ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN CHƢƠNG

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 PHƢƠNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng, năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN CHƢƠNG

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 PHƢƠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông
Mã số: 60.58.02.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

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

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 mô 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 thông số thiết kế khác nhau, một mô hình hồi quy tuyến tính đa biến
đƣợc xây dựng. Mô 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). Mô 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 – mô 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

1.2.1. Các hiện tƣợng hƣ hỏng của mặt đƣờng bê tông nhựa .............................................. 8
1.2.2. Các mô 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 khoáng ............................................................................... 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. Thông 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 MÔ 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


: 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


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


2.11

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


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 mô hình

61


DANH MỤC CÁC HÌNH

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


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 trò lấp đầy của bột khoáng 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


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 khoáng

32

2.7


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 khuôn

41

2.15

Đặt khuôn chứa mẫu vào máy đầm

41


2.16

Thiết bị đầm lăn bánh thép

41

2.17


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


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 vòng tròn đơn vị tƣơng quan

52

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.

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 mô 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 mô hình dự báo có thể giúp cho các đơn vị thiết kế và thi công lựa chọn,

đƣờng dẫn tới làm tăng độ chặt, tăng cƣờng độ của bê tông nhựa (Hình 1.2).
Cấu trúc hình thành nên hỗn hợp bê tông nhựa dựa trên 2 loại:
+ Cấu trúc vi mô: là sự kết hợp giữa bột khoáng 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 tông
nhựa.

Hình 1.2: Mô 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 mòn, 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 công quen thuộc, có thể thi công cơ giới hóa hoàn toàn. Dễ sửa chữa,
thông xe ngay sau khi thi công, 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, không 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 giòn (hiện tƣợng lão hóa). Ngoài ra, việc tiếp xúc với

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 quá trình thay đổi hóa – lý
khi hai chất tiếp xúc và tƣơng tác lẫn nhau, chất lƣợng của mối liên kết này đóng vai trò
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 ngoài.
1.1.2.4. Quá 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 công việc quan trọng nhất trong quá trình thiết kế hỗn
hợp bê tông 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 công hỗn hợp BTN

10. Bộ phận cửa cấp hỗn hợp bị mòn
11. Nhiệt độ hỗn hợp quá thấp
12. 12. Các vết hỏng không 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

Thanh chắn không vuông góc
Hỗn hợp nguội đọng lại cuối cửa thanh gạt
Điều khiển mở rộng máy rải không đúng
Cửa cấp liệu tự đóng quá 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

Hình 1.3: Mô tả hình thành nứt mỏi trong BTN [8]
Nứt do mỏi thƣờng xảy ra vào mùa có nhiệt độ môi 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
giòn 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 toán, 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 quá 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 còn
giữ nguyên 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