Luận án Nghiên cứu xác định thành phần vật liệu hợp lý lớp bê tông nhựa tạo nhám mặt đường cấp cao ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------------------------- NCS. Nguyễn Phước Minh NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VẬT LIỆU HỢP LÝ LỚP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM MẶT ĐƯỜNG CẤP CAO Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã số: 62.58.30.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1- PGS.TS.NGUT Trần Tuấn Hiệp 2- PGS.TS Vũ Đức Chính TPHCM, 12/2013 -I- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ------------------------ TpHCM, ngày tháng 12 năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS. Nguyễn Phước Minh -II- LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Khoa Công trình; phòng Đào tạo Sau Đại học; bộ môn Đường bộ; bộ môn Vật liệu xây dựng; Phòng thí nghiệm trọng điểm I; Phòng thí nghiệm Trọng điểm Đường bộ III-Phía Nam-Viện khoa học công nghệ GTVT; Công ty TNHH xây dựng và đầu tư BMT Bến Lức-Long An, Dĩ An-Bình Dương. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm PGS.TS.NGƯT Trần Tuấn Hiệp, PGS.TS.Vũ Đức Chính, PGS.TS Bùi Xuân Cậy, GS.TS Phạm Duy Hữu, PGS.TS Trần Thị Kim Đăng những người Thầy đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên về chuyên môn và tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án, NCS cảm ơn TS. Nguyễn Quang Phúc giáo viên cùng bộ môn đã cung cấp các thông tin, phần mềm mô phỏng. Cảm ơn các thí nghiệm viên kinh nghiệm tại các phòng thí nghiệm Trọng điểm I và III-Viện KHCN GTVT, nhân viên Công ty TNHH xây dựng và đầu tư BMT, mỏ đá Phước Tân-Biên Hòa-Đồng Nai thuộc Công ty TNHH Hùng Vương đã nhiệt tình cùng tôi tham gia và thực hiện các thí nghiệm trong phòng và hiện trường vật liệu nghiên cứu. Cảm ơn gia đình và các bạn bè đồng nghiệp, những người thân luôn ở bên tôi để hỗ trợ. TPHCM, 12/2013 -III- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. II MỤC LỤC ..................................................................................................................III KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT........................................................................................ VI DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ VII DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................................. X MỞ ĐẦU......................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..............................................................................2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu..................................................2 5. Cấu trúc luận án.........................................................................................................4 Chương 1: TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA LỚP TẠO NHÁM............................5 1.1 Cấu trúc và thành phần hỗn hợp của bê tông nhựa thông thường .............................5 1.2. Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám OGFCA.............................................8 1.2.1 Cốt liệu.............................................................................................................8 1.2.2 Chất liên kết ...................................................................................................10 1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường............................................................10 1.3.1 Khái niệm.......................................................................................................10 1.3.2 Ảnh hưởng của cốt liệu đến độ nhám mặt đường ............................................12 1.3.2.1 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô...................................................12 1.3.2.2 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vĩ mô...................................................13 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng khác đến độ nhám mặt đường ......................................13 1.4 Tổng quan vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA...............................................16 1.4.1 Khái niệm về bê tông nhựa tạo nhám OGFCA................................................16 1.4.2 Đặc điểm vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA .........................................16 1.4.3 Phân tích và đánh giá tình hình sử dụng vật liệu OGFCA ở nước ngoài ..........18 1.4.3.1 Mỹ .........................................................................................................18 1.4.3.2 Châu Âu.................................................................................................23 1.4.3.3 Nam Phi .................................................................................................29 1.4.3.4 Úc ..........................................................................................................30 1.4.3.5 Châu Á...................................................................................................31 1.4.3.6 Tình hình sử dụng vật liệu BTN tạo nhám ở Việt Nam...........................34 1.5 Kết luận chương 1 .................................................................................................42 -IV- Chương II: XÁC LẬP THÀNH PHẦN CÁC HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA LỚP TẠO NHÁM PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................................44 2.1 Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám ...................................44 2.2 Lựa chọn thành phần cốt liệu .................................................................................45 2.2.1 Đặc trưng kỹ thuật yêu cầu cho cốt liệu ..........................................................45 2.2.2 Yêu cầu cốt liệu cho hỗn hợp OGFCA............................................................47 2.2.2.1 Kích cỡ hạt lớn nhất và loại hỗn hợp OGFCA........................................47 2.2.2.2 Thành phần vật liệu hỗn hợp ..................................................................47 2.2.2.3 Đặc điểm cấp phối cốt liệu.....................................................................48 2.2.2.4 Đề xuất các loại hỗn hợp cốt liệu cho OGFCA tại Việt Nam..................52 2.2.2.5 Lựa chọn cốt liệu cho thiết kế hỗn hợp...................................................54 2.3 Chất liên kết ..........................................................................................................55 2.4 Bột khoáng ............................................................................................................56 2.5 Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám .............................................57 2.5.1 Thiết kế thành phần hỗn hợp theo phương pháp Marshall ...............................57 2.5.1.1 Quy trình đúc mẫu hỗn hợp trong phòng thí nghiệm ..............................57 2.5.1.2 Máy móc và dụng cụ thí nghiệm ............................................................57 2.5.1.3 Trình tự đúc mẫu....................................................................................57 2.5.2 Thí nghiệm thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám .................................58 2.5.2.1 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu và nhựa đường .......58 2.5.2.2 Tính tỷ lệ phối trộn các cốt liệu..............................................................58 2.5.2.3 Chuẩn bị mẫu hỗn hợp cốt liệu để đúc mẫu Marshall .............................59 2.5.2.4 Trộn cốt liệu với nhựa đường và đầm mẫu Marshall ..............................59 2.5.2.5 Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý mẫu thí nghiệm.......................62 2.5.2.6 Xác định hàm lượng nhựa tối ưu ...........................................................66 2.5.3 Xác lập thành phần các hỗn hợp và đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật....................71 2.6 Kết luận chương 2 .................................................................................................73 Chương III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CÁC HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM VÀ LỰA CHỌN THÀNH PHẦN VẬT LIỆU HỢP LÝ CỦA HỖN HỢP .........................................................75 3.1 Các loại hỗn hợp cấp phối đề xuất thí nghiệm........................................................75 3.2 Chuẩn bị vật liệu....................................................................................................77 3.3 Chế bị mẫu ............................................................................................................78 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý các mẫu thử ..........................78 3.4.1 Thực nghiệm xác định modul đàn hồi vật liệu.................................................78 3.4.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp ...........................................80 -V- 3.4.3 Thí nghiệm xác định hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp ..................................82 3.4.4 Thí nghiệm xác định hệ số thấm .....................................................................84 3.4.5 Thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro.....................................................87 3.4.6 Kiểm tra vệt hằn bánh xe vật liệu nghiên cứu..................................................89 3.4.6.1 Đặc điểm thử nghiệm vệt hằn bánh xe....................................................89 3.4.6.2 Mục đích của thử nghiệm vệt hằn lún bánh xe........................................91 3.4.6.3 Kết quả thử nghiệm................................................................................92 3.4.6.4 Độ rỗng dư còn lại .................................................................................94 3.5 Lựa chọn thành phần vật liệu hợp lý cho hỗn hợp..................................................95 3.6 Kết luận chương 3 .................................................................................................96 Chương IV: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC LỚP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ......................98 4.1 Nghiên cứu một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng khai thác của lớp BTN tạo nhám ...... 98 4.1.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô ..........................99 4.1.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước .............................101 4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng màng nước đến điều kiện chạy xe........104 4.1.4 Nghiên cứu sự thay đổi độ nhám vĩ mô của mặt đường cao tốc theo thời gian ...109 4.1.5 Nghiên cứu hiệu quả tăng nhám bằng công nghệ phun rữa cao áp................110 4.2 Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng vật liệu bê tông nhựa tạo nhám..........113 4.2.1 Giải pháp kiểm tra sản xuất vật liệu bê tông nhựa tạo nhám tại trạm trộn......113 4.2.2 Giải pháp thi công lớp vật liệu bê tông nhựa nhám........................................114 4.2.3 Giải pháp giám sát, kiểm tra và nghiệm thu vật liệu bê tông nhựa tạo nhám ......115 4.2.4 Giải pháp quản lý khai thác vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám....................116 4.3 Kết luận chương 4 ...............................................................................................116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO -VI- KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Nội dung tiếng Anh Nội dung tiếng Việt 1 ACFC Asphalt Concrete Friction Course Bê tông nhựa lớp tạo nhám 2 ACFC- AR Asphalt Concrete Friction Course- Asphalt Rubber Bê tông nhựa tạo nhám-nhựa cao su 3 ADOT Arizona Department of Transportation Sở Giao thông bang Arizona 4 ASTM American Society for Testing and Materials Hiệp hội kiểm tra vật liệu của Mỹ 5 BTNNC Bê tông nhựa nhám cao 6 BTNC Bê tông nhựa chặt 7 BTN Bê tông nhựa 8 BTNP Bê tông nhựa polime 9 Caltrans California Department of Transportation Sở Giao thông bang California 10 DGAC Dense Graded Asphalt Concrete Bê tông nhựa chặt 11 DGHMA Dense Graded Hot Mix Asphalt Hỗn hợp nhựa nóng 12 EN European Standards Tiêu chuẩn Châu Âu 13 GDOT Georgia Department of Transportation Sở giao thông bang Georgia 14 HMA Hot Mix Asphalt Hỗn hợp nhựa nóng 15 HLNTU Hàm lượng nhựa tối ưu 16 HWTD Hamburg Wheel Tracking Device Thiết bị kiểm tra vệt hằn bánh xe 17 ITS Indirect Tensle Strengh Cường độ chịu kéo gián tiếp 18 NAPA National Asphalt Pavement Association Hiệp hội mặt đường quốc gia 19 NCAT National Center For Asphalt Technology Trung tâm kỹ thuật nhựa đường quốc gia 20 OG Open Graded Cấp phối hở 21 OGFCA Open Graded Friction Course Asphalt Bê tông nhựa lớp tạo nhám cấp phối hở 22 OGAC Open Graded Asphalt Concrete Bê tông nhựa cấp phối hở 23 ODOT Oregon Department of Transportation Sở giao thông bang Oregon 24 PA Porous Asphalt Bê tông nhựa rỗng 25 TxDOT Texas Department of Transportation Sở giao thông bang Texas 26 VTO Very Thin Overlay Lớp rất mỏng -VII- DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG I Hình 1.1: Cấu tạo thành phần bitum nhựa đường. ..........................................................7 Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của bitum nhựa đường. .......................................................7 Hình 1.3: Cấu trúc của hỗn hợp OGFCA. ......................................................................8 Hình 1.4: Đường cong cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa theo TCVN và của Mỹ..............9 Hình 1.5: Hình ảnh cấu trúc bề mặt bê tông nhựa chặt và bê tông nhựa cấp phối hở. .....9 Hình 1.6: Hình ảnh thể hiện cấu trúc nhám vĩ mô và vi mô mặt đường. .......................11 Hình 1.7: Hiệu ứng màng nước và vai trò của độ nhám vi mô. ....................................11 Hình 1.8: Hình ảnh các mẫu đá nghiền. .......................................................................12 Hình 1.9: Thiết bị thí nghiệm độ mài mòn LA. ............................................................13 Hình 1.10: Hình ảnh độ chảy nhựa do nhiệt độ hỗn hợp. .............................................14 Hình 1.11: Thi công lớp OGFCA tại bang California - Mỹ. .........................................22 Hình 1.12: Kết cấu mặt đường hai lớp BTN rỗng sử dụng trên tuyến cao tốc ở Hà Lan....25 Hình 1.13: Hình ảnh kết cấu áo đường hai lớp BTN rỗng ở Hà Lan.............................26 Hình 1.14: Hình ảnh sử dụng vật liệu OGFCA ở Nhật.................................................32 CHƯƠNG II Hình 2.1: Kích cỡ cốt liệu lớn nhất cho bê tông nhựa lớp tạo nhám các nước. .............47 Hình 2.2: Thành phần cốt liệu trong hỗn hợp OGFCA các nước. .................................48 Hình 2.3: Các đường cong cấp phối của bê tông nhựa. ................................................48 Hình 2. 4: Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-A nghiên cứu. ......49 Hình 2.5:Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-B nghiên cứu. ........50 Hình 2.6: Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-C nghiên cứu. .......50 Hình 2.7: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-A nghiên cứu........50 Hình 2.8: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-B nghiên cứu. .......51 Hình 2.9: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-C nghiên cứu. .......51 Hình 2.10: Tỉ lệ thành phần cốt liệu và bột khoáng vật liệu OGFCA các nước ............51 -VIII- Hình 2.11: Đường cong cấp phối OG nghiên cứu. .......................................................53 Hình 2.12: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-A. ........................................63 Hình 2.13: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-B. ........................................64 Hình 2.14: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-C. ........................................65 Hình 2.15: Biểu đồ xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp OG-A. ....................66 Hình 2.16: Biểu đồ xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp OG-B và OG-C. .....67 Hình 2.17: Độ ổn định Marshall của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng.................68 Hình 2.18: Độ dẻo Marshall của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng.......................68 Hình 2.19: Độ rỗng cốt liệu của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng. ......................68 Hình 2.20: Độ rỗng dư Va của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng. ........................69 Hình 2.21: Độ bền Marshall của các hỗn hợp nghiên cứu. ...........................................69 Hình 2.22: Độ dẻo Marshall của ba hỗn hợp nghiên cứu..............................................69 Hình 2.23: Độ ổn định còn lại của hỗn hợp nghiên cứu ở 600C so với 250C ban đầu....70 Hình 2.24: Độ rỗng dư của ba hỗn hợp nghiên cứu. .....................................................70 Hình 2.25: Trình tự xác lập thành phần các hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám..........72 CHƯƠNG III Hình 3.1: Đường cong cấp phối đề xuất OG-A và mẫu đối chứng. ..............................76 Hình 3.2: Đường cong cấp phối đề xuất OG-B và mẫu đối chứng................................77 Hình 3.3: Đường cong cấp phối đề xuất OG-C và mẫu đối chứng................................77 Hình 3.4: Hình ảnh thí nghiệm xác định modul đàn hồi vật liệu nghiên cứu. ...............79 Hình 3.5: Kết quả thí nghiệm modul đàn hồi của ba hỗn hợp nghiên cứu.....................80 Hình 3.6: Sơ đồ đặt mẫu và thí nghiệm kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp. .............81 Hình 3.7: Kết quả kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp ở 250C...................................83 Hình 3.8: Kết quả kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp ở 600C..................................83 Hình 3.9: Hệ số cường độ chịu kéo gían tiếp của các hỗn hợp nghiên cứu ...................83 Hình 3.10: Thiết bị kiểm tra thấm nước phòng thí nghiệm. ..........................................84 Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ độ rỗng Va và hệ số thấm nước Kv của ba hỗn hợp. .........86 Hình 3.12: Biểu đồ hệ số thấm nước Kv của các vật liệu đề xuất. .................................86 -IX- Hình 3.13: Hình ảnh mẫu vật liệu trước và sau khi bị mài mòn trong thùng quay. .......87 Hình 3.14: Quan hệ độ mài mòn Cantabro-độ rỗng dư theo hàm lượng nhựa...............88 Hình 3.15: Tổng hợp độ mài mòn Cantabro của ba hỗn hợp nghiên cứu. .....................89 Hình 3.16: Máy đo vệt hằn lún bánh xe và thiết bị đầm mẫu........................................90 Hình 3.17: Phân tích quá trình hình thành vệt lún bánh xe và mẫu phá hoại.................91 Hình 3.18: Mẫu OG-A, OG-B và OG-C đã chế bị xong...............................................92 Hình 3.19 (a,b): Kiểm tra vệt lún bánh xe của OG-A. ..................................................93 Hình 3. 20 (a,b): Kiểm tra vệt lún bánh xe của OG-B và OG-C chiều dày 4cm và 5cm....93 Hình 3. 21: Chiều sâu vệt lún với lớp OG-A h=5cm. ...................................................94 CHƯƠNG IV Hình 4.1: Thí nghiệm trong phòng kiệm tra quan hệ Htb và Va. ..................................99 Hình 4.2: Đồ thị quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô thí nghiệm trong phòng. .....99 Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô tại hiện trường...........100 Hình 4.4: Kiểm tra khả năng thấm nước trên mặt đường nhám. .................................102 Hình 4.5: Quan h