Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất bitum đến mô đun động bê tông nhựa chặt tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN NHƯ HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 5 – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI --------------------------------- NGUYỄN NHƯ HẢI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9580205 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng đường ô tô và đường thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS Nguyễn Quang Phúc 2.TS Vũ Đức Chính Hà Nội, 5- 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố. Tác giả luận án Nguyễn Như Hải LỜI CẢM ƠN Sau bốn năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, nghiên cứu sinh (NCS) đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng tính chất của bitum đên mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam”. Để hoàn thành luận án này, NCS xin được gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến 2 thầy hướng dẫn NCS là PGS.TS Nguyễn Quang Phúc và PGS.TS Vũ Đức Chính.

Các thầy đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho NCS từ khi bắt đầu thực hiện công tác nghiên cứu cho tới suốt quá trình thực hiện các nghiên cứu của luận án. Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Thị Kim Đăng, TS Nguyễn Quang Tuấn, TS Lương Xuân Chiểu và các thầy, cô khác của Trường Đại học GTVT đã luôn nhiệt tình hỗ trợ và tư vấn cho NCS trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm và xử lý và phân tích số liệu thực nghiệm. NCS cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Mai Lân – Viện Giao thông Pháp (IFSTTAR) đã giúp đỡ NCS trong việc vận chuyển và tiến hành công tác thí nghiệm xác định giá trị mô đun cắt phức của một số loại bitum ở Việt Nam tại Viện Giao Thông Pháp để phục vụ cho công tác nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa các loại bitum ở Việt Nam và một loại bitum (35/50) của Pháp.

Ngoài ra, TS. Lân cũng đã cung cấp cho NCS nhiều tài liệu có giá trị cho đề tài nghiên cứu này. NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng thí nghiệm trọng điểm LasXD 1256, phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng – Bộ môn Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học GTVT đã nhiệt tình hỗ trợ NCS tiến hành các thí nghiệm trong phòng. Xin cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học GTVT, phòng đào tạo sau đại học và Bộ môn Đường Bộ đã luôn ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Cảm ơn người bạn đời thân thiết nhất của NCS cùng các người thân trong gia đình đã luôn ủng hộ NCS cả về vật chất và tinh thần giúp cho NCS vượt qua được những khó khăn trong suốt chặng đường làm nghiên cứu của mình. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Như Hải i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. xiii PHẦN MỞ ĐẦU.

1 2 Tính cần thiết của luận án. 2 3 Mục đích nghiên cứu. 3 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 3 5 Phương pháp nghiên cứu .1 Nghiên cứu lý thuyết .2 Nghiên cứu thực nghiệm.

4 6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài .2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài. 5 7 Cấu trúc của luận án. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA.1 Bitum và tính chất của bitum .2 Các tính chất của bitum .2 Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) của bitum (|G*|).1 Mô đun cắt động của bitum .2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum .1 Xác định |G*| bằng thiết bị DSR .2 Xác định |G*| bằng thiết bị DMA .3 Các nghiên cứu về mô đun cắt động và góc pha của bitum .1 Các nghiên cứu trên thế giới về mô đun cắt động và góc pha của bitum .2 Các nghiên cứu ở Việt Nam về tính chất của bitum .4 Các mô hình xây dựng đường cong chủ (Master curve) của mô đun cắt động và góc pha (δb) của bitum .5 Phương pháp và nguyên lý xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) 17 1.3 Bê tông nhựa .4 Mô đun phức động của bê tông nhựa .1 Mô đun phức của bê tông nhựa .2 Mô đun động của bê tông nhựa .3 Phương pháp xác định mô đun động của bê tông nhựa.4 Xây dựng đường cong Master curve của mô đun động .5 Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa .1 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum .2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác .1 Ảnh hưởng của bột khoáng, vôi thủy hóa, thành phần hạt, hình dạng hạt và độ góc cạnh giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng tới mô đun động 24 1.6 Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với đun động của bê tông nhựa .1 Các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mô đun động của bê tông nhựa .1 Các nghiên cứu của tập đoàn Shell .2 Nghiên cứu của viện Asphalt Hoa Kỳ (Asphalt Institute method) .3 Các nghiên cứu khác đã thực hiện ở Hoa Kỳ .4 Phân tích độ nhạy cho mô hình dự báo |E*| của đại học Dhofar (Dhofar University, Salalah, Oman) .5 Các nghiên cứu ở Úc về ảnh hưởng của tính chất bitum đến mô đun động của bê tông nhựa |E*| .6 Nghiên cứu về ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun động của bê tông nhựa ở Hàn Quốc .2 Các nghiên cứu đã thực hiện ở Việt Nam về ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun phức động của bê tông nhựa .7 Ảnh hưởng của mô đun động của bê tông nhựa tới đặc trưng khai thác của mặt đường mềm .8 Những vấn đề cần giải quyết trong luận án .1 Các vấn đề tồn tại cần giải quyết .2 Phương pháp nghiên cứu để đạt được mục tiêu .1 Các nghiên cứu lý thuyết liên quan tới mô đun cắt động của bitum và mô đun động của bê tông nhựa .2 Nghiên cứu thực nghiệm .3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án để phân tích một số phương án kết cấu mặt đường ở Việt Nam theo phương pháp cơ học thực nghiệm 35 1.3 Nội dung nghiên cứu .1 Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa mô đun cắt độngcủa các loại bitum ở Việt Nam .2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa mô đun cắt động của bitum và mô đun động của bê tông nhựa chặt ở Việt Nam.3 Nghiên cứu ảnh hưởng mô đun động của bê tông nhựa chặt tới đặc trưng khai thác của mặt đường mềm ở Việt Nam. 36 Kết Luận chương 1.

38 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÔ HÌNH 2S2P1D ĐỂ XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG CHỦ CỦA MÔ ĐUN CẮT ĐỘNG VÀ GÓC PHA CỦA MỘT SỐ LOẠI BITUM Ở VIỆT NAM. Lựa chọn vật liệu bitum. Xác định các chỉ tiêu vật lý của vật liệu bitum. Xác định mô đun cắt độngvà góc pha của bitum .1 Lựa chọn thiết bị thí nghiệm .2 Xác định các thông số thí nghiệm.1 Nhiệt độ thí nghiệm: .2 Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm .3 Kiểm soát biến dạng trong thí nghiệm.

Xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) của các loại bitum .1 Xác định mô hình để xây dựng các đường cong chủ của |G*| và góc pha (δb) của các loại bitum .1 Nhóm các mô hình toán học .2 Nhóm các mô hình cơ học. 46 Mô hình Huet. 48 Mô hình Huet-Sayegh .3 Lựa chọn mô hình để xây dựng Master curve (đường cong chủ) .2 Xây dựng đường cong chủ của mô đun cắt động và góc pha cho các loại bitum ở Việt Nam theo mô hình 2S2P1D .1 Xác định các thông số của mô hình 2S2P1D .2 Đánh giá chất lượng của mô hình dự báo .3 Xây dựng đường cong chủ của mô đun cắt động và góc pha cho các loại bitum ở Việt Nam theo mô hình 2S2P1D .4 So sánh các loại bitum với nhau trên cơ sở kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô hình 2S2P1D đã xây dựng .3 Đánh giá mác bitum theo tiêu chuẩn AASHTO M320. Xác định các chỉ tiêu của bitum phục vụ việc dự báo mô đun động của bê tông nhựa chặt trong điều kiện Việt Nam.1 Các mô hình dự báo mô đun động của BTN của Hoa Kỳ .1 Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive model) 57 2.2 Mô hình Witczak cải tiến .3 Mô hình Hirsch (Hirsch Model) .2 Các thông số của bitum phục vụ việc dự báo mô đun động của BTN.

Kết luận chương 2. 61 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ THỰC NGHIỆM GIỮA TÍNH CHẤT CỦA BITUM VÀ MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Ở VIỆT NAM. Lựa chọn vật liệu, cấp phối và thiết kế bê tông nhựa. Lựa chọn vật liệu bitum.

Đề xuất các loại bitum sử dụng trong nghiên cứu. Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu bitum. Lựa chọn cốt liệu và cấp phối thiết kế bê tông nhựa. Lựa chọn cốt liệu và bột khoáng.

Xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu. Lựa chọn cấp phối thiết kế hỗn hợp. Thiết kế bê tông nhựa. Thiết kế quy hoạch thí nghiệm.

Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp truyền thống và phương pháp Taguchi 74 3. Thiết kế thực nghiệm theo phương pháp giai thừa. Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp Taguchi. Áp dụng phương pháp Taguchi để thiết kế thiết kế thí nghiệm.

Phân tích độ nhạy của các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun động của bê tông nhựa 79 3. Phân tích độ nhạy. Phân tích độ nhạy cục bộ (OAT). Phân tích độ nhạy tổng thể (Global sensitive analysis, “GSA”).

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào ảnh hưởng tới |E*| theo các mô hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ. Mô hình Witczak ban đầu (Original Witczak). Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak).

Mô hình Hirsch. Xác định dạng phân bố của các biến đầu vào trong các mô hình dự báo |E*| 82 3.