Phân tích tuổi thọ kết cấu mặt đường mềm sử dụng bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép bằng phương pháp cơ học thực nghiệm

ª PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng ª TS. Nguyễn Quang Phúc ª ThS. Nguyễn Văn Du Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Phước Minh TS. Vũ Thế Sơn

Tóm tắt: Trên cơ sở các kết quả thí nghiệm xác định đặc tính cơ lý của bê tông nhựa (BTN) (cốt liệu xỉ thép và cốt liệu đá dăm) và các thông số khí hậu ở Hà Nội và Vũng Tàu, bài báo đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường mềm sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép làm các lớp mặt bằng phương pháp cơ học thực nghiệm.

Từ khóa: Tuổi thọ mặt đường mềm, bê tông nhựa, phương pháp cơ học.

Abstract: Based on the results of experiments on the properties of asphalt concrete (stone aggregate and steel slag aggregates) and climate parameters in Ha Noi and Vung Tau, this article assesses pavement structure life using asphalt aggregate steel slag concrete as the surface layer by MEPDG method.

Keywords: Soft longevity pavement, asphalt concrete, mechanical methods.

1. Đặt vấn đề

BTN cốt liệu xỉ thép được sử dụng làm mặt đường ô tô ở nhiều nước trên thế giới như Croatia [6], Mỹ [7], Bỉ [8], Nga [9]... Ở Việt Nam mới chỉ có các nghiên cứu thực nghiệm trong phòng về khả năng sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép để làm các lớp mặt cho mặt đường ô tô[2], [3], [4].

Phương pháp cơ học thực nghiệm (M-E PDG) là một trong những phương pháp tiên tiến nhất, được nhiều nước nghiên cứu sử dụng trong phân tích kết cấu mặt đường[5]. Sử dụng M-E PDG phân tích kết cấu mặt đường mềm với các lớp mặt bằng BTN cốt liệu đá dăm và BTN cốt liệu xỉ thép, tải trọng và khí hậu đại diện ở khu khác nhau. Trên cơ sở đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường mềm sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép làm các lớp mặt, từ đó triển khai việc sử dụng hợp lý BTN cốt liệu xỉ thép để làm kết cấu mặt đường trong thực tế.

2. Phân tích tuổi thọ của kết cấu mặt đường sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép và cốt liệu đá dăm

Sử dụng phương pháp cơ học thực nghiệm MEPDG 1.1 với các thông số vật liệu và tải trọng ở mức độ 1, là mức độ cao nhất với điều kiện khai thác thực tế.

2.1. Xác định các biến trong phân tích

Sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm DoE phân tích với 5 biến, mỗi biến nhận 2 giá trị. Tổng số lần phân tích là 2⁵ bằng 32.

- Loại BTN: 2 loại là BTN cốt liệu đá dăm (BTN ĐD) và BTN cốt liệu xỉ thép (BTN XT);

- Điều kiện khí hậu: 2 địa phương là Hà Nội và Vũng Tàu;

- Chiều dày lớp BTNC12.5 (H BTN C12.5): Có 2 chiều dày 5 và 6cm;

- Chiều dày lớp BTNC19 (H BTN C19): Có 2 chiều dày 7 và 8cm;

- Chiều dày lớp CPĐD GCXM (H CPĐD GCXM): Có 2 chiều dày 14 và 16cm;

2.2. Các kết quả giới hạn tuổi thọ

- Độ bằng phẳng IRI (in/mi); độ lún BTN (in); độ lún kết cấu (in);

- Tuổi thọ kết cấu theo độ lún-R (tháng), tuổi thọ kết cấu theo IRI-R (tháng).

2.3. Kết cấu mặt đường

Kết cấu mặt đường cấp cao điển hình được chọn cho nghiên cứu với các chỉ tiêu kỹ thuật theo Tiêu chuẩn 22TCN211-06 [1] như sau: E_yc ≥ 221MPa; tải trọng tiêu chuẩn P_tc = 100kN. Kết cấu phân tích như trong Hình 2.1.

Hình 2.1: Kết cấu sử dụng trong phân tích M-E PDG

Bảng 2.1. Tổ hợp các kết cấu sử dụng để phân tích

 

2.4. Các thông số sử dụng trong phân tích

2.4.1. Thông số khí hậu

Lãnh thổ Việt Nam trải dài theo vĩ tuyến 8º27' - 23º23' Bắc, do đó điều kiện khí hậu khác biệt khá rõ nét theo từng vùng. Điều kiện khí hậu có tác động và ảnh hưởng lớn đến tính năng sử dụng và tuổi thọ của các loại mặt đường nhựa. Trong nghiên cứu, bước đầu xét ảnh hưởng của điều kiện khí hậu của khu vực phía Bắc (điển hình là Hà Nội) và khu vực phía Nam (điển hình là Vũng Tàu) đến kết quả phân tích.

M-E PDG sử dụng vĩ độ, chiều sâu mực nước ngầm tại công trình và các thông số khí hậu theo từng giờ liên tục tối thiểu trong 24 tháng là: Nhiệt độ không khí, lượng mưa, vận tốc gió, phần trăm nắng và độ ẩm. Nghiên cứu thu thập bộ số liệu khí hậu từng giờ của trạm Láng, Hà Nội và trạm Vũng Tàu liên tục trong 24 tháng gần đây (từ tháng 01/2013 đến tháng 12/2014). Vì các số liệu khí hậu của Việt Nam không đủ và không hoàn toàn tương thích với M-E PDG nên phải xử lý theo trình tự sau: Số liệu khí hậu Hà Nội, Vũng Tàu ® VBA Excel ® mô hình khí hậu EICM tích hợp trong M-E PDG ® tệp kết quả khí hậu Hanoi.icm và Vungtau.icm.

2.4.2. Thông số vật liệu

Mô-đun đàn hồi phức động của BTN |E*|, được thí nghiệm tại Trường Đại học GTVT theo Tiêu chuẩn AASHTO TP62. Khối lượng thể tích lấy theo thiết kế loại BTN, hệ số Poisson của BTN lấy bằng 0,35. Các thông số khác được lấy theo mặc định của chương trình. Thông số vật liệu làm móng và nền đất lấy theo hướng dẫn của Tiêu chuẩn 22TCN211-06 và mặc định chương trình với loại vật liệu và nền đất tương ứng.

2.4.3. Thông số tải trọng

M-E PDG không sử dụng tải trọng trục tính toán mà từ các số liệu thực tế đếm, phân loại và cân xe. Nghiên cứu này sử dụng các thông số tải trọng được lấy từ kết quả khảo sát giao thông trên QL1, tại 1 mặt cắt có 4 làn xe do tác giả thực hiện năm 2013.

Tổng số xe tải và xe khách khảo sát trong 1 ngày đêm là 8.485 xe/ngày đêm, được chia thành 5 loại: Class 5-Xe thân liền 1 trục đơn+1 trục đơn: 16%; Class 6-Xe thân liền 1 trục đơn+1 trục đôi: 67%; Class 8-Xe sơ mi rơ mooc 1 trục đơn +1 trục đơn +1 trục đôi: 4%; Class9 - Xe sơ mi rơ mooc 1 trục đơn + 1 trục đôi + 1 trục đôi: 8%; Class10 - Xe sơ mi rơ mooc 1 trục đơn + 1 trục đôi + 1 trục ba: 5%. Thời gian phân tích 15 năm, hệ số tăng trưởng chung cho các loại xe g=3%. Vận tốc xe chạy tính toán 80km/h.

2.5. Kết quả phân tích

Các kết quả phân tích được thể hiện điển hình trong Bảng 2.2, Hình 2.2 (tổng hợp kết quả phân tích trong Bảng 2.3).

Bảng 2.2. Kết quả phân tích kết cấu KC1_1 và KC2_1

Hình 2.2: Tính toán theo tiêu chuẩn lún vệt bánh KC1_1 và KC2_1

Bảng 2.3. Tổng hợp kết quả phân tích bằng M-EPDG

Trên cơ sở các số liệu đã thiết kế thực nghiệm DOE, tác giả sử dụng phần mềm Minitab đề phân tích các số liệu đã tính toán bằng M-EPDG.

2.5.1. Phân tích hồi quy - phương sai các kết quả phân tích

Từ các đồ thị đánh giá số dư các kết quả phân tích (Hình 2.3 thể hiện điển hình đồ thị đánh giá các số dư của độ lún kết cấu), cho thấy: Các số dư phân bố rất gần với phân phối chuẩn, các điểm phân bố ngẫu nhiên, không theo quy luật nào chứng tỏ dữ liệu đã nhập không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố thời gian và các yếu tố điều khiển có quy luật nào khác.

Hình 2.3: Đồ thị đánh giá số dư của độ bằng phẳng IRI

2.5.2. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng chính

Từ các đồ thị đánh giá các yếu tố ảnh hưởng chính đến kết quả phân tích (Hình 2.4 thể hiện điển hình đồ thị đánh giá các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ lún kết cấu), cho thấy cả 5 yếu tố (loại BTN, điều kiện khí hậu, H BTNC12.5, H BTNC19, H CPĐD GCXM) đều ảnh hưởng đến kết quả phân tích, trong đó:

- Loại BTN, điều kiện khí hậu là 2 yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất (độ dốc rất lớn), chiều dày lớp BTN C12,5 cũng ảnh hưởng đáng kể (độ dốc tương đối lớn);

- Chiều dày lớp BTN C19 và CPĐD GCXM ảnh hưởng không đáng kể (độ dốc rất nhỏ).

Hình 2.4: Đồ thị đánh giá các yếu tố ảnh hưởng chính đến độ bằng phẳng IRI

 

2.5.3. Đánh giá tương tác giữa các yếu tố

Từ các đồ thị đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tương tác đến kết quả phân tích (Hình 2.5) thể hiện điển hình đồ thị đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tương tác đến tuổi thọ kết cấu theo IRI), cho thấy: Ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố tính toán IRI, độ lún BTN, độ lún kết cấu không đáng kể (các biểu đồ quan hệ gần như song song với nhau). Các yếu tố Loại BTN*Điều kiện khí hậu, Loại BTN*H BTNC12.5, Điều kiện khí hậu*H BTNC12.5 có ảnh hưởng tương tác lớn trong tính toán tuối thọ theo độ lún kết cấu và theo IRI, các yếu tố khác ảnh hưởng tương tác ít hơn.

Hình 2.5: Đồ thị ảnh hưởng tương tác các yếu tố đến tuổi thọ kết cấu theo IRI

 

Từ kết quả phân tích trong giới hạn các kết cấu, số liệu về vật liệu, điều kiện khí hậu và tải trọng xe nghiên cứu, có các nhận xét sau:

- Trong 6 tiêu chuẩn giới hạn thì 3 tiêu chuẩn nứt dọc, nứt ngang và nứt lưới các kết cấu phân tích đều đạt. Tiêu chuẩn IRI với các kết cấu sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép làm các lớp mặt với điều kiện khí hậu Hà Nội, Vũng Tàu và kết cấu sử dụng BTN cốt liệu đá dăm với khí hậu Vũng Tàu thì đạt yêu cầu, kết cấu sử dụng BTN cốt liệu đá dăm với khí hậu Hà Nội đạt yêu cầu nhưng độ tin cậy thấp hơn 90%. Tiêu chuẩn lún vệt bánh đều không đạt và mức độ tin cậy rất thấp, trong thời gian tính toán 15 năm.

- Kết quả dự báo tuổi thọ kết cấu, cho thấy hư hỏng lún đến trước hư hỏng IRI.

- Trong các yếu tố phân tích thì loại BTN, điều kiện khí hậu, chiều dày lớp BTN C12.5 là các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến kết quả phân tích; chiều dày lớp BTN C19 và chiều dày lớp CPĐD GCXM ảnh hưởng ít đến kết quả phân tích. Trong đó:

+ Kết cấu mặt đường sử dụng 2 lớp mặt bằng BTN cốt liệu xỉ thép có tuổi thọ kết cấu tính theo giới hạn độ lún vệt bánh với độ tin cậy R=90% cao hơn trung bình 25% và nếu không xét đến độ tin cậy là gần 30% so với việc sử dụng 2 lớp mặt bằng BTN cốt liệu đá dăm; tuổi thọ kết cấu tính theo giới hạn IRI của các kết cấu đều đạt yêu cầu với độ tin cậy R=90% và kết cấu sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép làm các lớp mặt luôn có tuổi thọ cao hơn kết cấu sử dụng BTN cốt liệu đá dăm làm các lớp mặt.

+ Ở điều kiện khí hậu Vũng Tàu, tuổi thọ kết cấu tính theo giới hạn độ lún vệt bánh với độ tin cậy R=90% cao hơn trung bình 20% và nếu không xét đến độ tin cậy là 25% so với ở điều kiện khí hậu Hà Nội. Tuổi thọ kết cấu tính theo giới hạn IRI của tất cả các kết cấu đều đạt yêu cầu với độ tin cậy R=90% trong điều kiện khí hậu Vũng Tàu, tuổi thọ kết cấu tính theo giới hạn IRI các kết cấu KC1_1, KC1_2, KC1_5, KC1_6 ở điều kiện khí hậu Hà Nội chỉ đạt được 160 - 164 tháng (hơn 13 năm) với độ tin cậy R=90% và nếu không xét đến độ tin cậy thì đạt yêu cầu.

+ Lớp BTN C12.5 dày 6cm có khả năng chống nứt, lún và tuổi thọ về lún và IRI tốt hơn trường hợp dày 5cm.

3. Kết luận

Sử dụng M-EPDG để phân tích tuổi thọ lún - nứt, IRI của kết cấu mặt đường với việc sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép và cốt liệu đá dăm làm các lớp mặt, cho thấy:

- Có thể sử dụng M-E PDG để phân tích kết cấu áo đường mềm, dự báo tuổi thọ của kết cấu và đánh giá kết cấu khi thiết kế bằng các phương pháp khác;

- Sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép làm các lớp mặt cho khả năng chống nứt, lún, tuổi thọ về lún và IRI tốt hơn sử dụng BTN cốt liệu đá dăm. Kết cấu mặt đường sử dụng BTN cốt liệu xỉ thép làm các lớp mặt trong điều kiện khí hậu phía Nam (điển hình là Vũng Tàu) có tuổi thọ luôn cao hơn trong điều kiện khí hậu phía Bắc (Hà Nội);

- BTN cốt liệu xỉ thép sử dụng hợp lý trong kết cấu mặt đường là làm lớp mặt trên và lớp mặt dưới cho kết cấu mặt đường ô tô cấp cao.

Kết quả nghiên cứu mới chỉ thực hiện trên mô hình, cần thí điểm thi công BTN cốt liệu xỉ thép làm các lớp mặt đường trên một số tuyến đường cụ thể để có cơ sở đánh giá một cách toàn diện.

 

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ GTVT (2006), Tiêu chuẩn ngành 22TCN 211-06 - Quy trình thiết kế mềm.

[2]. Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Văn Du (2015), Đánh giá khả năng sử dụng xỉ thép làm cốt liệu sản xuất bê tông nhựa ở Việt Nam, Tạp chí GTVT, số tháng 6.

[3]. GS. TS. Bùi Xuân Cậy, PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng, ThS. Nguyễn Văn Du (11/2015), Đánh giá phạm vi sử dụng bê tông nhựa cốt liệu xỉ thép làm mặt đường ô tô ở Việt Nam, Tạp chí Khoa học GTVT, số đặc biệt.

[4]. Trường Đại học GTVT - Công ty Cổ phần UTC2 - Phòng thí nghiệm kiểm định trọng điểm đường bộ, môi trường và ATGT (8 - 10/2014), Báo cáo kết quả thí nghiệm tính chất BTN cốt liệu xỉ thép.

[5]. TS. Nguyễn Quang Phúc, ThS. Phạm Thanh Hà (8/2014), Sử dụng phương pháp cơ học thực nghiệm phân tích kết cấu mặt đường mềm ở Việt Nam, Tạp chí Cầu đường Việt Nam.

[6]. I. Barišić, S . Dimter, I . Netinger (2010), Possibilities of application of slag in road construction, Technical Gazette 17, 523-528.

[7]. Liz Hunt, P.E.Rese arch Coordinator, Glenn E. BoyleBituminous Mix Design Supervisor, Retired (2010), Steel slag in hot mix asphalt concrete, State Research Project #511.

[8]. Luc P. De Bock (2004), Stainless steel slag as aggregate in hot-mix asphalt pavements.

[9]. Kатерина Краюшкина (2013), Влияние Свойств Асфальтобетонных Покрытий Со Шлаковыми Материалами На Транспортно - Эксплуатационные Показатели Автомобильных Дорог, Докторская Диссертация Технологические Науки.