BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN NHƯ HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MƠ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 9580205 Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng đường ô tô đường thành phố TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Đồng Xuân Trường, Nguyễn Như Hải, Nguyễn Quang Phúc (2018), “Nghiên cứu áp dụng mơ hình Witczak cải tiến dự báo mơ đun động bê tông nhựa chặt Việt Nam” Tạp chí giao thơng vận tải số ISSN 2354-0818, tháng 11/2018 Nguyễn Như Hải (2018), “Nghiên cứu áp dụng phương pháp mơ Monte Carlo phân tích độ nhạy yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động BTNC Việt Nam” Hội thảo quốc tế kỹ sư đường Hàn Quốc (International Conference for Road Engineers (June 2018) Nguyễn Như Hải (2017), “Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình hóa mơ đun cắt phức góc pha số loại bitum Việt Nam” Tạp chí khoa học giao thơng vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 58, tháng năm 2017 Nguyễn Như Hải (2016), “Các yếu tố ảnh hưởng tới mơ đun phức động bê tơng nhựa” Tạp chí giao thông vận tải, số 8, tháng năm 2016 Nguyễn Quang Phúc, Phạm Thanh Hà, Nguyễn Như Hải (2016), “Lựa chọn loại nhựa đường phù hợp với điều kiện giao thơng khí hậu thiết kế bê tơng nhựa” Tạp chí khoa học giao thơng vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 51, tháng năm 2016 Nguyễn Như Hải, Nguyễn Quang Phúc (2015), “Ảnh hưởng loại bitum chiều dày lớp bê tông nhựa tăng cường tới đặc tính nứt phản ánh lún vệt bánh xe kết cấu mặt đường” Tạp chí khoa học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 48, tháng 10 năm 2015 Nguyễn Quang Phúc, Nguyễn Như Hải (2013), “Lựa chọn loại nhựa đường phù hợp thiết kế bê tơng nhựa” Tạp chí khoa học giao thông vận tải, trường ĐHGTVT HN, số 42, tháng 06 năm 2013 1: PGS.TS Nguyễn Quang Phúc 2: PGS TS Vũ Đức Chính Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi giờ’ ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc gia Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải -1MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Mô đun động BTN (Dynamic modulus of Asphalt concrete, |E*|) mô đun cắt động bitum (|G*|) hai số thông số đầu vào quan trọng sử dụng để phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp học- thực nghiệm, gọi tắt phương pháp (ME) Trên sở nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ xây dựng mơ hình dự báo |E*| theo tính chất bitum (|G*|, góc pha độ nhớt) số thông số khác độ rỗng dư Va, độ rỗng cốt liệu VMA, thể tích có hiệu bitum Vbeff…để áp dụng cho phân tích kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp học thực nghiệm Tuy nhiên, mơ hình dự báo |E*| Hoa Kỳ thiết lập theo điều kiện cụ thể Hoa Kỳ số dự án định, nên phù hợp với đặc thù vật liệu, khí hậu, dự án Vì để áp dụng mơ hình dự báo |E*| Hoa Kỳ vào Việt Nam cần có nghiên cứu thực nghiệm để hiệu chỉnh lại hệ số mơ hình dự báo theo điều kiện vật liệu địa phương Trong phạm vi luận án, nghiên cứu hiệu chỉnh hệ số cho ba mơ hình sử dụng phầm mềm thiết kế mặt đường theo phương pháp học thực nghiệm Hoa Kỳ gồm có:    Mơ hình Witczak (Original Witczak Equation) Mơ hình Witczak cải tiến (Modified Witczak Equation) Mơ hình Hirsh (Hirsch model) Kết nghiên cứu luận án xác định mơ hình Witczak cải tiến (sau hiệu chỉnh hệ số mơ hình dự báo theo điều kiện vật liệu Việt Nam) có khả dự báo |E*| với độ xác cao Luận án sử dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng yếu tố đầu vào tới giá trị |E*| cho ba mô hình cho thấy giá trị |E*| bị ảnh hưởng nhiều tính chất vật liệu bitum (|G*|, góc pha, độ nhớt bitum) Các thơng số lại độ rỗng dư -2Va, độ rỗng cốt liệu VMA, độ rỗng lấp đầy nhựa VFA… có ảnh hưởng tới giá trị |E*| không nhiều Tính cần thiết luận án Phương pháp (ME) Hoa Kỳ phương pháp thiết kế mặt đường đại, có khả dự báo dạng hư hỏng kết cấu mặt đường khai thác theo thời gian hằn lún vệt bánh, số độ gồ ghề quốc tế (IRI), nứt phân bố, nứt nhiệt…với yêu cầu giá trị đầu vào chặt chẽ, đặc biệt với vật liệu BTN sử dụng giá trị |E*|, với bitum (nhựa đường) sử dụng thơng số |G*| góc pha nên phản ánh ứng xử vật liệu BTN bitum vật liệu có tính đàn nhớt, kết phân tích kết cấu có độ tin cậy cao Ở Việt Nam, vấn đề kinh phí cho cơng tác nghiên cứu nên nghiên cứu việc áp dụng phương pháp (ME) vào Việt Nam thời gian qua hạn chế Với mục tiêu hướng tới áp dụng phương pháp (ME) vào phân tích kết cấu áo đường mềm Việt Nam tương lai, việc triển khai nghiên cứu đề tài cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn, có tính thời nhằm bước tiếp cận công nghệ đại xây dựng khai thác đường Trong phạm vi luận án, tập trung giải phần vấn đề cấp thiết để phục vụ việc áp dụng phương pháp (ME) vào điều kiện Việt Nam tương lai “nghiên cứu mối quan hệ |E*| với tính chất bitum” mà chất (mối quan hệ |E*|- |G*|, góc pha) sở nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để xác định mơ hình dự báo |E*| phù hợp theo điều kiện vật liệu, khí hậu địa phương Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài xác định mối quan hệ tương quan thực nghiệm (|G*|, góc pha, độ nhớt) loại bitum (60/70, 40/50, 35/50, PMBIII) với mô đun động |E*| hai loại BTNC (BTNC 12.5 BTNC 19) Việt Nam theo mơ hình Witczak mơ hình Hirsch Các hệ số mơ hình hiệu chỉnh lại để mơ hình dự báo |E*| Hoa Kỳ có khả dự báo |E*| với độ xác cao theo tiêu chuẩn thống kê với (R2 ≥0.9; Se/Sy ≤0.35) cho vật liệu BTNC Việt Nam Đồng thời xác định mơ hình có khả dự báo |E*| tốt -34 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Việc nghiên cứu luận án tập trung vào nghiên cứu tính chất vật liệu bitum hỗn hợp BTNC Việt Nam Do hạn chế thời gian kinh phí, nên phạm vi luận án tiến hành nghiên cứu tiêu học (|G*| góc pha) bitum 60/70 có xét tới nhu cầu sử dụng vật liệu bitum có độ quánh cao bitum cải tiến polymer để nâng cao khả kháng hằn lún vệt bánh xe tăng độ bền tuổi thọ mặt đường BTN Cụ thể việc nghiên cứu tập chung nghiên cứu mô đun cắt động |G*| góc pha loại bitum (60/70; 35/50; 40/50; PMBIII) mô đun động |E*| BTNC 12.5, BTNC19 sử dụng loại cốt liệu sản xuất từ đá vơi, đá bazan, đá granit, bột khống sản xuất từ đá gốc đá vôi Các yêu cầu tiêu chuẩn vật liệu cấp phối tuân thủ theo TCVN 8819: 2011 [2] Điều kiện nhiệt độ lấy theo khí hậu miền Bắc Việt Nam Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Trong đó:   Nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu chất mô đun cắt động bitum |G*|, mô đun động |E*| BTN, yếu tố ảnh hưởng đến |G*|, góc pha bitum, mơ đun động BTN (|E*|) phương pháp xác định |G*|, góc pha δb, |E*| cách xây dựng đường cong chủ |G*|, δb, |E*| Các mối quan hệ tương quan thực nghiệm |E*| với (|G*|, góc pha δb, độ nhớt (η) bitum công bố giới Nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị |G*|, δb, |E*| thực nghiệm xây dựng mối quan hệ tương quan thực nghiệm theo mô hình dự báo Hoa Kỳ theo điều kiện Việt Nam Giá trị độ nhớt bitum xác định theo mối quan hệ tương quan với |G*| tần số góc theo quy tắc thực nghiệm Cox-Merz Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 6.1 Ý nghĩa khoa học đề tài -4 Luận án phân tích sở khoa học thông số bê tông nhựa sử dụng phương pháp học thực nghiệm, chứng tỏ sử dụng phương pháp đại để thiết kế kết cấu mặt đường Việt Nam;  Điểm luận án xây dựng mối quan hệ thực nghiệm tính chất bitum giá trị mô đun động BTNC theo điều kiện Việt Nam phục vụ việc dự báo |E*| theo |G*| góc pha (δ) tiêu thiết kế hỗn hợp BTN để áp dụng cho thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp (ME) Việt Nam tương lai 6.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài   Luận án đưa giá trị |E*| loại BTNC sử dụng cốt liệu bitum điển hình để sử dụng phân tích, thiết kế kết cấu mặt đường theo phương pháp học thực nghiệm Việt Nam Luận án xây dựng mơ hình dự báo |E*| sở kết nghiên cứu thực nghiệm vật liệu (chất kết dính, cốt liệu) phổ biến Việt Nam có xét tới nhu cầu sử dụng bitum có độ quánh cao bitum cải tiến PMBIII, vào mơ hình dự báo |E*|, kỹ sư, chun gia cán chuyên ngành tham khảo công thức để dự báo |E*| BTNC phục vụ mục đích nghiên cứu thiết kế Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MƠ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TƠNG NHỰA 1.1.2 Các tính chất bitum Do bitum có tính đàn nhớt ứng xử phụ thuộc vào nhiệt độ thời gian tác dụng tải trọng nên tính chất bitum gồm tiêu vật lý (độ kim lún, điểm hóa mềm, ….) tiêu học (mô đun độ cứng, mô đun cắt động bitum |G*|) 1.2 Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) bitum (|G*|) 1.2.1 Mô đun cắt động bitum Mô đun cắt động bitum (|G*|) giá trị tuyệt đối mô đun cắt phức bitum, (complex shear modulus), (G*) Về chất độ cứng -5bitum hay khả chống lại biến dạng bitum tác dụng tải trọng động hình sin, theo định nghĩa tỷ số giá trị tuyệt đối ứng suất cắt lớn (τmax) biến dạng cắt lớn (γmax) 1.2.2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum Mô đun cắt độngcủa bitum (|G*|) xác định phương pháp thực nghiệm Hiện giới sử dụng hai loại thiết bị thí nghiệm để xác định |G*| thiết bị cắt động lưu biến DSR (Dynamic shear Rheometer) thiết bị phân tích học động (DMA) “Dynamic Mechanical Analyzer” Khi xác định |G*| thiết bị (DMA) dạng thí nghiệm theo mơ hình kéo-nén áp dụng cho nhiệt độ T≤20oC dạng cắt góc áp dụng với T≥20oC Hình 1.5 minh họa xác định |G*| thiết bị (DMA) Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB IFSTAR 1.2.3 Các nghiên cứu mơ đun cắt động góc pha bitum Có nhiều nghiên cứu giới |G*| góc pha (δb) bitum thường bitum cải tiến nhằm xác định |G*|, (δb), đánh giá chất lượng phân loại loại bitum khác thông qua thơng số |G*| góc pha (δ) -6- 1.4 Mô đun phức động bê tông nha 1.4.1 Mô đun phức bê tông nhựa Mô đun phức BTN (E*) số phức xác định mối quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu đàn nhớt tuyến tính [55], [71], [78] Cơng thức xác định mơ đun phức, phương trình 1.9  eit E*  io(t  )  E1  iE2 (1.9) o Trong đó: σ0 - ứng suất tác dụng dọc trục lớn (maximum stress), psi(Kpa) ε0 - biến dạng phục hồi dọc trục lớn (maximum strain), in/in(m/m) δ - Góc pha (độ), ω – Vận tốc góc, t- Thời gian, (s) Hình 1.17: Sự trễ pha biến dạng so với ứng suất, [51] 1.4.2 Mô đun động bê tông nhựa Mô đun động BTN giá trị tuyệt đối mô đun phức, ký hiệu |E*| Công thức xác định mô đun động |E*| phương trình (1.10) (1.10) Trong đó: σ0 ε0 ứng suất dọc trục lớn biến dạng phục hồi dọc trục lớn minh họa Hình 1.17 -71.4.3 Phương pháp xác định mô đun động bê tông nhựa Mô đun động BTN xác định phương pháp thực nghiệm Để xác định |E*| nhiệt độ, tần số bất kỳ, cần phải xây dựng đường cong chủ |E*| sở liệu thực nghiệm biết với nguyên lý xây dựng đường cong chủ hình Hình 1.21: Nguyên lý xây dựng đường cong chủ |E*| [24] 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động bê tông nhựa Giá trị |E*| bị ảnh hưởng nhiều yếu tố, nhiên nghiên cứu giới cho thấy giá trị |E*| bị ảnh hưởng nhiều giá trị |G*|, góc pha (δ) độ nhớt bitum, ví dụ Hình 1.29: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| mơ hình Witczak cải tiến [61] Hình 1.30: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| mơ hình Hirsch [61] 1.6 Mối quan hệ tính chất bitum với đun động bê tông nhựa 1.6.1 Các nghiên cứu giới ảnh hưởng tính chất bitum đến mơ đun động bê tơng nhựa Mối quan hệ tính chất bitum với mô đun động nghiên cứu nhiều giới, nghiên cứu có độ xác cao ứng dụng vào thực tiễn mơ hình Witczak mơ hình Hirsch Hoa Kỳ -8 Mơ hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive model) Phương trình dự báo mơ đun động BTN có dạng: |E*| = f(P200, P4, P3/8 , P3/4 , Va,Vbeff, f, η(loại bitum,nhiệt độ) (1.12) Trong đó: |E*|- Mơ đun động BTN, (psi) P200 – Phần trăm hạt lọt qua sàng số 200 P4, P3/8 P3/4 phần trăm hạt giữ lại sàng số 4, số 3/8in (9.56mm) sàng số 3/4 (in) (19.01mm) Va – Phần trăm độ rỗng dư hỗn hợp BTN (theo thể tích) Vbeff – Phần trăm hàm lượng nhựa có hiệu (có ích) BTN theo thể tích f – Tần số tác dụng tải trọng, (Hz) Tần số f thí nghiệm |E*| có quan hệ với tần số fc (thí nghiệm |G*|) theo phương trình 1.13 (f=2πfc) (η) - Độ nhớt bitum nhiệt độ tính tốn (106 Poise/105 Pas)  Mơ hình Witczak cải tiến Mơ hình Witczak cải tiến Bari Witczak phát triển năm 2006 Phương trình dự báo |E*| (Phương trình 1.14) |E*| = f(P200, P4, P3/4 ,P3/8 ,Va,Vbeff, f, |G*|, δb) (1.14) Với |G*| – Mô đun cắt động bitum (Pound/in ), δb – Góc pha bitum xác định với |G*|, độ Các ký hiệu khác có ý nghĩa phương trình 1.12  Mơ hình Hirsch (Hirsch Model) Mơ hình Hirsh mơ hình dự báo |E*| bán thực nghiệm sở lý thuyết vật liệu hỗn hợp bao gồm phần tử chuỗi song song pha khác Phương trình dự báo |E*| góc pha BTN hàm đặc trưng thể tích mơ đun cắt độngcủa bitum theo dạng sau (|E*| δ) = f(VMA, VFA,|G*|) (1.15) Trong đó: |E*| – Mơ đun động BTN (psi) Pc – Hệ số tiếp xúc cốt liệu; δ – Góc pha hỗn hợp BTN |G*|, mơ đun động bitum, (psi) VFA- độ rỗng lấp đầy nhựa, (%), VMA- Độ rỗng cốt liệu, (%) 1.6.2 Các nghiên cứu thực Việt Nam ảnh hưởng loại bitum tới mô đun phức động bê tông nhựa - 10 bitum 60/70; 40/50; 35/50 PMBIII), xây dựng đường cong chủ |G*|, góc pha (δ) loại bitum phục vụ nghiên cứu tương quan thực nghiệm |E*| - (|G*|, góc pha (δ), độ nhớt) chương 2.1 Lựa chọn vật liệu bitum loại bitum (60/70; 40/50; 35/50 PMBIII) lựa chọn để nghiên cứu Các tiêu vật lý bitum thực phòng thí nghiệm kiểm định trọng điểm trường Đại học GTVT (LAS XD 1256) 2.3 Xác định mơ đun cắt động góc pha bitum Mơ đun cắt động |G*| góc pha bitum xác định phòng thí nghiệm kết cấu hạ tầng giao thơng Cộng Hòa Pháp (IFSTAR) với thiết bị phân tích học động (DMA) 2.3.2 Xác định thơng số thí nghiệm Các thơng số thí nghiệm gồm có nhiệt độ, tần số, độ lớn tải trọng tác dụng 2.3.2.1 Nhiệt độ thí nghiệm Giá trị nhiệt độ với bitum thường thấp từ (-9.9oC - 50oC) với bitum 60/70 từ (-9.9oC - 60oC) với bitum 40/50 bitum 35/50 Với Bitum PMBIII từ (-19.9oC - 80oC) 2.3.2.2 Tần số thí nghiệm Tần số thí nghiệm từ Hz- 80 Hz 2.3.2.3 Độ lớn tải trọng tác dụng Độ lớn tải trọng kiểm soát để cho chuyển vị mẫu miền biến dạng nhỏ 2.4.2 Xây dựng đường cong chủ mơ đun cắt động góc pha cho loại bitum Việt Nam theo mơ hình 2S2P1D 2.4.2.1 Xác định thơng số mơ hình 2S2P1D Trên sở kết thực nghiệm, sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu xác định thơng số mơ hình 2S2P1D nhiệt độ khác Kết phân tích thống kê cho thấy mơ hình 2S2P1D mơ tốt giá trị |G*| góc pha loại bitum với tiêu thống kê (R2 ≥0.999, Se/Sy≤0.05) với |G*| (R2 ≥0.99, Se/Sy≤0.138) với góc pha - 11 2.4.2.4 So sánh loại bitum với sở kết nghiên cứu thực nghiệm mơ hình 2S2P1D xây dựng (Hình 2.14 hình 2.15)  Mơ hình 2S2P1D mô tốt ứng xử đàn nhớt vật liệu bitum - 12  Ở phạm vi tần số