BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THIỆN LƯU NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP
MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM

Ngành
: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông
Mã số
: 62580205
Chuyên ngành
: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2015
Research on Factors Affecting Asphalt Concrete Fatigue
of Road Pavement in Vietnam

Abstract
Asphalt concrete is a popular material used for making road
surfaces in the world in general and Vietnam in particular. The
performance of this type of material denpends mainly on the
properties of the bitumen used. Bitumen is a product which is
extracted from crude oil. Bitumen is has the property of visco-
elasticity which is easy to be affected by changes in temperature.
Therefore, the performance of asphalt concrete changes when the
temperature changes. Specifically, asphalt concrete becomes softer
when the temprature increases and harder when the temperature
decreases. There are two main types of serious damage to asphalt
concrete road surfaces: rutting and fatigue crack. A large number of
researches on asphalt concrete fatigue have been conducted and
implemented in designing and building roads in the world. However,
in Vietnam, almost no research of such type has been conducted.
This research is the first to consider the effects of asphalt
concrete fatigue on the pavement performance in Vietnam. The
research presents results of experiments on fatigue life of asphalt
concrete done in specific conditions of environmental temprature,
loads, and aggregate composition in Vietnam. The material types
used in this research were dense-graded hot-mix asphalt 12.5 mm
(HMA 12.5) and dense-graded hot-mix asphalt 19mm (HMA 19)
made at construction sites with technologies widely used in Vietnam.
The composition of the HMA was designed with difference in type
of mineral filler. The three types of mineral filler used were: Andesit
powder, CaCO
3

khác nhau. Nhiều nơi đã áp dụng kết quả nghiên cứu mỏi vào khâu
thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm có
lớp bê tông asphalt đảm bảo điều kiện chịu mỏi.
Tại Việt Nam (VN), cho đến nay mỏi bê tông asphalt vẫn chưa
được triển khai nghiên cứu về mặt thực nghiệm một cách cụ thể. Các
nghiên cứu về độ bền mỏi bê tông asphalt còn hạn chế, hiện chỉ dừng
ở mức tập hợp lý thuyết. Vấn đề ứng dụng kết quả nghiên cứu mỏi bê
tông asphalt của thế giới vào VN cũng chưa thực sự được quan tâm.
Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh thực hiện đề tài “Nghiên
cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp
mặt đường tại Việt Nam”.
2. Mục đích nghiên cứu
Tìm ra quy luật cho phá hoại mỏi của bê tông asphalt ở các điều
kiện thí nghiệm khác nhau. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc
thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt và thiết kế kết cấu áo đường mềm có
xét đến đặc tính mỏi của vật liệu bê tông asphalt.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Bê tông asphalt loại BTNC 12,5 và BTNC 19; nghiên cứu ảnh
hưởng của một số loại bột khoáng (bột đá Andesit, bột CaCO
3
, bột
CaCO
3
+ xi măng (XM)) đến đặc tính kháng mỏi của bê tông asphalt.
2 4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nhóm liên quan đến môi trường: độ ẩm, nhiệt độ, bức xạ nhiệt.
- Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt: thành phần hỗn
hợp, loại/hàm lượng bi tum, loại/thành phần cấp phối và độ rỗng.
1.4 Mô hình và chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi
1.4.1 Các mô hình thí nghiệm
- Mô hình uốn dầm: uốn dầm 2 điểm (dạng ngàm), uốn dầm 3
điểm, uốn dầm 4 điểm, uốn dầm 5 điểm, uốn lặp trên nền đàn hồi.
- Mô hình kéo - nén: kéo - nén đúng tâm, ép chẻ (kéo gián tiếp),
phương pháp ba trục, phương pháp phá hủy.
- Mô hình cắt xoay.
1.4.2 Các chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi
Thí nghiệm mỏi được thực hiện bằng 2 cách: khống chế ứng suất
không đổi và khống chế biến dạng không đổi [32].
1.5 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng độ bền mỏi BTN
1.5.1 Trên thế giới
Phương pháp mới thiết kế kết cấu áo đường (kết hợp cơ học -
thực nghiệm) thì độ bền mỏi luôn được tính đến. Phương pháp ME-
Darwin (ME PDG) [25] mới nhất của Mỹ là dạng như vậy. Phương
pháp thiết kế áo đường của Viện Asphalt (AI) được coi là phương
pháp “bán thực nghiệm” với các thông số cơ học liên quan đến mỏi
và biến dạng vĩnh cửu luôn được sử dụng [23]. Ở Pháp, Đức chủ yếu
vẫn theo phương pháp kết hợp cơ học - thực nghiệm. Phương pháp
thiết kế mặt đường của Pháp (FPD) là điển hình trong số đó. Yếu tố
cơ học đều có tính đến độ bền mỏi của bê tông asphalt, độ bền mỏi
được kiểm tra trong bước thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt.
Các kết quả nghiên cứu về mỏi bê tông asphalt trên thế giới đều
chỉ ra mối tương quan giữa biến dạng/ứng suất với số lần tác dụng
của tải trọng làm phá hoại vật liệu. Những kết quả đó được ứng dụng
4



NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG Chương 2.
ASPHALT TRONG MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM
Nghiên cứu trên mẫu dầm bê tông asphalt được chế tạo và thi
công giống hoàn toàn với thực tế sử dụng loại vật liệu này. Thí
nghiệm mỏi bằng thiết bị uốn dầm 4 điểm.
5 2.1 Xác định các thông số chính cho thí nghiệm mỏi
2.1.1 Nhiệt độ thí nghiệm
Chọn 2 mức nhiệt độ quy ước mang tính bất lợi cho độ bền mỏi
bê tông asphalt và đặc trưng cho 2 khu vực có khí hậu cao, thấp ở VN
là 20
o
C và 10
o
C.
2.1.2 Tần số tải thí nghiệm
Trên cơ sở tính toán và tham khảo các khuyến cáo, 2 mức tần số
tải được lựa chọn thí nghiệm là 5 Hz và 10 Hz.
2.1.3 Chế độ thí nghiệm
- Khống chế biến dạng, với 3 mức: 100µ, 200µ và 400µ (µ,
microstrain = strain ×10
-6
[39]).
- Thí nghiệm mỏi kết thúc khi mô đun độ cứng giảm còn 50% mô
đun độ cứng ban đầu.
2.1.4 Vật liệu bê tông asphalt
- Loại bê tông asphalt

19 (Quốc lộ 51B)
Cắt mẫu tại hiện
trường
2.2.3 Gia công mẫu thí nghiệm
- Cắt mẫu tại hiện trường (Hình 2.2)
- Gia công mẫu dầm tại xưởng (Hình 2.3).
Hình 2.2 Cắt mẫu tại
hiện trường
Hình 2.3 Gia công mẫu dầm kích thước
380mm×50mm×63mm
2.3 Các tính chất cơ lý của bê tông asphalt sau thi công
- Thành phần hạt
Thành phần hạt BTNC 12,5 và BTNC 19 sau khi thi công thể
hiện tại Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Thành phần cấp phối hạt BTNC sau thi công
Vật liệu
Hàm lượng lọt sàng (%)
25
19
12,5
9,5
4,75
2,36
1,18
0,6
0,3
0,15

100,0
96,7
81,2
72,7
49,8
32,7
20,7
14,5
11,0
7,6
5,8
- Chỉ tiêu cơ lý bê tông asphalt
Bảng 2.2 Các chỉ tiêu cơ lý BTNC 12,5 và BTNC 19 sau thi công
TT
Chỉ tiêu thí nghiệm
Kết quả
BTNC
12,5 (BD)
BTNC
12,5 (CC)
BTNC
12,5 (CX)
BTNC 19
1
Độ rỗng cốt liệu, %
17,12
17,72
17,67
17,34
2

5,30
5,25
5,21
Nhận xét: BTNC 12,5 và BTNC 19 chế tạo đạt yêu cầu [12].
2.4 Thí nghiệm mỏi
Thực hiện theo [39], trình tự: sấy mẫu, lưu trữ mẫu, thí nghiệm.
Thông số kết quả thí nghiệm cơ bản gồm: mô đun độ cứng (S
mix
),
ứng suất cực đại (
o
), biến dạng kéo (
o
), góc lệch pha (), số chu kỳ
tải phá hoại (N
f
),
Đánh giá độ tin cậy của kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 theo
[39] cho thấy độ lệch chuẩn của log số chu kỳ phá hoại (N
f50
) ở từng
mức biến dạng đều nhỏ hơn 0,787. Như vậy kết quả thí nghiệm mỏi
đã thực hiện đạt độ tin cậy.

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI Chương 3.
BÊ TÔNG ASPHALT
3.1 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (BD)
8
5.000
6.000
1,0E+02 5,0E+05 1,0E+06 1,5E+06 2,0E+06 2,5E+06 3,0E+06
Mô đun độ cứng S (MPa)
N
f
(chu kỳ)
20độ, 5Hz, 100
20độ, 5Hz, 200
20độ, 5Hz, 400
(a)
(c)
(b)
(a) (b) (c)
0
500.000
1.000.000
1.500.000
2.000.000
2.500.000
3.000.000
N
f50
(chu kỳ)
10 độ, 10 Hz
10 độ, 5 Hz
20 độ, 10 Hz
20 độ, 5 Hz
9


400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
0,0E+00 5,0E+05 1,0E+06 1,5E+06 2,0E+06
Ứng suất (KPa)
N
f
(chu kỳ)
10độ, 5Hz, 100
10độ, 5Hz, 200
10độ, 5Hz, 400
(a)
(c)
(b)
(b) (a) (c)
10 độ võng cực đại (ứng với lực tác dụng cực đại). Góc lệch pha này ()
thay đổi theo mô đun độ cứng. Điển hình ở 20
o
C, 5 Hz biểu đồ góc
lệch pha của BTNC 12,5 (BD) được thể hiện tại Hình 3.4.

Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ giữa góc lệch pha với mô đun độ cứng

5.000
5.500
25 30 35 40 45 50
Mô dun độ cứng (MPa)
Góc lệch pha  (độ)
20độ, 5Hz, 100
20độ, 5Hz, 200
20độ, 5Hz, 400
(a)
(c)
(b)
(a) (c) (b)
11 20
o
C, 5 Hz


  

 





(3.1)
20



  

 





(3.4)

Hình 3.5 Đường đặc trưng mỏi loại BTNC 12,5 (BD)
3.2 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 19
Với 4 mức biến dạng 50µ, 100µ, 200µ, 400µ được thí
nghiệm, đường đặc trưng mỏi và phương trình độ bền mỏi BTNC 19
ở 10
o
C, 10Hz thể hiện tại Hình 3.6 và công thức (3.5).

Hình 3.6 Đường đặc trưng mỏi BTNC 19 ở 10
o
C, 10Hz
20độ, 5Hz
y = 7E+10x
-2.153

R² = 0.8716
20độ, 10Hz
y = 7E+10x

(b)
(d)
(c)
y = 427.558.550.975,724x
-3,022

R² = 0,936
1,0E+02
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
1,0E+06
1,0E+07
10 100 1000
log(N
f50
)
log(

)
12


  

 


20
o
C, 10 Hz


 








(3.7)
10
o
C, 5 Hz


 








(3.8)

R² = 0.8267
10độ, 5Hz
y = 2E+11x
-2.418

R² = 0.9098
10độ, 10Hz
y = 8E+12x
-3.275

R² = 0.9342
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
10 100 1.000
log(N
f50
)
log()
20độ, 5Hz 20độ, 10Hz 10độ, 5Hz
10độ, 10Hz Power (20độ, 5Hz) Power (20độ, 10Hz)
Power (10độ, 5Hz) Power (10độ, 10Hz)
(d)
(c)
(a)
(b)
(a)
(b)
(d)


(3.11)
10
o
C, 5Hz


  

 





(3.12)
10
o
C, 10Hz


  

 





(3.13)

R² = 0.9956
10độ, 5Hz
y = 4E+12x
-3.125

R² = 0.9559
10độ, 10Hz
y = 6E+13x
-3.698

R² = 0.9328
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
10 100 1.000
log(N
f50
)
log()
20độ, 5Hz 20độ, 10Hz 10độ, 5Hz
10độ, 10Hz Power (20độ, 5Hz) Power (20độ, 10Hz)
Power (10độ, 5Hz) Power (10độ, 10Hz)
(d)
(b)
(a)
(c)
(d)
(b)
(a)

4.000
6.000
8.000
10.000
Mô đun độ cứngban
đầu (MPa)
100  100  200  200  400  400 
10 độ 20 độ 10 độ 20 độ 10 độ 20 độ
Tần số 5Hz
Tần số 10Hz
7.526
5.495
6.317
4.412
4.206
3.576
8.231
6.552
6.748
5.003
5.573
5.029
-
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
Mô đun độ cứng ban
đầu (MPa

200

400

400


10 độ 20 độ 10 độ 20 độ 10 độ 20 độ
Tần số 5Hz
Tần số 10Hz
15 Nhìn chung loại bột khoáng CaCO
3
và xi măng làm tăng độ cứng
cho hỗn hợp bê tông asphalt so với loại bột đá thông thường và xi
măng đã làm giảm tính nhớt của bê tông asphalt ở nhiệt độ cao.
Hệ số phương trình mỏi của các loại BTNC 12,5 đã thí nghiệm
được tổng hợp tại Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Tổng hợp hệ số phương trình độ bền mỏi BTN
Nhiệt
độ,
o
C
Tần
số,
Hz
Loại BTN
% bi tum

1,1549
2,2685
20
5
BTNC 12,5 (CX)
5,25
4,46
1,5589
2,4056
20
10
BTNC 12,5 (BD)
5,23
4,33
0,7065
2,1852
20
10
BTNC 12,5 (CC)
5,30
4,58
1,7641
2,3723
20
10
BTNC 12,5 (CX)
5,25
4,46
22,0541
3,0809

BTNC 12,5 (CC)
5,30
4,58
78,2720
3,2748
10
10
BTNC 12,5 (CX)
5,25
4,46
557,6682
3,6982
10
10
BTNC 19
5,21
4,66
4,2756
3,0221
Nhận xét:
- Loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng CaCO
3
+ XM cho kết quả
độ bền mỏi là thấp. Xét mức độ suy giảm độ bền mỏi thông qua vị trí
và độ dốc đường đặc trưng mỏi thì BTNC 12,5 (CX) có đường đặc
trưng mỏi luôn nằm bên dưới và có độ dốc thường là lớn hơn.
- Ở nhiệt độ cao (20
o
C) ảnh hưởng của tần số tải đến độ bền mỏi là
không nhiều đối với hai loại BTNC 12,5 (BD) và BTNC 12,5 (CC).

- Dạng 2:










 






(3.15)

Với N
f50
là số chu kỳ tải trọng lặp làm giảm mô đun độ cứng còn
lại 50% độ cứng ban đầu; k
1
, k
2
, k
3
, k

20
o
C, 10 Hz


  

 



(3.17)
10
o
C, 5 Hz


  

 



(3.18)

20
o
C, 5 Hz




 




 





0,9113

(3.20)
20
o
C, 10 Hz




 


0,8776

(3.22)
10
o
C, 10 Hz




 




 





0,9520

(3.23)
Trường hợp xét chung các điều kiện nhiệt độ, tần số tải trọng tác
dụng vào giá trị mô đun độ cứng (S) của BTNC 12,5 thì phương trình
độ bền mỏi tổng quát (3.24) cho BTNC 12,5 được thiết lập:
18
o
C).
3) Độ bền mỏi của BTNC 19 kém hơn so với loại BTNC 12,5.
4) Yếu tố tải trọng (biến dạng) tỷ lệ nghịch với độ bền mỏi và ảnh
hưởng lớn đến độ bền mỏi bê tông asphalt, đặc biệt ở nhiệt độ thấp.
5) Kết quả thí nghiệm đã xây dựng được các phương trình đặc trưng
độ bền mỏi (3.20), (3.21), (3.22), (3.23) và phương trình tổng quát
(3.24) cho loại BTNC 12,5; loại BTNC 19 ở điều kiện 10
o
C, 10 Hz
có phương trình (3.5).
6) Kết quả thí nghiệm đánh giá được ảnh hưởng loại bột khoáng
đến độ bền mỏi của BTNC 12,5, cụ thể:
- Loại BTNC 12,5 sử dụng bột khoáng Andesit và bột khoáng
CaCO
3
cho kết quả độ bền mỏi cao hơn loại BTNC 12,5 sử dụng bột
khoáng CaCO
3
+ XM thực hiện như trong nghiên cứu.
- Loại bê tông asphalt dùng bột khoáng CaCO
3
+ XM trong nghiên
cứu này đạt mô đun độ cứng cao nhất (thí nghiệm tại 20
o
C), nhưng
lại không cho kết quả tốt về khả năng kháng mỏi.
- Tốc độ giảm mô đun độ cứng loại BTNC 12,5 dùng bột khoáng
CaCO
3


gh

biến dạng kéo giới hạn ()

biến dạng lớn nhất ở bề mặt chịu kéo ().
4.1.2 Đề xuất trình tự tính toán

Hình 4.1 Sơ đồ kiểm toán độ bền mỏi trong kết cấu áo đường mềm
Chọn cấu tạo kết cấu áo
đường (vật liệu, chiều dày)
Xác định điều kiện kiểm
toán mỏi: t
o
C, Hz
Xác định biến dạng 
cp
, 
tt

Đạt
độ bền mỏi

tt
≤


cp

So sánh 



 












(4.2)
- Biến dạng tính toán (
tt
)
Sử dụng các phần mềm tính biến dạng/ứng suất kết cấu áo đường
để xác định biến dạng tính toán 
tt
.
4.2 Ứng dụng kiểm toán mỏi lớp BTNC 12,5
4.2.1 Thông số đầu vào dùng kiểm toán mỏi
- Kết cấu áo đường, thông số vật liệu
Kết cấu 1
Kết cấu 2
Vật liệu
h

Lớp CPĐD loại I
0,18
Lớp CPĐD gia cố XM 6%
0,14
Lớp CPĐD loại II
0,36
Lớp CPĐD loại II
0,32
Nền đường 50 MPa

Nền đường 50 MPa

Các thông số tính toán mỏi của BTNC 12,5 (BD) và BTNC 19
(BD) được sử dụng từ chính kết quả thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm
của 2 loại vật liệu này; các thông số khác tham khảo [9].
- Xác định điều kiện kiểm toán mỏi
Ví dụ: Thông tin dự án
Thông số để tính mỏi
21 - Khu vực thiết kế miền Bắc
Nhiệt độ 10
o
C
- V
tk
= 80km/h (đường cấp III)
Tần số tải f = 10 Hz
- Tại năm đầu N

BTNC 12,5 BD)
20 độ C, 5 Hz
(3.1)
180,51
- 0,4048
BTNC 12,5 (BD)
20 độ C, 10 Hz
(3.2)
165,60
- 0,3715
BTNC 12,5 (BD)
10 độ C, 5 Hz
(3.3)
141,88
- 0,4030
BTNC 12,5 (BD)
10 độ C, 10 Hz
(3.4)
133,02
- 0,3681
Biến dạng cho phép được xác định:






  

 



 











 
4.2.3 Xác định 
tt
đáy lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường
Thông số tải trọng: áp lực tiêu chuẩn p = 0,6 MPa, bán kính vệt