Ứng xử cơ học của khe co giãn bằng vật liệu asphalt đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng bánh xe và thay đổi nhiệt độ

ª TS. Nguyễn Hữu Thuấn ª ThS. Nguyễn Thạch Bích ª ThS. Nguyễn Mạnh Hải Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện TS. Hồ Xuân Nam TS. Lê Bá Anh

Tóm tắt: Bài báo phân tích các ứng xử cơ học của khe co giãn bằng vật liệu asphalt đàn hồi dưới tác dụng của hoạt tải và thay đổi nhiệt độ môi trường. Trong đó, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng để mô hình hóa  kết cấu; mô hình vật liệu đàn-nhớt dẻo được sử dụng. Tải trọng tác dụng của hoạt tải được phân tích ở điều kiện tĩnh và động, tác dụng của chuyển vị cưỡng bức đầu dầm do thay đổi nhiệt độ cũng được xét đến trong mô hình tính toán. Trạng thái ứng suất, biến dạng của kết cấu được phân tích để tìm ra các vị trí bất lợi trong kết cấu.

Từ khóa: Asphalt, khe co giãn, đàn hồi, tải trọng, nhiệt độ.

Abstract:This paper presents the study for mechanical behavior of Bridge Asphalt Plug Joints (APJ) under the effect of load and temperature. Finite element method (FEM) is used to model the structure; model of viscoelastic material is used. Load effect is analyzed in static and dynamic conditions. Stress state, deformation of the structure is analyzed to find out the location of the structural disadvantage. Finally a number of experiments were performed to verify the calculation results in this paper.

Keywords: Asphalt, expansion joints, elastic, load, temperature.

 1. Đặt vấn đề

Khe co giãn APJ là loại khe co giãn liền bằng vật liệu asphalt đàn hồi (asphalt plug joints -APJ). Đây là loại khe được sử dụng rộng rãi từ lâu trên thế giới cho các cầu nhịp nhỏ và nhịp trung bình do các ưu điểm chính và nổi trội sau: (i) Khai thác rất êm thuận không xung kích; (ii) tuyệt đối kín nước; (iii) thi công nhanh, dễ lắp đặt và có thể khai thác ngay sau khi thi công.

Ở Việt Nam, khe co giãn APJ mới được đưa vào sử dụng trong vài năm gần đây, chủ yếu ở giai đoạn thử nghiệm. Cấu thành của khe APJ gồm 4 loại vật liệu chính là: Chất kết dính asphalt (gốc bi-tum, polymer biến tính), cốt liệu cứng thô ít/không cấp phối (đều hạt), xốp dẻo chịu nhiệt và thép tấm mạ kẽm. Khe APJ có nhiều ưu điểm, tuy nhiên để áp dụng rộng rãi ở Việt Nam cần tiến hành thi công thử nghiệm, các nghiên cứu để dự báo ứng xử của kết cấu dưới tác động bên ngoài, dự báo tuổi thọ, độ bền của kết cấu, từ đó có cơ sở thiết kế phù hợp. Hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới có rất ít các nghiên cứu này, do vậy, việc nghiên cứu ứng xử của khe dưới tác dụng của tải trọng và thay đổi nhiệt độ là cần thiết.

Các loại khe có bán trên thị trường hiện nay đều nhập khẩu trọn gói từ nước ngoài như khe Feba (Anh), khe APJ-150 (Mỹ).

Hình 1.1: Cấu tạo khe co giãn đàn hồi APJ-150

 

Tùy theo cấu tạo của lớp phủ mặt cầu và chiều dài nhịp mà có thể bố trí kích thước và cấu tạo của khe co giãn APJ để đảm bảo chuyển vị và phù hợp với lớp phủ mặt cầu. Tuy nhiên, kích thước thường sử dụng cho chiều rộng là 500 - 750mm và chiều dày là 50 - 100mm [3].

2. Tính toán khe APJ dưới tác dụng của hoạt tải và chuyển vị cưỡng bức

Khe co giãn APJ có nhiều ưu điểm, tuy nhiên nhược điểm của nó là tuổi thọ không lớn và phụ thuộc nhiều vào công nghệ thi công cũng như kiểm soát, lựa chọn vật liệu đầu vào. Tuổi thọ thực tế thường được ghi nhận nhỏ hơn tuổi thọ dự kiến của nó (6 - 7 năm). Việc tuổi thọ thấp trong thực tế là nguyên nhân chính làm cản trở việc ứng dụng rộng rãi hơn loại khe co giãn này trên thế giới [4]. Trong thực tế, hiện có rất ít các nghiên cứu để tính toán, mô phỏng các ứng xử cơ học của khe này dưới các tác động của các nhân tố bên ngoài gây hư hỏng chúng. Nghiên cứu tương đối toàn diện về khe APJ được thực hiện lần đầu tại Mỹ bởi Bramel et al năm 1999 [5] (Hình 2.2) và sau đó của Partl et al.2002 [6] tại các nước EU. Cả hai nghiên cứu này đều nhằm mô phỏng, dự kiến ứng xử cơ học của khe APJ dưới tác động của tải trọng và nhiệt độ, từ đó đưa ra các đề xuất thiết kế để cải thiện tuổi thọ và độ bền của khe APJ.

Hình 2.1: Khe co giãn APJ chịu tác dụng của hoạt tải xe

Hình 2.2: Mô hình vật liệu và mô hình PTHH cho khe APJ [5]

Trong thực tế, khe co giãn APJ chịu tác động của nhiều yếu tố như: Tải trọng xe, thay đổi nhiệt độ môi trường (gây ra chuyển vị đầu dầm, gây chuyển vị cưỡng bức cho khe), do tác động của khí hậu, ăn mòn… Các dạng hư hỏng thường thấy của khe co giãn loại này thường có hai dạng: Nứt và lún lớn.

Tuy nhiên, trong tính toán khe co giãn APJ, 2 nhân tố cơ bản là tải trọng của bánh xe lên khe và thay đổi nhiệt độ thường được xét đến (Hình 2.3). Trong đó, tải trọng bánh xe tác động lên khe thông qua tải trọng thẳng đứng và nằm ngang (trượt) trên diện tích tiếp xúc của bánh xe với mặt khe. Tải trọng này di động qua khe trong thời gian ngắn (phụ thuộc vào tốc độ xe chạy).

Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày mô hình tính toán khe co giãn APJ dưới tác dụng của tải trọng của bánh xe và chuyển vị cưỡng bức giả định. Phương pháp PTHH đã được sử dụng để xây dựng mô hình tính toán 2D. Một khe co giãn APJ với kích thước thông thường: 500 x 100mm (mặt cắt ngang) đã được sử dụng. Tải trọng bánh xe được mô phỏng dưới hai thành phần: Lực phân bố thẳng đứng dải đều (p) quy đổi từ lực tập trung bánh xe P = 38KN và lực trượt (q) quy đổi từ Q = 6KN trên bề mặt rộng 300mm của khe co giãn [5]. Vật liệu sử dụng để chế tạo mẫu được làm từ các thành phần nhựa polymer biến tính, đá dăm của hãng Thomal Joint (Anh) [3]. Mô hình vật liệu Viscoelastic, trong phần mềm ANSYS được sử dụng để mô hình hóa vật liệu này. Các dữ liệu đường cong ứng suất biến dạng của vật liệu (thí nghiệm marshall) được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình hóa vật liệu APJ trong phần mềm tính toán. Ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ được xét đến trong mô hình tính toán này thông qua chuyển vị ngang giả định của đầu dầm lên khe APJ, c = 2,5(mm).

Điều kiện biên của mô hình tính toán như trongHình 2.2, khe APJ được giả thiết là tiếp xúc với các mặt tuyệt đối cứng (dưới đáy và hai mặt bên).

Hình 2.3: Sơ đồ tải trọng tính toán lên khe APJ và điều kiện biên chịu tải trọng xe và nhiệt độ thay đổi

Hình 2.4: Đường cong mô hình vật liệu trong phương pháp PTHH

Phương pháp PTHH được sử dụng để mô phỏng ứng xử cơ học của khe APJ dưới tác dụng của lực thẳng đứng và lực trượt gây ra do bánh xe chạy qua khe. Phần tử Solid 2D đàn-dẻo, phi tuyến đã được sử dụng cho vùng vật liệu khe APJ. Lớp bê tông nhựa hai bên khe APJ, lớp bê tông xi măng dưới đáy khe được giả thiết là không biến dạng, chuyển vị (thực tế là rất nhỏ), tuyệt đối cứng.

Hình 2.5a thể hiện trường biến dạng và ứng suất của khe APJ dưới tác dụng của bánh xe. Tùy theo vị trí của bánh xe mà trường biến dạng và ứng suất của khe co giãn APJ sẽ thay đổi. Trong mô hình tính toán này, hiệu ứng gây ra trong khe APJ dưới ảnh hưởng di động của tải trọng bánh xe cũng được tính toán. Trong đó, tải trọng bánh xe (quy về tải trọng phân bố thẳng đứng và lực cắt) được mô hình là di động với vận tốc tương đương với tốc độ di chuyển của xe. Vận tốc 50km/h được sử dụng trong mô phỏng. Trong chiều rộng 500mm của khe APJ, tải trọng bánh xe di động qua trong khoảng thời gian 36,0µs. Hình 2.5b thể hiện đường thay đổi giá trị ứng suất lớn nhất trong khe APJ theo thời gian bánh xe chạy qua. Trong đó, có thể thấy giá trị lớn nhất ứng suất trong khe APJ đạt được tại thời điểm bánh xe ở giữa chiều rộng khe (thời gian t = 18µs).

a) - Trường ứng suất, biến dạng của khe APJ do tải trọng bánh xe;

b) - Ứng suất lớn nhất trong khe APJ theo thời gian bánh xe chạy qua

Hình 2.5

 

3. Ứng xử của khe dưới tác dụng của tải trọng lặp

Một nghiên cứu về ứng xử của khe APJ dưới tác dụng của tải trọng lặp đã được thực hiện. Một mẫu hỗn hợp APJ đã được mô phỏng để đánh giá, dự báo ảnh hưởng của tải trọng lặp đến lún tích lũy trên bề mặt (vệt hằn lún bánh xe). Kết quả tính toán sau đó đã được so sánh với các kết quả thí nghiệm.

 Mẫu hỗn hợp APJ có kích thước 320x260x5mm [7], một số thông số của bánh xe di động như trong Bảng 3.1:

Bảng 3.1

 

- Mô hình hóa

Tương tự như phần trên, trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm Ansys để mô phỏng tải trọng lặp, kích thước kết cấu được mô hình như Bảng 3.1. Mô hình vật liệu tương tự như phần 2. Điều kiện biên mô hình hóa như Hình 3.1. Tải trọng lặp được mô hình hóa tương đương với thông số trong Bảng 3.1. Trong đó, để đơn giản, coi tải trọng bánh xe di động phân bố đều trên diện tích tiếp xúc của bánh xe với mặt hỗn hợp APJ. Một hàm tải trọng trong phần mềm được sử dụng để mô phỏng tải trọng lặp với giá trị và bước đặt tải tương đương với tốc độ của bánh xe di động. Chu kỳ của tải trọng lặp được sử dụng với giá trị 20.000 (vòng lặp).

Mô hình vật liệu: Sử dụng mô hình vật liệu ORNL trong phần mềm tính toán, với các tham số vật liệu tham khảo từ nghiên cứu của Musharraf Zaman [10]: n = 0.8; m = 0,45; A = 3,25.

 

(1)

Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm mẫu APJ dưới tác dụng của tải trọng lặp

 

Hình 3.2: Điều kiện biên của mô hình tính toán (mặt bằng)

 

- Thí nghiệm

Thí nghiệm vệt hằn lún bánh xe được thực hiện với máy Wheel tracking, tại Phòng Thí nghiệm Trường Đại học GTVT, các thông số của máy thí nghiệm với bánh xe di động cho trong Bảng 3.1. Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ phòng để so sánh với kết quả trong mô hình tính toán. Hai mẫu hỗn hợp APJ được chế tạo và sử dụng cho nghiên cứu này, vật liệu sử dụng là nhựa polyme biến tính và đá đều hạt kích thước 20mm [7].

Hình 3.3: Thiết bị thí nghiệm vệt hằn lún bánh xe

 

- Kết quả

Hình 3.4 thể hiện kết quả về trường ứng suất, biến dạng của mẫu APJ trong mô hình tính toán.  Hình 3.5 thể hiện kết quả vệt hằn lún bánh xe sau thí nghiệm. Kết quả so sánh giữa hai phương pháp được tổng hợp trong biểu đồ Hình 3.6. Kết quả cho thấy sự phù hợp tương đối tốt giữa kết quả thí nghiệm và mô phỏng.

a) - Chia lưới phần tử; b) - Biến dạng tích lũy do tải trọng lặp; c) - Trường ứng suất

Hình 3.4: Kết quả mô hình hóa bằng phương pháp PTHH (một nửa kết cấu)

 

Hình 3.5: Vệt hằn lún bánh xe sau thí nghiệm mẫu

 

Hình 3.6: So sánh kết quả thí nghiệm và mô phỏng

 

4. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã tập trung vào ứng xử của vật liệu APJ dưới tác dụng của tải trọng bánh xe và thay đổi nhiệt độ. Mô hình vật liệu phi tuyến, điều kiện biên, mô hình tải trọng, chuyển vị cưỡng bức... đã được lựa chọn phù hợp với sự làm việc của kết cấu trong thực tế. Hiệu ứng của tải trọng bánh xe cũng như tính chất di động của nó cũng được mô hình hóa trong mô hình tính toán.

Kết quả tính toán trong mô hình đã sử dụng một số kết quả thí nghiệm đầu vào (chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu thành phần, đường cong ứng suất biến dạng của vật liệu thành phẩm APJ). Đặc biệt, nghiên cứu cũng đưa ra một số kết quả về ứng xử của hỗn hợp APJ dưới tác dụng của tải trọng lặp. Các kết quả mô hình hóa dự báo cũng đã được so sánh với kết quả thí nghiệm vệt hằn lún bánh xe. Kết quả cho thấy sự tương thích giữa hai phương pháp nghiên cứu.

Tuy nhiên, Đề tài cần tiếp tục nghiên cứu thêm để hoàn thiện mô hình tính toán như: Nghiên cứu, xác định một số tham số về vật liệu để cải thiện mô hình vật liệu, mô hình điều kiện biên, tải trọng... phù hợp hơn với sự làm việc của kết cấu thực tế; nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi tỷ lệ, thành phần vật liệu như nhựa kết dính, cốt liệu đá... của hỗn hợp APJ đến ứng xử cơ học của nó. Ngoài ra, việc nghiên cứu ứng xử của khe APJ dưới tác dụng của các tác nhân khác như khí hậu (độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng...) cũng cần phải được đề cập trong các nghiên cứu tiếp theo.

Tài liệu tham khảo

[1]. PGS. NguyễnThị Minh Nghĩa (2000), Giáo trình“Tổng luận cầu”, NXB. GTVT.

[2]. Tiêu chuẩn TCVN (2014), Khe co giãn lèn Asphalt - Tiêu chuẩn thiết kế thi công và nghiệm thu (dự thảo lần 4).

[3]. Khe co giãn lèn Asphanlt Thorma Joint - Tiêu chuẩn cơ sở thi công và nghiệm thu, TCCS 01:2015/Thalotec.,JSC, 2015.

[4]. Alexander J. Austerman (2004), Evaluation of Asphaltic Expansion Joints.

[5]. Philip Park (May/June 2010), Behavior of Bridge Asphalt Plug Joints under Thermal and Traffic Loads, Journal of Bridge Engineering, Vol. 15, No. 3, pp. 250-259.

[6].  Moon, Kyoung-tae Park, Philip-Park, Sang-yeol, A Study on Analysis Method of Asphalt Plug Joint using FEM.

[7]. Nguyễn Hữu Thuấn, Nguyễn Mạnh Hải, Bùi Tiến Thành, Nguyễn Tuấn Bình (11/2015), Ứng dụng khe co giãn bằng vật liệu đàn hồi cho công trình cầu nhịp nhỏ và trung bình ở Việt Nam, Tạp chí GTVT.

[8]. Nguyễn Hữu Thuấn, Nguyễn Mạnh Hải, Bùi Tiến Thành, Nguyễn Tuấn Bình, Ngô Văn  Minh (10/2015), Ứng dụng khe co giãn Thorma Jointcủa hang ENNIS-FLINT trong sửa chữa thay thế khe co giãn cầu đường ô tô, Hội thảo khoa học, TP. Hà Nội, TP. Hồ Chí  Minh.

[9]. Quy định kỹ thuật phương pháp thử độ sâu vệt hằn lún bánh xe của bê tông nhựa xác định bằng thiết bị Wheel tracking, 2014.