Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu thô tạo khung đến sự phát triển biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng trong điều kiện việt nam

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích ảnh hưởng của cốt liệu thô tạo khung đến biến dạng không hồi phục trong bê tông nhựa nóng tại Việt Nam.

• Tác giả: Đỗ Vương Vinh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thị Kim Đăng
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu thô tạo khung đến sự phát triển biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng trong điều kiện Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của cốt liệu thô đến biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của cốt liệu thô đến biến dạng không hồi phục trong bê tông nhựa nóng tại Việt Nam. Cốt liệu thô đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành khung cấu trúc của hỗn hợp bê tông nhựa, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải và độ bền của mặt đường. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, cấp phối cốt liệu và khung cốt liệu thô là yếu tố quyết định đến tính chất bê tông và biến dạng bê tông. Đặc biệt, trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt Nam, biến dạng không hồi phục thường xảy ra do tác động của tải trọng giao thông và nhiệt độ cao.

1.1. Thành phần vật liệu và cấu trúc của bê tông nhựa

Bê tông nhựa nóng là hỗn hợp gồm cốt liệu, nhựa đường và các phụ gia. Cốt liệu thô chiếm tỷ lệ lớn trong hỗn hợp, tạo thành khung chịu lực chính. Cấu trúc của hỗn hợp bê tông nhựa được chia thành ba cấp độ: vi mô, trung mô và vĩ mô. Ở cấp độ vĩ mô, khung cốt liệu thô quyết định độ cứng và khả năng chống biến dạng không hồi phục. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa cấp phối cốt liệu giúp cải thiện đáng kể tính chất bê tông và giảm thiểu các hư hỏng như lún vệt bánh xe.

1.2. Biến dạng không hồi phục và các hư hỏng liên quan

Biến dạng không hồi phục là hiện tượng mặt đường bị lún vĩnh viễn dưới tác động của tải trọng lặp lại. Các dạng hư hỏng chính bao gồm: lún vệt bánh xe do bê tông nhựa bị chảy dẻo, lún vệt bánh xe do kết cấu và lún vệt bánh xe lớp mặt. Cốt liệu thô có vai trò quan trọng trong việc hạn chế các hư hỏng này. Các thí nghiệm như thí nghiệm từ biến và thí nghiệm biến dạng không hồi phục được sử dụng để đánh giá khả năng chống biến dạng của hỗn hợp bê tông nhựa.

II. Phương pháp nghiên cứu và thiết kế cấp phối cốt liệu

Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế cấp phối cốt liệu hỗn hợp bê tông nhựa nóng có xét đến việc hình thành khung cốt liệu thô. Phương pháp Bailey được áp dụng để tối ưu hóa tỷ lệ các loại cốt liệu, đảm bảo hỗn hợp có khả năng chống biến dạng không hồi phục tốt nhất. Các thông số như cỡ sàng phân định cốt liệu, tỷ lệ phối trộn và khối lượng thể tích được tính toán kỹ lưỡng. Kết quả thiết kế cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ giúp cải thiện đáng kể tính chất bê tông và giảm thiểu các hư hỏng mặt đường.

2.1. Nguyên lý hình thành cường độ của hỗn hợp bê tông nhựa

Cường độ của bê tông nhựa nóng được hình thành từ sự liên kết giữa cốt liệu, nhựa đường và các phụ gia. Khung cốt liệu thô đóng vai trò chính trong việc truyền tải ứng suất và chịu lực. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa cấp phối cốt liệu giúp tăng cường khả năng chống biến dạng không hồi phục. Phương pháp Bailey được sử dụng để thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ, đảm bảo độ bền và ổn định của mặt đường.

2.2. Kết quả thiết kế cấp phối cốt liệu

Kết quả thiết kế cấp phối cốt liệu theo phương pháp Bailey cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ giúp cải thiện đáng kể tính chất bê tông. Các thông số như cỡ sàng phân định cốt liệu, tỷ lệ phối trộn và khối lượng thể tích được tính toán kỹ lưỡng. Hỗn hợp bê tông nhựa được thiết kế có khả năng chống biến dạng không hồi phục tốt, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm của Việt Nam.

III. Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của cốt liệu thô đến biến dạng không hồi phục

Các thí nghiệm thực nghiệm được tiến hành để đánh giá ảnh hưởng của cốt liệu thô đến biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng. Các thí nghiệm bao gồm thí nghiệm vệt hằn bánh xe và thí nghiệm từ biến. Kết quả cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ giúp giảm đáng kể biến dạng không hồi phục. Các yếu tố như hàm lượng cốt liệu thô, cấp phối cốt liệu và tỷ lệ phối trộn có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống biến dạng của hỗn hợp bê tông nhựa.

3.1. Thí nghiệm vệt hằn bánh xe

Thí nghiệm vệt hằn bánh xe được sử dụng để đánh giá khả năng chống biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ giúp giảm đáng kể chiều sâu vệt lún. Các yếu tố như hàm lượng cốt liệu thô và cấp phối cốt liệu có ảnh hưởng lớn đến kết quả thí nghiệm. Hỗn hợp bê tông nhựa được thiết kế theo phương pháp Bailey cho kết quả tốt nhất trong việc chống biến dạng không hồi phục.

3.2. Thí nghiệm từ biến

Thí nghiệm từ biến được thực hiện để đánh giá khả năng chống biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng dưới tác động của tải trọng lặp lại. Kết quả thí nghiệm cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ giúp giảm đáng kể biến dạng không hồi phục. Các yếu tố như hàm lượng cốt liệu thô và cấp phối cốt liệu có ảnh hưởng lớn đến kết quả thí nghiệm. Hỗn hợp bê tông nhựa được thiết kế theo phương pháp Bailey cho kết quả tốt nhất trong việc chống biến dạng không hồi phục.

IV. Phân tích cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa và khả năng chống biến dạng không hồi phục

Phần mềm IPAS-2 được sử dụng để phân tích cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa và đánh giá khả năng chống biến dạng không hồi phục. Các chỉ số như chỉ số cấu trúc ISI, số tiếp xúc và chiều dài tiếp xúc được tính toán để đánh giá mức độ chặt chẽ của khung cốt liệu thô. Kết quả phân tích cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ giúp cải thiện đáng kể tính chất bê tông và giảm thiểu các hư hỏng mặt đường.

4.1. Phương pháp phân tích ảnh xác định cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa

Phần mềm IPAS-2 được sử dụng để phân tích cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa. Các chỉ số như chỉ số cấu trúc ISI, số tiếp xúc và chiều dài tiếp xúc được tính toán để đánh giá mức độ chặt chẽ của khung cốt liệu thô. Kết quả phân tích cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ giúp cải thiện đáng kể tính chất bê tông và giảm thiểu các hư hỏng mặt đường.

4.2. Quan hệ giữa các chỉ tiêu cấu trúc với khả năng chống biến dạng không hồi phục

Các chỉ tiêu cấu trúc như chỉ số cấu trúc ISI, số tiếp xúc và chiều dài tiếp xúc có mối quan hệ chặt chẽ với khả năng chống biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng. Kết quả phân tích cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa có khung cốt liệu thô chặt chẽ giúp cải thiện đáng kể tính chất bê tông và giảm thiểu các hư hỏng mặt đường. Các chỉ tiêu cấu trúc này có thể được sử dụng để đánh giá và tối ưu hóa cấp phối cốt liệu trong thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA CẤP PHỐI CỐT LIỆU VÀ KHUNG CỐT LIỆU THÔ ĐẾN BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA BÊ TÔNG NHỰA 1. Thành phần vật liệu và cấu trúc của bê tông nhựa 1. Thành phần vật liệu của bê tông nhựa Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm các thành phần là cốt liệu khoáng (đá dăm, cát, bột khoáng), chất liên kết là nhựa đường và phụ gia (nếu có) được phối hợp với nhau theo tỷ lệ hợp lý. Mỗi thành phần trong bê tông nhựa đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ cường độ và các tính chất cần thiết cho quá trình sử dụng.

- Đá dăm (cốt liệu thô): Làm nên bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa, làm cho bê tông nhựa có khả năng chịu tác dụng của ngoại lực và tạo độ nhám bề mặt. - Cát (cốt liệu mịn): Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm và cùng với đá dăm làm thành bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa. - Bột khoáng: Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn. Bột khoáng là loại vật liệu có tỷ diện cao (250300 m2/kg), có ái lực mạnh với nhựa, biến nhựa vốn có ở trạng thái khối, giọt thành trạng thái màng mỏng, bao bọc dễ dàng với các hạt khoáng vật.

Bột khoáng có vai trò như một chất phụ gia làm cho nhựa tăng thêm độ nhớt, tăng thêm khả năng dính bám và tăng tính ổn định nhiệt. Bột khoáng cùng với nhựa tạo ra một chất liên kết mới, chất liên kết asphalt có tính chất hơn hẳn các tính chất riêng của nhựa đường. - Nhựa đường: Là chất liên kết, kết dính các hạt cốt liệu khoáng lại với nhau thành một khối và góp phần lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu. - Phụ gia: Mặc dù được sử dụng với hàm lượng rất nhỏ, nhưng phụ gia có vai trò trong việc cải thiện một hoặc một số tính chất nào đó của bê tông nhựa.

Cấu trúc của hỗn hợp bê tông nhựa Về mặt cấu trúc, bê tông nhựa là một vật liệu xây dựng có cấu trúc thuộc loại cuội kết nhân tạo, trong đó các cốt liệu khoáng vật được dính kết với nhau nhờ chất liên kết asphalt. Tuy nhiên cũng còn một vài quan điểm về cấu trúc của hỗn hợp: - Quan điểm theo mô hình đơn giản xem bê tông nhựa gồm hai pha cơ bản: pha rắn là cốt liệu khoáng vật gồm đá, cát và bột khoáng, còn pha lỏng là nhựa. 5 - Quan điểm xem bê tông nhựa như là một vật liệu gồm hai thành phần cấu trúc: một là khung sườn vật liệu khoáng vật gồm đá và cát, hai là chất liên kết asphalt gồm bitum và bột khoáng. - Quan điểm xem bê tông nhựa là một hệ thống gồm ba cấu tử [6] (Hình 1.

 Cấu trúc vi mô (tế vi) gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết asphalt (mastic asphalt).  Cấu trúc trung gian gồm cát và chất liên kết asphalt tạo thành vữa asphalt.  Cấu trúc vĩ mô gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa. Mô hình cấu trúc bê tông nhựa ở các cấp độ nghiên cứu [35] o Xét cấu trúc tế vi sẽ thấy rõ các quan hệ số lượng, sự bố trí và tương tác giữa bitum và bột khoáng – thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa.

Cường độ của bê tông nhựa biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào hàm lượng bột khoáng, vào tỉ số nhựa bitum đối với bột khoáng (B/BK).2 Thể hiện cấu trúc của hỗn hợp bitum và bột khoáng khi tăng dần tỉ lệ giữa bitum và bột khoáng. 6 Bột khoáng ở trạng Hỗn hợp bột khoáng Hỗn hợp bột Hỗn hợp bột thái đầm chặt tối đa – bitum khi lượng khoáng – bitum khi khoáng – bitum khi có chứa các lỗ rỗng bitum không đủ để lượng bitum vừa đủ thể tích bitum vượt lấp đầy lỗ rỗng của để lấp đầy lỗ rỗng quá thể tích lỗ rỗng bột khoáng của bột khoáng của bột khoáng Hình 1. Cấu trúc của hỗn hợp bitum và bột khoáng với tỉ lệ bitum tăng dần [17] Khi lượng nhựa nhiều bột khoáng ít, các hạt bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc trực tiếp với nhau, cấu trúc này cho cường độ nhỏ, trường hợp này thể hiện ở khu vực I của biểu đồ trong Hình 1. Khi tăng lượng bột khoáng lên, tỷ lệ bitum trên bột khoáng giảm, đến lúc lượng nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng.

Các hạt này sẽ tiếp xúc với nhau qua một màng mỏng bitum có định hướng (khoảng 0,25 m); lúc này cấu trúc tế vi đạt cường độ cao nhất thể hiện ở khu vực II của đồ thị. Nếu tiếp tục tăng lượng bột khoáng lên nữa, bitum sẽ không đủ để tạo màng bọc khắp các hạt; cấu trúc tế vi sẽ tăng lỗ rỗng, các hạt không liên kết được với nhau, cường độ sẽ giảm nhanh thể hiện ở khu vực III của đồ thị. Ảnh hưởng của tỷ lệ [bitum/bột khoáng] đến cường độ nén của bê tông nhựa [6] o Xét về cấu trúc trung gian vữa asphalt (vữa nhựa) gồm mastic asphalt và các hạt cốt liệu mịn nó tương tự như thành phần vữa của bê tông xi măng. Giống như vữa xi măng, vữa nhựa sẽ lấp vào lỗ rỗng trong các hạt cốt liệu lớn.

Thành phần vữa nhựa bị biến dạng dưới tác dụng của tải trọng ở nhiệt độ cao và xuất hiện các vết nứt khi chịu tác dụng của tải trọng lặp ở nhiệt độ trung bình bởi vì mastic là một thành phần của cấp độ này. Cấu trúc trung gian cũng ảnh hưởng khá lớn đến cường độ, độ biến dạng, độ chặt và các tính chất khác của bê tông nhựa [53]. o Xét về cấu trúc vĩ mô, bê tông nhựa có thể được xem gồm 2 thành phần cơ bản là khung cốt liệu thô và vữa nhựa (xem Hình 1.4) 8 Bê tông nhựa Vữa nhựa (cốt liệu mịn Cốt liệu thô + bột khoáng + nhựa Hình 1. Thành phần vữa nhựa và cốt liệu thô trong hỗn hợp bê tông nhựa Tỉ lệ phối hợp giữa cốt liệu thô với vữa nhựa sẽ tạo ra bê tông nhựa có cấu trúc khung, cấu trúc bán khung hoặc cấu trúc không có khung [11]: - Cấu trúc có khung (khung rỗng và khung chặt): Thể tích của vữa asphalt bao gồm hỗn hợp của cát, bột khoáng và bitum không vượt quá thể tích rỗng của đá dăm và kích cỡ của các hạt cát không lớn hơn kích thước của các lỗ rỗng trong bộ khung đá dăm (có thể không dùng những hạt có kích cỡ từ 5- 0.

Như vậy, các hạt cốt liệu không dễ chuyển động trong vữa asphalt và tiếp xúc với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua lớp màng cứng bitum tạo cấu trúc. Sự có mặt các khung cứng không gian làm tăng độ ổn định động của lớp phủ mặt đường. Lực tác dụng được truyền qua các hạt cốt liệu thô. Điển hình cho loại cấu trúc này là loại bê tông nhựa SMA hoặc bê tông nhựa rỗng Porous asphalt.

- Cấu trúc bán khung: Thể tích của vữa asphalt lớn hơn thể tích của lỗ rỗng của các hạt cốt liệu thô nhưng không nhiều. Khi đó một phần các hạt cốt liệu thô tiếp xúc với nhau, phần còn lại không tiếp xúc với nhau mà bị ngăn cách bởi vữa nhựa. lực tác dụng được truyền qua cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn. Điển hình cho cấu trúc bán khung là hỗn hợp bê tông nhựa chặt.

- Cấu trúc không có khung: Thể tích của vữa asphalt lớn hơn nhiều so với thể tích lỗ rỗng của cốt liệu lớn. Các hạt cốt liệu thô chỉ như các hạt trơ bơi trong vữa asphalt, các hạt đá dăm nằm cách xa nhau bởi các lớp vữa asphalt dày. Trong trường hợp này, kích cỡ, tính chất bề mặt của đá dăm, hình dạng của chúng không có ảnh hưởng gì lớn đến tính chất của bê tông nhựa. Lực tác dụng được truyền chủ yếu thông qua thành phần vữa nhựa.

Điển hình cho loại này là bê tông nhựa đúc – Mastic asphalt. Cấu trúc có khung chặt b. Cấu trúc có khung rỗng c. Cấu trúc bán khung d.

Cấu trúc không có khung Hình 1. Cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa Hình 1. Ảnh hưởng của hàm lượng đá dăm đến cường độ nén của bê tông nhựa [6] 10 1. Biến dạng không hồi phục và các hư hỏng có liên quan đến biến dạng không hồi phục của mặt đường bê tông nhựa Biến dạng không hồi phục là hiện tượng tích lũy biến dạng dưới sự tác dụng của tải trọng.

Biến dạng không hồi phục của hỗn hợp bê tông nhựa thường gây ra hiện tượng hư hỏng lún vệt bánh xe trên mặt đường. Lún vệt bánh xe (LVBX) là hiện tượng trên mặt đường xuất hiện các vết lõm chạy dọc theo vệt bánh xe. Có 3 dạng LVBX đó là: LVBX do BTN bị chảy dẻo (Instability Rutting); LVBX do kết cấu (Structuring Rutting) và LVBX tại lớp mặt bê tông nhựa (Surface/Wearing Rutting) [29]. Ứng với mỗi dạng LVBX có các nguyên nhân đặc thù được phân tích dưới đây.

Lún vệt bánh xe do BTN bị chảy dẻo (Instability Rutting) LVBX do bê tông nhựa bị chảy dẻo có đặc điểm sau: Biến dạng (lún) xuất hiện trên tại vệt bánh xe trên phạm vi hẹp, hình thành các mô dồn (trồi) dọc 2 bên vệt bánh xe. Điển hình của LVBX do BTN bị chảy dẻo được thể hiện tại Hình 1. M« dån M« dån C¾t C¾t MÆt ®−êng ban ®Çu C¾t C¸c líp mÆt BTN C¸c líp mãng NÒn ®−êng Hình 1. Lún vệt bánh xe do bê tông nhựa bị chảy dẻo [29] Nguyên nhân gây ra LVBX là do BTN “yếu”, không đủ cường độ kháng cắt để chống lại ứng suất cắt do tải trọng bánh xe gây ra trong lớp BTN.

LVBX do BTN bị chảy dẻo thường xảy ra do hỗn hợp BTN mặt đường không đảm bảo chất lượng hoặc do hỗn hợp BTN thiết kế không chịu được tải trọng xe nặng, lưu 11 lượng xe lớn; hoặc do hỗn hợp BTN được thiết kế không phù hợp với các đoạn đường có tốc độ lưu thông hạn chế (đoạn đường xe chạy chậm, dừng đỗ, ùn tắc). LVBX do bê tông nhựa bị chảy dẻo thường xuất hiện vào mùa nóng khi nhiệt độ mặt đường cao, và thường xuất hiện sớm ngay sau một vài tháng khi thông xe hoặc sau một hai năm đưa đường vào khai thác. Lún vệt bánh xe do kết cấu ( Strutural Rutting) LVBX do kết cấu có đặc điểm sau: biến dạng (lún) xuất hiện tại vệt bánh xe trên phạm vi rộng và không hình thành các mô dồn (trồi) dọc theo vệt bánh xe.