Xây dựng mô hình dự báo độ sâu vệt hằn bánh xe bằng thiết bị wheel tracking cho bê tông nhựa chặt sử dụng cốt liệu địa phương

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN CHƢƠNG

XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE
BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING CHO BÊ TÔNG
NHỰA CHẶT SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

Đà Nẵng, năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN CHƢƠNG

XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE
BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING CHO BÊ TÔNG
NHỰA CHẶT SỬ DỤNG CỐT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng
Mã số: 60.58.02.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN HỒNG HẢI

Đà Nẵng, năm 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Chƣơng


XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE
BẰNG THIẾT BỊ WHEEL TRACKING CHO BÊ TÔNG NHỰA CHẶT SỬ
DỤNG CỐT LIỆU ĐỊA PHƢƠNG
Học viên: Nguyễn Văn Chƣơng. Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao
thơng
Mã số: 8.58.0205, Khóa: 33 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Lún vệt bánh xe (LVBX) là hiện tƣợng bề mặt của mặt cắt ngang mặt
đƣờng hơng cịn giữ nguyên đƣợc hình dạng nhƣ thiết kế ban đầu, mặt đƣờng bị lún
xuống tại vị trí vệt bánh xe và dần hình thành các vệt lún theo chiều dọc của đƣờng.
Nguyên nhân của hiện tƣợng LVBX là do tổ hợp của nhiều yếu tố nhƣ: lƣu lƣợng, tải
trọng xe, chất lƣợng các lớp kết cấu áo đƣờng, điều kiện khí hậu. Trên thế giới, hiện
nay đã có nhiều mơ hình dự báo lún vệt bánh xe nhƣ: đánh giá tuổi thọ kết cấu thông
qua tiêu chuẩn LVBX; phƣơng pháp thiết kế cơ học – thực nghiệm … Tuy nhiên, hầu
hết các mơ hình này là mơ hình dự báo trong q trình khai thác từ các thơng số thu
thập đƣợc ngồi hiện trƣờng. Các mơ hình dự báo trong q trình thiết kế hỗn hợp cấp
phối cịn ít.

Vì vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu, đánh giá ảnh hƣởng của các thông số thiết kế của
hỗn hợp BTNC đến khả năng kháng lún vệt bánh xe (thông qua chỉ tiêu độ sâu vệt hằn
bánh xe bằng thiết bị Wheel Tracking), từ đó đƣa ra các mơ hình dự báo ngay từ bƣớc
thiết kế sơ bộ là cần thiết. Từ các số liệu thu thập đƣợc, đề tài sử dụng phƣơng pháp
phân tích thành phần chính (PCA) và phân tích hồi quy đa biến cho các trƣờng hợp
thiết kế có các thơng số thiết kế khác nhau, một mơ hình hồi quy tuyến tính đa biến
đƣợc xây dựng. Mơ hình cho phép dự báo đƣợc độ sâu vệt hằn bánh xe của BTN dựa
trên các thông số thiết kế cơ bản: hàm lƣợng nhựa (HLN), tỷ trọng khối (Gmb), độ
rỗng dƣ (Va), chỉ số cấp phối (Gr). Mơ hình có thể hỗ trợ quá trình thiết kế hỗn hợp
BTN trong khâu thiết kế sơ bộ khi sử dụng nguồn vật liệu tại địa phƣơng.
Từ khóa – mơ hình, lún vệt bánh xe, bê tông nhựa, wheel tracking, cốt liệu địa
phƣơng.
ESTABLISH THE MODEL FOR PREDICTING RUT DEPTH BY USING
WHEEL TRACKING TEST FOR ASPHALT CONCRETE
USING LOCAL AGGREGATES
Abstract – Rutting is a surface phenomenon of the cross-section of the road that
does not retain its shape as it originally was designed, this is a depression into a road
or path by the travel of wheels and gradually formed the settling pattern longitudinal of
the road. The cause of the rutting deformation is due to a combination of many factors
such as: traffic, vehicle load; quality layers of pavement structure; climate conditions.
In the world, there are now many models of predictions rut depth such as: structural
life expectancy rating through rutting standard; Mechanistic-Empirical Pavement
Design Guide ... However, most of these models are forecast models in the extraction


process from the data which collected in the field. Prediting models in the design
process are few.
Therefore, this study investigates and evaluates the effect of the design properties
of the asphalt concrete on the resistance to rutting (by using Wheel Tracking test), and
establish the predicting model from the preliminary design stage is necessary. From

the data capture, using the principal component analysis (PCA) method and
multivariate regression analysis on different cases of the design with variable
parameters, a prediction model is established. Model allows the prediction of rutting
depth (Rd) based on five parameters: asphalt content (HLN), bulk specific gravity
(Gmb), air void (Va), Grade ratio (Gr). Model can assist the preliminary design
process of asphalt mixture in case using the local materials.
Key words – model, rutting, asphalt concrete, wheel tracking, local aggregates.


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...........................................................................................
DANG MỤC BẢNG ............................................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................................
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài: ............................................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu: ....................................................................................................... 2
3. Đối tƣợng nghiên cứu: ..................................................................................................... 2
4. Phạm vi nghiên cứu: ........................................................................................................ 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu: ................................................................................................ 2
6. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài: ............................................................................ 3
7. Dự kiến nội dung của luận văn. ....................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG
ĐẾN CƢỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE .......................... 4
1.1. KHÁI NIỆM VỀ BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CHẤT
LƢỢNG BÊ TÔNG NHỰA ................................................................................................ 4
1.1.1. Khái niệm về bê tông nhựa ........................................................................................ 4
1.1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bê tông nhựa ................................................. 5
1.2. CÁC HIỆN TƢỢNG HƢ HỎNG CỦA MẶT ĐƢỜNG BÊ TƠNG NHỰA VÀ CÁC
MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTN TẠI VIỆT NAM
VÀ TRÊN THẾ GIỚI .......................................................................................................... 8

1.2.1. Các hiện tƣợng hƣ hỏng của mặt đƣờng bê tơng nhựa .............................................. 8
1.2.2. Các mơ hình nghiên cứu dự báo lún vệt bánh xe của BTN tại Việt Nam và trên thế
giới
....................................................................................................................... 13
1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN CƢỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN
VỆT BÁNH XE CỦA BTNC THÔNG THƢỜNG .......................................................... 18
1.3.1. Các yếu tố trong quá trình thiết kế hỗn hợp BTN ................................................... 18
1.3.2. Các yếu tố trong quá trình khai thác ........................................................................ 23


1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ........................................................................................... 26
CHƢƠNG 2.THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU VÀ KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM TRONG
PHÒNG............................................................................................................................. 27
2.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VẬT LIỆU....................................................................... 27
2.1.1. Kết quả thí nghiệm đá dăm ...................................................................................... 27
2.1.2. Kết quả thí nghiệm bột khống ............................................................................... 31
2.2.3. Kết quả thí nghiệm nhựa đƣờng .............................................................................. 32
2.2. ĐỀ XUẤT CẤP PHỐI HỖN HỢP CỐT LIỆU DÙNG CHO NGHIÊN CỨU.......... 34
2.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTN ............................... 37
2.4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE BẰNG THIẾT BỊ
WHEEL TRACKING ....................................................................................................... 37
2.4.1. Thiết bị thí nghiệm .................................................................................................. 37
2.4.2. Thơng số thí nghiệm ................................................................................................ 39
2.4.3. Phƣơng pháp chế bị và bảo dƣỡng mẫu thí nghiệm ................................................ 39
2.4.4. Kết quả thí nghiệm .................................................................................................. 42
2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ........................................................................................... 45
CHƢƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ
BÁO ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE CHO BÊ TÔNG NHỰA CHẶT ..................... 46
3.1. ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE ................ 46
3.2. PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA CHỈ SỐ CẤP PHỐI VÀ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ

CỦA BTN ĐẾN ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE ........................................................... 49
3.3. XÂY DỰNG MƠ HÌNH TƢƠNG QUAN GIỮA ĐỘ SÂU VỆT HẰN BÁNH XE
VỚI CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ CỦA HỖN HỢP BÊ TƠNG NHỰA ....................... 51
3.3.1. Phƣơng pháp phân tích thành phần chính (PCA – Principal Component Analysis)
……………. ...................................................................................................................... 51
3.3.2. Định nghĩa các biến thông số ảnh hƣởng ................................................................ 52
3.3.3. Kết quả phân tích PCA: ........................................................................................... 52
3.4. MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH ĐỘ SÂU VHBX KHI THỬ NGHIỆM BẰNG THIẾT BỊ
WHEEL TRACKING ....................................................................................................... 53


3.4.1. Phân tích hồi quy tuyến tính đa biến (Regression Lineaire Multiple) .................... 53
3.4.2. Mơ hình xác định độ sâu VHBX khi thử nghiệm bằng thiết bị Wheel Tracking:
……………. ...................................................................................................................... 54
3.4.3. So sánh với mơ hình nghiên cứu của Đại học công nghệ Baghdad, Irắc [10]:
……………. ...................................................................................................................... 55
3.4.4. Kiểm chứng mơ hình đề xuất .................................................................................. 56
3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ........................................................................................... 62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 63
1. KẾT LUẬN: .................................................................................................................. 63
2. KIẾN NGHỊ .................................................................................................................. 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 65
PHỤ LỤC 1 ..........................................................................................................................
PHỤ LỤC 2 ..........................................................................................................................
PHỤ LỤC 3 ..........................................................................................................................
PHỤ LỤC 4 ..........................................................................................................................


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BTNC

: Bê tông nhựa chặt

LVBX

: Lún vệt bánh xe

VMA

: Độ rỗng khung cốt liệu

KQTN

: Kết quả thí nghiệm

AC

: Hàm lƣợng nhựa

Va

: Độ rỗng dƣ

Gr

: Chỉ số cấp phối

Gmb

: Tỷ trọng khối hỗn hợp BTN đầm nén

S

: Độ ổn định Marshall

D

: Độ dẻo Marshall


DANG MỤC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1

Những hƣ hỏng của mặt đƣờng bê tông nhựa do chất lƣợng thi công
không đảm bảo

7

1.2

Các hệ số hồi quy theo mơ hình phá hoại LVBX [1]

16

2.1

Kết quả thí nghiệm thành phần hạt đá 0x5

27

2.2

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đá 0x5 của các mỏ đá

27

2.3

Kết quả thí nghiệm thành phần hạt đá 5x10 của các mỏ đá

28

2.4

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đá 5x10 của các mỏ đá

29

2.5

Kết quả thí nghiệm thành phần hạt của đá 10x15

29

2.6

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đá 10x15

30

2.7

Kết quả thí nghiệm thành phần hạt đá 10x20

30

2.8

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý đá 10x20

31

2.9

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bột khống

32

2.10

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đƣờng

33

2.11

Thành phần hạt của cấp phối khảo sát

36

2.12

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của các mẫu BTN

37

2.13

Các thông số kỹ thuật của thiết bị Hamburg Wheel Tracking

38

2.14

Kết quả thí nghiệm HLVBX các mẫu BTN thử nghiệm

42

2.15

Tổng hợp kết quả thí nghiệm

45

3.1

Tổng hợp kết quả thử nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của nhiệt độ

49

3.2

Ma trận tƣơng quan của các thông số tính tốn

53

3.3

Kết quả phân tích ANOVA

54

3.4

Kết quả dự báo độ sâu VHBX theo mơ hình của Đại học cơng nghệ
Baghdad

56


3.5

Thành phần hạt của cấp phối thí nghiệm BTNC 12,5

57

3.6

Thành phần hạt của cấp phối thí nghiệm BTNC 19

58

3.7

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của các mẫu BTN

59

3.8

Kết quả thí nghiệm độ sâu LVBX các mẫu BTN thử nghiệm đối
chứng

59

3.9

Kết quả độ sâu VHBX thực tế so với mơ hình

61


DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

1.1

Cấu taọ mặt đƣờng mềm có lớp mặt bằng bê tơng nhựa

4

1.2

Mơ tả cấu trúc của hỗn hợp BTN

4

1.3

Mơ tả hình thành nứt mỏi trong BTN [8]

9

1.4

Nứt mỏi dạng “da cá sấu”

9

1.5

Hƣ hỏng lún vệt bánh xe mặt đƣờng BTN

10

1.6

Lún vệt bánh xe do BTN bị chảy dẻo. [7]

11

1.7

LVBX do kết cấu [7]

11

1.8

LVBX do hƣ hỏng lớp móng

12

1.9

LVBX do hƣ hỏng lớp đáy áo đƣờng

12

1.10

LVBX lớp mặt BTN [7]

12

1.11

Mơ phỏng mẫu thí nghiệm RLAT

14

1.12

Thiết bị thí nghiệm RLAT [6]

14

1.13

Ba giai đoạn làm việc của mẫu thí nghiệm RLAT [6]

15

1.14

Mơ hình 3 lớp trong phần mềm BISAR

15

1.15

Biểu đồ dự báo độ sâu VHBX thông qua dữ liệu thí nghiệm so với

16

thí nghiệm bằng thiết bị Wheel Tracking
1.16

Vai trị lấp đầy của bột khống trong hỗn hợp BTN

20

1.17

Quan hệ giữa GR và độ sâu LVBX với độ tin cậy >0,8 [11]

22


1.18

Ảnh hƣởng của số lần tác dụng tải trọng đến lớp mặt BTN [12]

23

1.19

Ảnh hƣởng của tải trọng trục đến mức độ phá hoại mặt đƣờng

24

1.20

Ảnh hƣởng của tải trọng trục đến LVBX [15]

24

1.21

Ảnh hƣởng của tốc độ dòng xe đến LVBX [15]

25

1.22

Ảnh hƣởng của áp lực bánh hơi đến LVBX [15]

25

2.1

Biểu đồ thành phần hạt đá 0x5 của các mỏ đá

28

2.2

Biểu đồ thành phần hạt đá 5x10 của các mỏ đá

28

2.3

Biểu đồ thành phần hạt đá 10x15

29

2.4

Biểu đồ thành phần hạt đá 10x20 của 3 mỏ đá

30

2.5

Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm

31

2.6

Biểu đồ thành phần hạt bột khống

32

2.7

Một số hình ảnh thí nghiệm nhựa đƣờng

34

2.8

Biểu đồ thành phần hạt của 08 cấp phối BTNC12,5 khảo sát

35

2.9

Biểu đồ thành phần hạt của 09 cấp phối BTNC19 khảo sát

35

2.10

Thiết bị thí nghiệm độ sâu VHBX Hamburg Wheel Tracking

38

2.11

Màn hình hiển thị của phần mềm Inftratest

39

2.12

Định lƣợng cốt liệu và cho vào máy trộn

40

2.13

Khuôn đúc mẫu đƣợc bôi lớp chống dính và lót giấy

40

2.14

Cho mẫu BTN vào khn

41

2.15

Đặt khuôn chứa mẫu vào máy đầm

41


2.16

Thiết bị đầm lăn bánh thép

41

2.17

Đầm nén mẫu BTN

41

2.18

Mẫu đƣợc lắp vào thiết bị Wheel Tracking

42

2.19

Màn hình hiển thị theo dõi độ sâu VHBX trong quá trình thử nghiệm

42

2.20

Hình ảnh mẫu BTN sau thử nghiệm

43

2.21

Biểu đồ KQTN HLVBX mẫu CT-1-12.5

43

2.22

Biểu đồ KQTN HLVBX mẫu CT-4-19

44

2.23

Biểu đồ KQTN HLVBX mẫu HB-1-12,5

44

2.24

Biểu đồ KQTN HLVBX mẫu HC-1-12,5

44

3.1

Biểu đồ thành phần hạt BTNC12.5 nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ

46

3.2

Mẫu trƣớc và sau khi thực hiện thí nghiệm LVBX ở 30°C

46

3.3

Mẫu trƣớc và sau khi thực hiện thí nghiệm LVBX ở 40°C

47

3.4

Mẫu trƣớc và sau khi thực hiện thí nghiệm LVBX ở 50°C

47

3.5

Mẫu trƣớc và sau khi thực hiện thí nghiệm LVBX ở 60°C

47

3.6

Kết quả thử nghiệm HLVBX mẫu BTN ở nhiệt độ 30°C

48

3.7

Kết quả thử nghiệm HLVBX mẫu BTN ở nhiệt độ 40°C

48

3.8

Kết quả thử nghiệm HLVBX mẫu BTN ở nhiệt độ 50°C

48

3.9

Kết quả thử nghiệm HLVBX mẫu BTN ở nhiệt độ 60°C

48

3.10

Biểu đồ so sánh diễn biến lún tại các nhiệt độ khác nhau

49

3.11

Tổng hợp biểu đồ quan hệ giữa các chỉ tiêu cơ lý và độ sâu VHBX

50


của 3 mỏ đá
3.12

Kết quả phân tích trên vịng trịn đơn vị tƣơng quan

52

3.13

So sánh RD từ mơ hình tính toán đề xuất và kết quả thực nghiệm

55

(trƣờng hợp phân tích trên cả 3 mỏ đá)
3.14

Đƣờng cong thành phần hạt cấp phối thí nghiệm BTNC 12.5

57

3.15

Đƣờng cong thành phần hạt cấp phối thí nghiệm BTNC 19

58

3.16

Mẫu BTNC 12,5 sau thử nghiệm

60

3.17

Diễn biến độ sâu LVBX theo số lƣợt tác dụng của tải trọng (AC19-

60

CP1)
3.18

Diễn biến độ sâu LVBX theo số lƣợt tác dụng của tải trọng (AC19-

60

CP2)
3.19

Diễn biến độ sâu LVBX theo số lƣợt tác dụng của tải trọng

61

(AC12,5-CP1)
3.20

Diễn biến độ sâu LVBX theo số lƣợt tác dụng của tải trọng
(AC12,5-CP2)

61


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Mặt đƣờng bê tông nhựa (BTN) đƣợc áp dụng rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam.

Để chịu đƣợc tác động của tải trọng xe và các yếu tố môi trƣờng trong quá trình khai
thác, mặt đƣờng bê tơng nhựa phải đƣợc thiết kế và thi công sao cho đạt yêu cầu về
cƣờng độ và độ ổn định trong suốt quá trình khai thác. Tuy nhiên, do điều kiện khí hậu tại
Việt Nam với nhiệt độ rất cao vào mùa nóng và nhiệt độ không quá thấp vào mùa lạnh
nên hƣ hỏng chủ yếu xuất hiện trên mặt đƣờng BTN là nứt mỏi và lún vệt bánh xe
(LVBX).
Trong những năm gần đây, hiện tƣợng lún vệt bánh xe xuất hiện nhiều tại các tuyến
quốc lộ, các tuyến đƣờng có quy mơ giao thơng lớn gây mất an toàn cho các phƣơng tiện
tham gia giao thông và gây ra nhiều bức xúc trong dƣ luận xã hội. Mặc dù đã có nhiều
nghiên cứu đƣa ra các giải pháp để khắc phục lún vệt bánh xe, tuy nhiên vẫn chƣa giải
quyết đƣợc hiện tƣợng lún vệt bánh xe hiện nay.

Hư hỏng lún vệt bánh xe mặt đường BTN
Lún vệt bánh xe là hiện tƣợng bề mặt của mặt cắt ngang mặt đƣờng BTN khơng cịn
giữ nguyên đƣợc hình dạng nhƣ thiết kế ban đầu, mặt đƣờng bị lún xuống tại vị trí vệt
bánh xe và dần hình thành các vệt lún theo chiều dọc của đƣờng.
Nguyên nhân của hiện tƣợng lún vệt bánh xe là do tổ hợp của nhiều yếu tố nhƣ: lƣu
lƣợng, tải trọng xe; chất lƣợng các lớp kết cấu áo đƣờng; điều kiện khí hậu (nhiệt độ ,độ
ẩm …) [11].
Trên thế giới, hiện nay đã có nhiều mơ hình dự báo lún vệt bánh xe nhƣ: đánh giá tuổi
thọ kết cấu thông qua tiêu chuẩn LVBX [12]; Phƣơng pháp thiết kế cơ học – thực


2
nghiệm [13] … Tuy nhiên, hầu hết các mơ hình này là mơ hình dự báo trong q trình
khai thác từ các thơng số thu thập đƣợc ngồi hiện trƣờng. Các mơ hình dự báo trong q
trình thiết kế cịn ít và hầu hết chỉ đánh giá ảnh hƣởng của 1 hoặc 2 yếu tố.
Vì vậy, việc nghiên cứu tìm hiểu, đánh giá ảnh hƣởng của các thông số thiết kế của
hỗn hợp BTN đến khả năng kháng lún vệt bánh xe, từ đó đƣa ra các mơ hình dự báo có
thể giúp cho các đơn vị thiết kế và thi công lựa chọn, đề xuất cấp phối hỗn hợp thiết kế

hợp lý ngay từ bƣớc thiết kế sơ bộ là cần thiết nhằm hạn chế dạng hƣ hỏng này đối với
mặt đƣờng BTN tại Việt Nam.
2. Mục tiêu nghiên cứu:
a. Mục tiêu tổng quát:
- Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng và xây dựng mơ hình dự báo độ sâu lún vệt bánh xe
cho hỗn hợp bê tông nhựa chặt sử dụng nguồn cốt liệu địa phƣơng.
b. Mục tiêu cụ thể:
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ đến kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe trên các
mẫu BTNC 12,5 và BTNC 19.
- Nghiên cứu ảnh hƣởng của thành phần cấp phối và các chỉ tiêu cơ lý của BTN đến khả
năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa chặt Dmax12,5 và Dmax19.
- Xây dựng tƣơng quan giữa độ sâu lún vệt bánh xe với các thông số thiết kế của hỗn
hợp BTNC;
3. Đối tƣợng nghiên cứu:
- Các chỉ tiêu cơ lý và khả năng kháng lún vệt bánh xe của bê tông nhựa chặt sử dụng
nguồn cốt liệu tại các mỏ đá trên địa bàn thành phố Đà Nẵng.
4. Phạm vi nghiên cứu:
- Bê tông nhựa chặt Dmax12,5 và Dmax19 sử dụng nhựa đƣờng có độ kim lún 60/70.
- Cốt liệu đƣợc lấy tại các mỏ đá Hố Chuồn, Hố Bạc, Cà Ty thành phố Đà Nẵng.
- Tải trọng tác dụng 0,7MPa, tần số tác dụng 25±2.5 chu kỳ/phút ở điều kiện nhiệt độ
môi trƣờng nƣớc 30 oC, 40oC, 50oC và 60oC.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- Phƣơng pháp lý thuyết;
- Phƣơng pháp thực nghiệm;
- Phƣơng pháp thống kê.


3
6. Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài:
Đƣa ra các mơ hình dự báo có thể giúp cho các đơn vị thiết kế và thi công lựa chọn,

đề xuất cấp phối hỗn hợp thiết kế hợp lý ngay từ bƣớc thiết kế sơ bộ nhằm hạn chế dạng
hƣ hỏng này đối với mặt đƣờng BTN tại Việt Nam.
7. Dự kiến nội dung của luận văn.
Mở đầu
Chƣơng 1. Mặt đƣờng bê tông nhựa và các yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ và khả
năng lún vệt bánh xe
Chƣơng 2. Thí nghiệm vật liệu và khảo sát thực nghiệm trong phịng.
Chƣơng 3. Nghiên cứu thực nghiệm và xây dựng mơ hình dự báo độ sâu vệt hằn bánh
xe cho bê tông nhựa chặt
Kết luận và kiến nghị.


4

CHƢƠNG 1
MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN
CƢỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE
1.1. KHÁI NIỆM VỀ BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN
CHẤT LƢỢNG BÊ TÔNG NHỰA
1.1.1. Khái niệm về bê tông nhựa
Bê tông nhựa (BTN) là một hỗn hợp bao gồm cốt liệu, chất kết dính nhựa đƣờng, bột
khống và phụ gia (nếu có), đƣợc sử dụng làm lớp mặt trong xây dựng và bảo trì tất cả
các loại cơng trình đƣờng, bãi đỗ xe … (Hình 1.1).

Hình 1.1: Cấu taọ mặt đường mềm có lớp mặt bằng bê tông nhựa
Cốt liệu đƣợc dùng cho bê tông nhựa có thể đƣợc nghiền từ đá, cát, sỏi hoặc xỉ. Để có
thể liên kết đƣợc cốt liệu với nhau thành một hỗn hợp gắn kết, một loại chất kết dính
đƣợc sử dụng và thơng thƣờng đó là nhựa đƣờng. Nhựa đƣờng khi kết hợp với bột
khoáng tạo thành hỗn hợp matic s đóng vai trị của các hạt mịn, lấp các lỗ rỗng giữa các
hạt đá dăm, cát trong BTN tạo nên liên kết giữa các hạt cốt liệu với nhau và với nhựa

đƣờng dẫn tới làm tăng độ chặt, tăng cƣờng độ của bê tơng nhựa (Hình 1.2).
Cấu trúc hình thành nên hỗn hợp bê tơng nhựa dựa trên 2 loại:
+ Cấu trúc vi mô: là sự kết hợp giữa bột khống và chất kết dính nhựa đƣờng tạo thành
chất liên kết asphalt;
+ Cấu trúc vĩ mô: là sự kết hợp giữa chất liên kết asphalt với cốt liệu tạo thành bê tơng
nhựa.

Hình 1.2: Mơ tả cấu trúc của hỗn hợp BTN


5
a) Ưu điểm của mặt đường bê tông nhựa:
+ Kết cấu chặt, kín; mặt đƣờng liên tục;
+ Có khả năng chịu nén, cắt, uốn và tác dụng của tải trọng ngang;
+ Chịu tải trọng động tốt, ít hao mịn, ít sinh bụi;
+ Mặt đƣờng bằng phẳng, có độ cứng vừa phải nên xe chạy tốc độ cao rất êm thuận, ít
gây tiếng ồn;
+ Tiến độ thi công đƣa đƣờng vào khai thác nhanh, giá thành phù hợp;
+ Công nghệ thi cơng quen thuộc, có thể thi cơng cơ giới hóa hồn tồn. Dễ sửa chữa,
thơng xe ngay sau khi thi cơng, dễ nâng cấp.
b) Nhược điểm
+ Tính nhạy cảm với nhiệt độ nên dễ phát triển vệt lún dƣới tác dụng lặp lại của tải
trọng xe nặng, đặc biệt vào mùa hè;
+ Ở nhiệt độ cao BTN có xu hƣớng hóa mềm, khi gặp tải trọng trùng phục, lực hãm,
tải trọng lớn gây nên bong tróc, gãy vỡ, trồi trƣợt;
+ Ở nhiệt độ thấp kết cấu áo đƣờng BTN tiệm cận đến nhiệt độ hóa cứng nên kết cấu
áo đƣờng trở nên cứng, dòn, dễ gãy, vỡ khi chịu tác động lớn từ tải trọng xe chạy;
+ Bong tróc do phá hủy của môi trƣờng: tác động của ánh nắng mặt trời, khơng khí và
các yếu tố khí hậu khác làm thay đổi thành phần hóa học trong nhựa đƣờng của hỗn hợp
BTN, làm cho BTN trở nên cứng và giịn (hiện tƣợng lão hóa). Ngồi ra, việc tiếp xúc với

nƣớc hay độ ẩm có thể làm bong tróc, làm tách màng nhựa ra khỏi cốt liệu;
+ Nứt do mỏi: nguyên nhân do tác dụng lặp lại của tải trọng xe chạy và do mặt đƣờng
bị hóa già theo thời gian dƣới tác dụng của tải trọng trùng phục, thời tiết.
1.1.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng bê tông nhựa
Mặt đƣờng bê tông nhựa đƣợc áp dụng rộng rãi trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam. Để
chịu đƣợc tác động của tải trọng xe chạy và các yếu tố mơi trƣờng trong q trình khai
thác, mặt đƣờng bê tông nhựa phải đƣợc thiết kế, thi công sao cho có đủ cƣờng độ và độ
ổn định trong suốt thời gian phục vụ.
Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng của sản phẩm bê tông nhựa chủ yếu bao gồm:
1.1.2.1. Cốt liệu
Cốt liệu lớn (đá) tạo thành bộ khung chịu lực. Nếu cốt liệu lớn có nhiều thành phần hạt
thoi dẹt, phong hóa lớn hơn quy định dẫn tới khả năng chịu lực của cốt liệu kém làm cho
cƣờng độ BTN thấp hơn. Ngoài ra, yêu cầu cốt liệu lớn phải sạch để khả năng dính bám
với nhựa đƣờng tốt thì cƣờng độ BTN mới cao. Bên cạnh đó, cốt liệu có lỗ rỗng xốp s
gây ra hiện tƣợng thấm hút chọn lọc, khi thấm hút chọn lọc chỉ có thành phần chọn lọc
trong nhựa đƣờng thấm vào, để lại những phần thừa rắn lên trên bề mặt của cốt liệu, điều
này có thể gây ra sự tách rời chất kết dính nhựa đƣờng ra khỏi cốt liệu.
Cốt liệu nhỏ (cát) chèn lấp một phần khe rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn, cát phải sạch
để khả năng dính bám với chất kết dính nhựa đƣờng tốt.


6
Bột khống cỡ hạt khơng đảm bảo thì khả năng dàn mỏng màng bitum khơng đƣợc
mỏng. Bột khống khơng đảm bảo sạch thì khả năng dính bám kém.
Ngồi ra, nguồn gốc khoáng vật cốt liệu để sản xuất BTN phải là đá có tính bazơ cao
nhƣ đá vơi, đá đơlơmít để khả năng dính bám giữa bitum với bề mặt cốt liệu lớn nhờ
màng bitum bao bọc đƣợc dàn mỏng. Đối với đá granite có độ dính bám kém, cần cân
nhắc sử dụng thêm phụ gia hoạt tính bề mặt để tăng khả năng dính bám đá-nhựa của hỗn
hợp BTN.
1.1.2.2. Thành phần cấp phối của hỗn hợp cốt liệu

Vật liệu khoáng trong BTN thƣờng theo nguyên lý cấp phối, hỗn hợp cốt liệu gồm
nhiều cỡ hạt đƣợc phân bố chiếm một tỷ lệ nhất định trong hỗn hợp cốt liệu.
Tỷ lệ cỡ hạt vật liệu khoáng trong hỗn hợp cốt liệu: nếu tỷ lệ cỡ hạt hợp lý, hỗn hợp
cốt liệu có thành phần hạt nằm trong giới hạn đƣờng bao tiêu chuẩn đạt cấp phối chuẩn
thì hỗn hợp cốt liệu đặc chắc hơn làm cho cƣờng độ BTN cao hơn đồng thời độ rỗng
trong BTN nhỏ hơn. Ngƣợc lại, nếu tỷ lệ cỡ hạt không hợp lý, độ rỗng BTN cao, cần phải
sử dụng nhiều chất liên kết nhựa đƣờng để lấp đầy lỗ rỗng, dẫn đến cƣờng độ của BTN
kém ổn định.
1.1.2.3. Nhựa đường (Bitum)
Một trong những chức năng quan trọng nhất của nhựa đƣờng là dính bám với bề mặt
các hạt cốt liệu và liên kết chúng lại với nhau hoặc liên kết với bề mặt kết cấu có sẵn.
Sự liên kết của bitum với bề mặt cốt liệu có liên quan đến q trình thay đổi hóa – lý
khi hai chất tiếp xúc và tƣơng tác lẫn nhau, chất lƣợng của mối liên kết này đóng vai trị
quan trọng trong việc tạo nên cƣờng độ, tính ổn định nƣớc, ổn định nhiệt của hỗn hợp
vữa nhựa và hỗn hợp cốt liệu.
Có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng dính bám giữa nhựa đƣờng và vật liệu
khoáng nhƣ: loại nhựa đƣờng, nguồn gốc đá, độ bẩn của cốt liệu, nhiệt độ và thời gian
trộn. Các yếu tố đó phụ thuộc cả vào đặc tính của vật liệu cũng nhƣ yếu tố bên ngồi.
1.1.2.4. Q trình thiết kế hỗn hợp BTN
Mục tiêu của việc thiết kế hỗn hợp BTN bao gồm: đảm bảo khả năng chống lại biến
dạng không hồi phục, đảm bảo cƣờng độ kháng mỏi, đảm bảo cƣờng độ chống nứt trong
điều kiện nhiệt độ thấp, đảm bảo độ bền, đảm bảo khả năng chống lại hƣ hỏng do độ ẩm,
đảm bảo khả năng chống trƣợt của mặt đƣờng và đảm bảo khả năng linh động của hỗn
hợp BTN.
Lựa chọn thành phần cấp phối là cơng việc quan trọng nhất trong q trình thiết kế hỗn
hợp bê tơng nhựa. Vì cấp phối cốt liệu là đặc tính rất quan trọng của hỗn hợp cốt liệu, nó
ảnh hƣởng đến hầu hết các đặc tính quan trọng của hỗn hợp, bao gồm độ cứng, độ ổn
định, độ bền, độ thấm nƣớc, độ linh động, khả năng chịu mỏi, cƣờng độ chống trƣợt và
khả năng chống lại các hƣ hỏng do ảnh hƣởng của nƣớc.
1.1.2.5. Quá trình thi cơng hỗn hợp BTN

Khi chất lƣợng của q trình thiết kế đƣợc đảm bảo thì chất lƣợng của quá trình thi
cơng cũng là một trong những ngun nhân có liên quan đến hƣ hỏng của mặt đƣờng bê
tông nhựa. Các yếu tố đảm bảo chất lƣợng của quá trình thi công bao gồm:


7
- Máy móc và thiết bị thi cơng: trạm trộn bê tông nhựa, thiết bị vận chuyển, rải và lu
lèn;
- Chất lƣợng công tác chuẩn bị trƣớc khi thi công mặt đƣờng bê tông nhựa;
- Chất lƣợng của công tác rải, lu lèn hỗn hợp bê tông nhựa;
- Nhiệt độ thi công và điều kiện thi công;
Khi những yếu tố này không đƣợc đảm bảo tuân thủ một cách chặt ch theo các tiêu
chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật s gây ra những hƣ hỏng, thậm chí hƣ hỏng nghiêm trọng cho mặt
đƣờng. Bảng 1.1 trình bày các dạng hƣ hỏng thƣờng gặp và các nguyên nhân gây hƣ hỏng
trong quá trình thi cơng BTN [4].
Bảng 1.1. Những hƣ hỏng của mặt đƣờng bê tông nhựa do chất lƣợng thi công không
đảm bảo
Hƣ hỏng do thi
Nguyên nhân
công
1. Chế độ nhiệt các giai đoạn thi công không đúng
2. Bề mặt lớp hỗn hợp không bằng phẳng sau khi rải
3. Máy rải đứng lâu giữa các lần cấp liệu
4. Lu rung di chuyển quá chậm
5. Kích cỡ cốt liệu lớn nhất lớn hơn chiều dày lớp rải
Mặt đƣờng bị lồi 6. Bộ phận mở rộng thêm của máy rải đƣợc bố trí khơng hợp lý
7. Thanh gạt bị mòn
lõm
8. Để máy rải chạy không tải giữa các tải trọng lu
9. Xe tải phanh trên mặt đƣờng mới rải

10. Bộ phận cửa cấp hỗn hợp bị mòn
11. Nhiệt độ hỗn hợp quá thấp
12. 12. Các vết hỏng khơng sửa ngay
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Mặt đƣờng bị lƣợn
7.
sóng
8.
9.
10.
11.
12.
13.

Bề mặt vật liệu không phẳng
Bộ phận rải đƣợc cấp liệu quá nặng
Thiếu điều khiển cao độ tự động
Tốc độ lu quá cao
Thanh gạt mòn
Lu lèn kém
Cửa cấp liệu bị mòn
Hỗn hợp mất ổn định
Nhiều điểm đổi dốc
Xe tải phanh trên mặt đƣờng mới rải
Thay đổi nhiệt độ hỗn hợp

Không sửa các vết hỏng ngay
Điều chỉnh thái quá thiết bị kiểm soát chiều dày


8
Hƣ hỏng do thi
công

Nguyên nhân

1.
2.
Xuất hiện các
3.
điểm chảy nhựa
4.
5.

Thừa nhựa
Điều khiển lu kém
Các vết hỏng không đƣợc sửa ngay
Lu rung chạy quá nhanh
Trọng lƣợng lệch tâm tạo rung đặt sai

1.
Mép vết rải bị 2.
3.
hỏng
4.

Thanh chắn khơng vng góc
Hỗn hợp nguội đọng lại cuối cửa thanh gạt
Điều khiển mở rộng máy rải khơng đúng
Cửa cấp liệu tự đóng q nhanh

1.
Vết thanh gạt
2.
3.
1.
2.
3.
4.
Cấu trúc bề mặt
5.
kém
6.
7.
8.
9.
Phân tầng trong 1.
vệt rải
2.

Xe tải va chạm với máy rải
Máy rải dừng giữa hai lần cấp liệu
Vết hỏng không đƣợc sửa ngay
Bề mặt hỗn hợp không phẳng
Thanh gạt bị quá tải
Phần mở rộng vệt rải lắp không đúng

Xe tải phanh
Vật liệu quá nguội
Độ ẩm trong hỗn hợp quá lớn
Tốc độ rải quá nhanh
Nhiệt độ hỗn hợp thay đổi
Thanh gạt mòn
Thanh xoắn hỏng
Phân tầng trên xe vận chuyển

1.2. CÁC HIỆN TƢỢNG HƢ HỎNG CỦA MẶT ĐƢỜNG BÊ TƠNG NHỰA VÀ
CÁC MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTN TẠI
VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI
1.2.1. Các hiện tƣợng hƣ hỏng của mặt đƣờng bê tơng nhựa
Trong q trình khai thác, dƣới tác động của nhiều yếu tố, mặt đƣờng bê tông nhựa s
xuất hiện những hƣ hỏng. Các dạng hƣ hỏng mặt đƣờng bê tơng nhựa điển hình phát sinh
trong q trình khai thác làm ảnh hƣởng đến hiệu quả sử dụng của mặt đƣờng bao gồm:
lún vệt bánh xe, nứt do mỏi, nứt do nhiệt độ thấp.
Đối với điều kiện khí hậu tại Việt Nam, nhiệt độ khơng khí khơng q thấp vào mùa
lạnh và tƣơng đối cao vào mùa nóng nên hƣ hỏng điển hình chủ yếu tại Việt Nam là lún
vệt bánh xe và nứt do mỏi.


9
1.2.1.1. Nứt do mỏi
Nứt do mỏi của BTN xảy ra do tác động của tải trọng trùng phục của phƣơng tiện giao
thơng trong q trình khai thác. Dƣới tác dụng của tải trọng lặp đi lặp lại trên mặt đƣờng,
sự nứt mỏi bắt đầu ở dƣới đáy lớp áo đƣờng, khi ứng suất kéo uốn do tải trọng trùng phục
gây ra trong lớp vật liệu BTN lớn hơn cƣờng độ kéo uốn của vật liệu BTN, mặt đƣờng
BTN xuất hiện nứt do mỏi (Hình 1.3). [8]

Hình 1.3: Mơ tả hình thành nứt mỏi trong BTN [8]
Nứt do mỏi thƣờng xảy ra vào mùa có nhiệt độ mơi trƣờng trung bình (nhiệt độ trung
gian giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất xảy ra trong năm), trong khi LVBX thƣờng xảy
ra khi nhiệt độ môi trƣờng cao. Tại nhiệt độ trung bình, BTN có xu hƣớng cứng hơn và
giịn hơn so với khi nhiệt độ cao nên dƣới tác động của tải trọng lặp lại nhiều lần, BTN có
xu hƣớng bị nứt do mỏi. Vết nứt đầu tiên hình thành trong BTN thƣờng rất nhỏ, khó nhận
biết. Dƣới tác động của tải trọng trùng phục, những vết nứt nhỏ s dần phát triển về kích
thƣớc và số lƣợng cho đến khi thành các vết nứt lớn hơn và cuối cùng hình thành hệ vết
nứt mỏi điển hình dạng “da cá sấu” (Hình 1.4).

Hình 1.4. Nứt mỏi dạng “da cá sấu”


10
Nứt mỏi là một trong các tiêu chuẩn quan trọng nhất để xác định tuổi thọ của kết cấu
áo đƣờng mềm. Nứt mỏi của mặt đƣờng BTN là dấu hiệu chỉ báo mặt đƣờng đã chịu tới
số lần tải trọng trục thiết kế tính tốn, đã đến thời điểm có các hoạt động cải tạo, nâng cấp
phù hợp. Nứt mỏi thông thƣờng xuất hiện ở cuối thời kỳ thiết kế, đƣợc xem nhƣ là hiện
tƣợng phát triển tự nhiên theo đúng q trình thiết kế. Nứt mỏi có thể xảy ra sớm và từ
nhiều nguyên nhân khác nhau hoặc tổ hợp của nhiều nguyên nhân nhƣ: do tải trọng nặng
tác dụng trùng phục nhiều lần, do mặt đƣờng đƣợc thiết kế với chiều dày không đủ, do
chất lƣợng của hỗn hợp BTN kém, do thoát nƣớc nền - mặt đƣờng kém, do các lớp kết
cấu ở phía dƣới yếu [9].
1.2.1.2. Lún vệt bánh xe
Lún vệt bánh xe là hiện tƣợng bề mặt của mặt cắt ngang mặt đƣờng BTN không cịn
giữ ngun đƣợc hình dạng nhƣ thiết kế ban đầu, mặt đƣờng bị lún xuống tại vị trí vệt
bánh xe và hình thành các vệt lún theo chiều dọc của đƣờng. (Hình 1.5)

Hình 1.5: Hư hỏng lún vệt bánh xe mặt đường BTN
Lún vệt bánh xe là hiện tƣợng tích lũy biến dạng không hồi phục của các lớp BTN mặt

đƣờng do ảnh hƣởng của phƣơng tiện xe lƣu thông và nhiệt độ mơi trƣờng gây ra trong
q trình khai thác. Đây là hƣ hỏng điển hình của dạng hƣ hỏng biến dạng vĩnh cữu
(Permanent Deformation). Lún vệt bánh xe là do tổ hợp của các nguyên nhân: dòng xe
lƣu thông (lƣu lƣợng, tải trọng xe); chất lƣợng các lớp kết cấu áo đƣờng; điều kiện khí
hậu (nhiệt độ, độ ẩm) [5].
Có 3 dạng lún vệt bánh xe chủ yếu đó là: LVBX do BTN bị chảy dẻo; LVBX do kết
cấu và LVBX tại lớp mặt BTN. [4]
 Lún vệt bánh xe do BTN bị chảy dẻo (Instability Rutting - Plastic Flow)
LVBX do BTN bị chảy dẻo là hiện tƣợng biến dạng lún xuất hiện tại vệt bánh xe trên
phạm vi hẹp, hình thành các mảng trồi BTN dọc theo 2 bên vệt bánh xe. Dạng LVBX này
đƣợc nhận diện trực quan bởi các mơ trồi hình thành 2 bên vệt lún nhƣ Hình 1.6. [7]