Nghiên cứu vật liệu chế tạo và thành phần, tính chất của bê tông asphalt nóng ở nước Cộng hòa nhân dân Lào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ====000==== THONGĐA SINGHANINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG Ở NƢỚC CHDCND LÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ====000==== THONGĐA SINGHANINH NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG Ở NƢỚC CHDCND LÀO Chuyên ngành: xây dựng đƣờng ôtô và đƣờng thành phố Mã số: 62.58.02.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN: GS.TS. PHẠM DUY HỮU PGS.TS. ĐÀO VĂN ĐÔNG HÀ NỘI, 2017 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn Bộ giáo dục và Đào tạo Việt Nam, Bộ giáo dục và thế thao Lào. Các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trƣờng Đại Học Giao Thông Vận tải Việt Nam; Trƣờng Đại học Chămpasack Lào. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến các thầy hƣớng dẫn là GS. TS. PHẠM DUY HỮU và PGS. TS. ĐÀO VĂN ĐÔNG đã hết sức tân tình góp ý và định hƣớng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu của luận án. Xin cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Công trình, Bộ môn đừơng bộ, Bộ môn Vật liệu xây dựng và Viện Khoa học Công nghệ xây dụng Giao thông - Trừơng Đại học Giao Thông Vận tải đã động viên, nhiệt tình giúp đỡ và cung cấp các tài liệu quý báu để tác giả hòan thành luận án này. Tác giả ii 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 chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Thongđa SINGHANINH iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ xiii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG ASPHALT Ở LÀO VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG TẠI CHDCND LÀO ................................................................................................................... 4 1.1. Khái niệm chung bê tông Asphalt. ............................................................. 4 1.2. Phân loại bê tông Asphalt .......................................................................... 4 1.3. Cấu trúc của bê tông Asphalt ..................................................................... 5 1.3.1. Khái quát....................................................................................... 5 1.3.2. Cấu trúc bê tông Asphalt .............................................................. 6 1.3.3. Cấu trúc của bitum trong bê tông Asphalt .................................... 7 1.4. Tính chất của bê tông Asphalt. ................................................................... 9 1.4.1 Mở đầu ........................................................................................... 9 1.4.2. Các tính chất cơ học của bê tông Asphalt. ................................. 11 1.4.3. Phƣơng pháp xác định các tính chất cơ học ............................... 12 1.4.4. Các chỉ tiêu cơ học phục vụ thiết kế kết cấu mặt đƣờng ............ 15 1.4.5 Thí nghiệm mỏi ........................................................................... 21 1.4.6 Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp bê tông Asphalt rải mặt đƣờng .......................................................................... 22 1.5. Các phƣơng pháp sản xuất bê tông Asphalt ............................................. 25 1.5.1. Trộn bê tông Asphalt .................................................................. 25 1.5.2 Trạm trộn chu kỳ sấy nóng gián tiếp ........................................... 26 1.6 Thiết kế thành phần bê tông Asphalt nóng. .............................................. 30 iv 1.6.1 Phân loại bê tông nhựa ................................................................ 30 1.6.1.1 Phân loại theo cỡ hạt danh định lớn nhất của cốt liệu theo tiêu chuẩn của Viện Asphalt Hoa kỳ ........................................................... 31 1.6.1.3 Phân loại theo độ rỗng dƣ ......................................................... 31 1.6.1.4 Phân loại theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đƣờng .... 31 1.6.2 Nguyên tắc thiết kế thành phần bê tông Asphalt ......................... 32 1.6.3. Phƣơng pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt ..................... 35 1.7 Đặc điểm điều kiện địa hình và khí hậu ở Lào ......................................... 35 1.8. Hệ thống đƣờng ô tô ở Lào và vị trí đặc điểm các đƣờng có lốp mặt bằng bê tông Asphalt................................................................................................ 37 1.8.1 Giai đoạn trƣớc năm 1975 ........................................................... 37 1.8.2 Giai đoạn các năm 1975-1985 ..................................................... 38 1.8.3 Giai đoạn các năm 1985-2000 ..................................................... 39 1.8.4 Giai đọan năm 2000-2015 ........................................................... 39 1.9. Thành phần và một số các tính chất cơ bản của bê tông Asphalt nóng sử dụng tại Lào. .................................................................................................... 46 1.9.1 Hỗn hợp vật liệu khoáng bê tông Asphalt nóng (HMA) tại Lào. .......... 46 - Mở đầu ............................................................................................... 46 Tiêu chuẩn kỹ thuật .............................................................................. 46 1.9.2 Phân tích HMA tại Lào ................................................................ 46 Kết luận của chƣơng 1..................................................................................... 50 CHƢƠNG 2 LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG ASPHALT TẠI LÀO ................................................................................................................. 52 2.1. Yêu cầu cốt liệu cho bê tông Asphalt ...................................................... 52 2.1.1. Phân loại ..................................................................................... 52 2.1.2 Cốt liệu lớn .................................................................................. 52 2.1.3 Cốt liệu nhỏ ................................................................................. 53 2.1.4 Bột khoáng, xi măng .................................................................... 54 2.2 Chất kết dính bitum ................................................................................... 55 v 2.2.1 Phân loại ...................................................................................... 55 2.2.2 Thành phần hoá học của bitum dầu mỏ. ...................................... 56 2.2.3 Các tính chất của bitum quánh xây dựng đƣờng ......................... 56 2.3 Phần tích đặc điểm vật liệu chế tạo bê tông Asphalt nóng tại Lào. .......... 66 2.3.1 Thí nghiệm vật liệu chế tạo ......................................................... 66 Kết luận của chƣơng 2..................................................................................... 67 CHƢƠNG 3 ..................................................................................................... 68 ĐỂ XUẤT THÀNH PHẦN CẤP PHỐI VẬT LIỆU KHOÁNG, CÁC CHỈ TIÊU VÀ PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT, RẢI NÓNG CHO CHDCND LÀO .................................................... 68 3.1 Lựa chọn cấp phối vật liệu khoáng hợp lý cho Lào .................................. 68 3.1.1 Thành phần bê tông Asphalt theo các theo chuẩn. ...................... 68 3.1.2 Phân tích độ lệch từng cỡ sàng Max, Min theo các tiêu chuẩn ... 72 3.1.3 Lựa chọn cấp phối hợp lý HMA tại Lào ..................................... 77 3.2 Các chỉ tiêu cho bê tông Asphalt đặc, rải nóng tại Lào. ................. 77 để nghị với chỉ tiêu ghi ở bảng 3.4. ...................................................... 77 3.3. Thiết kế hỗn hợp bê tông Asphalt theo Marshall và Tiêu chuẩn Việt Nam ......................................................................................................................... 78 3.3.1. Mục đích của thiết kế ................................................................. 78 3.3.2. Phạm vi áp dụng của phƣơng pháp Marshall ............................. 79 3.3.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật quy định theo Marshall .............................. 79 3.3.4 Phân tích đánh giá phƣơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nóng, tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu bê tông nhựa nóng của Trung Quốc ...................................................................................................... 82 3.4. Thiết kế thành phần theo SUPERPAVE .................................................. 83 3.4.1. Phƣơng pháp thiết kế thành phần PUPERPAVE ....................... 84 3.4.2. Các bƣớc trong thủ tục thiết kế hỗn hợp .................................... 84 3.5 Tiêu chuẩn bê tông nhựa của Malaysia ..................................................... 86 3.6 Hƣớng dẫn thết kế HMA cho Lào ............................................................. 88 vi 3.6.1 Giai đoạn thiết kế sơbộ (Giai đoạn 1) ......................................... 88 Phƣơng pháp đồ thị ............................................................................... 90 3.6.2 Giai đoạn thiết kế hoàn chính (Giai đoạn 2) ............................. 100 3.6.3 Giai đoạn phê duyệt công thức chế tạo HMA (Giai đoạn 3) .... 101 3.7 Lựa chọn thiết kế cuối cùng .................................................................... 103 3.8 Tính toán thành phần cốt liệu của HMA theo các tiêu chuẩn thiết kế. ... 105 Trên có số vật liệu tại Lào đƣợc ghi ở bảng 3.17.......................................... 105 3.9 Thiết kế theo tiêu chuẩn VN ................................................................... 106 3.10 Thiết kế theo tiêu chuẩn Nga 9128-2009 .............................................. 107 3.11 Thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản (Japan) D RA2006 ........................ 108 3.12 Thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ A.D3515 .................................................. 108 3.13 Phân tích thành phần vật liệu khoáng thiết kế theo các tiêu chuẩn ...... 109 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... 111 CHƢƠNG 4 ................................................................................................... 112 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO BÊ TÔNG ASPHALT VỚI VẬT LIỆU TẠI LÀO VÀ ẢNH HƢỞNG LƢỢNG XI MĂNG ....................................................... 112 4.1 Tổng quát................................................................................................. 112 4.2. Lựa chọn hỗn hợp vật liệu khoáng. ........................................................ 112 4.3 Thí nghiệm xác định tính năng cơ học và hàm lƣợng bitum. ................. 114 4.4 Phân tích ảnh hƣởng của hàm lƣợng xi măng đến tính năng HMA. ...... 123 Kết luận chƣơng 4 ......................................................................................... 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 127 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tỷ lê diện tích bề mặt điển hình [53] ............................................... 8 Bảng 1.2: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall .... 14 Bảng 1.3: Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông Asphalt chặt ................. 15 Bảng 1.4: Thống kê đƣờng bộ toàn quốc năm 2013 ....................................... 40 Bảng 1.5 Số lƣợng xe tại Lào 2013 (xe/ngày đêm) ........................................ 40 Bảng 1.6: Mạng lƣới giao thông đƣờng bộ ở Lào. .......................................... 41 Bảng 1.7: Các tuyến đƣờng đã xây dựng bằng bê tông Asphalt tại Thủ đô Viêng Chăn ..................................................................................... 41 Bảng 1.8: Thống kê mạng lƣới đƣờng toàn Quốc (km) .................................. 44 Bảng 1.8.1: thống kê mạng lƣới đƣờng toàn Quốc (tiếp) ............................... 45 Bảng 1.9: Thành phần cấp phối bê tông Asphalt dự án HMA tại Lào ........... 46 Bảng 1.10: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA1) .............................................................................................. 48 Bảng 1.11: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA2) .............................................................................................. 48 Bảng 1.12: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA3) .............................................................................................. 49 Bảng 1.13: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA4) .............................................................................................. 49 Bảng 1.14: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA5) .............................................................................................. 49 Bảng 2.1: Cấp phối thành phần hạt cốt liệu nghiền nhà máy Nông Hai ......... 52 Bảng 2.2: Cốt liệu nghiền nhà máy Sakai ....................................................... 53 Bảng 2.3: Thành phần của cát xay và cát sông Mêkong ................................. 53 Bang 2.4: Kết quả thí nghiệm độ kim lún 60-70 (SHELL) AASHTOT149-BS200 .................................................................... 57 Bảng 2.5: Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm bitum 60-70 ....................... 57 Bảng 2.6: Khối lƣợng riêng: 1.030 g/cm3. AASHTO T53 ............................. 58 viii Bảng 2.7: Các tính chất vật liệu và các tác động bên ngoài ảnh hƣởng đến dính bám giữa bitum với cốt liệu .................................................... 60 Bảng 2.8: Phân cấp dính bám giữa bitum và vật liệu khoáng......................... 61 Bảng 2.9: Bitum, yêu cầu kỹ thuật và phƣơng pháp thử (TCVN 7493- 2005) ............................................................................................... 63 Bảng 2.10: Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đặc theo AASHTO - M20 ASTM D946 ................................................................................................ 65 Bảng 2.11: Chỉ tiêu kỹ thuật đối với các loại bitum phân loại theo độ kim lún (Theo BS 3690 - Anh). ............................................................. 66 Bảng 2.12: Tổng hợp tiêu chuẩn cho thí nghiệm vật liệu. .............................. 66 Bảng 3.1: Thành phần hạt cốt liệu theo các tiêu chuẩn Quốc gia ................... 68 Bảng 3.2: Độ lệch theo từng sàng Ri ............................................................... 76 Bảng 3.3: Thành phần cấp phối hạt kiến nghị cho Lào .................................. 77 Bảng 3.4: Sử dụng tiêu chuẩn AASHTO ........................................................ 46 Bảng 3.5: Sử dụng tiêu chuẩn ASTM và tiêu chuẩn TQ ................................ 46 Bảng 3.6: Tiêu chuẩn kỹ thuật của hỗn hợp HMA ......................................... 46 Bảng 3.7: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Lào ................................................ 77 Bảng 3.8: Yêu cầu kỹ thuật của HMA theo Viện Asphalt hoa kỳ .................. 80 Bảng 3.9: Độ rỗng cốt liệu nhỏ nhất ............................................................... 81 Bảng 3.10: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Việt Nam ..................................... 82 Bảng 3.11: Các loại hỗn hợp nhựa rải nóng (theo JTGF40.2004) ................. 83 Bảng 3.12 Chỉ tiêu VMA ................................................................................ 86 Bảng 3.13 Chỉ tiêu VFA .................................................................................. 86 Bảng 3.14: Thí nghiệm vệt hằn bánh xe Nhật Bản và Malaysia .................... 87 Bảng 3.15: Thành phần cấp phối hạt kiến nghị .............................................. 88 Bảng 3.16: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Lào (dự kiến) .............................. 88 Bảng 3.17: Vật liệu chế tạo HMA tại Lào .................................................... 105 Bảng 3.18: Kết quả thiết kế theo dự kiến Lào .............................................. 105 Bảng 3.19: Vật liệu chế tạo HMA ................................................................. 106 ix Bảng 3.20: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam ................................ 106 Bảng 3.21: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nga ......................................... 107 Bảng 3.22: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản ................................. 108 Bảng 3.23: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ ........................................... 108 Bảng 3.24: Thành phần cốt liệu thiết kế theo các tiêu chuẩn ....................... 109 Bảng 3.25: Thành phần cấp phối thiết kế theo các tiêu chuấn ...................... 109 Bảng 4.1: Xác định thành phần khoáng 3 hỗn hợp vật liệu khoáng ............. 112 Bảng 4.2: Thành phần hạt cốt liệu ................................................................ 113 Bảng 4.3: Xi măng 5%+ cốt liệu lớn 60% + cốt liệu nhỏ 35% =100% HMA1 ........................................................................................... 113 Bảng 4.4: Xi măng 3.5%cốt liệu lớn 60% + cốt liệu nhỏ 31.5% =100% HMA2 ............................................................................................ 113 Bảng 4.5: Xi măng 2% + 65 cốt liệu + 33 cốt liệu = 100% HMA3 ............. 114 Bảng 4.6: hàm lƣợng bitum. .......................................................................... 115 Bảng 4.7: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phƣơng pháp Marshall 5% xi măng (M/X1). ............................... 116 Bảng 4.8: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phƣơng pháp Marshall 3.5% xi măng (M/X2) ............................. 117 Bảng 4.9: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phƣơng pháp Marshall 3.5% xi măng (M/X3). ............................ 118 Bảng 4.10: Kết của thí ghiệm tính năng của HMA....................................... 119 Bảng 4.11: Tính năng của các loại HMA (A, B, C) ...................................... 123 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc của bê tông Asphalt ............................................................ 7 Hình 1.2: Thí nghiệm xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall ......................... 13 Hình 1.3: Mô hình thí nghiệm cắt tĩnh xác định c, ..................................... 17 Hình 1.4: Mô hình thí nghiệm cƣờng độ kéo uốn ........................................... 17 Hình 1.5: Mô hình thí nghiệm ép chẻ ............................................................. 18 Hình 1.6: Thí nghiệm xác định cƣờng độ ép chẻ ............................................ 19 Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm vệt hằn bánh xe trên thiết bị APA ............... 20 Hình 1.8: Bộ phận gia tải của thiết bị APA .................................................... 21 Hình 1.9: Mẫu sau khi thí nghiệm vệt hằn bánh xe dùng thiết bị APA .......... 21 Hình 1.10. Mô hình thí nghiệm