Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả xác định thông số mặt đường bê tông xi măng sân bay bằng thiết bị HWD

Lý do lựa chọn đề tài Thông qua thiết bị HWD và các phương pháp tính toán đi kèm, có thể xác định được các nhiều thông số cho mặt đường BTXM trong sân bay như độ võng, số phân cấp mặt đường PCN, hệ số truyền lực tại khe nối LTE, mô đun đàn hồi của tầng móng, … Trong đó, độ võng là thông số được đo đạc trực tiếp, các thông số còn lại có liên quan chặt chẽ và được tính toán từ độ võng thông qua các mô hình toán học, được hỗ trợ thêm bởi phần mềm chuyên dụng. Mặc dù thiết bị HWD đã được tiêu chuẩn và quốc tế hóa nhưng trên thực tế, kết quả đánh giá bằng thiết bị này chịu ảnh hưởng rất nhiều của yếu tố nhiệt độ, vì các lý do sau đây: - Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới, tấm BTXM bị uốn vồng (hình 0. Khi đó, đáy tấm sẽ không tiếp xúc tốt với bề mặt tầng móng, ảnh hưởng trực tiếp tới độ võng khi đo bằng HWD [32][33]. Nhiệt độ mặt trên cao hơn b.

Nhiệt độ mặt dưới cao hơn Hình 0. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự uốn vồng của tấm BTXM - Khi nhiệt độ trong tấm BTXM tăng hoặc giảm, tấm bị dãn dài hoặc co ngót. Hiệu ứng chèn móc (aggregate interlock) tạo bởi ma sát giữa hai mặt bên của hai tấm liền kề sẽ bị ảnh hưởng. Cụ thể, nếu tấm bị dãn dài, hai tấm liền kề tiếp xúc với nhau nhiều hơn, hiệu ứng chèn móc tăng lên, cho phép hai tấm làm việc đồng thời tốt hơn.

Khi đó, dưới tác dụng của tải trọng, độ võng tại mép tấm ở vị trí khe nối giảm, hệ số truyền lực qua khe nối (LTE) tăng lên. Ngược lại, tấm bị co ngót (do giảm nhiệt độ), độ võng tại mép tấm ở khe nối và LTE sẽ giảm theo [78][79]. -2- Tiếp xúc đáy tấm hoặc hiệu ứng chèn móc (aggregate interlock) là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới độ võng của tấm khi chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng nói chung, tải trọng của thiết bị đo HWD nói riêng. Như trình bày ở trên, yếu tố độ võng này là tham số quan trọng nhất liên quan tới kết quả đo của thí nghiệm HWD.

Do vậy, việc nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả xác định các thông số của mặt đường BTXM sân bay bằng HWD là rất cần thiết. Kết quả nghiên cứu cho phép tìm ra các điều kiện “chuẩn” để thực hiện thí nghiệm HWD và hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm về các điều kiện cụ thể. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là nghiên cứu được ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả xác định một số thông số của mặt đường BTXM sân bay bằng thiết bị HWD. Để đạt được mục đích đó, cần thực hiện được một số mục tiêu, nhiệm vụ cụ thể sau: - Tổng hợp được các lý thuyết liên quan tới phương trình truyền nhiệt và xác định thông số của mặt đường BTXM sân bay bằng thiết bị HWD PRIMAX 2500; - Bằng thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết, xây dựng xây dựng được phương trình truyền nhiệt theo chiều sâu của tấm BTXM (phương trình này cho phép khảo sát được nhiệt độ ở các điểm khác nhau dựa vào số liệu nhiệt độ ở một điểm bất kỳ theo chiều sâu tấm BTXM); - Dùng thiết bị HWD và các mô hình tính toán tương ứng xác định được các thông số của mặt đường BTXM ứng với nhiệt độ bề mặt tương ứng ở một số sân bay thực tế; từ nhiệt độ bề mặt, dùng phương trình truyền nhiệt xác định bổ sung nhiệt độ theo chiều sâu của tấm BTXM; - Thiết lập quan hệ giữa từng thông số với yếu tố nhiệt độ trong tấm BTXM ở thời điểm đo (yếu tố nhiệt độ ở đây có thể là nhiệt độ bề mặt, nhiệt độ trung bình trong tấm hoặc chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới của tấm).

Từ đó, đưa ra được nhận xét về ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số vừa nêu; -3- - Xác định được điều kiện đo chuẩn (theo nhiệt độ) khi thực hiện thí nghiệm HWD và đề xuất nội dung hiệu chỉnh số liệu đo từ điều kiện đo thực tế về điều kiện đo chuẩn đã kiến nghị; Trong quá trình thực nghiệm, sử dụng hai loại mẫu: - Mẫu được chế tạo tại hiện trường để phục vụ đo nhiệt độ; - Mẫu là tấm BTXM thuộc đường lăn, đường băng của các sân bay Vân Đồn, Nội Bài; 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính là mặt đường BTXM đang được sử dụng rộng rãi trong các sân bay [24][45] trong điều kiện khí hậu miền bắc. Để đánh giá chất lượng mặt đường này trong quá trình khai thác, phương pháp phổ biến nhất hiện nay, được ICAO chấp thuận và yêu cầu áp dụng là dùng thiết bị đo võng bằng quả nặng rơi HWD (Heavy Weight Deflectometer) hay còn gọi là thiết bị gia tải động. Ở Việt Nam, thiết bị đang được dùng rộng rãi là HWD PRIMAX 2500.

Nhiệt độ được khảo sát bằng thiết bị EXTECH SDL200; độ võng và các chỉ tiêu đánh giá mặt đường bê tông xi măng sân bay được đo bằng thiết bị HWD Primax 2500 và tính toán, phân tích bằng các phần mềm phân tích hồi quy Minitab, phần mềm tính chỉ số PCN COMFAA [51][85][86]. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: phân tích, tổng hợp các lý thuyết về truyền nhiệt, phương pháp đánh giá mặt đường BTXM sân bay bằng HWD và các mô hình tính xác định các chỉ tiêu thông số của mặt đường BTXM sân bay từ kết quả HWD. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: thực nghiệm hiện trường xác định trường nhiệt độ phân bố theo chiều sâu trong tâm BTXM ở điều kiện miền Bắc; thực nghiệm hiện trường đo độ võng bằng thiết bị HWD tại một số sân bay ở miền Bắc. - Phương pháp xác suất thống kê: sử dụng phần mềm Minitab nghiên cứu đề xuất một số thông số của quá trình biến thiên nhiệt độ trong tấm BTXM; nghiên cứu đánh giá mức độ hồi quy của số liệu thực nghiệm.

Cơ sở khoa học của đề tài Các nghiên cứu hiện hành đều chỉ ra rằng có thể sử dụng lời giải của bài toán truyền nhiệt trong bán không gian vô hạn theo quy luật Fourier để tính trường nhiệt độ theo chiều sâu tấm [24][39][40]: ¶t ¶ 2t =a (0.1) ¶T ¶z 2 Trong đó: t là nhiệt độ; T là thời gian; z là toạ độ theo phương thẳng đứng; a là hệ số truyền nhiệt độ của vật liệu (m2/h). Nếu giải phương trình này với các điều kiện ban đầu (T=0) và các điều kiện biên (z=0 tại lớp mặt) hoặc (z=z tại điểm bất kỳ) ta sẽ được các lời giải khác nhau để xác định được nhiệt độ ở mỗi phân tố (mỗi điểm) trong BTXM, tức là xác định được trường nhiệt độ phân bố trong BTXM theo không gian (vị trí) và thời gian (thời điểm T) khác nhau. Đối với việc đánh giá mặt đường bằng HWD, phương pháp thí nghiệm và xác định độ võng đã được tiêu chuẩn hóa tại Việt Nam [44] cũng như trên thế giới (với lưu ý là chúng ta chưa xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đo). Từ độ võng, theo phương pháp AREA hay theo Westergaard, sẽ tính toán được các thông số còn lại [70][68].

Do vậy, việc xác định các thông số và yếu tố nhiệt độ có đủ cơ sở khoa học. Từ đó, kết quả khảo sát thông số bằng HWD và nhiệt độ tại thời điểm khảo sát có thể được tổng hợp, xử lý bằng công cụ toán học để tìm ra ảnh hưởng của nhiệt độ tới các thông số như mục tiêu đã đề ra của luận án. Đóng góp mới của luận án - Hoàn thiện được phương trình truyền nhiệt dựa trên nghiên cứu lý thuyết và chuỗi số liệu đo đạc thực tế liên tục trong 1 năm ở điều kiện môi trường thực tế; - Khảo sát được nhiều thông số của mặt đường BTXM ở một số sân bay bằng thiết bị HWD (trước đây chỉ khảo sát chủ yếu bằng FWD, với số lượng thông số hữu hạn, tập trung vào PCN); -5- - Thiết lập được tương quan, đánh giá được ảnh hưởng giữa yếu tố nhiệt độ và kết quả đánh giá một số thông số của tấm BTXM sân bay bằng thiết bị HWD; - Bước đầu đề xuất được nội dung hiệu chỉnh số liệu đánh giá các thông số của tấm BTXM bằng HWD theo điều kiện nhiệt độ cũng như đề xuất được thời điểm đo hợp lý cho thí nghiệm HWD. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Kết quả nghiên cứu của luận án cho phép xây dựng được phương trình truyền nhiệt trong tấm BTXM mặt đường sân bay, là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, đánh giá sự phân bố nhiệt theo chiều sâu của tấm BTXM sân bay; Sự ảnh hưởng giữa nhiệt độ và các kết quả đánh giá các thông số bằng HWD là cơ sở quan trọng để tiếp tục mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, mùa trong năm…) tới các thông số vừa nêu, đồng thời tiến tới việc đề xuất điều kiện để thực hiện các công tác đo đạc, đánh giá và hiệu chỉnh kết quả đo về điều kiện chuẩn.

Cấu trúc luận án Mở đầu Chương 1: Nghiên cứu tổng quan Chương 2: Tổng hợp cơ sở lý thuyết phục vụ hiệu chỉnh phương trình truyền nhiệt và xác định các thông số của mặt đường BTXM bằng HWD Chương 3: Thí nghiệm khảo sát biến thiên nhiệt độ và xác định một số thông số của mặt đường BTXM bằng thiết bị HWD Chương 4: Hiệu chỉnh phương trình truyền nhiệt và phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ tới thông số của tấm BTXM sân bay xác định bằng HWD Kết luận Với nội dung trên, luận án được thực hiện theo sơ đồ sau: -6- -7- CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Mục đích nghiên cứu của luận án là phân tích được ảnh hưởng của nhiệt độ tới kết quả đánh giá một số thông số của tấm BTXM sân bay bằng thiết bị HWD Primax 2500. Do vậy, nghiên cứu tổng quan bao gồm các nội dung sau: - Tổng quan về mặt đường bê tông xi măng sân bay; - Tổng quan về quá trình truyền nhiệt và ảnh hưởng của nhiệt độ tới mặt đường BTXM; - Tổng quan về nội dung đánh giá mặt đường BTXM bằng thiết bị HWD; - Các nghiên cứu có liên quan. Mặt đường BTXM sân bay 1. Phân loại Trong luận án này, chỉ giới hạn nghiên cứu mặt đường cứng, bằng bê tông xi măng có khe nối, sử dụng làm tầng mặt trong kết cấu mặt đường BTXM sân bay ở Việt Nam.