Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí khu vực nam bộ đến thiết kế và khai thác kết cấu áo đường bê tông nhựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VĂN THIỆN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ KHU VỰC NAM BỘ ĐẾN THIẾT KẾ VÀ KHAI THÁC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN VĂN THIỆN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ KHU VỰC NAM BỘ ĐẾN THIẾT KẾ VÀ KHAI THÁC KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã số: 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS.TS. TRẦN THỊ KIM ĐĂNG 2: TS. NGUYỄN THỐNG NHẤT HÀ NỘI - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các kết quả, số liệu, công thức, đề nghị và phương trình mới lập của tôi nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, ngoài những bài báo, nghiên cứu khoa học mà tôi và những người cùng nghiên cứu đã công bố. Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã chú thích và liệt kê trong phần tài liệu tham khảo kết quả nghiên cứu, các công thức và các phần mềm ứng dụng của các tác giả khác. Hà Nội, ngày ....... tháng ....... năm 20.... Tác giả Trần Văn Thiện ii LỜI CẢM ƠN Tôi vô cùng biết ơn Phó Giáo sư - Tiến sĩ Trần Thị Kim Đăng và Tiến sĩ Nguyễn Thống Nhất đã hướng dẫn tận tính trong quá trình nghiên cứu các chuyên đề, thí nghiệm đến khi hoàn thành luận án và bảo vệ luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình cùng những đóng góp to lớn của Phó Giáo sư – Tiến sĩ Lã Văn Chăm, Giáo sư – Tiến sĩ Bùi Xuân Cậy, Giáo sư – Tiến sĩ Phạm Duy Hữu, Phó Giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Văn Hùng, Phó Giáo sư – Tiến sĩ Vũ Đức Chính, Phó Giáo sư – Tiến sĩ Nguyễn Hữu Trí, Tiến sĩ Nguyễn Quang Phúc, Tiến sĩ Phạm văn Hùng, Thạc sĩ Ngô Ngọc Quí, Kỹ sư Nguyễn Khuê, Thạc sĩ Nguyễn Cao Tân, Thạc sĩ Võ Văn Thảo, các em sinh viên tham gia thí nghiệm cùng tất cả thầy cô trong hội đồng bảo vệ các chuyên đề và seminar đã đóng góp nhiều ý kiến để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn trường Đại học Giao thông Vận tải, Bộ môn Đường Bộ, phòng Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được nghiên cứu, thực nghiệm và hoàn thành luận án. Xin cảm ơn trường Đại học Văn Lang, gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu. Chân thành cảm ơn ! Tác giả iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan ............................................................................................................... i Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii Mục lục ...................................................................................................................... iii Ký hiệu thường dùng và đơn vị sử dụng trong luận án ............................................ vii Danh mục các bảng ................................................................................................... ix Danh mục các hình, ảnh ............................................................................................ xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ ẢNH HƯỞNG YẾU TỐ NHIỆT TRONG THIẾT KẾ KHAI THÁC ................................. 6 1.1. Những vấn đề chung về mặt đường bê tông nhựa và ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ tới khả năng làm việc ......................................................................................... 6 1.1.1. Kết cấu mặt đường bê tông nhựa .................................................................. 6 1.1.2 Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt tới khả năng làm việc của mặt đường bê tông nhựa ..................................................................................................................... 7 1.1.3. Nhiệt độ thiết kế trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm ...... 10 1.2. Các nghiên cứu liên quan đến nhiệt độ đối với mặt đường bê tông nhựa ......... 14 1.2.1 Các nghiên cứu của nước ngoài về nhiệt độ khai thác của mặt đường bê tông nhựa .......................................................................................................... 14 1.2.2 Các nghiên cứu của nước ngoài về vật liệu và công nghệ giảm nhiệt của mặt đường bê tông nhựa ................................................................................... 18 1.2.3. Một số nghiên cứu quá trình hạ nhiệt của bê tông nhựa nóng trong thời gian thi công ..................................................................................................... 21 1.2.4. Các nghiên cứu trong nước về nhiệt độ của mặt đường bê tông nhựa ...... 23 1.3. Đánh giá- đặt vấn đề nghiên cứu ........................................................................ 30 1.3.1 Đánh giá ....................................................................................................... 30 1.3.2. Đặt vấn đề nghiên cứu ................................................................................ 32 CHƯƠNG 2: THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM KHU VỰC NAM BỘ ........................................................................................ 34 2.1. Các yếu tố khí hậu có ảnh hưởng đến nhiệt độ mặt đường ............................... 34 iv 2.1.1. Trao đổi nhiệt giữa lớp bê tông nhựa mặt đường và môi trường xung quanh ................................................................................................................. 34 2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ không khí: .......................................... 36 2.2. Khu vực Nam bộ trong phân vùng khí hậu đường sá Việt Nam ....................... 37 2.2.1. Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên của khu vực Nam bộ ............................. 37 2.2.2. Khu vực Nam Bộ trong phân vùng khí hậu đường sá Việt Nam ................ 38 2.3. Đặc điểm mạng lưới đường bộ và điều kiện nhiệt độ khu vực Nam bộ ............ 41 2.3.1. Mạng lưới giao thông khu vực Nam bộ ...................................................... 41 Đặc điểm mạng lưới đường bộ khu vực Nam bộ.................................................. 41 2.4. Thu thập và phân tích dữ liệu điều kiện khí hậu khu vực Nam bộ .................... 42 2.4.1. Thu thập dữ liệu Nhiệt độ khu vực Nam bộ ............................................... 42 2.4.2. Phân tích dữ liệu nhiệt độ tại khu vực Nam bộ .......................................... 45 2.5. Kết luận .............................................................................................................. 64 CHƯƠNG: 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC YẾU TỐ THỜI TIẾT VÀ NHIỆT ĐỘ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA KHU VỰC NAM BỘ ......................................................................................................... 66 3.1. Lựa chọn hiện trường và phương pháp theo dõi thu thập số liệu nhiệt độ mặt đường và các yếu tố khí hậu ảnh hưởng ........................................................ 66 3.1.1 Lựa chọn hiện trường ................................................................................... 66 3.1.2. Phương pháp theo dõi thu thập số liệu nhiệt độ mặt đường và các yếu tố ảnh hưởng ......................................................................................................... 68 3.1.3. Mô hình thống kê và xử lý số liệu .............................................................. 70 3.2. Nghiên cứu thực nghiệm - tổng hợp số liệu thực nghiệm ................................. 74 3.2.1. Nghiên cứu thực nghiệm - tổng hợp số liệu thực nghiệm .......................... 74 3.2.2. Nhận xét ...................................................................................................... 76 3.2.3. Theo dõi quá trình hạ nhiệt hỗn hợp bê tông nhựa nóng trong quá trình thi công ................................................................................................................... 76 3.3. Xây dựng phương trình quan hệ giữa nhiệt độ mặt đường và các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình khai thác ............................................................................ 79 3.3.1. Nhiệt độ mặt đường phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ không khí, độ ẩm và tốc độ gió ..................................................................................................... 80 v 3.3.2. Nhận xét ...................................................................................................... 86 3.3.3. Phương trình liên hệ giữa nhiệt độ bê tông nhựa (T), nhiệt độ không khí (Tkk ) và độ ẩm không khí (W) ................................................................... 87 3.3.4. Bảng đối chứng nhiệt độ đo thực tế và nhiệt độ tính từ công thức ............. 89 3.3.5. Diễn biến giảm nhiệt độ trong quá trình thi công bê tông nhựa mặt đường ................................................................................................................ 93 3.4. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 95 CHƯƠNG 4 CÁC ĐỀ XUẤT YẾU TỐ NHIỆT TRONG THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG VÀ QUẢN LÝ KHAI THÁC MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA .... 98 4.1. Đề xuất nhiệt độ tính toán kết cấu áo đường mềm theo tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 211 - 06 trong điều kiện khí hậu Nam bộ ................................................ 98 4.1.1. Nhiệt độ tính toán cắt trượt của lớp bê tông nhựa mặt đường: ................... 98 4.1.1. Tính độ võng của lớp bê tông nhựa mặt đường: ....................................... 100 4.1.2. Tính nứt mỏi của lớp bê tông nhựa mặt đường: ...................................... 102 4.2. Đề xuất áp dụng Superpave trong điều kiện khí hậu Nam bộ ......................... 103 4.2.1. Nhiệt độ thiết kế ........................................................................................ 103 4.2.2. Nhiệt độ ảnh hưởng đến hư hỏng biến dạng vĩnh cửu của bê tông nhựa mặt đường theo Superpave tại khu vực Nam bộ ............................................ 104 4.2.3. Nhiệt độ ảnh hưởng đến hư hỏng do mỏi tương đương của bê tông nhựa mặt đường theo Superpave tại khu vực Nam bộ ............................................ 106 4.3. Đề xuất kiểm soát thời gian lu lèn và thời gian đưa lớp mặt mới rải vào khai thác ...................................................................................................................... 107 4.3.1. Nhiệt độ cho phép thông xe trên thế giới: ................................................ 107 4.3.2. Nhiệt độ cho phép thông xe ở Việt Nam .................................................. 107 4.3.3. Đề xuất kiểm soát thời gian lu lèn và thời gian đưa lớp mặt mới rải vào khai thác .......................................................................................................... 107 4.3.4. Kết luận chương 4 .................................................................................... 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 109 5.1. Các kết quả nghiên cứu chính .......................................................................... 109 5.1.1 Thu thập, xử lý, tính ra các giá trị nhiệt độ cao nhất, trung bình, thấp nhất của khu vực Nam bộ ............................................................................... 109 vi 5.1.2. Xây dựng phương trình quan hệ giữa nhiệt độ bê tông nhựa mặt đường, nhiệt độ không khí và các yếu tố ảnh hưởng .................................................. 109 5.1.3. Kiến nghị nhiệt độ tính toán kết cấu áo đường bê tông nhựa và thời gian lu lèn và thời gian thông xe thi công lớp mặt đường bê tông nhựa nóng ....... 110 5.2. Các điểm mới của luận án ............................................................................... 111 5.3. Hạn chế của luận án ........................................................................................ 112 5.4. Hướng nghiên cứu tiếp .................................................................................... 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................................. 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 114 vii KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG VÀ ĐƠN VỊ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN KÝ HIỆU THỨ NGUYÊN Ý NGHĨA T oC Nhiệt độ vật liệu Tmđ oC Nhiệt độ bề mặt mặt đường bê tông nhựa T2cm oC Nhiệt độ bê tông nhựa ở độ sâu 2cm T5cm oC Nhiệt độ bê tông nhựa ở độ sâu 5cm T7cm oC Nhiệt độ bê tông nhựa ở độ sâu 7cm T12cm oC Nhiệt độ bê tông nhựa ở độ sâu 12cm Th oC Nhiệt độ bê tông nhựa ở độ sâu H Tkk oC Nhiệt độ không khí kk caoT oC Nhiệt độ không khí cao kk TBT oC Nhiệt độ không khí trung bình kk thapT oC Nhiệt độ không khí thấp Teff(PD) oC Nhiệt độ ảnh hưởng biến dạng phá hoại vĩnh cửu Teff(FC) oC Nhiệt độ ảnh hưởng phá hoại mỏi tương đương ĐV ttT oC Nhiệt độ tính toán cường độ theo độ võng đàn hồi CT ttT oC Nhiệt độ tính toán theo điều kiện cân bằng trượt N ttT oC Nhiệt độ tính toán theo điều kiện nứt mỏi kk caoDNBT oC Nhiệt độ cao ở Đông Nam bộ kk TBDNBT oC Nhiệt độ trung bình ở Đông Nam bộ kkMK TBDNBT oC Nhiệt độ trung bình mùa khô ở Đông Nam bộ kkMM TBDNBT oC Nhiệt độ trung bình mùa mưa ở Đông Nam bộ kk thapDNBT oC Nhiệt độ thấp mùa khô ở Đông Nam bộ kk caoTNBT oC Nhiệt độ cao ở Tây Nam bộ kk TBTNBT oC Nhiệt độ trung bình ở Tây Nam bộ kkMK TBTNBT oC Nhiệt độ trung bình mùa khô ở Tây Nam bộ kkMM TBTNBT oC Nhiệt độ trung bình mùa mưa ở Tây Nam bộ kk thapTNBT oC Nhiệt độ thấp mùa khô ở Tây Nam bộ H Mm Độ sâu trong bê tông nhựa mặt đường viii KÝ HIỆU THỨ NGUYÊN Ý NGHĨA W % Độ ẩm môi trường kk caoW % Độ ẩm môi trường cao kk TBW % Độ ẩm môi trường trung bình kk thapW % Độ ẩm môi trường thấp V m/s Vận tốc gió E Mpa Mô đun đàn hồi St,T Mpa Mô đun độ cứng σ Mpa Ứng suất tác dụng ε M Biến dạng Rku Mpa Cường độ kéo uốn ix DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1. Các đặc trưng tính toán của bê tông nhựa và hỗn hợp đá nhựa ..... 11  Bàng 1.2. Mô đun đàn hồi tính toán của bê tông nhựa chặt sử dụng bitum đặc 40/60 và 60/90 trong tiêu chuẩn thiết kế mặt đường của CHLB Nga ...................................................................................... 13  Bảng 1.3. Mô đun đàn hồi tính toán của bê tông nhựa theo tiêu chuẩn của Pháp ......................................................................................... 14  Bảng 1.4. Tên gọi và hỗn hợp vật liệu ............................................................ 19  Bảng 1.5. Hệ số truyền nhiệt ........................................................................... 26  Bảng 1.6. Hệ số αd phụ thuộc vào tn,max, Zmax, Tmđường .................................... 27  Bảng 1.7. Các trị số tđđ tùy thuộc vào loại đất ............................................... 28  Bảng 2.1. Số liệu nhiệt độ không khí trạm khí tượng Tân Sơn Hòa năm 2012 ...................................................................................... 43  Bảng 2.2. Số liệu nhiệt độ không khí trạm Cần Thơ năm 2012 ..................... 44  Bảng 2.3. Nhiệt độ không khí cao nhất 7 ngày hàng năm của 21 năm ở trạm Tân Sơn Hòa-thành phố Hồ Chí Minh và trạm cần Thơ- thành phố Cần Thơ .......................................................................... 46  Bảng 2.4. Nhiệt độ không khí cao nhất từ năm 1995 đến 2015 của trạm Tân Sơn Hòa ................................................................................... 52  Bảng 2.5. Nhiệt độ không khí trung bình tháng của trạm Tân Sơn Hòa Thành phố Hồ Chí Minh ................................................................. 53  Bảng 2.6. Nhiệt độ không khí thấp theo tháng của 21 năm của trạm Tân Sơn Hòa Thành phố Hồ Chí Minh ................................................. 54  Bảng 2.7. Nhiệt độ không khí thấp nhất từ năm 1995 đến 2015 của trạm Tân Sơn Hòa ................................................................................... 55  Bảng 2.8. Nhiệt độ không khí cao nhất từ năm 1995-2015 của trạm Cần Thơ, thành phố Cần Thơ ................................................................. 57  Bảng 2.9. Nhiệt độ không khí trung bình tháng của 21 năm ở trạm Cần Thơ, thành phố Cần Thơ ................................................................. 58  Bảng 2.10. Nhiệt độ không khí thấp tháng của 21 năm ở trạm Cần Thơ, thành phố Cần Thơ .......................................................................... 59  x Bảng 2.11. Nhiệt độ không khí thấp từ 1995 đến 2015 ở trạm Cần Thơ, thành phố Cần Thơ .......................................................................... 60  Bảng 2.14. Nhiệt độ không khí cao nhất trung bình tháng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh và Cần Thơ ( QCVN 02:2009 BXD) ...... 62  Bảng 2.15. Nhiệt độ không khí trung bình tháng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh và Cần Thơ (QCVN 02:2009 BXD) ............................... 63  Bảng 2.16. Nhiệt độ không khí thấp nhất trung bình tháng của khu vực thành phố Hồ Chí Minh và Cần Thơ (QCVN 02:2009 BXD) ........ 63  Bảng 2.17. Độ ẩm tương đối trung bình của khu vực TP.Hồ Chí Minh và Cần Thơ (QCVN 02:2009 BXD) ..................................................... 63  Bảng 2.18. Độ ẩm tương đối thấp nhất của khu vực TP.Hồ Chí Minh và Cần Thơ (QCVN 02:2009 BXD) ................................................... 64  Bảng 3.1. Kế hoạch khảo sát nhiệt độ không khí, nhiệt độ trong bê tông nhựa, độ ẩm và tốc độ gió ............................................................... 74  Bảng 3.2. Nhiệt độ không khí, nhiệt độ bề mặt mặt đường, sâu 5cm, sâu 7cm và độ ẩm không khí ở Bình Thạnh, TP. Hồ Chí Minh ngày 01/11/2016 ...................................................................................... 89  Bảng 3.3. Nhiệt độ không khí, nhiệt độ bề mặt mặt đường, sâu 5cm, sâu 7cm và độ ẩm không khí tính bằng công thức (3.1), (3.2) và (3.3) 90  Bảng 3.4. Bảng so sánh giá trị nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ ở độ sâu 2cm đo được và giá trị tính theo công thức (3.1), (3.2) và (3.3) .... 91  Bảng 3.5. Bảng so sánh giá trị nhiệt độ ở độ sâu 5cm và nhiệt độ ở độ sâu 7cm đo được và giá trị tính theo công thức (3.2) và (3.3) .............. 92  Bảng 4.1. Nhiệt độ tính toán cắt trượt của mặt đường bê tông nhựa ............ 100  Bảng 4.2. Nhiệt độ tính toán độ võng của mặt đường bê tông nhựa ............ 101  Bảng 4.3. Nhiệt độ tính toán nứt mỏi của mặt đường bê tông nhựa ............. 103  Bảng 4.4. Độ tin cậy và Kα tương ứng .......................................................... 105  xi DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1. Kết cấu nền và áo đường ............................................................................. 7  Hình 1.2. Biến dạng của mặt đường bê tông nhựa ...................................................... 8  Hình 1.3. Quan hệ giữa nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ không khí ......................... 16  Hình 1.4. Biến thiên theo giờ nhiệt độ không khí, độ ẩm, nhiệt độ bê tông nhựa .... 18  Hình 1.5. Đồ thị biến thiên nhiệt độ từ 19/8 - 21/8/2014 ở hiện trường 1 ................ 20  Hình 1.6. Đường cong hạ nhiệt của lớp bê tông nhựa mới rải ................................. 22  Hình 1.7. Đối chứng số liệu đo thực tế và giá trị tính toán theo mô hình ở 2 hiện trường ....................................................................................................... 23  Hình 1.8. Sơ đồ đổi bề dày theo điều kiện tương đương về nhiệt lượng .................. 26  Hình 1.9. Sơ đồ đổi bề dày tương đương theo điều kiện tương đương nhiệt độ ...... 28  Hình 2.1 Trao đổi nhiệt giữa bê tông nhựa và môi trường xung quanh ................... 35  Hình 2.2. Bản đồ