Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng của độ rỗng cốt liệu VMA đến khả năng làm việc của bê tông nhựa chặt

Với phương thức này, hỗn hỗn hợp bê tông nhựa có được bộ khung chịu lực cứng để tạo nên độ ổn định và VMA vừa đủ, qua đó tạo nên hỗn hợp có độ bền cao.[8] 2.2.2 Các nguyên tắc của phương

TỔNG QUAN

NGUYÊN NHÂN VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC HẰN LÚN VỆT BÁNH XE

2.1.1 Nguyên nhân của hiện tƣợng hằn lún vệt bánh xe

Hiện nay trên các tuyến quốc lộ xuất hiện hằn lún vệt bánh xe gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng phục vụ và an toàn giao thông Hằn lún vệt bánh xe có thể được chia ra làm hai dạng: hiện tượng lún do lớp móng hoặc nền đường và lún do lớp bê tông nhựa Các vệt lún xuất hiện dọc theo tuyến đường tại những vị trí chịu tác dụng của tải trọng bánh xe gây ra

Hình 2.1 Vệt lún do lớp móng hoặc nền đường kém.[ ]

Hình 2.2 Vệt lún do chất lượng của bê tông nhựa.[ ]

Dạng vệt lún do xảy ra do đất nền gây ra, hiện tượng lún do có quá nhiều ứng suất lặp tác dụng vào vùng đất nền bên dưới lớp bê tông nhựa hoặc có sự xâm nhập của nước làm suy giảm cường độ của lớp móng Chiều dày hoặc cường độ của lớp bê tông nhựa không đủ giảm thiểu ứng suất mà đất nền có thể chịu được

Dạng vệt lún xảy ra ở lớp bê tông nhựa, lớp bê tông nhựa không đủ cường độ kháng cắt dưới tác dụng của tải trọng xe tải nặng Dạng lún này thường xảy ra trong mùa hè với nhiệt độ tăng cao hoặc xảy ra ở những vị trí tải trọng nặng tác dụng chậm Dạng hư hỏng này liên quan đến sự kết hợp giữa các hạt cốt liệu và nhựa đường.[ ]

Nguyên nhân gây ra hiện tượng hằn lún vệt bánh xe có thể được xem xét đến như: lượng xe quá tải, nhiệt độ tăng cao, chất lượng thi công, công tác kiểm tra và nghiệm thu lớp BTN không đảm bảo (như vật liệu sử dụng trong hỗn hợp bê tông nhựa không đảm bảo yêu cầu, quy trình thi công bị vi phạm đặc biệt là kiểm tra chất lượng vật liệu xây dựng bê tông nhựa, nhiệt độ trộn, rải, lu lèn ), kết cấu mặt đường lựa chọn không hợp lý và các nền đường đất yếu không được tính toán và xử lý hợp lý, thiết kế nền áo đường chưa phù hợp

2.1.2 Biện pháp khắc phục hằn lún vệt bánh xe

Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu và biện pháp được thực hiện để giảm thiểu vệt hằn bánh xe trên mặt đường BTN Có một số giải pháp để khác phục hiện tượng vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa như sau:

- Tăng cường kiểm soát chất lượng nguồn nguyên vật liệu đầu vào, quá trình thi công và nghiệm thu và kiểm soát lượng xe quá tải

- Gia cường, xử lý nền đường và gia cố phần móng sử dụng cấp phối đá dăm trộn xi măng

- Thay đổi thành phần và tỉ lệ phối trộn giữa các hạt cốt liệu hợp lý để tạo nên một bộ khung chịu lực tốt

- Sử dụng bê tông nhựa polime hoặc bê tông nhựa có sử dụng phụ gia, hoặc thay bằng mặt đường cứng BTXM Tuy nhiên, mặt đường bê tông xi măng có giá thành cao, thi công lâu và độ êm thuận không tốt

- Sử dụng cốt liệu có bề mặt nhám, hình khối có góc cạnh và cần tăng hàm lượng hạt thô trong cấp phối như QĐ 858/QĐ -BGTVT[ ] đưa miền cấp phối đi xuống so với miền cấp phối của TCVN 8819-2011[ ]

- Xem xét tăng mô đun đàn hồi của bê tông nhựa bằng các cách sau :sử dụng

BTN polyme, sử dụng BTN thông thường với phụ gia polime SBS dạng hột, BTN thông thường gia cường cốt sợi thủy tinh hoặc lưới sợi thủy tinh

- Nghiên cứu, sử dụng loại nhựa đường có mác nhựa thấp hơn

Trong các giải pháp được nghiên cứu và thực hiện giảm vệt hằn bánh xe trên mặt đường BTN, biện pháp nghiên cứu tìm cấp phối cốt liệu tối ưu tạo nên một bộ khung cốt liệu chịu lực tốt được ưu tiên mà không làm tăng giá thành đầu tư xây dựng Khả năng làm việc của BTN liên quan đến cốt liệu, độ rỗng cốt liệu và hàm lượng nhựa Đặc tính và tỉ lệ của mỗi thành phần trong hỗn hợp có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của BTN Vì vậy, việc xác định đường cong cấp phối cốt liệu, hàm lượng nhựa, độ rỗng dư Va, độ rỗng cốt liệu VMA hợp lý rất quan trọng.

THIẾT KẾ CẤP PHỐI CỐT LIỆU THEO PHƯƠNG PHÁP BAILEY

2.2.1 Nguồn gốc và sự phát triển của phương pháp Bailey

Phương pháp Bailey được phát triển bởi Robert Bailey vào đầu những năm 1980 dựa trên kinh nghiệm thiết kế hỗn hợp BTN của ông Sau đó phương pháp này tiếp tục được phát triển bởi Bill Vavrik và Bill Pine Trong hỗn hợp BTN, cốt liệu chiếm 90-95% theo khối lượng và 75-85 % theo thể tích nên cốt liệu đóng vai trò quan trọng trong sự làm việc của BTN Phần lớn cường độ chịu nén và sức kháng trượt được tạo ra từ cấu trúc cốt liệu Phương pháp này cung cấp cho người thiết kế một cách nhìn và đánh giá tốt hơn về cốt liệu và ảnh hưởng của nó đến các đặc trưng về thể tích của hỗn hợp BTN Phương pháp này được sử dụng trong lúc thiết kế hỗn hợp cốt liệu và có thể dùng nó để kiểm tra, đánh giá và hiệu chỉnh trong quá trình thi công Phương pháp Bailey có thể sử dụng kèm theo các phương pháp thiết kế bê tông nhựa như: Marshall, Hveem và Superpave.[8]

Mức độ cài móc giữa các hạt cốt liệu là số liệu thiết kế đầu vào của phương pháp Bailey và nhờ sự cài móc giữa các hạt cốt liệu tạo nên sức kháng lún trồi cho hỗn hợp BTN Robert Bailey đã sử dụng phương pháp này để cải thiện khả năng phục vụ của đường cao tốc Illinos, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu này không được ông công bố Mối tương quan giữa cấp phối cốt liệu và các đặc trưng về thể tích của hỗn hợp BTN được công bố trong các nghiên cứu của Vavrik Hiện nay phương pháp Bailey được sử dụng trong các chương trình nghiên cứu trong phòng ở Dubai, các tiểu vương quốc Ả Rập nhằm cải thiện khả năng kháng lún của hỗn hợp bê tông nhựa Các phòng thí nghiệm hiện trường đã được đặt ở Pháp, Canada và nhiều bang ở Mỹ Các kết quả nghiên cứu trong phòng và thực nghiệm đã được công bố và sử dụng rộng rãi.[8]

Phương pháp thiết kế Bailey xem xét đến khả năng đầm chặt của hỗn hợp bê tông nhựa khi chọn tỉ lệ giữa các thành phần hạt để tạo nên cấp phối Các hệ số trong phương pháp có liên quan chặt chẽ đến độ rỗng cốt liệu VMA, độ rỗng dư Va khả năng đầm nén của cấp phối cốt liệu Để đảm bảo hỗn hợp BTN có hàm lượng nhựa vừa đủ, VMA được thay đổi bằng cách điểu chình lượng cốt liệu thô và cốt liệu mịn Với phương thức này, hỗn hỗn hợp bê tông nhựa có được bộ khung chịu lực cứng để tạo nên độ ổn định và VMA vừa đủ, qua đó tạo nên hỗn hợp có độ bền cao.[8]

2.2.2 Các nguyên tắc của phương pháp Bailey

Phương pháp Bailey là một phương pháp tìm ra một tỉ lệ giữa các loại cốt liệu trộn hợp lý, điều đó tạo ra sự cài móc giữa các hạt cốt liệu tạo nên xương sống của cấu trúc cốt liệu và cấp phối liên tục được cân bằng đến khi hoàn tất Phương pháp Bailey cung cấp một bộ các công cụ cho phép đánh giá mức độ trộn đều của cốt liệu Các công cụ này đưa ra một cách nhìn rõ hơn về mối quan hệ giữa cấp phối cốt liệu và độ rỗng Phương pháp Bailey cung cấp cho người thi công các công cụ để triển khai, đánh giá và điều chỉnh cốt liệu khi trộn Quy trình này giúp đảm bảo sự cài móc giữa các hạt cốt liệu và hỗn hợp BTN được đầm nén chặt, tạo ra sức kháng lại các biến dạng lâu dài, trong khi vẫn duy trì các tính chất về thể tích điều đó tạo ra sức kháng lại các yếu tố tác động từ môi trường.[8] Để phát triển một phương pháp kết hợp cốt liệu để có được sự cài móc tốt nhất giữa các viên cốt liệu và tạo nên các đặc tính thể tích tốt hơn, đều cần thiết là phải hiểu được một số nhân tố chi phối và sự ảnh hưởng nó đến công tác thiết kế và khả năng làm việc của các hỗn hợp cốt liệu Nội dung cơ bản của phương pháp này là: sự phân biệt giữa cốt liệu thô và cốt liệu mịn, và sự kết hợp cốt liệu theo thể tích để đảm bảo mức độ gài móc của các hạt cốt liệu.[9]

Theo định nghĩa truyền thống, cốt liệu thô là các hạt cốt liệu giữ lại trên sàng 4.75 mm và cốt liệu mịn là các hạt cốt liệu lọt qua sàng 4.75 mm Theo phương pháp Bailey, cốt liệu thô là các hạt cốt liệu lớn tạo ra lỗ rỗng và cốt liệu mịn là các hạt cốt liệu lấp kín những lỗ rỗng do cốt liệu thô tạo nên Trong phương pháp Bailey để phân định cốt liệu thô và cốt liệu mịn dùng sàng cấp I PCS (Primary Control Sieve)

Bảng 2.1 Các cỡ sàng cấp I PCS theo các cỡ hạt NMAS[8]

NMAS (mm) NMPS*0.22 PCS (mm)

Sàng cấp I PCS được tính toán dựa vào cỡ hạt lớn nhất danh định NMAS :

Tùy theo các cỡ hạt lớn nhất danh định mà có các cỡ sàng PCS khác nhau được thể hiện ở Bảng 2.1

Phương pháp Bailey sử dụng hai nguyên tắc làm cơ sở cho mối quan hệ giữa cấp phối cốt liệu và các đặc trưng về thể tích của hỗn hợp bê tông nhựa: đầm nén cốt liệu và sự phân định cốt liệu thô, cốt liệu mịn Để đánh giá về chất lượng của hỗn hợp cốt liệu tiến hành phối trộn cốt liệu theo thể tích và phân tích các mẫu trộn thông qua các chỉ số Bailey.[8]

Các hạt cốt liệu không thể tự sắp xếp lèn chặt vào nhau để lấp đầy các lỗ rỗng trong hỗn hợp Mức độ đầm nén phụ thuộc vào các yếu tố: loại và lượng đầm nén, hình dạng của cốt liệu, thành phần cỡ hạt của cấp phối, độ cứng của các hạt cốt liệu

Tất cả các hỗn hợp cốt liệu đều có chứa một đỗ rỗng nhất định, chính vì vậy mà hỗn hợp cốt liệu có đặc tính nén lún khi chịu tải Khi phối trộn cốt liệu, cần phải xác định kích cỡ lỗ rỗng được tạo nên từ cốt liệu thô và thể tích cần thiết của cốt liệu mịn lấp đầy các lỗ rỗng được tạo ra từ cốt liệu thô.[8]

2.2.3 Phối trộn cốt liệu theo thể tích

Những phương pháp thiết kế hỗn hợp thông thường dựa trên việc phân tích theo đơn vị thể tích, nhưng để đơn giản cốt liệu được đo lường theo đơn vị trọng lượng Để đánh giá chính xác mức độ gài móc giữa các hạt cốt liệu thì người thiết kế cần phải phân tích cấp phối theo các đặc tính thể tích Phương pháp Bailey sử dụng khối lượng chưa đầm và khối lượng sau đầm nén của cốt liệu để phân tích thể tích lỗ rỗng trong cấp phối cốt liệu Đối với cốt liệu mịn, khối lượng chưa đầm và khối lượng sau đầm thay đổi không đáng kể nên chỉ cần xét đến khối lượng sau đầm của cốt liệu mịn Thông qua các giá trị khối lượng chưa đầm và sau đầm của cốt liệu tính được thể tích lỗ rỗng trong cấp phối và đánh giá được mức độ gài móc của cốt liệu [8]

Khối lượng chưa đầm của cốt liệu thô LUW (Loose Unit Weight of Coarse Aggregate): là khối lượng cốt liệu lấp đầy một đơn vị thể tích chưa đầm nén (Hình

2.3a) Trong trường hợp này, mức độ gài móc của cốt liệu là thấp nhất Khối lượng chưa đầm được xác định đối với mỗi loại cốt liệu tuân theo qui định trong AASHTO T-19[10], qui định cốt liệu được đựng trong điều kiện tự nhiên – không chặt khít trong một cái thùng kim loại Khối lượng chưa đầm (kg/m 3 ) được tính bằng cách chia khối lượng của cốt liệu trong thùng cho thể tích của thùng Sử dụng tỷ trọng khối của cốt liệu và khối lượng chưa đầm thì thể tích của độ rỗng trong trường hợp này sẽ được xác định

Khối lượng đã đầm của cốt liệu thô RUW (Rodded Unit Weight of Coarse Aggregate): là khối lượng cốt liệu lấp đầy một đơn vị thể tích sau khi được đầm chặt (Hình 2.3 b) Áp lực nén làm tăng mức độ tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu và làm giảm độ rỗng trong hỗn hợp cốt liệu Khối lượng đã đầm của cốt liệu được xác định cho mỗi loại cốt liệu thô sử dụng quy trình được qui định trong tiêu chuẩn AASHTO T-19[10], qui định cốt liệu được đựng trong một cái thùng kim loại và đã được đầm chặt Khối lượng đã đầm của cốt liệu (kg/m 3 ) được tính bằng cách chia khối lượng của cốt liệu trong thùng cho thể tích của thùng Sử dụng tỷ trọng khối của cốt liệu và khối lượng đã đầm thì thể tích của lỗ rỗng trong trường hợp này sẽ được xác định

Khối lượng đã đầm của cốt liệu mịn (Fine Aggregate Rodded Unit Weight):

Với những cấp phối BTN chặt, thể tích các lỗ rỗng phải được lấp đầy với một lượng cốt liệu mịn tương đương Khối lượng đã đầm của của cốt liệu được sử dụng để đánh giá độ chặt của hỗn hợp

Hình 2.3 Khối lượng của cốt liệu thô.[8]

2.2.4 Phân tích đánh giá cấp phối cốt liệu

Sau giai đoạn phối trộn thành phần cấp phối, tiếp theo là phân tích cấp phối cốt liệu Thành phần cấp phối cốt liệu được phân tích thành 3 phần riêng biệt, mỗi phần được đánh giá riêng Phần cốt liệu thô của cấp phối cốt liệu là các hạt lớn nhất đến cỡ sàng PCS (sàng cấp I) Cốt liệu mịn được chia thành 2 loại, bao gồm thành phần hạt to và thành phần hạt nhỏ trong cốt liệu mịn Hai thành phần này được phân biệt với nhau bằng Sàng cấp II (sàng SCS), cỡ sàng cấp II tính theo công thức: SCII

= 0.22*SCI Thành phần hạt nhỏ trong cốt liệu mịn được phân tích kỹ hơn bằng sàng cấp 3 (sàng TCS), với SCIII = 0.22*SCII 3 Thành phần nêu trên được thể hiện như Hình 2.5

PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA MARSHALL

Có nhiều phương pháp thiết kế thành phần BTN, song phổ biến và tin cậy nhất là phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết về đường cong độ chặt hợp lý của hỗn hợp vật liệu khoáng, đó là phương pháp thiết kế kết hợp với thực nghiệm Công tác thiết kế hỗn hợp theo phương pháp Marshall nhằm mục đích tìm ra hàm lượng nhựa tối ưu ứng với hỗn hợp cốt liệu đã chọn Toàn bộ quá trình thí nghiệm thực hiện theo TCVN 8820:2011[4]

Công tác thiết kế hỗn hợp phải tuân thủ các yêu cầu như sau :

- Đường cong cấp phối của hỗn hợp cốt liệu sau khi phối trộn phải nằm trong giới hạn đường bao cấp phối và tất cả vật liệu đều phải thỏa mãn các chỉ tiêu cơ lý được quy định tại tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTN TCVN 8819: 2011 [1]

- Hàm lượng nhựa tối ưu lựa chọn phải thỏa mãn các chỉ tiêu liên quan đến các đặc tính thể tích và các chỉ tiêu thí nghiệm theo Marshall (độ ổn định, độ dẻo,

…) và các chỉ tiêu bổ sung nếu có theo quy định của tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTN TCVN 8819: 2011[1]

Trình tự thiết kế hỗn hợp BTN theo phương pháp Marshall được tiến hành theo 7 bước được mô tả theo sơ đồ Hình 2.6

Nội dung công việc và yêu cầu của từng bước được thể hiện cụ thể tại mục 8 – Trình tự thiết kế hỗn hợp BTN theo phương pháp Marshall của TCVN 8820 – 2011 [4]

Hình 2.6 Trình tự thiết kế hỗn hợp BTN theo phương pháp Marshall.

CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐƯỜNG CONG CẤP PHỐI CỐT LIỆU, ĐỘ RỖNG CỐT LIỆU VMA Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

Một số cấp phối cốt liệu BTNC 12.5 mm đã được thi công thực tế ở Việt Nam thể hiện ở Hình 2.7 đến 2.9

- Dự án Quốc lộ 1 - Tân An

Hình 2.7 Đường cong cấp phối QL1-Tân An BTNC 12.5 mm.[11]

- Quốc lộ 1- Cai Lậy Tiền Giang

Hình 2.8 Đường cong cấp phối QL 1-Cai Lậy BTNC 12.5 mm.[11]

Quốc lộ 1 đoạn Cai Lậy - Tiền Giang có cấp phối cốt liệu thiết kế theo quyết định 858/QĐ-BGTVT[2]

- Dự án Cầu Mỹ Lợi

Hình 2.9 Đường cong cấp phối cầu Mỹ Lợi BTNC 12.5 mm.[11] Đào Văn Đông.[12] nghiên cứu đánh giá chiều dày, cấp phối cốt liệu, độ rỗng dư và các chỉ tiêu Marshall của các lớp BTN trên mặt đường cũ bị vệt hằn bánh xe

Các mẫu thí nghiệm được lấy từ một đoạn tuyến quốc lộ khu vực phía bắc sau 10 năm khai thác bị hằn lún vệt bánh xe Kết quả khảo sát cho thấy vệt lún bánh xe chỉ xảy ra trong lớp bê tông nhựa và lớp móng không bị biến dạng Hiện tượng vệt lún bánh xe do lớp bê tông nhựa đã bị biến dạng và cấu trúc không còn duy trì được bộ khung chịu lực nên khả năng chịu lực rất thấp Đoạn đường khảo sát 5 km có lớp BTN dày 12 cm, trong đó lớp BTN hạt thô dày 7 cm, lớp BTN hạt trung dày 5 cm

Mẫu BTN hình chữ nhật cắt từ hiện trường kích thước 200 mm x400 mm, chiều sâu cắt mẫu đến lớp cấp phối đá dăm với số lượng 5 mẫu trên 5 km và 90 mẫu hình trụ tiêu chuẩn Kết quả thí nghiệm cấp phối vật liệu khoáng được biểu thị ở Hình 2.10

Hình 2.10a Đường cong cấp phối BTNC 12.5 mm hạt trung lớp trên.[12]

Hình 2.10b Đường cong cấp phối BTNC 19 mm hạt thô lớp dưới.[12]

Cấp phối cốt liệu BTN hạt trung cơ bản nằm trong miền giới hạn cấp phối theo TCVN 8819-2011[1], riêng cỡ hạt 12.5 mm có lượng lọt sàng nhỏ hơn cấp phối tiêu chuẩn (89.7% so với 90%) Nếu xét riêng về mặt cấp phối thì đường cấp phối có thể đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật hiện hành Tuy nhiên khi thực nghiệm khảo sát tại hiện trường và trong phòng cho thấy BTN 12.5 mm lớp trên vẫn bị hằn vệt bánh xe với giá trị khá lớn là 20 mm Điều này cho thấy bên cạnh chất lượng về vật liệu thì chất lượng của bột khoáng, nhựa đường và mức độ vượt tải khai khác có thể gây ra vệt hằn bánh xe.[12]

Kết quả thu được từ phân tích thành phần hạt của BTN hạt thô bên dưới cho thấy lượng lọt sàng tại các cỡ sàng đã tiến sát về phía cận trên của miền giới hạn cấp phối Tại sàng 19 mm, hàm lượng lọt sàng là 98.87 % và tại sàng 12.5 mm là

85.58 %, tại cỡ sàng 4.75 mm là 56.14 % Tại các cỡ sàng khác thì phần trăm lọt sàng đã vượt ra khỏi phạm vi yêu cầu kỹ thuật của TCVN 8819-2011[1] Như vậy cấp phối vật liệu khoáng của BTN hạt thô D max đã mịn hóa so với cấp phối thiết kế ban đầu của dự án Cấp phối gần với phần mịn của cấp phối tiêu chuẩn có thể do việc thiết kế và thực trạng vật liệu ban đầu hoặc cũng có thể trong quá trình thi công và khai thác các hạt cốt liệu thô bị vỡ một phần làm mịn hóa cấp phối.[12]

Nguyễn Hoài Vẹn.[3] nghiên cứu ảnh hưởng của vùng giới hạn trong quy trình Superpave ảnh hưởng đến khả năng làm việc của BTNC Trong nghiên cứu thực hiện đánh giá ba đường cấp phối cốt liệu: đi trên vùng giới hạn (VGH), đi qua vùng giới hạn và đi dưới vùng giới hạn Kết quả nghiên cứu cho thấy cấp phối đi trên vùng giới hạn có khả năng làm việc tốt nhất và cấp phối đi dưới vùng giới hạn có khả năng làm việc kém nhất và cấp phối này được thiết kế theo phương pháp Bailey

Hình 2.11a Đường cong cấp phối đi trên VGH BTNC 12.5 mm.[3]

Hình 2.11b Đường cong cấp phối đi qua VGH BTNC 12.5 mm.[3]

Hình 2.11c Đường cong cấp phối đi dưới VGH BTNC 12.5 mm.[3]

Các hỗn hợp BTN có ba đường cong cấp phối như Hình 2.11 được sử dụng để so sánh với hỗn hợp BTN theo hai đường cấp phối cốt liệu thiết kế trong đề tài để tìm được hỗn hợp BTN có dạng đường cong cấp phối làm việc tốt nhất, cũng như nghiên cứu ảnh hưởng của độ rỗng cốt liệu VMA đến khả năng làm việc của hỗn hợp BTN

Sự xuất hiện của phương pháp thiết kế hỗn hợp BTN Superpave, các nhà máy sản xuất BTN và nhiều tổ chức đã nhận ra các cấp phối BTN không đáp ứng đủ tất cả các yêu cầu theo quy trình Superpave nhưng vẫn làm việc bình thường Những cấp phối đi trên VGH, qua VGH, dưới VGH vẫn cho thấy hỗn hợp có khả năng làm việc tốt

2.4.2.1 Các nghiên cứu cho thấy đường cong cấp phối đi trên vùng giới hạn có khả năng làm việc tốt

Anderson et al.[13] đã phân tích cơ sở dữ liệu nhiều cấp phối Superpave Trong nghiên cứu này, 128 mẫu BTN đã được sử dụng trong thời gian từ 1992-1996 được chọn để phân tích Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là thiết lập một sổ tay hướng dẫn cho người thiết kế, đặc biệt nhằm xác định thành phần cấp phối hoặc các đặc trưng của cấp phối để tạo ra độ rỗng cốt liệu VMA vừa đủ cho hỗn hợp BTN Nhóm nghiên cứu cố gắng để tìm ra sự tương quan giữa VMA và khoảng cách từ đường độ chặt tối ưu đến đường cong cấp phối hoặc từ đường cong cấp phối đến vùng giới hạn Kết quả là họ không tìm thấy được mối liên hệ nào Trong một nghiên cứu khác, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và đánh giá 4 cấp phối BTN khác nhau với cùng một nguồn cốt liệu Một cấp phối có biểu đồ hình chữ S, một cấp phối hạt mịn đi phía trên vùng giới hạn, cấp phối các hạt trung bình đi qua vùng giới hạn và cấp phối hạt thô đi dưới VGH có một cái “gù” trên biểu đồ Các hỗn hợp BTN được đánh giá bằng thí nghiệm Simple shear at constant height và Repeated shear at constant Nhóm nghiên cứu cho rằng hỗn hợp BTN có cấp phối đi trên VGH làm việc tốt nhất và hỗn hợp BTN có cấp phối dưới VGH làm việc kém nhất

EL-Basyouny et al.[14] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu, cỡ hạt lớn nhất danh định và hàm lượng nhựa đến sức kháng lún và các đặc trưng thể tích của BTN Trong nghiên cứu này, các hỗn hợp BTN được tạo từ các cấp phối khác nhau (trên VGH, qua VGH và dưới VGH) Sử dụng kết quả của thí nghiệm nén nở hông tự do, phần mềm dự báo khả năng lún trồi VESYS-3AM Phần mềm này dự báo lún sâu 10 mm đối với cấp phối qua VGH và sâu 11mm đối với cấp phối trên VGH và dưới VGH

Hand et al [15] đã tổng kết kết luận của 13 tạp chí, báo cáo các đề tài để thống kê các nghiên cứu về ảnh hưởng của VGH đến khả năng làm việc của BTN đã được nghiên cứu Đề tài nghiên cứu về giới hạn của đường cong cấp phối, cỡ hạt lớn nhất danh định, hình dạng đường cong cấp phối và kết quả các thí nghiệm Các thí nghiệm bao gồm: mô đun đàn hồi, nén 3 trục, sức kháng mỏi, hằn lún vệt bánh xe, Gyratory testing machine và Model mobile load simulator Căn cứ vào số liệu có được tác giả chỉ ra rằng cấp phối trên VGH và qua VGH làm việc tốt hơn cấp phối dưới VGH Tác giả còn kết luận thêm không có mối liên hệ nào giữa VGH và khả năng làm việc của BTN

T.Kuennen.[16] đã phân tích mặt đường BTN thiết kế theo quy trình Superpave bằng kinh nghiệm thực tế trong thời gian 2 năm Ông cho rằng, ở một số nơi trong nước, các cấp phối theo Superpave làm việc tốt mặc dù các cấp phối này bao gồm cốt liệu mịn và đi qua VGH

Trong khoảng thời gian 1994-1995, một con đường dùng để thí nghiệm dài 2.9 km (Westrack) được xây dựng ở Nevada Automotive Test Center gần Reno, Nevada dưới sự quản lý của FHWA (Đề án số DTFH61-94-C-00004) và National Cooperative Highway Research Program (NCHRP Đề án số 9-20) Con đường thử nghiệm này được chia thành 26 đoạn 2 trong số nhiều mục tiêu của thí nghiệm này kiểm tra ảnh hưởng của công nghệ thi công và sự thay đổi về nguyên vật liệu đến khả năng làm việc của BTN Bắt đầu từ năm 1996, tải trọng được áp đặt bằng 3 xe tải không người lái với tốc độ 65 km/ giờ Từ tháng 3 năm 1996 đến tháng 6 năm 1998, có 4.7 triệu lượt xe qui đổi 80 kN đã chạy qua con đường này Số liệu về sự làm việc của con đường đã được ghi nhận theo mỗi tuần và mỗi tháng.[17]

Các đoạn thí nghiệm của con đường Westrack được xây dựng bằng 3 cấp phối khác nhau: hạt mịn (trên VGH), hạt thô hình chữ S (dưới VGH) và hạt rất mịn (cấp phối hạt mịn có bụi tro bay) Nguyên liệu để sản xuất BTN gồm đá nghiền và nhựa đường cấp PG64-22 Hàm lượng bụi khoáng, hàm lượng nhựa và độ rỗng dư của các đoạn thí nghiệm được thay đổi có hệ thống để mô phỏng sự khác nhau của các con đường trên thực tế Các cấp phối được thiết kế đảm bảo các đặc trưng về thể tích tuân theo tiêu chuẩn Superpave Kết quả cho thấy khả năng làm việc của hỗn hợp có cấp phối dưới VGH thấp hơn rất nhiều so với dự kiến Các đoạn thí nghiệm sử dụng hỗn hợp BTN hạt thô có kết quả lún trồi và nứt do mỏi lớn nhất Tất cả các đoạn đường thí nghiệm sử dụng hỗn hợp BTN hạt thô được thay bằng cấp phối tương tự nhưng cốt liệu đá là loại khác (100% đá granite nghiền), các giá trị khác được giữ lại giống như cũ Kết quả cho thấy khả năng làm việc của các đoạn thay thế này không tốt hơn so với loại đá ban đầu Trong khi đó các vị trí sử dụng cấp phối có nhiều hạt mịn cho kết quả tốt hơn rõ rệt so với các vị trí sử dụng cấp phối nhiều hạt to.[17]

CÁC THÍ NGHIỆM THỰC HIỆN TRONG NGHIÊN CỨU

Phương pháp thiết kế Marshall đảm bảo các yêu cầu về cường độ để đảm bảo độ bền vững của kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng giao thông đảm bảo ổn định không bị hư hỏng và biến dạng quá mức, độ rỗng hỗn hợp phải đảm bảo để các hạt cốt liệu có khoảng hở trong quá trình giãn nở do nhiệt nhưng không quá lớn để tránh nước đi vào bên trong kết cấu áo đường Mục đích của thí nghiệm là xác định độ ổn định Marshall, độ dẻo của mẫu bê tông nhựa Thí nghiệm này được thực hiện theo chỉ dẫn của TCVN 8860-1:2011[ ] Độ ổn định Marshall là giá trị lực nén lớn nhất tác dụng lên mẫu BTN chuẩn (mẫu hình trụ cao 63.5 mm, đường kính 101.6 mm) Độ dẻo Marshall là biến dạng của mẫu BTN ở thời điểm đọc giá trị lực nén lớn nhất

Nguyên tắc thực hiện: Mẫu BTN hình trụ có kích thước quy định được ngâm trong bể nước ổn định nhiệt trong điều kiện xác định về nhiệt độ, thời gian và sau đó được nén đến phá hủy trên máy nén Marshall Xác định giá trị lực nén lớn nhất và biến dạng mẫu ở dùng thời điểm để tính độ ổn định và độ dẻo Marshall

Tiến hành thí nghiệm: Ngâm mẫu trong bể ổn định nhiệt khoảng 60 o C trong thời gian khoảng 40 phút Lấy mẫu khỏi bể và đặt mẫu vào máy nén, tiến hành nén mẫu ghi lại các số liệu khi mẫu chuẩn bị phá hủy Tốc độ bàn nén là 50.8 mm/phút

- Kết quả được tính theo công thức:

+ Độ ổn định Marshall (S), tính bằng kiloniuton (kN), chính xác tới 0.1kN, theo công thức:

K: Hệ số điều chỉnh nội suy từ TCVN 8860-1:2011[ ];

P: Lực nén lớn nhất, (kN)

+ Độ dẻo Marshall (F) là giá trị biến dạng của mẫu (mm)

Thí nghiệm này mô phỏng điều kiện điều kiện làm việc của mặt đường BTN trong môi trường nước và chịu tác động của nhiệt độ môi trường Ở điều kiện này, mặt đường BTN bị suy giảm cường độ và dễ bị hư hỏng khi chịu tác dụng của tải trọng

Thí nghiệm ép chẻ xác định cường độ khi ép chẻ (Splitting tensile strength) của mẫu BTN Cường độ khi ép chẻ của mẫu vật liệu là khả năng chịu kéo của mẫu khi có một lực nén tác dụng đều dọc theo đường sinh của mẫu thử hình trụ, nằm trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua đường kính của 2 đáy mẫu thử Khi lực nén đạt đến trị số tối đa, mẫu thử hình trụ sẽ bị phá hủy theo mặt phẳng thẳng đứng do ứng suất kéo phát sinh cao hơn khả năng chịu kéo của vật liệu mẫu thử Cường độ kéo khi ép chẻ thường lớn hơn cường độ kéo dọc trục và nhỏ hơn cường độ kéo khi uốn của mẫu vật liệu Cường độ kéo khi ép chẻ còn được gọi là cường độ kéo gián tiếp, hoặc cường độ chịu kéo khi nén.[42]

Thí nghiệm này mô phỏng mặt đường BTN làm việc tại các khu vực nhiệt độ thay đổi, khi nhiệt độ xuống thấp, BTN bị co lại và do tác động của tải trọng thì việc co rút này sẽ xuất hiện ứng suất kéo, nếu ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của hỗn hợp bê tông nhựa, mặt đường sẽ bị nứt Cường độ chịu kéo của vật liệu hỗn hợp BTN có thể xác định bằng thí nghiệm ép chẻ

Thí nghiệm này được thực hiện theo quy trình của TCVN 8862-2011[42] Tóm tắt thí nghiệm: Một tải trọng nén tác dụng đều dọc theo đường sinh của mẫu thử hình trụ, nằm trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua đường kính của hai đáy mẫu thử

Tải trọng nén được tăng liên tục và đều với tốc độ biến dạng (hoặc tốc độ tăng tải) qui định cho đến khi mẫu trụ bị phá hủy Tải trọng tương ứng với trạng thái mẫu bị phá hủy được ghi lại và dùng để tính cường độ kéo khi ép chẻ của vật liệu thông qua các kích thước của mẫu trụ

Trong nghiên cứu, thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp được thực hiện ở nhiệt độ của mẫu BTN là 25 o C, bảo dưỡng trong 4 giờ, tốc độ di chuyển của bàn máy nén là 50.8 mm/phút

Hình 2.14 Thí nghiệm ép chẻ

- Cách tính kết quả: Cường độ kéo khi ép chỉ R kc của từng mẫu thử được tính theo công thức:

R kc – Cường độ kéo khi ép chẻ, MPa;

P – Tải trọng khi phá hủy mẫu hình trụ, N;

H – Chiều cao của mẫu hình trụ (chiều dài đường sinh), mm;

D – Đường kính đáy mẫu hình trụ, mm;

2.5.3 Thí nghiệm Cantabro Độ hao mòn của vật liệu là một yếu tố quan trọng được xét đến trong nghiên cứu này, để đánh giá chỉ tiêu này ta dùng hệ thống thiết bị Los Angeles như trong Hình 2.15 Toàn bộ quá trình thí nghiệm Cantabro áp dụng theo tiêu chuẩn EN NTL-352-00.[43]

Hình 2.15 Thùng quay Los Angeles dùng trong thí nghiệm Cantabro

Tiến hành thí nghiệm: Mẫu thử được đặt vào thùng quay của thiết bị, chú ý trong thí nghiệm này không bỏ chung với bi sắt, thiết bị được cài đặt để quay với tốc độ 30 ÷ 33 vòng/phút và quay 300 vòng Khối lượng của mẫu thử trước và sau khi thí nghiệm được ghi chép lại, độ hao mòn của vật liệu được tính là phần trăm của lượng vật liệu bị bong ra khỏi mẫu trong suốt quá trình thí nghiệm Trước khi tiến hành bỏ mẫu tiếp theo phải đảm bảo thiết bị sạch sẽ, không còn bất cứ một mảnh vụn nào để tránh làm ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm.[43]

Công thức tính lượng tổn thất sau thí nghiệm Cantabro được tính như sau:

Trong đó: m 1 - Khối lượng mẫu trước thí nghiệm, g m 2 - Khối lượng mẫu sau thí nghiệm, g

2.5.4 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi

Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi được thực hiện theo mục C.3 22TCN-211- 06[ ] ở 60, 30, 15, 10 o C Xác định mô đun đàn hồi của các vật liệu BTN được thực hiện bằng cách ép các mẫu trụ tròn trong điều kiện cho nở hông tự do (nén 1 trục, mẫu không đặt trong khuôn, bản ép bằng đường kính mẫu) Thí nghiệm được thực hiện như Hình 2.16 Mẫu BTN hình trụ đường kính 10 cm, chiều cao của mẫu

10 cm Mẫu được chế bị ở áp lực 30 MPa và áp lực được giữ trong 3 phút Sau khi đúc mẫu, mẫu được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng ít nhất 16 giờ và trước khi thí nghiệm phải giữ ở nhiệt độ tính toán trong 2.5 giờ

Hình 2.16 Chế bị mẫu mô đun đàn hồi của hỗn hợp BTN.[14]

Tiến hành thí nghiệm: Mẫu BTN đem ép với chế độ gia tải 1 lần Giữ áp lực p trên mẫu cho đến khi biến dạng lún ổn định Khi tốc độ biến dạng còn 0.01mm/ phút (trong 5 phút) Sau đó dỡ tải và đợi biến dạng phục hồi cũng đạt được ổn định như trên thì mới đọc thiên phân kế để xác định trị số biến dạng đàn hồi L

Tính toán kết quả: Trị số mô đun đàn hồi của vật liệu được tính theo trị số biến dạng đàn hồi L đo được khi thí nghiệm ép, tương ứng với tải trọng p (MPa) với công thức sau:

D là đường kính mẫu (đường kính bàn ép), H là chiều cao mẫu;

TỔNG KẾT CHƯƠNG

Cấp phối cốt liệu là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến các đặc tính làm việc của hỗn hợp BTN So sánh khả năng làm việc của các hỗn hợp có cấp phối đi dưới VGH, đi qua VGH và đi trên VGH có nhiều ý kiến trái chiều về khả năng làm việc của các loại hỗn hợp BTN này Theo khuyến nghị của Superpave, cấp phối nên tránh đi qua vùng giới hạn để tránh hiện tượng lún trồi, tuy nhiên xem xét nhiều nghiên cứu trước cho thấy điều này chưa hẳn chính xác, nhiều cấp phối đi qua vùng giới hạn có khả năng làm việc tốt và đôi khi tốt hơn cấp phối hạt thô (dưới VGH) và hạt mịn (trên VGH) Vì vậy cần thực hiện nghiên cứu nhiều hỗn hợp với nhiều dạng đường cong cấp phối để chọn được hỗn hợp BTN với các đặc tính mong muốn Độ rỗng cốt liệu VMA cùng với các đặc tính thể tích khác như độ rỗng dư, độ rỗng lấp đầy nhựa VFA đóng vai trò rất quan trọng đối với khả năng làm việc của hỗn hợp BTN Độ rỗng cốt liệu được nhiều nhà nghiên cứu xem là yếu tố rất quan trọng quyết định đến độ bền của hỗn hợp, liên quan đến sức kháng mỏi và sức kháng lún của hỗn hợp BTN Trong quy trình thiết kế Superpave có quy định giá trị yêu cầu của độ rỗng VMA thấp nhất cần đạt được và trong quy trình thiết kế Marshall cũng yêu cầu VMA thấp nhất phụ thuộc vào cỡ hạt lớn nhất danh định của hỗn hợp Bên cạnh đó, vai trò của lớp màng nhựa bao quanh các hạt cốt liệu cũng được nhiều nhà nghiên cứu thừa nhận Hiện nay còn thiếu các kết quả nghiên cứu quan trọng về tương quan giữa độ rỗng cốt liệu và khả năng làm việc của hỗn hợp BTN, vì vậy độ rỗng cốt liệu VMA vẫn còn là một dấu hỏi lớn đối với nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới

Thiết kế cấp phối bê tông nhựa theo phương pháp Marshall tập trung xác định hàm lượng nhựa tối ưu bằng cách thử dần nhiều đường cong cấp phối cốt liệu khác nhau Công đoạn này rất tốn thời gian và đôi khi không có được cấp phối cốt liệu có khả năng làm việc tốt Phương pháp Bailey được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới có thể dùng làm công cụ đưa ra cấp phối cốt liệu tốt trước khi sử dụng phương pháp thiết kế hỗn hợp Marshall Trong nội dung nghiên cứu, cấp phối cốt liệu được thiết kế theo phương pháp Bailey, tuân theo TCVN 8819:2011[ ] và tiến hành đánh giá tính khả thi và hiệu quả của phương pháp này khi áp dụng ở Việt Nam.

THIẾT KẾ CẤP PHỐI CÁC HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

VẬT LIỆU

Thành phần cốt liệu trong hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm phần cốt liệu lớn (lớn hơn cỡ sàng 2.36 mm), cốt liệu nhỏ (từ cỡ sàng 2.36 mm đến 0.075 mm) và bột khoáng Cốt liệu đá dăm được lấy từ kho cốt liệu của trạm trộn BTN nhà máy BTN BMT Bến Lức - Long An Sau khi đưa về phòng thí nghiệm, cốt liệu được rây sàng phân thành từng cỡ sàng riêng biệt và được rửa sạch bụi bẩn, sấy khô

Hình 3.1 Thí nghiệm xác định tỷ trọng hỗn hợp cốt liệu lớn

Trong thành phần hỗn hợp BTN, cốt liệu chiếm tỷ lệ lớn nên các đặc tính của cốt liệu ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của hỗn hợp BTN Hỗn hợp cốt liệu tạo thành một bộ khung chịu lực, nhờ sự sắp xếp và gài móc giữa các hạt cốt liệu tạo thành cường độ chịu nén và một phần sức kháng cắt của hỗn hợp BTN Trong nghiên cứu thực hiện kiểm tra một số chỉ tiêu cơ lý cơ bản của cốt liệu như: độ hao mòn Los Angles, hàm lượng thoi dẹt, tỷ trọng của hỗn hợp cốt liệu Trong đó hàm lượng thoi dẹt là yếu tố rất quan trọng, nếu hàm lượng thoi dẹt của hỗn hợp cốt liệu lớn sẽ làm giảm cường độ của hỗn hợp BTN vì các hạt thoi dẹt thường bị vỡ khi chịu tác động của tải trọng và xe lu, do đó làm xáo trộn tỷ lệ thành phần hạt không như cấp phối thiết kế và có xu hướng mịn hóa cấp phối cốt liệu Kết quả hàm lượng thoi dẹt, độ hao mòn Los Angeles và khối lượng riêng của cốt liệu được trình bày ở Bảng 3.1

Hình 3.2 Thí nghiệm xác định tỷ trọng hỗn hợp cốt liệu nhỏ

Hình 3.3 Thí nghiệm xác định hàm lượng thoi dẹt của hỗn hợp cốt liệu

Hình 3.4 Thí nghiệm xác định độ hao mòn Los Angles

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của cốt liệu

Cốt liệu lớn Khối lượng riêng, g/cm 3 2.70 AASHTO T85[45] Độ hao mòn Los Angles, % 14.64 TCVN 7572-12:2006[46]

Hàm lượng thoi dẹt, % 10.73 TCVN 7572-13:2006[47]

Cốt liệu nhỏ Khối lượng riêng, g/cm 3 2.59 AASHTO T84[48]

Bột khoáng Khối lượng riêng, g/cm 3 3.00 TCVN 4195:2012[49]

Cốt liệu lớn Khối lượng riêng, g/cm 3 2.72 AASHTO T85[45] Độ hao mòn Los Angles, % 14.64 TCVN 7572-12:2006[46]

Hàm lượng thoi dẹt, % 8.95 TCVN 7572-13:2006[47]

Cốt liệu nhỏ Khối lượng riêng, g/cm 3 2.75 AASHTO T84[48]

Bột khoáng Khối lượng riêng, g/cm 3 3.00 TCVN 4195:2012[49]

3.1.2 Kiểm tra các chỉ tiêu của nhựa đường

Trong nghiên cứu sử dụng nhựa đường đặc 60/70 của tập đoàn xăng dầu Việt Nam (Petrolimex), đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam Nhựa đường 60/70 được kiểm tra 5 chỉ tiêu cơ lý cơ bản thể hiện trong Bảng 3.2

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của nhựa 60/70 Đặc trƣng Kết quả thí nghiệm Tiêu chuẩn Độ kim lún (0.1mm) 64 TCVN 7495:2005 [50]

Nhiệt độ hóa mềm ( o C) 49.5 TCVN 7497:2005 [51] Độ kéo dài (mm) ở 25 o C >110 (ngừng TN ở 110 mm) TCVN 7496:2005 [52]

Nhiệt độ bắt lửa ( o C) > 300 (ngừng TN ở 300 o C) TCVN 7498:2005 [53]

Cấp dính bám Cấp III TCVN 7054:2005 [54]

THIẾT KẾ CẤP PHỐI CỐT LIỆU THEO PHƯƠNG PHÁP BAILEY

Cấp phối cốt liệu 1 đi dưới vùng giới hạn có dạng đường cong hình chữ S trên biểu đồ cấp phối với cỡ sàng mũ 0.45 được thiết kế theo phương pháp Bailey và tuân theo tiêu chuẩn TCVN 8819-2011[ ] Phần trăm lọt sàng và hình dạng đường cong cấp phối được biễu diễn ở Bảng 3.4 và Hình 3.5 Cấp phối cốt liệu 1 được thiết kế theo phương pháp Bailey sử dụng một loại cốt liệu lớn CA gồm các hạt cốt liệu có kích thước lọt sàng 19 mm và đọng trên sàng 2.36 mm, một loại cốt liệu nhỏ

FA gồm các hạt cốt liệu lọt sàng 2.36 mm và bột khoáng là xi măng Hocim lọt qua sàng 0.075 mm

Bảng 3.3 Số liệu đầu vào của cấp phối 1

Loại cốt liệu Tỷ trọng (g/cm 3 ) LUW(kg/cm 3 ) RUW(kg/cm 3 )

LUW là khối lượng chưa đầm của cốt liệu (kg/m 3 );

RUW là khối lượng đã đầm của cốt liệu (kg/m 3 );

CUW là khối lượng chọn của cốt liệu (kg/m 3 )

Thông thường đối với cấp phối hạt thô bê tông nhựa chặt, khối lượng chọn của cốt liệu thô thường được chọn từ 95-105 % so với khối lượng chưa đầm của cốt liệu thô Phần trăm lượng bột khoáng có trong hỗn hợp cốt liệu là 7 %

Khối lượng chọn của cốt liệu thô CA:

CUW = 95% LUW = 0.95*1435.367= 1363,5987 (kg/cm 3 ) Độ rỗng trong cốt liệu thô CA :

) 49.9027 % Khối lượng cần thiết của cốt liệu mịn FA:

W FA = LUW FA * %FA * V C CA

39.2 * 100% * 49.9027= 818.0094 (kg/cm 3 ) Tổng khối lượng tất cả các loại cốt liệu có trong hỗn hợp:

Phần trăm cốt liệu thô có trong hỗn hợp :

% CA = W CA / W*100 63.5987 / 2181.6036 * 100= 62.5 % Phần trăm cốt liệu mịn có trong hỗn hợp:

% FA = W CA / W*100 = 818.0094 /2181.6036*100= 37.5 % Phần trăm cốt liệu mịn sau khi trừ đi phần bột khoáng :

Bảng 3.4 Cấp phối cốt liệu 1 BTNC 12.5 mm

Sàng (mm) TCVN 8819-2011[ ] % lọt sàng

Bảng 3.5 Giá trị chỉ số Bailey của cấp phối 1

Chỉ số Giá trị tính toán Giá trị đề nghị Kết luận

Hình 3.5 Đường cong cấp phối thiết kế thực hiện trong nghiên cứu

3.2.2 Cấp phối cốt liệu 2 đi trên vùng giới hạn có hình dạng chữ S Đường cong cấp phối 2 đi trên vùng giới hạn có dạng hình chữ S có phần trăm lọt sàng của các cỡ hạt và hình dạng đường cong được biểu diễn theo Bảng 3.6 và Hình 3.5 Đường cong cấp phối này thiết kế theo TCVN 8819-2011[ ] và được kiểm tra theo các chỉ số Bailey đối với cấp phối cốt liệu dạng mịn

Bảng 3.6 Cấp phối 2 BTNC 12.5 mm

Cấp phối 2 là cấp phối dạng mịn được kiểm tra theo các chỉ số Bailey Trong cấu trúc cốt liệu cấp phối 2, các hạt cốt liệu thô sắp xếp rời rạc và không tạo được bộ khung chịu lực như cấp phối dạng thô, toàn bộ tải trọng được truyền qua cấu trúc hạt mịn Đối với cấp phối dạng mịn, các cỡ sàng khống chế và các chỉ số Bailey có sự khác biệt so với cấp phối dạng thô

Bảng 3.7 Các sàng khống chế của cấp phối dạng mịn[ ]

Cỡ hạt lớn nhất danh định NMPS , 12.5mm

Bảng 3.8 Phần trăm lọt sàng xét từ cỡ hạt 2.36 mm của cấp phối 2

Cỡ sàng, mm % Lọt sàng

0.075 16.67 Đối với cấp phối hạt mịn, chỉ xét đến hai chỉ số CA, FAc và xét đến phần cốt liệu hạt mịn lọt sàng 2.36 mm trong tính toán Công thức tính chỉ số CA và FA c được tính toán tương tự như cấp phối hạt thô, kết quả được thể hiện ở Bảng 3.9

Bảng 3.9 Kết quả tính toán chỉ số Bailey của cấp phối 2

Chỉ số Giá trị tính toán

CHẾ TẠO MẪU BÊ TÔNG NHỰA TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM

Cốt liệu được rửa sạch, sấy khô và rây sàng phân thành các cỡ sàng theo tỷ lệ phần trăm lọt sàng của từng cấp phối cốt liệu BTNC 12.5 mm Cốt liệu được sấy ở 170 o C, được trộn với nhựa đường 60/70 ở 150-160 o C và quá trình đầm nén mẫu BTN ở 140-150 o C Mẫu sau khi được chế bị được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng Một số hình ảnh mô tả quá trình chế bị mẫu BTNC 12.5 mm thể hiện ở Hình 3.6 đến 3.10

Hình 3.6 Cốt liệu được rây thành từng cỡ sàng

Hình 3.7 Cốt liệu và nhựa được sấy trước khi trộn BTN

Hình 3.8 Quá trình trộn mẫu BTNC 12.5 mm

Hình 3.9 Quá trình đầm mẫu BTNC 12.5 mm

Hình 3.10 Mẫu BTN được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng và nơi bằng phẳng

3.4 XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG NHỰA TỐI ƢU Để xác định hàm lượng nhựa tối ưu của mỗi hỗn hợp BTN theo phương pháp

Marshall, mỗi cấp phối cốt liệu được chế bị 15 mẫu BTN hình trụ cao 63.5 mm và đường kính 101.6 mm, ứng với 5 hàm lượng nhựa và tại mỗi hàm lượng nhựa 3 mẫu Các mẫu BTN được thí nghiệm xác định các chỉ tiêu: Khối lượng thể tích BTN đã đầm nén Gmb, khối lượng riêng BTN G mm , độ rỗng dư Va , độ rỗng cốt liệu VMA, độ ổn định và độ dẻo Marshall

Từ các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa với các chỉ tiêu: độ rỗng dư V a , độ rỗng cốt liệu VMA, độ ổn định Marshall, độ dẻo Marshall, khối lượng thể tích của 2 hỗn hợp BTN, ta chọn được hàm lượng nhựa tối ưu và các chỉ tiêu cơ lý của BTN tại hàm lượng nhựa tối ưu đã chọn của mỗi cấp phối cốt liệu Kết quả tính toán và lựa chọn hàm lượng nhưa tối ưu thể hiện ở mục 3.1.4.1 và 3.1.4.2

3.4.1 Hàm lƣợng nhựa tối ƣu của cấp phối cốt liệu 1

Bảng 3.10 Khối lượng riêng của hỗn hợp cốt liệu cấp phối 1

Loại cốt liệu Khối lƣợng riêng, g/cm 3 Tỷ lệ phần trăm trong hỗn hợp, %

Bảng 3.11 Khối lượng riêng bê tông nhựa theo hàm lượng nhựa của hỗn hợp bê tông nhựa cấp phối 1

STT % Nhựa theo khối lƣợng G mm , g/cm 3

Bảng 3.12 Kết quả các đặc tính thể tích của hỗn hợp BTN cấp phối 1

STT % nhựa theo hỗn hợp

Khối lƣợng thể tích BTN G mb , g/cm 3 Độ rỗng dƣ V a , % Độ rỗng cốt liệu VMA, %

Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm Marshall của hỗn hợp BTN cấp phối 1

TCVN 8819:2011[ ] Chỉ số dẻo, mm

Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ HLN - Các chỉ tiêu của hỗn hợp BTN cấp phối cốt liệu 1

Bảng 3.14 Các đặc tính của hỗn hợp BTN cấp phối 1 tại hàm lượng nhựa tối ưu

Nhựa tối ƣu, % 5.43 Độ ổn định Marshall, kN 11.56

Chỉ số dẻo, mm 3.70 Độ rỗng cốt liệu VMA, % 16.87

Khối lƣợng thể tích, kg/cm 3 2.3359 Độ rỗng dƣ, % 4.67

3.4.2 Hàm lƣợng nhựa tối ƣu của cấp phối cốt liệu 2

Bảng 3.15 Khối lượng riêng của hỗn hợp cốt liệu cấp phối 2

Loại cốt liệu Khối lƣợng riêng, g/cm 3 Tỷ lệ phần trăm trong hỗn hợp, %

Bảng 3.16 Khối lượng riêng bê tông nhựa theo hàm lượng nhựa của hỗn hợp bê tông nhựa cấp phối 2

STT % Nhựa theo khối lƣợng G mm , g/cm 3

Bảng 3.17 Kết quả các đặc tính thể tích của hỗn hợp BTN cấp phối 2

STT % nhựa theo hỗn hợp

Khối lƣợng thể tích BTN G mb , g/cm 3 Độ rỗng dƣ V a , % Độ rỗng cốt liệu VMA, %

Bảng 3.18 Kết quả thí nghiệm Marshall của hỗn hợp BTN cấp phối 2

TCVN 8819:2011[ ] Chỉ số dẻo, mm

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ HLN - Các chỉ tiêu của hỗn hợp BTN cấp phối 2

Bảng 3.19 Các đặc tính của hỗn hợp BTN cấp phối 2 tại hàm lượng nhựa tối ưu

Nhựa tối ƣu, % 4.97 Độ ổn định Marshall, kN 16.89

Chỉ số dẻo, mm 3.87 Độ rỗng cốt liệu VMA, % 15.12

Khối lƣợng thể tích, kg/cm 3 2.468 Độ rỗng dƣ, % 3.37

3.5 TÍNH TOÁN CHIỀU DÀY LỚP MÀNG NHỰA T f

Trong nghiên cứu sửu dụng phương pháp ước lượng diện tích bề mặt của cốt liệu được phát triển bởi Hveem, dựa trên nhân tố bề mặt được đề xuất bởi

L.N.Edwards Các hạt cốt liệu được giả định là hình cầu, diện tích bề mặt và nhân tố bề mặt dựa vào đường kính của hạt cốt liệu bằng với kích thước cỡ sàng Chiều dày lớp màng nhựa trung bình T f không được xem xét trực tiếp trong quy trình thiết kế hỗn hợp BTN Marshall Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy rằng lớp nhựa bao bọc cốt liệu có chiều dày thích hợp sẽ đảm bảo khả năng làm việc của hỗn hợp BTN Công thức tính chiều dày lớp màng nhựa bao quanh cốt liệu được thể hiện ở công thức 3.1 và 3.2 Kết quả tính toán chiều dày lớp màng nhựa trung bình bao quanh các hạt cốt liệu được thể hiện ở Bảng 3.21

Hình 3.13 Lớp màng nhựa bao quanh hạt cốt liệu.[ ]

Bảng 3.20 Nhân tố bề mặt được đề xuất bởi Edwards[ ]

Nhân tố bề mặt SF i

Diện tích bề mặt cốt liệu được tính theo công thức của Hveem[ ]:

SA là diện tích bề mặt, m 2 /kg ; SF i là nhân tố bề mặt của cỡ sàng thứ i;

P i là phần trăm lọt qua cỡ sàng thứ i

Chiều dày lớp màng nhựa

Phương pháp tính chiều dày lớp màng nhựa dựa trên nhân tố bề mặt được phát triển bởi Hveem:

T f là chiều dày trung bình của lớp màng nhựa, ; V be là thể tích nhựa hữu hiệu, lít;

SA là diện tích bề mặt của cốt liệu, m 2 /kg ; M s là khối lượng của cốt liệu, kg; p W là trọng lượng riêng của nước, g/cm 3

Bảng 3.21 Chiều dày trung bình của lớp màng nhựa

TÍNH TOÁN CHIỀU DÀY LỚP MÀNG NHỰA T f

Trong nghiên cứu sửu dụng phương pháp ước lượng diện tích bề mặt của cốt liệu được phát triển bởi Hveem, dựa trên nhân tố bề mặt được đề xuất bởi

L.N.Edwards Các hạt cốt liệu được giả định là hình cầu, diện tích bề mặt và nhân tố bề mặt dựa vào đường kính của hạt cốt liệu bằng với kích thước cỡ sàng Chiều dày lớp màng nhựa trung bình T f không được xem xét trực tiếp trong quy trình thiết kế hỗn hợp BTN Marshall Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy rằng lớp nhựa bao bọc cốt liệu có chiều dày thích hợp sẽ đảm bảo khả năng làm việc của hỗn hợp BTN Công thức tính chiều dày lớp màng nhựa bao quanh cốt liệu được thể hiện ở công thức 3.1 và 3.2 Kết quả tính toán chiều dày lớp màng nhựa trung bình bao quanh các hạt cốt liệu được thể hiện ở Bảng 3.21

Hình 3.13 Lớp màng nhựa bao quanh hạt cốt liệu.[ ]

Bảng 3.20 Nhân tố bề mặt được đề xuất bởi Edwards[ ]

Nhân tố bề mặt SF i

Diện tích bề mặt cốt liệu được tính theo công thức của Hveem[ ]:

SA là diện tích bề mặt, m 2 /kg ; SF i là nhân tố bề mặt của cỡ sàng thứ i;

P i là phần trăm lọt qua cỡ sàng thứ i

Chiều dày lớp màng nhựa

Phương pháp tính chiều dày lớp màng nhựa dựa trên nhân tố bề mặt được phát triển bởi Hveem:

T f là chiều dày trung bình của lớp màng nhựa, ; V be là thể tích nhựa hữu hiệu, lít;

SA là diện tích bề mặt của cốt liệu, m 2 /kg ; M s là khối lượng của cốt liệu, kg; p W là trọng lượng riêng của nước, g/cm 3

Bảng 3.21 Chiều dày trung bình của lớp màng nhựa

ĐỘ RỖNG CỐT LIỆU VMA VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ LÝ BTN

TỔNG KẾT CHƯƠNG

Từ kết quả các thí nghiệm độ ổn định Marshall, cường độ chịu kéo gián tiếp, mô đun đàn hồi, độ hao mòn Cantabro, vệt hằn bánh xe cho thấy độ rỗng cốt liệu

VMA có mức tương quan tốt với các đặc tính cơ lý của hỗn hợp BTNC 12.5 mm và có tương quan tốt hơn so với chiều dày trung bình lớp màng nhựa Tf Hệ số tương quan của độ rỗng cốt liệu VMA, chiều dày trung bình lớp màng nhựa T f với các đặc tính cơ lý của hỗn hợp BTNC được thể hiện ở Bảng 4.8 và 4.9

Kết quả thí nghiệm xác định chiều sâu vệt hằn bánh xe đối với 3 cấp phối cốt liệu 1, 2 và 3 cho thấy khi độ rỗng cốt liệu VMA tăng thì sức kháng lún của hỗn hợp BTN giảm Điển hình ở cấp phối 1 với mức VMA 16.88 % có chiều sâu vệt lún 12.5 mm ở 890 lượt tác dụng tải và cấp phối 2 với mức VMA thấp nhất 15.12 % có chiều sâu vệt lún thấp nhất 8.58 mm ở 2000 lượt tác dụng tải Điều này phù hợp với quan điểm của một số nhà nghiên cứu, khi độ rỗng cốt liệu tăng quá cao thì xảy ra vấn đề sức kháng lún của hỗn hợp BTN

Hỗn hợp BTNC 12.5 mm cấp phối cốt liệu 1 với độ rỗng cốt liệu VMA 15.12 % có độ ổn định Marshall, cường độ chịu kéo, độ hao mòn Cantabro, mô đun đàn hồi cao nhất và chiều sâu vệt hằn bánh xe thấp nhất Ở chỉ tiêu độ hao mòn Cantabro, ở mức VMA thấp nhất trong 5 hỗn hợp BTN có độ hao mòn lớn nhất là 2.28 % Điều này có thể do hàm lượng nhựa thấp nhất trong 5 cấp phối nên không tạo đủ chiều dày lớp màng nhựa bao quanh cốt liệu dẫn đến bong tróc dưới tác dụng của bánh xe Đối với các cấp phối BTNC 12.5 mm dạng thô như cấp phối 1 và cấp phối 5 có độ rỗng cốt liệu VMA cao có các chỉ tiêu độ ổn định Marshall, mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo gián tiếp thấp

So với độ rỗng cốt liệu VMA, chiều dày trung bình lớp màng nhựa T f có tương quan thấp hơn đối với các chỉ tiêu cơ lý hỗn hợp BTN Chiều dày lớp màng nhựa T f có tương quan tốt với chỉ tiêu độ hao mòn Cantabro với hệ số tương quan R 2 = 0.94

.Vì vậy, độ rỗng cốt liệu VMA là nhân tố có thể dùng để đánh giá, dự đoán khả năng làm việc của hỗn hợp BTNC trong quá trình thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

Các hỗn hợp BTN có cấp phối dạng hạt mịn (cấp phối 2, cấp phối 3 và cấp phối 4) với mức độ rỗng cốt liệu VMA thấp có khả năng làm việc tốt hơn so với các hỗn hợp BTN có cấp phối cốt liệu dạng thô (cấp phối 1 và cấp phối 5) với độ rỗng cốt liệu VMA cao Theo khuyến nghị của quy trình Superpave, độ rỗng cốt liệu VMA của cấp phối cốt liệu dạng thô không nên vượt quá 2% so với giá trị nhỏ nhất yêu cầu

Bảng 4.8 Tổng hợp phương trình và hệ số tương quan của độ rỗng cốt liệu VMA đối với các đặc tính cơ lý của hỗn hợp BTNC Đặc tính cơ lý của BTN Phương trình tương quan R 2 VMA Độ ổn định Marshall y=0.271x 2 -10.867x +120.2 0.80 Cường độ chịu kéo gián tiếp y=0.0131x 2 -0.5038x+5.3208 0.85 Độ hao mòn Cantabro y=0.3046x 2 -10.545x+139.15 0.98 Mô đun đàn hồi y%.459x 2 -918.6x+88551.1 0.90

Chiều sâu vệt hằn bánh xe y=1.5335x 2 -46.62x+362.59 1

Ghi chú: y là các đặc tính cơ lý BTN và x là độ rỗng cốt liệu VMA

Bảng 4.9 Tổng hợp phương trình và hệ số tương quan của chiều dày lớp màng nhựa

T f đối với các đặc tính cơ lý của hỗn hợp BTNC Đặc tính cơ lý của BTN Phương trình tương quan R 2 Tf Độ ổn định Marshall y=9.4616x 2 -1566.52x+659.62 0.62 Cường độ chịu kéo gián tiếp y=0.1342x 2 -2.3229x+10.604 0.77 Độ hao mòn Cantabro y=1.9747x 2 -33.046x+92.094 0.94 Mô đun đàn hồi y58.35x 2 -5956.6x+25010 0.85

Ghi chú: y là các đặc tính cơ lý BTN và x là chiều dày lớp màng nhựa T f