Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam

-I- MỤC LỤC Danh mục hình ảnh, biểu đồ Danh mục các bảng Danh mục các chữ viết tắt MỞ ĐẦU........ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 6 1.1 Tổng quan đặc tính kháng lún vệt bánh xe và kháng mỏi của bê tông asphalt trong xây dựng mặt đƣờng ô tô ................................................................... 6 1.1.1 Các vấn đề chung .................................................................................... 6 1.1.2 Đặc tính kháng lún vệt bánh xe của bê tông asphalt .............................. 8 1.1.3 Đặc tính kháng mỏi của bê tông asphalt ............................................... 16 1.2 Các nghiên cứu về biện pháp cải thiện đặc tính kháng lún vệt bánh xe và đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam ...................... 23 1.2.1 Sử dụng sợi gia cƣờng .......................................................................... 24 1.2.2 Sử dụng bitum cải tiến .......................................................................... 28 1.3 Xác định vấn đề nghiên cứu ........................................................................ 30 1.4 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 31 1.5 Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................ 32 1.6 Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................... 32 CHƢƠNG 2. SỢI THỦY TINH VÀ KHẢ NĂNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH TRONG BÊ TÔNG ASPHALT ..................................................................... 34 2.1 Các nghiên cứu cơ bản về sợi thủy tinh và ứng dụng của sợi thủy tinh để gia cƣờng bê tông asphalt ...................................................................................... 34 2.1.1 Khái niệm và phân loại sợi thủy tinh .................................................... 34 2.1.2 Các đặc điểm và tính chất cơ bản của sợi thủy tinh để ứng dụng trong xây dựng công trình giao thông .......................................................................... 37 2.1.3 Đề xuất loại sợi thủy tinh sử dụng trong nghiên cứu ............................ 38 2.2 Vai trò sợi thủy tinh trong bê tông asphalt theo một số nghiên cứu trên thế giới 38 -II- 2.2.1 Vai trò sợi thủy tinh .............................................................................. 38 2.2.2 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến vai trò của sợi thủy tinh ........................ 44 2.3 Nghiên cứu thực nghiệm tính chất của sợi thủy tinh dự kiến sử dụng trong nghiên cứu .............................................................................................................. 46 2.3.1 Tính chất lý học của sợi thủy tinh ......................................................... 46 2.3.2 Tính chất cơ học của sợi thủy tinh ........................................................ 47 2.3.3 Hình thái sợi thủy tinh .......................................................................... 48 2.4 Kết luận Chƣơng 2 ....................................................................................... 49 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT RẢI NÓNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH (G- FRAC) 51 3.1 Thiết kế thành phần G-FRAC ...................................................................... 51 3.1.1 Trình tự thiết kế .................................................................................... 52 3.1.2 Lựa chọn vật liệu thành phần ................................................................ 54 3.1.3 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt .......................................................... 60 3.1.4 Nghiên cứu thực nghiệm ....................................................................... 65 3.1.5 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm ............................................. 74 3.2 Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của G-FRAC ........................ 77 3.2.1 Thí nghiệm lún vệt bánh xe (Wheel Tracking Test) ............................. 77 3.2.2 Phân tích đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe ............................. 82 3.3 Kết luận chƣơng 3 ....................................................................................... 89 CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT RẢI NÓNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH (G-FRAC ) ....... 90 4.1 Thí nghiệm mỏi ........................................................................................... 90 4.1.1 Mô hình thí nghiệm .............................................................................. 90 4.1.2 Mục đích thí nghiệm ............................................................................. 93 4.1.3 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm ......................................................... 93 4.1.4 Quá trình thí nghiệm ............................................................................. 95 4.1.5 Nghiên cứu thực nghiệm ....................................................................... 98 4.2 Phân tích đánh giá khả năng chống mỏi của G-FRAC ..............................100 4.2.1 Tuổi thọ mỏi........................................................................................102 -III- 4.2.2 Mô đun phức động và sự suy giảm độ cứng .......................................108 4.2.3 Độ lệch pha ứng suất biến dạng ..........................................................110 4.2.4 Đặc tính mỏi của vật liệu ....................................................................112 4.2.5 Ảnh hƣởng của sợi thủy tinh đến tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt thí nghiệm 116 4.2.6 Ảnh hƣởng của loại bitum đến tuổi thọ mỏi .......................................118 4.3 Kết luận chƣơng 4 .....................................................................................118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO -IV- DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1-1 Hình ảnh lún vệt bánh xe đoạn trƣớc cổng trƣờng ĐH GTVT .................... 9 Hình 1-2: Ba đặc trƣng hình dạng của cốt liệu: Hình dạng, Góc cạnh và Độ xù xì bề mặt [12] ..................................................................................................................... 10 Hình 1-3 Biểu đồ nhiệt độ cao nhất trong 10 năm (2001-2010) tại Hà Nội ............. 13 Hình 1-4 Nhiệt độ môi trƣờng và nhiệt độ mặt đƣờng Asphalt tại Hà Nội .............. 14 Hình 1-5 Ảnh hƣởng của nƣớc tới hỗn hợp bê tông asphalt ..................................... 16 Hình 1-6. Nứt do mỏi trên mặt đƣờng bê tông asphalt trên đƣờng Nguyễn Trãi – TP Hà Nội ....................................................................................................................... 17 Hình 1-7. Đƣờng đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau thực hiện bởi thí nghiệm uốn mỏi 4 điểm, khống chế biến dạng[69] ................................................................ 19 Hình 1-8. Đƣờng đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất [80] ....................................................................................................... 20 Hình 1-9 Nhiệt độ mặt đƣờng thấp nhất 6 năm ở Hà Nội ......................................... 21 Hình 2-1 Quá trình sản xuất sợi thủy tinh [23] ......................................................... 36 Hình 2-2 Sợi Thủy tinh loại C-Glass ........................................................................ 37 Hình 2-3 Đặc tính mỏi của G-FRAC ở các hàm lƣợng sợi thủy tinh khác nhau [49] ................................................................................................................................... 40 Hình 2-4: Quan hệ giữa hàm lƣợng sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi, [55] .............. 41 Hình 2-5: Quan hệ giữa độ bền chịu mỏi và tỷ lệ sợi, [55]....................................... 41 Hình 2-6 Sợi trong pha nền asphalt dƣới tác dụng lực P [44] .................................. 42 Hình 2-7 Biểu đồ ứng suất cắt và kéo của sợi trong pha nền asphalt theo mô hình « Slippage » .............................................................................................................. 43 Hình 2-8 Sợi phân tán trong Bê tông asphalt ............................................................ 44 Hình 2-9 Sợi 10mm ................................................................................................... 45 Hình 2-10 Sợi 20mm ................................................................................................. 45 Hình 2-11 Sợi 30mm ................................................................................................. 45 Hình 2-12 Đo đƣờng kính sợi thủy tinh .................................................................... 46 Hình 2-13: Hình thái bề mặt sợi thủy tinh theo phƣơng pháp EDX với tỷ lê phóng ×500 (trái) và ×2000 (phải) ....................................................................................... 48 Hình 2-14: Thành phần hóa học của sợi thủy tinh bằng phƣơng pháp EDX, (kết quả của một mẫu thí nghiệm ngẫu nhiên) ........................................................................ 49 Hình 3-1: Đƣờng cong cấp phối của hỗn hợp vật liệu khoáng sau khi phối trộn ..... 62 Hình 3-2 Mẫu thí nghiệm Marshall ........................................................................... 67 Hình 3-3 Thí nghiệm khối lƣợng thể tích ................................................................. 67 Hình 3-4 Đầm mẫu Marshall (trái) – Kích lấy mẫu Marshall (phải) ........................ 67 Hình 3-5 Thí nghiệm nén Marshall ........................................................................... 68 Hình 3-6 Thí nghiệm độ ổn định còn lại sau 24h...................................................... 68 -V- Hình 3-7 Quan hệ giữa hàm lƣợng bitum và 5 chỉ tiêu Marshall của G-FRAC 40-50 ................................................................................................................................... 69 Hình 3-8 Khoảng hàm lƣợng bitum thỏa mãn tất cả các chỉ tiêu đối với nhóm ....... 70 Hình 3-9 Quan hệ giữa hàm lƣợng bitum và các chỉ tiêu Marshall của nhóm G- FRAC PMBIII ........................................................................................................... 71 Hình 3-10 Khoảng hàm lƣợng bitum thỏa mãn tất cả các chỉ tiêu đối với nhóm ..... 72 Hình 3-11. Quan hệ giữa hàm lƣợng bitum lựa chọn và hàm lƣợng sợi của G-FRAC ................................................................................................................................... 74 Hình 3-12 Quan hệ giữa độ rỗng dƣ và hàm lƣợng sợi của G-FRAC ...................... 75 Hình 3-13 Quan hệ giữa độ ổn định Marshall và hàm lƣợng sợi của G-FRAC ....... 76 Hình 3-14 Quan hệ giữa độ dẻo Marshall và hàm lƣợng sợi của G-FRAC .............. 76 Hình 3-15 Trộn cốt liệu trong máy trộn .................................................................... 80 Hình 3-16 Đo nhiệt độ cốt liệu .................................................................................. 80 Hình 3-17 Trộn hỗn hợp asphalt ............................................................................... 80 Hình 3-18: Đúc mẫu bằng máy đầm lăn ................................................................... 80 Hình 3-19: Mẫu G-FRAC kích thƣớc 300mm×300mm×50mm ............................... 80 Hình 3-20: Thiết bị thí nghiệm vệt lún bánh xe mẫu vuông 300mm×300mm×50mm ................................................................................................................................... 81 Hình 3-21 Quan hệ giữa chiều sâu lún vệt bánh xe và hàm lƣợng sợi của G-FRAC PMBIII ...................................................................................................................... 83 Hình 3-22 Quan hệ giữa chiều sâu lún vệt bánh xe và hàm lƣợng sợi của G-FRAC 40-50 ......................................................................................................................... 83 Hình 3-23 Xu hƣớng lún của G-FRAC PMBIII và G-FRAC 40-50 ........................ 85 Hình 3-24 Quan hệ giữa hệ số kháng lún kKLi với hàm lƣợng sợi ............................ 86 Hình 4-1. Biến dạng đáy lớp móng bê tông asphalt dƣới tác dụng tải trọng xe chạy ................................................................................................................................... 91 Hình 4-2. Những sơ đồ tác dụng tải sử dụng trong thí nghiệm mỏi [38] ................. 91 Hình 4-3 Chƣơng trình và tín hiệu trong thí nghiệm uốn mỏi .................................. 92 Hình 4-4 Đo lực và chuyển vị trên mẫu .................................................................... 92 Hình 4-5 Thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm thực hiện trong buồng bảo ôn .................. 93 Hình 4-6 Kết cấu áo đƣờng giả định để tính ứng suất kéo ban đầu cho thí nghiệm . 95 Hình 4-7 Mô hình thí nghiệm mỏi [30] ..................................................................... 97 Hình 4-8 Đúc mẫu thí nghiệm mỏi ........................................................................... 98 Hình 4-9 Đầm mẫu thí nghiệm mỏi .......................................................................... 98 Hình 4-10 Mẫu tấm thí nghiệm ................................................................................. 98 Hình 4-11 Cắt mẫu .................................................................................................... 98 Hình 4-12 Mẫu dầm 400mmx50mmx50mm ............................................................ 98 Hình 4-13 Thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm ................................................................. 98 Hình 4-14. Đƣờng đặc tính mỏi và giá trị bền mỏi của vật liệu .............................101 -VI- Hình 4-15. Xác định tuổi thọ mỏi theo phƣơng pháp cổ điển ................................102 Hình 4-16 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC PMBIII theo phƣơng pháp cổ điển ............103 Hình 4-17 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC 40-50 theo phƣơng pháp cổ điển ...............103 Hình 4-18. Xác định tuổi thọ mỏi theo phƣơng pháp năng lƣợng ..........................106 Hình 4-19. Tuổi thọ mỏi theo phƣơng pháp năng lƣợng (thí nghiệm mỏi B1TT-II) .................................................................................................................................107 Hình 4-20. Tuổi thọ mỏi theo phƣơng pháp năng lƣợng và cổ điển .......................107 Hình 4-21. Sự giảm độ cứng trong thí nghiệm mỏi B1TT-II .................................108 Hình 4-22. Sự thay đổi của độ lệch pha trong quá trình thí nghiệm mỏi B1TT-II .110 Hình 4-23. Đƣờng đặc tính mỏi của B1PMB theo 2 phƣơng pháp: năng lƣợng và cổ điển ..........................................................................................................................113 Hình 4-24. Các đƣờng đặc tính mỏi của bê tông asphalt sử dụng bitum 40-50 .....113 Hình 4-25. Các đƣờng đặc tính mỏi của bê tông asphalt sử dụng bitum polyme PMB III ...................................................................................................................114 Hình 4-26. Sự thay đổi độ nhạy cảm mỏi theo hàm lƣợng sợi ...............................115 Hình 4-27. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi đến tuổi thọ mỏi của G-FRAC- 40-50 117 Hình 4-28. Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi đến tuổi thọ mỏi của G-FRAC- PMBIII .................................................................................................................................117 Hình 4-29. Ảnh hƣởng của loại bitum đến tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt .........118 -VII- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Phân loại sợi thủy tinh ............................................................................... 36 Bảng 2-2 Bảng đặc tính vật lý và cơ học của sợi thủy tinh [23] ............................... 38 Bảng 2-3 Kết quả đo đƣờng kính sợi thủy tinh ......................................................... 47 Bảng 2-4 Kết quả thí nghiệm đếm số sợi thủy tinh trong một tao sợi ...................... 47 Bảng 2-5 Kết quả đo độ bền kéo đứt, độ giãn đứt và mô đun đàn hồi của sợi thủy tinh ............................................................................................................................. 48 Bảng 2-6 Thành phần hóa học của sợi thủy tinh ....................................................... 48 Bảng 3-1: Bảng ký hiệu các loại G-FRAC tƣơng ứng với loại bitum, tỷ lệ sợi. ...... 53 Bảng 3-2 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm theo tiêu chuẩn hiện hành ........... 55 Bảng 3-3. Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của cát với tiêu chuẩn hiện hành ................... 57 Bảng 3-4 Các chỉ tiêu cơ lý của bitum PMBIII ........................................................ 58 Bảng 3-5. Các chỉ tiêu cơ lý của bitum thƣờng 40-50 .............................................. 59 Bảng 3-6 Đặc tính kỹ thuật sợi thủy tinh loại C ....................................................... 59 Bảng 3-7: Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu của G-FRAC .............................. 60 Bảng 3-8: Kết quả phân tích thành phần hạt của từng cốt liệu thành phần .............. 61 Bảng 3-9: Kết quả tính toán tỷ lệ phối trộn các cốt liệu thành phần ......................... 61 Bảng 3-10: Kiểm tra thành phần hỗn hợp vật liệu khoáng sau khi phối trộn với yêu cầu của tiêu chuẩn hiện hành .................................................................................... 61 Bảng 3-11 Kế hoạch đúc mẫu thực nghiệm xác định hàm lƣợng bitum thiết kế ...... 65 Bảng 3-12 Kế hoạch đúc mẫu thực nghiệm kiểm tra yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC ................................................................................................................................... 66 Bảng 3-13 Kết quả lựa chọn hàm lƣợng bitum ......................................................... 73 Bảng 3-14 Bảng kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC PMBIII ..................... 73 Bảng 3-15 Kết quả kiểm tra yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC 40-50 .......................... 74 Bảng 3-16 Kế hoạch thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe ............................................................................................................................... 82 Bảng 3-17 Kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe......................................................... 82 Bảng 4-1 Các thông số đầu vào của thí nghiệm mỏi ................................................ 95 Bảng 4-2 Kế hoạch thí nghiệm uốn mỏi ................................................................... 99 Bảng 4-3 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC ........................................................................ 99 Bảng 4-4. Mô đun phức động của các loại G-FRAC thí nghiệm (10°C, 10Hz) .....109 Bảng 4-5. Độ lệch pha ứng suất biến dạng của các loại G-FRAC thí nghiệm (10°C, 10Hz) .......................................................................................................................111 Bảng 4-6 Các hệ số đƣờng đặc tính mỏi của các G-FRAC thí nghiệm (10oC, 10Hz) .................................................................................................................................114 -VIII- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO: Hiệp hội những ngƣời làm vận tải và đƣờng bộ Hoa Kỳ (American Association of State Highway and Transportation Officials) ASM Handbook : Sổ tay hiệp hội quốc gia Hoa kỳ về kim loại (American Society for Metals) ASTM: Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Mỹ (American Society for Testing and Materials) Blc: Hàm lƣợng bitum lựa chọn BS EN: Tiêu chuẩn Anh, Châu Âu (British standards, European Union standards) CRT-SA4PT-BB: Thiết bị uốn mỏi bốn điểm (Stand Alone Four Point Bending Beam Machine) CRT-TCC: Buồng bảo ôn (Temperature controlled cabinet) CSGT ĐB-ĐS : Cục Cảnh sát gia