Tóm tắt luận án Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN THIỆN LƯU

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP
MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM

Ngành

: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thông

Mã số

: 62580205

Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2015


Cơng trình được hồn thành tại Khoa Cơng trình Trường Đại học Giao thông Vận tải

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Lã Văn Chăm

- Trường Đại học GTVT

GS.TS Nguyễn Xuân Đào - Viện KHCN GTVT

Phản biện 1:

GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục
Trường Đại học Xây dựng

Phản biện 2:

GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên
Trường Đại học Thủy Lợi

Phản biện 3:

GS.TS Phạm Cao Thăng
Học Viện Kỹ thuật Quân sự

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường
họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi … giờ
ngày… tháng … năm 2015.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
Thư viện Quốc gia Việt Nam
Thư viện trường Đại học Giao thông Vận tải


Research on Factors Affecting Asphalt Concrete Fatigue
of Road Pavement in Vietnam

Abstract

Asphalt concrete is a popular material used for making road
surfaces in the world in general and Vietnam in particular. The
performance of this type of material denpends mainly on the
properties of the bitumen used. Bitumen is a product which is
extracted from crude oil. Bitumen is has the property of viscoelasticity which is easy to be affected by changes in temperature.
Therefore, the performance of asphalt concrete changes when the
temperature changes. Specifically, asphalt concrete becomes softer
when the temprature increases and harder when the temperature
decreases. There are two main types of serious damage to asphalt
concrete road surfaces: rutting and fatigue crack. A large number of
researches on asphalt concrete fatigue have been conducted and
implemented in designing and building roads in the world. However,
in Vietnam, almost no research of such type has been conducted.
This research is the first to consider the effects of asphalt
concrete fatigue on the pavement performance in Vietnam. The
research presents results of experiments on fatigue life of asphalt
concrete done in specific conditions of environmental temprature,
loads, and aggregate composition in Vietnam. The material types
used in this research were dense-graded hot-mix asphalt 12.5 mm
(HMA 12.5) and dense-graded hot-mix asphalt 19mm (HMA 19)
made at construction sites with technologies widely used in Vietnam.
The composition of the HMA was designed with difference in type
of mineral filler. The three types of mineral filler used were: Andesit
powder, CaCO3 powder, and the mixture of CaCO3 and cement
(weight ratio 1:1).
The experiment was conducted employing the standards stated


in ASTM - Designation: D7460 - 10 under strain control mode by
four-point flexural beam fatigue test device available at University of

Transport and Communication. Based on such experiment, the
affects of aggregate size and mineral filler on fatigue performance of
asphalt concrete mixture was assessed corresponding to different
values of temperature and load frequency. On the basis of this
research a fatigue performance audit procedure in pavement surface
design was proposed. In addition, the service life of asphalt concrete
layer in pavement structure was also determined by analyzing the
fatigue resistance. Furthermore, this research lays the foundation for
further researches into asphalt concrete fatigue in Vietnam.


1

MỞ ĐẦU

Mỏi là hiện tượng nứt gãy dưới tác dụng của tải trọng lặp mà ở
đó trị số lớn nhất của ứng suất nhỏ hơn cường độ chịu kéo của vật
liệu. Phá hoại mỏi là một trong những dạng phá hoại phổ biến của bê
tông asphalt.
1.

Lý do chọn đề tài

Trên thế giới, nứt mỏi là dạng phá hoại được định tính và định
lượng một cách rõ ràng nhất thơng qua nhiều mơ hình và thí nghiệm
khác nhau. Nhiều nơi đã áp dụng kết quả nghiên cứu mỏi vào khâu
thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm có
lớp bê tơng asphalt đảm bảo điều kiện chịu mỏi.
Tại Việt Nam (VN), cho đến nay mỏi bê tông asphalt vẫn chưa
được triển khai nghiên cứu về mặt thực nghiệm một cách cụ thể. Các

nghiên cứu về độ bền mỏi bê tơng asphalt cịn hạn chế, hiện chỉ dừng
ở mức tập hợp lý thuyết. Vấn đề ứng dụng kết quả nghiên cứu mỏi bê
tông asphalt của thế giới vào VN cũng chưa thực sự được quan tâm.
Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh thực hiện đề tài “Nghiên
cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp
mặt đường tại Việt Nam”.
2.

Mục đích nghiên cứu

Tìm ra quy luật cho phá hoại mỏi của bê tơng asphalt ở các điều
kiện thí nghiệm khác nhau. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc
thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt và thiết kế kết cấu áo đường mềm có
xét đến đặc tính mỏi của vật liệu bê tông asphalt.
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Bê tông asphalt loại BTNC 12,5 và BTNC 19; nghiên cứu ảnh
hưởng của một số loại bột khoáng (bột đá Andesit, bột CaCO3, bột
CaCO3 + xi măng (XM)) đến đặc tính kháng mỏi của bê tơng asphalt.


2

4.

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Cơng trình nghiên cứu này bước đầu sẽ góp phần xây dựng hệ
thống lý luận về mỏi bê tông asphalt ở Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu được áp dụng vào khâu thiết kế kết cấu áo
đường có xét đến đặc tính mỏi bê tơng asphalt, và xác định tuổi thọ
mỏi khai thác cho lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường.
6.

Kết cấu của luận án

Luận án trình bày trong 129 trang gồm mở đầu, nội dung nghiên
cứu gồm 4 chương, kết luận - kiến nghị, hướng nghiên cứu tiếp theo,
danh mục cơng trình của tác giả, tài liệu tham khảo.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT

1.1 Định nghĩa mỏi
Mỏi có thể được định nghĩa như là hiện tượng nứt gãy của vật
liệu dưới tác dụng của tải trọng trùng phục hoặc ứng suất thay đổi
trong điều kiện giá trị cực đại của ứng suất này nhỏ hơn cường độ
chịu kéo của vật liệu.
1.2 Các dạng nứt do mỏi đã được nghiên cứu
-

Nứt từ dưới lên (nứt dạng cá sấu)

-

Nứt từ trên xuống (nứt theo chiều dọc)

1.3 Phân tích các nghiên cứu liên quan về các yếu tố ảnh hưởng
đến độ bền mỏi của bê tông asphalt
Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã được thực hiện và tập trung
vào các yếu tố chính sau:
-

Nhóm liên quan đến tải trọng: trị số độ lớn tải trọng, chế độ tải,


3

hình dạng sóng tải, thời gian nghỉ (rest period) và tần số tải.
-

Nhóm liên quan đến mơi trường: độ ẩm, nhiệt độ, bức xạ nhiệt.

- Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt: thành phần hỗn
hợp, loại/hàm lượng bi tum, loại/thành phần cấp phối và độ rỗng.
1.4 Mơ hình và chế độ kiểm sốt thí nghiệm mỏi
1.4.1 Các mơ hình thí nghiệm
- Mơ hình uốn dầm: uốn dầm 2 điểm (dạng ngàm), uốn dầm 3
điểm, uốn dầm 4 điểm, uốn dầm 5 điểm, uốn lặp trên nền đàn hồi.
- Mơ hình kéo - nén: kéo - nén đúng tâm, ép chẻ (kéo gián tiếp),
phương pháp ba trục, phương pháp phá hủy.
-

Mơ hình cắt xoay.

1.4.2 Các chế độ kiểm sốt thí nghiệm mỏi
Thí nghiệm mỏi được thực hiện bằng 2 cách: khống chế ứng suất
không đổi và khống chế biến dạng không đổi [32].
1.5 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng độ bền mỏi BTN
1.5.1 Trên thế giới
Phương pháp mới thiết kế kết cấu áo đường (kết hợp cơ học thực nghiệm) thì độ bền mỏi ln được tính đến. Phương pháp MEDarwin (ME PDG) [25] mới nhất của Mỹ là dạng như vậy. Phương
pháp thiết kế áo đường của Viện Asphalt (AI) được coi là phương
pháp “bán thực nghiệm” với các thông số cơ học liên quan đến mỏi
và biến dạng vĩnh cửu luôn được sử dụng [23]. Ở Pháp, Đức chủ yếu
vẫn theo phương pháp kết hợp cơ học - thực nghiệm. Phương pháp
thiết kế mặt đường của Pháp (FPD) là điển hình trong số đó. Yếu tố
cơ học đều có tính đến độ bền mỏi của bê tông asphalt, độ bền mỏi
được kiểm tra trong bước thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt.
Các kết quả nghiên cứu về mỏi bê tông asphalt trên thế giới đều
chỉ ra mối tương quan giữa biến dạng/ứng suất với số lần tác dụng
của tải trọng làm phá hoại vật liệu. Những kết quả đó được ứng dụng


4

vào trong thiết kế kết cấu áo đường. Cụ thể là lựa chọn kết cấu áo
đường có lớp bê tơng asphalt đảm bảo khả năng chịu mỏi (phá hoại
mỏi không xuất hiện trước 106 chu kỳ tải tác dụng). Một số kết quả
nghiên cứu và ứng dụng về mỏi bê tông asphalt tiêu biểu như:
NCHRP, NCAT, ME PDG (DARWin-ME), Shell, LCPC,...
1.5.2 Tại Việt Nam
Cho đến nay chưa có cơng trình nghiên cứu thực nghiệm về mỏi
bê tông asphalt được thực hiện tại Việt Nam. Đối với tiêu chuẩn thiết
kế hiện hành, phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt và thiết

kế kết cấu áo đường mềm theo [9], [10] ở VN chưa xét đến yếu tố
mỏi bê tông asphalt một cách rõ ràng. Cụ thể chúng ta chưa có định
lượng trong việc thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt đạt yêu cầu về khả
năng chịu mỏi, cách kiểm toán mỏi trong thiết kế kết cấu áo đường
mềm chưa tường minh. Tiêu chuẩn [9] là phương pháp lý thuyết dựa
trên tiêu chuẩn [51] của Nga. Yếu tố mỏi chỉ được xét đến thơng qua
hệ số k1 khi kiểm tốn kéo uốn ở đáy lớp vật liệu liền khối.
1.6 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết
Thế giới nghiên cứu và ứng dụng về mỏi bê tông asphalt đã được
thực hiện từ khá lâu. Tại VN, đến nay mỏi bê tông asphalt chưa được
triển khai nghiên cứu về mặt thực nghiệm một cách cụ thể. Các tiêu
chuẩn thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường
mềm chưa xem xét rõ và chưa có khuyến cáo cụ thể về vấn đề đảm
bảo điều kiện chịu mỏi cho bê tông asphalt. Luận án bước đầu triển
khai nghiên cứu thực nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt trong điều
kiện vật liệu chế tạo và thí nghiệm phù hợp cho VN.
Chương 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG
ASPHALT TRONG MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM

Nghiên cứu trên mẫu dầm bê tông asphalt được chế tạo và thi
cơng giống hồn tồn với thực tế sử dụng loại vật liệu này. Thí
nghiệm mỏi bằng thiết bị uốn dầm 4 điểm.


5

2.1 Xác định các thơng số chính cho thí nghiệm mỏi
2.1.1 Nhiệt độ thí nghiệm
Chọn 2 mức nhiệt độ quy ước mang tính bất lợi cho độ bền mỏi
bê tơng asphalt và đặc trưng cho 2 khu vực có khí hậu cao, thấp ở VN

là 20oC và 10oC.
2.1.2 Tần số tải thí nghiệm
Trên cơ sở tính tốn và tham khảo các khuyến cáo, 2 mức tần số
tải được lựa chọn thí nghiệm là 5 Hz và 10 Hz.
2.1.3 Chế độ thí nghiệm
- Khống chế biến dạng, với 3 mức: 100µ, 200à v 400à (à,
microstrain = strain ì10-6 [39]).
- Thớ nghim mỏi kết thúc khi mơ đun độ cứng giảm cịn 50% mô
đun độ cứng ban đầu.
2.1.4 Vật liệu bê tông asphalt
-

Loại bê tơng asphalt

Nghiên cứu chính của luận án là loại BTNC 12,5 và BTNC 19.
Riêng BTNC 19 được thí nghiệm ở một điều kiện 10oC, 10Hz; sử
dụng bi tum 60/70 (Shell).
- Bột khoáng: nghiên cứu sử dụng 3 loại bột khoáng: bột đá
nghiền từ đá Andesit (BD), bột đá vôi CaCO3 (CC); hỗn hợp gồm
50% bột CaCO3 + 50% xi măng (CX).
2.1.5 Tổng hợp mẫu thí nghiệm
Nghiên cứu thực hiện trên 46 mẫu chính thức.
2.2 Chế tạo mẫu
2.2.1 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt
-

Vật liệu: đá dăm, cát tự nhiên, bi tum được lấy từ trạm trộn BTN
Đông Sung, thuộc Công ty CP CTGT Bà Rịa - Vũng Tàu.

6

-

BTNC 12,5 được thiết kế chung chỉ với sự khác nhau của 3 loại
bột khoáng sử dụng, ký hiệu: BTNC 12,5 (BD), BTNC 12,5
(CC), BTNC 12,5 (CX)

-

BTNC 19 sử dụng loại bột khống là bột đá Andesit (BD).

2.2.2 Thi cơng tại hiện trường (Hình 2.1)

Hình 2.1 Thi cơng lớp BTNC 12,5 và BTNC
19 (Quốc lộ 51B)

Cắt mẫu tại hiện
trường

2.2.3 Gia cơng mẫu thí nghiệm
-

Cắt mẫu tại hiện trường (Hình 2.2)

-

Gia cơng mẫu dầm tại xưởng (Hình 2.3).

Hình 2.2 Cắt mẫu tại

hiện trường

Hình 2.3 Gia cơng mẫu dầm kích thước
380mm×50mm×63mm

2.3 Các tính chất cơ lý của bê tơng asphalt sau thi công
-

Thành phần hạt

Thành phần hạt BTNC 12,5 và BTNC 19 sau khi thi công thể
hiện tại Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Thành phần cấp phối hạt BTNC sau thi công
Vật liệu
BTNC 12,5

Hàm lượng lọt sàng (%)
25

19

12,5

9,5

4,75 2,36 1,18

0,6

0,3 0,15 0,075

100 100 99,4 86,1 51,1 36,3 26,1 21,1 16,0 10,3

6,0


7

Hàm lượng lọt sàng (%)

Vật liệu

25

BTNC 19

19

12,5

9,5

4,75 2,36 1,18

0,6

0,3

100,0 96,7 81,2 72,7 49,8 32,7 20,7 14,5 11,0

0,15 0,075
7,6

5,8

Chỉ tiêu cơ lý bê tông asphalt

-

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu cơ lý BTNC 12,5 và BTNC 19 sau thi cơng
TT
1
2
3
4
5
6

Chỉ tiêu thí nghiệm
Độ rỗng cốt liệu, %
Độ rỗng dư, %
Độ ổn định ở 60oC,
40phút, kN
Độ dẻo, mm
Độ ổn định còn lại, %
Hàm lượng bi tum theo
hỗn hợp, %

Kết quả
BTNC

BTNC
BTNC
BTNC 19
12,5 (BD) 12,5 (CC) 12,5 (CX)

17,12
4,33

17,72
4,58

17,67
4,46

17,34
4,66

12,64

12,05

13,64

11,93

2,06
86,73

2,04
86,31

2,05
86,78

2,47
79,10

5,23

5,30

5,25

5,21

Nhận xét: BTNC 12,5 và BTNC 19 chế tạo đạt yêu cầu [12].
2.4 Thí nghiệm mỏi
Thực hiện theo [39], trình tự: sấy mẫu, lưu trữ mẫu, thí nghiệm.
Thơng số kết quả thí nghiệm cơ bản gồm: mơ đun độ cứng (Smix),
ứng suất cực đại (o), biến dạng kéo (o), góc lệch pha (), số chu kỳ
tải phá hoại (Nf), ...
Đánh giá độ tin cậy của kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 theo
[39] cho thấy độ lệch chuẩn của log số chu kỳ phá hoại (Nf50) ở từng
mức biến dạng đều nhỏ hơn 0,787. Như vậy kết quả thí nghiệm mỏi
đã thực hiện đạt độ tin cậy.
Chương 3. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI
BÊ TƠNG ASPHALT

3.1 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (BD)

8

3.1.1 Mô đun độ cứng (S)

Mô đun độ cứng S (MPa)

Mô đun độ cứng của BTNC 12,5 suy giảm dưới tác dụng của tải
trọng lặp. Quan hệ này được biểu diễn theo Hình 3.1.
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000

(a)
(b)

(c)

1.000
1,0E+02 5,0E+05 1,0E+06 1,5E+06 2,0E+06 2,5E+06 3,0E+06
Nf (chu kỳ)
(a) 20độ, 5Hz, 100
(b) 20độ, 5Hz, 200
(c) 20độ, 5Hz, 400

Hình 3.1 Quan hệ giữa mơ đun độ cứng với Nf50 ở 20oC, 5Hz
Tốc độ suy giảm mô đun độ cứng ở mức biến dạng lớn nhanh
hơn nhiều ở mức biến dạng nhỏ.

Nf50 (chu kỳ)

Nhiệt độ thấp (10oC) tốc độ suy giảm mô đun độ cứng ở tần số
cao (10Hz) là nhanh hơn ở tần số thấp (5Hz). Nhiệt độ cao (20oC)
ảnh hưởng của tần số đến sự suy giảm mô đun độ cứng là rõ rệt hơn.
Ở giai đoạn cuối thí nghiệm, khi mà mức độ suy giảm mơ đun độ
cứng cịn lại 50% mơ đun độ cứng ban đầu thì ảnh hưởng của tần số
tải khi thí nghiệm ở nhiệt độ cao (20oC) là nhiều hơn.

3.000.000

2.500.000

10 độ, 10 Hz
10 độ, 5 Hz
20 độ, 10 Hz
20 độ, 5 Hz

2.000.000
1.500.000
1.000.000
500.000
0

Hình 3.2 So sánh độ bền mỏi BTNC 12,5 ở các điều kiện thí nghiệm
3.1.2 Ứng suất ()


9

Ứng suất (KPa)

Chế độ khống chế biến dạng, tải trọng lặp làm mơ đun độ cứng
suy giảm, theo đó ứng suất cũng suy giảm. Q trình giảm ứng suất
mẫu thí nghiệm ở 10oC, 5 Hz biểu diễn Hình 3.3.
1.800
1.600
(c)
1.400
1.200
1.000
800
600
400
200
0,0E+00

(a)

(b)

(a)
5,0E+05

10độ, 5Hz, 100

(b)

1,0E+06

1,5E+06
2,0E+06
Nf (chu kỳ)
(c) 10độ, 5Hz, 400
10độ, 5Hz, 200

Hình 3.3 Biểu đồ giảm ứng suất theo tải trọng lặp ở 10oC, 5Hz
Khi tăng mức biến dạng thì tốc độ tăng ứng suất trong dầm thí
nghiệm là rất nhanh. Điều đó đồng nghĩa với tải trọng nặng sẽ làm
xuất hiện biến dạng kéo lớn và gây ra ứng suất rất lớn trong bê tơng
asphalt. Ở biến dạng nhỏ (100) thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng
suất là rất lớn.
3.1.3 Lực tác dụng (F)
Chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng, lực tác dụng sẽ giảm
dần theo mức giảm của ứng suất. Mức giảm này nhanh ở giai đoạn
đầu và chậm dần ở giai đoạn sau của quá trình chịu tải trọng lặp.
Lực tác dụng lên mẫu tỷ lệ thuận với biến dạng và tần số; tỷ lệ
nghịch với nhiệt độ. Bê tơng asphalt trở nên cứng, giịn trong mơi
trường nhiệt độ thấp và mềm ở nhiệt độ cao; đồng thời khi tăng mức
biến dạng (tăng độ lớn lực tác dụng) thì ảnh hưởng của sự thay đổi
nhiệt độ cũng giảm đi. Lực tác dụng ảnh hưởng rất lớn đến sự suy
giảm độ bền mỏi, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp.
3.1.4 Góc lệch pha ()
Góc lệch pha giữa biến dạng và ứng suất cực đại chính là góc
lệch pha giữa lực tác dụng cực tại (dạng hình sin) lên mẫu dầm với


10

Mô dun độ cứng (MPa)

độ võng cực đại (ứng với lực tác dụng cực đại). Góc lệch pha này ()
thay đổi theo mơ đun độ cứng. Điển hình ở 20oC, 5 Hz biểu đồ góc
lệch pha của BTNC 12,5 (BD) được thể hiện tại Hình 3.4.
5.500
5.000
4.500
4.000
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000

(a)

25

30

35

(b)
40

(c)
45

50

Góc lệch pha  (độ)

(a)

20độ, 5Hz, 100

(b) 20độ, 5Hz, 200

(c) 20độ, 5Hz, 400

Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ giữa góc lệch pha với mơ đun độ cứng
BTNC 12,5 (BD) ở 20oC
Góc lệch pha tăng đều khi mô đun độ cứng giảm. Ở nhiệt độ cao
(20oC) góc lệch pha tăng khơng đều. Giai đoạn đầu góc lệch pha tăng
rất nhanh, giai đoạn sau tăng chậm dần; điều này hồn tồn phù hợp
với q trình suy giảm mơ đun độ cứng. Sự thay đổi góc lệch pha như
phân tích trên được giải thích theo tính chất của bê tơng asphalt là
cứng ở nhiệt độ thấp, khi đó đặc tính đàn hồi của vật liệu được thể
hiện rõ hơn. Ở nhiệt độ cao cũng như vật liệu sau một quá trình chịu
tác dụng của tải trọng lặp, đặc tính đàn hồi của bê tơng asphalt giảm
dần, đặc tính nhớt của nó tăng lên.
Góc lệch pha tỷ lệ thuận với nhiệt độ, biến dạng; tỷ lệ nghịch với
tần số tải. Kết quả phân tích cho thấy ảnh hưởng của tần số là khá lớn
đến sự thay đổi góc lệch pha ban đầu cũng như góc lệch pha của vật
liệu bê tơng asphalt trong q trình chịu tải trọng lặp.
3.1.5 Xây dựng biểu thức đặc trưng mỏi BTNC 12,5 (BD)
Các đường đặc trưng mỏi và phương trình độ bền mỏi BTNC
12,5 (BD) ở các điều kiện thí nghiệm thể hiện tại Hình 3.5 và cơng
thức (3.1), (3.2), (3.3), (3.4).

11

20oC, 5 Hz

( )

(3.1)

20oC, 10 Hz

( )

(3.2)

10oC, 5 Hz

( )

(3.3)

10oC, 10 Hz

( )

(3.4)

log(Nf50)

1,E+07
(b)

1,E+06

20độ, 10Hz
y = 7E+10x-2.185
R² = 0.8119

10độ, 5Hz
y = 8E+10x-2.273
R² = 0.9162
10độ, 10Hz
y = 3E+11x-2.55
R² = 0.9389

1,E+05

1,E+04
10

(c)

(a)

(d)

100

20độ, 5Hz

10độ, 10Hz
Power (10độ, 5Hz)

(a)
(d)

20độ, 5Hz
y = 7E+10x-2.153
R² = 0.8716

log()

20độ, 10Hz
Power (20độ, 5Hz) (b)
Power (10độ, 10Hz)

(c)

1.000
10độ, 5Hz
Power (20độ, 10Hz)

Hình 3.5 Đường đặc trưng mỏi loại BTNC 12,5 (BD)
3.2 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 19

log(Nf50)

Với 4 mức biến dạng 50µ, 100µ, 200µ, 400µ được thí
nghiệm, đường đặc trưng mỏi và phương trình độ bền mỏi BTNC 19
ở 10oC, 10Hz thể hiện tại Hình 3.6 và cơng thức (3.5).

1,0E+07
1,0E+06
1,0E+05

y = 427.558.550.975,724x-3,022
R² = 0,936

1,0E+04
1,0E+03
1,0E+02
10

100

log()

1000

Hình 3.6 Đường đặc trưng mỏi BTNC 19 ở 10oC, 10Hz


12

( )

(3.5)

3.3 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (CC), BTNC 12,5 (CX)
3.3.1 BTNC 12,5 (CC) - dùng bột khoáng CaCO3
Các đường đặc trưng mỏi và phương trình độ bền mỏi BTNC

12,5 (CC) ở các điều kiện thí nghiệm thể hiện tại Hình 3.7 và cơng
thức (3.6), (3.7), (3.8), (3.9).

log(Nf50)

1,E+07

20độ, 5Hz
y = 1E+11x-2.268
R² = 0.8419

1,E+06

1,E+05

10độ, 5Hz
y = 2E+11x-2.418
R² = 0.9098
10độ, 10Hz
y = 8E+12x-3.275
R² = 0.9342

(a)

(b)
(c)
(d)

1,E+04

(c)

10
20độ, 5Hz
10độ, 10Hz
Power (10độ, 5Hz)

(a)
(d)

20độ, 10Hz
y = 2E+11x-2.372
R² = 0.8267

100
log()
20độ, 10Hz
(b)
Power (20độ, 5Hz)
Power (10độ, 10Hz)

1.000
10độ, 5Hz
Power (20độ, 10Hz)

Hình 3.7 Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 (CC)
20oC, 5 Hz

( )

(3.6)

20oC, 10 Hz

( )

(3.7)

10oC, 5 Hz

( )

(3.8)

10oC, 10 Hz

( )

(3.9)

3.3.2 BTNC 12,5 (CX) - dùng bột khoáng CaCO3 + XM
Các đường đặc trưng mỏi và phương trình độ bền mỏi BTNC
12,5 (CX) ở các điều kiện thí nghiệm thể hiện tại Hình 3.8 và cơng
thức (3.10), (3.11), (3.12), (3.13).


13

20oC, 5 Hz

( )

(3.10)

20oC, 10Hz

( )

(3.11)

10oC, 5Hz

( )

(3.12)

10oC, 10Hz

( )

(3.13)

log(Nf50)

1,E+07

1,E+06

1,E+05

1,E+04

(c)

10độ, 5Hz
y = 4E+12x-3.125
R² = 0.9559
10độ, 10Hz
y = 6E+13x-3.698
R² = 0.9328

10
20độ, 5Hz
10độ, 10Hz
Power (10độ, 5Hz)

(a)
(d)

(b)

20độ, 5Hz
y = 2E+11x-2.406
R² = 0.9607
20độ, 10Hz
y = 2E+12x-3.081
R² = 0.9956

(a)

(c)
(d)
100
20độ, 10Hz
Power (20độ, 5Hz)
Power (10độ, 10Hz)

log()
(b)

1.000
10độ, 5Hz
Power (20độ, 10Hz)

Hình 3.8 Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 (CX)
3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt
3.4.1 Loại BTNC 12,5 (BD) và BTNC 19
Ở điều kiện thí nghiệm 10oC, 10 Hz, loại BTNC 19 có độ bền
mỏi kém hơn hẳn so với loại BTNC 12,5. So sánh 2 phương trình
(3.4) với (3.5) dễ nhận thấy điều đó. Độ dốc b của đường đặc trưng
mỏi BTNC 12,5 là 2,5503 trong khi đó BTNC 19 là 3,022.
Xét ở 10oC, 10 Hz với biến dạng 150µ thì Nf50 (BTNC 12,5) =
736.131 chu kỳ > Nf50 (BTNC 19) = 113.462 chu kỳ. Ở điều kiện so sánh
này thì độ bền mỏi BTNC 12,5 gấp 6,49 lần độ bền mỏi BTNC 19.
3.4.2 Các loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng khác nhau
Tổng hợp mô đun độ cứng ban đầu của 3 loại BTNC 12,5 dùng 3


14

bột khống khác nhau thể hiện tại Hình 3.9, Hình 3.10, Hình 3.11.
Mơ đun độ cứngban
đầu (MPa)

10.000

Tần số 5Hz

8.164
8.000

Tần số 10Hz

7.385

6.230
6.000

5.126

5.849
4.912

5.475

5.397
4.249

4.112

4.757
3.854

4.000
2.000
-

100 
10 độ

100 
20 độ

200 
10 độ

200 
20 độ

400 
10 độ

400 
20 độ

Hình 3.9 Biểu đồ mơ đun độ cứng ban đầu ở các điều kiện thí nghiệm
- loại BTNC 12,5 (BD)
Mô đun độ cứng ban
đầu (MPa

10.000

Tần số 5Hz

8.231

8.000

7.526

6.552

6.748

6.317

5.495

6.000

Tần số 10Hz

5.003

4.412

5.573
4.206

5.029

3.576

4.000
2.000
-

100 
10 độ

100 
20 độ

200 
10 độ

200 
20 độ

400 
10 độ

400 
20 độ

Mơ đun độ cứng ban
đầu (MPa)

Hình 3.10 Biểu đồ mô đun độ cứng ban đầu ở các điều kiện thí
nghiệm - loại BTNC 12,5 (CC)
10.000

Tần số 5Hz

8.236

8.000

7.701

5.9176.008

6.000

6.501

6.058

4.811

4.582

200 
10 độ

200 
20 độ

Tần số 10Hz

5.790

4.146

5.338
4.144

4.000

2.000
-

100 
10 độ

100 
20 độ

400 
10 độ

400 
20 độ

Hình 3.11 Biểu đồ mơ đun độ cứng ban đầu ở các điều kiện thí
nghiệm - loại BTNC 12,5 (CX)
Kết quả cho thấy mô đun độ cứng ban đầu của các loại BTNC
12,5 có sự chệnh lệch nhỏ.


15

Nhìn chung loại bột khống CaCO3 và xi măng làm tăng độ cứng
cho hỗn hợp bê tông asphalt so với loại bột đá thông thường và xi
măng đã làm giảm tính nhớt của bê tơng asphalt ở nhiệt độ cao.
Hệ số phương trình mỏi của các loại BTNC 12,5 đã thí nghiệm
được tổng hợp tại Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Tổng hợp hệ số phương trình độ bền mỏi BTN
Loại BTN

% bi tum
theo hỗn
hợp (Pb)

Độ rỗng
dư (Va),
%

BTNC 12,5 (BD)

5,23

5

BTNC 12,5 (CC)

20

5

20

Nhiệt
độ,
o
C
20

Tần
số,
Hz
5

20

Hệ số

4,33

k1
( 1011)
0,7219

2,1531

5,30

4,58

1,1549

2,2685

BTNC 12,5 (CX)

5,25

4,46

1,5589

2,4056

10

BTNC 12,5 (BD)

5,23

4,33

0,7065

2,1852

20

10

BTNC 12,5 (CC)

5,30

4,58

1,7641

2,3723

20

10

BTNC 12,5 (CX)

5,25

4,46

22,0541

3,0809

10

5

BTNC 12,5 (BD)

5,23

4,33

0,7798

2,2733

10

5

BTNC 12,5 (CC)

5,30

4,58

1,5789

2,4184

10

5

BTNC 12,5 (CX)

5,25

4,46

35,3332

3,1251

10

10

BTNC 12,5 (BD)

5,23

4,33

2,6100

2,5503

10

10

BTNC 12,5 (CC)

5,30

4,58

78,2720

3,2748

10

10

BTNC 12,5 (CX)

5,25

4,46

557,6682

3,6982

10

10

BTNC 19

5,21

4,66

4,2756

3,0221

k2

Nhận xét:
- Loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng CaCO3 + XM cho kết quả
độ bền mỏi là thấp. Xét mức độ suy giảm độ bền mỏi thông qua vị trí
và độ dốc đường đặc trưng mỏi thì BTNC 12,5 (CX) có đường đặc
trưng mỏi ln nằm bên dưới và có độ dốc thường là lớn hơn.
- Ở nhiệt độ cao (20oC) ảnh hưởng của tần số tải đến độ bền mỏi là
không nhiều đối với hai loại BTNC 12,5 (BD) và BTNC 12,5 (CC).
Nhưng với loại BTNC 12,5 (CX) thì ngược lại, ảnh hưởng của tần số
tải đến độ bền mỏi là đáng kể hơn.


16

- Ở nhiệt độ thấp (10oC), tăng mức biến dạng sẽ làm suy giảm mô
đun độ cứng. Tốc độ suy giảm này sẽ nhanh hơn nhiều khi thí nghiệm
ở nhiệt độ cao (20oC).
3.5 Xây dựng phương trình độ bền mỏi cho các loại BTNC 12,5
đã thí nghiệm
Dạng phương trình độ bền mỏi tổng quát cho các loại BTNC
12,5 đã thí nghiệm được thể hiện theo 2 dạng (3.14), (3.15):
- Dạng 1:

( )

- Dạng 2:

( )

(3.14)

( )

(3.15)

Với Nf50 là số chu kỳ tải trọng lặp làm giảm mô đun độ cứng còn
lại 50% độ cứng ban đầu; k1, k2, k3, k4, k5 là các hệ số hồi qui thực
nghiệm;  là biến dạng kéo (); S là mô đun độ cứng (MPa).
3.5.1 Phương trình độ bền mỏi BTNC 12,5 (dạng 1)
Các đường đặc trưng mỏi chung cho loại BTNC 12,5 thể hiện tại
Hình 3.12.

Hình 3.12 Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5
Phương trình độ bền mỏi chung cho các loại BTNC 12,5 đã thí
nghiệm (3.16), (3.17), (3.18), (3.19) như sau:


17

20oC, 5 Hz

( )

(3.16)

20oC, 10 Hz

( )

(3.17)

10oC, 5 Hz

( )

(3.18)

10oC, 10 Hz



( )

(3.19)

Độ dốc các đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 từ 2,2757 ÷ 3,1770
là phù hợp với những kết quả nghiên cứu về mỏi bê tông asphalt loại
thông thường mà thế giới đã công bố. Kết quả nghiên cứu của Jacobs,
Hopman và Molenaer (1966) [33] đưa ra giá trị độ dốc đường đặc
trưng mỏi nằm trong khoảng 2 ÷ 6.
3.5.2 Phương trình độ bền mỏi cho BTNC 12,5 (dạng 2)
Sử dụng phần mềm Eviews 8.1 ước lượng phương trình để tìm
các hệ số thực nghiệm. Kết quả được các phương trình tổng quát
dạng 2 là (3.20), (3.21), (3.22), (3.23).
Hệ số R2
20oC, 5 Hz
20oC, 10 Hz
10oC, 5 Hz
10oC, 10 Hz

( )

( )
( )
( )

( )
( )
( )
( )

0,9113 (3.20)
0,9209 (3.21)
0,8776 (3.22)
0,9520 (3.23)

Trường hợp xét chung các điều kiện nhiệt độ, tần số tải trọng tác
dụng vào giá trị mô đun độ cứng (S) của BTNC 12,5 thì phương trình
độ bền mỏi tổng quát (3.24) cho BTNC 12,5 được thiết lập:


18

( )

( )

(3.24)

Hệ số xác định R2 = 0,8621
3.6 Kết luận chương 3
1) Kết quả thí nghiệm uốn dầm 4 điểm bước đầu đã xây dựng được

dữ liệu độ bền mỏi cho BTNC 12,5 và một phần BTNC 19.
2) Độ bền mỏi bê tông asphalt tỷ lệ thuận với nhiệt độ, tỷ lệ nghịch
với biến dạng và tần số tải trọng. Tải trọng lặp làm mô đun độ cứng
giảm nhanh ở giai đoạn đầu và chậm dần sau đó. Nhiệt độ cao (20oC)
thì ảnh hưởng của tần số đến sự suy giảm mô đun độ cứng là lớn hơn
ở nhiệt độ thấp (10oC).
3) Độ bền mỏi của BTNC 19 kém hơn so với loại BTNC 12,5.
4) Yếu tố tải trọng (biến dạng) tỷ lệ nghịch với độ bền mỏi và ảnh
hưởng lớn đến độ bền mỏi bê tông asphalt, đặc biệt ở nhiệt độ thấp.
5) Kết quả thí nghiệm đã xây dựng được các phương trình đặc trưng
độ bền mỏi (3.20), (3.21), (3.22), (3.23) và phương trình tổng quát
(3.24) cho loại BTNC 12,5; loại BTNC 19 ở điều kiện 10oC, 10 Hz
có phương trình (3.5).
6) Kết quả thí nghiệm đánh giá được ảnh hưởng loại bột khoáng
đến độ bền mỏi của BTNC 12,5, cụ thể:
- Loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng Andesit và bột khoáng
CaCO3 cho kết quả độ bền mỏi cao hơn loại BTNC 12,5 sử dụng bột
khoáng CaCO3 + XM thực hiện như trong nghiên cứu.
- Loại bê tơng asphalt dùng bột khống CaCO3 + XM trong nghiên
cứu này đạt mơ đun độ cứng cao nhất (thí nghiệm tại 20oC), nhưng
lại không cho kết quả tốt về khả năng kháng mỏi.
- Tốc độ giảm mô đun độ cứng loại BTNC 12,5 dùng bột khoáng
CaCO3 + XM nhanh hơn so với 2 loại BTNC 12,5 còn lại.


19

Chương 4. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THIẾT KẾ
KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM TẠI VIỆT NAM

Phá hoại mỏi là dạng phá hoại do sự lặp lại của biến dạng kéo.
Vấn đề mỏi sẽ được kiểm soát trực tiếp thông qua giới hạn biến dạng
kéo ở đáy các lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường.
4.1 Đề xuất kiểm tốn mỏi lớp bê tơng asphalt trong kết cấu áo
đường mềm
4.1.1 Cơ sở lý thuyết
Từ những năm 1970, nhiều tác giả trên thế giới đã đề xuất tính
kết cấu áo đường mềm theo trạng thái giới hạn nứt hoặc theo biến
dạng giới hạn. Korsunskiy M.B. [49] đề xuất biểu thức (4.1):
 ≤ gh

(4.1)

Trong đó:
gh
biến dạng kéo giới hạn ()
biến dạng lớn nhất ở bề mặt chịu kéo ().

4.1.2 Đề xuất trình tự tính tốn
Chọn cấu tạo kết cấu áo
đường (vật liệu, chiều dày)

Xác định điều kiện kiểm
toán mỏi: toC, Hz
Xác định biến dạng cp , tt

Không đạt
độ bền mỏi

tt > cp

So sánh cp , tt

Ký hiệu:
cp - biến dạng cho phép dưới đáy lớp BTN
tt - biến dạng tính toán đáy lớp BTN trong kết cấu áo đường

tt ≤ cp

Đạt
độ bền mỏi
Tính tuổi
thọ mỏi (t)

Hình 4.1 Sơ đồ kiểm toán độ bền mỏi trong kết cấu áo đường mềm


20

Nghiên cứu đề xuất trình tự tính độ bền mỏi lớp bê tông asphalt
trong kết cấu áo đường theo sơ đồ khối tại Hình 4.1.
4.1.3 Lựa chọn điều kiện tính tốn
Nhiệt độ, tần số tải trọng, mơ đun độ cứng của bê tông asphalt.
4.1.4 Xác định cp và tt
-

Biến dạng cho phép cp được tính theo cơng thức (4.2) [1].
(

-

)

(4.2)

Biến dạng tính tốn (tt)

Sử dụng các phần mềm tính biến dạng/ứng suất kết cấu áo đường
để xác định biến dạng tính tốn tt.
4.2 Ứng dụng kiểm tốn mỏi lớp BTNC 12,5
4.2.1 Thơng số đầu vào dùng kiểm tốn mỏi
-

Kết cấu áo đường, thông số vật liệu
Kết cấu 1
Vật liệu
Lớp BTNC 12,5 (BD)
Nhựa dính bám 0,5 kg/m2
Lớp BTNC 19
Nhựa thấm bám 1,3 kg/m2

Kết cấu 2
hi (m)

Vật liệu

0,05 Lớp BTNC 12,5 (BD)

hi (m)
0,06

Nhựa dính bám 0,5 kg/m2
0,07 Lớp BTNC 19

0,08

Nhựa thấm bám 1,3 kg/m2

Lớp CPĐD loại I

0,18 Lớp CPĐD gia cố XM 6%

0,14

Lớp CPĐD loại II

0,36 Lớp CPĐD loại II

0,32

Nền đường 50 MPa

Nền đường 50 MPa

Các thơng số tính tốn mỏi của BTNC 12,5 (BD) và BTNC 19
(BD) được sử dụng từ chính kết quả thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm
của 2 loại vật liệu này; các thông số khác tham khảo [9].
-

Xác định điều kiện kiểm tốn mỏi

Ví dụ: Thơng tin dự án

Thơng số để tính mỏi


21

- Khu vực thiết kế miền Bắc

Nhiệt độ 10oC

- Vtk = 80km/h (đường cấp III)

Tần số tải f = 10 Hz

- Tại năm đầu N1 = 500 trục xe/ngày  Ne = 4.955.261 trục/làn
đêm/làn, t = 15 năm, tốc độ tăng
trưởng xe q = 8 %
4.2.2 Biến dạng cho phép (cp) ở đáy lớp BTNC 12,5 (BD)
Từ các phương trình mỏi xác định 6 (biến dạng ứng với Nf50 =
106 chu kỳ). Kết quả xác định 6 thể hiện tại Bảng 4.1.
Bảng 4.1 Bảng giá trị 6 của BTNC 12,5 (BD) đã thí nghiệm
Loại vật liệu

Điều kiện thí
nghiệm

Phương
trình

BTNC 12,5 BD)

20 độ C, 5 Hz

(3.1)

180,51

- 0,4048

BTNC 12,5 (BD)

20 độ C, 10 Hz

(3.2)

165,60

- 0,3715

BTNC 12,5 (BD)

10 độ C, 5 Hz

(3.3)

141,88

- 0,4030

BTNC 12,5 (BD)

10 độ C, 10 Hz

(3.4)

133,02

- 0,3681

6 ()

Độ dốc b

Biến dạng cho phép được xác định:
(

)

(



)

Tra [44] được SN = 0,25; c = 0,02; b = -0,3681; Sh = 0,01
→ 

(

)

0,250 [1]

Độ rủi ro thiết kế r = 15% (R = 85%), theo [44] thì u = - 1,036
→

= 0,8029 [1]

Các hệ số khác của BTNC 12,5 theo [44]: kc = 1,1; ks = 1
Biến dạng cho phép tại đáy lớp BTNC 12,5 (cp):
(

)



4.2.3 Xác định tt đáy lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường
Thông số tải trọng: áp lực tiêu chuẩn p = 0,6 MPa, bán kính vệt