Mô Hình Phát Triển Vết Nứt Trong Bê Tông Nhựa Có Xét Đến Tính Dính Kết

Tài liệu nghiên cứu Hcmute mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa có xét đến tính dính kết, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Lê Anh Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Anh Thắng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Xây Dựng
• Đề tài: Mô Hình Phát Triển Vết Nứt Trong Bê Tông Nhựa Có Xét Đến Tính Dính Kết
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• 1. CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Xác định vấn đề nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu của nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỎNG QUAN VỀ MÔ HÌNH PHÁ HỦY VẬT LIỆU CÓ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT
• 2.1. Giới thiệu chung
• 2.2. Lược sử phát triển một số mô hình dính kết trên thế giới
• 2.3. Mô hình của Needleman (1987)
• 2.4. Mô hình của Rice và Wang (1989)
• 2.5. Mô hình của Needleman (1990)
• 2.6. Mô hình của Tvergaard (1990)
• 2.7. Mô hình của Tvergaard và Hutchinson (1992)
• 2.8. Mô hình của Xu và Needleman (1993)
• 2.9. Mô hình Camacho và Ortiz (1996)
• 2.10. Mô hình Geubelle và Bayler (1997)
• 2.11. Nhận xét về các mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU
• 3.1. Giới thiệu chung về cơ sở lý thuyết nghiên cứu
• 3.2. Cơ học phá hủy
• 3.2.1. Đàn hồi tuyến tính và cơ học phá hủy dẻo đàn hồi
• 3.2.2. Các mode phá hoại
• 3.2.3. Vùng phá phát triển vết nứt
• 3.2.4. Tỉ lệ tiêu tán năng lượng
• 3.2.5. Hệ số cường độ ứng suất
• 3.2.6. Ảnh hưởng của kích thước mẫu
• 3.3. Mô hình vùng dính
• 3.3.1. Các khái niệm cơ bản về mô hình phát triển vết nứt có xét đến tính dính
• 3.3.2. Mô hình tổng quát phá hủy vật liệu có xét đến tính dính
• 3.3.3. Mô hình phá hủy có xét đến tính dính kết dựa trên mô hình hàm số mũ
• 3.3.4. Mô hình vùng dính kết song tuyến tính
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BÊ TÔNG NHỰA CÓ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH
• 4.1. Giới thiệu chung
• 4.2. Nghiên cứu mô hình DC(T)
• 4.2.1. Mô hình DC(T)
• 4.2.2. Các tham số quan trọng cho mô hình vùng dính kết
• 4.2.3. Các tham số dính kết
• 4.2.4. Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo của mô hình
• 4.2.5. Mối quan hệ giữa relaxation modulus và thời gian
• 4.2.6. Hệ số Shift
• 4.2.7. Năng lượng phá hủy và ứng suất kéo cho hai mặt của vùng phát triển vết nứt có xét đến tính dính kết
• 4.3. Kết quả thí nghiệm của mô hình DC(T)
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
• 5.1. Giới thiệu chung về công tác mô phỏng
• 5.2. Tạo mô hình
• 5.2.1. Kích thước của mô hình
• 5.2.2. Mesh lưới cho mô hình
• 5.2.3. Bảng tổng hợp các thông số của mô hình
• 5.3. Mô phỏng mô hình bằng Abaqus v6.1
• 5.3.1. Các loại phần tử
• 5.3.2. Tạo mô hình
• 5.3.3. Chia nút cho mô hình
• 5.3.4. Khai báo các thông số cho mô hình
• 5.3.4.1. Khai báo module đàn hồi cho vật liệu
• 5.3.4.2. Khai báo tiêu chuẩn phá hủy cho mô hình
• 5.3.4.3. Khai báo ứng xử phát triển vết nứt
• 5.3.4.4. Khai báo năng lượng phá hủy cho mô hình mô phỏng
• 5.3.5. Điều kiện biên và gán CMOD cho mô hình
• 5.3.6. Gán thuộc tính cho vùng dính kết
• 5.4. Kết quả mô phỏng từ mô hình khi chưa xuất hiện vết nứt
• 5.4.1. Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -100C
• 5.4.2. Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -200C
• 5.4.3. Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -300C
• 5.4.4. So sánh kết quả của mô hình chưa có vết nứt ở các nhiệt độ khác nhau
• 5.5. Kết quả mô phỏng từ mô hình đã xuất hiện vết nứt
• 5.5.1. Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -100C
• 5.5.2. Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -200C
• 5.5.3. Kết quả mô phỏng từ mô hình ở nhiệt độ -300C
• 5.5.4. So sánh kết quả của mô hình có vết nứt ở các nhiệt độ khác nhau
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 6.1. Kết luận về đề tài nghiên cứu
• 6.2. Những hạn chế của đề tài
• 6.3. Hướng phát triển của đề tài nghiên cứu
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG

Tóm tắt

I. Mô hình Phát Triển Vết Nứt Bê Tông Nhựa

Đề tài tập trung vào mô hình phát triển vết nứt bê tông nhựa, đặc biệt xem xét tính dính kết. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thí nghiệm từ Đại học Illinois. Mô hình hai chiều (2D) được sử dụng để mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng đến sự phát triển vết nứt. Kết quả được kiểm chứng bằng phần mềm Abaqus v6.11. Các mô hình dính kết khác nhau được đánh giá. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng sự phát triển vết nứt dựa trên mô hình hàm số mũ, đề cập đến tính dính kết của vật liệu.

1.1 Tổng Quan Các Mô Hình Dính Kết

Chương 2 trình bày tổng quan về các mô hình dính kết. Các mô hình của Needleman (1987, 1990), Rice và Wang (1989), Tvergaard (1990), Tvergaard và Hutchinson (1992), Xu và Needleman (1993), Camacho và Ortiz (1996), và Geubelle và Bayler (1997) được phân tích. Mỗi mô hình có các tham số riêng: lực dính kết (σmax), chuyển vị tới hạn (δ), độ mở rộng vết nứt (un, ut), lực kéo (Tn, Tt), năng lượng phá hủy, v.v... Sự khác biệt giữa các mô hình nằm ở cách thức mô tả mối quan hệ giữa lực và chuyển vị trong vùng dính kết. Việc đánh giá các mô hình này giúp lựa chọn mô hình phù hợp cho bê tông nhựa.

1.2 Cơ Sở Lý Thuyết Và Phương Pháp Mô Phỏng

Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết về cơ học phá hủy, bao gồm các khái niệm về đàn hồi tuyến tính, cơ học phá hủy dẻo đàn hồi, các mode phá hoại, vùng phá triển vết nứt, tỉ lệ tiêu tán năng lượng, hệ số cường độ ứng suất. Mô hình vùng dính được nhấn mạnh. Mô hình tổng quát phá hủy vật liệu có xét đến tính dính kết, mô hình phá hủy dựa trên mô hình hàm số mũ, và mô hình vùng dính kết song tuyến tính được giải thích chi tiết. Chương 5 tập trung vào việc thiết lập mô hình mô phỏng bằng phần mềm Abaqus v6.11, bao gồm tạo lưới, xác định kích thước mô hình, khai báo các tham số vật liệu, điều kiện biên, và khai báo CMOD (Crack Mouth Opening Displacement). Phân tích phần tử hữu hạn là công cụ chính được sử dụng.

1.3 Kết Quả Thí Nghiệm Và Mô Phỏng

Chương 4 trình bày nghiên cứu mô hình thí nghiệm bê tông nhựa từ Đại học Illinois, cụ thể là mô hình DC(T). Các tham số quan trọng như năng lượng phá hủy, ứng suất kéo, relaxation modulus, và hệ số shift được phân tích. Chương 5 trình bày kết quả mô phỏng bằng Abaqus, so sánh với kết quả thí nghiệm. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng đến sự phát triển vết nứt được khảo sát. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin về mối quan hệ giữa cấp tải trọng và độ mở rộng vết nứt (CMOD) ở các nhiệt độ khác nhau. Sự phù hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm được đánh giá, xác định độ tin cậy của mô hình.

1.4 Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương 6 đưa ra kết luận về đề tài, nhấn mạnh vào những đóng góp của nghiên cứu đối với việc hiểu rõ hơn về sự phát triển vết nứt trong bê tông nhựa. Những hạn chế của đề tài cũng được nêu ra. Cuối cùng, hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo được đề xuất. Đây có thể bao gồm việc mở rộng mô hình sang ba chiều (3D), xem xét thêm các yếu tố ảnh hưởng khác như độ ẩm, loại vật liệu, và điều kiện thi công, cũng như ứng dụng các kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn tiên tiến hơn. Nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao trong lĩnh vực thi công bê tông nhựa và bảo dưỡng công trình. Kiểm soát chất lượng bê tông nhựa, dự đoán tuổi thọ công trình, và phát triển vật liệu mới là những ứng dụng quan trọng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cơ học phá hủy là lĩnh vực nghiên cứu hệ thống về quá trình phát triển vết nứt trong vật liệu rắn, đặc biệt quan trọng trong ngành xây dựng và giao thông vận tải. Bê tông nhựa, vật liệu phổ biến trong thi công mặt đường, có tính chất phức tạp do ảnh hưởng của tải trọng cơ học và nhiệt độ, dẫn đến sự hình thành và phát triển vết nứt. Theo ước tính, các vết nứt xuất hiện gần như trên toàn bộ lớp phủ nhựa đường, đặc biệt tại vị trí tiếp giáp giữa các lớp, làm giảm khả năng chịu lực và gây hư hỏng kết cấu mặt đường. Nghiên cứu mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa có xét đến tính dính kết nhằm mục tiêu mô phỏng chính xác quá trình phá hủy, từ đó đề xuất giải pháp nâng cao độ bền và tuổi thọ mặt đường.

Luận văn tập trung vào mô hình hóa sự phát triển vết nứt trong bê tông nhựa dựa trên mô hình hàm số mũ, sử dụng dữ liệu thí nghiệm từ trường đại học Illinois, Hoa Kỳ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng mô hình 2D trong khoảng thời gian từ 2013 đến 2014, với các điều kiện nhiệt độ âm (-100°C, -200°C, -300°C) để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng đến sự phát triển vết nứt. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao, hỗ trợ thiết kế và bảo trì kết cấu mặt đường bê tông nhựa, góp phần giảm thiểu chi phí sửa chữa và nâng cao hiệu quả khai thác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết cơ học phá hủy, tập trung vào các khái niệm:

• Cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính và đàn-dẻo: Phân tích ứng xử vết nứt trong vật liệu giòn và dẻo, sử dụng hệ số cường độ ứng suất (KIc) và tích phân J để đánh giá năng lượng phá hủy.
• Mô hình vùng dính kết (Cohesive Zone Model - CZM): Mô tả vùng phát triển vết nứt với lực dính phụ thuộc vào chuyển vị tương đối giữa các mặt nứt, bao gồm mô hình hàm số mũ và mô hình song tuyến tính.
• Các mode phá hoại: Mode I (mở vết nứt do ứng suất pháp tuyến), Mode II (trượt), Mode III (kéo xé), trong đó Mode I là chủ yếu trong bê tông nhựa.
• Mô hình hàm số mũ: Được sử dụng để mô phỏng lực dính theo chuyển vị mở rộng vết nứt, với các tham số như lực kéo tới hạn (σc), chuyển vị tới hạn (δcc), và năng lượng phá hủy (Gc).

Ngoài ra, nghiên cứu tham khảo các mô hình dính kết nổi bật như Needleman (1987, 1990), Rice và Wang (1989), Tvergaard và Hutchinson (1992), Camacho và Ortiz (1996), Geubelle và Bayler (1997), nhằm so sánh và lựa chọn mô hình phù hợp cho bê tông nhựa.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu thí nghiệm mẫu bê tông nhựa DC(T) và SE(B) do trường đại học Illinois thực hiện, bao gồm các thông số vật liệu như năng lượng phá hủy (Gc), cường độ chịu kéo, module đàn hồi, relaxation modulus và hệ số shift nhiệt độ.
• Phương pháp phân tích: Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) bằng phần mềm Abaqus v6.11, thiết lập mô hình 2D với phần tử dính kết COH2D4, khai báo các tham số vật liệu dựa trên thí nghiệm, áp dụng điều kiện biên và tải trọng mô phỏng sự phát triển vết nứt.
• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 01/2013 đến tháng 12/2014, bao gồm các bước: tổng quan lý thuyết, thu thập dữ liệu thí nghiệm, thiết lập mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả, đề xuất hướng phát triển.

Cỡ mẫu mô hình gồm 910 nút và 768 phần tử, trong đó 840 phần tử dính kết tập trung tại vùng phát triển vết nứt với kích thước lưới nhỏ nhất 0.1mm để đảm bảo độ chính xác cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng nhiệt độ đến phát triển vết nứt: Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy tại nhiệt độ -100°C, -200°C và -300°C, năng lượng phá hủy Gc lần lượt là khoảng 410 J/m², với cường độ chịu kéo dao động từ 2.3 MPa đến 3.1 MPa. Ở nhiệt độ thấp hơn, vết nứt phát triển nhanh hơn và tải trọng tối đa Pmax giảm đáng kể, thể hiện tính giòn của bê tông nhựa tăng lên.

2. Mô hình hàm số mũ phù hợp với thực tế: Mô hình hàm số mũ mô phỏng chính xác mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị mở rộng miệng vết nứt (CMOD), với sai số dưới 5% so với kết quả thí nghiệm trường đại học Illinois, chứng tỏ tính ứng dụng cao của mô hình trong dự báo sự phá hủy bê tông nhựa.

3. Ảnh hưởng kích thước lưới và điều kiện biên: Việc sử dụng kích thước lưới nhỏ 0.1mm tại vùng dính kết giúp mô phỏng chính xác ứng xử lực dính và chuyển vị, trong khi điều kiện biên ràng buộc giữa các mặt dính kết đảm bảo tính ổn định của mô hình.

4. So sánh mô hình có và không có vết nứt: Mô hình có vết nứt sẵn cho thấy sự giảm tải trọng chịu đựng và tăng chuyển vị CMOD nhanh hơn so với mô hình không có vết nứt, phản ánh đúng hiện tượng thực tế khi vết nứt phát triển làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt về ứng xử vết nứt theo nhiệt độ là do tính dính kết của bê tông nhựa phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, khi nhiệt độ giảm, vật liệu trở nên giòn hơn, năng lượng phá hủy giảm, dẫn đến vết nứt phát triển nhanh và dễ lan rộng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu composite và kim loại giòn, đồng thời khẳng định tính cần thiết của việc xét đến tính dính kết trong mô hình phá hủy bê tông nhựa.

Việc mô hình hàm số mũ được lựa chọn dựa trên khả năng mô phỏng chính xác lực dính theo chuyển vị mở rộng vết nứt, đồng thời phù hợp với dữ liệu thí nghiệm thực tế, giúp nâng cao độ tin cậy của mô hình. So sánh với các mô hình khác như song tuyến tính, hàm số mũ cho kết quả ổn định và dễ khai báo trong phần mềm Abaqus.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mối quan hệ giữa tải trọng P và CMOD ở các nhiệt độ khác nhau, bảng tổng hợp các tham số vật liệu (Gc, σc, module đàn hồi), và hình ảnh mô phỏng sự phát triển vết nứt trong mô hình 2D, giúp trực quan hóa quá trình phá hủy.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình hàm số mũ trong thiết kế kết cấu bê tông nhựa: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và thi công sử dụng mô hình này để dự báo tuổi thọ và khả năng chịu tải của mặt đường, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ thấp, nhằm tối ưu hóa vật liệu và biện pháp thi công.

2. Phát triển vật liệu bê tông nhựa có tính dính kết cao hơn: Đề xuất nghiên cứu và ứng dụng các phụ gia hoặc công nghệ mới để tăng cường tính dính kết, giảm thiểu sự phát triển vết nứt, nâng cao độ bền và độ bền dai của mặt đường.

3. Triển khai mô phỏng mô hình 3D và đa vật liệu: Trong vòng 2-3 năm tới, mở rộng nghiên cứu sang mô hình 3D, kết hợp các lớp vật liệu khác nhau trong kết cấu mặt đường để mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng thực tế, phục vụ công tác bảo trì và sửa chữa.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ mô phỏng: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư, nhà nghiên cứu về phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn với mô hình dính kết, nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ trong ngành xây dựng và giao thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu giao thông: Sử dụng mô hình để dự báo tuổi thọ mặt đường, tối ưu hóa thiết kế vật liệu và kết cấu nhằm giảm chi phí bảo trì.

2. Nhà nghiên cứu vật liệu xây dựng: Tham khảo các phương pháp mô phỏng và dữ liệu thí nghiệm để phát triển vật liệu bê tông nhựa mới có tính dính kết cao hơn.

3. Chuyên gia bảo trì và sửa chữa đường bộ: Áp dụng kết quả mô phỏng để đánh giá mức độ hư hỏng và lựa chọn biện pháp sửa chữa phù hợp, nâng cao hiệu quả công tác bảo trì.

4. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng, cơ học vật liệu: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về cơ học phá hủy, mô hình dính kết và ứng dụng phần tử hữu hạn trong nghiên cứu vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình hàm số mũ có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   Mô hình hàm số mũ mô phỏng chính xác mối quan hệ phi tuyến giữa lực dính và chuyển vị mở rộng vết nứt, phù hợp với dữ liệu thí nghiệm thực tế, dễ khai báo trong phần mềm mô phỏng và cho kết quả ổn định hơn so với mô hình song tuyến tính.

2. Tại sao nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến sự phát triển vết nứt trong bê tông nhựa?
   Nhiệt độ thấp làm tăng tính giòn của bê tông nhựa, giảm năng lượng phá hủy và cường độ chịu kéo, khiến vết nứt phát triển nhanh hơn và dễ lan rộng, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ mặt đường.

3. Phần tử dính kết COH2D4 được sử dụng trong mô hình có đặc điểm gì?
   COH2D4 là phần tử 2D bốn nút dùng để mô phỏng vùng dính kết giữa các mặt nứt, cho phép mô phỏng chính xác lực dính và chuyển vị tương đối, phù hợp với mô hình 2D và dễ dàng tích hợp trong Abaqus.

4. Làm thế nào để xác định các tham số vật liệu như năng lượng phá hủy và cường độ chịu kéo?
   Các tham số này được xác định thông qua thí nghiệm mẫu bê tông nhựa DC(T) và SE(B) tại phòng thí nghiệm, đo lường trực tiếp năng lượng phá hủy (Gc) và cường độ chịu kéo (σc) dưới các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

5. Mô hình có thể áp dụng cho các loại bê tông nhựa khác nhau không?
   Mô hình có thể được điều chỉnh tham số vật liệu dựa trên dữ liệu thí nghiệm của từng loại bê tông nhựa cụ thể, do đó có tính linh hoạt cao và khả năng áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu và thực tiễn.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa có xét đến tính dính kết dựa trên mô hình hàm số mũ, sử dụng dữ liệu thí nghiệm từ trường đại học Illinois.
• Mô hình mô phỏng chính xác ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng đến sự phát triển vết nứt, phù hợp với kết quả thực nghiệm.
• Kích thước lưới và điều kiện biên được thiết lập hợp lý giúp mô hình ổn định và tin cậy.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về cơ học phá hủy bê tông nhựa, hỗ trợ thiết kế và bảo trì kết cấu mặt đường.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu mô hình 3D và phát triển vật liệu mới trong các giai đoạn tiếp theo.

Áp dụng mô hình vào thiết kế thực tế, triển khai đào tạo kỹ thuật mô phỏng và nghiên cứu phát triển vật liệu bê tông nhựa cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả công trình giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giớ i thiệu chung: Cơ học phá hủy là một nghiên cứu có tính chất hệ thống về các quá trình phát triển vết nứt của vật liệu rắn. Công tác nghiên cứu về cơ học phá hủy có mối liên hệ mật thiết với những thảm họa to lớn đã xảy ra trong lịch sử gần đây của nhân loại. Sự tồn tại và phát triển của vết nứt trong các loại vật liệu phục vụ cho ngành xây dựng như thép, bê tông, bê tông nhựa đã và đang ngày càng được chú ý trong công tác thiết kế và thi công. Trong đó, bê tông nhự a có các đặc tính phức tạp hơn so vớ i các vật liệ u khác trong thiết kế và thi công đường.

Vật liệu bê tông nhựa chỉ tính dính kết trong quá trình nứt của bê tông nhựa. Ứng xử nứt của Bê tông nhự a phụ thuộc vào thờ i gian và nhiệt độ. Trong giai đoạn nghiên cứ u hiện nay, các khía cạnh này i ́t nhiều cò n gây khó khăn cho các nhà nghiên cứu về phát triển nứt trong bê tông nhựa. Đề tài tiến hành lập mô hình để tìm hiểu về các ứ ng xử vết nứ t củ a bê tông nhự a có xét đ ến tính dính kết thông qua các số liệu rút ra từ thi ́ nghiệm.2 Xác định vấn đề nghiên cứu: Vết nứ t rất dể tìm thấy ở gần như tât́ cả lớp phủ của nhựa đường , đặc biệt là tại các vị trí tiếp giáp giữa các lớp nhựa khác nhau.

Bở i vì phải chịu các tải trọng cơ học và nhiệt độ các khe nứt được hình thành và phát triển. Các vết nứt hiện diện trong các lớp phủ sẽ cho phép nướ c xâm nhập vào bên dưới và vì thế làm suy giảm đi khả năng chịu lực của kết cấu bên dưới mặt đườ ng và góp phần quan trọng làm hư hỏng mặt đường và phá hủy các liên kết giữa các lớp vật liệu mặt đườ ng. Có rất nhiều nghiên cứu hiện nay đang được tiến hành để nổ lực tìm kiếm nhằm hạn chế tối đa các vết nứ t xuât́ hiện tại các lớ p phủ bê tông nhự a. Nhiều vật liệ u mới đượ c nghiên cứu và phát triển nhằm tăng khả năng kháng nứt.

Vấn đề nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu mô hình phá hủy của bê tông nhựa, mô phỏng bằng phần mềm Abaqus v6.11, để có thể tiếp tục tìm hiểu và khảo sát cơ chế hình thành và phát triển vết nứt trong bê tông nhựa.3 Mục tiêu của nghiên cứu: Nộ i dung nghiên cứ u là tập trung vào mô phỏ ng s ự phá hủy bê tông nhựa có xét đến tính dính kết sử dụng các thông số vật liệu tính toán được từ thí nghiệm ở trong phòng. Mô hình hai chiều 1 (mô hình 2D) có xét ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng để mô phỏ ng sự phát triển vết nứ t. Mục tiêu nghiên cứu chính của luận văn có thể xem xét các vấn đề như sau: Thự c hiện mô phỏng phần tử dính kết bằng cách sử dụ ng Abaqus, trong đó thông số vật liệu của bê tông nhựa có được từ thí nghiệm của trường đại học Illinois.Lê Anh Thắng | Mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa - 2014 Luan van -2- Đề tài tiến hành nghiên cứu phương pháp tạo lưới để mesh lưới tại đầu viết nứt. Xác định các thông số cần thiết và phù hợp với mô hình.

Khảo sát độ nhạy của mô hình so với các tác động thay đổi như nhiệt độ và độ lớn tải trọng, và đưa ra các nhận xét.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chính là mô phỏng sự phát triển vết nứt của bê tông nhựa dựa trên mô hình hàm số mũ có xét đến tính dính kết. Phạm vi nghiên cứu của đề tài mang tính chất nghiên c ứu mô phỏng mô hình phá hủ y vật liệu bê tông nhự a v ới các thông số đầu vào đã đượ c tiến hà nh nghiên cứ u trướ c đó c ủa Seong Hyeok Song- trường đại học Illinois. Trong đó, đặc biệt lưu ý đến tính dính kết củ a vật liệu bê tông nhựa, đây là mô hình nghiên cứ u mớ i hiện nay cần đượ c kiểm chứ ng mộ t cách đầy đủ và chi ́nh xác.Lê Anh Thắng | Mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa - 2014 Luan van -3- CHƯƠNG 2 TỎ NG QUAN VỀ MÔ HÌNH PHÁ H ỦY VẬT LIỆU CÓ XÉT ĐẾN TÍNH DÍNH KẾT 2.1 Giới thiệu chung: Mô hình phát triển vết nứt củ a vật liệu có xét đến tính dính kết đã và đang đượ c nghiên cứ u rộ ng rãi trên th ế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay. Mô hình này đang ngày cà ng hoà n thiện , cả về mặt lý thuyết và thự c nghiệm.

Tuy nhiên, nghiên cứ u về mô hình phát triển vết nứt củ a bê tông nhự a có xét đến tính dính kết tại Việt Nam hiện nay vẫn còn là vấn đề mới, chưa có nghiên cứ u cụ thể về vấn đề này , hầu như không có nghiên cứu nào được tiến hành. Trong giai đoạn hiện nay, mô hình phá hủ y của bê tông nhựa vẫn đang còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu và làm rõ. Hiện nay có nhiều nghiên cứu về mô hình phát tri ển vết nứt bê tông nhự a có xét đến tính dính kết. Nhiều báo cáo khoa họ c đ ã được thực hiện trong các hội thảo quốc tế để giải quyết các vấn đề này.

Mijidzadeh và Abdulshafi đã tiến hà nh nghiên cứ u về sự phát triển vết nứ t bằng cách ứ ng dụng tích phân J để giải thi ́ch các hiện tượ ng mỏ i và nứ t củ a hỗn hợ p bê tông nhự a. Kim và El Hussein đã sử dụ ng thi ́ nghiệm dầm uốn ba điểm để xem xét ứ ng xử củ a vết nứ t trong bê tông nhự a và đánh giá độ bền dai củ a vết nứ t dướ i nhiệt độ thấp. Mộ t số các nhà nghiên cứ u khá c đã ứng dụng nguyên l{ cơ học phá h ủy trong các nghiên cứ u các mẫu bê tông nhự a trong phò ng và ngoài hiện trường [3]. Bê tông nhự a có thể đượ c xem là vật liệu có tính giò n và vì thế đ ộ mở rộng của vết nứ t có mối liên quan trự c tiếp đến cấu trú c vật liệu.

Mô hình kể đến tính dính của bê tông nhựa đã ra đời để mô phỏng ứng xử vết nứt trong bê tông nhự a. Song và đồng nghiệp đã tiếp tục nghiên cứu để thí nghiệm thành công mô hình phát triển vết nứt của bê tông nhựa tại đại học Illinois, đó cũng chính là tiền đề cho đề tài để mô phỏng mô hình kiểm chứng lại kết quả thí nghiệm đó trong đề tài này. Các khái niệm về mô hình dính kết đã đượ c đưa ra từ rât́ sớ m : nhữ ng năm 60 của thế kỉ trước đã đượ c tiến hà nh bở i Barenblatt. Ông đã đề xuât́ nghiên cứ u về mô hình vù ng dính k ết củ a các vật liệu giò n và Dugdale đã lự a chọ n mô hình này để đưa ra các nghiên cứ u về vật liệu có tính dẻo 3 [21].

Trong nhữ ng năm 90, Needleman, Camacho và Ortiz đã đưa ra mô hình dính k ết có chè n thêm các lướ i phần tử hữ u hạn.2 Lược sử phát triển một số mô hình dính kết trên thế giới [1]: TS.Lê Anh Thắng | Mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa - 2014 Luan van -4- 2.2 Mô hình của Needleman (1987): Mô hình lý luận dự đoán được lực phát triển vết nứt theo phương pháp tuyến.2 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Needleman. Các tham số mô hình gồm:  max = 1000 – 1400 MPa: lực dính kết. un : độ mở rộng vết nứt theo phương pháp tuyến. Tn : lực kéo theo phương pháp tuyến.3 Mô hình của Rice và Wang (1989): Rice và Wang đề xuất tham số module đàn hồi E0 trong mối liên hệ với lực phát triển vết nứt, bỏ qua lực cắt.3 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Rice và Wang.

Các tham số mô hình gồm:  max : ứng suất tới hạn. 4  : chuyển vị tới hạn của mô hình.4 Mô hình của Needleman (1990): Mô hình giúp dự đoán lực phát triển vết nứt theo phương pháp tuyến.Lê Anh Thắng | Mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa - 2014 Luan van -5- Hình 2.4 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Needleman (1990). Các tham số mô hình gồm:  max : lực dính kết. Tn : lực kéo theo phương pháp tuyến.

 : chuyển vị tới hạn của mô hình. un : độ mở rộng vết nứt theo phương pháp tuyến.5 Mô hình của Tvergaard (1990): Mô hình toàn phương giúp quyết được bề mặt của vật liệu sợi compsite đơn thể.5 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Tvergaard. Các tham số mô hình: 5  n ,  t : chuyển vị tới hạn theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến.  max : lực dính của mô hình.

un , ut : độ mở rộng vết nứt theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến. Tn , Tt : lực kéo theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến của mô hình.Lê Anh Thắng | Mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa - 2014 Luan van -6- 2.6 Mô hình của Tvergaard và Hutchinson (1992): Mô hình nghiên cứu phát triển vết nứt trong môi trường vật liệu đàn hồi, kiểm tra lực dính kết tại các vùng kế cận.6 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Tvergaard và Hutchinson. Các tham số mô hình:  0 : diện tích phát triển vết nứt.  c : chuyển vị tới hạn của mô hình.

1 ,  2 : các tham số chuyển vị.  max : lực kéo tới hạn của mô hình.7 Mô hình của Xu và Needleman (1993): Dự đoán được lực cắt và chuyển vị theo phương pháp tuyến trong mô hình.7 Mô hình dính kết được đề nghị bởi Xu và Needleman. Các tham số của mô hình: n : công của lực phát triển vết nứt theo phương pháp tuyến. t : công của lực cắt phát triển vết nứt theo phương tiếp tuyến.Lê Anh Thắng | Mô hình phát triển vết nứt trong bê tông nhựa - 2014 Luan van -7-  n , t : chuyển vị theo phương pháp tuyến và chuyển vị theo phương tiếp tuyến.

 max : lực dính kết của mô hình.