Tổng quan nghiên cứu

Mặt đường bê tông nhựa là loại kết cấu phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt trong các khu công nghiệp và các tuyến đường cao tốc. Theo ước tính, nhiệt độ bề mặt và bên trong lớp bê tông nhựa có sự biến thiên lớn trong ngày và theo mùa, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý và tuổi thọ của mặt đường. Nhiệt độ bề mặt có thể dao động từ 20°C đến trên 55°C trong ngày, trong khi nhiệt độ không khí chỉ biến động trong khoảng 20°C đến 32°C. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng biểu thức dự đoán nhiệt độ bề mặt kết cấu áo đường mềm khu vực phía Nam Việt Nam, dựa trên số liệu đo đạc thực nghiệm tại hai khu công nghiệp thuộc tỉnh Hậu Giang trong vòng 12 tháng.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là đo đạc nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ trong các lớp bê tông nhựa ở các độ sâu khác nhau trong 24 giờ, mỗi tháng một ngày, trong suốt một năm; từ đó xây dựng mô hình dự đoán nhiệt độ bề mặt dựa trên nhiệt độ không khí và các yếu tố ảnh hưởng khác. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại hai khu công nghiệp Tân Phú Thạnh và Sông Hậu, tỉnh Hậu Giang, với điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm đặc trưng cho khu vực phía Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng thiết kế và khai thác mặt đường bê tông nhựa, góp phần giảm thiểu hư hỏng do biến đổi nhiệt độ và kéo dài tuổi thọ công trình giao thông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết truyền nhiệt và cân bằng nhiệt trong lớp bê tông nhựa, bao gồm:

  • Lý thuyết cân bằng nhiệt: Mô tả sự cân bằng năng lượng tại bề mặt bê tông nhựa, trong đó tổng lượng nhiệt nhận và mất qua bề mặt bằng không. Các thành phần nhiệt lượng gồm bức xạ mặt trời, bức xạ hấp thụ từ không khí, và đối lưu nhiệt với môi trường xung quanh.

  • Phương trình truyền nhiệt: Sử dụng phương trình vi phân truyền nhiệt hai chiều trong vật liệu đẳng hướng, đồng nhất, được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) để mô phỏng sự phân bố nhiệt độ theo thời gian và chiều sâu trong lớp bê tông nhựa.

  • Phương pháp hồi quy: Áp dụng hồi quy tuyến tính và phi tuyến để xây dựng biểu thức dự đoán nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa dựa trên dữ liệu thực nghiệm, với các biến chính gồm nhiệt độ không khí, nhiệt độ bề mặt và các yếu tố môi trường khác.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt độ bề mặt (T0cm), nhiệt độ tại các độ sâu (T2cm, T4cm, T6cm, T10cm), nhiệt độ không khí (Tair), hệ số truyền nhiệt, và hệ số hấp thụ bức xạ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu đo đạc nhiệt độ thực tế tại hai khu công nghiệp Tân Phú Thạnh và Sông Hậu, tỉnh Hậu Giang, trong khoảng thời gian 12 tháng (từ tháng 6/2016 đến tháng 5/2017). Cỡ mẫu gồm 5 lỗ khoan đo nhiệt độ với các độ sâu khác nhau (2cm, 4cm, 6cm, 10cm), được bố trí tại các vị trí mặt đường tiêu biểu. Nhiệt độ bề mặt được đo bằng súng bắn nhiệt cầm tay, nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa đo bằng nhiệt kế theo tiêu chuẩn TCVN 8867:2011.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích thống kê nhiệt độ theo giờ trong ngày, theo tháng và theo chiều sâu lớp bê tông nhựa.

  • Áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để mô phỏng truyền nhiệt trong lớp bê tông nhựa, so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

  • Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính và phi tuyến để xây dựng biểu thức dự đoán nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa dựa trên nhiệt độ không khí và các yếu tố ảnh hưởng.

Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, bao gồm giai đoạn đo đạc thực nghiệm, xử lý số liệu, xây dựng mô hình và kiểm chứng mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến thiên nhiệt độ bề mặt và trong lớp bê tông nhựa: Nhiệt độ bề mặt đường tại KCN Tân Phú Thạnh đạt cực đại 54.5°C lúc 13 giờ, tại KCN Sông Hậu là 53°C lúc 14 giờ. Nhiệt độ không khí cao nhất trong ngày lần lượt là 31.4°C và 32.5°C. Nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa giảm dần theo chiều sâu, ví dụ tại KCN Tân Phú Thạnh, nhiệt độ ở 4cm đạt 50°C, 6cm là 45°C, và 10cm là 43°C.

  2. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu và thời gian: Nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa luôn lớn hơn 40°C, biến thiên theo chu kỳ ngày và theo mùa. Nhiệt độ không khí biến động trong khoảng 20°C đến 30°C, trong khi nhiệt độ bề mặt và bên trong lớp bê tông nhựa có biên độ dao động lớn hơn 30°C.

  3. Mô hình dự đoán nhiệt độ bề mặt: Biểu thức hồi quy tuyến tính được xây dựng với hệ số xác định nhiệt độ bề mặt T0cm và nhiệt độ không khí Tair là 0.701, và hệ số hồi quy cho nhiệt độ 2cm dưới bề mặt là -0.961. Mô hình cho kết quả dự đoán nhiệt độ bề mặt tương đối chính xác, phù hợp với số liệu thực nghiệm.

  4. So sánh với các mô hình quốc tế: Mô hình dự đoán nhiệt độ bề mặt và phân bố nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa phù hợp với các nghiên cứu ở các quốc gia có khí hậu tương tự, đồng thời thể hiện ưu điểm trong việc áp dụng cho điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của khu vực phía Nam Việt Nam.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân biến thiên nhiệt độ lớn trong lớp bê tông nhựa là do hấp thụ bức xạ mặt trời mạnh và khả năng truyền nhiệt hạn chế của vật liệu. Nhiệt độ cao làm giảm tính đàn hồi và tăng tính nhớt của nhựa đường, dẫn đến biến dạng không hồi phục và hư hỏng mặt đường. Kết quả đo đạc và mô hình dự đoán cho thấy nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa có sự khác biệt rõ rệt so với nhiệt độ không khí, điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng mô hình dự đoán riêng biệt cho từng khu vực khí hậu.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, mô hình đề xuất có độ chính xác cao nhờ sử dụng dữ liệu thực nghiệm dài hạn và phương pháp sai phân hữu hạn kết hợp hồi quy. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên nhiệt độ theo giờ trong ngày, bảng thống kê nhiệt độ trung bình theo tháng và biểu đồ phân bố nhiệt độ theo chiều sâu, giúp trực quan hóa sự biến đổi nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình dự đoán nhiệt độ bề mặt trong thiết kế kết cấu mặt đường: Các kỹ sư thiết kế nên sử dụng biểu thức dự đoán nhiệt độ bề mặt để xác định nhiệt độ tính toán phù hợp với điều kiện khí hậu địa phương, nhằm lựa chọn vật liệu và thiết kế kết cấu tối ưu. Thời gian áp dụng: ngay lập tức; Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế và tư vấn xây dựng.

  2. Triển khai đo đạc nhiệt độ định kỳ tại các công trình giao thông: Đề nghị các cơ quan quản lý giao thông tổ chức đo đạc nhiệt độ bề mặt và trong lớp bê tông nhựa định kỳ để cập nhật dữ liệu thực tế, phục vụ cho việc bảo trì và nâng cấp mặt đường. Thời gian: hàng năm; Chủ thể: Sở Giao thông Vận tải và các đơn vị quản lý đường bộ.

  3. Phát triển công cụ tính toán và hiển thị nhiệt độ mặt đường: Xây dựng phần mềm hoặc ứng dụng dựa trên mô hình sai phân hữu hạn và hồi quy để hỗ trợ kỹ sư dự đoán nhiệt độ mặt đường nhanh chóng và chính xác từ các thiết bị đo nhiệt cầm tay. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

  4. Nghiên cứu bổ sung ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khác: Tiếp tục nghiên cứu tác động của độ ẩm, tốc độ gió và vật liệu mặt đường đến nhiệt độ bề mặt và phân bố nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa nhằm hoàn thiện mô hình dự đoán. Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: các nhóm nghiên cứu khoa học và viện nghiên cứu giao thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu giao thông: Sử dụng mô hình dự đoán nhiệt độ để lựa chọn vật liệu và thiết kế kết cấu mặt đường phù hợp với điều kiện khí hậu, nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

  2. Cơ quan quản lý và bảo trì đường bộ: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch bảo trì, sửa chữa mặt đường dựa trên biến đổi nhiệt độ thực tế, giảm thiểu hư hỏng và chi phí vận hành.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng giao thông: Tham khảo phương pháp đo đạc, mô hình truyền nhiệt và hồi quy để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu và kết cấu mặt đường.

  4. Các nhà sản xuất vật liệu xây dựng: Dựa trên biểu thức dự đoán nhiệt độ để cải tiến vật liệu nhựa đường, tăng khả năng chịu nhiệt và kháng biến dạng, phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần dự đoán nhiệt độ bề mặt kết cấu áo đường mềm?
    Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý của bê tông nhựa, làm thay đổi độ cứng và khả năng chịu tải của mặt đường. Dự đoán nhiệt độ giúp thiết kế và bảo trì mặt đường hiệu quả hơn, giảm hư hỏng do nhiệt.

  2. Phương pháp đo nhiệt độ trong nghiên cứu này là gì?
    Nhiệt độ bề mặt được đo bằng súng bắn nhiệt cầm tay, nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa đo bằng nhiệt kế theo tiêu chuẩn TCVN 8867:2011, tại các độ sâu 2cm, 4cm, 6cm, 10cm.

  3. Mô hình dự đoán nhiệt độ được xây dựng dựa trên những yếu tố nào?
    Mô hình sử dụng nhiệt độ không khí làm biến độc lập chính, kết hợp với số liệu đo đạc thực nghiệm để xây dựng biểu thức hồi quy dự đoán nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa.

  4. Mô hình có thể áp dụng cho các khu vực khác ngoài phía Nam Việt Nam không?
    Mô hình được xây dựng dựa trên điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của khu vực phía Nam, nên khi áp dụng cho khu vực khác cần hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực tế địa phương.

  5. Làm thế nào để sử dụng kết quả nghiên cứu trong thực tế?
    Kỹ sư và nhà quản lý có thể sử dụng biểu thức dự đoán nhiệt độ để xác định nhiệt độ tính toán cho thiết kế và bảo trì mặt đường, đồng thời sử dụng công cụ tính toán hỗ trợ dựa trên mô hình sai phân hữu hạn để dự báo nhiệt độ nhanh chóng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đo đạc và phân tích biến thiên nhiệt độ bề mặt và trong lớp bê tông nhựa tại hai khu công nghiệp phía Nam Việt Nam trong vòng 12 tháng, với nhiệt độ bề mặt dao động từ 20°C đến trên 55°C.
  • Phương pháp sai phân hữu hạn kết hợp hồi quy tuyến tính đã được áp dụng thành công để xây dựng biểu thức dự đoán nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa dựa trên nhiệt độ không khí.
  • Mô hình dự đoán cho kết quả chính xác, phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, có thể áp dụng trong thiết kế và bảo trì kết cấu mặt đường bê tông nhựa.
  • Đề xuất các giải pháp ứng dụng mô hình trong thiết kế, đo đạc định kỳ, phát triển công cụ tính toán và nghiên cứu bổ sung các yếu tố môi trường khác.
  • Khuyến khích các kỹ sư, nhà quản lý và nhà nghiên cứu sử dụng kết quả để nâng cao chất lượng và tuổi thọ mặt đường bê tông nhựa, đồng thời phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng mô hình trong các dự án thiết kế và bảo trì mặt đường, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ dự đoán nhiệt độ để nâng cao hiệu quả công tác kỹ thuật.