Luận án tiến sĩ nghiên cứu các đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa dùng làm tầng mặt cho kết cấu áo đường ô tô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Ngô Lâm

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT
CỦA BÊ TÔNG NHỰA DÙNG LÀM TẦNG MẶT
CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Ô TÔ

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố
Mã số: 9580205-2

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT
CỦA BÊ TÔNG NHỰA DÙNG LÀM TẦNG MẶT
CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Ô TÔ
Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố
Mã số: 9580205-2

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS HOÀNG TÙNG
2. PGS.TS. BÙI PHÚ DOANH

Hà Nội - Năm 2021


i

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

năm 2021

Tác giả luận án

Ngô Lâm


ii

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Tùng, PGS.TS Bùi

Phú Doanh đã tận tình hướng dẫn, cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị, thường
xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình
học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học cho tác
giả. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Bộ môn Đường ô tô và
đường đô thị trường Đại Học Xây dựng đã có nhiều giúp đỡ, góp ý xác đáng
và quý báu cho tác giả trong q trình hồn thiện luận án; cảm ơn Phịng thí

nghiệm LAS-XD1256, LAS-XD1498, Khoa Cầu Đường, Khoa Đào tạo Sau đại học
nơi tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng tác giả bày tỏ lịng biết ơn
những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ, chia sẻ những khó khăn với
tác giả trong q trình thực hiện luận án.
Tác giả luận án

Ngơ Lâm


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU........................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................. viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................xii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 7
1.1 Tổng quan về kết cấu mặt đường và vật liệu bê tông nhựa .................................. 7
1.1.1 Kết cấu mặt đường .............................................................................................7
1.1.2 Vật liệu bê tông nhựa .........................................................................................9
1.1.3 Cấp phối cốt liệu của bê tông nhựa ..................................................................18
1.2 Tổng quan về cường độ chống cắt của bê tông nhựa ........................................... 21
1.2.1 Tiêu chuẩn phá hoại Mohr Coulomb ...............................................................21
1.2.2 Phương trình cường độ chống cắt của Coulomb [15] ......................................23
1.3 Về ảnh hưởng của các đặc trưng kháng cắt tới lún vệt bánh xe của mặt đường
bê tông nhựa ...................................................................................................................... 25
1.3.1 Lún vệt bánh xe ................................................................................................25

1.3.2 Nguyên nhân chính của hiện tượng hằn lún vệt bánh xe và đẩy trồi vật liệu ..26
1.4 Thực trạng áp dụng đặc trưng kháng cắt và các phương pháp thí nghiệm tương
ứng trong thiết kế thành phần bê tơng nhựa ............................................................... 27
1.5 Các nghiên cứu có liên quan tới luận án ................................................................ 29


iv

1.5.1 Nghiên cứu tại Việt Nam .................................................................................30
1.5.2 Nghiên cứu trên thế giới...................................................................................32
1.6 Nhận xét chương 1 ..................................................................................................... 32
Chương 2. VỀ ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA ............. 34
2.1 Mở đầu ......................................................................................................................... 34
2.2 Trạng thái ứng suất và phân bố ứng suất cắt trong kết cấu mặt đường BTN . 34
2.2.1 Áp lực lốp xe và trạng thái ứng suất trong kết cấu áo đường mềm .................34
2.2.2 Về phân phối nhiệt độ trong mặt đường nhựa .................................................37
2.2.3 Phân phối ứng suất cắt và biến dạng do trượt, hằn lún trong bê tơng nhựa .....38
2.2.4 Về sự thay đổi kích thước của phân tố khi chịu cắt trượt ................................40
2.3 Về lý thuyết xác định các đặc trưng kháng cắt của vật liệu ................................ 41
2.4 Về đặc trưng kháng cắt của một số loại bê tông nhựa ......................................... 42
2.4.1 Tổng hợp các kết quả nghiên cứu hiện hành....................................................42
2.4.2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng kháng cắt của BTN ..................46
2.5 Một số giải pháp nâng cao sức kháng cắt của vật liệu và mặt đường BTN...... 54
2.5.1 Về nhóm giải pháp cho vật liệu chế tạo bê tơng nhựa .....................................55
2.5.2 Nhóm giải pháp cho thiết kế, thi cơng và khai thác kết cấu mặt đường ô tô ...57
2.6 Nhận xét chương 2 ...................................................................................................... 64
Chương 3. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC
TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ............... 66
3.1 Mở đầu ......................................................................................................................... 66
3.2 Phân tích, đánh giá các phương pháp thí nghiệm xác định đặc trưng kháng cắt

của bê tông nhựa............................................................................................................... 66
3.2.1 Các thí nghiệm theo hướng thứ nhất ................................................................67


v

3.2.2 Các thí nghiệm theo hướng thứ hai ..................................................................83
3.3 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm ......................................................................... 90
3.3.1 Tiêu chí lựa chọn ..............................................................................................90
3.3.2 Kết quả lựa chọn phương pháp thí nghiệm ......................................................93
3.4 Nhận xét chương 3 ..................................................................................................... 94
Chương 4. CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ ÁP DỤNG KHẢO SÁT
ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT CỦA BTN .............................................................. 95
4.1 Mở đầu ......................................................................................................................... 95
4.2 Chế tạo các thiết bị thí nghiệm ................................................................................. 95
4.2.1 Thiết bị thí nghiệm theo phương pháp IDT-UCS ............................................95
4.2.2 Chế tạo thiết bị theo phương pháp của Nga .....................................................96
4.2.3 Chế tạo thiết bị thí nghiệm theo phương pháp của Romanoschi .....................99
4.3 Áp dụng khảo sát đặc trưng kháng cắt của một số loại bê tông nhựa trong điều
kiện Việt Nam.................................................................................................................. 112
4.3.1 Mục tiêu, phạm vi khảo sát ............................................................................112
4.3.2 Sơ bộ quy hoạch thực nghiệm ........................................................................114
4.3.3 Kết quả thí nghiệm theo phương pháp IDT-UCS ..........................................120
4.3.4 Kết quả thí nghiệmvới thiết bị AST1 và Marshall, Wheel Tracking .............121
4.3.5 Kết quả thí nghiệm với thiết bị AST2 và Wheel Tracking ............................125
4.3.6 Về tương quan giữa kết quả thí nghiệm theo AST2 và AST1 .......................134
4.4 Nhận xét chương 4 ................................................................................................... 136
KẾT LUẬN ............................................................................................................ 137
Kết luận ............................................................................................................................ 137
Các hạn chế của luận án ................................................................................................ 138

vi

Kiến nghị .......................................................................................................................... 138
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ . 140
ĐĂNG KÝ SỞ HỮU TRÍ TUỆ ĐỐI VỚI THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH
ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA (AST2) ....................... 141
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 142
PHỤ LỤC ..............................................................................................................PL1
PHỤ LỤC 1 THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG NHỰA .......................................PL1
PHỤ LỤC 2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN
BẰNG AST1 ................................................................................................................ PL16
PHỤ LỤC 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN
BẰNG AST2 ................................................................................................................ PL20
PHỤ LỤC 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỆT HẰN BÁNH XE......................... PL32


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
AST1

Asphalt Mixture Shear Test 1- Thiết bị thí nghiệm đặc trưng kháng cắt 1

AST2

Asphalt Mixture Shear Test 2- Thiết bị thí nghiệm đặc trưng kháng cắt 2

BTN

Bê tông nhựa

BTNC

Bê tông nhựa chặt

DST

Duplicate Shear Tester

FST

Field Shear Test

IDT

Indirect Tensil Strength

LPDS

Layer Parallel Direct Shear

SST

Superpave Shear Test

UCS

Unconfied Compression Strength

UPT

Uni Penestration Test

UST

Uniaxial Shear Tester

VFA

Voids Filled with Asphalt - Độ rỗng lấp đầy nhựa

c

Lực dính



Góc nội ma sát

QĐ858 Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ Giao thông vận tải
về việc ban hành hướng dẫn áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện
hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường
bê tơng nhựa nóng đối với các tuyến đường ơ tơ có quy mơ giao thơng lớn


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu tạo các tầng, lớp trong kết cấu áo đường .....................................8
Hình 1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ [bitum/bột khoáng] đến cường độ nén của bê
tơng nhựa .............................................................................................................. 11
Hình 1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng đá dăm đến cường độ nén của bê tơng
nhựa [2]................................................................................................................. 12
Hình 1.4 “Mơ hình” tương quan phối hợp giữa các cấu trúc vĩ mô, trung gian,
tế vi của bê tơng nhựa ...............................................................................................13
Hình 1.5 So sánh BTNC 12,5 theo QĐ858 [26] và theo TCVN 8819:2011 [19]. . 20
Hình 1.6 Phân tố và các ứng suất gây phá hoại [15] ........................................22
Hình 1.7 Các vịng Morh lúc phá hoại xác định đường bao phá hoại Mohr ....22
Hình 1.8 Điều kiện ứng suất trong phân tố khi phá hoại ở mặt phẳng f ..........23
Hình 1.9 Ví dụ về lún vệt hằn bánh xe .............................................................25
Hình 1.10 Hiện tượng xơ dồn vật liệu mặt đường bê tơng nhựa. .....................26
Hình 1.11 Cơ chế hình thành lún vệt bánh xe trong lớp BTN .........................26

Hình 2.1 Kết cấu mặt đường bê tông asphalt khi chịu tác dụng của tải trọng
[39] ....................................................................................................................... 35
Hình 2.2 Phân bố ứng suất [39]........................................................................36
Hình 2.3 Sơ đồ phân bố ƯS trong MĐ mềm dưới tác dụng của tải trọng bánh
xe [39] ................................................................................................................... 36
Hình 2.4 Phân phối áp lực của lốp xe lên mặt đường [46] ...............................37
Hình 2.5 Diễn biến nhiệt độ trong mặt đường bê tơng nhựa tại Brazil [46] ....37
Hình 2.6 Ứng suất cắt lớn nhất theo áp lực lốp và nhiệt độ [46] .....................38


ix

Hình 2.7 Phân bố ứng suất cắt trong tầng mặt bê tơng nhựa [41] ....................38
Hình 2.8 Mặt cắt ngang mặt đường khu vực bị vệt hằn bánh xe [42] ..............39
Hình 2.9 Dịch chuyển của các thành phần hạt trong Bê tơng nhựa khi chịu cắt

[29] ............................................................................................................................40
Hình 2.10 Đồ thị tương quan về cường độ Coulomb .......................................42
Hình 2.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ thí nghiệm tới các đặc trưng kháng cắt của
Bê tơng nhựa [46],[73] ..............................................................................................51
Hình 2.12 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến lực dính và góc nội ma sát
[42],[69],[71] .............................................................................................................53
Hình 2.13 Sử dụng lực dính để lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu [74]. ...........54
Hình 2.14 Ảnh hưởng của độ nhớt của nhựa đường đến khả năng kháng cắt [74]
...................................................................................................................................54

Hình 3.1 Sơ đồ và thiết bị thí nghiệm SST [32] ...............................................67
Hình 3.2 Sơ đồ cắt bê tơng nhựa theo SST [32] ...............................................67
Hình 3.3 Sơ đồ thí nghiệm DST [29] ...............................................................70
Hình 3.4 Ngun lý và khn cắt mẫu trong thí nghiệm cắt theo FST [52] ....71
Hình 3.5 Mơ hình và thiết bị Leutner [40],[52][55][58] ..................................72
Hình 3.6 Thiết bị cắt NCAT [55][56][57] ........................................................73
Hình 3.7 Sơ đồ và nguyên lý của thiết bị LPDS [40] .......................................74
Hình 3.8 Mơ hình thí nghiệm cắt lớp dính bám giữa các lớp bê tơng nhựa
[48][59]......................................................................................................................75
Hình 3.9 Sơ đồ cắt mẫu bê tông nhựa theo Romanoschi [48][59] ...................75
Hình 3.10 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nén 3 trục [43][45] ..................................78


x

Hình 3.11 Mẫu thí nghiệm nén 3 trục [43][45] ...............................................78
Hình 3.12 Sơ đồ thí nghiệm theo UST [68] .....................................................80
Hình 3.13 Hệ thống thiết bị phục vụ thí nghiệm UST [68] ..............................80
Hình 3.14 Sơ đồ thí nghiệm UPT [69] .............................................................82
Hình 3.15 Thí nghiệm xác định đặc trưng ổn định cắt trượt của bê tơng nhựa

[77],[78].....................................................................................................................84
Hình 3.16 Bộ khn và đầm đúc mẫu bê tơng nhựa (Kích thước tính bằng
milimét) [21] .............................................................................................................91
Hình 3.17 Máy nén Marshall [21] ....................................................................92

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí mẫu để ép chẻ [23] ........................................................95
Hình 4.2 Hệ thống thiết bị thí nghiệm AST1 ...................................................96
Hình 4.3 Cấu tạo khn cắt AST1 ...................................................................97
Hình 4.4 Quá trình chuẩn bị mẫu .....................................................................98
Hình 4.5 Một số hình ảnh về mẫu bị phá hoại sau khi thí nghiệm ...................99
Hình 4.6 Lược đồ thiết bị thí nghiệm ............................................................101
Hình 4.7 Khn cắt và đĩa đệm ......................................................................103
Hình 4.8 Tổng thể hệ thống thiết bị và khuôn cắt ..........................................105
Hình 4.9 Cấu tạo cụm khn cắt ....................................................................106
Hình 4.10 Cấu tạo các vịng cắt ......................................................................107
Hình 4.11 Cấu tạo bánh lăn ............................................................................108
Hình 4.12 Một trong các bộ khn cắt sau khi được chế tạo .........................110
Hình 4.13 Các bộ khn và thiết bị đi kèm ....................................................110


xi

Hình 4.14 Biểu đồ đường cong cấp phối thiết kế của hỗn hợp S12,5 và C12,5a.
.................................................................................................................................115
Hình 4.15 Biểu đồ đường cong cấp phối thiết kế của hỗn hợp C12,5b .........115
Hình 4.16 Cấp phối bê tông nhựa BTNC 9,5 theo QĐ858 ............................117
Hình 4.17 Cấp phối BTNC 12,5 theo QĐ858 ................................................117
Hình 4.18 Cấp phối BTNC 12,5 theo TCVN 8819:2011 ...............................117
Hình 4.19 Cấp phối BTNC 19 theo QĐ858 ...................................................118
Hình 4.20 Cơ chế ép chẻ và hình thành ứng suất trong mẫu [31],[63] ..........120

Hình 4.21 Thực trạng biến dạng của mẫu trong thí nghiệm IDT-UCS ..........121
Hình 4.22c Hình dạng mẫu khi phá hoại ........................................................127
Hình 4.23 Ứng suất cắt trên mặt phá hoại ở các góc cắt khác nhau...............130
Hình 4.24 Tỷ lệ của c và fftg trong tổng ứng suất cắt ff ............................131
Hình 4.25 Giá trị tg và c cho các loại BTN ..................................................132
Hình 4.26 Tương quan giữa kết quả thí nghiệm về tg .................................135
Hình 4.27 Tương quan giữa kết quả thí nghiệm về lực dính .........................135


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt [19] ............................17
Bảng 1.2 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa rỗng [19] ...........................18
Bảng 1.3 Cấp phối BTNC theo Quyết định 858 [26] .......................................20
Bảng 1.4 Khống chế cỡ hạt mịn trong thành phần cấp phối cốt liệu BTNC để
tạo ra BTNC thô [26] ................................................................................................21
Bảng 1.5 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt [19] ............................27
Bảng 1.6 Kết quả xác định c,  của các hỗn hợp bê tông asphalt ở điều kiện thí
nghiệm nhiệt độ 60oC, tốc độ gia tải 7,5mm/phút ....................................................30
Bảng 1.7 Kết quả thí nghiệm c,  của hỗn hợp AC19_CP1_N1 ở các nhiệt độ
thí nghiệm khác nhau ................................................................................................30
Bảng 1.8 Giá trị trung bình tg và C của mẫu BTN thử nghiệm [8] ...............31
Bảng 1.9 Lực dính của một số loại bê tông nhựa ở 60oC .................................32

Bảng 2.1 Một số kết quả về đặc trưng kháng cắt của BTN tại Mĩ [28],[29],[52].43
Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định c,  cho một số loại bê tông nhựa ở Trung
Quốc [43],[45] ...........................................................................................................44
Bảng 2.3 Kết quả nghiên cứu về đặc trưng kháng cắt của BTN tại Singapo [73] 45
Bảng 2.4 Kết quả nghiên cứu về đặc trưng kháng cắt của BTN tại Hàn Quốc [72] . 45

Bảng 2.5 Tổng hợp các giá trị về sức kháng cắt của bê tông nhựa ..................46
Bảng 2.6 Tổng hợp các giá trị về sức kháng cắt ở điều kiện nhiệt độ 600C ....49
Bảng 2.7 Ảnh hưởng của điều kiện mẫu (khô-ướt) tới đặc trưng kháng cắt [72].50
Bảng 2.8 Lực dính và góc nội ma sát của hỗn hợp SMA13 có cấp phối thơ nhiều
và cấp phối ít thơ (fine) trong nghiên cứu [42],[69],[71] ..........................................52


xiii

Bảng 2.9 Khảo sát ảnh hưởng của độ rỗng dư tới c và ϕ ................................52
Bảng 2.10 Phân khu khí hậu mặt đường nhựa về nhiệt độ [5] .........................57

Bảng 3.1 Hệ số hiệu chỉnh độ ổn định Marshall [21] ......................................87
Bảng 3.2 Tổng hợp đánh giá các phương pháp thí nghiệm..............................93

Bảng 4.1 Thống kê vật tư chế tạo (cho 01 bộ) thiết bị thí nghiệm .................109
Bảng 4.2 Tổng hợp số lượng mẫu thí nghiệm theo AST1 .............................116
Bảng 4.3 Ký hiệu các loại bê tơng nhựa đưa vào thí nghiệm.........................118
Bảng 4.4 Tổng hợp số lượng mẫu sử dụng cho thí nghiệm với AST2 và hằn lún
vệt bánh xe ..............................................................................................................119
Bảng 4.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm với AST1 .........................................122
Bảng 4.6 Phân tích độ chụm của lực nén ở thời điểm phá hoại mẫu .............122
Bảng 4.7 Phân tích độ chụm của biến dạng ở thời điểm phá hoại mẫu .........123
Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu Marshall và lún vệt hằn bánh xe ..124
Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm xác định các đặc trưng kháng cắt theo AST2 và thí
nghiệm vệt hằn bánh xe...........................................................................................128
Bảng 4.10 Ký hiệu các loại bê tông nhựa.......................................................128
Bảng 4.11 Kết quả phân tích độ chụm cho kết quả thí nghiệm đối với BTN 9,5
.................................................................................................................................129
Bảng 4.12 Kết quả phân tích độ chụm cho kết quả thí nghiệm đối với BTN 12,5

.................................................................................................................................129
Bảng 4.13 Kết quả phân tích độ chụm cho kết quả thí nghiệm đối với BTN 12,5
.................................................................................................................................129


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
BTN nóng là hỗn hợp vật liệu chủ yếu dùng làm các lớp của tầng mặt kết cấu
của đường ô tô trên tất cả các quốc lộ và các đường cao tốc ở nước ta. Việc thiết kế
thành phần hỗn hợp BTN nóng ở nước ta lâu nay vẫn theo phương pháp Marshall
(TCVN 8820:2011) và các chỉ dẫn kỹ thuật yêu cầu của hỗn hợp được quy định ở
Bảng 3 TCVN 8819:2011, trong đó có chỉ tiêu 7 (khơng bắt buộc) đề cập đến yêu cầu
hạn chế độ sâu lún vệt bánh xe của các mẫu BTN được đánh giá bằng phương pháp
thử theo AASHTO T324-04. Sau khi TCVN 8819:2011 ban hành và được áp dụng
để thiết kế hỗn hợp BTN trên các quốc lộ 1, cao tốc Nội Bài – Lào Cai, cao tốc Hà
Nội – Thái Nguyên….thì xảy ra hiện tượng lún vệt bánh xe dạng đẩy trồi (Instability
Rutting) xuất hiện sớm ngay vào mùa nóng đầu tiên (thậm chí ở Lào Cai, Ninh Bình
xảy ra ngay trong vài tuần đầu tiên sau khi đưa đường vào khai thác (có thể dẫn các
báo cáo của tổ chuyên gia Hội đồng nghiệm thu nhà nước về lún vệt bánh ở đường
Hà Nội – Thái Nguyên và đường Nội Bài – Lào Cai).
Ở đường Nội Bài – Lào Cai sau khi kết thúc thời gian bảo hành 2 năm (9/2016)
trên 42% tổng chiều dài các làn xe xảy ra lún vệt bánh từ trung bình đến nặng. Trước
tình hình đó ngày 26/3/2014 Bộ GTVT đã ban hành QĐ858 để điều chỉnh việc thiết
kế thành phần cấp phối của hỗn hợp BTN theo hướng tăng sức chống cắt trượt cho
BTN ở nhiệt độ cao thông qua việc tăng hệ số ma sát của các cốt liệu bằng cách khống
chế chọn cấp phối thô và tăng lực dính giữa nhựa và cốt liệu thơng qua việc khuyến
khích dùng nhựa mác 40/50 và tăng độ dính bám giữa đá và nhựa.
Trên thế giới, nhiều học giả như Bonaquist J.R, Christensen D. W đã nghiên

cứu đưa ra rất nhiều phương pháp thí nghiệm để xác định khả năng kháng cắt của bê
tơng nhựa, trong đó có các đặc trưng kháng cắt là lực dính c và góc nội ma sát .
Riêng tại Nga, đã đưa ra ngưỡng yêu cầu Cyêu cầu và yêu cầu của BTN dùng làm
tầng mặt kết cấu áo đường ô tô [78]. Điều này cũng dễ hiểu vì phương pháp tính tốn


2

thiết kế kết cấu mặt đường của CHLB Nga có yêu cầu kiểm toán điều kiện cắt trượt
của tầng mặt BTN tức là kiểm toán điều kiện:

 ≤ [] = .tg + C
Với các trị số  và  tính được ở các lớp BTN tầng mặt có thể suy ra được c và

, yêu cầu vật liệu BTN phải có để đủ khả năng chịu cắt trượt do tải trọng bánh xe
thiết kế truyền xuống.
Các cách sử dụng c và  là một trong chỉ tiêu yêu cầu để thiết kế hỗn hợp BTN
nói trên (đặc biệt là phương pháp của CHLB Nga) là cách có cơ sở lý thuyết, trong
khi cách dựa vào thí nghiệm Wheel tracking hồn toàn dựa vào thực nghiệm – kinh
nghiệm. Ngoài ra, cách của CHLB Nga đòi hỏi thiết bị đơn giản, rẻ tiền, dễ làm, tuy
nhiên kích thước mẫu, cách chế bị mẫu lại khác với kích thước và cách chế bị mẫu
theo phương pháp Marshall. Đây cũng là một trở ngại nếu muốn đưa chỉ tiêu cyêu cầu,

yêu cầu của CHLB Nga ứng dụng vào việc thiết kế hỗn hợp BTN ở nước ta hiện nay.
Chính vì vậy, việc lựa chọn đề tài là có đủ cơ sở khoa học và thực tiễn, nhằm
tìm ra được phương pháp thí nghiệm xác định sức chống cắt của bê tông nhựa trong
điều kiện Việt Nam, từ đó khảo sát, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng
kháng cắt này và xa hơn là xác định ngưỡng giá trị yêu cầu của chúng cho từng loại
bê tơng nhựa.
2. Mục đích nghiên cứu

Luận án được xây dựng nhằm đạt được các mục đích sau:
- Rà soát, đánh giá được thực trạng các nghiên cứu trong và ngoài nước cũng
như thực tế sử dụng các đặc trưng kháng cắt trong thiết kế, chế tạo thành phần bê
tông nhựa làm các lớp mặt đường mềm;
- Đề xuất được phương pháp thí nghiệm xác định , c trong điều kiện Việt Nam;
- Khảo sát được , c cho một số loại bê tông nhựa thông dụng tại Việt Nam và
phân tích các yếu tố ảnh hưởng;


3

- Thử xây dựng liên hệ với các ngưỡng của Nga đối với , c để tìm ra ngưỡng
tương tự cho một số loại bê tông nhựa của Việt Nam khi áp dụng phương pháp thí
nghiệm đã đề xuất.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Nội dung của luận án được giới hạn ở phạm vi hẹp, với đối tượng là một số loại
bê tông nhựa hiện hành tại Việt Nam. Nội dung thí nghiệm được thực hiện tại các
phịng thí nghiệm LAS-XD1256 và LAS-XD1498 với hệ thống thiết bị thí nghiệm
chính được chế tạo và lắp ráp tại Xưởng Kỹ thuật Cơ khí – Đại học Xây dựng.
Các thiết bị thí nghiệm (đề xuất) mặc dù đã được chấp nhận đơn xin cấp bằng sở
hữu trí tuệ, nhưng chưa được định chuẩn theo tiêu chuẩn và quy định hiện hành. Do
vậy, kết quả thí nghiệm cịn sai số, kết quả nghiên cứu chưa thể áp dụng ngoài thực tế.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm là nghiên cứu chính, kết hợp với nghiên cứu lý thuyết.
Trong nội dung nghiên cứu lý thuyết, vai trò của , c được tổng hợp từ các
nghiên cứu hiện hành đối với vật liệu và mặt đường bê tơng nhựa. Cũng theo đó,
phương pháp thí nghiệm xác định hai thơng số này đã được đề xuất theo hướng phù
hợp với điều kiện Việt Nam.
Từ phương pháp thí nghiệm đề xuất, một số thiết bị thí nghiệm đã được thiết
kế, chế tạo và áp dụng để khảo sát giá trị và các thông số ảnh hưởng tới , c của một

số loại bê tông nhựa thơng dụng ở Việt Nam, trong điều kiện phịng thí nghiệm.
5. Cơ sở khoa học của đề tài
Hiện nay, trên thế giới, về cơ bản đều dựa trên lý thuyết của Mohr-Coulomb để
xác định , c.
Theo [12],[15],[28] khi vật liệu bị phá hoại do ứng suất cắt, các thành phần ứng
suất và đặc trưng kháng cắt trên mặt phá hoại quan hệ với nhau theo tiêu chuẩn cường


4

độ Mohr-Coulomb [15] (một số tài liệu gọi là lý thuyết về đường bao phá hoại MohrCoulomb):
𝜏 = 𝜎𝑡𝑔 + 𝑐

(1)

Trong đó:
-

,  lần lượt là ứng suất cắt và ứng suất pháp trên mặt phá hoại ở trạng thái
phá hoại;

-

, c lần lượt là góc nội ma sát và lực dính của bê tơng nhựa.

Dựa trên tiêu chuẩn về cường độ của Mohr-Coulomb, có thể phát triển các
phương pháp thí nghiệm để trực tiếp, hoặc gián tiếp xác định các đặc trưng kháng cắt
theo một trong hai cách sau:
Cách 1.
Với mỗi thí nghiệm, xác định được một cặp ứng suất (, ) theo quan hệ (1).

Với 2 cặp giá trị ứng suất (1, 1), (2, 2) thiết lập hệ phương trình:
{

1 = 𝜎1 𝑡𝑔 + 𝑐
2 = 𝜎2 𝑡𝑔 + 𝑐

(2)

Giải hệ phương trình (2), ta thu được các giá trị , c.
Cách 2.
Ứng với các trạng thái ứng suất (ở thời điểm vật liệu bị phá hoại) khác nhau, ta
có các cặp giá trị (, ). Biểu diễn các giá trị này trên cùng một đồ thị, vẽ đường
tương quan giữa hai đại lượng. Đường tương quan chính là đồ thị mô tả đường bao
cường độ Mohr – Coulomb, cho phép xác định góc nội ma sát và lực dính:


5

Nhiều phương pháp thí nghiệm đã được đề xuất trên thế giới, nhưng chưa được
Việt Nam hóa. Do vậy, với phương pháp thí nghiệm cũng như giá trị , c tìm được,
cho phép thực hiện các cơng việc sau:
- Đề xuất được phương pháp thí nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam;
- So sánh khả năng kháng cắt của các loại bê tông nhựa khác nhau;
- Bổ sung , c vào hệ thống chỉ tiêu phục vụ thiết kế nghiệm thu bê tơng nhựa,
hướng tới một sản phẩm có khả năng kháng cắt, chống hằn lún vệt bánh xe tốt;
- Đề xuất được ngưỡng giá trị cho , c.
Do vậy, đề tài nghiên cứu của luận án có đủ căn cứ lý thuyết và thực tiễn.
6. Đóng góp mới của luận án
- Tổng hợp được cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu có liên quan tới sức kháng
cắt và các đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa.

- Chế bị bộ khuôn đúc mẫu và tiến hành loại thí nghiệm AST1 theo phương
pháp của CHLB Nga đối với một số loại BTN có cỡ hạt trung bình, có thành phần
cấp phối, có loại nhựa và hàm lượng nhựa thường được sử dụng ở nước ta hiện nay
để xác định c và  tương ứng. Qua đó đánh giá được ưu, nhược điểm của phương
pháp thí nghiệm này, đánh giá sơ bộ các loại hỗn hợp BTN thường dùng ở nước ta
liệu có đạt được c và  yêu cầu như tiêu chuẩn GOST 9128-2013 [78] hay không.


6

- Thiết kế chế tạo bộ thiết bị AST2 phù hợp với điều kiện Việt Nam, cho phép
xác định được các trị số c và  của các loại BTN khác nhau như khi thí nghiệm với
AST1 và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới các đặc trưng kháng cắt vừa nêu.
- Sơ bộ lập tương quan giữa c và  xác định bởi thiết bị AST2 và c và  xác
định theo phương pháp của CHLB Nga, làm cơ sở để hướng tới việc xây dựng ngưỡng
giá trị cho các đặc trưng kháng cắt này.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Nội dung nghiên cứu về lực dính và góc nội ma sát của luận án sẽ là cơ sở khoa
học quan trọng để phát triển các nghiên cứu tiếp theo với mục tiêu đưa các đặc trưng
kháng cắt này trở thành một trong những chỉ tiêu áp dụng cho quá trình thiết kế hỗn
hợp BTN (tương tự như với chỉ tiêu khống chế độ lún vệt bánh xe theo thí nghiệm
Wheel tracking), nhất là trong khi việc thiết kế hỗn hợp BTN ở nước ta hiện nay vẫn
đang sử dụng phương pháp Marshall. Từ đó, có thể nâng cao khả năng kháng cắt của
BTN, thơng qua việc điều chỉnh các yếu tố có liên quan tới c và  như thành phần và
đặc tính cơ lý của cấp phối, chất kết dính… Kết quả là có thể thiết kế và chế tạo được
loại BTN có khả năng chống hằn lún vệt bánh xe tốt hơn, phù hợp với điều kiện khai
thác trong thực tế.
8. Cấu trúc luận án
Nội dung của luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận, kiến
nghị với cấu trúc như sau:

Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Về đặc trưng kháng cắt của BTN
Chương 3: Lựa chọn phương pháp thí nghiệm xác định các đặc trưng kháng cắt
của BTN trong điều kiện Việt Nam
Chương 4: Chế tạo thiết bị thí nghiệm và áp dụng khảo sát đặc trưng kháng cắt
của BTN
Kết luận.


7

Chương 1. TỔNG QUAN
Mục tiêu của luận án là tìm hiểu được vai trò và tầm quan trọng của đặc trưng
kháng cắt của bê tông nhựa sử dụng trong kết cấu mặt đường mềm; lựa chọn được
các chỉ tiêu cơ lý đại diện cho đặc trưng kháng cắt (sau đây gọi là đặc trưng kháng
cắt) của bê tông nhựa; đề xuất được phương pháp xác định các đặc trưng kháng cắt;
áp dụng xác định được đặc trưng kháng cắt cho một số loại bê tơng nhựa điển hình
tại Việt Nam.
Do vậy, nghiên cứu tổng quan sẽ gồm các nội dung chính sau:
- Giới thiệu sơ bộ về kết cấu mặt đường;
- Tổng quan về bê tông nhựa;
- Tổng quan về các đặc trưng cơ lý điển hình của bê tơng nhựa;
- Về các phương pháp thiết kế thành phần bê tông nhựa.
1.1 Tổng quan về kết cấu mặt đường và vật liệu bê tông nhựa
1.1.1 Kết cấu mặt đường

1.1.1.1 Cấu tạo chung
Trên thế giới cũng như ở Việt Nam [17], [24], [76], áo đường là cơng trình được
xây dựng trên nền đường bằng nhiều lớp vật liệu có độ cứng và cường độ lớn hơn so

với đất nền để phục vụ cho xe chạy, trực tiếp chịu tác dụng phá hoại thường xuyên
của các phương tiện giao thông và của các nhân tố thiên nhiên (mưa gió, sự biến đổi
nhiệt độ).


8

Hình 1.1 Cấu tạo các tầng, lớp trong kết cấu áo đường
Kết cấu áo đường nói chung thường được bố trí gồm nhiều tầng, lớp có nhiệm
vụ khác nhau như hình 1.1. Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu là kết cấu áo
đường mềm hoặc nửa cứng, có tầng mặt cấp cao A1 bằng bê tông nhựa, tuân thủ các
quy định hiện hành [17][24].

1.1.1.2 Yêu cầu về cấu tạo đối với tầng mặt cấp cao A1
Các lớp thuộc tầng mặt trong kết cấu áo đường cùng với tầng móng và khu vực
tác dụng của nền đất làm việc đồng thời, tạo ra cường độ chung của kết cấu nền áo
đường.
Về phương diện chịu lực, các lớp thuộc tầng mặt chịu tác dụng trực tiếp của các
điều kiện thời tiết khí hậu và tải trọng bánh xe theo phương thẳng đứng và theo
phương ngang. Chi tiết về nội dung này cũng như các loại hình hư hỏng của mặt
đường sẽ được trình bày chi tiết trong chương 2 của luận án.
Về cấu tạo, các lớp thuộc tầng mặt cấp cao A1 đều phải bằng các hỗn hợp vật
liệu hạt có sử dụng nhựa đường và lớp trên cùng phải bằng bê tơng nhựa chặt loại I
trộn nóng. Các lớp phía dưới có thể làm bằng bê tơng nhựa loại II, bê tông nhựa rỗng,
đá dăm đen, bê tông nhựa nguội (trộn nhựa láng hoặc nhũ tương nhựa) và cả thấm
nhập nhựa.


9

Trường hợp đường cao tốc, đường cấp I, cấp II hoặc đường cấp III có quy mơ
giao thơng lớn thì tầng mặt cấp cao A1 có thể bố trí thành 3 lớp hoặc 2 lớp.
Trường hợp bố trí thành 3 lớp thì có thể bố trí lớp bê tơng nhựa chặt loại I hạt
nhỏ ở trên cùng với bề dày từ 3,0 - 4,0cm rồi đến 4,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt trung
và 5,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt lớn. Hoặc cũng có thể bố trí trên cùng là lớp bê tông
nhựa chặt loại I hạt trung dày 4,0 – 5,0cm rồi đến 2 lớp bê tông nhựa hạt lớn dày 5,0
– 6,0cm và 6,0 – 8,0cm ở dưới.
Trường hợp bố trí thành 2 lớp thì có thể bố trí trên cùng là lớp bê tơng nhựa chặt
loại I hạt nhỏ dày 3,0 – 4,0cm rồi đến 4,0 -5,0cm bê tông nhựa hạt trung hoặc trên
cùng là 4,0 – 5,0cm bê tông nhựa chặt loại I hạt trung rồi đến 6,0-8,0 cm bê tông nhựa
hạt lớn.(Các lớp dưới có thể dùng bê tơng nhựa rỗng hoặc loại II, nhất là đối với lớp
dưới cùng).
Trường hợp đường cấp III có quy mơ giao thơng vừa phải và đường cấp IV đồng
bằng thì có thể bố trí tầng mặt gồm 2 lớp hoặc chỉ gồm 1 lớp bê tông nhựa chặt loại
I hạt nhỏ hoặc hạt trung. Dù bố trí thành 2 lớp hoặc 1 lớp thì tổng bề dày tầng mặt
nhựa (là tổng bề dày các lớp mặt có sử dụng nhựa) trong trường hợp này không được
dưới 6cm và cũng khơng nên q 8 cm. Nếu bố trí thành 2 lớp thì trong trường hợp
này lớp dưới khơng nhất thiết phải bằng bê tơng nhựa nóng mà có thể bằng các loại
đã đề cập ở điểm 1 nêu trên nhưng lớp trên thì phải bằng bê tơng nhựa chặt loại I hạt
nhỏ hoặc hạt trung. Nếu dùng lớp thấm nhập nhựa làm lớp mặt dưới thì khơng cần
tưới lớp nhựa chèn đá mạt phía trên.
1.1.2 Vật liệu bê tông nhựa

1.1.2.1 Khái niệm về bê tông nhựa
Bê tông nhựa hay cịn gọi là bê tơng asphalt là hỗn hợp vật liệu khoáng – bitum
sử dụng trong xây dựng đường, được hình thành sau q trình làm hóa cứng hỗn hợp
BTN. Hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm cốt liệu thơ, cốt liệu mịn, bột khống, bitum
dầu mỏ, phụ gia.

10

Hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng, bitum và phụ gia đuợc
lựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn và gia công thành một hỗn hợp đồng nhất. Cốt
liệu thơ đóng vai trị làm tăng thể tích và khối lượng hỗn hợp, làm giảm giá thành,
tăng cường độ và độ ổn định của bê tông nhựa. Cốt liệu mịn khi trộn với bitum tạo
thành vữa asphalt có tác dụng liên kết cốt liệu lớn, lấp đầy các lỗ rỗng mà cốt liệu lớn
để lại, làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, ảnh hưởng lớn tới khả năng làm việc và phạm
vi ứng dụng của bê tơng nhựa. Bột khống làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ, làm cốt
liệu đặc hơn và tăng tỷ lệ bề mặt cốt liệu. Chất lượng của bê tông nhựa phụ thuộc vào
nguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ nhớt của bitum.

1.1.2.2 Cấu trúc của Bê tông nhựa [1][2]
Bê tơng nhựa là vật liệu có cấu trúc thuộc loại cuội kết nhân tạo, trong đó các
cốt liệu khống vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết asphalt. Tuy nhiên, quan
niệm về cấu trúc của bê tông nhựa cũng có khác nhau:
Nếu theo một mơ hình đơn giản có thể xem như gồm hai pha cơ bản: pha rắn là
cốt liệu khoáng vật gồm đá, cát và bộ khống, cịn pha lỏng là nhựa.
Có người cho rằng xem bê tông nhựa như một vật liệu gồm hai thành phần cấu
trúc: một là khung sườn vật liệu khoáng vật gồm đá và cát, hai là chất liên kết asphalt
gồm bitum và bột khống
Có tác giả [2] đề nghị xem bê tông nhựa là một hệ thống gồm ba cấu tử:
- Một là cấu trúc vi mô (tế vi) gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết
asphalt;
- Hai là cấu trúc trung gian gồm cát và chất liên kết ashpalt tạo thành vữa asphalt;
- Ba là cấu trúc vĩ mô gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bê tông
nhựa.
Xét cấu trúc tế vi, ta sẽ thấy rõ các quan hệ số lượng, sự bố trí và tương tác giữa
bitum và bột khống-thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa. Cường
độ của bê tông nhựa biến đổi rất nhiều phụ thuộc vào hàm lượng bột khoáng, vào tỷ