Tổng quan luận án

Mặt đường bê tông nhựa (BTN) là loại kết cấu phổ biến trên mạng lưới đường bộ tại Việt Nam. Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa đặc trưng bởi nền nhiệt độ cao, bức xạ mặt trời lớn và lượng mưa nhiều, kết hợp cùng sự gia tăng nhanh chóng của lưu lượng xe và các dòng xe tải trọng nặng, các lớp mặt đường BTN thông thường không sử dụng phụ gia thường bộc lộ nhiều dạng hư hỏng sớm. Phổ biến nhất trong số đó là hiện tượng lún vệt bánh xe (LVBX), biến dạng tích lũy vĩnh cửu ở nhiệt độ cao và nứt mỏi, nứt phản ánh ở nhiệt độ trung bình hoặc thấp. Thực trạng này khiến cho tuổi thọ khai thác thực tế của công trình không đạt thời hạn thiết kế ban đầu, làm tăng áp lực kinh phí bảo trì và sửa chữa định kỳ.

Để khắc phục các hạn chế trên, việc ứng dụng các loại phụ gia dạng sợi gia cường phân tán vào hỗn hợp BTN đã được quan tâm nghiên cứu. Trong các loại sợi vô cơ và hữu cơ, sợi bazan (basalt fiber) có nguồn gốc khoáng tự nhiên từ đá bazan núi lửa, sở hữu nhiều đặc tính cơ lý vượt trội như cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi lớn, độ bền nhiệt lên tới 1450°C, tính kháng hóa chất cao và mức độ thân thiện với môi trường. Đồng thời, giá thành của sợi bazan tương đối hợp lý khi so sánh với sợi carbon hay sợi thủy tinh cao cấp. Mặc dù vậy, tại Việt Nam, các nghiên cứu chuyên sâu về việc đưa sợi bazan vào hỗn hợp bê tông nhựa chặt (BTNC) vẫn còn là khoảng trống học thuật và thực tiễn, chưa được khảo sát đầy đủ từ bản chất vi cấu trúc đến các chỉ tiêu cơ học và ứng dụng kết cấu.

Luận án "Nghiên cứu bê tông nhựa mặt đường sử dụng sợi bazan phân tán trong điều kiện Việt Nam" do Nghiên cứu sinh Phùng Bá Nhân thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lý Hải Bằng và TS. Nguyễn Minh Khoa thuộc ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (Mã số: 9580205), hoàn thành năm 2024. Mục tiêu nghiên cứu tổng thể của luận án là đánh giá tính khả thi và hiệu quả kỹ thuật của hỗn hợp BTN sử dụng sợi bazan phân tán trong điều kiện khí hậu và tải trọng tại Việt Nam, cụ thể hóa qua 4 mục tiêu được đánh số trong văn bản:

  1. Nghiên cứu cơ chế liên kết và phân bố sợi bazan trong BTN, qua đó xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp BTN sử dụng sợi bazan;
  2. Thiết kế hỗn hợp BTN sử dụng sợi bazan với các hàm lượng khác nhau, so sánh với BTN đối chứng cùng thành phần thông qua các chỉ tiêu cơ lý của BTN;
  3. Ứng dụng các thuật toán học máy (Machine Learning - ML) để hỗ trợ thiết kế và dự báo một số tính chất cơ lý của BTN sử dụng sợi bazan;
  4. Đề xuất kết cấu áo đường mềm (KCAĐM) của BTN sử dụng sợi bazan cho một số tuyến đường ô tô tại Việt Nam, kiểm toán với các phương pháp và tiêu chuẩn hiện hành, xác định sơ bộ chi phí và hướng chế tạo BTN sử dụng sợi bazan ngoài trạm trộn.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hỗn hợp bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định 12,5 mm (BTNC 12,5) sử dụng sợi bazan ở các tỷ lệ hàm lượng khác nhau làm lớp mặt cho kết cấu áo đường mềm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đối với hỗn hợp BTNC 12,5 sử dụng chất kết dính nhựa đường đặc 60/70; phụ gia sợi bazan tự nhiên có xuất xứ từ Trung Quốc với đường kính sợi danh định 12 µm và chiều dài cắt ngắn 12 mm; khảo sát các mức hàm lượng sợi bazan gồm 0,1%, 0,2%, 0,3%, 0,4% và 0,5% theo khối lượng hỗn hợp, đối chứng với mẫu không có sợi (0,0%); phạm vi tính toán kết cấu áo đường áp dụng cho các tuyến đường ô tô cấp cao tại Việt Nam theo tiêu chuẩn thiết kế TCCS 38:2022/TCĐBVN và phương pháp Cơ học - Thực nghiệm (Mechanistic-Empirical - M-E).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Việc đưa phụ gia dạng sợi vào hỗn hợp bê tông nhựa nhằm nâng cao chất lượng lớp mặt đường đã bắt đầu hình thành từ đầu thế kỷ XX. Công ty Warren Brothers đã đăng ký bằng sáng chế vào các năm 1917 và 1918 khi sử dụng sợi amiăng (asbestos) để gia cường hỗn hợp đá nhựa nguội nhằm ngăn ngừa hiện tượng chảy nhựa mặt đường trong mùa hè. Đến những năm 1960, các nghiên cứu thực nghiệm của Zuehlke và cộng sự (1963) đã chứng minh BTN nóng sử dụng sợi amiăng có độ bền Marshall và cường độ kéo uốn ở 40°F và 100°F cao hơn mẫu đối chứng. Cùng thời kỳ, Speer và cộng sự (1962) công bố kết quả cho thấy sợi amiăng giúp giảm đáng kể độ sâu vệt hằn bánh xe đối với cả hai mác nhựa có độ kim lún 60 và 85.

Do những quan ngại về sức khỏe và độc tính môi trường của sợi amiăng vào cuối thập niên 1960, xu hướng nghiên cứu quốc tế đã dịch chuyển sang các loại sợi nhân tạo và polymer hữu cơ. Freeman và cộng sự (1980) chứng minh sợi polyester (PE) cường độ cao mang lại hiệu quả gia cường tương đương amiăng mà không làm tăng quá nhiều lượng chất kết dính. Tuy nhiên, Jiang và cộng sự (1993) đã chỉ ra rằng các sợi gốc polymer như PE, polypropylene (PP) có nhược điểm lớn về khả năng chịu nhiệt (chỉ chịu được khoảng 160°C) và dễ bị lão hóa hóa học trong môi trường nhiệt độ cao của quá trình trộn rải bê tông nhựa nóng. Đối với sợi kim loại (sợi thép), nghiên cứu cũng ghi nhận sự cải thiện cơ tính nhưng vật liệu lại dễ bị ăn mòn rỉ sét dưới tác động xâm thực của nước và môi trường.

Để kiểm soát hiện tượng chảy nhựa trong các hỗn hợp cấp phối hở (OGFC) và bê tông nhựa mastic đá (SMA), sợi cellulose và sợi khoáng đã được sử dụng rộng rãi và được chuẩn hóa trong tiêu chuẩn AASHTO M325-08 với tỷ lệ khuyến nghị 0,3% - 0,4%. Blazejowski (2011) và Chowdhury và cộng sự (2005) lưu ý rằng nếu dùng sợi với hàm lượng quá cao (như 1% sợi lốp cao su tái chế) sẽ làm tăng độ cứng quá mức khiến hỗn hợp SMA dễ nứt vỡ. Báo cáo của Cục Đường bộ Liên bang Hoa Kỳ (FHWA) do Gibson và cộng sự (2012) thực hiện theo chương trình NCHRP 90-07 cho thấy việc thêm sợi làm tăng hàm lượng nhựa tối ưu từ 0,5% đến 1,0% so với nhựa cải tiến và cao hơn 0,8% so với hỗn hợp đối chứng thông thường.

Hỗn hợp BTN sử dụng phụ gia Hàm lượng nhựa tối ưu (%)
Terpolymer 4,4
Ethylene vinyl acetate (EVA) 4,4
SBS-LG 4,5
SBS radial grafted 4,6
Ethylene styrene interpolymer 4,6
Nhựa đường bọt 4,8
Vụn cao su cải tiến hóa học 4,9
Nhựa đường PG 70-22 4,6
Nhựa đường PG 70-22 sử dụng 0,3% sợi polyester 5,4

Bước sang thế kỷ XXI, sợi bazan thu hút sự chú ý nhờ các chỉ tiêu vượt trội so với sợi thủy tinh và sợi polymer. Anne Ross (2006) chỉ ra composite cốt sợi bazan có tính năng tương đương sợi thủy tinh nhôm-magiê (S-2 glass) nhưng có giá thành kinh tế hơn. Richard Parnas và cộng sự (2007) cùng Chikhradze và cộng sự (2012) đã công bố các bảng thông số so sánh tính chất cơ lý giữa sợi bazan và các loại sợi gia cường phổ biến:

Tính chất cơ lý Đơn vị Sợi Bazan Sợi E-Glass Sợi S-Glass Sợi Silica Sợi Carbon
Khối lượng riêng $\text{g/cm}^3$ 2,6 – 2,8 2,4 – 2,57 2,48 2,15 1,9 – 2,1
Độ bền kéo $\text{MPa}$ 1900 – 4840 2800 – 3450 4710 4750 2200 – 7200
Mô đun đàn hồi $\text{GPa}$ 70 – 90 74 – 95 89 66 200 – 785
Độ dãn dài tại điểm gãy $%$ 3,15 – 4,5 4,7 – 5,6 5,6 1,2 0,5 – 2,4
Độ bền nén $\text{MPa}$ 3792 3033 3516 - -
Nhiệt độ làm việc nhỏ nhất $^\circ\text{C}$ -260 -60 -170 - -
Nhiệt độ nóng chảy $^\circ\text{C}$ 1450 1120 1550 - -
Mất khối lượng sau 3h sôi trong $\text{H}_2\text{O}$ $%$ 0,2 0,7 0,05 - -
Mất khối lượng sau 3h sôi trong 2n $\text{NaOH}$ $%$ 5,0 6,0 5,0 - -
Mất khối lượng sau 3h sôi trong 2n $\text{HCl}$ $%$ 2,2 38,9 15,7 - -

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào sợi thủy tinh phân tán trong BTN polyme (như luận án của Vũ Phương Thảo, 2015, chỉ ra mức sợi thủy tinh 0,3% giúp giảm 27% độ sâu lún vệt bánh xe) hoặc phụ gia bột khoáng, cao su. Các nghiên cứu về sợi bazan phân tán trong BTN nóng thông thường dùng mác nhựa 60/70 còn thiếu vắng. Luận án của NCS. Phùng Bá Nhân giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập hệ thống thực nghiệm toàn diện từ vi mô (kính hiển vi điện tử quét SEM), xác định hàm lượng nhựa tối ưu theo từng tỷ lệ sợi, khảo sát đồng bộ các chỉ tiêu cơ học (kéo uốn, nứt IDEAL-CT, mô đun tĩnh, mô đun động $|E^*|$ và đường cong chủ 2S2P1D), ứng dụng thuật toán học máy XGBoost kết hợp thuật toán tối ưu sinh học để dự báo độ ổn định Marshall, và phân tích hiệu quả kết cấu áo đường mềm theo phương pháp Cơ học - Thực nghiệm (M-E).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và nguyên lý làm việc của sợi phân tán

Luận án tiếp cận dựa trên lý thuyết composite nền mastic nhựa đường gia cường sợi phân tán ngẫu nhiên không định hướng trong không gian ba chiều. Sợi bazan khi phân tán trong hỗn hợp đóng hai vai trò cơ học cốt lõi:

  • Tăng cường liên kết ma sát và hấp phụ mastic: Diện tích bề mặt riêng lớn của sợi hấp phụ các phần đoạn nhẹ của nhựa đường, làm tăng độ nhớt và độ dày màng liên kết quanh cốt liệu.
  • Hiệu ứng cầu nối (crack-bridging effect): Khi xuất hiện các ứng suất kéo uốn hoặc ứng suất nhiệt, mạng lưới sợi đóng vai trò truyền và phân tán ứng suất cục bộ, cản trở sự hình thành và phát triển của các vết nứt tế vi.

Về mặt động học lưu biến, luận án áp dụng nguyên lý tương đương thời gian - nhiệt độ thông qua quy tắc dịch chuyển Williams-Landel-Ferry (WLF) để xây dựng đường cong chủ mô đun động $|E^*|$ tại nhiệt độ tham chiếu 30°C. Đồng thời, mô hình lưu biến học 2S2P1D (gồm 2 lò xo đàn hồi tuyến tính, 2 phần tử parabolic trễ pha và 1 phần tử dashpot cản nhớt) được sử dụng để mô phỏng đáp ứng đàn nhớt phi tuyến của hỗn hợp BTN chứa sợi.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích

  • Phương pháp trộn: Luận án lựa chọn phương pháp trộn khô (dry mixing), trong đó sợi bazan được xới tơi và trộn sơ bộ cùng cốt liệu khoáng đã sấy nóng trong khoảng 90 giây trước khi đưa nhựa đường 60/70 vào trộn tiếp. Phương pháp này giúp sợi phân bố đồng đều, hạn chế vón cục mà không cần thiết bị cắt tốc độ cao như phương pháp trộn ướt.
  • Phân tích hình thái vi mô: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscope) để kiểm tra bề mặt sợi, sự phân bố sợi và đặc tính bám dính tiếp xúc tại vùng chuyển tiếp giữa sợi bazan và chất kết dính mastic nhựa đường.
  • Thí nghiệm cơ lý tiêu chuẩn:
    • Thí nghiệm Marshall (TCVN 8820:2011, TCVN 8860-1:2011, ASTM D6927-15, AASHTO T245-15): Xác định độ ổn định Marshall (MS), độ dẻo Marshall (MF), độ rỗng dư ($V_a$), độ rỗng cốt liệu (VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) để xác định hàm lượng nhựa tối ưu (OAC).
    • Thí nghiệm lún vệt bánh xe (LVBX): Thực hiện trên thiết bị Wheel Tracking theo Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ở nhiệt độ 60°C để xác định chiều sâu vệt hằn và độ ổn định động (Dynamic Stability - DS).
    • Thí nghiệm cường độ kéo uốn ($R_{ku}$): Thử nghiệm uốn dầm tĩnh để đánh giá khả năng chịu kéo uốn của hỗn hợp ở các điều kiện nhiệt độ.
    • Thí nghiệm kháng nứt IDEAL-CT (ASTM D8225-19): Thử nghiệm nén ép chẻ gián tiếp ở nhiệt độ trung bình trên mẫu đầm xoay Superpave, xác định chỉ số kháng nứt $CT_{Index}$ và độ dốc đường suy giảm tải trọng sau đỉnh $|m_{75}|$.
    • Thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh: Đo đạc phản ứng ứng suất - biến dạng tại các nhiệt độ 15°C, 30°C và 60°C.
    • Thí nghiệm mô đun đàn hồi động ($|E^|$)*: Thực hiện theo tiêu chuẩn AASHTO TP62-03 tại 6 mức tần số nén lặp và 6 mức nhiệt độ thử nghiệm.

Ứng dụng kỹ thuật tính toán học máy

Luận án xây dựng mô hình học máy Extreme Gradient Boosting (XGBoost) kết hợp kỹ thuật xác thực chéo k-fold (Cross Validation - CV). Nhằm tối ưu hóa siêu tham số của mô hình XGBoost, hai thuật toán tối ưu hóa siêu phỏng sinh học là Sailfish Optimizer (SFO) và Aquila Optimizer đã được tích hợp để tìm kiếm bộ tham số tối ưu, phục vụ việc dự báo độ ổn định Marshall (MS) và độ dẻo (MF). Luận án phát triển phần mềm giao diện đồ họa người dùng (GUI) độc lập hỗ trợ thiết kế cấp phối.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về sợi gia cường và sợi bazan sử dụng cho hỗn hợp bê tông nhựa

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về việc gia cường hỗn hợp BTN bằng phụ gia sợi từ những năm 1950 đến nay. Tác giả phân tích hiện trạng áp dụng tại Hoa Kỳ (nơi có khoảng 28–30 bang cho phép sử dụng sợi cho lớp mặt đường BTN) và các quốc gia trên thế giới. Nội dung chương tập trung làm rõ nguồn gốc địa chất, quy trình sản xuất kéo sợi từ đá bazan nung chảy ở nhiệt độ 1450°C, các tính chất vật lý, cơ học và hóa học nổi bật của sợi bazan so với sợi cellulose, sợi polyester, sợi thủy tinh và sợi carbon.

Chương 1 cũng tổng hợp các phương pháp đưa sợi vào hỗn hợp (trộn ướt, trộn khô, trộn kết hợp), chỉ ra tính ưu việt của phương pháp trộn khô trong điều kiện trạm trộn thông thường. Tác giả tổng kết các kết quả nghiên cứu trên thế giới về sự cải thiện độ ổn định động, khả năng kháng nứt và ảnh hưởng của diện tích bề mặt sợi đến việc gia tăng lượng nhựa tối ưu, từ đó xác định mục tiêu và phương pháp luận cho toàn bộ luận án.

Chương 2: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng sợi bazan với tỷ lệ hợp lý

Chương 2 triển khai thiết kế cấp phối hỗn hợp BTNC 12,5 theo phương pháp Marshall kết hợp phân tích vi cấu trúc SEM và mô hình học máy. Kết quả ảnh chụp hiển vi điện tử SEM chứng minh sợi bazan có dạng hình trụ tròn nhẵn, phân tán đồng đều trong không gian ba chiều mà không bị vón cục ở dải hàm lượng từ 0,1% đến 0,4%. Lớp mastic nhựa đường bọc phủ kín thân sợi, hình thành liên kết ngàm cơ học và lực dính bám mặt tiếp xúc chặt chẽ.

Luận án xây dựng cơ sở dữ liệu mẫu thử và ứng dụng mô hình XGBoost được tối ưu hóa bằng thuật toán Sailfish Optimizer (XGB_SFO) và Aquila Optimizer để dự báo MS và MF. Kết quả khớp mô hình cho thấy hệ số xác định $R^2$ đạt độ chính xác cao. Dựa trên thí nghiệm Marshall trong phòng cho 6 tỷ lệ sợi (0,0%; 0,1%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,5%), hàm lượng nhựa đường tối ưu (OAC) được xác định cụ thể theo bảng sau:

Nhóm mẫu Hàm lượng sợi bazan (% khối lượng hỗn hợp) Hàm lượng nhựa đường tối ưu OAC (%)
Nhóm 1 (Đối chứng) 0,0 5,03
Nhóm 2 0,1 5,16
Nhóm 3 0,2 5,27
Nhóm 4 0,3 5,35
Nhóm 5 0,4 5,42
Nhóm 6 0,5 5,50

Kết quả thực nghiệm khẳng định quy luật: khi tăng tỷ lệ sợi bazan, hàm lượng nhựa tối ưu OAC tăng tuyến tính do diện tích bề mặt riêng của sợi hấp phụ một phần mastic nhựa.

Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng sợi bazan

Chương 3 trình bày các kết quả thí nghiệm đánh giá tính năng cơ lý chuyên sâu của hỗn hợp BTNC 12,5 gia cường sợi bazan so với mẫu đối chứng:

  • Khả năng kháng lún vệt bánh xe (LVBX): Chiều sâu vệt hằn lún giảm dần và độ ổn định động (DS) tăng mạnh khi tăng hàm lượng sợi bazan từ 0,1% đến 0,4%. Mẫu chứa 0,4% sợi bazan cho khả năng kháng biến dạng vĩnh cửu ở 60°C vượt trội so với mẫu đối chứng 0%. Khi tăng lên 0,5% sợi, hiệu quả kháng lún có xu hướng chững lại do sự tích tụ sợi làm tăng độ rỗng dư.
  • Cường độ kéo uốn ($R_{ku}$): Thí nghiệm uốn dầm chỉ ra rằng sự hiện diện của sợi bazan giúp tăng đáng kể ứng suất uốn gãy và biến dạng uốn giới hạn, nâng cao độ dẻo dai của vật liệu dưới tác dụng uốn tĩnh.
  • Khả năng kháng nứt (IDEAL-CT): Dựa trên tiêu chuẩn ASTM D8225, đường cong tải trọng - chuyển vị nén chẻ gián tiếp được phân tích qua điểm uốn $PPP_{75}$ và độ dốc suy giảm tải $|m_{75}|$. Chỉ số dung hòa nứt $CT_{Index}$ của hỗn hợp tăng dần theo hàm lượng sợi, đạt giá trị lớn nhất ở mức 0,4% sợi bazan, chứng minh mạng lưới sợi có khả năng cản trở hiệu quả tốc độ phát triển vết nứt ở nhiệt độ trung bình.
  • Mô đun đàn hồi tĩnh và động ($|E^*|$): Mô đun tĩnh được xác định ở các dải nhiệt độ 15°C, 30°C và 60°C. Thí nghiệm mô đun động theo AASHTO TP62 chỉ ra rằng ở dải tần số cao và nhiệt độ thấp/trung bình, giá trị $|E^|$ của hỗn hợp chứa 0,4% sợi bazan cao hơn mẫu đối chứng. Đường cong chủ $|E^|$ được xây dựng thành công tại nhiệt độ tham chiếu 30°C bằng phương pháp dịch chuyển WLF và mô hình lưu biến 2S2P1D cho kết quả tương thích rất chặt chẽ với số liệu đo thực tế.

Tổng hợp các chỉ tiêu cơ học xác định hàm lượng sợi bazan 0,4% là tỷ lệ phối trộn tối ưu nhất.

Chương 4: Nghiên cứu dự báo tính chất cơ lý của vật liệu theo học máy và ứng dụng bê tông nhựa sử dụng sợi bazan trong kết cấu mặt đường

Chương 4 hoàn thiện việc đóng gói mô hình học máy thành phần mềm giao diện đồ họa trực quan (GUI), cho phép người dùng nhập các thông số đầu vào về cấp phối cốt liệu, hàm lượng sợi, hàm lượng nhựa để dự báo nhanh giá trị độ ổn định Marshall (MS).

Tiếp đó, tác giả tiến hành tính toán và kiểm toán kết cấu áo đường mềm (KCAĐM) cho các tuyến đường cấp cao tại Việt Nam:

  • Kiểm toán theo TCCS 38:2022/TCĐBVN: Cả kết cấu đối chứng dùng lớp mặt BTNC 12,5 thông thường dày 5 cm và các kết cấu đề xuất sử dụng BTN sợi bazan 0,4% đều thỏa mãn đầy đủ các điều kiện về độ võng đàn hồi, ứng suất kéo uốn đáy lớp nhựa và ứng suất cắt trượt.
  • Phân tích theo phương pháp Cơ học - Thực nghiệm (M-E Pavement Design):
    • Thời hạn thiết kế 15 năm: Kết cấu áo đường sử dụng lớp mặt trên bằng BTN sợi bazan 0,4% dày 4 cm (giảm 20% chiều dày so với lớp BTNC 12,5 đối chứng dày 5 cm) vẫn chịu được tổng lượng xe nặng tích lũy tương đương.
    • Thời hạn thiết kế 16 năm: Khi giữ nguyên chiều dày lớp mặt 5 cm, kết cấu dùng BTN sợi bazan 0,4% thỏa mãn tất cả các giới hạn khai thác về lún vệt bánh xe toàn kết cấu và nứt mỏi đáy lớp, trong khi phương án đối chứng BTNC 12,5 dày 5 cm bị phá hoại do lún vệt bánh xe vượt giới hạn cho phép.
  • Đánh giá sơ bộ chi phí xây dựng: Chi phí xây dựng KCAĐ khi sử dụng BTN sợi bazan 0,4% với chiều dày 4 cm và 5 cm làm lớp mặt trên cao hơn lần lượt là 1,05 lần (tăng 5%) và 1,11 lần (tăng 11%) so với kết cấu đối chứng sử dụng BTNC 12,5 dày 5 cm.
  • Quy trình công nghệ tại trạm trộn: Đề xuất sơ bộ quy trình nạp sợi bazan khô tự động hoặc bán tự động vào buồng trộn cưỡng bức tại trạm trộn bê tông nhựa nóng ngoài hiện trường.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  • Làm rõ cơ chế tương tác vi mô giữa cốt sợi bazan phân tán và nền mastic nhựa đường 60/70 bằng hình ảnh hiển vi điện tử quét SEM; xác lập bản chất hiện tượng phân tán 3D ngẫu nhiên và hiệu ứng cầu nối hạn chế phát triển vết nứt của sợi.
  • Thiết lập hệ thống cơ sở dữ liệu thực nghiệm toàn diện về ảnh hưởng của hàm lượng sợi bazan (0,0% đến 0,5%) tới các đặc tính cơ học của BTNC 12,5, bao gồm độ ổn định Marshall, cường độ kéo uốn, khả năng kháng lún vệt bánh xe (LVBX), chỉ số kháng nứt $CT_{Index}$ theo phương pháp IDEAL-CT, và mô đun đàn hồi tĩnh ở các mức nhiệt độ khác nhau.
  • Xây dựng thành công đường cong chủ mô đun động $|E^*|$ ở nhiệt độ tham chiếu 30°C theo quy tắc dịch chuyển thời gian - nhiệt độ WLF và chứng minh khả năng áp dụng mô hình lưu biến học 2S2P1D để mô phỏng chính xác ứng xử đàn nhớt của BTN chứa sợi bazan.

Đóng góp về mặt thực tiễn

  • Xác định được hàm lượng phối trộn tối ưu của sợi bazan là 0,4% khối lượng hỗn hợp, đi kèm với hàm lượng nhựa đường tối ưu tương ứng (5,42%), phù hợp với vật liệu và điều kiện khí hậu Việt Nam.
  • Ứng dụng thành công các thuật toán học máy (XGBoost, SFO, Aquila Optimizer) và xây dựng công cụ phần mềm GUI hỗ trợ tính toán, dự báo nhanh độ ổn định Marshall phục vụ công tác thiết kế cấp phối.
  • Cung cấp bộ thông số đầu vào phục vụ thiết kế, kiểm toán kết cấu áo đường mềm theo TCCS 38:2022/TCĐBVN và phương pháp M-E. Chứng minh giải pháp sử dụng lớp mặt BTN sợi bazan 0,4% dày 4 cm cho hiệu quả làm việc tương đương lớp BTNC 12,5 dày 5 cm (tiết kiệm 20% chiều dày tầng mặt trên), kéo dài tuổi thọ khai thác và chống hằn lún hiệu quả.
  • Đề xuất chỉ dẫn sơ bộ về công nghệ trộn rải sợi bazan theo phương pháp trộn khô tại trạm trộn bê tông nhựa nóng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế của luận án

  • Toàn bộ các thử nghiệm cơ lý và đánh giá tính năng mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm, chưa có điều kiện thi công rải thử nghiệm đoạn đường thực tế ngoài hiện trường để theo dõi biến dạng thực tế dưới tác động giao thông trực tiếp.
  • Nghiên cứu mới chỉ khảo sát duy nhất một chủng loại sợi bazan có nguồn gốc từ Trung Quốc với quy cách chiều dài cố định 12 mm và đường kính 12 µm; chưa tiến hành so sánh thực nghiệm với các kích thước chiều dài sợi khác nhau như 3 mm, 6 mm, 9 mm, 18 mm và 24 mm.
  • Phạm vi vật liệu chỉ tập trung vào hỗn hợp bê tông nhựa chặt BTNC 12,5 sử dụng mác nhựa 60/70 và một nguồn cốt liệu đá gốc.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm trên các loại bê tông nhựa khác (như BTNC 19, BTNC 9,5, SMA, OGFC), sử dụng các nguồn cốt liệu đá vôi hoặc các mác nhựa đường khác (nhựa polyme PMB, nhựa PG) nhằm tạo lập bộ số liệu phổ quát cho Việt Nam;
  2. Khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của kích thước sợi bazan với các chiều dài và đường kính sợi thay đổi (3 mm, 6 mm, 9 mm, 18 mm, 24 mm) để đánh giá toàn diện ảnh hưởng hình học của sợi tới hỗn hợp;
  3. Tiến hành phân tích kinh tế - kỹ thuật toàn diện theo chi phí vòng đời công trình (LCC), hoàn thiện công nghệ cấp sợi tự động tại trạm trộn và thi công thử nghiệm các đoạn đường ô tô cấp cao ngoài hiện trường.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo khoa học và ứng dụng thực tiễn cho nhiều đối tượng trong ngành xây dựng công trình giao thông:

  • Cơ quan quản lý và các đơn vị tư vấn thiết kế đường bộ: Có thêm cơ sở khoa học và nguồn dữ liệu tin cậy về thông số vật liệu (mô đun đàn hồi tĩnh, mô đun động $|E^*|$, chỉ số chống nứt $CT_{Index}$) để áp dụng thiết kế lớp mặt đường chịu tải trọng nặng theo tiêu chuẩn TCCS 38:2022/TCĐBVN hoặc phương pháp Cơ học - Thực nghiệm (M-E).
  • Các đơn vị thi công và trạm trộn bê tông nhựa: Tham khảo quy trình trộn khô sợi bazan cùng cốt liệu, các lưu ý về thời gian trộn và cách thức điều chỉnh tỷ lệ nhựa đường tối ưu khi sử dụng phụ gia sợi.
  • Các nhà nghiên cứu, giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa thí nghiệm vật liệu chuyên sâu (SEM, IDEAL-CT, $|E^*|$, 2S2P1D) với các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (mô hình XGBoost tối ưu hóa bằng SFO và Aquila) trong việc giải quyết bài toán dự báo tính chất cơ lý vật liệu xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hàm lượng nhựa đường tối ưu (OAC) lại tăng lên khi đưa sợi bazan vào hỗn hợp bê tông nhựa?

Sợi bazan có kích thước đường kính nhỏ (12 µm) và diện tích bề mặt riêng lớn. Khi đưa vào hỗn hợp, bề mặt các sợi sẽ hấp phụ một lượng nhựa đường và bột khoáng để hình thành lớp màng mastic bao bọc quanh sợi. Do đó, để đảm bảo độ bao bọc cốt liệu và đạt các chỉ tiêu thể tích chuẩn (như độ rỗng dư $V_a$, VMA, VFA), hàm lượng nhựa tối ưu bắt buộc phải tăng dần theo hàm lượng sợi (từ 5,03% ở mẫu 0% sợi lên 5,42% ở mẫu 0,4% sợi).

2. Hàm lượng sợi bazan tối ưu được luận án đề xuất là bao nhiêu và dựa trên những căn cứ nào?

Hàm lượng sợi bazan tối ưu được xác định là 0,4% theo khối lượng hỗn hợp. Tại tỷ lệ này, hỗn hợp BTNC 12,5 đạt được sự cân bằng tối ưu giữa các chỉ tiêu: độ ổn định Marshall (MS) cao, cường độ kéo uốn $R_{ku}$ tăng, khả năng kháng lún vệt bánh xe (DS) tốt nhất, chỉ số kháng nứt $CT_{Index}$ theo tiêu chuẩn ASTM D8225 đạt đỉnh cao nhất, và mô đun đàn hồi động $|E^*|$ tăng rõ rệt. Khi vượt qua mức 0,4% (lên 0,5%), hiệu quả cơ lý có xu hướng chững lại hoặc suy giảm do hiện tượng sợi tập trung nhiều làm khó đầm nén.

3. Phương pháp trộn sợi bazan nào được luận án lựa chọn và quy trình thực hiện ra sao?

Luận án lựa chọn phương pháp trộn khô (dry mixing). Quy trình thực hiện gồm: cốt liệu khoáng sau khi sấy nóng được đưa vào buồng trộn cùng với sợi bazan đã xới tơi và trộn khô trong 90 giây để sợi phân tán đều khắp khung cốt liệu. Sau đó, nhựa đường 60/70 được phun vào và trộn tiếp cùng bột khoáng trong khoảng 90 đến 180 giây. Phương pháp này không đòi hỏi máy trộn cắt tốc độ cao như trộn ướt và hạn chế tối đa hiện tượng vón cục sợi.

4. Kết quả phân tích kết cấu áo đường mềm theo phương pháp M-E cho thấy ưu điểm gì của BTN sợi bazan?

Phân tích theo phương pháp Cơ học - Thực nghiệm (M-E) chứng minh rằng: với thời hạn thiết kế 15 năm, việc sử dụng lớp mặt trên bằng BTN sợi bazan 0,4% dày 4 cm cho khả năng chịu tải trọng xe nặng tích lũy tương đương với lớp BTNC 12,5 thông thường dày 5 cm (giúp giảm 20% chiều dày lớp mặt). Với thời hạn thiết kế 16 năm, kết cấu dùng BTN sợi bazan 0,4% dày 5 cm thỏa mãn toàn bộ các điều kiện khai thác, trong khi phương án BTNC 12,5 thông thường dày 5 cm bị phá hoại do lún vệt bánh xe vượt mức cho phép.

5. Luận án đã ứng dụng thuật toán học máy nào để dự báo tính chất cơ lý của BTN sợi bazan?

Tác giả đã ứng dụng mô hình Extreme Gradient Boosting (XGBoost) kết hợp với hai thuật toán tối ưu hóa siêu phỏng sinh học là Sailfish Optimizer (SFO) và Aquila Optimizer, cùng kỹ thuật xác thực chéo k-fold để tối ưu hóa siêu tham số. Mô hình được huấn luyện trên bộ dữ liệu thực nghiệm để dự báo chính xác độ ổn định Marshall (MS) và độ dẻo Marshall (MF), đồng thời được tích hợp vào một phần mềm giao diện đồ họa người dùng (GUI) độc lập.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của NCS. Phùng Bá Nhân đã giải quyết toàn diện bài toán nghiên cứu thiết kế, đánh giá cơ lý chuyên sâu và ứng dụng hỗn hợp bê tông nhựa chặt BTNC 12,5 gia cường sợi bazan phân tán trong điều kiện Việt Nam. Bằng việc kết hợp thực nghiệm vi mô (SEM), thí nghiệm cơ học hiện đại (IDEAL-CT, mô đun động $|E^*|$, mô hình lưu biến 2S2P1D), thuật toán học máy (XGBoost tối ưu hóa bằng SFO/Aquila) và phân tích kết cấu theo tiêu chuẩn TCCS 38:2022 cùng phương pháp Cơ học - Thực nghiệm (M-E), công trình đã xác định hàm lượng sợi bazan tối ưu 0,4% (OAC 5,42%). Kết quả nghiên cứu chứng minh giải pháp này giúp cải thiện vượt trội khả năng chống hằn lún, nâng cao khả năng kháng nứt, cho phép giảm 20% chiều dày lớp mặt trên mà vẫn đảm bảo tuổi thọ công trình đường ô tô cấp cao tại Việt Nam.