Tổng quan luận án

Biến dạng không hồi phục dưới dạng hằn lún vệt bánh xe là một trong những hư hỏng phổ biến và nghiêm trọng nhất trên các tuyến đường ô tô cấp cao, đường đô thị và đường cao tốc sử dụng mặt đường bê tông nhựa tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Dưới tác động đồng thời của sự gia tăng lưu lượng phương tiện, tải trọng trục nặng và điều kiện khí hậu nhiệt đới với nhiệt độ mặt đường cao vào mùa nóng, lớp bê tông nhựa bị suy giảm cường độ kháng cắt, dẫn đến hiện tượng biến dạng chảy dẻo tích lũy. Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết cơ học vật liệu đã chỉ ra rằng thành phần cấp phối cốt liệu và sự hình thành của khung cốt liệu thô đóng vai trò quyết định trong việc tạo ma sát trong, chèn móc cơ học và nâng cao khả năng chịu lực cắt của hỗn hợp.

Tuy nhiên, tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào việc điều chỉnh đường cong cấp phối trong phạm vi quy định của miền cấp phối thô hoặc sử dụng các loại nhựa đường cải thiện, phụ gia phân tán mà chưa đi sâu vào việc định lượng, thiết kế cấu trúc khung cốt liệu thô cũng như chưa ứng dụng kỹ thuật phân tích hình ảnh số để đánh giá sự tiếp xúc nội tại giữa các hạt cốt liệu. Xuất phát từ thực tế đó, tác giả Đỗ Vương Vinh đã thực hiện luận án tiến sĩ kỹ thuật với 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".

Luận án được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông vận tải, thuộc ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông (Mã số: 9.05), chuyên ngành Xây dựng đường ôtô và đường thành phố, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Trần Thị Kim Đăng và PGS.TS. Nguyễn Hữu Trí.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế thành phần cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa chặt có xét đến việc hình thành khung cốt liệu thô chịu lực dựa trên nguyên lý phương pháp Bailey.
  2. Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu và hàm lượng cốt liệu thô tạo khung đến các chỉ tiêu biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng thông qua thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe (Wheel Tracking) và thí nghiệm từ biến tĩnh (Static Creep Test).
  3. Ứng dụng công nghệ xử lý và phân tích ảnh số kỹ thuật số (DIP) bằng phần mềm IPAS-2 để xác định các thông số cấu trúc không gian nội tại (chỉ số cấu trúc ISI, số điểm tiếp xúc, chiều dài tiếp xúc) và thiết lập mối quan hệ định lượng giữa các chỉ tiêu cấu trúc này với khả năng chống biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bê tông nhựa nóng sử dụng trong kết cấu mặt đường ô tô tại Việt Nam, cụ thể là hỗn hợp bê tông nhựa chặt có kích cỡ hạt lớn nhất danh định 12,5 mm (BTNC 12,5).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTNC 12,5 sử dụng chất liên kết nhựa đường 60/70 kết hợp với 2 nguồn cốt liệu đá dăm phổ biến tại miền Bắc Việt Nam (mỏ Thống Nhất - Hải Dương và mỏ Sunway - Hà Nội); các đặc tính cơ học được đánh giá qua thí nghiệm vệt hằn bánh xe ngập nước ở 50 °C và thí nghiệm từ biến ở 30 °C và 60 °C với mức áp lực 200 kPa; phân tích cấu trúc vĩ mô bằng phương pháp xử lý ảnh 2D trên phần mềm IPAS-2.
Thông tin tổng quan Nội dung chi tiết
Tên 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
Nghiên cứu sinh Đỗ Vương Vinh
Người hướng dẫn 1. PGS.TS. Trần Thị Kim Đăng
2. PGS.TS. Nguyễn Hữu Trí
Cơ sở đào tạo Trường Đại học Giao thông vận tải
Ngành / Chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông (Mã số: 9.05) / Xây dựng đường ôtô và đường thành phố
Năm hoàn thành 2021
Địa điểm bảo vệ Hà Nội

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế theo ba nhóm vấn đề chính: cơ chế biến dạng không hồi phục, ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu đến khả năng kháng lún, và phương pháp phân tích ảnh xác định cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa.

Các nghiên cứu quốc tế về biến dạng không hồi phục và cấp phối cốt liệu

Nghiên cứu của Eisenmann và Hilmer (1987) đã chứng minh rằng hằn lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa chủ yếu phát sinh do biến dạng chảy dẻo cắt trượt với thể tích không đổi của lớp vật liệu, trong đó giai đoạn đầu chịu ảnh hưởng của đầm nén thứ cấp nhưng phần lớn thời gian khai thác bị chi phối bởi sự dịch chuyển ngang của hỗn hợp bê tông nhựa. Khảo sát thực nghiệm diện rộng của Brown và Cross (1987) tại Hoa Kỳ trên các tuyến đường thuộc nhiều vùng khí hậu khẳng định lún vệt bánh xe xuất hiện chủ yếu trong phạm vi 75 mm đến 100 mm của tầng mặt bê tông nhựa phía trên, trong khi biến dạng tích lũy tại các lớp móng là không đáng kể. Báo cáo chương trình COST 333 tại Châu Âu cũng xác nhận lún trong lớp bê tông nhựa là dạng hư hỏng mặt đường chiếm tỷ lệ cao nhất.

Về ảnh hưởng của đặc tính cốt liệu, Uge và Van de Loo (1974) chỉ ra rằng cốt liệu có bề mặt góc cạnh thô ráp do nghiền giúp tăng cường độ ổn định và giảm biến dạng từ biến so với cốt liệu sỏi cuội tròn cạnh; đặc biệt việc sử dụng cát nghiền làm cốt liệu mịn trung gian cải thiện rõ rệt khả năng chống biến dạng của hỗn hợp. Carpenter và Enockson (1987) qua đánh giá 32 dự án tại bang Illinois (Hoa Kỳ) kết luận thành phần hạt cốt liệu là nguyên nhân chính tạo nên vệt hằn bánh xe. Các nghiên cứu của Ahlrich (1996) và Stakston (2003) khẳng định đặc tính cốt liệu là yếu tố nhạy cảm nhất đối với hiện tượng lún vệt bánh xe, ngay cả khi sử dụng các thành phần vật liệu tốt nhưng cấp phối không hợp lý thì hỗn hợp vẫn bị lún.

Jung (1998) phân tích 3 cơ chế dẫn đến biến dạng không hồi phục: giảm ma sát giữa các hạt cốt liệu bọc màng nhựa, mất mát chèn móc cơ học giữa các hạt, và suy giảm dính bám giữa cốt liệu với chất liên kết. Chen (1990) nhấn mạnh cường độ kháng cắt của bê tông nhựa gia tăng khi có sự tiếp xúc và chèn móc trực tiếp của khung đá dăm. Để chủ động tạo khung chịu lực, Robert Bailey đã phát triển phương pháp thiết kế cấp phối Bailey tại bang Illinois (Hoa Kỳ), dựa trên nguyên lý thể tích và tương quan hình học giữa các hạt cốt liệu thô tạo khung và cốt liệu mịn nêm chèn.

Các nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về biến dạng không hồi phục tập trung vào việc sử dụng vật liệu cải tiến hoặc khảo sát cấp phối theo quy trình hiện hành:

  • Vũ Phương Thảo (2015) nghiên cứu cải thiện khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa sử dụng cốt sợi thủy tinh phân tán.
  • Bùi Ngọc Hưng (2016) khảo sát ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu (rất thô, thô vừa, thô ít theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT), nguồn gốc đá (bazan, đá vôi) và loại nhựa đường (60/70, 40/50, PMBIII) đối với BTNC 12,5 và BTNC 19, cho thấy cấp phối rất thô đạt khả năng kháng lún cao nhất nhưng khả năng kháng mỏi giảm.
  • Trần Danh Hợi (2018) bước đầu ứng dụng phương pháp Bailey để thiết kế thành phần cấp phối cho hỗn hợp đá - nhựa nóng cường độ cao cỡ hạt lớn 25 mm và 31,5 mm.
  • Trần Thị Cẩm Hà (2019) nghiên cứu cải thiện khả năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa sử dụng chất liên kết bitum Epoxy.

Các nghiên cứu về phương pháp xử lý và phân tích hình ảnh (DIP)

Nghiên cứu cấu trúc hỗn hợp bằng phân tích ảnh số được phát triển từ công trình của Yue và cộng sự (1995) với phần mềm Picture Publisher 4.0 để đo đạc thủ công các chỉ tiêu hình học hạt. Masad và cộng sự (1998, 1999) tự động hóa quy trình, kết hợp chụp cắt lớp vi tính (X-ray CT) và ảnh chụp kỹ thuật số để phân tích hướng hạt và bước đầu xác định số tiếp xúc. Tashman và cộng sự (2001) ứng dụng ngôn ngữ IPBasic phân tích cấu trúc mẫu đầm xoay Superpave và mẫu hiện trường. Zelew và Papagiannakis (2008, 2009) xây dựng thuật toán phân đoạn hình ảnh trên nền tảng MATLAB. Coenen và cộng sự (2012) phát triển hệ thống phần mềm IPAS, sau đó được Sefidmazgi và cộng sự nâng cấp thành phần mềm IPAS-2, bổ sung các chỉ số chiều dài tiếp xúc, hướng tiếp xúc và chỉ số cấu trúc ISI liên hệ trực tiếp với chỉ số Flow Number (FN) và độ sâu lún vệt bánh xe. Shaheen và cộng sự (2013) cùng Jiang và cộng sự (2017) tiếp tục khẳng định mối tương quan cao giữa các thông số tiếp xúc hạt với khả năng kháng lún.

Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án

Mặc dù các nghiên cứu trong nước đã quan tâm đến mức độ thô của cấp phối, nhưng chưa có công trình nào nghiên cứu một cách có hệ thống về cơ chế hình thành khung cốt liệu thô cho bê tông nhựa chặt quy ước (BTNC 12,5), chưa định lượng ranh giới thể tích để tạo khung chịu lực tối ưu, và hoàn toàn chưa có công trình nào tại Việt Nam ứng dụng phương pháp phân tích ảnh số (phần mềm IPAS-2) để giải mã cấu trúc tiếp xúc cốt liệu nội tại và thiết lập tương quan với các đặc tính biến dạng cơ học thực nghiệm. Luận án của Đỗ Vương Vinh được thực hiện nhằm giải quyết trọn vẹn khoảng trống khoa học này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình cấu trúc vật liệu

Luận án tiếp cận bản chất của bê tông nhựa nóng theo quan điểm cấu trúc hệ thống ba cấu tử:

  1. Cấu trúc vi mô (tế vi): Hỗn hợp giữa chất kết dính nhựa đường (bitum) và bột khoáng tạo thành chất liên kết asphalt (mastic asphalt). Tỷ lệ bitum/bột khoáng (B/BK) quyết định chiều dày màng nhựa định hướng bao bọc hạt khoáng (khoảng 0,25 $\mu$m cho cường độ tối ưu).
  2. Cấu trúc trung gian: Hỗn hợp giữa vữa asphalt (mastic) và cốt liệu mịn (cát) tạo thành vữa nhựa, đóng vai trò chèn lấp lỗ rỗng giữa các viên đá dăm lớn và truyền lực cục bộ.
  3. Cấu trúc vĩ mô: Sự kết hợp giữa khung cốt liệu thô (đá dăm) và vữa nhựa. Tùy thuộc vào tỷ lệ thể tích giữa vữa nhựa và độ rỗng của khung đá dăm, cấu trúc vĩ mô phân thành: cấu trúc có khung (khung rỗng, khung chặt như SMA, OGFC), cấu trúc bán khung (điển hình của bê tông nhựa chặt BTNC), và cấu trúc không có khung (bê tông nhựa đúc Mastic asphalt).

Nguyên lý hình thành cường độ kháng cắt của bê tông nhựa được mô tả qua phương trình Mohr-Coulomb: $\tau = C + \sigma \cdot \tan\varphi$, trong đó lực dính bám $C$ chủ yếu do màng nhựa và vữa asphalt đảm nhận, còn góc ma sát trong $\varphi$ phụ thuộc chủ yếu vào sự tiếp xúc, chèn móc cơ học và độ góc cạnh của khung cốt liệu thô.

Cơ sở phương pháp thiết kế cấp phối Bailey

Phương pháp Bailey thiết kế cấp phối dựa trên sự phối hợp thể tích cốt liệu, phân chia ranh giới giữa cốt liệu thô và cốt liệu mịn dựa trên tỷ lệ đường kính hạt nêm chèn và hạt tạo khung (tỷ lệ 0,22 đối với hạt tròn hoàn toàn và nâng dần khi hạt có mặt phẳng nghiền). Các thông số cơ bản gồm:

  • Cỡ sàng kiểm soát: Cỡ sàng kiểm soát chính (PCS - Primary Control Sieve) phân định cốt liệu thô và mịn; Cỡ sàng kiểm soát cấp hai (SCS); Cỡ sàng kiểm soát cấp ba (TCS); Cỡ sàng giữa (HS - Half Sieve).
  • Khối lượng thể tích cốt liệu thô: Khối lượng thể tích ở trạng thái rời (CA LUW - Loose Unit Weight), Khối lượng thể tích ở trạng thái đầm nén (CA RUW - Rodded Unit Weight), và Khối lượng thể tích thiết kế lựa chọn (CA CUW - Chosen Unit Weight). Việc điều chỉnh CA CUW cho phép kiểm soát mức độ tiếp xúc giữa các hạt thô để tạo ra khung cốt liệu có độ đặc chắc mong muốn.
  • Các tỷ số đánh giá: Tỷ số cốt liệu thô (CA ratio), tỷ số cốt liệu mịn hạt thô ($FA_c$ ratio), và tỷ số cốt liệu mịn hạt mịn ($FA_f$ ratio).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích dữ liệu

  1. Phương pháp chế tạo mẫu và thiết kế thành phần: Sử dụng phương pháp đầm xoay Superpave và phương pháp đầm lăn để chế tạo các mẫu tấm và mẫu trụ; xác định hàm lượng nhựa tối ưu theo phương pháp Marshall và quy trình Superpave.
  2. Phương pháp thí nghiệm cơ học đánh giá biến dạng không hồi phục:
    • Thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe (Wheel Tracking Test): Thực hiện theo Phương pháp A của Quyết định 1617/QĐ-BGTVT (môi trường nước ở nhiệt độ 50 °C, tải trọng bánh xe thép 700 N, chiều rộng vành bánh 47 mm, tần số chuyển động 25 chu kỳ/phút, tốc độ 340 mm/s, gia tải 20.000 lượt hoặc đến khi biến dạng đạt 20 mm).
    • Thí nghiệm từ biến tĩnh (Static Creep Test): Thực hiện trên mẫu trụ đường kính 100 mm, chiều cao 63,5 mm ở nhiệt độ 30 °C và 60 °C dưới cấp áp lực 200 kPa nhằm thu thập đường cong biến dạng theo thời gian, độ cứng từ biến, biến dạng tổng, biến dạng không hồi phục và độ dốc từ biến.
  3. Phương pháp xử lý và phân tích ảnh số (DIP): Cắt mẫu bê tông nhựa, quét bề mặt cắt, xử lý hình ảnh 2D thông qua phần mềm IPAS-2 xây dựng trên nền tảng MATLAB. Kỹ thuật này trích xuất tự động các chỉ tiêu: Chỉ số cấu trúc nội tại (ISI - Internal Structure Index), số điểm tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu thô, chiều dài tiếp xúc trung bình và góc xoay hướng tiếp xúc.
  4. Phương pháp xử lý thống kê: Phân tích phương sai ANOVA để đánh giá ý nghĩa thống kê của các biến số công nghệ; sử dụng biểu đồ Pareto để xác định các yếu tố ảnh hưởng chủ đạo và đánh giá độ chụm của các phép đo.

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 trình bày tổng quan toàn diện về lý luận vật liệu, cấu trúc ba pha và ba cấu tử của bê tông nhựa nóng, phân tích sâu các cơ chế phá hoại biến dạng không hồi phục trên mặt đường ô tô và hệ thống hóa các phương pháp đánh giá thực nghiệm.

Tác giả phân tích 3 dạng lún vệt bánh xe điển hình:

  • Lún do bê tông nhựa bị chảy dẻo (Instability Rutting): Xuất hiện tại vệt bánh xe trên phạm vi hẹp kèm theo các mô dồn trồi dọc hai bên vệt lún, phát sinh do lớp bê tông nhựa không đủ cường độ kháng cắt dưới nhiệt độ cao và tải trọng nặng.
  • Lún do kết cấu (Structural Rutting): Xuất hiện trên phạm vi rộng, không có mô dồn trồi, nguyên nhân do sự tích lũy biến dạng trong các lớp móng hoặc nền đất bên dưới.
  • Lún lớp mặt (Surface/Wear Rutting): Lún hẹp cục bộ không có mô dồn trồi, do hiện tượng đầm nén thứ cấp khi lớp mặt thi công chưa đạt độ chặt tối đa hoặc do mài mòn vật liệu.

Chương này cũng tổng hợp các thiết bị đánh giá biến dạng không hồi phục hiện đại trên thế giới: thiết bị nén 3 trục tải trọng lặp (sử dụng trong chương trình NCHRP 9-19), thiết bị hằn lún bánh xe Hamburg (HWTD), máy phân tích mặt đường asphalt APA, thiết bị French Rutting Tester (LCPC) và thiết bị PURWheel của Đại học Purdue.

Thiết bị thí nghiệm Dạng mẫu và kích thước Điều kiện tải trọng / Môi trường Tiêu chuẩn đánh giá điển hình
Hamburg Wheel-Tracking (HWTD) Tấm bản $320 \times 260 \times 40$ mm hoặc mẫu trụ tròn Bánh xe thép tải trọng 705 N, ngập nước $25 \div 70$ °C (chuẩn 50 °C) Chiều sâu lún $\le 10$ mm (hoặc $\le 12,5$ mm theo QĐ 1617) sau 20.000 lượt
Asphalt Pavement Analyzer (APA) Mẫu dầm hoặc mẫu trụ tròn đầm xoay Bánh xe nhôm 445 N đè lên ống nén khí 690 kPa; môi trường khô/nước $40 \div 64$ °C Đánh giá độ lún sau 8.000 chu kỳ gia tải
French Rutting Tester (FRT) Tấm bản $500 \times 180 \times (20 \div 100)$ mm Bánh lốp hơi 5000 N, áp lực 600 kPa, tần số 2 chu kỳ/s Chiều sâu lún $\le 10%$ chiều dày mẫu sau 30.000 chu kỳ
Purdue Wheel Tester (PURWheel) Tấm bản $310 \times 290 \times (38 \div 76)$ mm Bánh hơi 175 kg, áp lực tiếp xúc 620 kPa, tốc độ 332 mm/s; khô/nước Đánh giá chu kỳ đạt độ lún 12,7 mm và tỷ số nhạy cảm ẩm

Tổng kết chương 1, tác giả xác định mục tiêu trọng tâm là nghiên cứu thiết kế khung cốt liệu thô theo phương pháp Bailey, khảo sát thực nghiệm và ứng dụng xử lý ảnh số xác định cấu trúc nội tại của hỗn hợp.

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CẤP PHỐI CỐT LIỆU HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA CÓ XÉT ĐẾN HÌNH THÀNH KHUNG CỐT LIỆU THÔ

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết truyền ứng suất qua khung hạt và quy trình thiết kế cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa chặt có kích cỡ hạt lớn nhất danh định 12,5 mm (BTNC 12,5) ứng dụng phương pháp Bailey.

Các nội dung cốt lõi của chương bao gồm:

  1. Nguyên lý hình thành khung cốt liệu: Khi các hạt cốt liệu thô đạt trạng thái chèn móc trực tiếp, ứng suất nén và ứng suất cắt được truyền chủ yếu qua các điểm tiếp xúc giữa các viên đá dăm. Vữa nhựa đóng vai trò nêm chèn và liên kết mà không làm tách rời khung đá.
  2. Cơ sở hình học phân định hạt nêm chèn: Phân tích tỷ lệ đường kính hạt nêm chèn và hạt tạo khung theo 4 trường hợp hình học bề mặt hạt: các mặt tròn hoàn toàn (tỷ lệ 0,22), hai mặt tròn một mặt phẳng (0,29), một mặt tròn hai mặt phẳng (0,35), và các mặt đều phẳng nghiền (0,42).
  3. Quy trình thí nghiệm xác định thông số đầu vào:
    • Xác định khối lượng thể tích ở trạng thái rời (CA LUW) và đầm nén (CA RUW) của các phân đoạn cốt liệu thô và bột khoáng.
    • Lựa chọn tỷ lệ phần trăm khối lượng thể tích thiết kế (CA CUW) để điều khiển mức độ tạo khung thô.
    • Kiểm soát các tỷ số thành phần cấp phối cốt liệu: Tỷ số cốt liệu thô CA, tỷ số cốt liệu mịn $FA_c$ và $FA_f$.
  4. Thiết kế thực nghiệm cho 2 nguồn vật liệu: Luận án tiến hành tính toán và lựa chọn các thành phần cấp phối hạt cho hỗn hợp BTNC 12,5 từ 2 nguồn mỏ đá: mỏ Thống Nhất (Hải Dương) và mỏ Sunway (Hà Nội), thiết lập các đường cong cấp phối thực tế đáp ứng chặt chẽ các giới hạn tỷ số Bailey và tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CẤP PHỐI CỐT LIỆU VÀ KHUNG CỐT LIỆU THÔ ĐẾN BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

Chương 3 triển khai chương trình thực nghiệm chuyên sâu để đánh giá hành vi biến dạng không hồi phục của các hỗn hợp BTNC 12,5 có hàm lượng cốt liệu thô tạo khung khác nhau được thiết kế từ chương 2.

Nội dung và kết quả thực nghiệm chính:

  1. Kiểm tra cơ lý vật liệu thành phần: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu của nhựa đường 60/70, chỉ tiêu cơ lý của đá dăm và bột khoáng mỏ Thống Nhất và mỏ Sunway; xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho từng hỗn hợp.
  2. Thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe (Wheel Tracking):
    • Mẫu tấm kích thước $320 \times 260 \times 50$ mm được thí nghiệm trong môi trường nước ở 50 °C với 20.000 lượt gia tải.
    • Kết quả đo chiều sâu lún vệt bánh xe (LVBX) sau 20.000 chu kỳ cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các hỗn hợp có cấu trúc khung cốt liệu thô khác nhau.
    • Phân tích động học quá trình lún chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn 1 (đầm nén ban đầu) và giai đoạn 2 (biến dạng dẻo ổn định). Tốc độ lún ở giai đoạn 2 giảm đáng kể khi hàm lượng cốt liệu thô tạo khung tăng lên đúng ngưỡng thiết kế.
    • Phân tích phương sai ANOVA và biểu đồ Pareto xác nhận hàm lượng cốt liệu thô tạo khung và nguồn gốc cốt liệu là các biến số ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê cao nhất đến chiều sâu lún.
  3. Thí nghiệm từ biến tĩnh (Static Creep Test):
    • Thí nghiệm trên mẫu trụ ở 2 dải nhiệt độ 30 °C và 60 °C với áp lực 200 kPa.
    • Phân tích trích xuất 4 chỉ tiêu từ biến: Độ cứng từ biến ($S_c$), Biến dạng tổng ($\varepsilon_t$), Biến dạng không hồi phục ($\varepsilon_p$), và Độ dốc từ biến.
    • Ở nhiệt độ cao (60 °C), các hỗn hợp có khung cốt liệu thô vững chắc duy trì độ cứng từ biến cao hơn và tích lũy biến dạng không hồi phục thấp hơn rõ rệt so với các hỗn hợp cấp phối mịn hoặc thiếu khung chèn móc.

CHƯƠNG 4. CẤU TRÚC CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA VÀ KHẢ NĂNG CHỐNG BIẾN DẠNG KHÔNG HỒI PHỤC

Chương 4 ứng dụng phương pháp xử lý và phân tích ảnh số (Digital Image Processing - DIP) thông qua phần mềm IPAS-2 để lượng hóa cấu trúc không gian của hỗn hợp bê tông nhựa và thiết lập các hàm tương quan với các chỉ tiêu cơ học.

Nội dung và các phát hiện chính của chương:

  1. Quy trình chế bị và xử lý ảnh trên phần mềm IPAS-2:
    • Cắt mẫu bê tông nhựa đầm xoay thành các lát cắt phẳng, quét ảnh kỹ thuật số độ phân giải cao.
    • Chuyển đổi ảnh màu RGB sang ảnh xám và ma trận cường độ màu trong MATLAB, lọc nhiễu bằng bộ lọc trung vị (Median filter), phân đoạn hình ảnh (Segmentation) dựa trên ngưỡng thể tích để tách bạch ba pha: cốt liệu thô, vữa mastic và lỗ rỗng.
  2. Xác định các thông số cấu trúc cốt liệu:
    • Chỉ số cấu trúc nội tại (ISI - Internal Structure Index): Đại diện cho mật độ và chất lượng tiếp xúc tổng thể giữa các hạt cốt liệu thô.
    • Số lượng tiếp xúc (Number of Contact points): Tổng số điểm tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt đá dăm trên mặt cắt.
    • Chiều dài tiếp xúc (Contact Length): Tổng chiều dài các đường ranh giới tiếp xúc giữa các viên cốt liệu thô kế cận.
    • Góc xoay và hướng tiếp xúc: Phân bố hướng tiếp xúc theo phương ngang và hướng tâm.
  3. Tương quan giữa chỉ số cấu trúc và đặc tính biến dạng không hồi phục:
    • Luận án thiết lập mối quan hệ tương quan nghịch giữa chỉ số cấu trúc ISI, số điểm tiếp xúc và chiều dài tiếp xúc với chiều sâu lún vệt bánh xe tại 20.000 lượt gia tải. Hỗn hợp có chỉ số ISI và chiều dài tiếp xúc lớn cho độ sâu lún nhỏ.
    • Ở điều kiện nhiệt độ 60 °C, các chỉ tiêu cấu trúc nội tại thể hiện mối tương quan chặt chẽ với độ cứng từ biến, biến dạng tổng và biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa.

Kết quả và những đóng góp mới

Dựa trên toàn bộ kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm cơ học và phân tích cấu trúc hình ảnh số, luận án đã đạt được những đóng góp mới:

  1. Về mặt lý luận khoa học:
    • Làm sáng tỏ cơ chế truyền lực và vai trò của khung cốt liệu thô trong việc hình thành cường độ kháng cắt và ngăn chặn biến dạng chảy dẻo tích lũy của bê tông nhựa nóng trong điều kiện nhiệt độ cao tại Việt Nam.
    • Xác lập cơ sở khoa học cho việc ứng dụng phương pháp Bailey để thiết kế cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa chặt (BTNC 12,5), chuyển từ phương pháp phối trộn cấp phối theo kinh nghiệm sang phương pháp kiểm soát thể tích và tiếp xúc hạt.
  2. Về mặt thực tiễn và công nghệ:
    • Đề xuất quy trình thiết kế cấp phối có xét đến việc hình thành khung cốt liệu thô cho hỗn hợp BTNC 12,5 áp dụng đối với 2 nguồn cốt liệu đá dăm điển hình khu vực phía Bắc (mỏ Thống Nhất - Hải Dương và mỏ Sunway - Hà Nội) kết hợp nhựa đường 60/70.
    • Ứng dụng thành công hệ thống phần mềm phân tích ảnh IPAS-2 để định lượng hóa các thông số cấu trúc hình học (chỉ số cấu trúc ISI, số lượng tiếp xúc, chiều dài tiếp xúc) của mẫu bê tông nhựa trong phòng thí nghiệm.
    • Thiết lập mối quan hệ định lượng giữa các chỉ tiêu cấu trúc tiếp xúc xác định bằng phân tích ảnh với độ sâu lún vệt bánh xe (thí nghiệm Wheel Tracking ngập nước 50 °C) và các thông số từ biến ở 60 °C, mở ra khả năng dự báo sớm và sàng lọc sơ bộ chất lượng kháng lún của hỗn hợp bê tông nhựa thông qua xử lý ảnh số.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ các giới hạn trong phạm vi nghiên cứu và đề xuất các định hướng phát triển tiếp theo:

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào loại hỗn hợp bê tông nhựa chặt có kích cỡ hạt lớn nhất danh định 12,5 mm (BTNC 12,5) sử dụng mác nhựa đường thông thường 60/70; chưa mở rộng khảo sát trên các loại hỗn hợp có cỡ hạt lớn hơn (BTNC 19, BTNC 25) hoặc các loại nhựa đường cải thiện (PMB, nhựa đường biến tính).
  • Thực nghiệm kiểm chứng giới hạn trên hai nguồn vật liệu mỏ đá dăm tại khu vực phía Bắc (mỏ Thống Nhất và mỏ Sunway); chưa đánh giá đa dạng các nguồn đá dăm có nguồn gốc thạch học khác (như đá bazan Tây Nguyên, đá granite Nam Trung Bộ).
  • Phân tích hình ảnh cấu trúc mới dừng lại ở phân tích hình học phẳng 2D từ ảnh chụp bề mặt cắt mẫu, chưa thực hiện phân tích cấu trúc không gian ba chiều (3D) bằng công nghệ chụp cắt lớp vi tính công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng ứng dụng phương pháp thiết kế Bailey cho các loại bê tông nhựa có kích cỡ hạt danh định khác (BTNC 9,5; BTNC 19; BTNC 25) và các loại bê tông nhựa có cấu trúc đặc biệt (SMA, Porous Asphalt).
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của khung cốt liệu thô kết hợp với các loại chất liên kết cải thiện (nhựa đường polime, bitum cao su, phụ gia kháng hằn lún).
  • Phát triển kỹ thuật chụp cắt lớp vi tính 3D (X-ray CT) kết hợp mô phỏng phần tử rời rạc (DEM) để đánh giá chi tiết mạng lưới truyền ứng suất tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu dưới tác dụng của tải trọng động lặp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị cao trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình giao thông và vật liệu xây dựng đường bộ:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Công trình giao thông: Cung cấp tài liệu có hệ thống về cơ học biến dạng bê tông nhựa, nguyên lý thiết kế cấp phối Bailey, quy trình thí nghiệm Wheel Tracking, Static Creep và phương pháp luận ứng dụng xử lý ảnh số (MATLAB/IPAS-2) trong nghiên cứu vật liệu composite hạt.
  • Đối với giảng viên và các nhà khoa học: Là tài liệu tham khảo phục vụ giảng dạy các học phần chuyên sâu về Vật liệu mặt đường nâng cao, Thiết kế áo đường mềm, Thí nghiệm công trình và Cơ học môi trường rời rạc.
  • Đối với các kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và đơn vị thí nghiệm (LAS-XD): Cung cấp phương pháp thực hành thiết kế cấp phối bê tông nhựa chặt có khả năng kháng hằn lún cao, các bảng số liệu tra cứu tỷ số cốt liệu và quy trình kiểm soát chất lượng khung đá dăm tại các mỏ vật liệu thực tế.
  • Đối với cơ quan quản lý nhà nước ngành giao thông: Cung cấp cơ sở khoa học thực chứng để hoàn thiện các quy trình, tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế và thi công nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa nhằm giảm thiểu sự cố hằn lún vệt bánh xe trên mạng lưới đường bộ Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Ba dạng hằn lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa được phân biệt như thế nào trong luận án?

Theo luận án, có 3 dạng lún vệt bánh xe chính:

  • Lún do bê tông nhựa bị chảy dẻo (Instability Rutting): Biến dạng lún xuất hiện trên phạm vi hẹp kèm theo mô dồn trồi dọc hai bên vệt bánh xe, phát sinh do lớp bê tông nhựa không đủ cường độ kháng cắt dưới nhiệt độ cao và tải trọng lớn. Đây là dạng hư hỏng chủ yếu của mặt đường bê tông nhựa.
  • Lún do kết cấu (Structural Rutting): Biến dạng lún xuất hiện trên phạm vi rộng, không hình thành mô dồn trồi, do sự tích lũy biến dạng trong các lớp móng hoặc nền đường khi kết cấu không đủ khả năng chịu lực.
  • Lún lớp mặt (Surface/Wear Rutting): Biến dạng lún phạm vi hẹp không có mô dồn trồi, do hiện tượng đầm nén thứ cấp khi thi công không đủ độ chặt hoặc do mài mòn lớp mặt.

2. Nguyên lý phân định ranh giới cốt liệu thô và cốt liệu mịn trong phương pháp Bailey được xác định như thế nào?

Phương pháp Bailey phân định cốt liệu thô và mịn dựa trên tỷ lệ đường kính hạt nêm chèn so với hạt tạo khung. Tỷ lệ này biến đổi theo đặc điểm hình học của bề mặt hạt:

  • Đối với hạt có các mặt đều tròn (sỏi cuội tự nhiên), tỷ lệ phân định là 0,22.
  • Đối với hạt có 2 mặt tròn và 1 mặt phẳng, tỷ lệ là 0,29.
  • Đối với hạt có 1 mặt tròn và 2 mặt phẳng, tỷ lệ là 0,35.
  • Đối với hạt có các mặt đều phẳng (đá dăm nghiền hoàn toàn), tỷ lệ phân định đạt 0,42. Dựa trên tỷ lệ này và kích cỡ hạt lớn nhất danh định (NMPS), phương pháp xác định Cỡ sàng kiểm soát chính (PCS) để tách biệt pha tạo khung và pha nêm chèn.

3. Quy trình thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe (Phương pháp A theo Quyết định 1617/QĐ-BGTVT) được thực hiện với các thông số kỹ thuật nào?

Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu tấm đầm lăn kích thước $320 \times 260 \times 50$ mm (độ rỗng dư $7 \pm 2%$) trong môi trường nước ở nhiệt độ 50 °C. Tải trọng tác dụng là 700 N thông qua bánh xe thép rộng 47 mm. Bánh xe di chuyển tiến lùi trên mẫu với tần số $25 \pm 2,5$ chu kỳ/phút (tương đương $50 \pm 5$ lần/phút) với tốc độ khoảng 340 mm/s. Quá trình gia tải kéo dài 20.000 lượt (hoặc dừng khi độ lún đạt 20 mm). Tiêu chuẩn đánh giá chiều sâu lún vệt bánh xe đối với BTNC sau 20.000 lượt là $\le 12,5$ mm.

4. Phần mềm IPAS-2 xác định những chỉ tiêu cấu trúc cốt liệu nào của bê tông nhựa?

Phần mềm IPAS-2 xử lý ảnh kỹ thuật số mặt cắt mẫu bê tông nhựa và trích xuất các chỉ tiêu cấu trúc hình học nội tại gồm:

  • Chỉ số cấu trúc nội tại (ISI - Internal Structure Index): Đánh giá mật độ liên kết và sự tiếp xúc tổng thể của khung cốt liệu.
  • Số lượng điểm tiếp xúc (Number of Contacts): Tổng số vị trí tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt cốt liệu thô.
  • Chiều dài tiếp xúc (Contact Length): Tổng chiều dài của các đoạn ranh giới tiếp xúc giữa các viên đá dăm.
  • Hướng tiếp xúc và góc xoay của hạt cốt liệu: Đánh giá sự định hướng không gian và phân bố tiếp xúc theo phương ngang và phương hướng tâm.

5. Vai trò của tỷ lệ nhựa/bột khoáng (B/BK) trong cấu trúc vi mô của bê tông nhựa được giải thích ra sao?

Cấu trúc vi mô (mastic asphalt) gồm nhựa đường và bột khoáng. Khi lượng nhựa nhiều (tỷ lệ B/BK cao), màng nhựa bao bọc quá dày làm các hạt bột khoáng không tiếp xúc trực tiếp, dẫn đến cường độ thấp. Khi tăng bột khoáng đến tỷ lệ tối ưu, màng nhựa bao bọc mỏng và định hướng (khoảng 0,25 $\mu$m), cấu trúc vi mô đạt cường độ nén và độ ổn định nhiệt cao nhất. Nếu tiếp tục tăng bột khoáng quá mức, nhựa không đủ tạo màng bao bọc liên tục, làm tăng độ rỗng và làm suy giảm nhanh chóng cường độ của vữa liên kết.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Đỗ Vương Vinh đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao khả năng chống biến dạng không hồi phục của bê tông nhựa nóng thông qua việc kiểm soát sự hình thành khung cốt liệu thô theo phương pháp Bailey. Bằng sự kết hợp đồng bộ giữa cơ sở lý thuyết cấu trúc ba cấu tử, quy trình thực nghiệm cơ học chuyên sâu (vệt hằn bánh xe 50 °C và từ biến 60 °C) và kỹ thuật xử lý ảnh số hiện đại (phần mềm IPAS-2), luận án đã chứng minh định lượng vai trò của khung cốt liệu thô trong việc tăng cường độ kháng cắt và giảm tốc độ lún dẻo của hỗn hợp BTNC 12,5. Các kết quả và quy trình đề xuất có giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng góp thiết thực cho công tác thiết kế, kiểm soát chất lượng vật liệu mặt đường ô tô tại Việt Nam.