Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.7 MB, 192 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÙI VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀKẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦATẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - 2024

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÙI VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀKẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦATẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:1. PGS.TS. Nguyễn Quang Tuấn2. PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc

HÀ NỘI – 2024

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

-I-LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các cơng trình khác.

Hà Nội, 05/2024Tác giả luận án

NCS. Bùi Văn Phú

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

-II-LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sĩ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướngdẫn trực tiếp của PGS.TS. Nguyễn Quang Tuấn và PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc.Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy hướng dẫn đã giúp đỡ, chỉ dẫn tậntình, đã đóng góp các ý kiến quý báu và tạo điều kiện thuận lợi để giúp nghiên cứusinh thực hiện luận án này.

Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao thơngvận tải, Phịng Đào tạo Sau đại học, Bộ mơn Đường Bộ, Khoa KHCB, Bộ mơn Hìnhhọa- Vẽ kỹ thuật, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thơng vận tải, Phịng thínghiệm trọng điểm LasXD 1256, Phịng thí nghiệm Vật liệu xây dựng đã tạo điều kiệnthuận lợi cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập nghiên cứu. Nghiên cứu sinhcũng trân trọng cảm ơn Quỹ đổi mới Sáng tạo Vingroup - VINIF đã cấp học bổng 1năm cho những kết quả nghiên cứu khoa học có liên quan đến đề tài nghiên cứu sinhvới mã số học bổng VINIF.2021.TS.148.

Cuối cùng nghiên cứu sinh bày tỏ lời cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình, người thân đãgiúp đỡ và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.

Hà Nội, 05/2024

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

-III-MỤC LỤC

MỞĐẦU ... 1

CHƯƠNG 1.TỔNGQUAN VỀỨNGXỬCƠHỌCCỦAVẬTLIỆU VÀKẾTCẤUÁO

ĐƯỜNGMỀM DƯỚI TÁC DỤNGCỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ... 6

1.1. Ứng xử của nhựa đường, ma tít và bê tông nhựa dưới tác dụng tải trọngđộng ... 6

1.1.1.Nhựa đường và ma tít ... 6

1.1.2.Bê tông nhựa ... 8

1.1.3. Thí nghiệm mô đun phức động của nhựa đường, ma tít và bê

tông nhựa ... 10

1.1.4.Thí nghiệm từ biến ... 14

1.1.5.Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số ... 15

1.1.6.Mơ hình dự đốn tính chất đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường và bê tơngnhựa…. ... 20

1.2. Ứng xử của cấp phối đá dăm và đất nền dưới tác dụng tải trọng động ... 26

1.2.1.Mô đun động M R của lớp móng cấp phối và đất đắp nền đường ...26

1.2.2.Một số mơ hình dự đốn M R ...28

1.3. Ứng xử của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng tải trọng động và cácphương pháp thiết kế ... 31

1.3.1.Giới thiệu chung về kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng động 31

1.3.2.Các dạng hư hỏng thường gặp của kết cấu áo đường mềm ... 34

1.3.3.Một số phương pháp tính tốn kết cấu áo đường mềm ... 35

1.4. Tình hình nghiên cứu ứng xử của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác

dụng của tải trọng động tại Việt nam ... 39

1.5. Vấn đề nghiên cứu của luận án ... 40

1.6. Phương pháp nghiên cứu ... 41

1.7. Kết luận chương 1 ... 42

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

2.2.1.Mô phỏng ứng xử đàn nhớt tuyến tính của nhựa đường ... 54

2.2.2.Dự đoán mô đun cắt động của ma tít từ tính chất đàn nhớt của nhựađường ... 56

2.3. Mối liên hệ giữa tính chất đàn nhớt tuyến tính và nhiệt độ hóa mềm của nhựađường ... 62

2.3.1.Vật liệu thí nghiệm ... 63

2.3.2.Nhiệt độ hóa mềm tương đương T V theo phương pháp của Alisov ...64

2.3.3.Nhiệt độ hóa mềm tương đương T K ...65

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

-V-3.4.2.Kết quả thí nghiệm và nhận xét ... 83

3.5. phỏngMô thí nghiệm từ biến 3D từ thí nghiệm mô đun phức động 3D 90

3.5.1.Mơ hình Kelvin - Voigt 3D ... 90

3.5.2.Dự đoán biến dạng từ biến từ thí nghiệm mơ đun phức động ... 91

3.6. Dự đốn mơ đun động của bê tông nhựa từ tính chất đàn nhớt tuyến tính củanhựa đường ... 102

3.7. Kết luận chương 3 ... 104

CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI

TRỌNGĐỘNG ... 106

4.1. Giới thiệu phần mềm Viscoroute 2.0 ... 107

4.1.1.Thiết lập mơ hình kết cấu và thơng số tính chất vật liệu ... 107

4.1.2.Thiết lập thơng số tải trọng, vận tốc tính tốn và dữ liệu đầu ra ... 108

4.1.3.Phân tích kết cấu và xuất kết quả ... 109

4.2. Lựa chọn kết cấu, tải trọng tính toán và các trường hợp tính tốn ... 109

4.2.1.Lựa chọn kết cấu và tải trọng ... 109

4.2.2.Các trường hợp tính toán ... 111

4.3. thôngCác số tính chất vật liệu trong trường hợp tính toán đàn nhớt ... 111

4.3.1.Mơ phỏng tính chất đàn nhớt tuyến tính của lớp mặt bê tông nhựa ... 111

4.3.2.Mô đun đàn hồi động của lớp đất nền ... 113

4.3.3.Mơ đun động của lớp móng cấp phối đá dăm ... 120

4.4. Các thơng số tính vật liệu trong trường hợp tính tốn đàn hồi ... 121

4.4.1.Mô đun tĩnh của vật liệu bê tông nhựa ... 121

4.4.2.Mô đun tĩnh của lớp đất nền đường và lớp móng cấp phối ... 121

4.5. So sánh ứng xử của kết cấu của hai trường hợp tính toán: đàn hồi và đàn

nhớt ... 122

4.5.1.So sánh ứng suất kéo uốn tại nhiệt độ 15°C ... 123

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

-VI-4.5.2.So sánh độ võng ở nhiệt độ 30°C ... 125

4.5.3.So sánh ứng suất cắt trượt ở nhiệt độ 60°C ... 126

4.6. Phân tích ảnh hưởng của tốc độ xe chạy và nhiệt độ đến ứng xử của của kếtcấu khi tính tốn đàn nhớt tuyến tính ... 129

4.6.1.Ảnh hưởng của tốc độ xe chạy ... 129

4.6.2.Ảnh hưởng của nhiệt độ ... 131

4.7. Kết luận chương 4 ... 132

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ... 134

CÁC BÀI BÁO KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐCỦATÁC GIẢ ... 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 137

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

-VII-DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1. Ứng xử đàn hồi nhớt của nhựa đường dưới tác dụng của tải trọng [25] ... 7

Hình 1-2. Các dạng ứng xử của BTN phụ thuộc vào biến dạng (ε) và số lượt tải trọngε) và số lượt tải trọng) và số lượt tải trọngtác dụng (ε) và số lượt tải trọngN) [31] ... 9

Hình 1-3. Ứng suất - biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động ... 11

Hình 1-4. Hai thành phần của mô đun phức động ... 12

Hình 1-5. Biểu đồ Cole-Cole biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thõa mãn

Nguyêntắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số ... 16

Hình 1-6. Biểu đồ Black biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thỏa mãn Nguyên

tắcTương quan Nhiệt độ - Tần số ... 17

Hình 1-7. Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng của mô đun cắt động |G* | tại nhiệtđộ tham chiếu T ref = 25°C ...17

Hình 1-8. Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng góc lệch pha tại nhiệt độ tham

chiếuT ref = 25°C ...17

Hình 1-9. Ví dụ về hệ số a T phụ thuộc vào nhiệt độ T và mô phỏng theo quy luật WLFtại nhiệt độ tham chiếu T ref = 25°C ...18

Hình 1-10. Biểu đồ Black của mô đun phức của nhựa đường polyme [78] ... 19

Hình 1-11. Đường cong đặc trưng mơ đun phức động của BTN sử dụng nhựa đườngpolyme [78] ... 19

Hình 1-12. Mơ hình Maxwell ... 20

Hình 1-13. Mơ hình Kelvin - Voigt ... 21

Hình 1-14. Mơ hình Maxwell tổng quát ... 21

Hình 1-15. Mơ hình Kelvin – Voigt tổng quát ... 22

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

-VIII-Hình 1-20. Dạng tải trọng chu kỳ tác dụng lên mẫu trong thí nghiệm M R ...28

Hình 1-21. Kết cấu tổng thể nền áo đường mềm ... 32

Hình 1-22. Minh họa trạng thái ứng suất trong kết cấu dưới tác dụng của tải trọng xechạy [62] ... 32

Hình 1-23. Biến dạng theo phương đứng trên bề mặt lớp đất nền [40] ... 33

Hình 1-24. So sánh biến dạng ngang ε) và số lượt tải trọng yy trong tính tốn đàn hồi, tính tốn đàn nhớt vàkết quả đo thực tế tại đáy lớp BTN [65] ... 34

Hình 2-1. Thí nghiệm DSR: a) thiết bị DSR RHEOTEST RN 4.3; b) nguyên lý thínghiệm ... 46

Hình 2-2. Thí nghiệm dạng cắt góc (ε) và số lượt tải trọngCG): a) thiết bị thí nghiệm; b) mơ hình mẫu ... 47

Hình 2-3. Thí nghiệm dạng kéo nén (ε) và số lượt tải trọngK/N): a) thiết bị thí nghiệm; b) mơ hình mẫu 48

Hình 2-4. Đường cong đặc trưng của |G* | của 3 loại nhựa đường nghiên cứu ... 50

Hình 2-5. Đường cong đặc trưng |G* | của nhựa đường 60/70 và ma tít tương ứng ... 51

Hình 2-6. Đường cong đặc trưng |G* | của nhựa đường PMB3 và ma tít tương ứng 51

Hình 2-7. Đường cong đặc trưng |G* | của nhựa đường 35/50 và ma tít tương ứng ... 51

Hình 2-8. Hệ số dịch chuyển a T của nhựa đường 60/70 và ma tít tại T ref = 25°C ...52

Hình 2-9. Hệ số dịch chuyển a T của nhựa đường PMB3 và ma tít tại T ref = 25°C ...52

Hình 2-10. Hệ số dịch chuyển a T của nhựa đường 35/50 và ma tít tại T ref = 25°C ...52

Hình 2-11. Phân tích ANOVA thí nghiệm |G* | của vật liệu nhóm 1 ... 53

Hình 2-12. Phân tích ANOVA thí nghiệm |G* | của vật liêu nhóm 2 ... 53

Hình 2-13. Phân tích ANOVA thí nghiệm |G* | của vật liệu nhóm 3 ... 54

Hình 2-14. Kết quả mô phỏng của vật liệu nhựa đường tại T ref = 25°C ...55

Hình 2-15. Kết quả dự đốn |G* | của ma tít nhựa đường 35/50 tại T ref = 25°C ...58

Hình 2-16. Kết quả dự đốn |G* | của ma tít nhựa đường 60/70 tại T ref = 25°C ...59

Hình 2-17. Kết quả dự đốn |G* | của ma tít nhựa đường PMB3 tại T ref = 25°C ...60

Hình 2-18. Mối quan hệ giữa log(ε) và số lượt tải trọngα) và hàm lượng bột) và hàm lượng bột khoáng V(ε) và số lượt tải trọng%) ... 61

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

-IX-Hình 2-19. Xác định giá trị T V của nhựa đường nguyên gốc 60/70 loại 1 ...65

Hình 2-20. So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ hóa mềm tương đương T V ...65

Hình 2-21. Giá trị |G* | tại nhiệt độ hóa mềm ... 66

Hình 2-22. Giá trị δ tại nhiệt độ hóa mềm ... 66

Hình 2-23. Giá trị tham số K tại nhiệt độ hóa mềm (ε) và số lượt tải trọngtần số 10 rad/s) ... 67

Hình 2-24. Tham số K tại các nhiệt độ và cách xác định T K của nhựa đường

PMB3 ... 68

Hình 2-25. So sánh nhiệt độ hóa mềm và nhiệt độ hóa mềm tương đương T K ...68

Hình 3-1. Đường cong cấp phối: a) BTN C12,5 và BTN P12,5; b) BTN C19 ... 73

Hình 3-2. Mẫu thí nghiệm. ... 74

Hình 3-3. Thiết bị thí nghiệm Cooper ... 75

Hình 3-4. a) Bố trí các đầu đo biến dạng; b) Hình chiếu bằng của mẫu; c) Thiết bị ghidữ liệu ngoài ... 76

Hình 3-5. Sự phát triển theo thời gian của ứng suất và biến dạng trong thí nghiệm néndọc trục tải trọng hình sin [79, 81] ... 77

Hình 3-6. Đường cong đặc trưng |E* | và ϕ E của BTN C12,5 tại T ref = 40℃ ...79

Hình 3-7. Hệ số dịch chuyển a T của 3 loại BTN tại T ref = 40℃ ...79

Hình 3-8. Đường cong đặc trưng hệ số Pốt xơng | ν * | của 3 loại BTN tại

T ref = 40℃ ...80

Hình 3-9. Đường cong đặc trưng góc lệch pha ϕ ν của 3 loại BTN tại T ref= 40℃ ...80

Hình 3-10. Phân tích ANOVA thí nghiệm |ν * | ... 82

Hình 3-11. Phân tích ANOVA thí nghiệm |E* | ... 82

Hình 3-12. Quá trình gia tải-dỡ tải của mẫu BTN C12,5 tại nhiệt độ thí

nghiệm 30°C ... 83

Hình 3-13. Thí nghiệm từ biến: Biến dạng dọc trục và biến dạng nở hông của BTNC12,5 tại 15°C, 30°C và 60°C ... 84

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

-X-Hình 3-14. Thí nghiệm từ biến: Biến dạng dọc trục của 3 loại BTN tại 15°C,

30°C và 60°C ... 85

Hình 3-15. Biến dạng thể tích theo thời gian của mẫu BTN P12,5 tại nhiệt độ 60ºC 86

Hình 3-16. Sự phát triển của hệ số Pốt xơng trong thí nghiệm từ biến ν(ε) và số lượt tải trọngt) theo

thời gian ... 87

Hình 3-17. Biến dạng dọc trục theo thời gian tương đương ... 88

Hình 3-18. Biến dạng nở hơng theo thời gian tương đương ... 89

Hình 3-19. Mơ hình Kelvin-Voigt 3D tổng quát ... 90

Hình 3-20. Mơ phỏng mơ đun phức động của BTN C19 tại T ref = 40  C ...92

Hình 3-21. Mơ phỏng hệ số Pốt xông động |ν* | của BTN C19 tại T ref = 40  C ...92

Hình 3-22. Mô đun động của BTN C12,5 trên biểu đồ Cole-Cole ... 94

Hình 3-23. Đường cong đặc trưng |E*| của BTN C12,5 tại nhiệt độ Tref = 15  C,

30  C và 60  C ... 95

Hình 3-24. Đường cong đặc trưng |ν*| của BTN C12,5 tại nhiệt độ Tref = 15  C,

30  C và 60  C ... 96

Hình 3-25. Sự chồng chất của ứng suất tác dụng trong thí nghiệm từ biến ... 97

Hình 3-26. BTN C12,5 - thí nghiệm và mô phỏng tại các nhiệt độ của biến dạng

dọc trục ... 99

Hình 3-27. BTN C12,5 - thí nghiệm và mô phỏng tại các nhiệt độ của biến dạng

nở hông ... 100

Hình 3-28. Thí nghiệm và mơ phỏng biến dạng dọc trục của BTN C12,5, BTN C19 vàBTN P12,5 tại nhiệt độ 30  C ... 101

Hình 3-29. Kết quả dự đoán |E* | của BTN C12,5 tại T ref = 40°C ...103

Hình 3-30. Kết quả dự đoán |E* | của BTN C19 tại T ref = 40°C ...103

Hình 3-31. Kết quả dự đoán |E* | của BTN P12,5 tại T ref = 40°C ...103

Hình 4-1. Thiết lập mơ hình kết cấu và lựa chọn thông số vật liệu: Tính tốn

đàn hồi ... 108

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

-XI-Hình 4-2. Thiết lập mô hình kết cấu và lựa chọn thông số vật liệu: Tính tốn

đàn nhớt ... 108

Hình 4-3. Thiết lập thơng số tải trọng và vận tốc và dữ liệu đầu ra ... 109

Hình 4-4. Xuất kết quả ... 109

Hình 4-5. Mơ phỏng kết cấu áo đường ... 110

Hình 4-6. Mơ hình tải trọng tính tốn: a) tải trong trục đơn; b) tải trọng trục kép 110

Hình 4-7. Tính chất đàn nhớt của BTN C12,5: a) Mô đun động | E*|; b) góc

pha φ ... 112

Hình 4-8. Tính chất đàn nhớt của BTN C19: a) Mô đun động |E*|; b) góc lệch

pha φ ... 113

Hình 4-9. Biểu đồ thành phần hạt của các vật liệu nghiên cứu ... 114

Hình 4-10. Chuẩn bị mẫu và cài đặt máy thí nghiệm ... 115

Hình 4-11. Phân tích phương sai ANOVA ... 116

Hình 4-12. Ảnh hưởng của cấp áp lực hơng (ε) và số lượt tải trọnga) và ứng suất lệch (ε) và số lượt tải trọngb) đến giá trị M R củamẫu đất loại 1 ... 117

Hình 4-13. Ảnh hưởng của cấp áp lực hông (ε) và số lượt tải trọnga) và ứng suất lệch (ε) và số lượt tải trọngb) đến giá trị M R củamẫu đất loại 2 ... 118

Hình 4-14. Biến dạng của mẫu thí nghiệm BTN C12,5 tại nhiệt độ 30ºC theo thời giangia tải và dỡ tải ... 121

Hình 4-15. Ứng suất kéo uốn 𝜎 xx tại đáy lớp BTN C19 - tải trọng trục đơn ...123

Hình 4-16. Biến dạng 𝜀 xx tại đáy lớp BTN C19 tại nhiệt độ 15°C ...123

Hình 4-17. Biến dạng 𝜀 yy tại đáy lớp BTN C19 ...124

Hình 4-18. Ứng suất kéo uốn 𝜎 xx tại đáy lớp BTN C19 - tải trọng trục kép ...124

Hình 4-19. Độ võng của kết cấu ở nhiệt độ 30°C ... 126

Hình 4-20. Ứng suất cắt trượt xz τ tại đáy lớp BTN C19 ở nhiệt độ 60°C ...127

Hình 4-21. Ứng suất cắt trượt xz τ lớn nhất theo chiều sâu kết cấu ở nhiệt độ 60°C ... 127

Hình 4-22. Thiết lập nhiệt độ của các phân lớp BTN ... 129

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

-XII-Hình 4-23. Ứng suất cắt trượt xz τ tại đáy lớp BTN C19 ...129

Hình 4-24. Ảnh hưởng của vận tốc xe chạy đến ứng suất 𝜎 xx tại đáy lớp

BTN C19 ... 130

Hình 4-25. Ảnh hưởng của vận tốc xe chạy đến biến dạng 𝜀 xx tại đáy lớp

BTN C19 ... 130

Hình 4-26. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất 𝜎 xx tại đáy lớp BTN C19 ...131

Hình 4-27. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất τ xz tại đáy lớp BTN C19 ...131

Hình 4-28. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng 𝜀 xx tại đáy lớp BTN C19 ...132

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

-XIII-DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1. Các loại nhựa đường và ma tít tương ứng ... 45

Bảng 2-2. Kế hoạch thí nghiệm ... 45

Bảng 2-3. Giá trị |G* | của nhựa đường 35/50 và các ma tít tương ứng ở tần số 5 Hz 50

Bảng 2-4. Các tham số của mơ hình 2S2P2D cho các loại vật liệu ... 54

Bảng 2-5. Tiêu chí phân loại của phương pháp đánh giá Goodness-of-fit ... 56

Bảng 2-6. Mức độ phù hợp của kết quả dự đoán sử dụng mơ hình 2S2P1D đối với vậtliệu nghiên cứu ... 56

Bảng 2-7. Giá trị các tham số sử dụng cho phương pháp chuyển đổi ... 57

Bảng 2-8. Mức độ phù hợp của mô hình dự đốn ... 61

Bảng 2-9. Vật liệu thí nghiệm ... 63

Bảng 2-10. Nhiệt hóa mềm và mơ đun cắt động |G* |, góc pha  tại nhiệt hóa mềm 64

Bảng 2-11. So sánh sự chênh lệch giữa nhiệt độ hóa mềm tương đương với nhiệt độ

hóamềm thực nghiệm ... 69

Bảng 2-12. Phương trình hồi quy của nhiệt độ hóa mềm với nhiệt độ hóa mềm tươngđương ... 69

Bảng 3-1. Thông số của các hỗn hợp BTN ... 73

Bảng 3-2. Số lượng mẫu và số lượng thí nghiệm mô đun phức động của BTN ... 74

Bảng 3-3. Các tham số của mơ hình 2S2P1D cho các loại BTN ... 92

Bảng 3-4. Các tham số của mơ hình GKV 3D cho các loại BTN tại nhiệt độ thí nghiệm15  C và hệ số dịch chuyển tương ứng với nhiệt độ 30ºC and 60ºC ... 93

Bảng 3-5. Giá trị các thông số của phương pháp dự đoán ... 102

Bảng 3-6. Mức độ phù hợp của mơ hình dự đoán ... 102

Bảng 4-1. Các tham số mô hình Huet-Sayegh ... 112

Bảng 4-2. Mô đun đàn hồi động và góc lệch pha của vật liệu BTN tại các cặp nhiệt tần số tính tốn ... 113

độ-Bảng 4-3. Tính chất cơ lý cơ bản của vật liệu sử dụng làm thí nghiệm ... 114

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

-XIV-Bảng 4-4. Kế hoạch thí nghiệm mô đun động của đất nền ... 115 Bảng 4-5. Giá trị mô đun đàn hồi động M R (ε) và số lượt tải trọngMPa) của các mẫu thí nghiệm ...116Bảng 4-6. Kết quả nội suy giá trị mô đun đàn hồi động M R ...120Bảng 4-7. Tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN và mơ đun đàn hồi động của các vậtliệu CPĐD và đất nền ... 120 Bảng 4-8. Mô đun đàn hồi tĩnh của vật liệu ... 122 Bảng 4-9. Phân bố nhiệt độ theo chiều sâu trong lớp BTN ... 128

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

-XV-DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

hội người làm đường bộ và vận tải Hoa Kỳ

liệu Hoa Kỳ

theo phương pháp cơ học – thực nghiệm

mặt đường dài hạn

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

-1-MỞ ĐẦU1. Đặt vấn đề

Tại Việt Nam cũng như các nước khác trên thế giới, kết cấu mặt đường bê tông nhựa(ε) và số lượt tải trọnggọi tắt là BTN) được sử dụng rất rộng rãi và phổ biến. Hiện nay hầu hết các tuyếnđường cấp cao ở Việt Nam sử dụng loại kết cấu áo đường này. Kết cấu áo đường BTNcó nhiều ưu điểm so với áo đường bê tông xi măng như: Chi phí sản xuất ban đầu thấphơn. Mặt đường êm thuận, ít gây tiếng ồn. Lớp mặt BTN có tính kín khơng thấm nướcxuống nền móng phía dưới. Cường độ tương đối cao và dễ dàng hơn trong công tácduy tu bảo dưỡng. Thời gian thi cơng nhanh và có thể đưa vào sử dụng nhanh chóngsau khi thi cơng...Tuy nhiên, lớp mặt BTN của loại kết cấu này là loại vật liệu nhạycảm với nhiệt độ, thường bị biến dạng ở nhiệt độ cao, nứt ở nhiệt độ thấp. Trong quátrình sử dụng, loại kết cấu áo đường này cũng thường xuyên đối mặt với các hư hỏngnhư: Hiện tượng nứt mỏi là do biến dạng theo phương ngang tại đáy của lớp BTN hayhư hỏng dạng hằn lún vệt bánh xe do biến dạng theo phương đứng trong các lớp móngcủa kết cấu... Những hư hỏng này gây thiệt hại lớn về mặt kinh tế, xã hội. Nguyênnhân của các hư hỏng trong kết cấu áo đường BTN có thể xuất phát trong các giaiđoạn từ giai đoạn thiết kế đến giai đoạn thi công, giai đoạn vận hành và cả công tácduy tu bảo dưỡng. Trong đó, cơng tác thiết kế là giai đoạn đầu tiên đòi hỏi sự đảm bảocác yêu cầu về mặt kỹ thuật cũng như tính kinh tế của tuyến đường. Hiện nay ở ViệtNam, đang tồn tại song hành hai tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm là TCCS

TCĐBVN vẫn được sử dụng phổ biến nhất do tiêu chuẩn này khá đơn giản để áp dụngvà đã quen thuộc với nhiều thế hệ kỹ sư. Để công tác thiết kế kết cấu áo đường đượcđảm bảo về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế, việc mô tả đúng đắn ứng xử cơ học của cáclớp vật liệu làm đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ mơi trườngđóng vai trị then chốt bởi các tính chất cơ học của vật liệu đóng vai trị là thông số đầuvào rất quan trọng của tất cả các phương pháp thiết kế kết cấu áo đường hiện nay.Tải trọng xe chạy là tải trọng có tính động tức là tải trọng tác dụng lên một điểm có sựthay đổi về độ lớn và phương tác dụng theo thời gian xe chạy qua. Hơn nữa, các lớpvật liệu khác nhau trong kết cấu áo đường mềm có đặc tính cường độ và biến dạngkhác nhau khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy. Một số nghiên cứu trên thế giớitrước đây đã chỉ ra rằng, đối với lớp móng cấp phối và lớp đất nền, các loại vật liệunày thể hiện

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

-2-ứng xử phi tuyến phụ thuộc trạng thái -2-ứng suất tức là mô đun độ c-2-ứng của chúngkhông phải là hằng số mà là hàm số của trạng thái ứng suất (ε) và số lượt tải trọnggồm cấp tải trọng thẳng

có tính chất đàn hồi nhớt và nhạy cảm nhiệt. Ứng xử của BTN phụ thuộc vào nhiệt độ

chính là yếu tố gây ra tính chất này của vật liệu BTN. Khi sử dụng tính chất đàn hồinhớt của vật liệu này thay cho tính chất đàn hồi tuyến tính trong tính tốn, ứng xử củakết cấu áo đường mềm thay đổi rất rõ rệt. Tuy nhiên, trong phương pháp tính tốn thiếtkế kết cấu áo đường mềm quy định trong TCCS 38 : 2022/TCĐBVN của Việt Namhiện hành, các giá trị mô đun của vật liệu là các giá trị mô đun tĩnh. Tức là các giá trịmô đun này được xác định trong điều kiện tải trọng tĩnh với phương, chiều và độ lớncủa tải trọng tác dụng không thay đổi trong suốt quá trình gia tải. Do đó, các giá trị nàykhơng phản ánh chính xác ứng xử của vật liệu với thực tế làm việc của chúng dưới tácdụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ mơi trường. Điều đó dẫn đến kết quả tính tốnthiết kế kết cấu áo đường sẽ khơng có sự phù hợp với ứng xử thực tế của kết cấu. Hiệnnay, rất nhiều tính tốn đang hướng đến việc thay thế ứng xử đàn hồi tuyến tính củavật liệu BTN bằng đàn nhớt tuyến tính dưới tác dụng tải trọng động để có thể mơphỏng kết cấu sát hơn với trạng thái làm việc thực tế của các lớp vật liệu và kết cấu.Một số nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy rằng, kết quả tính tốn khi coi ứng xử củaBTN là đàn nhớt tuyến tính cũng cho kết quả phù hợp hơn với các giá trị biến dạng đo

Tính chất đàn nhớt tuyến tính của vật liệu nhựa đường và BTN được đặc trưng bởi mơ

Modulus) và góc trễ pha φ giữa ứng suất tác dụng và biến dạng sinh ra. Tính chất củacác lớp vật liệu rời (ε) và số lượt tải trọnglớp móng cấp phối đá và đất đắp nền đường) được đặc trưng bởi

bằng thí nghiệm sử dụng tải trọng động (ε) và số lượt tải trọngtải trọng biến thiên theo dạng hình sin hoặchaversine). Để đo các thông số này của các loại vật liệu cần những thiết bị máy móc cóđộ chính xác cao, hiện đại và đắt tiền mà khơng phải phịng thí nghiệm nào cũng có thểtrang bị được. Ngồi ra, các loại thí nghiệm này cũng địi hỏi nhân cơng thí nghiệmphải được đào tạo và có tay nghề cao. Do đó, ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính chấtcủa vật liệu của kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động là khá ít. Điềuđó dẫn đến các tính tốn kết cấu áo đường mềm sử dụng mô đun động của các lớpvật liệu và có

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

-3-tính đến đặc -3-tính đàn nhớt của vật liệu BTN cũng cịn hạn chế và mới mẻ.

2. Mục đích và nội dung nghiên cứu

a) Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mơ phỏng tính chất cơ học của vật liệu kết cấuáo đường mềm (ε) và số lượt tải trọngnhựa đường, ma tít, BTN và đất nền) dưới tác dụng của tải trọng cótính động trong điều kiện Việt Nam. Sử dụng các kết quả thực nghiệm của vật liệu đểmơ phỏng và dự đốn ứng xử của một kết cấu áo đường mềm thường dùng dưới tácdụng của tải trọng xe chạy.

b) Nội dung nghiên cứu

Nội dung của nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau:

hợp BTN từ nhựa đường đến ma tít đến BTN dưới tác dụng của tải trọng động.Dự đốn mơ đun phức động của Ma tít và BTN từ thí nghiệm xác định tính chấtđàn nhớt tuyến tính của nhựa đường.

nghiệm Vịng và bi với các tham số đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến tínhcủa nhựa đường được xác định bằng thí nghiệm cắt động lưu biến (ε) và số lượt tải trọngDSR-

đàn nhớt tuyến tính trong trường hợp 1D và 3D của BTN trên miền tần số vàtrên miền thời gian. Từ đó, hệ số Pốt xơng phức động và hệ số Pốt xơng từbiến được xác định. Ngoài ra, sự phát triển của biến dạng dọc trục và biến dạngnở hơng trong thí nghiệm từ biến 3D được tính tốn và mơ phỏng từ thí nghiệmmơ đun phức động 3D.

các lớp vật liệu và có quan tâm đến tính chất đàn nhớt tuyến tính của lớp vậtliệu BTN.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

-4-vật liệu nhựa đường, ma tít, BTN, lớp móng cấp phối và đất nền.

loại vật liệu trong kết cấu áo đường mềm.

có xét đến tính chất đàn nhớt tuyến tính của vật liệu BTN.

b) Phạm vi nghiên cứu

Tính chất cơ học của các loại vật liệu sử dụng trong kết cấu áo đường rất phức tạp: môđun độ cứng, mỏi, lún, nứt... Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu vào mô đun động của cácvật liệu nhựa đường, ma tít, BTN và đất nền. Do số lượng vật liệu lớn nên đề tài khơngthí nghiệm nhiều loại cho cùng một vật liệu mà chỉ lấy vật liệu đặc trưng thường dùngtrong thực tế để thí nghiệm. Đối với kết cấu, đề tài sẽ lựa chọn một kết cấu thườngđược sử dụng trong thực tế để mơ phỏng và phân tích. Đề tài bao gồm cả phần nghiêncứu lí thuyết, thực nghiệm và mơ hình hóa.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học

của tải trọng động để mô phỏng đúng hơn ứng xử cơ học của vật liệu và của cảkết cấu dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và nhiệt độ môi trường.

hưởng lớn đến việc dự đoán các ứng xử của kết cấu áo đường mềm. Vì vậy,việc mơ tả đúng tính chất của hệ số Pốt xơng của hỗn hợp BTN là rất cần thiếtđể cải thiện cơng tác dự đốn các hư hỏng của kết cấu áo đường mềm.

b) Ý nghĩa thực tiễn

thí nghiệm phức tạp và địi hỏi độ chính xác cao. Đây có thể được coi là tiền đềcho những nghiên cứu khác cùng lĩnh vực trong tương lai.

công tác áp dụng phương pháp tính tốn thiết kế áo đường mềm tiên tiến củathế

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

-5-giới vào điều kiện Việt Nam.

trong lĩnh vực nghiên cứu tại các trường Đại học.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

dạng màu đen và đặc quánh. Chất lượng của hỗn hợp BTN phụ thuộc rất lớn vào chấtlượng của nhựa đường bởi vì trong hỗn hợp BTN, nhựa đường là pha liên tục; thành

yêu cầu cơ học và lưu biến nhất định. Thứ nhất, nhựa đường phải đủ lỏng ở nhiệt độcao (ε) và số lượt tải trọngkhoảng 160°C) để có thể tạo ra lớp phủ đồng nhất cho cốt liệu khi trộn. Thứ hai, ởmôi trường làm việc của kết cấu áo đường, nhựa đường phải đủ độ cứng ở nhiệt độ caođể chống lại biến dạng lún và phải đủ độ mềm ở nhiệt độ thấp để chống lại hư hỏng donứt. Tuy nhiên, nhựa đường nguyên gốc chỉ thể hiện được ứng xử lưu biến phù hợp,cần thiết cho hoạt động của kết cấu áo đường trong phạm vi nhiệt độ tương đối hẹp.Do đó, nhựa đường cải tiến (ε) và số lượt tải trọngnhựa đường polyme) ra đời để tăng hiệu quả làm việc củathành phần nhựa trong hỗn hợp, chống lại các loại biến dạng của kết cấu áo đường –nứt ở nhiệt độ thấp và lún ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của tải trọng xe và nhiệt độ môitrường.

Các nghiên cứu về nhựa đường trên thế giới thường nhấn mạnh đến tính chất lưu biếncủa vật liệu. Nghiên cứu về tính chất lưu biến được định nghĩa là nghiên cứu các đặc

nghiên cứu về khía cạnh này, nhựa đường là một chất lỏng dẻo nhiệt có ứng xử đànnhớt, hoạt động như chất rắn đàn hồi ở nhiệt độ thấp (ε) và số lượt tải trọnghoặc thời gian tác dụng lực ngắn- tần số tác dụng lực lớn) hoặc như chất lỏng nhớt ở nhiệt độ cao (ε) và số lượt tải trọnghoặc thời gian tácdụng lực dài - tần số tác dụng lực nhỏ). Ở nhiệt độ làm việc của kết cấu áo đường,nhựa đường là vật liệu đàn hồi nhớt, ứng xử của nhựa đường thể hiện cả hai tính chấtđàn hồi và nhớt. Khi đó, mối quan hệ giữa ứng suất tác dụng và biến dạng sinh ra phụthuộc vào

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

-7-nhiệt độ và thời gian (ε) và số lượt tải trọngHình 1-1). Khi nghiên cứu vật liệu trong miền đàn nhớt tuyếntính, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thờigian tác dụng lực mà không phụ thuộc vào cường độ của ứng suất tác dụng, nghĩa là

Hình 1-1. Ứng xử đàn hồi nhớt của nhựa đường dưới tác dụng của tải trọng [25]

Tính chất của nhựa đường rất phức tạp và để mô tả được tính chất của nhựa đườngtrong nhiều điều kiện khác nhau (ε) và số lượt tải trọngnhiệt độ, tần số, ứng suất và biến dạng) thường đòihỏi một số lượng lớn các thí nghiệm. Hai thí nghiệm truyền thống thường được yêucầu để phân cấp nhựa đường là thí nghiệm độ kim lún (ε) và số lượt tải trọngxác định độ qnh) và thínghiệm nhiệt hóa mềm (ε) và số lượt tải trọngxác định tính ổn định nhiệt). Tuy nhiên, hai thí nghiệm nàykhơng mơ tả được ứng xử đàn nhớt của vật liệu và do đó chưa tạo được cơ sở khoa họcđể phân loại nhựa đường. Điều quan trọng là phải hiểu được mối quan hệ ứng suất –biến dạng của nhựa đường trên một khoảng rộng các nhiệt độ và tần số. Thí nghiệmcắt động lưu biến (ε) và số lượt tải trọngDynamic Shear Rheometer - DSR) hoặc thí nghiệm DMA(ε) và số lượt tải trọngDynamic Mechanical Analysis) là những thí nghiệm được sử dụng rộng rãi trên thếgiới để xác định tính chất đàn hồi, đàn hồi nhớt và nhớt của nhựa đường trong miềnđàn nhớt tuyến tính và trên một khoảng rộng nhiệt độ và tần số. Thí nghiệm thườngđược thực hiện trong miền biến dạng nhỏ để đảm bảo ứng xử của vật liệu nằm trongmiền đàn nhớt tuyến tính. Trong thí nghiệm này, hai tham số đặc trưng cho tính chất

Tuy nhiên, thí nghiệm DSR là loại thí nghiệm cần thiết bị hiện đại, đắt tiền và địi hỏinhân cơng có tay nghề cao. Do đó, hướng tới việc mơ phỏng tính chất lưu biến củanhựa đường bằng các mơ hình (ε) và số lượt tải trọngmơ hình tốn học, mơ hình cơ học…) là rất cần thiếtđể có thể dự đốn được ứng xử của vật liệu tại

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

-8-các nhiệt độ và tần số khác khơng được thực hiện thí nghiệm nhằm tiết kiệm kinh phívà thời gian thực hiện.

1.1.1.2. Ma tít

Ma tít át phan là hỗn hợp của nhựa đường và bột khống có cỡ hạt lọt qua mắt sàng 63

chất kết dính các hạt cốt liệu trong hỗn hợp BTN không phải là nhựa đường mà trướchết nhựa đường sẽ liên kết với các phần tử mịn nhất của cấp phối cốt liệu tạo thành matít và chính ma tít này sẽ đóng vai trị là chất kết dính của hỗn hợp BTN. Ma tít có ảnhhưởng mạnh mẽ đến ứng xử cơ học của hỗn hợp BTN. Trong nhiều nghiên cứu trướcđây cho thấy rằng, tính chất lưu biến của ma tít ảnh hưởng đến hầu như tất cả các dạnghư hỏng của BTN. Đặc biệt, ứng xử mỏi và nứt ở nhiệt độ thấp cũng như lún của hỗn

đốn ứng xử của vật liệu BTN. Ngồi yếu tố hàm lượng thể tích, các đặc tính của bộtkhống, đặc tính của nhựa đường cũng như sự tương tác bột khống – nhựa đườngđóng vai trò quan trọng trong việc xác định ứng xử của ma tít và sau đó là hỗn hợpBTN.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến ứng xử cơ học của ma tít đã và đang được nghiên cứubởi nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Đặc biệt, các tính chất vật lý và hóa học của

Ngồi ra, hàm lượng bột khống, nhiệt độ và tần số tải trọng cũng ảnh hưởng đáng kểđến ứng xử của ma tít.

Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã hướng tới việc nghiên cứu tính chất của ma tít vớimục đích tạo cầu nối chuyển tiếp giữa đặc tính của nhựa đường với ứng xử của BTN.Ảnh hưởng của bột khống có thể được xác định một cách trực tiếp hơn ở ma tít so vớitrong hỗn hợp BTN.

1.1.2. Bê tông nhựa

Hỗn hợp bê tông nhựa nóng (ε) và số lượt tải trọngHot mix asphal-HMA) là hỗn hợp bao gồm các cốt liệu(ε) và số lượt tải trọngđá dăm, cát và bột khống) có tỷ lệ phối trộn xác định, được sấy nóng và trộn đều với

BTN, hàm lượng nhựa (ε) và số lượt tải trọngtheo khối lượng) phổ biến từ 4% đến 7%. Nhựa đường đóngvai trị là chất liên kết trong khi hỗn hợp cốt liệu là bộ khung tạo độ cứng cho hỗn hợp.Tính chất

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

-9-cơ học của BTN phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nhựa đường và hàm lượng cácthành phần của hỗn hợp như: cấp phối, nhựa đường và độ rỗng dư. BTN được biết đếnnhư vật liệu đàn nhớt và nhạy cảm nhiệt. Nhựa đường chính là thành phần vật liệu gâyra tính chất này của BTN. Ở nhiệt độ thấp (ε) và số lượt tải trọnghoặc tải trọng tác dụng rất nhanh), độ cứngcủa vật liệu cao. Ngược lại, khi ở nhiệt độ cao (ε) và số lượt tải trọnghoặc tải trọng tác dụng rất chậm), độcứng của vật liệu thấp. BTN có ứng xử rất phức tạp dưới tác dụng của tải trọng và

- Loại 1: Khi số lượt tải trọng tác dụng ít (ε) và số lượt tải trọngvài trăm chu kỳ) và biến dạng nhỏ (ε) và số lượt tải trọng<

- Loại 2: Khi số lượt tải trọng tác dụng lớn và biến dạng tác dụng nhỏ, hiện tượngmỏi được coi là ứng xử của vật liệu.

- Loại 3: Khi số lượt tải trọng tác dụng ít, biến dạng tác dụng từ khoảng vài %, ứng xử của vật liệu là phi tuyến.

- Loại 4: Khi độ lệch ứng suất lớn hơn khơng và mức biến dạng tác dụng cao, vậtliệu có biến dạng dư và dần phá hoại do có các biến dạng dư cộng dồn.

Hình 1-2 thể hiện các dạng ứng xử khác nhau của BTN tại một nhiệt độ cố định.

Đường biên phá hủy của vật liệu sẽ thay đổi phụ thuộc vào dạng tải trọng, nhiệt độ vàcác loại vật liệu khác nhau. Việc mô phỏng và dự đoán ứng xử của hỗn hợp BTN dựavào các mơ hình đàn nhớt tuyến tính được coi là phù hợp với ứng xử của vật liệu trong

Hình 1-2. Các dạng ứng xử của BTN phụ thuộc vào biến dạng (ε) và số lượt tảiε) và số lượt tải) và số lượt tảitrọng tác dụng (ε) và số lượt tảiN) [31]

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

-10-Tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN có thể được mơ tả bởi mô đun phức động

từ biến J(ε) và số lượt tải trọngt) trong miền thời gian được xác định bằng thí nghiệm từ biến. Mô đun phứcđộng thể hiện độ cứng của vật liệu và có thể được xác định bằng cách tác dụng lên

vật liệu dưới tác dụng của tải trọng không đổi. Trong thực tế, các thí nghiệm mơ đun

được sử dụng trực tiếp trong tính tốn thiết kế kết cấu áo đường. Mối quan hệ giữa môđun phức động và hàm từ biến được chứng minh bởi lý thuyết đàn nhớt tuyến tính vàđược xác nhận bằng các nghiên cứu thực nghiệm. Nghiên cứu của Martinez và các

hàm từ biến J(ε) và số lượt tải trọngt) có thể được dự đốn từ mô đun phức động E*(ε) và số lượt tải trọng) và ngược lại.

Trong miền biến dạng nhỏ, ứng xử của BTN có thể được coi là đàn nhớt tuyến tính và

nhớt tuyến tính và xác thực nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số của vật liệutrong trường hợp 1D (ε) và số lượt tải trọngchỉ có duy nhất biến dạng dọc trục của mẫu được xác định), cả

trong miền tần số, một số nghiên cứu đã nghiên cứu đo đạc hệ số Pốt xơng phức động

rất ít các nghiên cứu tiến hành thí nghiệm từ biến 3D. Do đó, mặc dù mối quan hệ

tác giả nghiên cứu nhưng vẫn còn thiếu những nghiên cứu về mối quan hệ giữa thínghiệm mơ đun phức động và thí nghiệm từ biến trong trường hợp 3D.

Cũng giống như nhựa đường, thí nghiệm xác định tính chất đàn nhớt tuyến tính củahỗn hợp BTN là loại thí nghiệm đắt tiền và tiêu tốn nhiều thời gian. Do đó, nhiềunghiên cứu trên thế giới đã được tiến hành để tìm ra những mơ hình phù hợp, nhằmhướng đến có thể dự đốn tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN.

1.1.3. Thí nghiệm mơ đun phức động của nhựa đường, ma tít và bê tơng nhựa

Trong thí nghiệm mơ đun phức động, 2 giá trị đặc trưng cho tính chất đàn nhớt tuyến

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

-11-tính của vật liệu là mơ đun phức động và góc lệch pha được xác định. Trên thế giới,mơ đun phức động được sử dụng nhiều trong tính tốn thiết kế kết cấu áo đường mềmcũng như trong các nghiên cứu tính chất đàn nhớt tuyến tính của vật liệu. Giá trị môđun phức động của BTN phản ánh sát hơn với ứng xử của vật liệu BTN trong kết cấuáo đường dưới tác dụng của tải trọng trùng phục xe chạy. Thí nghiệm đo mơ đun phứcđộng được thực hiện trong miền biến dạng nhỏ để ứng xử của vật liệu nằm trong miềnđàn nhớt tuyến tính.

Đối với vật liệu BTN, nếu thí nghiệm mơ đun phức động xác định được cả biến dạngdọc trục và biến dạng nở hơng, hệ số Pốt xơng phức động sẽ được tính tốn và do đó,sự biến thiên của biến dạng thể tích của mẫu được quan sát.

1.1.3.1. Thí nghiệm mơ đun phức động

Ngun tắc thí nghiệm đo mơ đun phức động là tác dụng một tải trọng 𝜎(ε) và số lượt tải trọngt) dạng hìnhsin lên mẫu vật liệu, kết quả biến dạng 𝜀(ε) và số lượt tải trọngt) nhận được cũng có dạng hình sin nhưng trễ

Hình 1-3. Ứng suất - biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng động

Từ các giá trị ứng suất và biến dạng đo đạc được, giá trị mô đun phức động được tínhtốn theo các cơng thức từ (ε) và số lượt tải trọng1-1) đến (ε) và số lượt tải trọng1-11) [53].

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

-12-Trong đó:

σ(ε) và số lượt tải trọngt) = σ0sin(ε) và số lượt tải trọngωt)t) (ε) và số lượt tải trọng1-1)

ε) và số lượt tải trọng(ε) và số lượt tải trọngt) = ε) và số lượt tải trọng0sin(ε) và số lượt tải trọngωt)t − φE) (ε) và số lượt tải trọng1-2)

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

ωt) là vận tốc góc;

t là thời gian.

ứng suất và biến dạng có thể viết dưới dạng:

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

(ε) và số lượt tải trọng1-6)

= (𝜀0

(ε) và số lượt tải trọng1-7)

Phần thực E’ cịn được gọi là mơ đun đàn hồi, phần ảo E” cịn được gọi là mơ đun tổn

Hình 1-4. Hai thành phần của mơ đun phức động

0

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Mô đun cắt động G* được định nghĩa giống như mô đun phức động E* khi tác dụng ứngsuất dạng cắt lên mẫu và nhận được biến dạng góc được mơ tả như các cơng thức sau:

τ(ε) và số lượt tải trọngt) = τ0 sin(ε) và số lượt tải trọngωt)t) (ε) và số lượt tải trọng1-8)

γ(ε) và số lượt tải trọngt) = γ0 sin(ε) và số lượt tải trọngωt)t – φG) (ε) và số lượt tải trọng1-9)

Khi đó, mơ đun cắt động được tính theo cơng thức sau:

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

quan trọng đến ứng xử của kết cấu ngay cả khi tham số này gần như ln được coi là

tốn của phương pháp thiết kế MEPDG để đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi hệ sốPốt xơng của các lớp BTN đến các dự báo hư hỏng của kết cấu áo đường mềm. Kếtquả cho thấy rằng hệ số Pốt xơng của BTN được xếp vào danh sách những yếu tố ảnhhưởng lớn đến việc dự đoán các ứng xử của kết cấu áo đường mềm. Đặc biệt, việcgiảm hệ số Pốt xơng của lớp BTN ảnh hưởng tiêu cực tới dự đoán hằn lún mặt đườngcũng như sự

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

phát triển của vết nứt. Vì vậy, việc mơ tả đúng tính chất của hệ số Pốt xơng của hỗnhợp BTN dưới tác dụng của tải trọng xe là rất cần thiết để cải thiện cơng tác dự đốncác hư hỏng của kết cấu áo đường mềm.

Trong phịng thí nghiệm, để đo đạc hệ số Pốt xơng của BTN, ngoài biến dạng dọctrục, biến dạng nở hông cũng phải được đo đạc (ε) và số lượt tải trọnggọi là thí nghiệm 3 chiều - 3D). Hệ sốPốt xơng được định nghĩa là tỉ số âm của biến dạng nở hông và biến dạng dọc trục.So với thí nghiệm xác định mơ đun động, thí nghiệm xác định hệ số Pốt xơng độngcủa BTN khó khăn và phức tạp hơn do biến dạng nở hông thường bé hơn nhiều so vớibiến dạng dọc trục. Thí nghiệm dạng 3D này là thí nghiệm phức tạp đòi hỏi thiết bị giatải và thiết bị đo phải có độ chính xác cao, được lắp đặt và thiết kế tỉ mỉ. Do vậy, ngaycả trên thế giới cũng khơng có nhiều nhóm nghiên cứu cơng bố kết quả về hệ số Pốtxơng của BTN. Ở Việt Nam, hiện chưa có nghiên cứu thực nghiệm nào xác định vàđánh giá được hệ số Pốt xơng của BTN cho một dải tần số và nhiệt độ khác nhaucũng như xác định và đánh giá hệ số Poát xơng trong thí nghiệm từ biến.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự biến thiên của hệ số Pốt xơng phức động như: Ảnhhưởng của Nhiệt độ - tần số tác dụng lực; ảnh hưởng của hiện tượng mỏi; Ảnh hưởngcủa biên độ biến dạng… Một số nghiên cứu cho thấy nhiệt độ - tần số có ảnh hưởng

biên độ biến dạng cũng ảnh hưởng tới hệ số Pốt xơng phức động. Đối với từ biến,trong thời gian gia tải, hệ số Pốt xơng có xu hướng giảm. Trong thời gian dỡ tải, hệ sốPốt xơng gần như khơng thay đổi.

1.1.4. Thí nghiệm từ biến

Từ biến là sự phát triển của biến dạng theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng khơngđổi. Như đã đề cập ở trên, tính chất đàn nhớt tuyến tính của BTN có thể được mô tảbởi hàm từ biến J(ε) và số lượt tải trọngt) trong miền thời gian và được xác định bởi thí nghiệm từ biến.Thí nghiệm từ biến của BTN có ý nghĩa quan trọng vì thí nghiệm này giúp xác định vàphân chia các thành phần của biến dạng gồm biến dạng đàn hồi (ε) và số lượt tải trọngkhông phụ thuộc vào

thu được từ thí nghiệm từ biến ở nhiệt độ thấp được sử dụng để dự đoán sự phát triểncủa nứt nhiệt, cịn các thơng số thu được ở nhiệt độ cao được sử dụng để dự đoán hư

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

hỏng hằn lún. Trong thí nghiệm từ biến, tải trọng tĩnh được tác dụng lên mẫu thínghiệm và xác định sự phát triển của biến dạng theo thời gian tác dụng lực. Sau đó,

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

1.1.5. Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số

1.1.5.1. Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số toàn phần

Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng, nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số (ε) và số lượt tải trọngTime– Temperature Superposition Principle ) được chứng minh là có thể được áp dụng cho

đun phức động E* (ε) và số lượt tải trọnghoặc G*) là hàm của hai biến số là tần số f (ε) và số lượt tải trọnghoặc tần số góc ɷ f) và nhiệt độ T. Trong các nghiên cứu thực nghiệm về mô đun động của nhựađường và BTN đã chỉ ra rằng một giá trị của mơ đun có thể xác định ở nhiều cặp tầnsố và nhiệt độ (ε) và số lượt tải trọngf,

T) khác nhau. Ví dụ như trong nghiên cứu này giá trị mô đun của nhựa đường 35/50tại nhiệt độ 10°C và tần số 1 Hz xấp xỉ bằng 23 MPa. Giá trị mô đun này của vật liệucũng có thể được xác định tại cặp tần số nhiệt độ khác như tại nhiệt độ 20°C và tần số55 Hz. Điều đó có nghĩa là E*(ε) và số lượt tải trọngωt)1, T1) = E*(ε) và số lượt tải trọngɷ2, T2) với (ε) và số lượt tải trọngωt)1, T1) ≠ (ε) và số lượt tải trọngɷ2, T2). Đặc tính nàycủa vật liệu được gọi là nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số. Nguyên tắc nàyđược xác định cho vật liệu khi trong mặt phẳng Cole - Cole và mặt phẳng Black,đường cong biểu diễn mô đun của vật liệu là duy nhất. Trong biểu đồ Cole - Cole(ε) và số lượt tải trọngHình 1-5) phần thực (ε) và số lượt tải trọngE’) của mô đun phức động được biểu diễn là hàm số của phần

dạng tọa độ logarit là hàm số

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

của góc lệch pha φ (ε) và số lượt tải trọngHình 1-6). Khi trên các biểu đồ Cole-Cole và Black chỉ có một

Nguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số cho phép biểu diễn mô đun phức động vàgóc lệch pha là hàm của một biến duy nhất là tần số nhiệt độ: E*(ε) và số lượt tải trọngωt)g(ε) và số lượt tải trọngT)). Từ tính chấtnày của vật liệu có thể xây dựng đường cong (ε) và số lượt tải trọnglog|E*|, log(ε) và số lượt tải trọngfref)) duy nhất tại một nhiệt

dịch chuyển các đường mô đun đẳng nhiệt về đường đẳng nhiệt ở nhiệt độ tham chiếu

E*(ε) và số lượt tải trọngωt), T) = E*(ε) và số lượt tải trọngaT ωt), Tref) (ε) và số lượt tải trọng1-13)

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

Đường cong nhận được sau dịch chuyển được gọi là đường cong đặc trưng của vật liệu(ε) và số lượt tải trọngMaster Curve). Cần lưu ý rằng, hệ số dịch chuyển xây dựng đường cong đặc trưngcủa mơ đun động và góc lệch pha là đồng nhất với nhau cho một loại vật liệu. Việc xâydựng đường cong đặc trưng này nhằm dự đốn các tính chất của vật liệu ở các cặp tầnsố - nhiệt độ khác nhau không được làm thí nghiệm. Ngồi ra, đường cong này cũngthể hiện đầy đủ ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số đến mô đun của vật liệu. Điều nàycho phép giảm thiểu số lượng thí nghiệm.

Hình 1-5. Biểu đồ Cole-Cole biểu diễn mô đun phức động của vật liệu thõa mãnNguyên tắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Hình 1-6. Biểu đồ Black biểu diễn mơ đun phức động của vật liệu thỏa mãn Nguyêntắc Tương quan Nhiệt độ - Tần số

Hình 1-7. Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng của mô đun cắt động |G*| tạinhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C

Hình 1-8. Ví dụ về xây dựng đường cong đặc trưng góc lệch pha tại nhiệt độ thamchiếu Tref = 25°C

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

Hình 1-9. Ví dụ về hệ số aT phụ thuộc vào nhiệt độ T và mô phỏng theo quy luậtWLF tại nhiệt độ tham chiếu Tref = 25°C

</div>

Nghiên cứu ứng xử cơ học của vật liệu và kết cấu áo đường mềm dưới tác dụng của tải trọng động trong điều kiện Việt Nam

<b>BÙI VĂN PHÚ</b>

<b>NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀKẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦATẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM</b>

<b>LUẬN ÁN TIẾN SĨ</b>

<b>HÀ NỘI - 2024</b>

<b>BÙI VĂN PHÚ</b>

<b>NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA VẬT LIỆU VÀKẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM DƯỚI TÁC DỤNG CỦATẢI TRỌNG ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM</b>

<b>Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng</b>

<b>LUẬN ÁN TIẾN SĨ</b>

<b>NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:1. PGS.TS. Nguyễn Quang Tuấn2. PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc</b>

<b>HÀ NỘI – 2024</b>

<b>-I-LỜI CAM ĐOAN</b>

<b>-II-LỜI CẢM ƠN</b>

<b>-III-MỤC LỤC</b>

<b>-VII-DANH MỤC HÌNH VẼ</b>

<b>-XIII-DANH MỤC BẢNG BIỂU</b>

<b>-XV-DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT</b>

<b>-1-MỞ ĐẦU1. Đặt vấn đề</b>

<b>2. Mục đích và nội dung nghiên cứu</b>

<b>3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu</b>

<b>4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn</b>

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về