CHUONG 1 ,
HON HOP BE TONG NHUA VOI DO BEN KHAI THAC VA TUOI THO CUA MAT DUONG BE TONG NHUA 1.1 CAC LOAI HINH HU HONG CUA MAT DUONG BE TONG NHUA
Có một số định nghĩa về hư hỏng và các loại hình hư hỏng của mặt đường
bê tông nhựa: :
- Hư hỏng của mặt đường là tình trạng kết cấu mặt đường kém di làm giảm năng lực phục vụ hoặc dân đên giảm năng lực phục vụ của mặt đường
- Biểu hiện của hư hỏng là các hiện tượng quan sát được, thể hiện các cơ chê hình thành hư hỏng khác nhau, dân đên giảm năng lực phục vụ của mặt đường
- Hư hỏng về kết cấu là hiện tượng nứt, vỡ hay biến dạng làm giảm hoặc có thê không dân đên giảm năng lực phục vụ ngay lập tức, nhưng sẽ dân đên việc giảm năng lực phục vụ của mặt đường trong tương lai _
- Nút vỡ là trạng thái mặt đường bị nứt ra thành từng mảng lớn hay từng miếng nhỏ, và có khả năng bong ra khỏi bề mặt đường
- Biến dạng là sự thay đổi hình dạng mặt đường hay một phần của mặt đường mà không thể hồi phục được
- Phân rã mặt đường là hiện tượng các vật liệu thành phân của mặt đường bị tách rời hoặc bị bong ra khỏi mặt đường
- Nứt phản ảnh xảy ra trên lớp mặt của kết cầu mặt đường, có liên quan đến và bị gây ra bởi sự di chuyển tương đối của vệt nứt hoặc của khe nơi từ lớp phía dưới
- Nứt ở nhiệt độ thấp thường là nứt ngang, được tạo thành khi ứng suất kéo tạo ra do trương nở của hỗn hợp lớn hơn cường độ chịu kéo của vật liệu
- Bong bật là hiện tượng phân rã theo quá trình của vật liệu bề mặt Nguyên nhân có thể do hàm lượng nhựa không đủ, do nhựa đường bị hoá già, do cốt liệu ẩm và/ hoặc bản, do cốt liệu có bề mặt nhẫn min (khơng có mặt vỡ), hoặc do lu lèn không đủ độ chặt
- Lún vệt bánh ra tạo thành có nguyên nhân từ đầm nén không đủ hoặc từ
chất lượng của hỗn hợp thường là chất lượng của cốt liệu và thành phân cấp phối côt liệu Khi lún vệt bánh kết hợp với hiện tượng trượt trôi, hàm lượng nhựa và loại nhựa đường sử dụng có thể là một nguyên nhân, kết hợp với điều kiện tải trọng tác dụng
Trang 2
- Nut do moi do nguyén nhan phôi hợp giữa biến dạng lặp lại và suy, giảm cường độ của vật liệu Biến dạng lặp lại đối với hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường chủ yếu là do tải trọng
Các loại hình hư hỏng chủ yếu của mặt đường bê tông nhựa bao gồm: Nut
Có nhiều dạng nứt mặt đường như nứt ngang, nứt doc, nứt lưới, nứt hình parabol bắt nguôn từ nhiều nguyên nhân khác nhau, do tải trọng xe chạy, do nhiệt độ (thay đổi nhiệt độ) trong hỗn hợp, do thay đổi độ âm và nhiệt độ của các lớp phía dưới
Nutt do moi (hind | TL DỤ
tows tie nh ` - Ghia * nên 1”
Hình 1.1, Nút do moi Hinh 1.2 Nut do nhiệt 0 nhiệt độ thấp Nut xảy ra trong mặt đường bê tông nhựa khi các tái trọng tác dụng gây ra ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của vật liệu Một dâu hiệu sớm của hiện tượng nứt mỏi là sự xuất hiện các vết nứt đài không liên tục theo vệt bánh xe Các vết nứt sau đó được phát triển dần lên do ở một số điểm các vết nứt trong cầu trúc hỗn hợp-sẽ nối lại với nhau, hình thành các vùng nứt lớn Các vết nứt phát triển cho tới khi trở thành nứt kiểu da cá sấu với đặc tính gồm nhiều các vết nứt ngang nối tiếp VỚI CÁC vết nứt dọc Mặt đường sẽ tiếp tục bị hư hỏng nặng hơn nữa khi xuất hiện các ổ gà do xe cộ đi qua làm bong bật lớp mặt bê tông nhựa và làm cho nước mặt có khả năng thâm xng làm giảm cường độ các lớp phía dưới
Hiện tượng nứt mỏi xảy ra thông thường là do phối hợp các nguyên nhân sau: - Tai trong nang trung phuc nhiều trên mặt đường; _
- Mặt đường có bé dầy nhỏ hoặc các lớp phía dưới yếu làm xuất hiện độ võng lớn trên mặt đường do tải trọng tác dụng Độ võng mặt đường lớn làm tăng các ứng suât kéo ở phía đáy của lớp bê tơng nhựa, dân tới hình thành vêt nứt
Trang 3chat lượng lớp dính bám kém làm tăng giá trị ứng suất kéo dưới đáy lớp _ vật liệu bê tông nhựa
Trong trường hợp thông thường (khi mặt đường được thiết kế và thi công đúng), hiện tượng nứt mỏi là một dâu hiệu báo mặt đường đã chịu tới SỐ lượng tải trọng trục thiết kế tính tốn Mặt đường khi đó cần phải được nâng cấp cải tạo
cho phù hợp Nếu hiện tượng nứt mỏi xảy ra ở cuối thời kỳ thiết kế thì đó chỉ là
một hiện tượng phát triển một cách tự nhiên theo như được dự đoán trong thiết kế Nếu quan sat thay các vết nứt xuất hiện sớm hơn so với thời kỳ thiết kế thì cũng có thể đó là dấu hiệu tải trọng giao thông được đánh giá không đúng mức trong khi thiết kê
Các cách tốt nhất để kiểm soát hiện tượng nứt mỏi là:
- Tính toán hợp ly số lượng tải trọng nặng trong thời kỳ thiết kế, - Đảm bảo thoát nước mặt đường tốt để nền đường không bị âm ướt,
- Sử dụng lớp kết câu mặt đường đủ chiều dày, |
- Sử dụng vật liệu hợp lý cho lớp mặt đảm bảo khơng thấm nước Ngồi ra, các lớp vật liệu mặt đường cân có khả năng ôn định nước
- Sử dụng hỗn hợp bê tông nhựa có thành phần được thiết kế hợp lý, đảm bảo cường độ chịu được tải trọng bánh xe Hay nói cách khác, hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường cần được thiết kế để đảm bảo có đủ cường độ kéo, chống lại ứng suất kéo lớn nhất gây ra tại đáy của lớp bê tông nhựa do tải trọng bánh xe và có đủ tính đàn hồi để chồng lại sự tác động của tải trọng trùng phục mà không gây ra những vết nứt Có nghĩa là, hỗn hợp bê tông nhựa được thiết kế sao cho có khả năng giống như một vật liệu đàn hồi trong trạng thái chịu kéo và khắc phục được hiện tượng nứt mỏi Khả năng chịu kéo của hỗn hợp bê tống nhựa phụ thuộc nhiều vào nhựa đường, loại nhựa đường có độ cứng nhỏ có đặc tính chịu mỏi tốt hơn nhựa đường có độ cứng lớn
- Sử dụng vật liệu làm lớp dính bám tốt và thi công đủ chất lượng để đảm -
bảo dính bám hồn tồn giữa lớp bê tông nhựa mặt đường và lớp dưới
Hiện tượng nứt do mỏi cần được sửa chữa triệt để, thông thường băng cách đào bỏ và thay thế vật liệu mới hoặc có thể rải tăng cường trên toàn bộ mặt đường Nếu không được sửa chữa kịp thời, các vết nứt mỏi ban đầu nhanh chóng phát triển thành nứt lưới và bong bat tao ỗ gà Ngoài ra, nước thắm xuống qua các khe nứt làm đất nền âm ướt, giảm cường độ và hình thành hồ lún dưới tác dụng của tải trọng bánh xe _
Nứt do nhiệt (nứt tại nhiệt độ thấp) - hinh 1.2
Trang 4Cac vét mit do nhiệt độ thấp được tạo thành khi các lớp mặt đường bị co ngót lại trong thời tiết lạnh giá Khi hiện tượng co ngót mặt đường xuất hiện thì đồng thời cũng sinh ra các ứng suất kéo ở trong lớp bê tông nhựa Tại một vài điểm đọc theo mặt đường, các ứng suất kéo vượt quá cường độ kháng kéo trong lớp bê tông nhựa và dẫn tới hiện tượng nứt Hiện tượng nứt do nhiệt độ thấp xuất hiện chủ yêu từ một chu kỳ đơn của nhiệt độ thấp, nhưng nó có thể phát triển khi các chu kỳ nhiệt độ thấp được lặp lại
Vá trám lại các vết nứt dạng này là hình thức sửa chữa hiệu quá để giảm tốc độ xuống cấp của mặt đường
Nut dọc (xem hình 1.3)
Nứt dọc thường có nguyên nhân từ việc cạp nên - mặt đường, làm cho biến ˆ dạng không đều giữa các phần đường mới và đường cũ Nứt dọc theo vết lún bánh xe do ứng suất kéo do tải trọng xe gây ra vượt quá cường độ chịu kéo của vật liệu (có tính đến lão hoá và mỏi) Việc vá trám vết nứt dọc băng vật liệu thích hợp là giải pháp hiệu quả để tránh việc tăng nhanh tốc độ xuông cấp theo các hình thức: nứt thứ cấp từ vết nứt cũ, hình thành nứt lưới lớn do biến dạng lún lõm mặt đường lớn, khi nước theo các khe nứt ngắm xuống làm giảm cường độ các lớp móng đường và nên đường
;
Mn
«la me
Hinh 1 3 Nứt dọc và nứt lưới lớn t trên mặt st đường b bê tong nhựa Nút lưới lớn (Block Cracking) - hinh 1.3
Là loại hình hư hỏng phát triển từ vết nứt ngang vả nứt dọc, nguyên nhân thường là nứt do nhiệt kết hợp với hiện tượng lão hoá, đặc biệt là lão hố trong q trình thi công không được kiểm sốt Loại hình vết nứt này cũng thường xuất
hiện trên những khu vực rải bê tông nhựa bề mặt lớn, như sân, bãi đỗ Nếu tại các
Trang 5cho hiện tượng: hư hỏng này cũng rất phức tạp vì sẽ phải bóc bỏ tồn bộ phân vật liệu mặt đường có hư hỏng trước khi tải tăng cường
Nit phan ánh (hình l4) - 1e ‘ace ° “si Ba ; ete % ake
Wea i eee - whe ÁN Keo ties iY:
LABS IN CY
Del Pp ESOT AO: %
Hinh 1.4 Nut phan anh tu - Hình 1.5 Nứt trượt hình parabol mặt đường cũ
Nứt phản ánh có thể do các nguyên nhân sau:
-Nứt từ khe nối của mặt đường bê tông xI măng phía dưới Truyên từ vết nứt do nhiệt của mặt đường bê tông nhựa cũ Truyền từ nứt block của mặt đường phía dưới
Truyền từ nứt dọc của mặt đường phía dưới Truyền từ nứt do mỏi của mặt đường phía dưới
_ Co ché gây nứt do sự di chuyển tương đối lớn khác nhau giữa hai mép của vết nứt, được thê hiện ở hinh 1.6 /1/
A Chiéu vat nut phat tién
ng
em
ị
| <a—_—_——— Khe co dan nhiet | ©
S5
(=>
Tai trong giao thong Sv
—>
Ạ ¡ Chiêu vét nựt phạt triên
-+©—-+ Bien dang do tai trong giao thong
|
Ỷ a
Trang 6Nứt trượt (nút hình parabol) - hình 1 5
Nứt trượt thường do dính bám giữa lớp mặt và lớp dưới kém hoặc hỗn hợp bê tông nhựa kém chất lượng (cấp phối kém, nhựa đường không phù hợp, hàm lượng nhựa quá lớn ), kết hợp với ảnh hưởng của lực ngang do xe hãm, rẽ, quay đâu Sửa chữa cho loại hình này nhất thiết phải bóc bỏ toàn bộ phần hỗn hợp hư hỏng
Hu héng biến dạng
Lún vệt bánh xe - hình 1.7
Hình 1.7 Lún vệt bánh trên Oude | lộ 5 Hình 1.8 Lún cục bộ, trồi nhựa trên Quốc lộ I
Vệt lún bánh xe thường xuất hiện dọc theo vệt bánh xe chạy và có xu hướng phát triển ra phía lề đường, được hình thành do các nguyên nhân:
- Sự giảm thể tích của bê tơng nhựa do tác dụng đâm nén của bánh xe;: - Ứng suất cắt lặp đi lặp lại do tác dụng của bánh xe, đây là nhân tổ cơ bản Trong giai đoạn đầu tác dụng tải trọng, biến dạng lún theo phương thăng đứng phát triển nhanh hơn nhiều so với biến dạng trồi lên ở mép vệt bánh xe Trong giải đoạn này tác dụng đầm nén của tải trọng bánh xe có ảnh hưởng quan trọng đến sự hình thành vệt hẳn lún bánh xe Sau đó, mức độ giảm thê tích của mặt đường bê tơng nhựa do tác dụng đầm nén của bánh xe đã kết thúc Sự phát triển của chiều sâu vệt lún bánh xe lúc nảy là do sự dịch chuyên của vật liệu bê tông nhựa trong khi thể tích khơng thay đơi, có nghĩa là phần thể tích lún ở vệt bánh xe được tăng thêm bằng phần thể tích trồi ở vị trí bên cạnh của mép vệt bánh xe (gọi là hiện tượng lún - trồi) Biến dạng hình thành trong giai đoạn này được coi là đại diện cho biến dạng vĩnh cửu của mặt đường bê tông nhựa trong quá trình sử dụng, thường có độ lớn gây ảnh hưởng trực tiếp dén nang luc phuc vụ của mặt đường Xét vê cầu trúc, hỗn hợp bê tông nhựa mắt ổn định bộ khung
chịu lực của cốt liệu bi pha vo
Chiều sâu vệt lún bánh xe liên quan chặt chẽ đến số lần tác dụng của tải trọng bánh xe trên mặt đường (xem hình 1.9) |
Trang 7Số lần tác dụng của tải trong S00 1099 1750 3500 (7950 6000 1250 138{cm’ Bién dang (mm)
Hình 1.9 Quan hệ giữa số lần tác dụng của tải trọng với vệt hăn lún bánh xe
Các nhân tố ảnh hưởng đến hiện tượng hư hỏng lún vệt bánh xe bao gồm: - Cốt liệu: Thành phần cấp phối, độ nhám bê mặt của cốt liệu, hình dạng
hạt và cỡ hạt - Loại nhựa sử dụng
- Thành phân và tính chất vật lý của hỗn hợp bao gồm độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu và phần trăm lỗ rỗng lấp đầy băng nhựa đường
- Điều kiện tải trọng: Độ lớn của áp lực tác dụng, số lần tác dụng của tải
trọng
- Điều kiện môi trường: Nhiệt độ, độ ẩm
Có hai loại vệt lún bánh xe theo cơ chế hình thành phát triển được thê hiện
trong hình 1.10 Trường hợp thứ nhất, ung suất cắt trượt xuât hiện trong lớp vật liệu bê tông nhựa lớn hơn cường độ chịu cắt của vật liệu Hỗn hợp khi đó không ổn định, bị biến dạng và xô trượt Nguyên nhân của hiện tượng này thông thường liên quan đến quá trình thiết kế thành phân hỗn hợp bê tông nhựa, lựa chọn loại và hàm lượng nhựa đường Ngoài ra, tải trọng trùng phục và ảnh hưởng của thành phần lực ngang của tải trọng bánh xe cũng là các yêu tố quan trọng hình thành lún vệt bánh dạng này Trường hợp thứ hai, biến dạng gây ra vệt hăn bánh xe chủ yếu xảy ra trong lớp nên và lớp móng hơn là xảy ra trong lớp bê tông nhựa Trong trường hợp này, cường độ tổng thể của kết câu nền mặt đường kém, không đủ đáp ứng yêu câu của tải trọng giao thông Vấn đề chính cân kiểm sốt trong trường hợp này là thiết kế kết cấu nên mặt đường, trong đó chú trọng đến việc lựa chọn vật liệu và yêu cầu vật liệu hợp lý cho mỗi lớp trong kết câu mặt đường Tính tốn và thực tế cho thấy, việc tăng cường độ lớp đỉnh nền giải pháp hiệu quả, làm tăng đáng kế cường độ chung của hệ kết cấu nên - mặt đường Đây là quan điểm thiết kê cân được chú trọng để phô biến
Trang 8TRUONG HOP 1 Mat cat ngang ban dau ranean f
TH TH Ska wane xã ess
Lớp bê tông nhựa yếu
Biên dạng hỗn hợp : Mặt cắt TRƯỜNG HỢP 2 - ngang , / ban dau * le a Na a re ra ae _ ã Sa OE TOTES La DE ae _ “3 ae Bee eae " eo ings 2 Saat RE Naot PEE oe 5
rath,
F
mm c, _: Biến dạng
Nên đât yêu hoặc lớp móng dưới yêu nền đất
Hình 1 10 Các trường hợp lún vệt bánh xe từ các nguyên nhân khác nhau _ Tuy theo mức độ lún và nguyên nhân gay ra, hiện tượng hư hỏng này có thể thực hiện băng cách vá, hoặc cào bóc một phần hay toàn bộ kết cấu nên - mặt: đường
Lượn sóng và trơi lún (hình 1.11)
Lượn sóng, trồi lún là hiện tượng hư hỏng do biến dạng cắt trượt trong lớp kết cấu bề mặt, có nguyên nhân chủ yêu từ độ ôn định của hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường Chất lượng hỗn hợp kém (cốt liệu có thành phần cỡ hạt kém, không đảm bảo thỏa mãn giới hạn đường cong cỡ hạt tiêu chuẩn, hạt cốt liệu không đảm bảo yêu cầu và góc cạnh và thộ ráp bề mặt (cốt liệu tròn cạnh), sử dụng loại nhựa -_ đường khơng thích hợp, hàm lượng nhựa đường lớn ) là nguyên nhân chính của hiện tượng này Nguyên nhân kết hợp là do tải trọng ngang của bánh xe trên mặt đường Vì vậy, vị trí thường xảy ra hư hỏng là gân trạm thu phí, bến xe, nút giao cắt, các đường cong phối hợp dốc đọc Hình thức sửa chữa duy nhất cho hiện tượng hư hỏng này là cào bóc loại bỏ vật liệu mặt đường kém chất lượng, thay thế bằng hỗn hợp vật liệu tốt
Mắt mái vật liệu mặt đường:
Bong bật - bong tréc - 6 ga - (xem cdc hinh 1.12; 1.13; 1.14)
Trang 9Ăe — + ' ae a iad a
Hinh 1.14 Bat đầu hình - : Hinh 1.13 Bong bat cốt liệu mặt đường thành ô gà
Các hiện tượng mắt mát bề mặt này có thể do các nguyên nhân hoặc phối hợp các nguyên nhân sau:
- Hàm lượng nhựakhơngđủ
Dính bám kém giữa cốt liệu và nhựa đường
Côt liệu âm và không đảm bảo độ sạch
Chất lượng nhựa đường kém, nhựa đường hóa già - Đâm nén không đủ
- Thi công vào điêu kiện thời tiêt bât lợi
1.2 HON HOP BE TONG NHUA - CAC THANH PHAN CO BAN’
1.2.1 Các thành phần vật liệu chính và tính chất cơ bản của bê tông nhựa
Hỗn hợp bê tông nhựa đã đầm nén cũng như bất kỳ vật liệu nào khác có thể xem như có ba pha với pha lỏng được xem như là thành phan chat dinh kết Các thành phần vật liệu cơ bản của hỗn hợp bê tông nhựa như vậy sẽ bao gồm các cốt
liệu hạt thô (đá dăm) và hạt mịn (cát) có thành phần cỡ hạt tuân theo một quy luật
nhất định, nhựa đường (bitum) và bột khoáng (bột đá vôi, xi măng ) Các tính chất của bê tơng nhựa phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và chất lượng tương tác giữa cốt liệu và chất dính kết Mỗi thành phần trong hỗn hợp bê tông nhựa
đóng một vai trị nhất định và có liên quan chặt chẽ đến nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làm lớp mặt đường Các đặc tính của vật liệu thành phần và ảnh hưởng của chúng đến độ bền khai
Trang 10“~
thac va tudi thọ của mặt đường bê tông nhựa sẽ đường phân tích kỹ trong ba chương tiếp theo
Cốt liệu bao gồm: cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt min với chức năng tạo bộ khung chịu lực cho hỗn hợp Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải đảm bảo thỏa mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn được quy định cho mỗi loại bê tông nhựa khác nhau với mục đích tạo khung chịu lực bên vững mà vẫn đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu Với bê tông nhựa chặt, thành phần cỡ hạt của cốt liệu theo phương trình họ đường cong Fuller:
| =100(dD} (1.1)
VỚI n=0.45 - :
D: phan trăm lọt sàng tích luỹ tại cỡ sàng d (mm), %
D: cỡ sàng lớn nhất của hỗn hợp cốt liệu, mm
Bituim nhựa đường là một thành phân cơ bản đồng thời là thành phân tạo nên tính chất tiêu biểu của bê tông nhựa, đó là tính đàn hỏi - nhớt ở nhiệt độ thập và dẻo - chảy ở nhiệt độ cao Các tính chất của bitum thay đôi hắn về bản chất ˆ khi điều kiện chịu tải trọng thay đổi làm cho cường độ và độ ổn định của hỗn hợp bê tông nhựa cũng thay đôi đáng kể Để mô phỏng đặc tính biến dạng của bitum cũng như của vật liệu bê tông nhựa, người ta có thể sử dụng nhiều mơ hình cơ học khác nhau phù hợp với điều kiện chịu tải trọng khác nhau Ở nhiệt độ thấp có thể dùng mơ hình Maxwell thể hiện đặc điểm vật liệu đàn hồi - nhớt với một lò xo đàn hỏi lý tưởng ghép nỗi tiếp với piston chất lỏng nhớt lý tưởng Đề thể hiện thêm tính phát triển đàn hồi chậm, người ta dùng mơ hình Kelvin gồm một lò xo đàn hồi lý tưởng ghép song song với một piston chất lỏng nhớt lý tưởng Và để thể hiện cả tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo người ta dùng mơ hình mơ hình Burgers gơm mơ hình Maxwell phép nối tiếp với mơ hình Kelvin Mơ hình tong hợp này được thể hiện trong hình vẽ sau với biến dạng và tỉ lệ giữa ứng suất với biến dang
theo công thức fal, |
oO o I | = —(1+—)+ =] t-exp| pm tạ) <| si rÌ _ (1.2) -— be, g — xa (1.3) E, ¬.= + 1 E.QD &(T,D+1) - Hình 1.15 Mơ hình Burgers Trong mơ hình trên:
Trang 11Eo - mo dun dan hồi của lò xo đàn hồi ly tưởng trong mơ hình Maxvel
Tạ =A,/£E, - thời gian nghỉ, tương ứng với piston chất long | nhot ly tưởng
trong mô hình Maxvel Với: - |
Ao - d6 nhét cia piston chat long nhot ly tưởng trong mơ hình Maxvel
E¡ - mô đun đàn hồi của lò xo đàn hồi lý tưởng trong mơ hình Kelvin
T, =4,/E, - thoi gian nghỉ, tương ứng với piston chất lỏng nhớt lý tưởng trong mơ hình Kelvin Với:
Ay - độ nhớt của piston chất lỏng nhớt lý tưởng trong mơ hình Kelvin
D= ổ a_ - toán tử Laplace sử dụng trong chuyển đổi Laplace mơ phỏng mơ
hình đàn hồi - nhớt - dẻo /3/
Với mơ hình thể hiện khá đầy đủ tính chất của bê tông nhựa như trên, có thể
thấy tỉ lệ giữa ứng suất và chuyên vị (thông số độ cứng) của vật liệu này là tổng
hợp các thông số đàn hồi (E) và nhớt (^)
Biến dạng tổng cộng theo mơ hình Burger do vay có thé hiéu bao gém ba thanh phan: bién dang dan hôi tức thời, biến dạng đàn hồi chậm (biến dạng tré) va bién dang đẻo (biến dạng nhớt) (xem hình 1.16)
_ TT 9 dane về ~~ én ~“Z " \) Bi _— Z Oo (\- ~” ⁄ = _ ⁄ E _— | >~ S ⁄ _~~” E | z _T ot ye-a Các thành phần biến dạng
| 0 _ của vật liệu đàn - chảy
| -E _ Biến đạng tức thời theo mơ hình Burger
OQ “ F
L_ —_———————————— —
†
Mô đun của vật liệu bê tông nhựa do vậy can duoc hiéu theo ý nghĩa của mô - đun tổng hợp (mô đun phức) Mô đun phức được định nghĩa là tống cường độ chống lại biến dạng của vật liệu có-tính đàn hồi - nhớt - chảy khi chịu ứng suất Mô đun phức gồm hai thành phần: thành phần đàn hồi và thành phần nhớt - chảy
Đề mơ tả tính chất này, có thể sử dụng hai thông số là mô đun phức và góc pha Xem hình 1.17, chúng ta thấy, các giá trị khác nhau của mô đun phức và của góc pha cho thây tính chất của bitum sẽ thiên về đàn hồi hay nhớt - chảy theo tương quan giữa thành phần đàn hỏi và thành phần nhớt - chảy Hai loại vật liệu có tính chất đàn hơi - nhớt - chảy có mơ đun phức băng nhau nhưng tính chất vật liệu có thể hồn toàn khác nhau do tương quan thành phần của mô đun phức khác nhau
Trang 12
EM 2 E* 5 l E" 2 5 2 5 E* 1S e, `
E E Hình 1.17 Các thành phân của mô
Ộ b : : _ đun phức của hai vật liệu có giá trị
X- x — T/pdànhỏi E mơ đun như nhau tính chât khác nhau
T/p đàn hồi E'
Mô đun phức được thê hiện như sau:
E*= E'+i1E"
E*=|E*| cos ® + il E*| sin ®
VỚI
E* - mô đun phức
| E*| - mô đun đàn hồi phức động, được tính theo ứng suất và biến
dạng cực đại |E*|= sa |
đo
® - trễ pha giữa biến dạng và ứng suất ý = -_x360
P
t¡ - thời gian trễ giữa chu kỳ biến dạng và ứng suất ty - thoi gian cua chu kỳ ứng suất
¡ - hệ số thành phân nhớt - chảy
Với vật liệu đàn hồi thuân tuý, ® = 0, với chất lỏng thuần tuý Đ= 90° Vi du về ứng suất và biến dạng theo thời glan trong thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi động trong hình 1.18 thể hiện trễ pha giữa chu kỳ và chu kỳ biến dạng
| + ey ot < ® 4o
£asin(@t-®)
Hình 1.18 Biểu đồ ứng suất biến dạng theo thời gian - thí nghiệm mô ˆ t dun dan héi dong tổng hợp
Trong hỗn hợp bê tông nhựa, bitum cùng với bột khoáng tạo nên chất liên
kết asphalt Bột khoáng khơng chỉ có chức năng làm đây các lỗ rỗng trong khung
cốt liệu mà còn là thành phân làm biến đổi tính chất kết dính thuần tuý của bitum
trong asphalt Bột khoáng làm màng nhựa trở nên mỏng do đó tăng khả năng
dính kết Ngồi ra, bột khống cịn cải thiện tính chất nhạy cảm với nhiệt độ của -
biftum do việc sử dụng bột khoáng làm tăng nhiệt độ hoá mềm của chất dính kết asphalt mà khơng làm thay đổi nhiệt độ nứt gãy của nó
Trang 13Một thành phân nữa trong hỗn hợp bê tông nhựa cân phải kể đến là phụ gia | Co nhiéu loai phu gia duoc nghiên cứu sử dụng dé cai thien tinh chat nhat dinh
của bê tông nhựa phù hợp với một mục dich str dung-nhat-dink SC GASTHONG TANTET |
1.2.2 Các thành phân cầu thành và mối quan hỆ khối lộ HỆ ici HỘ gui MINH
hỗn hợp đã đầm nén Hệ; ` Vị NI, _
Một số định nghĩa:
Độ rong cốt liệu ( VMA): La thể tích của các khoảng trơng giữa các hạt cốt liệu trong hỗn hợp đã đâm nén bao gồm cả độ rông khơng khí (độ rơng dư) và thể tích của nhựa đường không bị hap th thu vao trong cốt liệu (xem hình 1.19) Độ rỗng khơng—> SA - “An ĐÀ ~ £
nu 5 ác \g Cư x$í Lượng nhựa hâp thụ
thấm nước Š :
‘Luong nhựa có hiệu
Độ rỗng thấm “ Aa “A Se -
nước et 5 Độ rồng cịn dư
Hình 1.19 Cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa đầm nén
Độ rỗng không ngắm nước; độ rỗng ngắm nước; lượng nhựa hấp thụ;
lượng nhựa có hiệu; độ rỗng còn dư
Độ rỗng cốt liệu là một chỉ tiêu thể tích được kiểm sốt trong hầu hết các phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa Đây là một chỉ tiêu vật lý ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu cơ học của hỗn hợp bê tông nhựa, và ảnh hưởng đến cường độ và độ bên của hỗn hợp Độ rỗng cốt liệu phụ thuộc vào kích cỡ và thành phần kích cỡ hạt trong hỗn hợp ‹ cốt liệu
_— Độ rồng trong tồn bộ hơn hợp (độ rỗng dut) (VIM): la thé tích của các túi - khí nhỏ giữa các hạt cốt liệu đã được bao bọc bang nhua duong trong hỗn hợp bê
tông nhựa đã đầm nén, được thể hiện là % của thể tích hỗn hợp
Cũng tương tự như độ rỗng cốt liệu, chỉ tiêu độ rỗng dư cũng là một chỉ tiêu
quan trọng để thiết kế hỗn hợp và kiểm soát loại và chất lượng của bê tông nhựa
Độ rong được lấp đây bằng nhựa duong(V FA): là % thể tích của VMA được lap day bang nhựa đường Chỉ tiêu này có môi quan hệ chặt chẽ với độ rỗng cốt liệu và độ rông dư Tuy nhiên, chúng không phải là mối quan hệ đơn, vì hai hỗn hợp cốt liệu có kích cỡ và thành phần hạt như nhau, đghĩa là có độ rong cét liệu như nhau, nhưng từ nguồn cốt liệu khác nhau sẽ cho phân trăm lỗ rong lap đầy bằng nhựa cũng như là độ rỗng cịn dư hồn toàn khác nhau
Thành phân của bê tông nhựa như tyếnzl#: đề cân:só; ớ thể xem như bao gồm ba pha với pha khí là độ rơng dư, pha |lƠnÂNGdhiỆ1hThù Tung nhai 6ó;hiệu Hà pha răn là éốt liệu bao gồm cả lượng nhựá hấp thụ THOME RRhành phan hỗn
13259 ~ 17
Trang 14
hợp bê tông nhựa đã đầm nén theo thể tích và theo khối lượng và các kí hiệu tương ứng được thê hiện ở bảng 1.1 đưới đây
: _Bang 1 1 Thanh phan hỗn hợp bê tông nhựa theo thé tich va theo khối lượng
_ Ký hiệu thành phan | Hon hợp bề tông nhựa Ro, đã dam nén và các Ký hiệu thành phần ke theo thé tich -_ thành phân của nó s Luh 2 oe theo khôi lượng
Vr | Bê tông nhựa đã đầm nén Wr
Vv Độ rỗng dư | 0
VEAC | Lượng nhựa có hiệu _ WEAC
VAC - Lượng nhựa hấp thụ _ WAAc
Vage | _— Cốtliệu Wage
Quan hệ giữa các thành phân của bê tông nhựa đã đầm nén được thé hiện qua một sô các công thức:
Vy
Vr |
trong dé: VIM - độ rỗng còn dư của hỗn hợp đã đâm nén (5)
VTM =— x 100 (1.6)
Vy - thể tích lỗ rỗng trong mẫu hỗn hợp đã đầm nén (cm” ) V; - thé tích tồn bộ mẫu hỗn hợp đã đầm nén (cm”)
Wac _Werac +Waac
Wr Wr
AC = x 100 | (1.7)
trong đó:
AC - hàm lượng nhựa đường trong hỗn hợp (%)
Wac - thành phần nhựa đường theo khối lượng (g)
Wr- tổng khối lượng mẫu bê tông nhựa đã đầm nén (g)
Wzac - khối lượng của thành phần nhựa có hiệu (g)
WAACc = khối lượng của thành phần nhựa hấp thụ (g)
VMA = Vy + Ÿ g4C x100 (1.8)
| T : :
trong đó:
VMA - độ rỗng cốt liệu (%) |
Vy - thể tích của lỗ rỗng khơng khí trong mẫu hỗn hợp đầm nén (cm” ) |
Veac thé tich ‘thanh „ phần nhựa: có hiệu trong mẫu hỗn hợp đã đâm nén (cm? )
OP OS gs
Trang 15V - thé tích tồn bộ mẫu hỗn hợp đã đầm nén (cm)
= Mage x 100 (1.9)
S,Gr dog VW | :
trong do: — | |
V Age ~ thể tích cốt liệu trong mau hén hop da dam nén (cm3)
Wagg- kh6i long cốt liệu trong hỗn hợp (g)
Sp Gragg - ti trong cua cốt liệu
V Age
+w - trọng lượng riêng của nước (ø/cm)
Dung trọng hat: Dung trọng hạt của cốt liệu được tính theo công thức sau |
Dung khối lượng hạt cốt liệu sây khô (g)
trọng hạt =_ thể tích cốt liệu + thể tích lỗ rỗng không thể ngắm (1.10)
(g/cm') nước (cm”) : :
Hinh 1.20 la so dé miéu ta vé.dung trong hat
Độ rỗng không
thâm nước - -
Độ rông thâm nước
Hình 1⁄20 So đồ mô tả về dung trọng hạt
Dung trọng thé tích(khơ): Dung trọng thể tích khơ được tính theo cơng thức
Dungtrọng — khối lượng hạt cốt liệu sấy khô (g) |
the tich = thể tích cốt liệu + thê tích lỗ rỗng có và (1.11)
(g/cm) khơng ngâm nước (cm)
Xem hình 1.21 mô tả dung trọng thê tích khơ
Độ rỗng khơng
thâm nước 'ˆ
Hình 1.21 Sơ đồ mô tả về dung trọng thể tích khô
Trang 16Dung trong thé tich trạng thái bão hịa, khơ bê mặt: Dung trọng thể tích trạng thái bão hịa, khơ bề mặt được tính theo cơng thức
KL hạt cốt liệu sấy khô + KL nước trong lỗ
Dung trọng rỗng thắm nước (g)
the tich (g/cm*) = “TT thé tích cốt liệu + thẻ tích lỗ rơng có và không 4 ra + mảnoh lỗ xơng có và Khê (1.12)
ngắm nước (cm)
Xem hình 1.22 mô tả dung trọng thé tích trạng thái bão hịa, khô bề mặt
Độ rỗng không '*thắm nước
>=Độ rông thầm nước
Hình 1.22 Sơ đồ mô tả về dung trọng thể tích (trạng thái bão hồ, khơ bề mặt)
Dung trong co hiéu cua cốt liệu: Dung trọng có hiệu của cốt liệu được tính
theo cơng thức |
: KL hat cốt liệu sấy khơ (g) :
Dung có hiệu củaCL = , — ` y — (6) -_ (1.13)
(g/cm) Thê tích cơt liệu + thê tích lơ rông
không ngắm nước + thể tích lỗ rơng có thể ngâm nước - thể tích nhựa hap thụ (cm)
Xem hình 1.23 mô tả dung trọng có hiệu của cốt liệu
Hình 1.23 Sơ đồ mô tả về dung trọng có hiệu của cốt liệu
Trang 17Dung trong thé tich: được tính theo các công thức
KL hat cét liệu + KL của nhựa đường (g) (1.14) | Tổng thể tích hỗn hợp (cm?) | | Dung trong thé
tích (ø/cm”)
Dung trọng thể tích lớn nhất theo lý thuyết của hỗn hợp bê tông nhựa được tính tốn như sau:
Pu |
Gum =p" p- SS 4 FB (1.15)
| Gse Gp
VỚI
Gym - dung trọng thể tích lớn nhất theo lý thuyết (g/cm”)
Pym - tổng khối lượng hỗn hop (g) Ps = khối lượng cốt liệu (g)
Py = khối lượng nhựa đường (g)
Gs; = dung trọng có hiệu của cốt liệu được bọc bởi nhựa đường (g/cm? ) Gp = dung trong cua bitum (g/cm)
Xem hình 1.24 mơ tả dung trọng lớn nhất theo lý thuyết của hỗn hợp bê tơng nhựa
Thể tích cố liệu
Độ rỗng không
_ thấm nước Thể tích lỗ rỗng khơng có nhựa
Thể tích lỗ rỗng lắp đầy nhựa
Hình 1.24 Sơ đồ mơ tả về dung trọng lớn nhất theo lý thuyết của hỗn hợp
1.3 CAC TINH CHAT CUA HON HOP VOI BO BEN KHAI THAC CUA MAT
DUONG BE TONG NHUA
1.3.1 Đặc tính lý học của hỗn hợp bê tông nhựa Độ rong du
Độ rỗng dư có ảnh hưởng rât lớn đến đặc trưng khai thác của mặt đường bê tông nhựa chặt Nếu độ rỗng dư nhỏ hơn 3%, hỗn hợp bê tơng nhựa mặt đường có nguy cơ xuất hiện vệt lún bánh xe do biến dạng đẻo chảy Nếu độ rỗng quá lớn, sẽ thúc đây q trình lão hố của bê tông nhựa làm giảm độ bên chịu mỏi của mặt đường Một nghiên cứu tiến hành ở hai hiện trường thực nghiệm là hai tuyến
Trang 18duong 6 Nam Phi cho két qua về đặc trưng khai thác của mặt đường phụ thuộc - vào độ rông dư của mặt đường được thê hiện trong hình 1.25 và hình 1.26 /32/
| | | Venibitdéy [ooo
Vết nứt lan truyền COO Ow OOO Eee Oe Oe mee ewe ee et ew ee eee ee ee OO ee Ree eee ee eee eee eee
Ok 3 Nguy hiểm Ị | | Khơng nứt | Có lhể nứt i Sé nin
Sẽ xô trượt Có thể xơ trượt Khơng xơ trượt
a
= : me % VIM
0 l 2 3 4 5 6 7 8 °
Hình 1.25 Hư hỏng mặt đường và độ rỗng còn dư của hỗn hợp - tuyến I
| | | | | | ị | | i> Khong nit! | Cóthểnứt Sẽ nứt —_ Lanes —_— a _ | | |
Sẽ xƠ trượt Có thể xô trượt) Không xô trượt
c
0ˆ 1 2 3 4 5 6 7 ge NIM
Hình 1.26 Hư hỏng mặt đường và độ rỗng còn dư của hỗn hợp - tuyến 2 Độ rong dư còn có xu hướng giảm đo tác dụng đầm nén thứ cấp của tải trọng Một sô kết quả nghiên cứu vê môi quan hệ giữa độ rỗng dư và khả năng xuất hiện vệt lún được thể hiện trong hình 1.27 Các kết quả nghiên cứu này khăng định ngưỡng an toàn của độ rồng dư của bê tông nhựa chặt dé khong xuat hiện lún vệt bánh la 3% Hinh 1.28 thể hiện kết quả theo dõi thực nghiệm về quan hệ giữa độ rỗng dư và chiều sâu lún vệt bánh Chiều sâu lún vệt bánh nhỏ trong phạm vi cho phép (<5mm) sau tác dụng đầm nén thứ cấp của tải trọng giao thông k khi độ rong du > 3% /32/
Trang 19Một số hỗn hợp có độ rỗng dư 2% vẫn không bị lún khi chịu tác dụng của tải trọng giao thông
Nhưng hầu hết các hỗn hợp khác đầu bị lún Ngưỡng độ rỗng dư an toàn là 3%
Khả năng hư hỏng bởi lún dạng dẻo
Biến dạng dẻo không xáy ra với hỗn hợp có độ rỗng dư lớn hơn 3%
m— % VỊM
0 | 2 3 40S 6
Hình 1.27 Kha năng xuat hién vét lun do bién dạng dẻo phụ thuộc độ rỗng du 25 B € = 20 3 Q % 15 mT |Lún vệt bánh Không lún vệt bánh = S 5 3 10 -Ð os Ö 5 0 0 2 4 6 8 | 10
Độ rỗng dư sau một thời gian khai thác
Hình 1.28 Chiều sâu vét lún và độ rỗng dư sau đầm nén thứ cấp
Độ rỗng lấp đây bằng nhựa
Độ rỗng lấp đầy băng nhựa đường, tính băng %, là chỉ tiêu có liên hệ chặt chẽ với độ rỗng dư, và như vậy, cũng có mối liên hệ chặt chẽ với đặc trưng khai thác của mặt đường Chỉ tiêu này được qui định cho bê tông nhựa chăth thông thường là 50% - 70% Nếu giá trị này cao quá; lên đến 80% - 85%, hỗn hợp sẽ có
.khả năng mắt ồn định và xảy ra hiện tượng lún vệt bánh
Trang 20Tinh lao hoa
Lao hoa (hoá cứng) của hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc hồn tồn vào tính lão hoá của nhựa đường Van đề này sẽ được trình bày kỹ trong Chương 2 - Nhựa đường và độ bên khai thác của mặt đường bê tông nhựa
1.3.2 Đặc tính cơ học của hỗn hợp bê tông nhựa
Các chỉ tiêu Marshall
— Các chỉ tiêu Marshall dùng để lựa chọn hàm lượng nhựa và để kiểm soát chất lượng hỗn hợp bê tông nhựa trong q trình thi cơng Thí nghiệm xác định độ ốn định và độ chảy Marshall ở nhiệt độ 60C, là nhiệt độ của mặt đường vào những ngày nóng của mùa hè Một số quốc gia su dung độ cứng (thuong số) Marshall như một thông số cơ học đặc trưng cho cường độ yêu câu của hỗn hợp Tuy nhiên, thực tế, rất ít có những sô liệu chỉ ra mối quan hệ rõ ràng giữa đặc trưng khai thác của mặt đường và các chỉ tiêu Marshall Thi nghiém Marshall
được trình bày kỹ trong Chương 4 - Thiết kế thành phản hỗn hợp và độ bền khai:
thác của mặt đường
Một số chỉ tiêu lý học của nhựa đường có mối liên hệ với độ ổn định
Marshall theo các kết quả nghiên cứu /1/, thể hiện trong hình 1.29
! Xã e 6 on dinh Marshall, kN | 6 dn dinh Marshall kN rs w OQ a > z 5 69 ag
Đỏ kim lun ở 25ĐC, dnm Độ hoá mềm (IP), 9C
Hình 1.29 Mơi quan hệ giữa các chỉ tiêu lý học của nhựa đường và độ ôn
định Marshall của hỗn hợp bê tông nhựa
Mô đun đàn hôi
Trang 21thể cho các giá trị mô đun độ cứng khác nhau tuỳ thuộc vào cơ chế gia tải và điều
kiện thí nghiệm |
Có một phương pháp tính toán độ cứng của hỗn hợp phụ thuộc vào mô dun
độ cứng của nhựa đường ở nhiệt độ nhất định và với thời gian gia tải nhanh được
quy định Đó là phương pháp của hãng Sell được phát triển bởi Van der Poel /L/ Phương pháp này đã được phát triển thành tốn đơ, và thành phần mềm ( phan mềm tính tốn BAND) Hình 1.30 thê hiện tốn đồ tính tốn mơ đun đàn hồi của hỗn hợp bê tông nhựa theo nghiên cứu của hãng Sell
%
The tích cơi Gư
diệu khoang Vq
Maggi wis mA ee OH Doe ask WT 47 ¢ re
The tich Ditum Yụ
Modun dé cung ctia han hap Pa Ẳ% a Ẹ = a s 5 + ° G i ¬ » ° :Ð + cs c 3 ae 2 A RRR g tp ie 2 = et hee Waves j > 3 tus
wy ade Bitus: yi:
Khoea kh pi vở phe Bot "+ ” St DE we
The tich ium Vy
Viduo TT L i Z A
Médun do cung cua bitue = 2.2.10° Pa NiêQun do cưng Hinh | 3 0 Toan do XaC định độ
Mts Thể och ous bstum £3.17 \ _— cứng của hôn hợp bê tông nhựa
Ýq: Thê tích của coi liệu khoang, 86.5% ‡,1x10?2 Pa
Có một số mơ hình thí nghiệm xác định mô đun độ cứng của vật liệu bê tơng
nhựa được trình bày dưới đây
Trang 22Mô ẩun đèn hồi tải trọng lặp - Resilient Modulus “ nghiệm k kéo gián Hep tai trong lặp)
- Mơ hình thí nghiệm thể hiện trong hình 1.31 và sơ đề tông thể thể hiện hoạt động của thiết bị thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tal trong lap được thể hiện trong hình 1 32
P
Mạ=—(0.27+) - (1.16)
Hi
Mạ: mô đun đàn hồi; psi P: lực tác dung, Ib
H; chuyên vị ngang, Inches ot: chiéu cao mau, inches
u: hệ số Poisson KHUYẾCH ĐẠI [| ADC nN D kẽ ` ——- bị cốc sim
Hình 1.32 Sơ đồ tong thé cha hé théng thiét bị
._Mơ hình trong hình 1.32 bao gơm có thiết bị kéo gián tiếp tải trọng lặp /5/ được đặt trong buông ồn nhiệt Lực tác dụng với chu kỳ, thời gian tác dụng và ' thời gian nghỉ nhất định được điều khiển từ máy tính thơng qua bộ điều khiển PLC, điều khiến van đóng - mở pitton nối với máy nén khí Các biến dạng đo được từ các đầu đo có độ nhạy theo yêu cầu được đưa ra bộ khuyếch đại và qua bộ chuyền đổi ADC để chuyển đổi tín hiệu điện tử ở đầu đo lực và chuyên vị về tín hiệu số để xử lý qua máy tính Kết quả sau đó thể hiện trên màn hình máy tính
(xem hình 1.33) |
Trang 23Thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn-AASHTO - D4123 /6/,
Hình 1.33 Đơ thị lực và chuyển vị
hiển thị trên màn hình máy tính
Trong nghiên cứu /7/, thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp để xác định mổ đun đàn hổi tải trọng lặp của bê tông nhựa được tiến hành tại các mức nhiệt độ: 5°C; 15°C; 20°C; 30°C; 50°C và với năm tần số tác dụng lực khác nhau tương ứng với điều kiện về vận tốc dịng giao thơng và khoảng trống thời gian giữa các xe trong dòng xe thực tế được điều tra trên Quốc lộ 1 Các tần số tác dụng lực tương ứng với thời gian tác dụng của tải trọng và thời gian chu kỳ được thí
nghiệm bao gồm: Sa
- MI: Thời gian gia tải 0.1s, thời gian chu ky Is
- M2: Thời gian gia tải 0.02 s, thời gian chu kỳ 1s
- M23: Thời gian gia tải 0.02 s, thời gian chu kỳ 10s - M4: Thời gian gia tải 0.02 s, thời gian chu kỳ 30s - M5: Thời gian gia tải 0.05 s, thời gian chu kỳ 5s
Số chu kỳ lực lặp tác dụng cho mỗi mẫu thử được quy định là 120 và các kết quả được xuất ra theo các biểu mẫu bao gồm:
- Bảng phi chi tiết kết quả lực tác dụng và biến dạng tương ứng đo được trong 05 lần gia tải sau cùng, dùng để tính tốn mơ đun đàn hồi tải trọng lặp theo mơ hình kéo gián tiếp (xem hình 1 34)
- Đồ thị của lực tác dụng và các chuyển vị từ các đầu đo tương ứng với lực tác dụng được ghi lại trên máy tính đối với toàn bộ 120 chu kỳ gia tải, và có thể được xuất ra với bất kỳ chu kỳ nào (xem hình 1.35)
- Báng ghi chỉ tiết biến dạng đàn hồi tong cộng cho cả 120 chu kỳ gia tải (xem hình 1.36) Bảng ghi này cho thấy, mặc dù tải trọng tác dụng trong thời gian ngăn tương ứng với chu kỳ lực lặp tác dụng, biễn dạng dư tích lũy tồn tại sau mỗi chu kỳ gia tải Đây chính là tính chất tiêu biểu đàn hồi - nhớt - chảy của vật liệu bê tông nhựa
Trang 24BANG KET QUA
-58:13 : 3/3,
CATEMPADATA\377.tnd 14:58:13 ngay: 3/3/2003
Ki hiéu mẫu;
Ngày thử nghiệm
Tham số điểu khiển Modul 1
'BDTTDl:BDTTD2BDTTTBBDNI BDN2 ‘BDNT BDTTNIBDTTN2BDTTNTHeso 0.016 0011 B.O17 _ 10005 ¡0006 '0 :Ð8.016 0.016 Chú thích: 1.Lu (XN) "0.016 ‘0.012 0.010 :0.010 0.011 0011 2 DR mw em ¬
EDDI (mm) : Biấn dạng đàn hồi dọc tổng cộng 1
BDD2 (mm): Biển dang đàn hồi tổng cậng doc 2
EDDT (mm): Biến dạng đàn hồi dọc tổng cộng trung bình
EDTTD1 (mm): Biến dạng đàn hải tức thàä dọc 1 EDTTD2 (mm): Hiến dạng đàn hồi tức thời doc 2 RDTTR (mm): Biến dang dim hai doc tic thas trung bình
8 EDN1 (mem): Biến dạng đàn hồi ngang tổng cộng 1 9 BDN2 (mm): Điền dạng đần hỗi ngang tổng cộng 2 10 EDNT (mm): Biến dạng đàn hồi ngang tổng cộng trung bình 11 BDTTNI (mem): Biến dạng đàn hồi tức thèi ngang 1 12 EDTTNN1 (œưn): Biến dạng đàn hổi tức thời ngang 2 ~ 13 EDTTNI1 (mm): Biến đạng đàn hồi ngang tức thời trung bình
14, Hệ sế
Hình 1.34 Kết quả của 05 lần tác dụng lực cuối cùng của 120 chu kỳ gia tải
Fil | G |
NHAN NHY 20/2A, ¡142104040 0,98 s206-c/2/02/8640 20 View Graph Repon | «+
Meas Window Han
| A
=>
&
nd COOMERA ARNE BET he nee te we sec era te
:15131 mau
aA
Rw
wa
Modut 1 Thi nghiem: 14:58:13 ngay: 3/3/2003 ĐÔ THỊ LỰC, CHUYỂN VỊ
~— Chưyen vi 1 — Chuyen ¥i 2 ~ Lục 2 Bde Page 1/30
Hình 1.35 Đồ thị thể hiện lực tác dụng và các chuyền vị tương ứng
Trang 25lí hiện mâu: CATEMPDATAN77 tod i (mm) a 2 0.0176 3 0.0180 4 ooo ` 5 00163 6 ‘0.0161 7 rere ‘0.0154 9g 00134 10 00127 11 0.1115 12 011B 13 0.0119 14 — 0114 15 0.0109 16 0.0108 17 0.0105 18 -00104 18 "00107 20 0.0114 -
BIEN DANG DAN HOITONG CONG
21 "0.0114 22 0.0126 23 0.0105 24 ‘0.0117 25 0.0111 26 — /00110 27 — 00103 287” 00108 ` 238 00084 - 30 0.0105 31 ,00108 32 10.0107 33 ‘0.0106 34 0.0104 35 0108 - 36 ;00088 37 0.0107 38 (0.0112 39 0010_- 40 ‘0.0107 41 0.0111 —- 42 00103 ~ 43 0.0106 44 — 00105 45 0.0112 46 0.0105 47 0.0110 4Ð 00113 - i ator 50 «0.0105 151 0.0113 | 52 0.0103 153 0.0104 54 0.0083 55 0.0108 5B 0.0108 57 ——— 00101 59 00107 80 :00104 - 14:58:13 ngay: 3/3/2003 Modul 1 (mm) B1 018d02 |81 0.0104 62 /0008 |82 00106 63 '0.0110 83 0.0104 B4 00104- B4 0.0106 B5 ¡0.0088 - 8° 00112 66 ‘0.0107 88 0.0113 67 00107 87 00107 68 0012 {88 00103 69 :00102_ 89 0.0106 707 0010 190 0.0108 71 00101 31 0.0106 72 0.0112 92 0.0108 73 :00107 93 0.0104 7 0.0113" 34 0.0111 75 00102 95 0.0108 76 0.0093 96 0.0115 77 0.0103 97 0.0102 78 01 |9 00105 - 79 0010 |93 — 00102 go 00109 ° {100 , 00107
Hình 1.36.- Biến dạng đàn hồi tổng cộng của 120 chu kỳ gia tải _ Một số kết quả nghiên cứu /7/ về giá trị mô đun đàn hồi của một số loại bê
tơng nhựa điển hình theo mơ hình thí nghiệm này được đưa vào bảng 1.2 dưới
đây ¿
Bảng 1.2 Giá trị thực nghiệm m6 dun dan hồi kéo gián tiếp tải trọng lặp (MPa) đối với mẫu chế tạo trong phòng theo /7/
Loại mẫu | Chu 5 %C 15°C 20 °C 30°C 50 °C
kỳ | Tức | Tổng | Tức | Tổng | Tức | Tổng | Tức | Tông | Tức | Tông
tải | thời thoi | thoi thời thời
Trang 265 °C
{Loại mẫu | Chu 15°C 20 °C 30°C 50°C
kỳ | Tức | Tông | Tức | Tông | Tức | Tống | Tức | Tổng | Tức | Tổng
tải | thời thời thời thời thời
lớp dưới -| M3 | 3,556 | 3,493 |3,518 | 3,518 | 3,908 | 3,794 | 3,843 | 3,751 5.4% | M4 |3,185 |3,171|3,566 |3,463 | 3,814 |3,930 | 2,576 | 2,683: bitum | MS | 2,653 | 2,621 |3,178 |3,122 |3,005 |2,976 |1,843.|1,789| 846 | 846 H6n hop | M1 | 2,727 | 2,601 | 1,838 | 1,725 | 2,355 | 2,280 | 1,639 | 1,508 - | thô - lớp | M2 | 3,277 | 3,349 | 4,109 | 3,930 | 2,808 | 2,789 | 2,731 | 2,707 | 682 | 675 dưới - | M3 | 3,226 | 3,162 | 3,119°| 3,050 | 3,115 | 3,115 | 3,556 | 3,442 | 837 | 831 5.4% |-Mé4 | 3,545 | 3,539 | 2,394 | 2,390 | 4,160} 4,217 | 3,177 13,177 | 531 | 528 bitum | M5 | 3,065 | 2,997 | 2,679 | 2,674 | 2,416 | 2,388 12,197} 2,119} 543 | 540
Bang 1.3 Gia trị thực nghiệm mô đun dan hôi kéo gián tiếp tai trong lap (MPa) đôi với mâu khoan hiện trường theo /7/
¬ Chiều: - [Bien dang) Mo dun | pién dang |Mé dun dan Sô hiệu > Tên file |cao mâu | | x | Lực tác | đàn hôi | đàn hôi nae , ; }dan hoi tong) hôi tông |, ,a¬ 2 Ae VÃ
mau (mm) dung (N)| tức thời | tức thời (mm) (MPa)
(mm) | (MPa) TR-1 | 31.tnd | 32.50 | 384.00 0.030 1429 0.030 1429 TR-2 | 1ltnd | 40.33 | 528.00 | ~ 0.031 1515 0.033 1437 TR-3 | 27.tnd | 38.37 | 568.00 0.028 1876 0.028 1876 TR-6 | 18.tnd | 45.43 | 396.00 0.017 1893 0.016 1974| TR-7 | 25.tnd | 46.27 | 606.00 -0.030 1584 0.030 1549 TR-9 | 17.tnd | 51.57 | 477.00 0.026 1296 0.026 1296 TR-10 | 30.tnd | 49.63 | 534.00 0.026 1507 0.028 1380 TR-I1 | 26.tnd | 41.43 | 522.00 0.026 1742 0.028 1616 TR-12 | 7.tnd | 52.77 | 484.00 0.028 1191] — 0.028 1176 Trung bình — bu 1559 SỐ 1526 TH-1 | 1ltnd | 58.03 | 363.00 0.011 2018 0.011 2081 TH-2 | 28.tnd | 53.20 | 412.00 0.022 1249] - 0.022 1288) TH-4 | 20tnd | 43.83 | 604.00_ 0.034 1438 0.035 1410 TH-5 | 23.tnd | 53.03 | 501.00 0.029 1156 0.029 1169 TH-6 | 2tnd | 50.83 | 475.00 0.017 2030 0.018 1877 TH-7 | 4.tnd :| 49.90 | 411.00 0.016 1906 0.015 1948 TH-8 | 15.tnd | 30.10 | 450.00 0.036 1501 0.0361: 1501 TH-9 | 3tnd | 49.47 | 400.00 0.021 1411 0.021 1366 TH-10 | 13.tnd | 46.80 | 500.00 0.025 1537 0.026 1496 Trung bình © 1583 1571)
_ Nghiên cứu 77/ cũng đưa ra các mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi tải trọng lặp đối với thời gian tác dụng của tải trọng, nhiệt độ thí nghiệm và độ lớn tái trọng tác dụng trong thí nghiệm của các loại bê tơng nhựa điển hình Các đồ thị
được thể hiện trong các hình từ 1.37 đến 1.39 dưới đây thể hiện lần lượt các mối
Trang 27với giá trị mô đun đàn hồi giảm khi nhiệt độ tăng, và giảm khi thời gian gia tải tăng lên hoặc tải trọng tác dụng lớn lên
7.000 6,000 5,000 4.000 3.000 Mé dun dan héi (MPa) 2,000 1,000 0 ty = 1084,2x 04 R* = 0.4213 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 Mô dun đàn hồi (MPa) 1,000 500
MO BUN PAN HOt - THỜI GIAN TÁC DỤNG LỰC
0.02 0.04 “0.06 0.08 — Thời gian tác dụng lực (s) 0.1 0.12 - Hình 1.37 Quan hệ
giữa mô đun đàn hồi
và thời gian tác dụng tải trọng 0 10 20 30 40 Nhiệt độ › (độ C) 50 _ y y 60 70 | 1 = 4339 16206 R?=0.9148 _ = 4700.65 | Rˆ=0.982 =4063.2c0.144x : R* =0.9583 y= 3365 2e00355x R? =0.8157
Hình 13 38 Đồ thị quan hệ giữa mô đun đàn hồi và nhiệt độ thí nghiệm
4000 >> nhàn 3 3500 †— a ~ 3000 |—* — 2500 - mx-ye——= — 5 nh ch sa -SÀ = 2000 s â = 1500 1000 ơ 0 1000 2000 3000 Mức tải trọng (N) tức thời)
= = = «Log (M6 dun đàn hồi tổng)
y = -578.68Ln(x) + 6883.8
R°=
————
Log (Mo dun dan héi
Ị Ị ị | | | 3192 y = -399.17Ln(x) + 5292 7 R* = 0.9773 4000 -
Trang 28Gia tri mô ) đun đàn hồi x xác định bằng thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp được dùng làm thông số cho cường độ của bê tơng nhựa trong tính tốn kết cấu
mặt đường theo AASHTO |
Mô đun phức động
Mô đun phức động còn được gọi là mô đun động, với lực tác dụng động theo chiều dọc trục của mẫu theo dạng hình sin Mô đun đàn hồi được tính bằng đúng cơng thức c ứng suat/ biến dạng
B= ‘oO (1.17)
£
E = mô đun động (MPa) ơ = ứng suất tác dụng (MPa) c = biến dạng dọc trục tương
đơi (mm/mm)
Hình 1.40 Thí nghiệm mơ đun phức
động đôi vật liệu bê tông nhựa '
Thí nghiệm được tiễn hành với 6 tần SỐ gia tải khác nhau với tổng số lần gia tải là 200 lân Số liệu " nghiện được xuất r ra a tren man hinh (xem hinh 1.41)
3 62, NS epi Saas NE ae IV hy NT up cooper
TP-62 Dynamic Modulus
Software Stage PP Aas (oad DN)
X Gefre Ten Px vectors — ` Mywmurn Load 30)
ED Ang Serass {KPzt
EPLYOT sideminnd „ 0,
PP LVOT s20etn fem “” ˆ nợ
Men PF LUDT Cem mm" Dag ĩ
Ret snd Moostan 2 : Hinh
] 4] Mô
mm Sàn ca NÓ CN LYDT §2 Porm Dak (rm) N TVNEĐED BAN ý phỏng sô liệu thu
- : wey 2 ` , "
môn Tes ones TÀI ate (7 form Aste Stan i663 | , : | duoc tu thi nghiém :
Frequency 1.0 HE serpent ee mts ce A d h , đê
Press 'CONTTNUE' bo enđ g ‘ Ye Ũ mo un D uc ong test and redurn 2 the “ at Prose snc (a1) ì
sultwere start screen Bs ‘
tynyn: HC (P4)
oh
Trang 29~
Số liệu thí nghiệm mô đun phức động tương ứng với mỗi chu kỳ gia tải xuất ra màn hình máy tính dưới dạng sau đây (xem hình 1.42)
Date & Time: 6/15/2009 Specimen Diameter: 101.6 Gauge Length (mm): 63.7 œ Ch C: — an ¬ ~¬ ¬ ¬ ¬
Test Ended Sucessfully
Dynamic Modulus (BTNC 9.5) AASHTO TP-62 (Dynamic Modulus)
3:23 PM Test Temperature (Deg.C): 25.0 Target Axial Stress (KPa): 178.0
Frequency (Hz) Cycle Number 196 197 198 199 200 200 196 197 198 199 200 200 196 197 198 199 200 200 Dynamic Load {Kn) 1.32975 4.340115 1.333973 1.330134 1.335509 1.333896 1.323225 1.323992 1.322073 1.325912 1.326296 1.3243 1.420729 1.411516 1.411132 1.405374 1.405758 1.410902 1.378503 1.379271 1.38119 4.382342 1.382726 4.380806 1.338964 1.339347 1.347025 1.342418 1.344338 1.342418 1.365835 1.364683 1.364299 1.371593 1.370058 1.367294 1.400384 1.398081 1.399616 1.400768 1.404607 1.400691 (KPa) 164.018509 165.296951 164.539352 164.065857 164.72876 164.529892 163.213577 163.308273 163.071518 163.545013 163.592361 163.3461446 175.240341 -174.103943 174.056595 173.346359 173.393707 -174.028183 170.031891 170.1268587 170.363342 170.505386 170:552734 170.315994 165.154907 165.202255 166.149246 165.581039 165.817795 1865.581055 168.46936, 168.327316 168.279968 169.179611 168.990204 168.649292 172.73082 172.446716 172.6836108 172.778168 173.251663 172.768692 ˆ
Dynamic Stress Minimum Load
(Kn) 0.13666 0.136276 0.135125 0.133589 0.134741 0.135278 0.13858 0.136276 0.135509 0.137428 0.134741 0.136507 0.067179 0.066795 0.066411 0.066795 0.065259 0.066488 0.078311 0.078695 7.75E-02 0.076775 0.076392 0.077543 0.090979 : 0.090979 0.086372 0.08906 0.087524 0.088983 0.077159 0.076392 0.076775 0.074856 0.074472 0.075931 0.057582 0.058733 0.058349 _ 0.057582 0.05643 0.057735 LVDT #1 (mm) 0.005213 ° 0.005291 0.005447 0.005135 0.005369 0.005291 0.004824 0.00498 0.004824 0.004902 0.00498 ~ 0.004902 0.005913 0.005913 5.84E-03 0.005758 0.005758 0.005836 0.005524 0.00568 0.00568 0.005524 0.005602 0.005602 0.006303 0.006225 0.006303 6.30E-03 0.006225 6.27E-03 0.006847 0.007236 0.007081 0.007003 0.006925 0.007018 0.009415 0.009104 0.008715 0.009181 0.008715 0.009026
LVDT #2 LVDTMean Recoverable Dynamic Modulus (mm) 5.37E-03 5.29E-03 0.005369 5.37E-03 0.005369 0.005353 4.75E-03 4.82E-03 0.004824 0.004513 4.82E-03 4.75E-03 0.005213 0.005291 0.005447 0.005291 5.37E-03 5.32E-03 0.005291 0.005369 5.37E-03 0.005447 0.005447 5.39E-03 0.0066892 0.00638 0.006536 0.006536 0.00638 6.51E-03 0.00747 0.007625 0.007547 0.007859 0.007392 0.007579 0.01066 0.010349 0.010504 0.010582 0.010349 0.010489 (mm) 0.005291 5.29E-03: 0.005408 5.25E-03 0.005369 5.32E-03 4.79E-03 4.90E-03 0.004824 0.004707 4.90E-03 4.82E-03 §.56E-03 0.005602 5.64E-03 5.52E-03 5.56E-03 5.58E-03 5.41E-03 5.52E-03 0.005524 5.49E-03 0.005524 5.49E-03 0.006388 0.007158 0.007431 0.007314 0.007431 0.007158 0.007298 0.010037 0.009726 0.009609 0.009882 0.009532 0.009757 Strain 8.31E-05 8.31E-05 8.49E-05 8.25E-05 8.43E-05 8.35E-05 7.51E-05 7.70E-05 7.57E-05 7.39E-05 7.70E-05 7.57E-05 8.73E-05 8.79E-05 8.86E-05 8.67E-05 8.73E-05 8.76E-05 8.49E-05 8.67E-05 - 8.67E-05 8.61E-05 8.67E-05 8.62E-05 0.000102 9.89E-05 0.000101 0.000101 9.89E-05 0.0001 0.000112 0.000117 0.000115 0.000158 0.000153 0.000151 0.000155 0.00015 * 0.000153 (MPa) 1974.668091 1990.05957 1938,18457 1989.869507 1954.476562 1969.45166 2172.657715 2122.158447 2153.260498 2213.054443 2125.850098 2157.39624 2006.495483 1979.640259 1965.452881 1998.786987 1985.351685 1987.145508 2002.883667 1961.681255 1964.391113 1979.972412 1966.574951 1975.09668 1619.254639 1669.710205 1648.749023 1643.110718 1675.931519 1651.351196 1499.143677 1442.983521 1465.597412 1450.289795 1503.778442 1472.358521 1096.201172 1129.418945 1144.39209 1113.769409) 1157.847778 1128.325928
- Hình 1.42 File số liệu kết quả mô đun đàn hồi phức động
Đã có một số nghiên cứu thực nghiệm trong nước về mô đun đàn hôi phức
động của bê tông nhựa Các giá trị thực nghiệm của mô đun phức động của một số loại bê tông nhựa được cho trong bảng 1.4 dưới đây /8//9// 10/
Trang 30Bang 1.4 Giá trị thực nghiệm mô đun đàn hồi phức động
Tân số gia Giá trị mô đun phức động của các loại hỗn hợp (MPa) |
‘tai (Hz) BTNC 9.5 BTNC 12.5 BTNP9.5 | BTNP 12.5 25 - 1961.35 1764.45 2416.52 2787.21 10: 1887.51 159471 | 2403.85 3165.19 5 1889.49 1606.70 2298.77 3051.58 1° | 157330 | 1358.25 1904.24 2508.34 0.5 1437.50 1256.14 1716.10 2283.83 0.1 1134.72 1005.63 "1362.61 1773.25
Ghi chú: BTNC - Bê tông nhựa chặt
BTNP- Bê tông nhựa sử dụng nhựa đường có phụ:-gia polime
Mơ ẩun đàn hồi xác định từ thí nghiệm uốn dâm, với tải trọng động hình sin Mẫu bê tông nhựa hình dầm, chịu uốn tại hai điểm, như mơ hình hình 1.43 và ảnh bộ thiết bị thí nghiệm mơ đun đàn hồi động theo mô hình này được thể hiện ở hình 1.44 et HỊ Í®, @ KEY 1 Chốt kẹp 2 Chốt hãm 3 Khung piữ 4 Mẫu
5 Dau pia tai
6 ốc hãm 7 Tấm truyền tái
(8) ` 8 Pitton gia tải
9 Đầu bí lót gia tat
L] VV vy ú3 1 3
- 10 Thanh giữ đầu đo chuyển vị (LVTD)
L1 Đầu do chuyển tị (LVTD)
Hình 1.43 Mơ hình thí nghiệm uốn dầm, tải trọng động hình sin
Trang 31
Hình 1.44 Thiết bị thí nghiệm uốn dầm tại hai điểm
Cơng thức tính tốn mơ đun đàn hơi, dùng thí nghiệm n dâm: Ứng suất kéo khi uốn dầm tại hai điểm:
_ PaBl?-4a°) - - (1.18)
48Id ơ - ứng suất kéo, psi
a - khoảng cách giữa gối và điểm đặt lực, in b - chiều rộng mẫu dâm, in
h - chiều cao mẫu dầm, in
P - tông tải trọng động với 1/2 P tác dụng tại mỗi điểm đặt lực, lb Bién dang kéo tinh toan
c= ene | | (1.19)
317 - 4a°
c - biến đạng kéo , in/ in
d - độ võng động tại điểm ø1ữa tại đáy dam, in
| - khẩu độ hoạt động của dầm, in
a - khoảng cách giữa gối và điểm đặt lực, in
Mô đun kéo uốn động của bê tông nhựa theo mơ hình uốn dầm:
2 2
_ Pa "= (1.20)
E = m6 dun kéo uén dong, psi
P - tông tải trọng động với 1/2 P tác dụng tại mỗi điểm đặt lực, Ib
Trang 32a - khoảng cách giữa gối và điểm đặt lực, in
Ý - khâu độ hoạt động của đầm, in
I[= mô men mặt cắt của mẫu dầm, in”
d- độ võng động tại điểm giữa tại đáy dầm, in
¬
Thí nghiệm mỗi
Đặc trưng mỏi là một tính chất quan trọng của hỗn hợp bê tông nhựa, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền khai thác và tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa Hiện tượng nứt.do mỏi là do tác dụng của ứng suất kéo tác dụng lặp lại phát sinh do tải trong | bánh xe Mơ hình thí nghiệm moi vì thế có thể là mơ hình kéo uốn dầm (phổ biến hơn) hoặc mô hình kéo gián tiếp (ép chẻ) Thí nghiệm mỏi có thé thực hiện bằng cách duy trì ứng suất tác dụng không đổi hoặc duy trì một biến đạng khơng đơi tác dụng lên mâu
Nếu duy trì ứng suất khơng đổi, một lực được tác dụng cho đến khi mẫu phá hoại, và thông thường mẫu sẽ phá hoại sau số lần tác dụng nhất định của tải: trong Dé thi logarit thể hiện quan hệ giữa ứng suất tác dụng lặp lại và số chu kỳ chọ đến khi phá hoại được thể hiện ở hình 1.45 tương ứng với công thức:
1\"
Ny =x +] : (1.21)
với N¿= số chu kỳ gia tải đến phá hoại mẫu
G =ứng suât kéo uôn, psI K;¡, nị = các hăng sơ hơi quy
Hình 1.45
Quan hệ giữa ứng suất không đổi duy tri va tudi tho mdi
Ưng suất áp dụng, psi
Biểu đồ chu kỳ hư hỏng, Nf
Khi thí nghiệm mỏi sử dụng biến dạng khơng đổi, rất khó để duy trì biến đạng khơng đổi này nên sẽ khó xác định số lần tác dụng lặp của tải trọng dẫn đến phá hoại mẫu Trong trường hợp này, người ta xác định tuổi thọ mỏi ứng với mức ứng suất để duy trì biến dạng khơng đổi giảm cịn 25% đến 50% giá trị ứng suất ban đầu Phương trình quan hệ lúc này là:
Trang 33&
Ny =Ki|< TS (1.22)
Tương tự, VỚI: | |
s = biến dạng kéo, in/in
K¿ và nạ là các hằng số hồi quy
Các hăng số hồi quy được xác định từ phân tích hồi quy tuyến tính các số liệu thí nghiệm Đã có khá nhiều nghiên cứu vê tuổi thọ mỏi của bê tơng nhựa trên thế giới, hình 1.46 dưới đây thể hiện kết quả nghiên cứu của một sô tác giả về mối quan hệ giữa mức ứng suất sử dụng trong các thí nghiệm mỏi và tuổi thọ mỏi và tương ứng là các hăng số hồi quy của phương trình mỏi tương ứng với
các nhiệt độ thi nghiém khac nhau (-14°C; 0°C; 4°C; 10°C; 20°C; 25°C)
10 1 Pell - nhiệt d6 (- 14)°C: = 6.01; K, = 3.8*107 Pell - nhiệt độ 0C: =5.3;Kạ= 1.I*10” Monismith - nhiệt độ 4.4°C: bo LLtUUÌ of patil py il Lo "O10 = 5.09 Ky = 1.78*10"° as + 4 Pell - nhiệt độ 10C: — 10 nạ = 3.9 ; K, =3.0*10” tO , E= 5 Monismith - nhiệt độ 20°C: ny= 3.51 ; Ky = 1.55*10”'
6 Railhby va Sterling - nhiệt độ 25°C: = 3.87; K, = 3.65*10'! —_ - ° 11100 ¡ (1400 1 )11Hj 7 Kennedy - nhiệt độ 24°C: = 3.86 ; K, = 3.0*10" = © L.J1 Lil oO
q T q Pore ry] i qT i Ti TÌIT]
, i
10
_ Oo — ©
Mức ứng suất thí nghiệm mỏi, psI
- Hình 1.46 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm về tuổi thọ mỏi của bê tông nhựa
Ví dụ, nghiên cứu thực nghiệm vé mỏi của Railhby và Sterling tại nhiệt độ 25°C (77°F) đã tìm ra phương trình mỏi cua mẫu bê tơng nhựa chặt rải nóng là:
- I 3.87
Ny, =3.65*10"( =) (1.23)
7 Ø
với N¿ - số chu kỳ gia tải đến phá hoại mẫu
o - ứng suât kéo uôn, psi
Trang 34Hãng Shell cũng tiến hành các nghiên cứu về mỏi đối với bê tơng nhựa, su dụng cả thí nghiệm duy trì biên dạng khơng đổi và thí nghiệm duy trì ứng suất khơng đổi Toán đồ được xây dựng từ các kết quả thí nghiệm này (xem hình 1.47) có thể sử dụng để xác định tuổi thọ mỏi của một loại hỗn hợp bê tông nhựa
- phụ thuộc loại nhựa đường sử dụng (qua chỉ số độ kim lún PI), thành phần của
bitum theo thể tích (V,), mô đun độ cứng của hỗn hợp (Smix, tính băng Pa) và ứng suất kéo, uốn duy trì (đơi với thí nghiệm duy trì ứng suất không đối) và ứng suất - kéo uốn ban đầu (đối với thí nghiệm duy trì biến dạng khơng doi) Có thể thấy được sự khác nhau của hai cách thí nghiệm Với cùng một loại hỗn hợp (cùng loại nhựa và hàm lượng nhựa, cùng độ cứng hỗn hợp) nếu thí nghiệm mỏi duy trì mức biến dạng khơng đổi, có mức ứng suất ban đầu là 4.5*10' Pa thì tuổi thọ mỏi là 10” chu kỳ tải trọng, cịn thí nghiệm mỏi duy trì ứng suất không đổi, với
mức ứng suất duy trì là 1.1*10” Pa, tuổi thọ mỏi là 10” chu kỳ tải trọng /1/
ap - 107N0MÔ
Modun đọ cung cua
han hop S,,,, Pa à Ee SS NY “RSA t X\ ị /Í 102-] a 'r ` N : 5 Thinghiem * Thị nghiệm 1 N “yy
uy tri duy tr! ung 1 \ \ bien dang suat khéng 1 \
‡ không đổi đôi I 1 \
5 wd \ dụ: I \
sodun da cung cua ndn hap: 332109 Pa , \
1
TH 1 1 L1LL “4 N Liều
7 9 II ¡3 15 1718 Biên dạng ban dau vớ do ben môi ‘0+ 2 4 66107 2 4 105 chu ky tạt rồng - ti nghiệm duy in ung sal kong Umg suất bạn đâu
gor, ixto4
10° chu ky tai trong - thi nghiêm đuy tr bien dang
khong d6i 4 5x10°4
{3 8lum phục hỏi
Hình 1.47 Tốn đồ xác định tuổi thọ mỏi của bê tông nhựa của hãng Shell với điều kiện thí nghiệm trong phịng
Chi so kim lun
Khói lượng bitum, VY
Thí nghiệm từ biến | “
Trang 35dùng để xác định khả năng xuất hiện nứt, còn các thí nghiệm khác dùng để dự báo chiều sâu vệt lún bánh xe và xác định khả năng chồng lại hăn vệt bánh Thí nghiệm nén đọc trục nở hông tự do được sử dụng phổ biến do dễ thực hiện Thí nghiệm Wheel Tracking được xem là có thể mơ phỏng được trạng thái làm việc của hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường mà thực hiện cũng tương đối dễ dàng Cịn thí nghiệm nén ba trục được xem là có thể mô phỏng tốt nhất điều kiện làm VIỆC
- của hỗn hợp, nhưng phức tạp, khó thực hiện, thiết bị thí nghiệm đắt tiền
Thí nghiệm từ biến theo mô hình nén đọc trục nở hông tự do được thể hiện
trong hình 1.48 và thí nghiệm mơ Phong vét banh xe (Wheel Tracking) được thé hién trong hinh 1.49
nh SSSA P END beeen toe Pt % ẩ Bì “Ss; ïE Ee
Hinh 1.48 Thi nghiém ttr biến, mô hình Hình 1.49 - Thí nghiệm mô phỏng nén dọc trục nở hông tự do lún vệt bánh xe
Trang 36_ CHƯƠNG2 |
| NHỰA DUONG VA DO BEN KHAI THAC
CUA MAT DUONG BE TONG NHUA
2.1 KHAI NIEM - THANH PHAN HOA HOC - QUA TRINH SAN XUAT
— NHỰA DUONG
2.1.1 Nhựa đường và sử dụng nhựa đường trong xây dựng đường ô tô
Nhựa đường là chất kết dính hữu cơ, có thể ở dạng cứng hoặc dạng nhớt lỏng có thành phần chủ yêu là hiđrô các bon cao phân tử và một số hợp chất khác
Mặc dù nhựa đường đã từng được phát hiện và sử dụng từ năm 1870 nhưng
chỉ từ khi nhựa đường bắt đầu được chế tạo từ công nghệ tinh chế dầu mỏ (năm
1902) thì việc sử dụng nhựa đường làm chất kết dính trong xây dựng đường mới được phát triển mạnh mẽ cho đến ngày nay, nhất là khi công nghệ trộn nhựa đường với vật liệu khoáng mà điển hình là bê tơng nhựa trộn nóng rải nóng đang ngày càng được phát triển và hồn thiện Có thê nói vật liệu nhựa đường và hỗn -_ hợp bê tông nhựa là ra đời thúc đây cho sự phát triển mạng lưới đường ô tô trên
thế giới | :
2.1.2 Thành phần hoá học của nhựa đường
Theo khái niệm đơn giản nhất được chấp nhận, nhựa đường (bitum) bao gồm các thành phần chính là asphaltenes, resin và các chất thơm/ no (oils) thê hiện theo mơ hình như sau
Nhựa đường | | | Asphaltenes Maltenes | Resin : Oils
Asphaltenes là chat ran không kết tinh, vơ định hình, màu nâu hoặc đen, có thành phần chính là các bon, hyđrơ - ngồi ra cịn có nitơ, lưu huỳnh và ôxi Asphaltenes được coi là chất thơm phức hợp cao phân tử Tăng hàm lượng asphaltenes sẽ tạo bitum đặc với độ kim lún thấp hơn, điểm hoá mềm cao hơn và độ nhớt cao hơn Asphaltenes chiếm khoảng 5% đến 25% thành phần của nhựa đường
Resin là chất răn hoặc nửa răn, có màu nâu Tương tự như asphaltenes, thành phan hoá học cũng bao gồm các bon, hyđrơ - ngồi ra cịn có nitơ, lưu huỳnh và ơxi Tính phân cực mạnh của thành phần này giúp tạo tính dính kết của bê tông nhựa
Trang 37, Các chất thơm chiếm khoảng 40 - 65 % trong thành phan của nhựa đường, là chât lỏng nhớt, có màu nâu Các chât no là các hyđrô các bon béo dạng duỗi thăng hoặc phân nhánh, là các chât lỏng dạng nhớt có màu trăng hoặc màu vàng, chúng chiêm khoảng 5 đên 25% thành phân của nhựa đường
Câu trúc hoá học của các thành phân của nhựa đường thể hiện trong hình 2.1
R R R _ t | - Ì | ae as R`c<£cZ” có ID [| ï ; RZSSeZÊcZ cZ” nt¬ ZC¬n ves Ue R | w
Cấu trúc Asphalten | Cầu trúc vòng thơm
- KAUR
; R l h HN Z1» ve }
| | a PU H
H HH R
cae cm
R- Chuỗi cacbon béo và nap†hertc
Câu trúc hydrơ các bon no
Hình 2.1 Cấu trúc hoá học của các thành phần chính của nhựa đường 2.1.3 Sản xuất nhựa đường
Quá trình sản xuất nhựa đường từ dâu thô đơn giản nhất có thể hiểu | là bao gôm các công đoạn: chưng cất phân tách, sục khí cặn nhẹ và trộn
Quá trình chưng cất phân tách được thể hiện trong hình 2.2 Sản phẩm của q trình này gơm nhiều loại tương ứng với các bước của quá trình phân tách Can nhẹ (phân đoạn nhẹ) là nguyên: liệu để sản xuất nhựa đường Mỗi loại dầu thơ (có nguồn gốc khác nhau) có thể cho loại nhựa đường khác nhau, và không phải loại nào cũng có các đặc tính phù hợp cho xây dựng đường ơ tơ
Sục khí là công đoạn tiếp theo áp dụng cho cặn nhẹ thu được từ quá trình chưng cất phân tách để sản xuất nhựa đường Đây là quá trình ơ xi hố mả trong đó khơng khí được thổi qua liên tục hay từng đợt ở nhiệt độ cao Trong q trình sục khí, hyđrơ của cặn nhẹ tác dụng với ô xy tao hiện tượng đa ngưng tụ và làm
Trang 38“
tăng kích thước tồn bộ phân tử asphaltenes và tạo thêm một số.asphaltenes mới Như vậy, mục đích của q trình sục khí là tạo ra các asphaltenes
Sản phẩm sau đó được lưu trữ trong các bổn chứa và bao quan liên tục bằng nhiệt độ cho phép có kết hợp trộn (bơm tuần hoàn) |
Refoming š Hóa chất © = ~ +
Dầu thô # Kerosen Xăng máy bay
—>*>>—] eS
vg `
Dầu gia dụng
ob
E ` +
5 Dau nang Dau nang Dau diezen -_ Dầu gia dụng
Phân đoạn nặng Đụ
S Phan chung cat
2 h Xăng = SS <= © hi Oo - oO E Ae Ấ 5 Hóa chất = © Nguyên liệu bị tủm gốc Sán xuất đầu nhớt Phân đoạn nhẹ > Dầu đốt +
Hình 2.2 Quá trình sản xuất nhựa đường
| 2.2 CAC DAC TINH CO - LY CUA NHUA DUONG VA ANH HUONG
CUA CHUNG DEN DO BEN KHAI THAC VA TUOI THO CUA MAT DUONG BE TONG NHUA
2.2.1 Cac tinh chat vat ly
Từ biến là đặc tính quan trọng của bitum ảnh hưởng đến đặc trưng khai thác và độ bền của mặt đường bê tông nhựa Các đặc tính từ biến của nhựa đường trong hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường sẽ thay đổi trong quá trình khai thác của mặt đường bê tơng nhựa
Tính chất hố cứng và q trình hoá cứng của nhựa đưởng trong mặt đường bê tông nhựa
Trang 39hưởng cua nhiệt độ cao (nhiệt độ trộn của hỗn hợp bê tông nhựa rải nóng từ khoảng 135 °C đến 163C Tính chất bitum thay đổi trong giai đoạn này, thể hiện ở việc độ kim lún giảm đi và độ nhớt tăng lên do ơ xi hố và do các thành phan dau nhe bi bay hoi Qua trinh van chuyén, rải và đầm hỗn hợp sau đó sẽ tiếp tục quá trình hoá cứng của nhựa đường (với tốc độ chậm hơn so VỚI giai đoạn trộn hỗn hợp) Quá trình này sẽ còn tiếp tục khi hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường nguội và đưa vào khai thác trong khoảng 2 năm sau khi mặt đường được đưa vào khai thác, gọi là lão hoá dài hạn Tốc độ hoá cứng dài hạn của nhựa đường phụ thuộc vào độ rỗng dư của hỗn hợp đã đầm nén (độ rông càng lớn cho tốc độ hoá cứng càng nhanh), chiều dày màng nhựa càng lớn cho tốc độ lão hoá chậm hơn)
Các yếu tố tạo ra quá trình hoá cứng của nhựa đường trong quá trình sản xuất, thi công và khai thác mặt đường bê tông nhựa bao gơm: ơ xy hố, bay hoi, trùng hgp (polyme hoa), thixetropy, syneresis va phan tach (separation) O xy hoá là quá trình phản ứng ơ xy với nhựa đường và tốc độ hoá cứng do nguyên nhân này phụ thuộc vào loại nhựa đường và nhiệt độ khi trộn, rải và khai thác Bay hơi là quá trình mất mát các thành phân nhẹ của nhựa đường, nên phụ thuộc vào nhiệt độ Hoá cứng dài hạn (hoá cứng của nhựa đường trong quá trình khai thác của mặt đường bê tông nhựa) không bị ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố này Trùng hợp là quá trình kết hợp các phân tử giống nhau tạo thành phân tử lớn hơn, tạo nên quá trình hoá cứng, chỉ xảy ra ở nhiệt độ rat cao Thixotropy là q trình hố cứng do thay đổi dạng cầu trúc không gian của nhựa đường theo thời gian Dạng hoá cứng do yếu tố này thường liên quan đến các tuyến đường ít xe và phụ thuộc vào dạng các thành phân của bê tông nhựa Syneresis là hiện tượng mat mát thành phần dầu trong nhựa đường do các thành phân dầu rỉ ra bề mặt mang nhựa Phân tách là hiện tượng mất mát thành phân dâu, nhựa hay asphaltenes do cốt liệu, đặc biệt là các cốt liệu có độ xốp hấp thụ
Phương trình thể hiện quá trình hoá cứng của nhựa đường:
| T
a+bT-
AY = (2.1)
VỚI
AY : thay đổi các tính chất của nhựa đường (như độ kim lún hay độ nhớt) theo thời gian
Ƒ : thời gian a,b : cdc hang sé
Để đánh giá về tính chất hố cứng của nhựa đường, có thể dùng các chỉ tiêu là tỉ lệ %s độ kim lún, hoặc độ nhớt còn lại của nhựa đường đã bị hoá cứng so với nhựa đường ban đầu
Các thí nghiệm mơ phỏng lão hố của nhựa đường bao gồm:
- Thí nghiệm lò màng mỏng (TFEO - Thin Film Oven) và thí nghiệm lị quay mang mong (RTFO - Rolling Thin Film Oven) m6 phong lao hoa
Trang 40của nhựa đường trong quá trình sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa Các thí nghiệm này khơng mơ phỏng được quá trình lão hoá dài hạn và độ bên của nhựa đường trong hôn hợp bê tông nhựa mặt đường
- Thí nghiệm bình áp lực (PAV - Pressure Aging Vessel) mơ phỏng lão hố dài hạn của nhựa đường trong quá trình khai thác của mặt đường bê tông nhựa
Các thí nghiệm này sẽ được trình bày ở phần sau, mục phân loại nhựa đường theo Superpave
— Độ kim lún
Độ kim lún của nhựa đường ở 77F (25°C) thể hiện độ quánh của nhựa - đường ở nhiệt độ phục vụ trung bình năm, và nó có thể ảnh hưởng đến một số
đặc tính khai thác của mặt đường Theo thời gian khai thác, cùng với quá trình hóa cứng, độ kim lún sẽ giảm dân Kết quả một nghiên cứu về thay đổi độ cứng của nhựa đường trong quá trình khai thác mặt đường bê tông nhựa thể hiện trên - hình 2.3 70 60 | 50 x BEAVER CO LYCOMING CO WASHINGTON CO LEBANON CO
Thời điểm vết nứt đầu tiên được nhát hiện
Độ kim lún tại 25” C Tuổi thọ mặt đường, tháng
Hình 2.3 Kết quả nghiên cứu thay đổi độ cứng trong quá trình sử dụng _ Nghiên cứu của Hubbard và Gollomb /4/ cho một số kết luận:
- Khi độ kim lún của nhựa đường trong bê tông nhựa mặt đường tại 250C giảm xuống dưới 20, mặt đường sẽ có hiện tượng nứt nghiêm trọng - Sẽ có thể xuất hiện vết nứt khi độ kim lún này trong khoảng 20 và 30 - Cường độ chỗng nứt của hỗn hợp cải thiện nêu hỗn hợp được thiết kế tốt
và được đâm nén hợp lý đê độ kim lún trong bê tông nhựa mặt đường ở khoảng trên 30