ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN THỊ THU THẢO

NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG
KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ LỚP MÓNG
CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG CHO KHU VỰC
QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG

Ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng
Mã số : 9580205
TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Đà Nẵng, Năm 2023


Cơng trình này được hồn thành tại
Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Nguyễn Hồng Hải
2. PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc

Phản biện 1: ………………...........................
Phản biện 2: ………………...........................

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án ở đơn vị
chuyên môn Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa,
Đại học Đà Nẵng vào lúc ......... giờ, ngày ……… tháng ……… năm

2023.

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Thư viên Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế - xã hội, các phương tiện
giao thông vận tải đường bộ ngày càng tăng lên cả về lưu lượng và tải
trọng trục xe. Do vậy, các tuyến đường cấp cao đang ngày càng được
xây dựng nhiều hơn để đáp ứng nhu cầu. Tuy nhiên nguồn vật liệu sử
dụng cho xây dựng đường ngày càng giảm, việc thiết kế và xây dựng
đường cần phải cân nhắc sử dụng nguồn vật liệu tiết kiệm hơn. Theo
các nghiên cứu của Ban quản lý đường bộ liên bang Hoa Kỳ [1, 2],
loại kết cấu mặt đường mềm (KCMĐ) với lớp mặt bê tơng nhựa (BTN)
đặt trên lớp móng gia cố xi măng (GCXM) có rất nhiều ưu điểm và
đang ngày càng được sử dụng, đặc biệt lớp móng GCXM có cường độ
và độ ổn định cường độ cao nên chiều dày lớp móng sẽ nhỏ hơn giúp
tiết kiệm nguồn vật liệu móng đường khai thác từ thiên nhiên. Khu vực
Quảng Nam – Đà Nẵng đang trên đà phát triển, nhu cầu xây dựng các
tuyến đường càng nhiều, việc tiết kiệm vật liệu KCMĐ là rất cần thiết.
Tuy nhiên, loại KCMĐ này có nhược điểm, dễ xuất hiện các vết
nứt do hiện tượng nứt phản ảnh từ lớp móng GCXM lan truyền lên lớp
mặt BTN, mà nguyên nhân một phần do chịu ảnh hưởng bất lợi của
nhiệt độ. Ngoài ra, BTN có tính chất đàn hồi-nhớt-dẻo nên cường độ
mặt đường chịu ảnh hưởng nhiều vào nhiệt độ và tác dụng của tải trọng

xe chạy. Dưới tác dụng lặp của tải trọng xe chạy, mặt đường BTN dễ
phát sinh biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao (hiện tượng lún vệt bánh xe);
ngược lại ở nhiệt độ thấp BTN trở nên dòn, dễ gãy vỡ và xuất hiện vết
nứt. Có thể nói trong giai đoạn khai thác, nhiệt độ là yếu tố có ảnh
hưởng lớn đến chất lượng và tuổi thọ của KCMĐ này.
Từ đó cho thấy đề tài “Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong kết cấu
mặt đường mềm có lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng cho khu


2
vực Quảng Nam – Đà Nẵng” là rất thiết thực, giúp dự báo chính xác
phân bố nhiệt độ trong KCMĐ dưới điều kiện làm việc thực tế, cung
cấp thông số nhiệt độ vật liệu phù hợp cho tính tốn thiết kế KCMĐ,
nhằm giảm các hiện tượng hư hỏng, nâng cao chất lượng khai thác và
tăng tuổi thọ cho KCMĐ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phát triển mơ hình dự đốn phân bố nhiệt trong
KCMĐ mềm có cấu tạo lớp mặt BTN trên lớp móng cấp phối đá dăm
gia cố xi măng (CPĐD GCXM) thuộc khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng,
từ đó đánh giá ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt độ
trong KCMĐ, đồng thời làm căn cứ đề xuất nhiệt độ áp dụng trong
thực tiễn công tác thiết kế, kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ,
nhằm hạn chế các hư hỏng của KCMĐ dưới tác dụng của tải trọng và
khí hậu thời tiết trong q trình khai thác.
Mục tiêu cụ thể như sau:
- Phát triển thiết bị xác định thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường
trong phịng thí nghiệm, áp dụng xác định thơng số nhiệt lý cho vật
liệu BTN và CPĐD GCXM;
- Nghiên cứu phân bố nhiệt độ trong KCMĐ thực nghiệm kích
thước thật theo thời gian thực, có xét đến ảnh hưởng của thơng số điều

kiện khí hậu khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng;
- Phát triển mơ hình dự đốn nhiệt độ trong lớp mặt BTN và lớp
móng CPĐD GCXM áp dụng cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng dựa
trên kết quả quan trắc thực nghiệm và mô phỏng số;
- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố
nhiệt độ trong KCMĐ mềm có lớp móng CPĐD GCXM, làm cơ sở đề
xuất cấu tạo chiều dày hợp lý của lớp mặt BTN trên lớp móng CPĐD
GCXM và khuyến nghị nhiệt độ tham chiếu sử dụng trong thiết kế,


3
kiểm tra và đánh giá chất lượng KCMĐ mềm khu vực Quảng Nam-Đà
Nẵng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Sự thay đổi nhiệt độ trong KCMĐ mềm gồm lớp mặt bê tơng
nhựa trên lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng.
Phạm vi nghiên cứu:
- Vật liệu đá dăm và cấp phối đá dăm các loại tại mỏ đá Hòa Nhơn
thành phố Đà Nẵng;
- KCMĐ gồm lớp mặt BTN chặt 12,5 dày 13 cm, lớp móng trên
CPĐD Dmax31,5 gia cố 4% xi măng dày 15 cm, lớp móng dưới CPĐD
loại 1 Dmax 37,5 dày 15 cm và nền đường á cát;
- Khí hậu tỉnh Quảng Nam lấy tại trạm khí tượng Tam Kỳ và khí
hậu thành phố Đà Nẵng lấy tại đài khí tượng Trung trung bộ ở địa chỉ
660 Trưng Nữ Vương.
4. Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp phân tích, thống kê kết hợp nghiên cứu lý

thuyết;
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm;
- Phương pháp mô phỏng số.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Luận án xây dựng phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu ảnh
hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm, áp
dụng cụ thể cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng; đồng thời chỉ ra được
ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường và
phân bố nhiệt độ trong KCMĐ;


4
- Phát triển mơ hình dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm
có lớp móng CPĐD GCXM khu vực khí hậu Quảng Nam-Đà Nẵng,
dựa trên các phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến, mạng nơ-ron
nhân tạo (ANN) và mơ phỏng bằng phần mềm ANSYS; đồng thời có
thể mở rộng nghiên cứu cho các loại KCMĐ sử dụng vật liệu khác
nhau, ở các vùng khí hậu khác nhau.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
- Phát triển được thiết bị cho phép xác định được các thông

số nhiệt lý vật liệu mặt đường giúp cho việc dự báo phân bố nhiệt
độ trong KCMĐ chính xác hơn. Thiết bị phù hợp với các loại vật
liệu mặt đường và kích cỡ mẫu thí nghiệm chế bị theo các
phương pháp chế bị mẫu đang được sử dụng hiện nay. Đây là
thiết bị hoàn tồn mới tại Việt Nam, hiện đang được nhóm
nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện và tiến hành các thủ tục đăng ký
thương mại hóa;
- Luận án đề xuất nhiệt độ tham chiếu để các đơn vị có liên

quan có thể xem xét lựa chọn nhiệt độ sử dụng trong tính toán
thiết kế kết cấu nền mặt đường thuộc khu vực Quảng Nam-Đà
Nẵng, đồng thời kiến nghị xem xét sử dụng mơ hình dự báo nhiệt
độ để dự báo nhiệt độ mặt đường khi thực hiện thí nghiệm mơ
đun đàn hồi KCMĐ mềm.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án có cấu trúc gồm có phần Mở đầu, 4 chương (Chương 127 trang, chương 2-22 trang, chương 3-31 trang, chương 4-38 trang),
kết luận và kiến nghị, 26 bảng biểu, 55 hình vẽ, mục lục. Tổng luận án
được trình bày trong 127 trang A4 không kể phụ lục.


5
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỐ
NHIỆT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH
TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CÓ
LỚP MÓNG BẰNG VẬT LIỆU GIA CỐ XI MĂNG
1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc điểm làm việc của kết cấu
mặt đường mềm có lớp móng sử dụng vật liệu gia cố xi măng
Trong quá trình khai thác KCMĐ này thường xuất hiện hiện
tượng nứt phản ảnh, vết nứt bắt đầu từ mặt tiếp xúc giữa lớp móng gia
cố xi măng và lớp mặt bê tơng nhựa và phát triển lên phía trên. Khi vết
nứt xuất hiện trong lớp móng gia cố và độ mở rộng đạt đến một mức
độ nhất định sẽ ứng xử như một khe nối và ứng suất tập trung ở đáy
lớp BTN sẽ xuất hiện tại vị trí này. Sự co giãn của lớp móng GCXM
do ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ hay sự tác dụng của tải trọng
nặng có thể làm cho chiều rộng của các khe nứt tăng lên. Khi ứng suất
kéo ở đáy lớp BTN vượt quá cường độ chịu kéo cho phép, làm xuất
hiện vết nứt phản ảnh. Ngoài ra, lớp mặt BTN của KCMĐ này rất nhạy
cảm với nhiệt độ. Trị số mô đun đàn hồi của lớp BTN phụ thuộc vào
nhiệt độ làm việc thực tế. Do đó, nhiệt độ thay đổi có thể làm ảnh

hưởng đến chất lượng mặt đường BTN như nứt do nhiệt độ thấp, hằn
lún do nhiệt độ cao, …. Do vậy, việc xác định phân bố nhiệt độ trong
KCMĐ sẽ giúp cung cấp cơ sở dữ liệu cho việc nghiên cứu ứng xử của
KCMĐ này dưới sự ảnh hưởng của nhiệt độ. Giúp hạn chế hiện tượng
hư hỏng cho KCMĐ này.
1.2. Cơ sở lý thuyết truyền nhiệt trong kết cấu mặt đường
Do KCMĐ có kích thước theo phương ngang và phương dọc lớn
hơn nhiều so với chiều sâu nên sự truyền nhiệt của KCMĐ có thể xem
là “truyền nhiệt một chiều” [12,14].


6
Phương trình truyền nhiệt một chiều cho KCMĐ nhiều lớp được
viết dưới dạng như sau:
𝑖 𝜕 2 𝑇𝑖 (𝑧, 𝑡) 𝜕𝑇𝑖 (𝑧, 𝑡)
=
𝜌𝑖 𝑐𝑖 𝜕𝑧 2
𝜕𝑡

𝑧𝑖−1 < 𝑧 < 𝑧𝑖 , 𝑡 > 0

(1.1)

Trong đó: Ti(z,t) - trường nhiệt độ ở lớp thứ i (0C); z - khoảng cách từ
mặt đường đến độ sâu cần quan trắc (m); t - thời gian (s); i - độ dẫn
nhiệt của lớp thứ i (W/(m.oC)); i - khối lượng thể tích của lớp thứ i,
(kg/m3); Ci - nhiệt dung riêng của lớp thứ i (J/(kg. oC )).
Dịng nhiệt tại bề mặt KCMĐ có thể được đo trực tiếp hoặc được
xác định thông qua các dòng nhiệt đến và đi tại bề mặt KCMĐ như
phương trình (1.4)

1

𝜕𝑇1 (𝑧,𝑡)
𝜕𝑧

|

𝑧=0

= 𝑞𝑠 − 𝑞𝑙 − 𝑞𝑐

(1.4)

Trong đó: 1 - độ dẫn nhiệt của lớp thứ 1 (W/(m. oC)); qs - bức xạ mặt
trời thực tế được KCMĐ hấp thụ (W/m2); ql - bức xạ sóng dài của
KCMĐ phát ra mơi trường xung quanh (W/m2); qc - dịng nhiệt đối lưu
(W/m2).

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt trong kết
cấu mặt đường


7
1.3.1. Ảnh hưởng của điều kiện khí hậu
Điều kiện khí hậu ảnh hưởng đến dòng nhiệt tại bề mặt của
KCMĐ như thể hiện ở phương trình (1.4).
1.3.2. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu
Ngồi độ phản xạ và độ phát xạ bề mặt của KCMĐ, nhiều nghiên
cứu đã cho thấy nhiệt độ của KCMĐ chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính
nhiệt của vật liệu làm KCMĐ [31,34], bao gồm: Độ dẫn nhiệt, nhiệt

dung riêng và độ khuếch tán nhiệt.
Độ phản xạ và độ phát xạ của bề mặt KCMĐ ảnh hưởng đến sự
truyền nhiệt bức xạ giữa KCMĐ và môi trường xung quanh, trong khi
đó các đặc tính nhiệt của vật liệu KCMĐ ảnh hưởng đến sự truyền dẫn
nhiệt bên trong KCMĐ. Đây là các thơng số có ý nghĩa quan trọng
trong nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ.
1.4. Các nghiên cứu dự đoán phân bố nhiệt trong KCMĐ
Nghiên cứu dự đốn nhiệt độ trong KCMĐ có thể chia thành hai
hướng nghiên cứu: (i) Hướng nghiên cứu dựa trên lời giải của lý thuyết
truyền nhiệt gồm có phương pháp giải tích và phương pháp số (sai
phân hữu hạn, phần tử hữu hạn). Với hướng này phương pháp phần tử
hữu hạn có nhiều ưu điểm và ngày càng được cân nhắc sử dụng. Hầu
hết các hãng phần mềm thương mại đều sử dụng phương pháp này; (ii)
Hướng nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm thống kê gồm: Hồi
quy tuyến tính, hồi quy phi tuyến, mạng nơron nhân tạo (ANN). Với
hướng này chủ yếu dự đoán nhiệt độ cho riêng lớp BTN, hồi quy phi
tuyến mô tả được tổng quát trường nhiệt độ phân bố trong BTN nên
phù hợp cho việc xây dựng mơ hình dự đốn tổng qt theo độ sâu và
thời gian trong lớp BTN. Mơ hình ANN là một hướng tiếp cận mới
trong lĩnh vực dự đoán phân bố nhiệt độ và hứa hẹn sẽ mang lại kết
quả khả quan nên cũng cần được tập trung để nghiên cứu.


8
1.5. Kết luận chung
Kết quả tổng quan cho thấy, chưa tìm thấy nghiên cứu về sự phân
bố nhiệt cho KCMĐ gồm lớp mặt BTN trên lớp móng CPĐD GCXM,
mặc dù ảnh hưởng của nhiệt độ là rất đáng kể đối với các lớp vật liệu
này. Nhiệt độ KCMĐ thay đổi theo không gian và thời gian, phụ thuộc
vào đặc điểm khí hậu của từng vùng. Việc áp dụng các mơ hình nghiên

cứu đã được các tác giả trên thế giới thực hiện vào điều kiện khí hậu
của Việt Nam là khó khả thi, cần được xem xét.
Các mơ hình thực nghiệm được phát triển dựa trên phân tích thống
kê từ số liệu quan trắc nhiệt độ của KCMĐ và điều kiện khí hậu cụ thể
nên dù có độ chính xác cao, cũng khơng thể áp dụng cho các KCMĐ
có các đặc tính nhiệt lý của vật liệu, bề dày vật liệu hay điều kiện khí
hậu khác với mơ hình thực nghiệm. Với sự phát triển các cơng cụ tính
tốn hiện đại, để tiết kiệm chi phí và thời gian có thể kết hợp nghiên
cứu thực nghiệm với mô phỏng số để mơ hình dự đốn có phạm vi ứng
dụng rộng rãi hơn.
CHƯƠNG 2:
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
TRONG PHÒNG XÁC ĐỊNH ĐỘ KHUẾCH TÁN VÀ ĐỘ DẪN
NHIỆT CỦA VẬT LIỆU KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG
2.1. Khái quát về nghiên cứu xác định thông số nhiệt lý của vật liệu
kết cấu mặt đường
Một số nghiên cứu của các tác giả Chen và cộng sự, Côté và
Konrad, Hassn và cộng sự, Luca và Mrawira, Yan và cộng sự [36–
38,71,72] đã chỉ ra các thơng số nhiệt lý của vật liệu có giá trị thay đổi
lớn vì phụ thuộc nhiều vào các yếu tố như đặc điểm hóa học của vật
liệu, cấp phối hạt, độ rỗng dư, độ chặt vật liệu, trạng thái vật lý của vật


9
liệu,…Hiện nay, việc xác định thông số nhiệt lý của vật liệu KCMĐ
gặp nhiều khó khăn do vật liệu KCMĐ chủ yếu là vật liệu dạng hạt
khơng đồng nhất có kích cỡ hạt lớn. Các phương pháp thí nghiệm xác
định thông số nhiệt lý vật liệu thông thường được thiết kế cho các vật
liệu đồng nhất và kích thước mẫu thí nghiệm nhỏ khơng phù hợp với
vật liệu KCMĐ [76–79]. Hơn nữa, các thiết bị được phát triển trước

đây để xác định thơng số nhiệt lý KCMĐ vẫn cịn những nhược điểm
liên quan đến nguồn cung cấp nhiệt không đều (sử dụng cuộn dây hoặc
đường ống nên nhiệt sẽ tiếp xúc không đều với bề mặt vật liệu) [80,81].
2.2. Phát triển thiết bị thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ
dẫn nhiệt của vật liệu KCMĐ
2.2.1. Nguyên lý chế tạo thiết bị

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý chế tạo thiết bị độ dẫn nhiệt

Thiết bị được chế tạo theo nguyên lý bài toán truyền nhiệt 1 chiều
ổn định theo thời gian. Dịng nhiệt truyền theo phương dọc mẫu.
2.2.2. Mơ tả thiết bị
Bộ thiết bị được cấu tạo gồm các bộ phận chính như sau: (1) Bộ
phận gia nhiệt tại mặt mẫu (tấm nóng và bộ điều khiển tấm nóng); (2)
Bộ phận thu nhận dữ liệu (Bộ đọc dữ liệu và cảm biến nhiệt Type K);


10
(3) Hộp đựng mẫu; (4) Tấm lạnh ở đáy mẫu (Tấm lạnh và bộ điều
khiển tấm lạnh); (5) Máy tính hiển thị kết quả. Chi tiết thiết bị thể hiện
ở Hình 2.2

Với thí nghiệm độ dẫn nhiệt, đáy mẫu sẽ được gắn với tấm lạnh
được kiểm soát nhiệt độ. Với thí nghiệm độ khuếch tán nhiệt, tấm lạnh
sẽ được thay bằng tấm đáy cách nhiệt.
2.2.3. Hiệu chuẩn thiết bị đo
Thiết bị đã được hiệu chuẩn bộ đọc nhiệt kế với thiết bị thương
mại TDS 303, bộ đọc công suất được hiệu chỉnh với thiết bị thương
mại Lab – Volt. Ngoài ra kết quả kiểm định độc lập từ Công ty cổ phần
dịch vụ Kiểm định Hiệu chuẩn đo lường Miền trung cho kết quả đảm

bảo độ tin cậy 95%.
2.2.4. Thí nghiệm xác định độ dẫn nhiệt
2.2.4.1. Trình tự thí nghiệm
Quy trình thử nghiệm được tóm tắt như sau: Bước 1: Chuẩn bị
mẫu và khoan hai lỗ ở hai phía đối diện của mẫu để lắp đặt cảm biến
nhiệt độ; Bước 2: Phủ một lớp keo tản nhiệt mỏng lên bề mặt phẳng
phía trên của mẫu được thử nghiệm để đảm bảo truyền nhiệt đồng đều
từ tấm nóng sang mặt mẫu; Bước 3: Đặt mẫu thí nghiệm vào hộp mẫu;
Bước 4: Chèn cảm biến nhiệt vào các lỗ đã khoan và lấp đầy khoảng


11
trống bằng keo tản nhiệt để đảm bảo nhiệt độ liên tục xung quanh cảm
biến nhiệt; Bước 5: Cài đặt công suất nhiệt vào thiết bị gia nhiệt và cố
định nhiệt độ nhất định cho tấm làm mát trong thời gian 4 giờ; Bước
6: Ghi dữ liệu nhiệt độ để tính tốn độ dẫn nhiệt.
2.2.4.2. Tính tốn kết quả
Theo Joseph Luca [76], độ dẫn nhiệt được tính theo cơng thức
(2.1):
𝜆=

𝑄.𝑧
𝐹.𝛥𝑇

=

𝑄.𝑧
𝐹.(𝑇𝑠𝑢𝑟 −𝑇𝑧 )

(2.1)


Trong đó: Q - năng lượng nhiệt cung cấp cho tấm nóng (W); z - khoảng
cách thẳng đứng từ mặt mẫu đến vị trí cảm biến nhiệt (m); T sur - nhiệt
độ bề mặt trên cùng của mẫu khi đạt đến trạng thái nhiệt độ ổn định
(oC); Tz - nhiệt độ ở độ sâu z khi dòng nhiệt ổn định (oC); F - diện tích
mặt cắt ngang mẫu (m2).
2.2.5. Thí nghiệm xác định độ khuếch tán nhiệt ()
2.2.5.1. Trình tự thí nghiệm
Đối với thí nghiệm độ khuếch tán nhiệt, quy trình thực hiện thí
nghiệm gần tương tự với thí nghiệm độ dẫn nhiệt. Tuy nhiên, một trị
số nhiệt độ cố định sẽ được cài đặt cho tấm nóng thay vì sử dụng cơng
suất cố định, thời gian duy trì nhiệt độ thí nghiệm trong 2 giờ, đồng
thời tấm lạnh sẽ được thay bằng đáy cách nhiệt.
2.2.5.2. Tính tốn kết quả
Độ khuếch tán nhiệt được xác định bằng cách so sánh chênh lệch
nhiệt độ giữa việc tính tốn dự đốn nhiệt độ theo lý thuyết truyền nhiệt
một chiều và đo thực nghiệm. Chênh lệch giữa nhiệt độ T(z,t) ở độ sâu
z của mẫu và nhiệt độ bề mặt trong một thời gian nhất định t được xác
định theo phương trình giải tích được Ưzivik (1985) [83], như sau:
4

(−1)𝑛+1

𝛱

2𝑛−1

𝑇(𝑧, 𝑡) − 𝑇𝑠𝑢𝑟 = (𝑇0 − 𝑇𝑠𝑢𝑟 ) ∑
𝑛=1(


exp(−2𝑛 𝑡) cos(𝑛 (ℎ − 𝑧))) (2.2)


12
Với, 𝑛 = (2𝑛−1)
2ℎ

(2.3)

Trong đó: T0 - nhiệt độ ban đầu (t = 0) của mẫu ở vị trí z ( C); Tsur o

nhiệt độ bề mặt không đổi trên mặt mẫu tại z = 0 (oC); α - hệ số khuếch
tán nhiệt, (m2/s); h - chiều cao mẫu (m); t - thời gian duy trì nhiệt độ
ổn định trên bề mặt (s).
Các hệ số khuếch tán nhiệt khác nhau được giả định để tính T(z,t)
bằng phương trình (2.2). Độ khuếch tán nhiệt thu được là giá trị tại đó
sai số trung bình bình phương gốc (RMSE) giữa nhiệt độ tính tốn
(Tcal) và nhiệt độ đo được (Tmea) có giá trị nhỏ nhất. RMSE được xác
định như phương trình (2.4):
1

𝑛

𝑅𝑀𝑆𝐸 = √ ∑𝑘=1(𝑇𝑚𝑒𝑎 − 𝑇𝑐𝑎𝑙 )2
𝑛

(2.4)

2.3. Thí nghiệm xác định độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của vật
liệu bê tông nhựa và cấp phối đá dăm gia cố xi măng trong phịng

thí nghiệm
Mẫu bê tơng nhựa chặt 12,5 và CPĐD Dmax 31,5 GCXM 4%
được khoan từ đoạn thi công thử nghiệm quan trắc nhiệt độ KCMĐ
thực tế trong khuôn viên trường ĐH Bách khoa -ĐHĐN.
Sau khi thí nghiệm cho kết quả giá trị độ dẫn nhiệt và độ khuếch
tán nhiệt như Hình 2.9 và Hình 2.12. Kết quả cho thấy độ dẫn nhiệt và
độ khuếch tán nhiệt có tương quan thuận với nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur
trong khoảng nhiệt độ Tsur=30 oC đến 70oC.
Sau khi thí nghiệm độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt của vật
liệu BTN và CPĐD GCXM, xác định được thông số nhiệt dung riêng
của vật liệu.
2.4. Kết luận chương 2
Phát triển được thiết bị xác định thông số nhiệt lý cho vật liệu
KCMĐ có tính tồn khối (BTN, CPĐD GCXM,…). Thiết bị xác định


13
thơng số nhiệt lý này có ưu điểm: xét được ảnh hưởng của nhiệt độ khi
vật liệu KCMĐ làm việc thực tế; mẫu thí nghiệm có thể được chế tạo
theo phương pháp Marshall hay Proctor hoặc khoan tại hiện trường.
Thí nghiệm thông số nhiệt lý của BTN và CPĐD GCXM từ mẫu
khoan hiện trường của mơ hình quan trắc nhiệt độ thực tế được giá trị
độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt của 2 loại vật liệu này thể hiện ở Hình
2.9 và Hình 2.12. Sau đó, kết quả được sử dụng để tính tốn nhiệt dung
riêng của 2 loại vật liệu này.

Hình 2.9. Tương quan giữa độ dẫn

Hình 2.12. Tương quan giữa độ khuếch


nhiệt và nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur

tán nhiệt và nhiệt độ bề mặt mẫu Tsur

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
QUAN TRẮC NHIỆT ĐỘ TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG
MỀM CÓ LỚP MÓNG CPĐD CỐ XI MĂNG
3.1. Mơ hình thực nghiệm
Mơ hình thực nghiệm được xây dựng có kích thước 2m x 6m,
được xây dựng trong khuôn viên trường Đại học Bách khoa – Đại học
Đà Nẵng. Kết cấu mặt đường thực nghiệm gồm lớp mặt BTN chặt 12,5
dày 13 cm đặt trên lớp móng cấp phối đá dăm Dmax31,5 gia cố 4% xi


14
măng dày 15cm và lớp móng dưới cấp phối đá dăm loại 1 Dmax37,5
dày 15 cm và lớp nền á cát như thể hiện ở Hình 3.1.
3.2. Vật liệu
Tất cả các loại vật liệu BTN 12,5, cấp phối đá dăm Dmax31,5 gia
cố 4% xi măng và cấp phối đá dăm loại 1 Dmax37,5 đã được thí
nghiệm kiểm tra và đạt yêu cầu theo các tiêu chuẩn thi công và nghiệm
thu các lớp vật liệu này.

Hình 3.1. Mơ hình KCMĐ thực nghiệm quan trắc nhiệt độ

3.3. Xây dựng mơ hình thực nghiệm
3.3.1. Thi công kết cấu mặt đường


15

Một số hình ảnh thi cơng và bảo dưỡng các lớp vật liệu được thể
hiện ở Hình 3.4. Sau khi thi cơng tiến hành thí nghiệm độ chặt nền đất
và chất lượng các lớp vật liệu. Kết quả cho thấy việc lu lèn nền đất và
thi công các lớp vật liệu đạt yêu cầu.
3.3.2. Thiết kế và hiệu chỉnh thiết bị quan trắc nhiệt độ KCMĐ

Thiết bị được hiệu chỉnh tương tự bộ đọc đo nhiệt độ của thiết bị
đo trong phịng thí nghiệm như chương 2. Sơ đồ tổng quát hoạt động
thiết bị thể hiện ở Hình 3.5.
3.3.3. Lắp đặt thiết bị


16
Cảm biến nhiệt được lắp đặt để theo dõi nhiệt độ trong lớp CPĐD
GCXM ở giai đoạn bảo dưỡng 14 ngày, theo 3 phương pháp khác nhau
(bao bố tưới ẩm, vải địa tưới ẩm và nhũ tương) ở độ sâu 4cm, 8cm và
12cm. Ở giai đoạn thi công và bảo dưỡng xong, cảm biến nhiệt được
lắp đặt tại các độ sâu cách bề mặt lớp BTN lần lượt là 0cm, 2 cm, 5
cm, 7 cm, 10 cm, 13 cm và cách bề mặt lớp CPDD GCXM lần lượt là
3 cm, 6 cm, 9 cm, 12 cm và 15 cm (xem Hình 3.6). Cuối cùng, tiến
hành quan trắc nhiệt độ KCMĐ với tần suất đọc dữ liệu 10 phút/lần.
Thời gian quan trắc từ ngày 18/01/2021 đến ngày 23/12/2021
3.4. Kết quả quan trắc và bàn luận
3.4.1. Ảnh hưởng của phương pháp bảo dưỡng đến phân bố nhiệt
độ trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng

Hình 3.8 cho thấy, phương sai nhiệt độ theo các phương pháp bảo
dưỡng khác nhau cũng có sự khác biệt, phương pháp bao bố tưới ẩm
có khoảng tứ phân vị ngắn nhất, dao động quanh nhiệt độ trung bình



17
khoảng 1°C đến 2°C, trong khi phương pháp nhũ tương nhựa đường
có khoảng tứ phương vị khá rộng, dao động quanh nhiệt độ trung bình
khoảng 3 đến 6°C tùy độ sâu. Điều này có thể giải thích do ảnh hưởng
của việc tưới nước hàng ngày và khả năng duy trì độ ẩm trên bề mặt
CPĐD GCXM của phương pháp bao bố tưới ẩm và vải địa tưới ẩm
trong thời gian bảo dưỡng. Ngược lại, bề mặt màu đen của nhũ tương
phần nào đã làm tăng khả năng hấp thụ nhiệt từ cường độ bức xạ mặt
trời và làm tăng nhiệt độ của CPĐD GCXM so với nhiệt độ khơng khí.
3.4.3. Phân bố nhiệt độ trong kết cấu mặt đường quan trắc

Hình 3.14a. Diễn biến nhiệt tại các độ sâu trong lớp BTN và CPĐD GCXM

Hình 3.14a và Hình 3.15a cho thấy nhiệt độ trong KCMĐ thay
đổi theo không gian (độ sâu quan trắc trong KCMĐ) và thời gian trong
ngày. Quan hệ giữa nhiệt độ với độ sâu cách bề mặt (Depth) và thời
gian trong ngày (Time) là quan hệ phi tuyến. Vì vậy, để dự đốn được
trường phân bố nhiệt độ trong KCMĐ, các mơ hình dự báo phải có sự
xuất hiện của biến độ sâu (Depth) và biến thời gian (Time). Nhiệt độ
trung bình lớp BTN trong cả năm khoảng 35oC.


18

Hình 3.15a. Thống kê tồn bộ nhiệt độ quan trắc trong KCMĐ theo độ sâu

CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH DỰ ĐOÁN PHÂN BỐ
NHIỆT VÀ ĐỀ XUẤT NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG TRONG TÍNH
TỐN THIẾT KẾ, KIỂM TRA KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM

CÓ LỚP MÓNG CẤP PHỐI ĐÁ DĂM GIA CỐ XI MĂNG KHU
VỰC QUẢNG NAM – ĐÀ NẴNG
4.1. Đặc điểm khí hậu khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng
Quảng Nam nằm ở vùng Trung Bộ của Việt Nam. Tọa độ địa lý
của Quảng Nam nằm trong khoảng 14,45o đến 16,05o vĩ Bắc và 107,52o
đến 109,27o kinh độ Đông. Đà Nẵng nằm ở 15o55’ đến 16o14’ vĩ Bắc
và 107o18’ kinh độ Đơng.
Các số liệu khí hậu (nhiệt độ khơng khí, độ ẩm, lượng mưa, tốc
độ gió, cường độ bức xạ mặt trời) thu thập từ trung tâm khí tượng
Trung trung bộ (Đà Nẵng) và trạm khí tượng Tam Kỳ của Quảng Nam.
Kết quả phân tích cho thấy, giá trị nhiệt độ khơng khí, độ ẩm và cường
độ bức xạ là các thông số biến đổi theo quy luật thời gian và có tương
quan với nhiệt độ KCMĐ, các thơng số cịn lại mang tính ngẫu nhiên.


19
4.2. Phân tích tương quan độ nhạy giữa các thơng số khí hậu và
nhiệt độ trong KCMĐ của khu vực nghiên cứu
Kết quả phân tích tương quan giữa nhiệt độ quan trắc từ mơ hình
thực nghiệm và các thơng số khí hậu của 2 địa phương đã cho thấy, có
thể sử dụng mơ hình dự đốn phân bố nhiệt độ chung cho khu vực
Quảng Nam và Đà Nẵng. Các biến đầu vào của mơ hình dự đốn phân
bố nhiệt độ KCMĐ gồm: biến thời gian (Time), độ sâu (Depth), biến
nhiệt độ bề mặt KCMĐ Tsuf, nhiệt độ khơng khí (Tair) và biến nhiệt độ
khơng khí trung bình ngày hơm trước (Tavg).
4.3. Phát triển mơ hình dự đốn phân bố nhiệt độ trong lớp BTN
4.3.1. Mơ hình dự đốn phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương
pháp hồi quy
𝑇𝑝𝑎𝑣𝑒 = −0,88065 + 1,03320 𝑇𝑠𝑢𝑓 + (0,32322 𝑇𝑎𝑖𝑟
− 0,26008𝑇𝑠𝑢𝑓 )sin(2π𝑇𝑖𝑚𝑒/24 − 0,59002) + log(𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ

+ 0,78098)(−0,47465𝑇𝑎𝑖𝑟 + 1,14710 𝑇𝑎𝑣𝑔 − 0,49832𝑇𝑠𝑢𝑓
+ 3,44770sin(2π𝑇𝑖𝑚𝑒/24 + 9,24490)

Kết quả sai số RMSE giữa nhiệt độ dự đoán với kết quả đo đạc
thực tế nhỏ RMSE=1,49oC và hệ số xác định R2=0,967. Mơ hình này
được xây dựng trên cơ sở dữ liệu nhiệt độ khơng khí Tair = 15,5oC ÷
39,6oC, nhiệt độ bề mặt BTN Tsuf = 17oC ÷ 67,4oC và lớp BTNC 12,5
có chiều dày từ 13cm trở xuống.
4.3.2. Mơ hình dự đốn phân bố nhiệt độ lớp BTN theo phương pháp
mạng nơ ron nhân tạo ANN
Trong tổng số 138816 quan sát của toàn bộ dữ liệu quan trắc nhiệt
độ lớp BTN, nghiên cứu sẽ sử dụng 70% cho việc học (training), 15%
cho việc xác thực (validation) và 15% còn lại cho việc kiểm tra (test).
Sơ đồ cấu trúc mạng ANN thể hiện ở Hình 4.16.


20

Mơ hình đạt kết quả tốt nhất trong trường hợp có 2 lớp ẩn và 38
nơron trong các lớp ẩn. Với hệ số tương quan R = 0,9976, với R2 =
0,996 và sai số RMSE = 0,582oC.
4.4. Ứng dụng phần mềm ANSYS mô phỏng phân bố nhiệt độ
trong KCMĐ


21
Sử dụng kết quả thông số nhiệt lý của BTN và CPĐD GCXM thí
nghiệm từ chương 2 để đưa vào mơ hình mơ phỏng. Mơ phỏng ANSYS
cho KCMĐ tương tự như KCMĐ ở mơ hình thực nghiệm chương 3
(Hình 4.20). Kết quả tính tốn sai số RMSE giữa nhiệt độ mơ phỏng

và đo thực tế RMSE = 0,3oC÷1,5oC.
4.5. So sánh kết quả các mơ hình dự đốn phân bố nhiệt độ đã phát
triển
Theo hướng thực nghiệm thống kê dự đoán phân bố nhiệt độ trong
BTN, nếu điều kiện cho phép nên ưu tiên sử dụng kết quả dự đoán theo
phương pháp ANN do có độ chính xác rất cao. Trường hợp nghiên cứu
tiếp cận theo hướng lý thuyết để dự đốn nhiệt độ cho cả KCMĐ, có
thể sử dụng mơ phỏng bằng phần mềm ANSYS.
4.6. Ảnh hưởng của chiều dày lớp mặt BTN đến phân bố nhiệt độ
trong lớp móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng
Biên độ dao động nhiệt độ lớn nhất trong lớp CPĐD GCXM có
quan hệ theo hàm logarit với chiều dày BTN: ∆𝑇𝑚𝑎𝑥𝐶𝑃Đ𝐷 𝐺𝐶𝑋𝑀 =
−7,251ln(ℎ𝐵𝑇𝑁 ) + 26,575 và R² = 0,9974. Với chiều dày lớp BTN 15

cm (bằng chiều dày lớp CPĐD GCXM), xác định được biên độ dao
động nhiệt độ lớn nhất trong lớp CPĐD GCXM là 6,9oC.
4.7. Đề xuất nhiệt độ áp dụng trong thực tiễn công tác kiểm tra và
thiết kế KCMĐ cho khu vực Quảng Nam - Đà Nẵng
Đối với khu vực Đà Nẵng - Quảng Nam và các khu vực có khí
hậu tương tự, nên sử dụng nhiệt độ tham chiếu tính tốn mơ đun đàn
hồi BTN ở 35oC. Sử dụng mơ hình được phát triển để dự đốn nhiệt
độ cung cấp cho thí nghiệm đo mơ đuyn đàn hồi KCMĐ mềm.


22
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1.Những kết quả đạt được của luận án
(1) Phát triển được thiết bị xác định thông số nhiệt lý của vật liệu
KCMĐ có tính tồn khối. Thiết bị xác định thơng số nhiệt lý này có
ưu điểm: xét được ảnh hưởng của nhiệt độ khi vật liệu KCMĐ làm việc

thực tế; nhiệt độ tiếp xúc đều với bề mặt mẫu; mẫu thí nghiệm có thể
được chế tạo theo phương pháp Marshall hay Proctor hoặc khoan tại
hiện trường. Áp dung xác định thông số nhiệt lý cho vật liệu BTNC
12,5 và CPĐD Dmax 31,5 GCXM 4%.
(2) Nghiên cứu đã chỉ ra phương pháp bảo dưỡng có ảnh hưởng
đến phân bố nhiệt trong lớp móng CPĐD GCXM ở giai đoạn bảo
dưỡng. Trường hợp bảo dưỡng bằng bao bố kết hợp tưới ẩm cho kết
quả tốt nhất với diễn biến nhiệt độ trong lớp CPĐD GCXM ít bị biến
động và đạt cường độ cao nhất trong các phương pháp bảo dưỡng.
Phương pháp bảo dưỡng bằng nhũ tương cho kết quả ít ưu việt nhất
nên hạn chế áp dụng trong thực tiễn.
(3) Xây dựng mơ hình thực nghiệm KCMĐ mềm kích thước 2m
x 6m gồm lớp mặt BTNC 12,5 dày13cm và lớp móng CPĐD Dmax
31,5 GCXM 4% dày 15cm; đồng thời phát triển bộ thiết bị quan trắc
nhiệt độ tự động cho phép thu thập dữ liệu nhiệt độ trong KCMĐ của
mơ hình thực nghiệm theo thời gian thực. Nhiệt độ được thu thập 10
phút/ lần tại bề mặt và các độ sâu cách bề mặt lớp BTN 2cm, 5cm,
7cm, 10cm, 13cm; cách bề mặt lớp CPĐD GCXM 3cm, 6cm, 9cm,
12cm và 15cm. Thời gian quan trắc từ 18/01/2021 đến 23/12/2021.
(4) Xây dựng được mơ hình dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ
dựa trên các phương pháp phân tích hồi, ANN và mơ phỏng trên
ANSYS. Mơ hình sử dụng các biến đầu vào có thể được thu thập dễ
dàng gồm: Tsuf, Tair, Tavg, Time và Depth. Cả 03 mô hình dự báo đều


23
cho độ chính xác khá cao: hồi quy phi tuyến cho sai số RMSE=1,49oC
và R2=0,967; ANN cho RMSE=0,582oC và R2=0,996; phân tích mơ
phỏng bằng phần mềm ANSYS cho RMSE từ 0,3oC đến 1,5oC.
(5) Nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của chiều dày lớp mặt BTN

đến phân bố nhiệt trong lớp móng CPĐD GCXM; xây dựng được
phương trình tương quan giữa chiều dày lớp mặt BTN với biên độ dao
động nhiệt độ tại bề mặt lớp CPĐD GCXM (phương trình 4.6) và giữa
chiều dày lớp mặt BTN với chênh lệch dao động nhiệt độ lớn nhất giữa
bề mặt và đáy lớp móng CPĐD GCXM (phương trình 4.5).
(6) Đề xuất xem xét nhiệt độ tham chiếu sử dụng xác định mô đun
đàn hồi mặt đường BTN cho khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng là 35oC.
Với KCMĐ có 2 lớp mặt BTN, mốc nhiệt độ quy định tính trượt 60oC
hiện nay phù hợp với BTN lớp dưới còn đối với BTN lớp mặt trên
chọn mốc nhiệt độ trung bình cao nhất quan trắc được là 67oC. Mốc
nhiệt độ tính kéo uốn 10oC đến 15oC hiện nay như trong tiêu chuẩn
phù hợp với trường hợp của nghiên cứu.
2. Những đóng góp mới của luận án
Về mặt khoa học:
(1) Luận án xây dựng phương pháp tiếp cận trong nghiên cứu ảnh
hưởng của điều kiện khí hậu đến phân bố nhiệt trong KCMĐ mềm, áp
dụng cụ thể cho khu vực Quảng Nam-Đà Nẵng; đồng thời chỉ ra được
ảnh hưởng của nhiệt độ đến thông số nhiệt lý vật liệu mặt đường và
phân bố nhiệt độ trong KCMĐ;
(2) Phát triển mơ hình dự báo phân bố nhiệt độ trong KCMĐ mềm
có lớp móng CPĐD GCXM khu vực khí hậu Quảng Nam-Đà Nẵng,
dựa trên các phương pháp phân tích hồi quy phi tuyến, mạng nơ-ron
nhân tạo (ANN) và mô phỏng bằng phần mềm ANSYS; đồng thời có