Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng của tính chất bitum đến mô đun động trong bê tông nhựa chặt tại Việt Nam

Luận án tiến sĩ phân tích ảnh hưởng tính chất bitum đến mô đun động của bê tông nhựa chặt tại Việt Nam, ứng dụng trong xây dựng đường bộ.

• Tác giả: Nguyễn Như Hải
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Phúc
• 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 tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích tính chất bitum và ảnh hưởng của nó đến mô đun động của bê tông nhựa chặt tại Việt Nam. Tính chất bitum bao gồm độ nhớt, độ dính, và khả năng chịu tải, tất cả đều có tác động lớn đến hiệu suất của bê tông nhựa. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng mô đun cắt động của bitum có thể được xác định thông qua các phương pháp như DSR (Dynamic Shear Rheometer) và DMA (Dynamic Mechanical Analyzer). Việc xác định chính xác mô đun cắt động là rất quan trọng để dự đoán hành vi của bê tông nhựa dưới tải trọng. Theo nghiên cứu, mô đun động của bê tông nhựa có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tính chất vật liệu bitum, nhiệt độ, và tần số tác động của tải trọng. Điều này cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu sâu hơn về mối quan hệ giữa tính chất bitum và mô đun động của bê tông nhựa.

1.1. Tính chất của bitum

Bitum là một loại vật liệu phức tạp, có nhiều tính chất vật lý và hóa học quan trọng. Đặc tính bitum như độ nhớt, độ dính, và khả năng chịu nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của bê tông nhựa. Nghiên cứu cho thấy rằng tính chất cơ học của bitum có thể thay đổi theo nhiệt độ và thời gian, điều này có thể dẫn đến sự thay đổi trong mô đun động của bê tông nhựa. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng mô đun cắt động của bitum có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các phụ gia hoặc thay đổi quy trình sản xuất. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc tối ưu hóa tính chất bitum nhằm nâng cao hiệu suất của bê tông nhựa.

1.2. Mô đun cắt động của bitum

Mô đun cắt động của bitum, ký hiệu là |G*|, là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu tải của bitum. Việc xác định |G*| có thể thực hiện thông qua các thiết bị như DSR và DMA. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng |G*| có mối quan hệ chặt chẽ với mô đun động của bê tông nhựa. Khi tính chất bitum thay đổi, |G*| cũng sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi trong mô đun động của bê tông nhựa. Điều này cho thấy rằng việc nghiên cứu và hiểu rõ về |G*| là rất cần thiết để cải thiện chất lượng và độ bền của bê tông nhựa.

II. Nghiên cứu thực nghiệm và đề xuất sử dụng mô hình 2S2P1D

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện nhằm xác định mô đun cắt động và góc pha của một số loại bitum tại Việt Nam. Mô hình 2S2P1D được áp dụng để xây dựng đường cong chủ cho |G*| và góc pha (δb) của bitum. Kết quả cho thấy mô hình này có khả năng dự đoán chính xác mô đun cắt động của bitum trong các điều kiện khác nhau. Việc sử dụng mô hình 2S2P1D giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và thi công bê tông nhựa, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của mặt đường. Các thí nghiệm cho thấy rằng tính chất bitum có thể được cải thiện thông qua việc điều chỉnh các thông số trong mô hình, từ đó ảnh hưởng tích cực đến mô đun động của bê tông nhựa.

2.1. Lựa chọn vật liệu bitum

Việc lựa chọn vật liệu bitum là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này. Các loại bitum khác nhau có tính chất vật liệu khác nhau, ảnh hưởng đến mô đun động của bê tông nhựa. Nghiên cứu đã tiến hành phân tích các chỉ tiêu vật lý của các loại bitum, từ đó lựa chọn loại bitum phù hợp nhất cho thí nghiệm. Kết quả cho thấy rằng bitum có độ nhớt cao thường cho mô đun động tốt hơn, giúp cải thiện khả năng chịu tải của mặt đường. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn đúng loại bitum trong thiết kế và thi công mặt đường.

2.2. Xác định mô đun cắt động và góc pha của bitum

Quá trình xác định |G*| và góc pha (δb) của bitum được thực hiện thông qua các thí nghiệm tại các nhiệt độ và tần số khác nhau. Kết quả cho thấy rằng |G*| có xu hướng tăng khi nhiệt độ giảm, điều này cho thấy bitum trở nên cứng hơn ở nhiệt độ thấp. Các thí nghiệm cũng chỉ ra rằng góc pha (δb) có thể thay đổi tùy thuộc vào tính chất bitum và điều kiện thí nghiệm. Việc hiểu rõ về mối quan hệ giữa |G*| và δb là rất quan trọng để dự đoán hành vi của bê tông nhựa dưới tải trọng, từ đó cải thiện thiết kế mặt đường.

III. Nghiên cứu mối quan hệ giữa tính chất của bitum và mô đun động của bê tông nhựa chặt

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích mối quan hệ giữa tính chất bitum và mô đun động của bê tông nhựa chặt. Các thí nghiệm thực nghiệm cho thấy rằng mô đun động của bê tông nhựa chặt có sự tương quan chặt chẽ với |G*| của bitum. Khi tính chất bitum được cải thiện, mô đun động của bê tông nhựa cũng tăng lên, dẫn đến khả năng chịu tải tốt hơn. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa tính chất bitum là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất của bê tông nhựa. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các yếu tố như nhiệt độ và tần số tác động của tải trọng có ảnh hưởng lớn đến mối quan hệ này.

3.1. Các nghiên cứu trước đây

Nhiều nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tính chất bitum có ảnh hưởng lớn đến mô đun động của bê tông nhựa. Các nghiên cứu của tập đoàn Shell và Viện Asphalt Hoa Kỳ đã cung cấp nhiều thông tin quý giá về mối quan hệ này. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc cải thiện tính chất bitum có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong mô đun động của bê tông nhựa. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu sâu hơn về mối quan hệ giữa tính chất bitum và mô đun động của bê tông nhựa.

3.2. Phân tích độ nhạy

Phân tích độ nhạy được thực hiện để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến mô đun động của bê tông nhựa. Kết quả cho thấy rằng tính chất bitum là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Các yếu tố khác như thành phần hạt, hình dạng hạt, và độ rỗng dư cũng có ảnh hưởng đáng kể đến mô đun động. Việc hiểu rõ về các yếu tố này sẽ giúp cải thiện thiết kế và thi công bê tông nhựa, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của mặt đường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Mô đun động của BTN (Dynamic modulus of Asphalt concrete, |E*|) và mô đun cắt động của bitum (|G*|) là hai thông số đầu vào rất quan trọng được sử dụng để phân tích kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp cơ học- thực nghiệm, còn được gọi tắt là phương pháp (ME). Phương pháp (ME) đã và đang được sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt đường ở Hoa Kỳ, Canada và được rất nhiều nước nghiên cứu áp dụng trong phân tích kết cấu mặt đường do đây là phương pháp tiên tiến có các ưu điểm vượt trội hơn các phương pháp thiết kế mặt đường khác như dự báo được ứng xử của kết cấu mặt đường theo các dạng hư hỏng thực tế như (hằn lún vệt bánh xe, nứt phân bố, nứt nhiệt, ….) dựa trên cơ sở của rất nhiều dữ liệu đầu vào gồm có điều kiện giao thông, điều kiện khí hậu/môi trường, vật liệu và sự ảnh hưởng của điều kiện khí hậu/môi trường tới chỉ tiêu cơ lý của vật liệu. Để có thể áp dụng phương pháp (ME) trong phân tích kết cấu mặt đường mềm thì với hỗn hợp BTN cần phải có giá trị mô đun động |E*|. Giá trị này có thể xác định bằng thực nghiệm hoặc sử dụng các phương trình tương quan thực nghiệm được phát triển bởi cả nhà khoa học của Hoa Kỳ theo tính chất của loại bitum sử dụng gồm có (độ nhớt của bitum, mô đun cắt động |G*| và góc pha trong thí nghiệm xác định |G*|.

Việc sử dụng giá trị |E*|, và |G*| là một tiến bộ trong khoa học vật liệu vì đã phản ánh đúng bản chất vật liệu bitum và BTN có tính đàn nhớt, điều mà các phương pháp thiết mặt đường khác trước kia và hiện nay chưa xem xét tới. Tuy nhiên, việc xác định |E*| bằng thực nghiệm đòi hỏi tốn nhiều thời gian và kinh phí, trong khi các mô hình dự báo |E*| theo tính chất của bitum sử dụng hay các phương trình dự báo ứng xử của kết cấu mặt đường theo các dạng hư hỏng thực tế của phương pháp (ME) được thiết lập trong điều kiện của Hoa Kỳ, vì vậy muốn sử dụng được ở Việt Nam cần có các nghiên cứu thực nghiệm để hiệu chỉnh lại các hệ số trong mô hình dự báo theo điều kiện vật liệu địa phương. Có thể nói |E*| là chỉ tiêu rất quan trọng của hỗn hợp BTN và đây cũng là thông số có mặt trong một số phương trình dự báo dạng hư hỏng của kết cấu mặt đường theo thời 2 gian của phương pháp (ME). Việc phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp (ME) của Hoa Kỳ đã khẳng định rằng |E*| có ảnh hưởng nhiều tới đặc trưng khai thác của kết cấu mặt đường mềm [59].

Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được một số mô hình dự báo |E*| theo tính chất của loại bitum sử dụng và một số thông số khác của hỗn hợp BTN, trong đó điển hình là các mô hình sau [65], [83]:  Mô hình Witczak đầu tiên (Original Witczak Equation).  Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak Equation).  Mô hình Hirsch (Hirsh model). Ngoài các mô hình trên, còn có một vài mô hình khác được nghiên cứu và xây dựng trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm ở Hoa Kỳ, như mô hình định luật các hỗn hợp tương đương (Law of mixtures parallel model, còn gọi là mô hình “Al-Khateeb Model”, mô hình Idaho (Abdo et al.

2009) … Trong phạm luận án chỉ tập trung nghiên cứu tính chất vật liệu bitum thông qua các chỉ tiêu |G*|, góc pha và hiệu chỉnh lại các hệ số trong ba mô hình được sử dụng phổ biến ở Hoa Kỳ (mô hình Witczak ban đầu, mô hình Witczak cải tiến và mô hình Hirsch). Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của luận án đã xác định được mô hình Witczak cải tiến (sau khi đã hiệu chỉnh các hệ số trong mô hình dự báo theo điều kiện vật liệu Việt Nam) có khả năng dự báo |E*| với độ chính xác cao nhất. Đây cũng là mô hình đang được sử dụng trong phần mềm thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp (ME) của Hoa Kỳ hiện nay. 2 Tính cần thiết của luận án Tới thời điểm hiện tại, việc thiết kế mặt đường mềm ở Việt Nam vẫn thực hiện theo các tiêu chuẩn truyền thống [9], [10], dẫn tới việc lựa chọn giải pháp thiết kế mặt đường mềm chưa phù hợp, tuổi thọ mặt đường thấp.

Nhận rõ đây là vấn đề còn hạn chế về tiêu chuẩn thiết kế mặt đường mềm hiện hành. Năm 2017, Bộ giao thông vận tải đã triển khai đề tài cấp bộ [16] và trên cơ sở nghiên cứu đã khẳng định rằng có thể áp dụng 3 phương pháp (ME) vào điều kiện Việt Nam nhưng phải có các nghiên cứu để “Địa phương hóa các thông số đầu vào” theo phương pháp thiết kế (ME) theo điều kiện Việt Nam. Do vậy, việc từng bước nghiên cứu để địa phương hóa các thông số đầu vào để có thể áp dụng phương pháp thiết kế mặt đường theo (ME) theo điều kiện Việt Nam trong tương lai là rất cần thiết để nâng cao chất lượng công trình đường bộ ở Việt Nam. 3 Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là xác định được mô hình dự báo |E*| theo tính chất của loại bitum sử dụng theo điều kiện vật liệu của Việt Nam.

Để đạt được mục tiêu này, mục đích nghiên cứu của luận án sẽ là: − Hiểu rõ tính chất của các vật liệu thành phần của hỗn hợp BTN gồm mô đun cắt động |G*|, góc pha (δb), mô đun động của BTN (|E*|). − Hiểu rõ được các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun cắt động của bitum (|G*|, góc pha (δb), mô đun động của BTN (|E*|) và yếu tố nào có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị mô đun động của BTN. − Hiểu rõ được phương pháp xây dựng đường cong chủ của |G*|, góc pha (δb), mô đun động của BTN (|E*|) và việc đánh giá mức độ phù hợp của các mô hình xây dựng đường cong chủ (|G*|, góc pha (δb),|E*|) cho các loại bitum và BTN. − Hiểu rõ được các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ theo các mô hình Witczak, mô hình Hirsh và cách đánh giá mức độ phù hợp của các mô hình dự báo này theo tiêu chuẩn thống kê.

− Xác định được mô hình dự báo |E*| trong ba mô hình của Hoa Kỳ (các mô hình Witczak và mô hình Hirsch) có khả năng dự báo |E*| với độ chính xác cao nhất theo tiêu chuẩn thống kê theo điều kiện vật liệu của Việt Nam. 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Việc nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của BTNC ở Việt Nam đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và kính phí. Do vậy, trong phạm vi luận án chỉ tiến hành nghiên cứu các chỉ tiêu cơ học (|G*| và góc pha) của vật liệu bitum đang sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay và có xét tới nhu cầu sử dụng vật liệu bitum có độ quánh cao và bitum cải tiến polymer để nâng cao khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe 4 và tăng độ bền và tuổi thọ của mặt đường BTN. Cụ thể việc nghiên cứu sẽ tập chung nghiên cứu mô đun cắt động |G*| và góc pha của các loại bitum (60/70; 35/50; 40/50; PMBIII) và mô đun động |E*| của BTNC 12.5, BTNC19 sử dụng các loại cốt liệu được sản xuất từ đá vôi, đá bazan, đá granit, bột khoáng được sản xuất từ đá gốc là đá vôi.

Các yêu cầu về tiêu chuẩn vật liệu và cấp phối tuân thủ theo TCVN 8819: 2011 [2]. Điều kiện nhiệt độ lấy theo khí hậu của miền Bắc Việt Nam. 5 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: 5.1 Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của BTN, gồm có:  Nghiên cứu bản chất mô đun cắt động của bitum |G*|, mô đun động |E*| của BTN, và các yếu tố ảnh hưởng đến |G*|, góc pha của bitum, mô đun động của BTN (|E*|).  Phương pháp xác định |G*|, góc pha δb, |E*| và cách xây dựng đường cong chủ của |G*|, δb, |E*|.

Các mối quan hệ tương quan thực nghiệm giữa |E*| với (|G*|, góc pha δb, độ nhớt (η))của bitum đã được công bố trên thế giới.2 Nghiên cứu thực nghiệm Việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định được các giá trị |G*|, δb , |E*| cho các vật liệu bitum và các hỗn hợp BTNC ở Việt Nam. Sau đó sử dụng các kết quả thực nghiệm để xây dựng mối quan hệ tương quan giữa |E*| - (|G*|,δb, η), đánh giá mức độ phù hợp của mô hình dự báo theo tiêu chuẩn thống kê, hiệu chỉnh lại các hệ số để đảm bảo mô hình dự báo có khả năng dự báo |E*| có độ chính xác cao theo điều kiện vật liệu của Việt Nam. 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài  Luận án đã phân tích được cơ sở khoa học của các thông số bê tông nhựa sử dụng 5 trong phương pháp cơ học thực nghiệm, đã chứng tỏ có thể sử dụng phương pháp hiện đại này để thiết kế kết cấu mặt đường ở Việt Nam;  Điểm mới của luận án là đã xây dựng được mối quan hệ thực nghiệm giữa tính chất của bitum và giá trị mô đun động của BTNC theo điều kiện của Việt Nam phục vụ việc dự báo |E*| theo tính chất của vật liệu bitum (|G*| và góc pha) và các chỉ tiêu thiết kế của hỗn hợp BTN để áp dụng cho thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp (ME) ở Việt Nam trong tương lai.  Luận án đã xác định được tính chất vật liệu bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị mô đun động của BTNC, giá trị |E*| có ảnh hưởng nhiều tới dạng hư hỏng lún vệt bánh xe để từ đó có giải pháp kiểm soát nhằm nâng cao chất lượng công trình.

 Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo tốt về mặt phương pháp luận trong lĩnh vực cơ học nền-mặt đường ô tô.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài  Luận án đã đề xuất được các chỉ tiêu kỹ thuật của các loại bitum điển hình theo cấp đặc tính khai thác (PG) cho các loại bitum ở Việt Nam.