Luận án Nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- NGUYỄN VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA CỠ NHỎ KHI SỬA CHỮA ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội –2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- NGUYỄN VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA CỠ NHỎ KHI SỬA CHỮA ĐƯỜNG Ô TÔ Ở VIỆT NAM Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 95.20.11.6 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1: PGS. TS. NGUYỄN BÍNH 2: TS. NGUYỄN HỮU CHÍ Hà Nội – 01/2024 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. NGƯT. Nguyễn Bính và TS. Nguyễn Hữu Chí – Bộ môn Máy xây dựng-Xếp dỡ, Trường Đại học Giao thông Vận tải đã hướng dẫn, động viên giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo tại Bộ môn Máy xây dựng Xếp dỡ, các nhà khoa học của Trường Đại học Giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Xây dựng, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, Phân hiệu Đại học Giao thông Vận tải tại Tp Hồ Chí Minh... đã giúp đỡ và góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án của mình. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Cơ khí, Phòng Khoa học công nghệ, Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải cùng các phòng ban chức năng trong Nhà trường đã tạo điều kiện vật chất giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để đạt được kết quả mong muốn. Xin trân trọng cảm ơn tới Lãnh đạo Công ty cổ phần đầu tư HSB và Công ty TNHH Kỹ thuật Quang Nhật, Công ty Cổ phần UTC2 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện đo đạc thực nghiệm thiết bị tại hiện trường để hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình tôi đã động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều về mặt thời gian, ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần để giúp tôi hoàn thành luận án này. NGUYỄN VĂN DŨNG ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu xác định các thông số làm việc hợp lý của máy đốt nóng mặt đường Bê tông nhựa cỡ nhỏ khi sửa chữa đường ô tô ở Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tất cả những nội dung tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Tác giả luận án Nguyễn Văn Dũng iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................... iii BẢNG THỨ NGUYÊN VÀ KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ ........................................ vi BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................... vii MỤC LỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................... 6 1.1. Tổng quan về những hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa .................................. 6 1.1.1. Các biến dạng nứt mặt đường bê tông nhựa ........................................................ 6 1.1.2. Các hư hỏng bề mặt lớp bê tông nhựa ................................................................. 8 1.2. Giới thiệu về công nghệ và máy sửa chữa mặt đường ........................................... 9 1.2.1. Công nghệ sửa chữa mặt đường BTN ................................................................. 9 1.2.2. Giới thiệu về các máy đốt nóng cỡ nhỏ trên thế giới và Việt Nam ................... 12 1.2.3. Giới thiệu về máy đốt nóng MĐN.01 chế tạo tại Việt Nam.............................. 14 1.3.1. Xác định khoảng nhiệt độ cần thiết để đốt nóng mặt đường. ............................ 16 1.3.2. Xác định chiều sâu cần đốt nóng. ...................................................................... 19 1.4. Điều kiện biên về môi trường ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt ................. 21 1.4.1. Xác định nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa mặt đường trước khi đốt nóng ........ 21 1.4.2. Điều kiện biên về độ ẩm và gió. ........................................................................ 22 1.5. Tổng quan các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nước có liên quan đến luận án. ................................................................................................................................ 23 1.5.1. Các công trình nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt trong bê tông nhựa ......... 23 1.5.2 Các công trình nghiên cứu các thông số đặc trưng ngọn lửa khí gas trong khoang cháy .............................................................................................................................. 31 1.5.3. Các công trình nghiên cứu về xác định thông số làm việc của máy đốt nóng mặt đường ........................................................................................................................... 35 1.5.4. Phân tích và nhận xét về các công trình nghiên cứu đã công bố đối với máy đốt nóng mặt đường ........................................................................................................... 43 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................................................ 45 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ ĐẶC TRƯNG NGỌN LỬA TRONG KHOANG CHÁY ...................... 46 2.1. Các giả thiết khoa học và phạm vi xây dựng mô hình bài toán ........................... 46 iv 2.2. Mô hình vật lý của bài toán truyền nhiệt .............................................................. 46 2.3. Mô hình toán các giai đoạn truyền nhiệt .............................................................. 47 2.3.1. Truyền nhiệt bức xạ từ tấm đốt nóng xuống mặt đường ................................... 47 2.3.2. Truyền nhiệt đối lưu .......................................................................................... 49 2.3.3. Truyền nhiệt trong các lớp bê tông nhựa ........................................................... 50 2.4. Mô hình tính toán ngọn lửa trong khoang cháy ................................................... 58 2.4.1. Xác định đặc tính của ngọn lửa ......................................................................... 58 2.4.2. Tính toán chiều dài ngọn lửa khí cháy .............................................................. 58 2.4.3. Tính toán nhiệt độ ngọn lửa trong khoang cháy ................................................ 61 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................................ 63 CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG THÔNG QUA NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT VÀ LÝ THUYẾT CHÁY .................................................................................................. 64 3.1. Xác định kích thước tấm đốt nóng ....................................................................... 64 3.1.1. Cơ sở xác định kích thước của tấm đốt nóng .................................................... 64 3.1.2. Xác định kích thước tấm đốt nóng mặt đường .................................................. 64 3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ của tấm đốt nóng và thời gian truyền nhiệt ......................... 65 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt lượng và khoảng cách truyền nhiệt của máy ..................... 69 3.4. Mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trong lớp bê tông nhựa ....................................... 71 3.5. Xác định các thông số kết cấu của khoang cháy .................................................. 74 3.5.1. Đặc điểm cấu tạo khoang cháy .......................................................................... 74 3.5.2. Tính toán thông số nhiệt của ngọn lửa .............................................................. 74 3.5.3. Xác định áp suất và lưu lượng khí cháy hợp lý ................................................. 77 3.5.4. Xác định suất tiêu hao nhiên liệu của máy đốt nóng mặt đường. ..................... 79 3.5.5 Mô phỏng các thông số của ngọn lửa trong khoang cháy của máy đốt nóng .... 80 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................................ 84 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT HỢP LÝ CỦA MÁY ĐỐT NÓNG MẶT ĐƯỜNG. .................................... 85 4.1. Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm ................................................................ 85 4.2. Vật liệu nghiên cứu thực nghiệm ......................................................................... 85 4.3. Quy trình tiến hành thực nghiệm .......................................................................... 86 4.3.1 Các bước tiến hành thực nghiệm ........................................................................ 86 4.3.2. Sơ đồ khối tiến hành đo đạc thực nghiệm ......................................................... 88 4.4. Máy và thiết bị phục vụ thực nghiệm ................................................................... 89 v 4.4.1. Máy đốt nóng mặt đường bằng bức xạ hồng ngoại ........................................... 89 4.4.2. Thiết bị đo nhiệt độ mặt đường ........................................................................ 89 4.4.3. Các máy và dụng cụ lấy mẫu BTN .................................................................... 91 4.4.4. Thiết bị mô phỏng và đo tốc độ gió môi trường ................................................ 91 4.4.5. Phương pháp xác định tiêu hao nhiên liệu ........................................................ 92 4.4.6. Phương pháp thay đổi khoảng cách truyền nhiệt .............................................. 92 4.4.7. Phương án đặt thiết bị đo nhiệt độ ..................................................................... 93 4.4.8. Phương án kết nối đầu đo nhiệt độ với máy tính có cài đặt phần mềm đo ....... 94 4.5. Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật của máy đến quá trình đốt nóng mặt đường ..................................................................................................... 95 4.5.1. Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ tấm đốt nóng Tm oC ................ 95 4.5.2. Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng vận tốc gió môi trường ............................. 101 4.5.3. Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách truyền nhiệt ................... 103 4.6. Xác định các thông số kỹ thuật hợp lý của máy đốt nóng mặt đường bằng quy hoạch thực nghiệm ..................................................................................................... 105 4.6.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu ................................................... 105 4.6.2. Phát biểu mô hình của bài toán tối ưu ............................................................. 111 4.6.3. Xác định vùng nghiên cứu ............................................................................... 111 4.6.4. Kế hoạch thực nghiệm bậc 1 ........................................................................... 112 4.6.5. Thực nghiệm đa yếu tố .................................................................................... 114 4.6.6. Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu xác định chế độ đốt nóng ...................... 124 4.7. Đánh giá sản phẩm máy MĐN.01 được chế tạo theo kết quả nghiên cứu của luận án ............................................................................................................................... 128 4.7.1. Giới thiệu cấu tạo của máy MĐN.01 ............................................................... 128 4.7.2. Thông số vận hành máy đốt nóng.................................................................... 130 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .......................................................................................... 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 134 I. Kết luận .................................................................................................................. 134 II. Kiến nghị ............................................................................................................... 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................. 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 138 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 144 vi BẢNG THỨ NGUYÊN VÀ KÝ HIỆU CÁC THÔNG SỐ Ký hiệu Thông số Thứ nguyên ti Nhiệt độ oC b Chiều dày lớp BTN mm λ Độ nhớt Blookfield của BTN Pa.s υ Độ nhớt động của khí cháy m/s2 v Tốc độ m/s, m/phút Q Nhiệt lượng kW/h K Độ dẫn nhiệt W/m.K ~Kcal/m.h.oC h Hệ số tỏa nhiệt W/m2 .oC S Hệ số hiệu chuẩn của đầu dò thông lượng nhiệt (W/m2)/V ρ Mật độ vật liệu kg/m3 C Công suất nhiệt kJ/kg.K Cp Nhiệt dung riêng J/kg.oC J Bức xạ mặt trời W/m2 σ Hệ số Stefan-Boltzman W/(m2.K4) vt Tốc độ truyền nhiệt W/(m2 .K) ω Độ ẩm % W Mức tiêu thụ nhiên liệu kg/h q Mật độ dòng nhiệt W/m2 a Khoảng cách truyền nhiệt cm �̇�f Lưu lượng khí cháy kg/s Lf Chiều dài ngọn lửa cm vii BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Ngành TCN Tư vấn giám sát TVGS Quy chuẩn Việt Nam QCVN Tài liệu TL Truyền nhiệt TN Bê tông nhựa BTN Bê tông nhựa nóng BTNN Bê tông nhựa chặt BTNC Vật liệu VL Sản phẩm SP Đốt nóng mặt đường ĐNMĐ Sửa chữa mặt đường SCMĐ Phần tử hữu hạn PTHH Giao thông Vận tải GTVT Dự Án DA Chỉ dẫn kỹ thuật CDKT Cộng Hoà Liên Bang CHLB Response surface methodology RSM viii MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt dọc mặt đường .............................. 6 Bảng 1.2. Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt ngang mặt đường .......................... 7 Bảng 1.3. Bảng thống kê các dạng số liệu vết nứt dạng lưới mặt đường ..................... 8 Bảng 1.4. Thông số kỹ thuật của một số dòng máy đốt nóng điển hình trên thế giới 12 Bảng 1.5. Nhiệt độ quy định của hỗn hợp BTN tương ứng với giai đoạn thi công .. 17 Bảng 1.6. Nhiệt độ các khâu sản xuất và thi công BTN chặt (oC) ............................. 17 Bảng 1.7. Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt (BTNC) .............................. 19 Bảng 1.8. Giá trị nhiệt dung của BTN theo nhiệt độ và loại BTN mặt đường ........... 20 Bảng 1.9. Giá trị tỷ trọng của các loại BTNC ............................................................ 20 Bảng 1.10. Các thông số truyền nhiệt của mặt đường BTN ....................................... 21 Bảng 1.11. Vận tốc gió trung bình tháng nóng nhất Vtb và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt ngoài αđl ..................................................................................................... 23 Bảng 2.1. Hệ số bức xạ của các loại vật liệu khác nhau ............................................ 49 Bảng 2.2. Nhiệt độ tại các nút ở những thời điểm xét P=1÷15; bước thời gian Δτ = 30 .................................................................................................................................... 55 Bảng 3.1. Xác định kích thước của tấm đốt nóng theo kích thước hư hỏng mặt đường...........................................................................................65 Bảng 3.2. Giá trị nhiệt độ và mật độ dòng nhiệt theo các thời điểm đốt nóng ........... 66 Bảng 3.3. Giá trị nhiệt độ lớp BTN bề mặt và dòng nhiệt theo thời gian gia nhiệt ... 67 Bảng 3.4. Giá trị nhiệt độ lớp BTN T5 và dòng nhiệt bức xạ, theo thời gian gia nhiệt .................................................................................................................................... 68 Bảng 3.5. Giá trị nhiệt lượng bức xạ phụ thuộc vào khoảng cách truyền nhiệt ......... 69 Bảng 3.6. Giá trị nhiệt lượng, theo khoảng cách truyền nhiệt được xác định ........... 70 Bảng 3.7. Các thông số vật lý đặt trưng của khí nhiên liệu và vật liệu khoang cháy 81 Bảng 4.1. Thông số thiết bị đo nhiệt độ mặt đường..90 Bảng 4.2. Thông số nhiệt kế hồng ngoại .................................................................... 91 Bảng 4.3. Thông số máy cắt mặt đường BTN ............................................................ 91 Bảng 4.4. Thông số quạt gió công nghiệp .................................................................. 92 Bảng 4.5. Mức và khoảng biến thiên các yếu tố đầu vào dạng bậc 1 ...................... 112 Bảng 4.6. Giá trị Z1, Z2, Z3 được chạy ngẫu nhiên từ phần mềm Minitab 21 .......... 112 Bảng 4.7. Giá trị các biến của ma trận thực nghiệm bậc 1 ....................................... 113 Bảng 4.8. Bảng giá trị thống số đầu vào và đầu ra chạy phần mềm Minitab 21 ...... 113 Bảng 4.9. Mức và khoảng biến thiên các yếu tố đầu vào dạng bậc 2 ...................... 115 ix Bảng 4.10. Ma trận thực nghiệm và kết quả thực nghiệm ở dạng mã hóa ............... 116 Bảng 4.11. Giá trị các hệ số hồi quy của hàm Y1 ..................................................... 117 Bảng 4.12. Giá trị các hệ số hồi quy của hàm Y2 ..................................................... 119 Bảng 4.13. Giá trị các hệ số hồi quy của hàm Y3 ..................................................... 121 Bảng 4.14. Giá trị các hệ số hồi quy của hàm Y4 ..................................................... 123 Bảng 4.15. Bảng phương trình hồi quy đơn mục tiêu .............................................. 125 Bảng 4.16. Mục tiêu tối ưu và miền ràng buộc ........................................................ 126 Bảng 4.17. So sánh các thông số làm việc của lý thuyết và thực nghiệm ................ 128 x MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Các vết nứt dọc và ngang tuyến đường ........................................................ 6 Hình 1.2. Biến dạng nứt dạng mai rùa .......................................................................... 7 Hình 1.3. Biến dạng nứt bẻ khóa khối .......................................................................... 7 Hình 1.4. Xác định các kích thước phổ biến của vết nứt dạng lưới ............................. 8 Hình 1.5. Bong tróc lớp bề mặt BTN trên mặt đường .................................................. 8 Hình 1.6. Hư hỏng mặt đường dạng ổ gà ..................................................................... 9 Hình 1.7. Công nghệ vá nguội mặt đường BTN ........................................................ 10 Hình 1.8. Các công đoạn gia nhiệt và xới trộn mặt đường BTN đã mềm hóa ........... 11 Hình 1.9. Thi công thử nghiệm máy LJ-80 (Trung Quốc) ......................................... 13 Hình 1.10. Hình ảnh máy đốt nóng mặt đường MĐN.01 ........................................... 15 Hình 1.11. Quá trình đốt nóng tấm đốt nóng của máy MĐN.01 ................................ 15 Hình 1.12. Cấu tạo, chiều dày các lớp BTN mặt đường ............................................ 19 Hình 1.13. Hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ và thành phần cấp phối BTN .................... 21 Hình 1.14. Vị trí đặt đầu đo nhiệt độ theo chiều sâu mặt đường ................................ 22 Hình 1.15. Nhiệt độ tại các đầu đo và nhiệt độ mô phỏng bằng mô hình toán