Nghiên cứu đề xuất phân vùng nhiệt độ lựa chọn mác nhựa theo hệ thống Superpave ở Việt Nam

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

----------------------

NGUYỄN XUÂN TRƯỞNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHÂN VÙNG NHIỆT ĐỘ
LỰA CHỌN MÁC NHỰA THEO HỆ THỐNG
SUPERPAVE Ở VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ
Mã số: 60.58.02.05.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
TS. Nguyễn Quang Phúc

Hà Nội - 2015


LỜI CẢM ƠN!
Luận văn tốt nghiệp cao học được hoàn thành tại Trường Đại học Giao thông vận
tải Hà Nội. Có được bản luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu
sắc tới Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Phòng đào tạo sau đại học, Bộ
môn Đường bộ, đặc biệt là Thầy giáo TS. Nguyễn Quang Phúc đã trực tiếp hướng
dẫn, dìu dắt, giúp đỡ em với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình
triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu đề xuất phân vùng nhiệt độ
lựa chọn mác nhựa theo hệ thống Superpave ở Việt Nam”.
Em xin chân thành cảm ơn Cô giáo PGS. TS Nguyễn Thị Kim Đăng là người đã
soạn thảo giáo trình “Độ bền khai thác và tuổi thọ kết cấu mặt đường bê tông nhựa”.

Để làm được đề tài này em đã đọc, tìm hiểu và rút ra được rất nhiều kiến thức từ
giáo trình nêu trên.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạt
những kiến thực khoa học chuyên ngành Xây dựng đường ô tô và thành phố cho em
trong suốt những năm tháng qua.
Em xin chân thành cảm ơn các bạn học viên trong lớp Xây dựng đường ô tô và
Thành phố K21.1A đã góp ý kiến và giúp đỡ cùng em triển khai và hoàn thành đề
tài.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân đã nuôi
dưỡng, giúp đỡ em trưởng thành như ngày hôm nay.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người!
Hà Nội,
Ngày.......tháng.......năm.........
Học viên thực hiện

Nguyễn Xuân Trưởng


MỤC LỤC
Tính toán:....................................................................................................................45


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các thông số khí hậu..................................................................................9
Bảng 2.1: Điều chỉnh mác nhựa theo điều kiện giao thông.......................................37
Bảng 2.2: Cấp phối hỗn hợp Superpave....................................................................38
Bảng 2.3: Khống chế hỗn hợp bê tông nhựa..............................................................38
Bảng 2.4: Yêu cầu cốt liệu.........................................................................................39
Bảng 2.5: Số lần đầm nén thiết kế..............................................................................40
Bảng 2.6: Các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế hỗn hợp.......................................................40

Bảng 2.7: Yêu cầu BTN theo Superpave...................................................................47
Bảng 2.8: Cấp phối cốt liệu BTN theo Superpave.....................................................48
Bảng 2.9: Tỷ lệ mặt vỡ cốt liệu thô............................................................................49
Bảng 2.10: Các chỉ tiêu của cốt liệu...........................................................................49
Bảng 2.11: Yêu cầu BTN theo Marshall....................................................................50
Bảng 2.12: Cấp phối cốt liệu BTN theo Marshall.....................................................51
Bảng 3.1: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG ở Oman.......................................68
Bảng 3.2: Điều chỉnh mác nhựa theo điều kiện giao thông.......................................71
Bảng 3.3: Điều chỉnh mác nhựa theo NCHRP- Report 673......................................71
Bảng 3.4: Các trạm khí tượng nghiên cứu.................................................................73
Bảng 3.5: Lọc số liệu và tính toán trạm Láng – Hà Nội............................................77
Bảng 3.6: Kết quả phân tích nhiệt độ các trạm khí tượng miền Bắc.........................81
Bảng 3.7: Lọc số liệu và tính toán trạm Thanh Hóa..................................................83
Bảng 3.8: Kết quả phân tích nhiệt độ các trạm khí tượng miền Trung, Tây Nguyên
.....................................................................................................................................85
Bảng 3.9: Lọc số liệu và tính toán trạm Cao Lãnh....................................................87
Bảng 3.10: Kết quả phân tích nhiệt độ các trạm khí tượng miền Nam.....................90
Bảng 3.11: Kết quả tính toán mác nhựa PG theo SHRP và LTPP............................91
Bảng 3.12: Bảng kết quả mác nhựa đường theo PG..................................................94


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bản đồ các trạm khí hậu và nhiệt độ không khí cao nhất............................7
Hình 1.2: Bản đồ các trạm khí hậu và nhiệt độ không khí thấp nhất..........................8
Hình 1.3: Thông số của 5 trạm quan trắc gần với điểm xây dựng..............................8
Hình 1.4: Các trạm đo đạc nhiệt độ trong kết cấu áo đường.....................................10
Hình 1.5: So sánh nhiệt độ đo dưới mặt đường 25mm của SMP và mô hình SHRP12
Hình 1.6: Quan hệ nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ không khí.................................13
Hình 1.7: Quan hệ nhiệt độ mặt đường và vĩ độ........................................................13
Hình 1.8: Quan hệ nhiệt độ mặt đường theo chiều sâu..............................................14

Hình 1.9: Tương quan nhiệt độ mặt đường đo thực tế và theo mô hình LTPP.........14
Hình 1.10: So sánh nhiệt độ dưới 20mm mặt đường mô hình LTPP và SHRP........15
Hình 1.11: So sánh nhiệt độ 25mm mặt đường mô hình LTPP và kết quả đo SMP 15
Hình 1.12: Thiết bị thử nghiệm nhiệt độ bắt lửa bằng cốc hở Cleveland điển hình. 16
Hình 1.13: Biểu đồ quan hệ độ nhớt – nhiệt độ.........................................................17
Hình 1.14: Thiết bị Nhớt kế Brookfield điển hình....................................................18
Hình 1.15: Thiết bị RTFOT điển hình.......................................................................19
Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động của thiết bị RTFOT...............................................19
Hình 1.17: Mô hình thiết bị thí nghiệm PAV............................................................21
Hình 1.18:Thiết bị PAV điển hình.............................................................................21
Hình 1.19: Nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm DSR..................................22
Hình 1.20:Thiết bị DSR điển hình.............................................................................23
Hình 1.21: Nguyên lý tính toán G* và δ....................................................................24
Hình 1.22: Mô hình thí nghiệm của thiết bị BBR......................................................25
Hình 1.23:Thiết bị BBR điển hình.............................................................................25
Hình 1.24: Cấu tạo và kích thước mẫu BBR.............................................................25
Hình 1.25: Quan hệ giữa biến dạng đàn hồi với S và m............................................26
Hình 1.26: Mô hình kéo trực tiếp DTT và quan hệ ứng suất - biến dạng.................27
Hình 1.27: Thiết bị DTT điển hình............................................................................27
Hình 1.28: Ứng xử của nhựa đường Polyme với tải trọng lặp (MSCR)...................28
Hình 1.29: Đồ thị xác định giá trị % hồi phục trong thử nghiệm MSCR.................29
Hình 2.1. Mô tả trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Superpave..................36
Hình 2.2. Biểu đồ lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu..................................................36
Hình 2.3. Biểu đồ quan hệ số lần đầm và % tỷ trọng Gmm......................................37
Hình 2.4: Lựa chọn 3 cấp phối BTN19......................................................................39
Hình 2.5: Các vùng của Mỹ sử dụng nhựa PG70-10.................................................48


Hình 3.1: Các vùng của Mỹ sử dụng nhựa PG76-10.................................................59
Hình 3.2: Các vùng của Mỹ sử dụng nhựa PG70-xx.................................................59

Hình 3.3: Các vùng của Mỹ sử dụng nhựa PG64-xx.................................................60
Hình 3.4: Lựa chọn thông số khí hậu của MEPDG...................................................61
Hình 3.5: Phân vùng nhiệt độ Tmax-Tmin của Trung Quốc.....................................63
Hình 3.6: Phân vùng lượng mưa (tuyết) Wcp của Trung Quốc................................64
Hình 3.7: Phân vùng khí hậu đường bộ của Nga.......................................................64
Hình 3.8: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG miền Bắc Thái Lan......................65
Hình 3.9: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG ở Jordan.......................................66
Hình 3.10: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG ở Pakistan..................................67
Hình 3.11: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG ở Ai Cập....................................68
Hình 3.12: Bản đồ 71 trạm khí tượng nghiên cứu.....................................................75
Hình 3.13: Biểu đồ hàm mật độ phân phối nhiệt độ trạm Láng – Hà Nội................80
Hình 3.14: Kiểm tra dạng phân phối nhiệt độ trạm Láng – Hà Nội..........................80
Hình 3.15: Biểu đồ hàm mật độ phân phối nhiệt độ khu vực miền Bắc...................82
Hình 3.16: Biểu đồ hàm mật độ phân phối nhiệt độ trạm Thanh Hóa......................86
Hình 3.17: Kiểm tra dạng phân phối nhiệt độ trạm Thanh Hóa................................87
Hình 3.18: Biểu đồ hàm mật độ phân phối nhiệt độ trạm Cao Lãnh........................90
Hình 3.19: Kiểm tra dạng phân phối nhiệt độ trạm Cao Lãnh..................................91
Hình 3.20: Mác nhựa theo nhiệt độ, R=98%.............................................................97


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PG
BGTVT
QL
TCVN

Performance Graded
Bộ Giao thông Vận tải
Quốc lộ
Tiêu chuẩn Việt Nam

1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhựa đường là một chất kết dính được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng các
công trình giao thông đường bộ và nó cũng chiếm tỷ lệ khá cao so với giá thành của
toàn bộ công trình. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp nhựa đường, các
tiêu chuẩn thí nghiệm và các phương pháp phân loại nhựa đường khác nhau ra đời.
Tùy theo điều kiện cụ thể, mỗi quốc gia sử dụng phương pháp phân loại cũng như
sử dụng loại nhựa đường phù hợp với các điều kiện đặc thù.
Hiện nay có ba phương pháp phân loại nhựa đường đang được các quốc gia áp dụng
đó là:
- Phân loại nhựa đường theo độ kim lún.
- Phân loại nhựa đường theo độ nhớt.
- Phân loại nhựa đường theo phương pháp Superpave.
Phân loại nhựa đường theo độ kim lún: Ở Việt Nam hiện nay đang áp dụng
phương pháp phân loại nhựa đường theo độ kim lún, theo tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 7493 - 2005, tùy theo giá trị của độ kim lún mà sẽ có 6 mác nhựa đường
khác nhau từ loại mềm nhất 200/300 tới loại cứng nhất 20/30. Trong đó loại nhựa
đường độ kim lún 60/70 đang được sử dụng để sản xuất bê tông nhựa cho hầu hết
các dự án và ở khắp các khu vực khác nhau của Việt Nam.
Ưu điểm của phương pháp phân loại này là kinh phí thấp, đơn giản, dễ áp dụng, các
nhân viên và cán bộ vật liệu ở Việt Nam đã quen với qui trình thí nghiệm và
phương pháp thí nghiệm.
Nhược điểm:
- Phương pháp phân loại theo độ kim lún chưa phân loại chính xác được các loại
nhựa đường khác nhau, các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, việc phân
loại này có thể xảy ra trường hợp các loại nhựa đường có các chỉ tiêu cơ lý khác
nhau nhưng vẫn được xếp chung vào một nhóm.

- Chưa xem xét tới điều kiện môi trường cụ thể của dự án do vậy khó kiểm soát
được tính nhạy cảm về nhiệt độ của hỗn hợp bê tông nhựa.
- Chưa xem xét tới ảnh hưởng đồng thời của môi trường làm việc, lượng giao
thông thiết kế “Tổng tải trọng trục xe tích lũy trong giai đoạn thiết kế” và tốc độ
của phương tiện tham gia giao thông.
Phân loại nhựa đường theo độ nhớt: Ưu điểm của phương pháp phân loại theo độ
nhớt so với phân loại theo độ kim lún.
- Phân loại theo độ nhớt đã xem xét tới tính nhạy cảm về nhiệt độ của nhựa đường
cả ở nhiệt độ mặt đường trong khai thác, 60o C , nhiệt độ trong sản xuất hỗn hợp
bê tông nhựa, 135o C , từ đó giảm bớt các hư hỏng liên quan tới tính ổn định nhiệt
của bê tông nhựa.
- Xác định được nhiệt độ trong sản xuất và thi công phù hợp thông qua các giá trị
của độ nhớt động tại 60o C và 135o C .


2
Nhược điểm:
Tuy có những ưu điểm hơn so với phương pháp phân loại theo độ kim lún, nhưng
phương pháp phân loại theo độ nhớt vẫn còn những hạn chế như:
- Chưa xem xét tới điều kiện địa lý, môi trường của khu vực xây dựng, do vậy các
các kết quả thí nghiệm đạt được theo phương pháp này vẫn chưa phản ánh đúng
điều kiện làm việc thực tế mà vật liệu bê tông nhựa có thể gặp phải, vì tùy điều
kiện địa lý của từng khu vực khác nhau mà trong quá trình khai thác, mà nhiệt độ
mặt đường có thể sẽ khác nhau rất nhiều, từ nhiệt độ dưới 0o C tới trên 70o C .
- Chưa xem xét tới ảnh hưởng của lượng giao thông thiết kế cũng như tốc độ dòng
xe.
Phân loại nhựa đường theo PG:
Để khắc phục các vấn đề còn tồn tại trong phương pháp phân loại truyền thống, Hoa
Kỳ đã thông qua chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ SHRP (The
Strategic Highway Research Program - 1987 - 1992), và từ năm 1996 phương pháp

phân loại theo (PG) được sử dụng rộng rãi ở Mỹ. Phân loại theo Superpave (PG)
căn cứ vào các tiêu chí sau đây để lựa chọn mác nhựa cho từng trường hợp:
- Điều kiện địa lý của khu vực dự án/công trình sẽ xây dựng.
- Nhiệt độ mặt đường cao nhất/thấp nhất dự kiến mà mặt đường bê tông nhựa sẽ
gặp phải trong quá trình khai thác “xác định thông qua nhiệt độ không khí” có
xét tới lựa chọn độ tin cậy phù hợp cho từng trường hợp cụ thể.
- Lượng giao thông thiết kế “tổng tải tải trọng trục xe tiêu chuẩn tích lũy -ESAL
(tính theo triệu ESALs) qua các mức độ khác nhau từ <0.3 triệu ESALs tới >30
triệu ESALs cùng với tốc độ dòng xe.
Ưu điểm của phương pháp phân loại theo (PG):
- Lựa chọn được loại nhựa đường phù hợp với điều kiện cụ thể của dự án trên các
phương diện “điều kiện địa lý, khí hậu, lượng giao thông thiết kế, và tốc độ của
dòng giao thông”, từ đó phát huy tốt khả năng làm việc của nhựa đường, tăng
tuổi thọ cho công trình.
Nhược điểm:
- Chi phí thí nghiệm cao, các thiết bị thí nghiệm đắt tiền, phương pháp thí nghiệm
mới nên cần có kinh phí và thời gian đào tạo cho các kỹ sư vật liệu/thí nghiệm
viên.
- Tính tương thích khi áp dụng hệ thống phân loại PG ngoài phạm vi Bắc Mỹ cần
có những nghiên cứu áp dụng với các điều kiện cụ thể. Để đảm bảo tính chính
xác trong vấn đề lựa chọn nhiệt độ mặt đường thiết kế, yêu cầu dữ liệu sử dụng
phải có thời gian quan trắc dài, tối thiểu là 20 năm quan trắc kết hợp đo đạc kiểm
chứng hiện trường.
- Tính khả thi khi áp dụng tại các phòng thí nghiệm hiện trường. Các thiết bị thí
nghiệm đắt tiền, khó thực hiện và thời gian thí nghiệm kéo dài cần phải có
nghiên cứu vừa áp dụng tiến bộ khoa học công nghệ vừa tận dụng được các thí
nghiệm hiện có để kiểm soát chất lượng nhựa đường tại hiện trường.


3

- Không chỉ có phân loại nhựa theo PG mà phương pháp Superpave còn có các nội
dung thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa, kiểm soát quá trình thi công, các
tiêu chuẩn nghiệm thu,…đồng bộ cần phải có những định hướng và lộ trình
nghiên cứu hoàn thiện.
Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa Superpave đã đánh giá được chất lượng
bê tông nhựa dưới tác động của mỏi, biến dạng vĩnh cửu phù hợp với điều kiện khí
hậu thời tiết của khu vực xây dựng. Phương pháp Superpave được sử dụng rộng rãi
ở Mỹ từ những năm 1990 và không ngừng được nghiên cứu cải tiến để đạt được
hiệu quả cao nhất. Theo báo cáo của TRB năm 2005 có 50/52 Sở Giao thông của
bang (DOT) thành viên của AASHTO sử dụng phân loại nhựa theo hệ PG và có 48
bang sử dụng phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Superpave. Sử dụng
Superpave đã làm tăng tuổi thọ mặt đường và giảm chi phí duy tu bảo dưỡng,
Superpave đã rất thành công ở Mỹ.
Trước đề nghị phân cấp nhựa theo phương pháp Superpave của Mỹ, Ban soạn thảo
chương trình về nhựa đường của các nước cộng đồng châu Âu cũng còn một số ý
kiến tranh luận, vì ban này đi theo phương pháp luận khác tuy cùng hướng đến đích
là phân loại nhựa phản ánh được tính chất nội tại của nhựa đường. Các nhà khoa
học châu Âu đều công nhận phương pháp thí nghiệm phân loại nhựa Superpave là
có cơ sở rất khoa học. Hiện nay Ủy ban châu Âu về tiêu chuẩn đã công bố hàng loạt
các tiêu chuẩn thí nghiệm theo Superpave nhằm hướng đến phân loại nhựa theo PG.
Phương pháp Superpave cũng đã và đang được nghiên cứu sử dụng ở những nước
khu vực như Ấn Độ, Jordan, Singapore, Thái Lan, Malaysia, Indonesia, Đài Loan,
Pakistan, Ai Cập, Costa Rica,…Các nước đều tập trung nghiên cứu sử dụng
Superpave với những điều kiện cụ thể. Nhìn chung, các kết quả nghiên cứu về
Superpave của các nước trên được áp dụng hiệu quả, phù hợp với điều kiện khí hậu,
điều kiện kết cấu mặt đường, điều kiện khai thác giao thông, hay những quy định
riêng cho từng nước, từng khu vực. Các nhược điểm này cần được tập trung nghiên
cứu trong đề tài.
2. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu phân vùng sử dụng nhựa đường theo hệ thống SuperPave ở Việt Nam.

3. Phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu phương pháp phân loại nhựa theo hệ thống SuperPave, phân vùng sử dụng
nhựa đường theo hệ thống Superpave ở Việt Nam và thiết lập bản đồ phân vùng
mác nhựa theo PG ở Việt Nam. Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm nhựa theo
Superpave ở Việt Nam và thiết lập bản đồ phân vùng mác nhựa. Nghiên cứu
phương pháp thiết kế thành phần bê tông nhựa theo hệ thống Superpave và phân
tích khả năng áp dụng vào Việt Nam.
4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Lập bản đồ phân vùng nhiệt độ sử dụng lựa chọn mác nhựa theo hệ thống
Superpave ở Việt Nam.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở phân tích các mô hình của nước ngoài.


4
Phương pháp phân tích, tổng hợp.
Phương pháp thống kê.
6. Kết cấu của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, kết cấu của luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Các phương pháp phân loại nhựa đường.
Chương 2: Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa theo Surperpave.
Chương 3: Nghiên cứu phân vùng nhiệt độ lựa chọn mác nhựa theo Surperpave.


5
CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI NHỰA ĐƯỜNG.
1.1. Vai trò của nhựa đường trong hỗn hợp bê tông nhựa
Nhựa đường có vai trò rất quan trọng trong việc hình thành cường độ của hỗn hợp
bê tông nhựa và cũng là một trong những nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến tuổi thọ
và độ bền của mặt đường mềm trong quá trình khai thác.

Nhựa đường khi kết hợp với bột khoáng tạo thành chất kết dính Asphalt có nhiều
tính chất ưu việt như: Tăng khả năng dính bám giữa cốt liệu và chất kết dính, tăng
khả năng ổn định nhiệt độ của hỗn hợp, tăng độ bền trong môi trường ẩm ướt, giảm
nứt nẻ và đùn trồi,....
Tóm lại Nhựa đường kết hợp với bột khoáng tạo thành chất kết dính có nhiều tính
chất ưu việt nhằm liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo thành hỗn hợp bên tông
Asphalt có nhiều tính chất phù hợp để sử dụng làm vật liệu mặt đường.
Do vai trò rất quan trọng của Nhựa đường trong hỗn hợp bê tông Asphalt nên chất
lượng và các tính chất của Nhựa đường ảnh hưởng rất lớn tính chất, cường độ, độ
biến dạng và tuổi thọ khai thác của hỗn hợp bê tông Asphalt.
Chính vì vậy việc lựa chọn Nhựa đường phù hợp cho từng điều kiện cụ thể của điều
kiện khí hậu, điều kiện tải trọng sẽ quyết định đến tuổi thọ khai thác của tuyến
đường có sử dụng bê tông Asphalt.
1.2. Các phương pháp phân loại nhựa đường được áp dụng hiện nay
Hiện nay có ba phương pháp phân loại nhựa đường đang được các quốc gia áp dụng
đó là: Phân loại nhựa đường theo độ kim lún; Phân loại nhựa đường theo độ nhớt;
và Phân loại nhựa đường theo đặc tính sử dụng PG.
1.2.1. Phân loại nhựa đường theo độ kim lún (như phần mở đầu)
1.2.2. Phân loại nhựa đường theo độ nhớt (như phần mở đầu)
Nhận xét: Với tiêu chuẩn phân loại nhựa đường ở Việt Nam hiện nay (phân loại
theo độ kim lún), có thể xảy ra trường hợp một số loại nhựa đường khác nhau có thể
được gộp chung vào một nhóm, trong khi thực tế chúng có những đặc tính rất khác
nhau dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Độ kim lún càng nhỏ, tính quánh càng cao.Tính
quánh thay đổi trong phạm vi rộng, nó ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ học của
hỗn hợp vật liệu khoáng và nhựa đường, đồng thời quyết định công nghệ chế tạo và
thi công vật liệu dùng nhựa đường. Tính quánh phụ thuộc vào thành phần nhóm và
nhiệt độ môi trường. Khi hàm lượng nhóm atphan tăng thì tính quánh tăng, hàm
lượng nhóm dầu tăng thì tính quánh giảm. Khi nhiệt độ tăng nhóm chất nhựa sẽ bị
chảy lỏng, do đó độ quánh của nhựa đường giảm xuống.
Ngoài ra, tiêu chuẩn phân loại nhựa đường và các phương pháp thí nghiệm nhựa

đường truyền thống còn có hạn chế là chưa xem xét tới khả năng làm việc của nhựa
đường khi được sử dụng trong các hỗn hợp dưới tác động của nhiệt độ và tải trọng
như: Tính chất của nhựa đường ảnh hưởng đến hiện tượng lún vệt bánh xe, ảnh
hưởng đến vết nứt kết cấu, ảnh hưởng đến vết nứt do nhiệt độ thấp.


6
1.2.3. Phân loại nhựa đường theo đặc tính sử dụng PG
Để khắc phục các vấn đề còn tồn tại trong phương pháp phân loại truyền thống, Hoa
Kỳ đã thông qua chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ SHRP (The
Strategic Highway Research Program 1987-1992), và từ năm 1996 phương pháp
phân loại theo (PG) được sử dụng rộng rãi ở Mỹ, để phân loại theo Superpave (PG),
người ta căn cứ vào các tiêu chí sau đây để lựa chọn loại (PG) cho từng trường hợp:
- Điều kiện địa lý của khu vực dự án/công trình sẽ xây dựng.
- Nhiệt độ mặt đường cao nhất/thấp nhất dự kiến mà mặt đường BTN sẽ gặp phải
trong quá trình khai thác “xác định thông qua nhiệt độ không khí” có xét tới lựa
chọn độ tin cậy phù hợp cho từng trường hợp cụ thể.
- Lượng giao thông thiết kế “tổng tải tải trọng trục xe tiêu chuẩn tích lũy –ESAL
(tính theo triệu ESALs) qua các mức độ khác nhau từ <0.3 triệu ESALs tới >30
triệu ESALs cùng với tốc độ dòng xe
Ưu điểm: Của phương pháp phân loại nhựa theo (PG).
- Lựa chọn được lọai Nhựa đường phù hợp với tình hình cụ thể của dự án trên các
phương diện “điều kiện địa lý, khí hậu, lượng giao thông thiết kế và tốc độ của
dòng giao thông”, từ đó phát huy tốt khả năng làm việc của Nhựa đường, tăng
tuổi thọ cho công trình.
Nhược điểm: Của phương pháp phân loại nhựa theo (PG).
- Chi phí thí nghiệm cao, các thiết bị thí nghiệm đắt tiền, phương pháp thí nghiệm
mới nên cần có kinh phí và thời gian đào tạo cho các kỹ sư vật liệu và thí nghiệm
viên.
- Phương pháp phân loại theo Surperpave chưa được áp dụng ở Việt Nam, cần

phải trải qua các giai đoạn thi công thí điểm ở một dự án cụ thể, quan trắc, kiểm
tra và theo dõi thêm mới có thể có quy trình chính thức trong sản xuất, thi công
và nghiệm thu.
- Để đảm bảo tính chính xác trong vấn đề lựa chọn nhiệt độ mặt đường thiết kế,
yêu cầu dữ liệu sử dụng phải có thời gian quan trắc dài, tối thiểu là 20 năm quan
trắc.
1.3. Phân tích các mô hình tính toán nhiệt độ mặt đường và lựa chọn mô hình
tính toán nhiệt độ mặt đường ở Việt Nam
Nước Mỹ có 52 bang với diện tích lãnh thổ 9,83 triệu km², là quốc gia lớn hạng ba
về tổng diện tích trên thế giới. Với diện tích rất lớn và có nhiều vùng địa hình khác
nhau nên Mỹ gần như có tất cả các loại khí hậu. Khí hậu ôn hòa có ở đa số các
vùng, khí hậu nhiệt đới ở Hawai và các bang miền nam như Florida, Texas, New
Mexico khí hậu địa cực ở Alaska, nửa khô hạn trong Đại Bình nguyên phía tây kinh
tuyến 100 độ, khí hậu hoang mạc ở tây nam, khí hậu Địa Trung Hải ở duyên hải
California,…
Chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ SHRP (The Strategic Highway
Research Program) được triển khai tại nước Mỹ trong giai đoạn 1987-1992 để khắc
phục các vấn đề còn tồn tại của cách phân loại nhựa đường truyền thống theo độ


7
kim lún, độ nhớt và tình trạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa trên hệ thống
đường bộ nước Mỹ.
Mỹ và Canada không phân thành các vùng khí hậu riêng biệt mà xây dựng các trạm
quan trắc khí hậu thời tiết phân bố đều khắp. Từ các số liệu quan trắc nhiều năm của
7439 trạm và dựa vào tập hợp các số liệu đo đạc nhiệt độ trong các lớp mặt đường
bê tông nhựa để xây dựng các mô hình xác định nhiệt độ mặt đường để chọn mác
nhựa.
Theo các tiêu chuẩn AASHTO hiện hành thì sử dụng phần mềm LTPPBIND V3.1
(31/10/2005) để lựa chọn mác nhựa đường PG. Phần mềm LTPPBIND V3.1 đã cải

tiến nhiều so với bản V2.1 bằng hiệu chỉnh mô hình LTPP, đưa vào các độ tin cậy.
LTPPBIND V3.1 giúp các cơ quan quản lý xây dựng và nhà thầu lựa chọn được
mác nhựa PG cho tuyến đường dựa vào nội suy giữa 5 trạm quan trắc gần nhất.

Hình 1.1: Bản đồ các trạm khí hậu và nhiệt độ không khí cao nhất
Hình 1.1 là bản đồ các trạm quan trắc khí hậu và nhiệt độ không khí cao nhất ở Mỹ
và Canada. Nhận thấy rằng đa số các vùng đều có nhiệt độ không khí cao nhất đến
400C, một số vùng thuộc bang Arizona, California, New Mexico, Texas có nhiệt độ
không khí lên đến 400C.
Hình 1.2 bên dưới thể hiện nhiệt độ không khí thấp nhất khi lựa chọn mác nhựa.
Đối với các vùng phía Nam có vĩ độ thấp thì đa số nhiệt độ không khí đều trên
100C.


8

Hình 1.2: Bản đồ các trạm khí hậu và nhiệt độ không khí thấp nhất

Hình 1.3: Thông số của 5 trạm quan trắc gần với điểm xây dựng
Hình 1.3 thể hiện thông số khí hậu và mác nhựa tùy thuộc độ tin cậy của của 5 trạm
khí tượng gần nhất với địa điểm xây dựng mặt đường ở bang Texas có tọa độ (vĩ độ
30.760; kinh độ 98.6750).


9
1.3.1 Hệ cơ sở dữ liệu của LTPPBIND
Hệ cơ sở dữ liệu được xây dựng từ số liệu khí hậu hàng ngày của Trung tâm dữ liệu
khí hậu quốc gia Mỹ (Database National Climatic Data Center - NCDC) và Dữ liệu
môi trường Canada. Mỗi bang của Mỹ và hạt của Canada được lưu trữ trong 1 file
dữ liệu. Dữ liệu của Mỹ đã được bao gồm trong 52 file và chiếm khoảng 12 tỷ byte

dữ liệu thô. Dữ liệu của Canada đã được bao gồm trong 79 file và chiếm hơn 2 tỷ
byte dữ liệu thô.
Kết quả có 7439 bản ghi dữ liệu (trạm khí tượng) của Mỹ và Canada với 27 thông
số như Bảng 1.1.
Bảng 1.1: Các thông số khí hậu
TT

Thông số

Mô tả

1 Tên trạm

Sáu ký tự (2 ký tự tên bang + 4 ký tự tên
trạm khí tượng)

2 Bang/Tỉnh

2 chữ viết tắt

3 Quận hoặc hạt

Tên quận hoặc hạt

4 Tên trạm

Tên trạm khí tượng

5

Kinh độ của trạm, đơn vị độ

Kinh độ

6 Vĩ độ

Vĩ độ của trạm, đơn vị độ

7 Cao độ

Cao độ trạm, đơn vị mét

8 Nhiệt độ không khí 7 ngày cao

Giá trị trung bình

9 Nhiệt độ không khí 7 ngày cao

Giá trị thấp nhất

10 Nhiệt độ không khí 7 ngày cao

Giá trị cao nhất

11 Nhiệt độ không khí 7 ngày cao

Số năm quan trắc

12 Nhiệt độ không khí thấp

Giá trị thấp nhất

13 Nhiệt độ không khí thấp

Giá trị trung bình

14 Nhiệt độ không khí thấp

Giá trị cao nhất

15 Nhiệt độ không khí thấp

Độ lệch chuẩn

16 Nhiệt độ không khí thấp

Số năm quan trắc

17 Nhiệt độ không khí thông thường

Giá trị thấp nhất

18 Nhiệt độ không khí thông thường

Giá trị trung bình

19 Nhiệt độ không khí thông thường

Giá trị cao nhất

20 Nhiệt độ không khí thông thường

Độ lệch chuẩn

21 Nhiệt độ không khí thông thường

Số năm quan trắc

22 Số ngày có nhiệt độ >100C

Giá trị thấp nhất

0

Giá trị trung bình

0

Giá trị cao nhất

23 Số ngày có nhiệt độ >10 C
24 Số ngày có nhiệt độ >10 C


10
TT

Thông số

Mô tả

25 Số ngày có nhiệt độ >100C

Độ lệch chuẩn

26 Số ngày có nhiệt độ >100C

Số năm quan trắc

27 Năm cuối cùng của số liệu

Năm cuối cùng của chuỗi số liệu quan
trắc

1.3.2. Đo và theo dõi nhiệt độ trong kết cấu áo đường LTPP-SMP
Chương trình theo dõi dài hạn đường bộ và quan trắc nhiệt độ theo mùa trong nhiều
năm (Long Term Pavement Performance study's Seasonal Monitoring Program
LTPP-SMP) đã tiến hành thiết lập 30 trạm đo đạc nhiệt độ mặt đường để xây dựng
tương quan nhiệt độ trong các lớp kết cấu mặt đường với nhiệt độ không khí, vị trí
địa lý đưa ra các mô hình tính toán nhiệt độ trong các lớp kết cấu mặt đường.

Hình 1.4: Các trạm đo đạc nhiệt độ trong kết cấu áo đường
Ở mỗi vị trí đặt 18 đầu đo nhiệt với độ chính xác ±0.1 0C phân bố đều trong kết cấu
mặt đường. Tại mỗi vị trí ghi lại các số liệu nhiệt độ:
- Nhiệt độ không khí thấp nhất, cao nhất hàng ngày và thời gian xuất hiện.
- Nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của 18 đầu đo trong kết cấu mặt đường
- Nhiệt độ không khí trung bình giờ
- Nhiệt độ trung bình giờ của 5 đầu đo trên cùng.
Quá trình đo nhiệt độ liên tục trong 3 năm từ 1993-1995 để xây dựng và điều chỉnh
phương trình hồi quy xác định nhiệt độ trong các lớp kết cấu từ nhiệt độ không khí

tại vị trí (vĩ độ) công trình.


11
Các kết quả theo dõi nhiệt độ từ chương trình LTPP-SMP dùng để so sánh và hiệu
chỉnh các mô hình SHRP và LTPP đã được thiết lập.
1.3.3. Mô hình SHRP
Được thiết lập từ phân tích chuỗi số liệu đo đạc nhiệt độ không khí, nhiệt độ trong
kết cấu mặt đường ở các vị trí nghiên cứu. Phương trình hồi quy được thiết lập từ cơ
sở lý thuyết truyền nhiệt và kết quả đo đạc thực tế. Từ một số trạm đo đạc nhiệt độ
mặt đường thiết lập phương trình hồi quy nhiệt độ trong các lớp mặt đường theo
nhiệt độ không khí, vĩ độ, độ hấp phụ năng lượng mặt trời và tốc độ gió.
1) Nhiệt độ cao nhất trên bề mặt đường (Tsurf) (0C) theo công thức (1.1)
Tsurf = Tair −max − 0.00618L2at + 0.2289 Lat + 24.4

(1.1)

2) Nhiệt độ cao nhất dưới bề mặt đường 20mm (T20mm) (0C) theo công thức (1.2)
T20 mm = 0.9545Tair − max − 0.00589 L2at + 0.21848Lat + 22.4801

(1.2)

Trong đó Lat là vĩ độ trạm khí tượng; T air-max là nhiệt độ không khí cao nhất ( 0C) tính
phụ thuộc độ tin cậy R
Tair −max = Ttb 7 max + Z .Sair

(1.3)

Với Ttb7max là nhiệt độ không khí trung bình 7 ngày cao nhất; S air là độ lệch chuẩn
của chuỗi số liệu nhiệt độ trong 20 năm; Z là hệ số phụ thuộc độ tin cậy khi R=98%

thì Z= 2.055 và khi R=50% thì Z=0.
3) Nhiệt độ bề mặt đường thấp nhất Tmin (0C) được tính theo công thức (1.4).
Tmin = 0.859Tair − min + 1.7

(1.4)

Trong đó Tair-min là nhiệt độ không khí thấp nhất tính phụ thuộc độ tin cậy R
Tair − min = Ttb min − Z .Sair

(1.5)

Với Ttbmin là nhiệt độ không khí trung bình 1 ngày thấp nhất; S air là độ lệch chuẩn
của chuỗi số liệu nhiệt độ trong 20 năm; Z là hệ số phụ thuộc độ tin cậy khi R=98%
thì Z= 2.055 và khi R=50% thì Z=0.
Hình 1.5 bên dưới so sánh nhiệt độ đo được từ chương trình LTPP-SMP và nhiệt độ
xác định theo mô hình SHRP. Nhiệt độ tính theo mô hình SHRP cao hơn nhiệt độ
đo được từ SMP từ 1-60C.
Mô hình SHRP được xây dựng chỉ từ một số ít trạm đo đạc với thời gian ngắn nên
chưa đánh giá chính xác được nhiệt độ mặt đường. Hiện nay Superpave không còn
sử dụng mô hình này để lựa chọn mác nhựa.


12

Hình 1.5: So sánh nhiệt độ đo dưới mặt đường 25mm của SMP
và mô hình SHRP
1.3.4. Mô hình LTPP
Mô hình LTPP được phát triển từ kết quả phân tích thống kê chỗi số liệu đo đạc
nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ không khí trong chương trình theo dõi nhiệt độ mặt
đường bê tông nhựa theo mùa (Seasonal Asphalt Concrete Pavement TemperatureSAPT). Có tổng số 309 điểm đo trong thời gian từ 1993-1995 để xây dựng mô hình.

1) Nhiệt độ mặt đường cao nhất THighPav (0C) được tính theo công thức 1.6
2
THighPav = 54.32 + 0.78Tair − max − 0.0025 L2at − 15.14 lg( H + 25) + Z (9 + 0.61S air
) (1.6)

Trong đó Tair-max là nhiệt độ không khí trung bình 7 ngày cao nhất ( 0C); H là chiều
sâu tính từ bề mặt đường (mm). Z và Sair xác định như trên.
Công thức 1.6 còn dùng để xác định nhiệt độ cao trong các lớp BTN dưới tùy thuộc
vào chiều sâu H tính từ bề mặt đường.
2) Nhiệt độ mặt đường thấp nhất TLowPav (0C) được tính theo công thức 1.7
2
TLowPav = −1.56 + 0.72Tair − min − 0.004 L2at + 6.26 lg( H + 25) − Z (4.4 + 0.52 Sair
) (1.7)

Trong đó Tair-min là nhiệt độ không khí trung bình 1 ngày thấp nhất ( 0C); H là chiều
sâu tính từ bề mặt đường (mm). Z và Sair xác định như trên.


13
Hình 1.6 thể hiện đường phân tích thống kê mô hình LTPP giữa nhiệt độ mặt đường
và nhiệt độ không khí. Hình 1.7 thể hiện quan hệ giữa nhiệt độ mặt đường và vĩ độ.
Hình 1.8 thể hiện nhiệt độ mặt đường theo chiều sâu.

Hình 1.6: Quan hệ nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ không khí

Hình 1.7: Quan hệ nhiệt độ mặt đường và vĩ độ


14

Hình 1.8: Quan hệ nhiệt độ mặt đường theo chiều sâu

Hình 1.9: Tương quan nhiệt độ mặt đường đo thực tế và theo mô hình LTPP
Từ Hình 1.9 nhận thấy nhiệt độ mặt đường cao tính theo mô hình LTPP khá sát với
nhiệt độ đo được thực tế.


15

Hình 1.10: So sánh nhiệt độ dưới 20mm mặt đường mô hình LTPP và SHRP

Hình 1.11: So sánh nhiệt độ 25mm mặt đường mô hình LTPP và kết quả đo SMP


16
Từ Hình 1.10 nhận thấy nhiệt độ mặt đường cao tính theo mô hình SHRP cao hơn
so với mô hình LTPP. Hình 1.11 cho thấy mô hình LTPP sát với kết quả đo kiểm
chứng từ chương trình LTPP-SMP.
Nhận xét lựa chọn mô hình tính toán nhiệt độ mặt đường ở Việt Nam: Từ
những kết quả đo đạc kiểm chứng, từ những phân tích trên Superpave sử dụng mô
hình LTPP để xác định nhiệt độ mặt đường phục vụ lựa chọn mác nhựa. Đây cũng
là định hướng nghiên cứu áp dụng ở Việt Nam.
1.4. Các phép thử nhựa đường theo PG
1.4.1. Thí nghiệm nhiệt độ bắt lửa (Flash and Fire Points by Cleveland Open
Cup). AASHTO T 48-06 (2015)
*. Mục đích
Nhằm đánh giá nguy cơ gây cháy của vật liệu nhựa đường khi nhiệt độ cao.
Phương pháp này sử dụng để đo và mô tả các đặc tính của nhựa đường khi tiếp xúc
với nhiệt và ngọn lửa thử trong điều kiện kiểm soát của phòng thử nghiệm, và
không sử dụng để mô tả hoặc đánh giá nguy cơ cháy và tính nguy hiểm do cháy của

chúng trong điều kiện sử dụng thực tế. Tuy vậy các kết quả thử theo phương pháp
này có thể sử dụng như một trong tất cả các yếu tố cần tính đến trong việc đánh giá
nguy cơ cháy và tính nguy hại khi cháy trong điều kiện sử dụng cụ thể.
*. Mô tả thử nghiệm:
Thiết bị thử nghiệm điển hình nêu tại Hình 1.12.
Trình tự thí nghiệm Nhiệt độ bắt lửa tuân thủ theo TCVN7498:2005 hoặc AASHTO
T 48-06 (2015)

Hình 1.12: Thiết bị thử nghiệm nhiệt độ bắt lửa bằng cốc hở Cleveland điển hình


17
1.4.2. Thí nghiệm độ nhớt Brookfield-RS (Rotational Viscometer). AASHTO 31613
Mục đích:
Nhằm xác định khoảng độ nhớt của nhựa đường phù hợp với các công đoạn thi
công bê tông nhựa, từ đó có thể bảo đảm rằng nhựa đường có thể bơm và vận
chuyển thuận lợi trong điều kiện hỗn hợp nóng.
Thí nghiệm độ nhớt xoay chỉ thực hiện trên mẫu nhựa đường nguyên thuỷ (chưa
hoá cứng).
Nhiệt độ trộn và đầm nén được xác định từ biểu đồ độ nhớt - nhiệt độ.Một biểu đồ
biến thiên độ nhớt với nhiệt độ được thể hiện tại Hình 1.13.
Độ nhớt xoay được xác định thông qua việc đo mô men xoắn yêu cầu để duy trì vận
tốc xoay ổn định của một trục chính hình trụ khi bị ngập trong nhựa đường.

Hình 1.13: Biểu đồ quan hệ độ nhớt – nhiệt độ
Mô tả thử nghiệm:
Thiết bị được giới thiệu tại Hình 1.14.


18

Hình 1.14: Thiết bị Nhớt kế Brookfield điển hình
Đặc tính kỹ thuật của thiết bị được mô tả như sau:
- Máy đo độ nhớt xoay kiểu Brookfield gồm 1 mô tơ, trục chính, các khoá điều
khiển và bộ phận đọc số. Trong quá trình thí nghiệm, môtơ quay với vận tốc 20
vòng/phút.
- Trục chính giống như 1 cái bơm quả lắc và khi xoay nó bị cản bởi thuộc tính
nhớt của nhựa đường. Có nhiều trục chính được dùng cho máy Brooktield, trục
chính chuẩn được chọn lựa trên cơ sở độ nhớt của nhựa đường được thí nghiệm.
Buồng chứa mẫu được làm bằng thép không rỉ hoặc nhôm, có bộ phận gia nhiệt
và ổn nhiệt tự động.
- Thiết bị điều khiển nhiệt cho phép nhiệt độ thử ở nhiệt độ yêu cầu 135 oC các
khoá điều khiển dùng cho việc điều khiển các thông số thí nghiệm đầu vào như
trục cố định, bộ vận tốc quay và quay mô tơ chạy cùng chiều hay ngược chiều.
Trục chính thấp 1 đầu được lồng vào máy đo độ nhớt, 1 đầu được lồng vào
buồng chứa mẫu nóng.
- Máy đo độ nhớt xoay có thể tự động tính độ nhớt ở nhiệt độ thí nghiệm.
- Trình tự thí nghiệm tuân theo qui trình AASHTO T 316-13.
1.4.3. Thí nghiệm màng nhựa mỏng quay trong lò-RTFOT (Rolling thin film
oven test). AASHTO T 240-13
Mục đích:
- Nhằm mô phỏng đặc điểm hóa cứng của nhựa đường sau khi được nung, trộn với
đá và đầm nén ở mặt đường trong vòng năm đầu tiên của mặt đường nhựa sau
khi đưa vào khai thác.
- Thí nghiệm này được sử dụng để xác định tác động của nhiệt và không khí trên
một màng mỏng nhựa đường quay trong lò và để đánh giá khả năng chống lão
hóa của nhựa đường trong quá trình sản xuất và thi công hỗn hợp bê tông nhựa
nóng.