC 12,5 đảm bảo điều kiện chịu mỏi Cụ thể tt = 64,0 µ < cp = 65,18 µ - Tính tuổi thọ mỏi (t) lớp BTNC 12,5 (BD) kết cấu (không xét tuổi thọ mỏi lớp vật liệu khác kết cấu) + tt = 64,0 µ → Nf50 = 6.461.595 chu kỳ (theo công thức (3.5)) + Dự báo tuổi thọ mỏi lớp BTNC 12,5 (BD): t = 17,46 năm (theo công thức (4.14)) 4.3 Kết luận chương - Lập trình tự áp dụng cách kiểm tốn mỏi lớp bê tơng asphalt theo biến dạng giới hạn thiết kế kết cấu áo đường mềm Việt Nam; 23 - Sử dụng phương trình đặc trưng độ bền mỏi BTNC 12,5 loại BTNC 19 để dự báo tuổi thọ mỏi cho lớp bê tông asphalt kết cấu áo đường mềm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trên sở nghiên cứu thực nghiệm phân tích đánh giá kết thí nghiệm, tóm lược đóng góp có giá trị luận án sau: Đóng góp luận án - Bằng thí nghiệm uốn dầm điểm (4PB - Cooper) thực VN, nghiên cứu đưa liệu thực nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt theo yếu tố nhiệt độ, tần số biến dạng - Nghiên cứu định lượng ảnh hưởng tỷ lệ thuận nhiệt độ, tỷ lệ nghịch tần số biến dạng đến độ bền mỏi loại BTNC 12,5 điều kiện nhiệt độ 10oC, 20oC, tần số Hz, 10 Hz loại BTNC 19 điều kiện 10oC, 10 Hz - Đã xác định đường đặc trưng mỏi phương trình độ bền mỏi cho loại BTNC 12,5 BTNC 19 điều kiện nghiên cứu + Phương trình độ bền mỏi BTNC 12,5: ( ) ( ) + Phương trình độ bền mỏi BTNC 19 10 độ C, 10Hz: ( ) Trong Nf50  S - : số chu kỳ tải trọng lặp làm giảm mô đun độ cứng lại 50% độ cứng ban đầu : biến dạng kéo tương đối () : mô đun độ cứng (MPa) Đánh giá loại bột khoáng tốt cho khả kháng mỏi 24 bê tông asphalt loại nghiên cứu; BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng bột đá Andesit (p0,075 = 71,18%, chiếm 5,338%) bột khoáng CaCO3 (p0,075 = 74,30%, chiếm 5,572%) cho kết kháng mỏi tốt loại BTNC 12,5 dùng bột khoáng CaCO3 + xi măng (p0,075 = 86,46%, chiếm 6,484%) - Độ bền mỏi BTNC 19 so với loại BTNC 12,5 xét điều kiện thí nghiệm 10oC, 10 Hz vật liệu chế tạo nghiên cứu - Ứng dụng kiểm tốn mỏi lớp bê tơng asphalt vào thiết kế kết cấu áo đường; đồng thời sử dụng kết nghiên cứu để dự báo tuổi thọ mỏi cho lớp bê tông asphalt Hướng nghiên cứu tiếp - Đánh giá ảnh hưởng chất kết dính bi tum, độ rỗng dư hỗn hợp đến độ bền mỏi bê tông asphalt; - Nghiên cứu kết hợp độ bền mỏi với khả kháng lún vệt bánh cho vật liệu bê tông asphalt; - Nghiên cứu độ bền mỏi loại bê tông asphalt khác nhau; - Thí nghiệm xác định thơng số vật liệu để hồn chỉnh khâu kiểm tốn mỏi thiết kế kết cấu áo đường DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ NCS Trần Thiện Lưu (2012), Tổng quan nghiên cứu độ bền mỏi lớp bê tông asphalt kết cấu áo đường mềm, Tạp chí Giao thông Vận tải, số 3/2012, trang 33 - 37, Hà Nội Trần Thiện Lưu, TS Nguyễn Mai Lân - LUNAM Université, IFSTTAR, Bouguenais, France (2012), Vấn đề nghiên cứu độ bền mỏi bê tông nhựa Việt Nam (The necessity for further research into fatigue life of asphalt concrete in Vietnam), Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 6/2012, trang 23 - 24, Hà Nội Trần Thiện Lưu, Trần Thiện Nhân, Trần Trọng Vinh (2014), Đánh giá thực nghiệm số tiêu học vật liệu bán mềm điều kiện Việt Nam, Tạp chí Khoa học Công nghệ GTVT, số 11-05/2014, trang 50 - 53, trường ĐH GTVT TP HCM; Trần Thiện Lưu, Lưu Ngọc Điện, Nguyễn Ba (2014), Đánh giá đặc tính học cấp phối đá dăm gia cố xi măng làm móng đường tơ, Tạp chí Khoa học Công nghệ GTVT, số 1211/2014, trang 90-93, trường ĐH GTVT TP HCM NCS Trần Thiện Lưu, PGS.TS Lã Văn Chăm, GS.TS Nguyễn Xuân Đào (2015), Ảnh hưởng tải trọng đến độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ GTVT, số 14-02/2015, trang 59-62 trường ĐH GTVT TP HCM NCS Trần Thiện Lưu, PGS.TS Lã Văn Chăm, GS.TS Nguyễn Xuân Đào (2015), Nghiên cứu thực nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường Việt Nam, Tạp chí Giao thơng Vận tải, số 4/2015, Hà Nội ... nghiên cứu mỏi bê tông asphalt giới vào VN chưa thực quan tâm Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh thực đề tài ? ?Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường. .. áo đường mềm có lớp bê tơng asphalt đảm bảo điều kiện chịu mỏi Tại Việt Nam (VN), mỏi bê tông asphalt chưa triển khai nghiên cứu mặt thực nghiệm cách cụ thể Các nghiên cứu độ bền mỏi bê tơng asphalt. .. kết nghiên cứu để dự báo tuổi thọ mỏi cho lớp bê tông asphalt Hướng nghiên cứu tiếp - Đánh giá ảnh hưởng chất kết dính bi tum, độ rỗng dư hỗn hợp đến độ bền mỏi bê tông asphalt; - Nghiên cứu

Ngày đăng: 12/05/2015, 18:43

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan