Nghiên Cứu Bê Tông Nhựa Mặt Đường Sử Dụng Sợi Bazan Phân Tán Trong Điều Kiện Việt Nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu bê tông nhựa mặt đường sử dụng sợi bazan tại Việt Nam. Phân tích ưu điểm, ứng dụng và hiệu quả của vật liệu mới trong xây dựng hạ tầng giao thông.

• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu Bê Tông Nhựa Mặt Đường Sử Dụng Sợi Bazan: Ứng Dụng và Hiệu Quả tại Việt Nam
• Loại tài liệu: Nghiên cứu khoa học
• Địa điểm: Việt Nam

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về sử dụng phụ gia sợi cho hỗn hợp bê tông nhựa
• 1.2. Sợi bazan dùng cho bê tông nhựa
• 1.3. Các nghiên cứu lựa chọn sợi bazan và phương pháp trộn sợi trong hỗn hợp bê tông nhựa
• 1.4. Nghiên cứu phương pháp Marshall và hàm lượng nhựa đường tối ưu
• 1.5. Nghiên cứu lún vệt bánh xe và đá ổn định đáng (DS)
• 1.6. Nghiên cứu khả năng kháng ẩm
• 1.7. Nghiên cứu mô đun đàn hồi
• 1.8. Tổng quan về học máy (ML)
• 1.9. Các mô hình ML phổ biến và ứng dụng dự báo tính chất bê tông nhựa
• 1.10. Đánh giá các kết quả nghiên cứu về bê tông nhựa sử dụng sợi bazan
• 1.11. Xác định các vấn đề nghiên cứu của luận án
• 1.12. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ HỌC CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA SỬ DỤNG SỢI BAZAN
• 2.1. Lựa chọn chỉ tiêu nghiên cứu và kế hoạch thí nghiệm
• 2.2. Lựa chọn chỉ tiêu cơ học của BTN trong nghiên cứu thí nghiệm
• 2.3. Kế hoạch thí nghiệm đánh giá LVBX
• 2.4. Phương pháp thí nghiệm đánh giá LVBX
• 2.5. Kế hoạch thí nghiệm LVBX
• 2.6. Kết quả thí nghiệm LVBX
• 2.7. Thí nghiệm cường độ kéo uốn
• 2.8. Phương pháp thí nghiệm cường độ kéo uốn
• 2.9. Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn
• 2.10. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn
• 2.11. Thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp BTN
• 2.12. Phương pháp thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp BTN
• 2.13. Mô tả thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của vật liệu BTN (IDEAL-CT)
• 2.14. Công thức tính CTIndex
• 2.15. Kế hoạch thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp BTN
• 2.16. Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp BTN
• 2.17. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tĩnh
• 2.18. Phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh
• 2.19. Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh
• 2.20. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh
• 2.21. Thí nghiệm đánh giá mô đun đàn hồi động
• 2.22. Phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi động
• 2.23. Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi động
• 2.24. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi động
• 2.25. Xây dựng đường cong chỉ mô đun đàn hồi động
• 2.26. Mô hình hóa mô đun đàn hồi động
• 2.27. Lựa chọn và xây dựng mô hình
• 2.28. Đánh giá sự phù hợp của mô hình 2S2P1D với kết quả thí nghiệm
• 3. CHƯƠNG 3: 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
• 3.1. Ứng dụng học máy trong dự báo đá ổn định Marshall
• 3.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu các mẫu thí nghiệm đá ổn định Marshall
• 3.3. Các công cụ ML và mô hình tính toán đá ổn định Marshall
• 3.4. Xây dựng mô hình ML dự báo đá ổn định Marshall của BTN sử dụng sợi bazan
• 3.5. Xây dựng giao diện GUI dự báo MS của BTN sử dụng sợi bazan
• 3.6. Thực trạng giao thông trên các tuyến đường cấp cao ở Việt Nam và đề xuất cấu tạo kết cấu áo đường mềm
• 3.7. Phân tích kết cấu áo đường mềm sử dụng BTN sợi bazan làm lớp mặt trong
• 3.8. Phân tích kết cấu áo đường mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm (M-E)
• 3.9. Xác định các thông số vật liệu trong phân tích M-E
• 3.10. Kết quả phân tích kết cấu mặt đường theo M-E
• 3.11. Xác định sơ bộ chi phí xây dựng kết cấu áo đường khi sử dụng sợi bazan
• 3.12. Đề xuất sơ bộ hướng thiết kế bê tông nhựa sợi bazan ngoài trạm trộn
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thực trạng mặt đường bê tông nhựa tại Việt Nam và thách thức

Mặt đường bê tông nhựa (BTN) là lựa chọn phổ biến cho các công trình đường bộ tại Việt Nam. Tuy nhiên, việc sử dụng BTN thông thường không có phụ gia đặc biệt đang đối mặt với nhiều thách thức lớn. Dưới điều kiện khí hậu Việt Nam khắc nghiệt, với nhiệt độ cao và mưa nhiều, kết hợp với tải trọng trục xe nặng ngày càng gia tăng trên các tuyến đường cấp cao, mặt đường BTN truyền thống bộc lộ nhiều điểm yếu. Các hư hỏng phổ biến nhất là hiện tượng chống hằn lún vệt bánh xe kém và nứt mỏi, làm giảm tuổi thọ khai thác của công trình so với thiết kế. Những vấn đề này không chỉ làm tăng chi phí bảo trì, sửa chữa mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn giao thông. Để nâng cao chất lượng, nhiều giải pháp đã được nghiên cứu như cải thiện cấp phối bê tông nhựa, sử dụng nhựa đường polymer, và đặc biệt là thêm các loại phụ gia cho bê tông nhựa dạng sợi. Các loại sợi như cellulose, polyester, hay sợi thủy tinh đã được ứng dụng nhưng vẫn còn những hạn chế nhất định về chi phí hoặc độ bền nhiệt. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết phải tìm kiếm một loại vật liệu gia cường bê tông nhựa mới, có tính năng vượt trội, phù hợp với điều kiện Việt Nam, và có hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao. Sợi bazan nổi lên như một ứng cử viên sáng giá, nhưng tiềm năng của nó trong việc cải thiện BTN tại Việt Nam vẫn chưa được nghiên cứu và khai thác một cách rộng rãi, tạo ra một khoảng trống khoa học và thực tiễn cần được lấp đầy.

1.1. Vấn đề hằn lún vệt bánh xe và nứt mỏi trên đường cấp cao

Trên các tuyến đường ô tô cấp cao tại Việt Nam, tình trạng hằn lún vệt bánh xe (LVBX) và nứt mỏi là hai dạng hư hỏng nghiêm trọng nhất của kết cấu áo đường mềm. Dưới tác động của nhiệt độ môi trường cao và tải trọng xe nặng lặp đi lặp lại, lớp mặt bê tông nhựa có xu hướng biến dạng vĩnh cửu, tạo thành các rãnh lún dọc theo vệt bánh xe. Hiện tượng này không chỉ gây mất êm thuận, tăng nguy cơ tai nạn do đọng nước mà còn là dấu hiệu suy giảm cường độ bê tông nhựa. Bên cạnh đó, nứt mỏi là quá trình phá hủy kết cấu do ứng suất kéo uốn lặp lại ở đáy lớp BTN, dẫn đến sự hình thành và phát triển các vết nứt. Tình trạng này đặc biệt phổ biến trong điều kiện giao thông gia tăng và chất lượng vật liệu chưa đáp ứng được yêu cầu về độ bền mỏi của mặt đường.

1.2. Hạn chế của BTN truyền thống và các phụ gia hiện có

Bê tông nhựa thông thường, dù đáp ứng các tiêu chuẩn cơ bản, vẫn chưa đủ khả năng chống chịu các điều kiện khắc nghiệt. Các giải pháp như sử dụng nhựa đường polymer (ví dụ PMBIII) đã cải thiện được một phần vấn đề, nhưng chi phí còn khá cao. Các loại phụ gia dạng sợi khác như sợi thủy tinh, sợi cellulose hay sợi Forta FI đã được nghiên cứu, nhưng mỗi loại đều có nhược điểm. Sợi polymer (polyester, polypropylene) có khả năng chịu nhiệt kém (khoảng 160°C), dễ bị lão hóa. Sợi cellulose chủ yếu đóng vai trò chất ổn định, chống chảy nhựa trong hỗn hợp SMA hơn là gia cường cơ học. Do đó, việc tìm kiếm một loại sợi vừa có cường độ cao, bền nhiệt, kháng hóa chất và giá thành hợp lý là một bài toán quan trọng trong ngành xây dựng đường bộ Việt Nam. Đây chính là cơ sở để tiến hành nghiên cứu bê tông nhựa mặt đường sử dụng sợi bazan.

II. Giải pháp bê tông nhựa sợi bazan Vật liệu đột phá cho hạ tầng

Sợi bazan, một vật liệu có nguồn gốc tự nhiên từ đá bazan núi lửa, đang mở ra một hướng đi mới đầy hứa hẹn cho ngành công nghệ vật liệu đường bộ. Với quy trình sản xuất đơn giản hơn so với sợi carbon, sợi bazan sở hữu những đặc tính cơ lý và hóa học vượt trội, là một vật liệu gia cường bê tông nhựa lý tưởng. So với các loại sợi khác, tính năng của sợi bazan nổi bật ở cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi lớn, và khả năng chịu nhiệt độ khắc nghiệt (nhiệt độ nóng chảy lên tới 1450°C). Điều này làm cho bê tông nhựa cốt sợi bazan có khả năng duy trì sự ổn định ở nhiệt độ trộn và thi công cao mà không bị suy giảm tính năng. Thêm vào đó, sợi bazan có khả năng kháng hóa chất, chống ăn mòn và thân thiện với môi trường. Khi được phân tán trong hỗn hợp BTN, các sợi bazan hoạt động như một hệ lưới cốt sợi ba chiều, giúp phân tán ứng suất, ngăn chặn sự hình thành và phát triển của các vi nứt. Cơ chế "cầu nối" này giúp tăng cường đáng kể cường độ bê tông nhựa, đặc biệt là khả năng chịu kéo uốn và độ bền mỏi. Với giá thành cạnh tranh hơn so với sợi carbon và các loại sợi hiệu suất cao khác, việc ứng dụng sợi bazan vào mặt đường bê tông nhựa tại Việt Nam không chỉ là một giải pháp kỹ thuật mà còn mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật đáng kể.

2.1. Tìm hiểu về sợi bazan và những tính năng ưu việt

Sợi bazan là vật liệu được tạo ra từ việc nấu chảy đá bazan tự nhiên ở nhiệt độ khoảng 1450°C và kéo thành các sợi mảnh. Theo nghiên cứu của Richard Parnas và cộng sự (2007), sợi bazan có độ bền kéo lên tới 4840 MPa và mô đun đàn hồi 89 GPa, cao hơn đáng kể so với sợi thủy tinh E-glass (3450 MPa và 77 GPa). Đặc tính này giúp sợi bazan chịu được ứng suất lớn hơn trước khi bị phá hủy. Ngoài ra, sợi bazan có khả năng làm việc ổn định trong dải nhiệt độ rộng, từ -260°C đến nhiệt độ nóng chảy, vượt trội so với các sợi polymer. Khả năng kháng axit và kiềm của sợi bazan cũng rất tốt, giúp nó bền vững trong môi trường làm việc của bê tông nhựa. Với những ưu điểm này, sợi bazan là phụ gia cho bê tông nhựa lý tưởng để cải thiện các đặc tính cơ học của mặt đường.

2.2. Cơ chế gia cường và phân bố của sợi bazan trong BTN

Khi được trộn vào hỗn hợp, các sợi bazan phân bố ngẫu nhiên, tạo thành một mạng lưới không gian ba chiều. Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử quét (SEM) trong nghiên cứu của Zhao và cộng sự [121] cho thấy sợi bazan đóng vai trò như những "cầu nối" vi mô, liên kết các hạt cốt liệu và ma trận nhựa đường. Cơ chế này có hai tác dụng chính: một là hấp thụ và phân tán ứng suất, ngăn ngừa sự tập trung ứng suất gây ra vi nứt; hai là khống chế sự phát triển của các vết nứt đã hình thành, làm tăng độ dẻo dai và suất kháng từ biến của vật liệu. Sự liên kết tốt giữa bề mặt sợi bazan và nhựa đường giúp truyền tải lực hiệu quả, từ đó nâng cao toàn diện các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông nhựa cốt sợi bazan.

III. Phương pháp nghiên cứu BTN sợi bazan Từ phòng thí nghiệm

Để đánh giá toàn diện ảnh hưởng của sợi bazan, một chương trình nghiên cứu thực nghiệm chi tiết đã được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu tập trung vào loại BTN 12,5 mm, sử dụng nhựa đường 60/70 và cốt liệu từ đá bazan, vốn là các vật liệu phổ biến tại Việt Nam. Sợi bazan sử dụng có chiều dài 12mm và đường kính 11 µm, được thêm vào hỗn hợp theo phương pháp trộn khô với các hàm lượng thay đổi từ 0% đến 0,5%. Quy trình thiết kế hỗn hợp tuân thủ theo phương pháp Marshall, một phương pháp tiêu chuẩn được quy định trong TCVN 8820:2011. Thông qua các thí nghiệm Marshall, các chỉ tiêu quan trọng như độ ổn định (MS) và độ dẻo (MF) được xác định. Kết quả từ các thí nghiệm này là cơ sở để tìm ra hàm lượng nhựa tối ưu cho từng tỷ lệ sợi bazan. Nghiên cứu cho thấy, khi hàm lượng sợi bazan tăng, hàm lượng nhựa tối ưu cũng có xu hướng tăng theo do diện tích bề mặt riêng lớn của sợi bazan hấp thụ một lượng nhựa đáng kể. Việc xác định chính xác cấp phối bê tông nhựa và hàm lượng nhựa tối ưu là bước nền tảng, đảm bảo các mẫu thí nghiệm sau đó phản ánh đúng nhất tính năng của vật liệu khi ứng dụng vào thi công mặt đường bê tông nhựa.

3.1. Quy trình lựa chọn vật liệu và thiết kế cấp phối BTN

Nghiên cứu sử dụng các vật liệu đầu vào đặc trưng cho điều kiện Việt Nam, bao gồm: cốt liệu thô và mịn từ mỏ đá bazan Sunway (Hà Nội), bột khoáng từ Kiện Khê (Hà Nam), và nhựa đường 60/70 của Petrolimex. Sợi bazan có nguồn gốc từ Trung Quốc với chiều dài 12mm. Cấp phối bê tông nhựa được thiết kế cho loại BTNC 12,5 theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT. Phương pháp trộn khô được lựa chọn, trong đó sợi bazan được trộn với cốt liệu đã gia nhiệt trước khi thêm nhựa đường. Quá trình này đảm bảo sợi được phân tán đồng đều, tránh vón cục và phát huy tối đa vai trò gia cường.

3.2. Kết quả xác định hàm lượng nhựa tối ưu theo thí nghiệm Marshall

Các thí nghiệm Marshall được tiến hành với 5 mức hàm lượng nhựa (từ 3,5% đến 5,5%) cho mỗi 6 mức hàm lượng sợi bazan (từ 0% đến 0,5%). Kết quả cho thấy khi tăng hàm lượng sợi, hàm lượng nhựa tối ưu (OAC) cũng tăng. Cụ thể, với mẫu đối chứng (0% sợi), OAC là 4,6%. Khi tăng hàm lượng sợi lên 0,4%, OAC tăng lên 5,3%. Sự gia tăng này là do sợi bazan có diện tích bề mặt riêng lớn, hấp thụ một phần nhựa đường để tạo màng bao bọc, làm tăng độ dày màng nhựa hiệu quả và cải thiện liên kết. Việc xác định chính xác OAC cho từng loại hỗn hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo cường độ bê tông nhựa và các đặc tính thể tích (độ rỗng dư Va, VMA) đạt yêu cầu theo TCVN bê tông nhựa.

IV. Top 5 hiệu quả của bê tông nhựa sợi bazan qua kiểm chứng

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh một cách thuyết phục những lợi ích vượt trội khi sử dụng sợi bazan trong bê tông nhựa. Các chỉ tiêu cơ học quan trọng nhất của mặt đường đều cho thấy sự cải thiện rõ rệt. Đáng chú ý nhất là khả năng chống hằn lún vệt bánh xe, một trong những vấn đề nhức nhối nhất của đường bộ Việt Nam. Thí nghiệm bằng thiết bị Hamburg Wheel Tracking cho thấy việc thêm sợi bazan làm giảm đáng kể chiều sâu vệt lún, đặc biệt ở hàm lượng tối ưu. Bên cạnh đó, cường độ kéo uốn của vật liệu cũng tăng mạnh, đồng nghĩa với việc độ bền mỏi của mặt đường được nâng cao, giúp kéo dài tuổi thọ kết cấu trước tác động của tải trọng lặp. Khả năng kháng nứt của vật liệu, được đánh giá qua chỉ số CTIndex, cũng cho thấy sự cải thiện ngoạn mục, chứng tỏ sợi bazan có tác dụng hiệu quả trong việc ngăn chặn sự phát triển của vết nứt. Ngoài ra, mô đun đàn hồi (cả tĩnh và động) của BTN cũng tăng lên, thể hiện vật liệu trở nên cứng hơn và phân phối tải trọng tốt hơn. Những kết quả này cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc ứng dụng bê tông nhựa cốt sợi bazan vào thực tiễn.

4.1. Cải thiện vượt trội khả năng chống hằn lún vệt bánh xe

Thí nghiệm LVBX trong môi trường nước ở 50°C cho thấy hiệu quả rõ rệt. Mẫu bê tông nhựa cốt sợi bazan với hàm lượng 0,4% cho chiều sâu vệt lún thấp nhất, chỉ 3,67 mm. Con số này thấp hơn 37% so với mẫu đối chứng không dùng sợi (5,83 mm). Sợi bazan tạo ra một cấu trúc mạng không gian, làm tăng độ nhớt của vữa nhựa và củng cố liên kết giữa cốt liệu, từ đó tăng cường khả năng kháng biến dạng dẻo của hỗn hợp ở nhiệt độ cao. Đây là một minh chứng quan trọng cho thấy tiềm năng giải quyết vấn đề hằn lún trên các tuyến đường chịu tải trọng trục xe nặng tại Việt Nam.

4.2. Tăng cường độ kéo uốn và độ bền mỏi của mặt đường

Cường độ kéo uốn là một chỉ tiêu then chốt phản ánh khả năng chống nứt mỏi của mặt đường. Kết quả thí nghiệm ở 15°C cho thấy, việc bổ sung sợi bazan đã cải thiện đáng kể chỉ số này. Cụ thể, với hàm lượng sợi 0,3%, cường độ kéo uốn đạt giá trị lớn nhất là 10,19 MPa, tăng 25% so với mẫu đối chứng (8,168 MPa). Ngay cả ở hàm lượng 0,4%, giá trị này vẫn đạt 9,819 MPa (tăng 20%). Sự gia cường này là do sợi bazan hoạt động như cốt thép vi mô, giúp vật liệu chịu kéo tốt hơn và làm chậm quá trình phát triển vết nứt từ đáy lớp BTN, qua đó nâng cao độ bền mỏi của mặt đường.

4.3. Nâng cao mô đun đàn hồi và khả năng kháng nứt CTIndex

Chỉ số kháng nứt (CTIndex) đo lường khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy, BTN với 0,4% sợi bazan đạt giá trị CTIndex cao nhất là 309,2, cao hơn 91% so với mẫu đối chứng (161,9). Điều này chứng tỏ vật liệu có độ dẻo dai và khả năng chống nứt vượt trội. Đồng thời, mô đun đàn hồi tĩnh ở 15°C cũng tăng 57% ở hàm lượng sợi 0,4%. Tương tự, mô đun đàn hồi động |E*| cũng cao hơn đáng kể trên toàn dải tần số và nhiệt độ. Sự gia tăng đồng thời cả hai chỉ số này cho thấy vật liệu vừa cứng hơn, vừa dẻo dai hơn, một đặc tính lý tưởng cho lớp mặt đường hiện đại.

V. Ứng dụng BTN sợi bazan cho kết cấu áo đường mềm tại Việt Nam

Từ những kết quả thực nghiệm ấn tượng, nghiên cứu đã tiến hành phân tích ứng dụng bê tông nhựa sợi bazan vào các mô hình kết cấu áo đường mềm điển hình tại Việt Nam. Sử dụng BTN với hàm lượng 0,4% sợi bazan, các kịch bản thiết kế được kiểm toán theo hai phương pháp: tiêu chuẩn TCCS 38:2022 của Việt Nam và phương pháp cơ học-thực nghiệm (M-E) tiên tiến. Theo TCCS 38:2022, kết quả cho thấy có thể giảm chiều dày lớp mặt trên từ 5 cm (BTN thường) xuống còn 4 cm (BTN sợi bazan) mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về độ võng, kéo uốn và cắt trượt. Phân tích bằng phần mềm Darwin-ME theo phương pháp M-E cũng đưa ra kết luận tương tự. Với cùng một tuổi thọ thiết kế (15 năm), kết cấu sử dụng lớp mặt BTN sợi bazan mỏng hơn vẫn cho các chỉ số hư hỏng (IRI, lún, nứt) tương đương hoặc tốt hơn. Thậm chí, khi kéo dài tuổi thọ lên 16 năm, kết cấu dùng BTN sợi bazan vẫn đạt yêu cầu trong khi kết cấu truyền thống đã vượt ngưỡng cho phép về hằn lún. Điều này chứng tỏ hiệu quả kinh tế kỹ thuật của giải pháp, cho phép tiết kiệm vật liệu hoặc kéo dài tuổi thọ công trình.

5.1. Phân tích kết cấu theo tiêu chuẩn TCCS 38 2022 TCĐBVN

Nghiên cứu đã so sánh 3 kịch bản kết cấu: (1) Lớp mặt BTNC 12.5 dày 5cm; (2) Lớp mặt BTN_Bazan 0,4% dày 4cm; (3) Lớp mặt BTN_Bazan 0,4% dày 5cm. Tất cả các kết cấu đều có chung lớp móng và nền đường. Kết quả kiểm toán cho thấy cả ba kịch bản đều thỏa mãn yêu cầu về độ võng đàn hồi, chống cắt trượt trong nền đất và chống kéo uốn trong các lớp BTN. Đáng chú ý, kết cấu 2 với lớp mặt mỏng hơn 20% vẫn đạt yêu cầu, cho thấy tiềm năng tiết kiệm vật liệu khi áp dụng vật liệu gia cường bê tông nhựa bằng sợi bazan.

5.2. Đánh giá hiệu quả qua mô phỏng theo phương pháp M E

Phương pháp M-E cho phép dự báo các chỉ số hư hỏng theo thời gian. Sau 15 năm khai thác, cả 3 kết cấu đều đạt yêu cầu về IRI, lún và nứt. Tuy nhiên, kết cấu 3 (dùng 5cm BTN sợi bazan) cho chỉ số LVBX trong lớp BTN thấp nhất (11,08 mm) so với kết cấu 1 (11,36 mm). Khi mô phỏng tới năm thứ 16, tổng LVBX của kết cấu 1 và 2 đã vượt ngưỡng 25mm, trong khi kết cấu 3 vẫn đạt (24,59 mm). Điều này khẳng định việc sử dụng bê tông nhựa cốt sợi bazan không chỉ giúp giảm chiều dày mà còn có khả năng gia tăng tuổi thọ phục vụ của kết cấu áo đường mềm.

VI. Tiềm năng và kiến nghị cho bê tông nhựa sợi bazan tại Việt Nam

Nghiên cứu đã khẳng định rõ ràng tiềm năng to lớn của bê tông nhựa mặt đường sử dụng sợi bazan như một giải pháp vật liệu tiên tiến, hiệu quả cho hạ tầng giao thông Việt Nam. Các kết quả thực nghiệm và phân tích mô phỏng đều chỉ ra rằng, với một hàm lượng hợp lý (khoảng 0,4%), sợi bazan giúp cải thiện toàn diện các đặc tính cơ học quan trọng của BTN, từ khả năng chống hằn lún vệt bánh xe, kháng nứt, đến độ bền mỏi và mô đun đàn hồi. Về mặt kinh tế, mặc dù chi phí ban đầu cho mỗi tấn BTN sợi bazan cao hơn, nhưng hiệu quả kinh tế kỹ thuật lại rất hứa hẹn do có thể giảm chiều dày lớp mặt hoặc kéo dài tuổi thọ công trình, từ đó giảm chi phí vòng đời dự án. Để công nghệ này có thể được áp dụng rộng rãi, cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn và các dự án thí điểm thực tế. Việc xây dựng một bộ tiêu chuẩn kỹ thuật riêng cho thiết kế, thi công mặt đường bê tông nhựa sử dụng sợi bazan là bước đi cần thiết tiếp theo. Hướng nghiên cứu trong tương lai có thể mở rộng sang các loại sợi bazan với kích thước khác, các loại nhựa đường biến tính, và tối ưu hóa quy trình sản xuất tại trạm trộn để hạ giá thành. Việc ứng dụng thành công vật liệu này sẽ góp phần quan trọng vào việc xây dựng hệ thống hạ tầng giao thông bền vững, chất lượng cao tại Việt Nam.

6.1. Tổng kết ưu điểm và định hướng phát triển công nghệ

Tóm lại, bê tông nhựa cốt sợi bazan mang lại các ưu điểm chính: (1) Cải thiện đáng kể các chỉ tiêu cơ học, đặc biệt là kháng lún và kháng nứt; (2) Tăng tuổi thọ khai thác hoặc cho phép giảm chiều dày kết cấu; (3) Sử dụng vật liệu có nguồn gốc tự nhiên, bền vững. Để phát triển công nghệ này, định hướng tiếp theo là xây dựng các quy trình sản xuất tại trạm trộn, thực hiện các đoạn thử nghiệm hiện trường để đánh giá hiệu quả trong điều kiện vận hành thực tế và hiệu chỉnh các mô hình dự báo hư hỏng. Việc nội địa hóa nguồn cung cấp sợi bazan cũng là một yếu tố quan trọng để giảm chi phí.

6.2. Kiến nghị áp dụng thử nghiệm trên các tuyến đường cấp cao

Dựa trên các kết quả khả quan, kiến nghị các cơ quan quản lý và các đơn vị liên quan xem xét triển khai các dự án thí điểm áp dụng BTN sử dụng sợi bazan trên các đoạn tuyến quốc lộ, cao tốc có lưu lượng giao thông lớn và tải trọng trục xe nặng. Các dự án này sẽ là cơ sở thực tiễn quý báu để đánh giá hiệu quả lâu dài, hoàn thiện quy trình thi công, nghiệm thu và xây dựng bộ định mức, đơn giá phù hợp. Việc áp dụng thành công sẽ tạo ra một tiền lệ quan trọng, thúc đẩy việc sử dụng các vật liệu mới, hiệu suất cao trong xây dựng hạ tầng giao thông tại Việt Nam, đáp ứng yêu cầu phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O Bà GIAO THÔNG VÀN TÀI TR¯èNG Đ¾I HèC CÔNG NGHâ GIAO THÔNG VÂN TÀI PHÙNG BÁ NHÂN NGHIÊN CĄU BÊ TÔNG NHĄA M¾T Đ¯èNG SĀ DĀNG SþI BAZAN PHÂN TÁN TRONG ĐIÄU KIâN VIâT NAM NGÀNH: Kþ THUÂT XÂY DĄNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Mà Sà: 9580205 NG¯èI H¯æNG DÀN KHOA HèC: 1. NGUYàN MINH KHOA Hà Nåi, 2024 ii LèI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lý HÁi Bằng và TS. Nguyễn Minh Khoa.

Các số liệu, kết quÁ nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giÁ luÃn án Phùng Bá Nhân iii LèI CÀM ¡N Sau quá trình học tÁp và nß lực không ngừng t¿i Tr°ßng Đ¿i học Công nghệ GTVT, với sự hß trÿ nhiệt tình từ các thầy cô, đồng nghiệp, b¿n bè, gia đình và ng°ßi thân, Nghiên cāu sinh (NCS) đã hoàn thành luÁn án mang tiêu đề <Nghiên cứu bê tông nhựa mặt đường sử dụng sợi bazan phân tán trong điều kiện Việt Nam=. Để hoàn thành luÁn án này, NCS xin bày tỏ lòng biết ¡n sâu sắc đến hai thầy h°ớng d¿n, TS. Lý HÁi Bằng và TS.

Nguyễn Minh Khoa, đã tÁn tâm định h°ớng và hß trÿ NCS suốt quá trình thực hiện luÁn án. NCS chân thành cÁm ¡n Tr°ßng Đ¿i học Công nghệ GTVT và các đ¡n vị trong tr°ßng nh° Phòng Đào t¿o Sau đ¿i học, Khoa Công trình, Bá môn Đ°ßng bá, Trung tâm Thí nghiệm Đ°ßng bá cao tốc, và Phòng thí nghiệm LAS-XD72 đã hß trÿ về trang thiết bị, nhân lực, cũng nh° quan tâm, đáng viên và t¿o điều kiện thuÁn lÿi để NCS hoàn thành nhiệm vā học tÁp và nghiên cāu. NCS cũng xin bày tỏ lòng biết ¡n đối với các thầy cô trong và ngoài tr°ßng Đ¿i học Công nghệ GTVT, b¿n bè đồng nghiệp, đã luôn nhiệt tình hß trÿ và cung cấp những tài liệu khoa học quý báu để NCS thực hiện đề tài nghiên cāu này. Ngoài ra, NCS xin bày tỏ lòng biết ¡n đến Phòng thí nghiệm trọng điểm thuác Viện khoa học vÁt liệu thuác Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phòng thí nghiệm vÁt liệu xây dựng cÿa Bá môn VÁt liệu xây dựng t¿i Tr°ßng Đ¿i học GTVT, đã hß trÿ NCS trong việc thực hiện các thí nghiệm trong ph¿m vi luÁn án.

Cuối cùng, NCS xin bày tỏ lòng biết ¡n gia đình và ng°ßi thân đã luôn đáng viên, ÿng há và giúp đỡ NCS về cÁ tinh thần l¿n vÁt chất suốt suốt quá trình làm luÁn án. Trân trọng! Nghiên cąu sinh Phùng Bá Nhân iv MĀC LĀC DANH MĀC CÁC KÝ HIâU, CHĂ VIÂT TÄT. ix DANH MĀC BÀNG Sà LIâU. xi DANH MĀC HÌNH VÀ.

TàNG QUAN VÄ SþI GIA C¯èNG VÀ SþI BAZAN SĀ DĀNG CHO HâN HþP BÊ TÔNG NHĄA. Bê tông nhąa có phā gia d¿ng sÿi làm lçp m¿t đ°éng ô tô .4 Tổng quan về sử dāng phā gia sÿi cho hßn hÿp bê tông nhựa. 4 Hiện tr¿ng sử dāng sÿi cho hßn hÿp bê tông nhựa á Hoa Kỳ và các quốc gia trên thế giới. 6 Hàm l°ÿng sÿi sử dāng dāng trong hßn hÿp BTN.

Sÿi bazan dùng cho bê tông nhąa .9 Tổng quan về sÿi bazan. 9 Tính chất cÿa sÿi bazan và các āng dāng. 10 Các nghiên cāu lựa chọn sÿi bazan và ph°¡ng pháp trán sÿi trong hßn hÿp bê tông nhựa. Các nghiên cąu vÅ bê tông nhąa sā dāng sÿi bazan .16 Hình thái và sự phân bố cÿa sÿi bazan trong bê tông nhựa.

16 Nghiên cāu ph°¡ng pháp Marshall và hàm l°ÿng nhựa đ°ßng tối °u. 16 Nghiên cāu lún vệt bánh xe và đá ổn định đáng (DS). 17 Nghiên cāu khÁ năng kháng ẩm. 23 Nghiên cāu mô đun đàn hồi.

Nghiên cąu sā dāng các mô hình héc máy dą báo tính chÃt căa bê tông nhąa 26 Tổng quan về học máy (ML). 26 Các mô hình ML phổ biến và āng dāng dự báo tính chất bê tông nhựa. 27 Các nghiên cāu áp dāng ML dự báo tính chất bê tông nhựa sử dāng sÿi bazan. Đánh giá các kÃt quÁ nghiên cąu vÅ bê tông nhąa sā dāng sÿi bazan .29 Đánh giá các kết quÁ nghiên cāu ngoài n°ớc.

29 v Đánh giá các kết quÁ nghiên cāu á Việt Nam. Xác đçnh các vÃn đÅ nghiên cąu căa luÃn án. Ph°¢ng pháp nghiên cąu. NGHIÊN CĄU THIÂT KÂ, CH T¾O HâN HþP BÊ TÔNG NHĄA SĀ DĀNG SþI BAZAN VæI TỶ Lâ HþP LÝ.

Xây dąng ch°¢ng trình thąc nghiãm hãn hÿp bê tông nhąa sā dāng sÿi bazan 32 Lựa chọn vÁt liệu. Lựa chọn lo¿i bê tông nhựa sử dụng trong nghiên cứu. Lựa chọn cốt liệu thô, cốt liệu mịn và bột khoáng. Lựa chọn chất kết dính.

Lựa chọn lo¿i sợi bazan. 33 Lựa chọn ph°¡ng pháp thiết kế hßn hÿp BTN sử dāng sÿi bazan. Lựa chọn phương pháp thiết kế. Thiết kế thành phần cấp phối các lo¿i BTN sử dụng trong nghiên cứu.

Phương pháp thí nghiệm. Lựa chọn phương pháp trộn sợi bazan trong hỗn hợp bê tông nhựa. 37 Công tác chế bị m¿u. 37 Thiết kế thí nghiệm và trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu.

Phân tích liên kÃt và phân bá sÿi bazan trong hãn hÿp bê tông nhąa .39 Ph°¡ng pháp nghiên cāu hình thái vÁt chất bằng kính hiển vi điện tử quét SEM. 39 Công tác chuẩn bị m¿u thí nghiệm SEM. 40 Kết quÁ thí nghiệm phân tích hình thái SEM. Liên kết và sự phân bố giữa sợi bazan và nhựa đường.

Ành hưởng của hàm lượng sợi bazan trong hỗn hợp BTN. Ąng dāng héc máy trong hã trÿ thiÃt kà thành phÅn bê tông nhąa sā dāng sÿi bazan .45 Āng dāng học máy trong dự báo tính chất c¡ lý cÿa vÁt liệu. 45 Mát số thuÁt toán và các kỹ thuÁt đ°ÿc sử dāng. Mô hình độ dốc tăng cường cấp cao Extreme Gradient Boosting.

Thuật toán tối ưu hóa Sailfish Optimizer. Thuật toán tối ưu hóa Aquila Optimizer. Kỹ thuật xác thực chéo. Các chỉ tiêu đánh giá năng lực dự báo của mô hình.

47 Quy trình xây dựng công cā hß trÿ thiết kế thành phần bê tông nhựa sử dāng sÿi bazan. 47 Xây dựng c¡ sá dữ liệu. 48 Điều chỉnh siêu tham số cÿa mô hình XGB. 50 Kết quÁ xây dựng mô hình dự báo XGB cho MS và MF.

Kết quÁ dự đoán MS. Kết quÁ dự đoán MF. 51 Xây dựng công cā hß trÿ thiết kế thành phần bê tông nhựa. 51 Đánh giá kết quÁ thiết kế thành phần bê tông nhựa cÿa ph°¡ng pháp ML và định h°ớng nghiên cāu thực nghiệm.

Xác đçnh hàm l°ÿng nhąa tái °u cho hãn hÿp bê tông nhąa sā dāng sÿi bazan 54 Phân tích đá ổn định Marshall (MS). 54 Phân tích đá dẻo Marshall (MF). 56 Xác định hàm l°ÿng chất kết dính tối °u cÿa hßn hÿp BTN với các hàm l°ÿng sÿi bazan khác nhau. Lập kế ho¿ch thí nghiệm.

Kết quÁ thí nghiệm xác định hàm lượng nhựa tối ưu. KÃt luÃn Ch°¢ng 2. NGHIÊN CĄU THÍ NGHIâM XÁC ĐæNH CÁC CHä TIÊU C¡ HèC CĂA HâN HþP BÊ TÔNG NHĄA SĀ DĀNG SþI BAZAN. Ląa chén chå tiêu nghiên cąu và kà ho¿ch thí nghiãm .62 Lựa chọn chỉ tiêu c¡ học cÿa BTN trong nghiên cāu thí nghiệm.

62 Kế ho¿ch thí nghiệm. Thí nghiãm đánh giá LVBX .63 Ph°¡ng pháp thí nghiệm đánh giá LVBX. 63 Kế ho¿ch thí nghiệm LVBX. 63 Kết quÁ thí nghiệm LVBX.

Thí nghiãm c°éng đå kéo uán .66 Ph°¡ng pháp thí nghiệm c°ßng đá kéo uốn. 66 Kế ho¿ch thí nghiệm c°ßng đá kéo uốn. 68 Kết quÁ thí nghiệm c°ßng đá kéo uốn. Thí nghiãm đánh giá khÁ năng kháng nąt căa hãn hÿp BTN .70 Ph°¡ng pháp thí nghiệm đánh giá khÁ năng kháng nāt cÿa hßn hÿp BTN 70 3.

Mô tÁ thí nghiệm đánh giá khÁ năng kháng nứt của vật liệu BTN (IDEAL-CT). Công thức tính CTIndex. 73 Kế ho¿ch thí nghiệm đánh giá khÁ năng kháng nāt cÿa hßn hÿp BTN. 74 Kết quÁ thí nghiệm đánh giá khÁ năng kháng nāt cÿa hßn hÿp BTN.

Thí nghiãm xác đçnh mô đun đàn hßi tĩnh .80 Ph°¡ng pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh. 80 Kế ho¿ch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh. 81 Kết quÁ thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh. Thí nghiãm đánh giá mô đun đàn hßi đång .87 Ph°¡ng pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi đáng.

87 Kế ho¿ch thí nghiệm mô đun đàn hồi đáng. 88 Kết quÁ thí nghiệm mô đun đáng. 89 Xây dựng đ°ßng cong chÿ mô đun đáng. 95 Mô hình hóa mô đun đáng.

Lựa chọn và xây dựng mô hình. Đánh giá sự phù hợp của mô hình 2S2P1D với kết quÁ thi nghiệm. KÃt luÃn Ch°¢ng 3. NGHIÊN CĄU DĄ BÁO TÍNH CHÂT C¡ LÝ CĂA VÂT LIâU THEO HèC MÁY VÀ ĄNG DĀNG BÊ TÔNG NHĄA SĀ DĀNG SþI BAZAN TRONG KÂT CÂU M¾T Đ¯èNG.

Ąng dāng héc máy trong dą báo đå án đçnh Marshall .102 Xây dựng c¡ sá dữ liệu các m¿u thí nghiệm đá ổn định Marshall. 102 Các công cā ML và mô hình tính toán đá ổn định Marshall. 103 Xây dựng mô hình ML dự báo đá ổn định Marshall cÿa BTN sử dāng sÿi bazan. 104 viii Xây dựng giao diện GUI dự báo MS cÿa BTN sử dāng sÿi bazan.

Thąc tr¿ng giao thông trên các tuyÃn đ°éng cÃp cao ë Viãt Nam và đÅ xuÃt cÃu t¿o kÃt cÃu áo đ°éng mÅm .107 Quy mô giao thông trên các tuyến đ°ßng cấp cao hiện nay á Việt Nam. 107 Mát số kết cấu áo đ°ßng điển hình trên các tuyến đ°ßng QL á Việt Nam. 108 Đề xuất KCAĐ mềm āng dāng BTN sử dāng sÿi bazan làm lớp mặt trong KCAĐ ô tô á Việt Nam. Phân tích kÃt cÃu áo đ°éng mÅm theo tiêu TCCS 38:2022/TCĐBVN.

Phân tích KCAĐ mÅm sā dāng BTN sÿi bazan theo ph°¢ng pháp c¢ héc thąc nghiãm .112 Mát số vấn đề chung về thiết kế áo đ°ßng theo c¡ học thực nghiệm. 112 Āng dāng ph°¡ng pháp M-E phân tích các KCAĐ. Các số liệu khí hậu. Các số liệu về giao thông.

Xác định các thông số của vật liệu trong phân tích M-E. Tiêu chuẩn giới h¿n. Kết quÁ phân tích kết cấu mặt đường theo M-E. Xác đçnh s¢ bå chi phí xây dąng kÃt cÃu áo đ°éng khi sā dāng sÿi bazan 119 Các căn cā lÁp chi phí xây dựng kết cấu áo đ°ßng.

119 Kết quÁ s¡ bá xác định các chi phí xây dựng kết cấu áo đ°ßng.