Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng của vùng giới hạn theo Superpave đến khả năng làm việc của bê tông nhựa chặt

Dựa vào các số liệu thu được từ thí nghiệm có thể kết luận rằng: bê tông nhựa có cấp phối đi trên vùng giới hạn có chất lượng cao nhất, cấp phối đi qua vùng giới hạn có chất lượng trung

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VỀ SUPERPAVE

2.1.1 Lịch sử hình thành Superpave

Năm 1987, Quốc hội Hoa Kì quyết định thành lập Chương trình nghiên cứu chiến lược đường cao tốc - The Strategic Highway Research Progam (SHRP), chương trình này kéo dài năm năm, 150 triệu đô la Mỹ đã được sử dụng để đầu tư nghiên cứu với mục đích cải thiện năng suất và độ bền của các con đường ở Hoa Kì, đồng thời làm cho các con đường trở nên an toàn hơn với người đi xe mô tô và nhân viên đường cao tốc SHRP được phát triển bởi sự hợp tác của nhiều bang, tổ chức:

American Association of State Highway and Transportaion Officials (AASHTO), Transportation Research Board (TRB), Industry, and Federal Hightway Administration (FHWA) SHRP nghiên cứu về nhựa đường (độ quánh và thành phần của nhựa đường), BTN và thành phần cấp phối của nó, hệ thống đường cao tốc, và thời gian khai thác của mặt đường BTN [9]

Superpave là sản phầm sau cùng của chương trình nghiên cứu về BTN thuộc

SHRP Superpave là cụm từ viết tắc của: Superior Performing Asphalt Pavements

Superpave đặt ra các yêu cầu cho nhựa đường và cấp phối cốt liệu dùng sản xuất BTN [9]

Hệ thống Superpave kết hợp các đặc điểm kỹ thuật của vật liệu BTN với các điều kiện môi trường để cải thiện chất lượng của các con đường bằng cách khống chế hiện tượng lún trồi, nứt do nhiệt độ thấp và nứt do mỏi Ba nội dung quan trọng của Superpave là yêu cầu kỹ thuật của nhựa; thiết kế và phân tích cấp phối; một hệ thống phần mềm máy tính [10] Superpave được đánh giá là phương pháp thiết kế cấp phối cốt liệu BTN tối ưu nhất hiện nay và được nhiều nước trên thế giới sử dụng

2.1.2 Thiết kế bê tông nhựa theo Superpave

Tiêu chuẩn Superpave có đưa ra các căn cứ để chọn cốt liệu, phối trộn và phân tích tỉ lệ giữa các loại cốt liệu, phân tích độ ẩm Thiết kế BTN theo Superpave bao gồm 4 bước :

1 Lựa chọn nguồn nguyên liệu;

3 Xác định hàm lượn nhựa tối ưu;

Căn cứ để lựa chọn nguyên liệu sản xuất BTN và loại đầm nén dựa vào: a Yếu tố môi trường; b Lưu lượng và tải trọng xe; c Kết cấu của mặt đường

Chọn nhựa đường phải dựa vào dữ liệu về môi trường, lưu lượng giao thông và tốc độ thiết kế Chọn cốt liệu phải căn cứ vào BTN dùng cho lớp mặt trên hay lớp dưới, lưu lượng và tốc độ giao thông

Thiết kế cấp phối là việc xác định tỷ lệ phần trăm của mỗi loại cốt liệu trong hỗn hợp Mỗi cấp phối có một hàm lượng nhựa tối ưu riêng, giới hạn của cấp phối và giá trị hàm lượng nhựa tối ưu phải đảm bảo theo tiêu chuẩn

Lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu là việc thực hiện thay đổi nhiều hàm lượng nhựa khác nhau với cùng một cấp phối để tìm ra được hàm lượng nhựa làm cho BTN ứng với cấp phối đó đạt chất lượng cao nhất và đảm bảo các yêu cầu trong tiêu chuẩn Đánh giá BTN bao gồm thực hiện các thí nghiệm theo quy định của hệ thống Superpave hoặc các tiêu chuẩn khác có liên quan để xác định hỗn hợp BTN có đạt yêu cầu hay không [11]

2.1.3 Vùng giới hạn trong Superpave

2.1.3.1 Khái niệm vùng giới hạn

Vùng giới hạn không phải là một khái niệm mới đối với người trong nghành BTN Từ lâu, các chuyên gia trong nghành đã nhận ra rằng nếu cấp phối cốt liệu đi vào một vùng đặc biệt giới hạn bởi các sàng trung bình thì hỗn hợp BTN có khả năng bị mềm và xảy ra lún trồi khi khai thác Tuy vậy, cho đến khi nó được nhóm nghiên cứu thực hiện Chương trình nghiên cứu chiến lược đường cao tốc đặt tên là

“The restricted zone” – Vùng giới hạn, trong quyển sách Superpave – SP2 thì nó được phổ biến hơn Vùng giới hạn được Superpave định nghĩa như sau [12]:

Vựng giới hạn là vựng nằm trờn đường độ chặt tối ưu kộo dài từ sàng 300àm (số 50) đến sàng 2.36mm (số 8), đường cong cấp phối không nên đi qua vùng này

VGH của BTN 12,5mm được thể hiện như Hình 4[12]

2.1.3.2 Sự hình thành vùng giới hạn trong Superpave

Lý do hình thành vùng giới hạn trong Superpave nằm trong một báo cáo của SHRP (SHRP-A-408) Báo cáo này tổng kết các nghiên cứu được thực hiện trong

SHRP Chương đầu tiên của báo cáo này trình bày một phương pháp nhằm xác định các yếu tố gây ảnh hưởng đến cách thiết kế cấp phối cốt liệu và sản xuất hỗn hợp BTN, phương pháp này được gọi là Delphi Phương pháp Delphi bao gồm một nhóm các bảng câu hỏi đặt sẵn sẽ được trả lời Theo phương pháp này thì các câu hỏi xuất hiện sau thì sẽ khó hơn và quan trọng hơn so với các câu hỏi trước Với phương pháp Delphi thông thường, các thành viên trả lời bảng câu hỏi không được thảo luận với nhau; tuy nhiên các chuyên gia SHRP được trao đổi với nhau để trả lời các câu hỏi được đặt ra [12]

Các chuyên gia SHRP đã phải trả lời lần lượt 5 bảng câu hỏi để xác định các yếu tố liên quan đến đường cong cấp phối có ảnh hưởng đến chất lượng của BTN Tổng kết kết quả như sau:

- Biểu đồ lũy thừa 0,45 cỡ sàng được dùng để thể hiện đường cong cấp phối;

- Một số định nghĩa được đưa ra: Kích thước hạt lớn nhất danh định, kích thước cốt liệu lớn nhất, vùng giới hạn và đường độ chặt tối ưu[12]

Tuy nhiên, báo cáo chỉ đề nghị rằng cấp phối cốt liệu BTN không nên xâm phạm vào VGH Không có đề cập nào cho rằng cấp phối phải tuyệt đối đi bên ngoài VGH

2.1.3.3 Vùng giới hạn đối với mỗi loại bê tông nhựa

Theo yêu cầu thiết kết của Superpave thì đường cong cấp phối phải nằm giữa các điểm khống chế, và không nên đi qua vùng giới hạn Với mỗi loại BTN theo cỡ hạt lớn nhất danh định khác nhau thì có các điểm khống chế và vùng giới hạn khác nhau Giá trị của các điểm khống chế và vùng giới hạn của các loại BTN được thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Điểm khống chế và vùng giới hạn cấp phối theo Superpave [13]

Loại BTN theo cỡ hạt lớn nhất danh dịnh

9,5mm 12,5mm 19mm 25mm 37,5mm

CÁC NGHIÊN CỨU VỀ VÙNG GIỚI HẠN

2.2.1 Các nghiên cứu về vùng giới hạn trong nước

Tính đến thời điểm hiện nay, chưa có nghiên cứu nào về vùng giới hạn của cấp phối cốt liệu BTN được công bố trong nước

2.2.2 Các nghiên cứu về vùng giới hạn trên thế giới

2.2.2.1 Các nghiên cứu cho thấy đường cong cấp phối trên vùng giới hạn làm việc tốt

Từ khi sự có mặt của phương pháp thiết kế BTN Superpave, các nhà máy BTN và nhiều tổ chức đã nhận ra các cấp phối BTN không đáp ứng đủ tất cả các yêu cầu theo Superpave nhưng vẫn làm việc bình thường Những cấp phối đi trên VGH, qua VGH, dưới VGH vẫn cho thấy khả năng làm việc tốt

Anderson et al [14] đã phân tích cơ sở dữ liệu nhiều cấp phối Superpave Trong nghiên cứu này, 128 mẫu BTN đã được sử dụng trong thời kỳ từ 1992-1996 được chọn để phân tích Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là để thiết lập một sổ tay hướng dẫn cho người thực hiện việc thiết kế, đặc biệt hơn việc tìm hiểu này 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 tiến hành đánh giá 4 cấp phối BTN khác nhau có 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 được đánh giá bằng thí nghiệm Simple shear at constant height và Repeated shear at constant Nhóm nghiên cứu cho rằng BTN có cấp phối trên VGH làm việc tốt nhất và BTN có cấp phối dưới VGH làm việt kém nhất

EL-Basyouny et al [15] đã nghiên cứu về sự ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu, cỡ hạt lớn nhất danh định và hàm lượng nhựa đến sức kháng lún trồi, các đặc trưng thể tích của BTN Trong nghiên cứu này các hỗn hợp BTN làm thí nghiệm 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 10mm đối với cấp phối qua VGH và sâu 11mm đối với cấp phối trên VGH và dưới VGH

Hand et al [16] 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 thực hiện Đề tài tìm hiểu về giới hạn của đường cong cấp phối, cỡ hạt lớn nhất danh định, hình dạng cấp phối và kết quả các thí nghiệm Các thí nghiệm gồm:

Modun đàn hồi, nén 3 trục, sức kháng mỏi, độ 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 rằng không có mối liên hệ nào giữa VGH và khả năng làm việc của BTN

T.Kuennen [17] đã phân tích mặt đường BTN thiết kế theo Superpave bằng các kinh nghiệm thực tế trong thời gian 2 năm Ông cho rằng, ở một số nơi trong nước, các cấp phối Superpave làm việc tốt mặc dù các cấp phối này bao gồm cốt liệu mịn – và đi vào VGH

Trong khoảng thời gian 1994-1995, một con đường dùng để thí nghiệm dài

2,9km (Westtrack) đã 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 thí 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 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 65km/ 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 [16] Số liệu về sự làm việc của con đường đã được ghi nhận theo mỗi tuần và mỗi tháng

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[16] Các cấp phối được thiết kế đảm bảo các đặc trưng về thể tích tuân theo tiêu chuẩn Superpave Kết quả cho thấy rằng 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

Mallick et al [18] đã thực hiện một nghiên cứu khác về các cấp phối trên, qua và dưới VGH Mục tiêu của nghiên cứu là để đánh giá mức độ lún của BTN có những cấp phối tuân theo Superpave Trong nghiên cứu này, các cấp phối được sử dụng đó là trên, qua và dưới VGH Với cốt liệu đá gồm đá granite, đá vôi và sỏi Tất cả cốt liệu đều được nghiền Các cấp phối được thiết kế dành cho lớp mặt và lớp dưới theo thứ tự có cỡ hạt lớn nhất danh định là là 12,5mm và 19,0mm Nhựa đường được sử dụng cho tất cả các cấp phối có cấp nhựa là PG 64-22

Nhóm nghiên cứu đã tổng kết các số liệu và chỉ ra rằng có sự khác nhau rõ rệt về khả năng làm việc của các cấp phối khác nhau Họ thấy rằng, với đá granite và đá vôi, cấp phối dưới VGH thường cho chiều sâu lún cao nhất, cấp phối qua VGH là thấp nhất, còn trên VGH cho kết quả trung bình

National Center for Ashpalt Technology (NCAT), Hoa Kỳ, đã kết thúc việc xây dựng 2,7km đường thí nghiệm gần Auburn, Alabana Con đường này được dùng để mô phỏng thí nghiệm già hóa của áo đường mềm Những cấp phối trên, qua và dưới VGH được dùng để xây dựng các đoạn đường thí nghiệm Mô hình thu nhỏ sẽ tạo ra các căn cứ để kiểm tra sự ảnh hưởng của cấp phối đến khả năng làm việc thực tế của BTN Dựa vào kết quả thu được, nhóm nghiên cứu đã thấy rằng sức kháng lún trồi của BTN có thể được cải thiện khi sử dụng cấp phối hạt mịn Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra rằng các cấp phối Superpave trên và qua VGH cho thấy ít biến dạng theo thời gian hơn các cấp phối dưới VGH Một số nhà nghiên cứu kết luận rằng hỗn hợp BTN có sức kháng lún trồi đảm bảo tiêu chuẩn có thể được sản xuất với bất kì cấp phối nào [19]

Trong một nghiên cứu khác của Arif Chowdhury et al [19], nhóm nghiên cứu đã sử bốn loại cốt liệu liệu khác nhau gồm: 100% đá ganite nghiền, 100% đá vôi, 100% đá cuội sông nghiền và đá cuội sông nghiền trộn với cát tự nhiên Với mỗi loại cốt liệu, 3 hỗn hợp BTN được chế tạo với 3 cấp phối trên, qua và dưới VGH

Dựa vào các số liệu thu được, nhóm nghiên cứu đã kết luận rằng không có mối liên hệ nào giữa VGH và chất lượng của BTN, kết luận thứ 2 là những hỗn hợp BTN có cấp phối trên VGH có sức kháng biến dạng tốt hơn những hỗn hợp BTN có cấp phối dưới VGH

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BAILEY

2.3.1 Khái niệm phương pháp Bailey

Phương pháp Bailey là một phương pháp thiết kế cấp phối cốt liệu BTN, được phát minh bởi Robert Bailey Phương pháp này dựa trên kinh nghiệm thiết kế bê tông nhựa của ông Bailey phát minh phương pháp này với mục đích tìm cách giảm hiện tượng lún mặt đường mà BTN vẫn giữ được các chỉ tiêu khác [27]

Quy trình thiết kế cấp phối của Bailey đã được Bill Vavrik và Bill Pine phát triển thêm để đưa ra cách phân tích hỗn hợp cốt liệu có thể ứng dụng cho tất cả các loại BTN chặt, bỏ qua vai trò của của cỡ hạt lớn nhất danh định trong cấp phối

Phương pháp Bailey có thể được sử dụng với mọi phương pháp sản xuất BTN, bao gồm Superpave , Marshall hoặc Hveem

Với phương pháp Bailey mức độ cài vào nhau của cốt liệu được chọn như là số liệu đầu vào khi thiết kế cấp phối Mức độ cài vào nhau của cốt liệu sẽ quyết định sức kháng lún của hỗn hợp BTN Để đảm bảo hỗn hợp BTN có hàm lượng nhựa vừa đủ phương pháp Bailey thay đổi độ rỗng giữa các hạt cốt liệu bằng cách thay đổi mức độ đầm nén của các hạt cốt liệu Theo đó hỗn hợp BTN có cấp phối thiết kế theo phương pháp Bailey có thể có được bộ khung cứng tạo ra độ ổn định cao và độ rỗng cốt liệu vừa đủ tạo nên độ bền hợp lý [27]

Phương pháp Bailey đã được thử nghiệm ở nhiều phòng thí nghiệm và các công trình đường ở nhiều quốc gia Rober Bailey đã sử dụng phương pháp này để để nâng cao chất lượng các con đường bê tông nhựa ở Illinois Trên thế giới, phương pháp Bailey đã được thử nghiệm tại các phòng thí nghiệm BTN ở Dubai, Các tiểu vương quốc Ả Rập, để cải thiện sự lún trồi BTN trên các con đường của họ bước đầu có kết quả tốt Nhiều công trình thử nghiệm đã được thực hiện ở Các tiểu vương quốc Ả Rập, Pháp, Ca na đa và khắp nước Mỹ [27]

2.3.2 Các nội dung chính của phương pháp Bailey

2.3.2.1 Một số khái niệm được dùng trong phương pháp Bailey

Phương pháp Bailey sử dụng 2 nguyên tắc để tạo nên sự liên quan của cấp phối cốt liệu với đặc trưng thể tích hỗn hợp BTN, đó là:

- Tỷ lệ hạt thô – hạt mịn trong cấp phối

Theo đó thì 2 bước cơ bản của phương pháp Bailey là:

- Trộn cốt liệu theo đơn vị thể tích;

- Phân tích cấp phối; a Đầm nén cốt liệu

Các hạt cốt liệu trong cấp phối không thể tự lèn chặt vào nhau cho nên giữa chúng luôn có khoảng cách (lỗ rỗng) Do đó phải đầm nén để mức độ sắp xếp giữa chúng chặt chẽ hơn Mức độ đầm nén phụ thuộc vào:

- Loại và lượng của lực nén;

- Hình dạng của các hạt cốt liệu;

- Bề mặt của các hạt cốt liệu;

- Thành phần cỡ hạt trong cấp phối;

- Độ cứng của các hạt b Cốt liệu thô và cốt liệu mịn

Cách định nghĩa truyền thống về cốt liệu thô là các hạt không lọt qua sàng

4,75mm Cốt liệu mịn được định nghĩa là các hạt lọt qua sàng 4,75mm (cát, bụi, sét) Định nghĩa này được dùng chung cho tất cả mọi loại cốt liệu của BTN 9,0mm cũng như BTN 25mm Theo phương pháp Bailey thì cốt liệu thô và cốt liệu mịn được định nghĩa một cách mới hơn:

+ Cốt liệu thô: Là các hạt cốt liệu lớn, khi đưa vào cấp phối sẽ tạo ra các lỗ rỗng;

+ Cốt liệu mịn: Là các hạt lấp đầy các lỗ rỗng được tạo ra từ cốt liệu thô;

Theo cách này, mỗi loại BTN theo cỡ hạt danh định sẽ có cỡ sàng quy định cốt liệu thô và cốt liệu mịn khác nhau

Ví dụ với cấp phối BTN có cỡ hạt lớn nhất danh định là 37,5mm, các hạt có kích thước 37,5mm sẽ tạo ra các lỗ rỗng Các lỗ rỗng này được lấp đầy với các hạt có kích cỡ 9,5mm, như vậy các hạt 9,5mm được xem là cốt liệu mịn Bây giờ, xem xét cấp phối BTN có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5mm, với cấp phối cốt liệu này, các hạt 9,5mm được xem là cốt liệu thô

Theo phương pháp Bailey, sàng được dùng để phân biệt cốt liệu thô và cốt liệu mịn được gọi là Sàng cấp I (SCI), kích thước của sàng này tùy thuộc vào kích cỡ của hạt lớn nhất danh định trong cấp phối

Sự phân chia giữa cốt liệu thô và cốt liệu mịn của cấp phối BTN 12,5 được thể hiện như trong Hình 2.2 Cỡ sàng cấp I, SCI được xác định theo công thức (1):

HLNDĐ = cỡ hạt lớn nhất danh định c Phối trộn cốt liệu theo thể tích

Tất cả các hỗn hợp cốt liệu đều chứa một lượng độ rỗng nhất định, đều này gây ảnh hưởng đến mức độ đầm chặt của cốt liệu Khi phối trộn cốt liệu điều quan trọng là chúng ta cần phải xác định được thể tích độ rỗng và kích cỡ của các lỗ rỗng được tạo ra từ cốt liệu thô sau đó trám đầy các lỗ rỗng này với lượng cốt liệu mịn thích hợp

Kích th-ớc sàng (lũy thừa 0,45)

Cốt liệu lớn Sàng cấp I

Hình 2.2 Ví dụ về sự phân biệt giữa cốt liệu thô và cốt liệu mịn cho cấp phối bê tông nhựa chặt 12,5

Phương pháp Bailey sử dụng khối lượng chưa đầm (Loose unit weights) và khối lượng sau đầm (Rodded unit weights) của cốt liệu để phân tích thể tích độ rỗng trong cấp phối Với mỗi loại cốt liệu thô thì khối lượng chưa đầm và khối lượng sau đầm cần được xác định, đối với cốt liệu mịn thì độ rỗng trong cốt liệu trước khi đầm và sau khi đầm không thay đổi nhiều nên chỉ cần xác định khối lượng sau đầm Các giá trị này là cơ sở để tính thể tích độ rỗng trong cấp phối, căn cứ vào đó để đánh giá mức độ cài vào nhau giữa các hạt cốt liệu d Khối lượng chưa đầm của cốt liệu thô (Loose unit weight of coarse aggregate)

Khối lượng chưa đầm của một loại cốt liệu là lượng cốt liệu lấp đầy một đơn vị thể tích mà chưa có bất kỳ sự đầm nén nào Trong trường hợp này mức độ cài vào nhau giữa các hạt cốt liệu thấp nhất

Khối lượng chưa đầm được xác định đối với mỗi loại cốt liệu tuân theo qui định trong AASHTO T-19 [28], 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 e Khối lượng đã đầm của cốt liệu thô (Rodded unit weight of coarse aggregate)

Khối lượng đã đầm của cốt liệu là lượng cốt liệu lấp đầy một đơn vị thể tích sau khi đã được đầm chặt Áp lực nén làm tăng sự tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu và làm giảm độ rỗng 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 [28], 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 độ rỗng trong trường hợp này sẽ được xác định

Khối lượng chưa đầm và sau đầm của cốt liệu được mô tả như Hình 2.3 f Khối lượng được chọn cho cốt liệu thô(Chosen unit weight of coarse aggregate)

THIẾT KẾ CẤP PHỐI THEO PHƯƠNG PHÁP BAILEY

Trong nghiên cứu này, phương pháp Bailey được áp dụng để thiết kế một cấp phối Kết quả thiết kế cho thấy cấp phối này nằm gần cận dưới của đường cong cấp phối của BTN chặt 12,5mm theo TCVN 8819:2011 [5] Các loại cốt liệu được sử dụng cho cấp phối này bao gồm: Một loại cốt liệu lớn, kí hiệu CA#1, gồm các loại đá dăm có kích cỡ từ 4,75mm đến 12,5mm Một loại cốt liệu nhỏ, kí hiệu FA#1, gồm các loại đá dăm có kích cỡ từ 0,075mm đến 4,75mm Bột khoáng là xi măng Holcim, được rây qua sàng 0,075mm Ba loại cốt liệu có hàm lượng lọt sàng như Bảng 2.6

Bảng 2.6 Phần trăm lọt sàng của ba loại cốt liệu sử dụng

Tên cốt liệu CA-2 FA-1 MF

Phần trăm lọt sàng của mỗi loại cốt liệu Cỡ sàng (mm)

Tỉ trọng khối (kg/m 3 ) 2,647 2,633 3,08 Tỷ trọng biểu kiến (kg/m 3 ) 2,716 2,749

Khối lượng chưa đầm (kg/m 3 ) 1305,422 Khối lượng sau đầm (kg/m 3 ) 1422,112 1614,677

+ Khối lượng được chọn bằng 103% (CUW 3%) khối lượng chưa đầm của cốt liệu thô

+ Phần trăm mong muốn cốt liệu lọt sàng 0,075 bằng 7%

Bước 1: Chọn giá trị CUW = 103% Chọn giá trị phần trăm cốt liệu lọt qua sàng

0,075mm mong muốn (P tk pas0,075 = 7%) (Mục 2.4.1)

Bước 2: Bởi vì chỉ có một loại cốt liệu lớn và một loại cốt liệu nhỏ nên mỗi loại đều là 100% - như Bảng 2 - (

Bước 3: Xác định khối lượng mỗi loại cốt liệu thô cần thiết :

CUW  LUW giá trị CUW 1305, 422 103% 1344,585(kg / m )   với: + CUW CA#1 là khối lượng cốt liệu thô cần thiết theo khối lượng chưa đầm của loại cốt liệu CA#1;

+ LUW CA#1 là khối lượng chưa đầm của cốt liệu thô CA#1;

Bước 4: Xác định khối lượng của mỗi loại cốt liệu thô theo phần trăm:

%AC : là phần trăm của mỗi loại cốt liệu thô đã chọn ở Bước 2;

Tổng khối lượng cốt liệu thô:

Bước 5: Độ rỗng trong cốt liệu thô CA#1:

Gsb là tỷ trọng khối của cốt liệu thô CA#1;

- Tổng độ rỗng trong cốt liệu thô:

Bước 6: Khối lượng cần thiết của mỗi loại cốt liệu mịn:

+ là khối lượng chưa đầm của loại cốt liệu mịn FA#1;

%A F là phần trăm của mỗi cốt liệu mịn FA#1 đã chọn ở Bước 2;

- Tổng khối lượng cốt liệu mịn:

Bước 7: Xác định thành phần phần trăm của mỗi loại cốt liệu theo khối lượng:

- Tổng khối lượng của tất cả cốt liệu: WW C W F 2139, 055(kg / m ) 3 ; - % của cốt liệu thô CA#1 được xác định lại:

- Tổng phần trăm của cốt liệu thô:

%A   %A  62,859%; - % của cốt liệu mịn FA#1 được xác định lại:

- Tổng phần trăm của cốt liệu mịn:

Bước 8: Dùng sàng cấp I xác định lượng cốt liệu mịn lẫn trong cốt liệu thô

(%FIA CA #1 0%) và lượng cốt liệu thô lẫn trong phần cốt liệu mịn

- % cốt liệu mịn trong loại cốt liệu thô CA#1:

- Tổng phần trăm cốt liệu mịn trong cốt liệu thô:

%A  %A 0%; - % cốt liệu thô trong mỗi loại cốt liệu mịn:

- Tổng phần trăm cốt liệu thô trong cốt liệu mịn :

Bước 9: Hiệu chỉnh phần trăm trộn thực tế của loại cốt liệu thô CA#1 theo hàm lượng cốt liệu mịn trong nó:

- Hiệu chỉnh phần trăm trộn thực tế của mỗi loại cốt liệu mịn theo hàm lượng cốt liệu thô trong nó: FA # 1

- Tổng phần trăm trộn của cốt liệu mịn:

Bước 10: Xác định hàm lượng lọt sàng 0,075mm phân bổ trong mỗi loại cốt liệu sau hiệu chỉnh:

- % lọt sàng 0,075mm của loại cốt liệu thô CA#1:

P  %A   P  100  48,868% 0%   100  0%; - % lọt sàng 0,075mm của cốt liệu mịn FA#1:

P là phần trăm lọt qua sàng 0,075 của mỗi loại cốt liệu;

- Tổng phần trăm các hạt lọt qua sàng 0,075mm:

Bước 11: Xác định hàm lượng hạt lọt qua sàng 0,075mm yêu cầu (để đảm bảo đúng với phần trăm lượng hạt lọt qua sàng 0,075mm thiết kế) pas0,075 0,075 tk

             ; Với: + P tk pas0,075 phần trăm cốt liệu lọt qua sàng 0,075mm đã chọn ở Bước 1;

+ P M 0,075 là phần trăm hạt lọt qua sàng 0,075mm của bộ khoáng

Bước 12: Hiệu chỉnh phần trăm mỗi loại cốt liệu mịn lần cuối cùng khi hàm lượng hạt lọt qua sàng 0,075mm thay đổi:

Bước 13: Phần trăm phối trộn của mỗi loại cốt liệu, tính phần trăm loạt sàng của cốt liệu Tính và kiểm tra các chỉ số Bailey

Phần trăm phối trộn của mỗi loại cốt liệu

Bảng 2.7 Phần trăm phối trộn của mỗi loại cốt liệu

Cốt liệu CA-1 FA-1 MF

Phần trăm lọt sàng theo từng cỡ sàng

Bảng 2.8 Phần trăm loạt sàng của cấp phối thiết kế theo phương pháp Bailey

Cỡ sàng (mm) % Lọt sàng

Tính các chỉ số BaiLey

Bảng 2.9 Các sàng khống chế và lượng loạt sàng của chúng

Tên sàng Kí hiệu Cỡ sàng mắc vuông (mm) % Lọt sàng

Bảng 2.10 Các chỉ số Bailey

Chỉ số Giá trị Kết quả

Biểu đồ đường cong cấp phối

Hình 2.7 Biểu đồ đường cong cấp phối đi dưới vùng giới hạn thiết kế bằng phương pháp Bailey.

TỔNG KẾT CHƯƠNG

Đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến vùng giới hạn và cấp phối của hỗn hợp bê tông nhựa Kết quả các nghiên cứu cho thấy vị trí và hình dáng của cấp phối cốt liệu có liên quan đến chất lượng của bê tông nhựa Quan điểm vùng giới hạn làm giảm chất lượng hỗn hợp bê tông nhựa vẫn còn nhiều ý kiến trái chiều nhau

Bốn chỉ số quan trọng nhất trong phương pháp thiết kế cấp phối Bailey là Khối lượng riêng chọn (CUW), CA, FAc và FA f Đây là một phương pháp mới, bước đầu ứng dụng đã cho kết quả khả quan khi cấp phối thiết kế bằng phương pháp này đảm bảo lượng lọt sàng theo tiêu chuẩn Việt Nam.

CƠ SỞ KHOA HỌC

YÊU CẦU VẬT LIỆU SẢN XUẤT BTN THEO TCVN 8819:2011

3.1.1 Đá dăm Đá dăm được nghiền từ đá tảng, đá núi Không được dùng đá xay từ đá mác nơ, sa thạch sét, diệp thạch sét

Riêng với BTNR được dùng cuội sỏi nghiền vỡ, nhưng không được quá 20% khối lượng là cuội sỏi gốc silíc

Các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm dùng cho bê tông nhựa phải thoả mãn các yêu cầu quy định tại Bảng 3.1

Cát dùng để chế tạo bê tông nhựa là cát thiên nhiên, cát xay, hoặc hỗn hợp cát thiên nhiên và cát xay

Cát thiên nhiên không được lẫn tạp chất hữu cơ (gỗ, than )

Cát xay phải được nghiền từ đá có cường độ nén không nhỏ hơn cường độ nén của đá dùng để sản xuất ra đá dăm

Cát sử dụng cho bê tông nhựa cát (BTN Cát 4,75mm) phải có hàm lượng nằm giữa hai cỡ sàng 4,75 mm-1,18 mm không dưới 18 %

Các chỉ tiêu cơ lý của cát phải thoả mãn các yêu cầu quy định tại Bảng 3.2

Bột khoáng là sản phẩm được nghiền từ đá các bô nát (đá vôi can xit, đolomit ), có cường độ nén của đá gốc lớn hơn 20 MPa, từ xỉ bazơ của lò luyện kim hoặc là xi măng Đá các bô nát dùng sản xuất bột khoáng phải sạch, không lẫn các tạp chất hữu cơ, hàm lượng chung bụi bùn sét không quá 5%

Bột khoáng phải khô, tơi, không được vón hòn

Các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng phải thoả mãn các yêu cầu quy định tại Bảng 3.3

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho đá dăm

Phương pháp thử BTN chặt BTN rỗng

Lớp mặt trên Lớp mặt dưới Các lớp móng

1 Cường độ nén của đá gốc,MPa

- Đá mác ma, biến chất - Đá trầm tích

[29] (căn cứ chứng chỉ thí nghiệm kiểm tra của nơi sản xuất đá dăm sử dụng cho công trình)

2 Độ hao mòn khi va đập trong máy Los Angeles, % ≤28 ≤35 ≤40 TCVN 7572-

3 Hàm lượng hạt thoi dẹt (tỷ lệ 1/3) (*), % ≤15 ≤15 ≤20 TCVN 7572-

4 Hàm lượng hạt mềm yếu, phong hoá , % ≤10 ≤15 ≤15 TCVN 7572-

5 Hàm lượng hạt cuội sỏi bị đập vỡ (ít nhất là 2 mặt vỡ),

6 Độ nén dập của cuội sỏi được xay vỡ, % - - ≤14 TCVN 7572-

7 Hàm lượng chung bụi, bùn, sét, % ≤2 ≤2 ≤2 TCVN 7572-

9 Độ dính bám của đá với nhựa đường(**), cấp ≥ cấp 3 ≥ cấp 3 ≥ cấp 3 TCVN 7504:2005[36]

(*): Sử dụng sàng mắt vuông với các kích cỡ ≥ 4,75 mm theo quy định tại Bảng 1, Bảng 2 để xác định hàm lượng thoi dẹt

(**): Trường hợp nguồn đá dăm dự định sử dụng để chế tạo bê tông nhựa có độ dính bám với nhựa đường nhỏ hơn cấp 3, cần thiết phải xem xét các giải pháp, hoặc sử dụng chất phụ gia tăng khả năng dính bám (xi măng, vôi, phụ gia hóa học) hoặc sử dụng đá dăm từ nguồn khác đảm bảo độ dính bám Việc lựa chọn giải pháp nào do Tư vấn giám sát quyết định

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho cát

Chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử

1 Mô đun độ lớn (MK) ≥ 2 TCVN 7572-2:2006[37]

2 Hệ số đương lượng cát (ES), % - Cát thiên nhiên

3 Hàm lượng chung bụi, bùn, sét, % ≤ 3 TCVN 7572- 8:2006[35]

4 Hàm lượng sét cục, % ≤ 0,5 TCVN 7572- 8:2006[35]

5 Độ góc cạnh của cát (độ rỗng của cát ở trạng thái chưa đầm nén), %

- BTN chặt làm lớp mặt trên - BTN chặt làm lớp mặt dưới

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho bột khoáng

Chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử

1 Thành phần hạt (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng mắt vuông), %

3 Chỉ số dẻo của bột khoáng nghiền từ đá các bô nát, (*) % ≤ 4,0 TCVN 4197-1995 [40]

(*) : Xác định giới hạn chảy theo phương pháp Casagrande Sử dụng phần bột khoáng lọt qua sàng lưới mắt vuông kích cỡ 0,425 mm để thử nghiệm giới hạn chảy, giới hạn dẻo

Nhựa đường dùng để chế tạo bê tông nhựa là loại nhựa đường đặc, gốc dầu mỏ thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật quy định tại TCVN 7493:2005[41] Tiêu chuẩn kỹ thuật của vật liệu nhựa đường đặc dùng trong xây dựng đường bộ quy định cụ thể tại Bảng 3.4

Bảng 3.4 Tiêu chuẩn kỹ thuật của vật liệu nhựa đường đặc

T T Các chỉ tiêu Đơn vị

Trị số tiêu chuẩn theo cấp độ kim lún 40/60 60/70 70/100 100/150 150/250

3 Nhiệt độ hóa mềm oC 49÷58 46÷55 43÷51 39÷47 35÷43

4 Nhiệt độ bắt lửa oC Min.230 Min.220

5 Lượng tổn thất ở 163 o C trong 5 giờ

6 Tỷ lệ độ kim lún ở 163 o C trong 5 giờ so với độ kim lún ở 25 o C

9 Độ dính bám đối với đá

Cấp độ Min Cấp III

CẤP PHỐI BÊ TÔNG NHỰA CHẶT

Đây là loại BTN sử dụng cấp phối cốt liệu có lượng hạt thô, hạt trung gian và hạt mịn gần tương đương nhau, tạo điều kiện để khi đầm nén các hạt cốt liệu dễ chặt khít với nhau nhất BTN chặt có độ rỗng dư nhỏ từ 3%÷6%, quy định cụ thể trong Bảng 3.5

Bảng 3.5 Lượng lọt sàng yêu cầu đối với bê tông nhựa chặt

Quy định BTNC 9,5 BTNC 12,5 BTNC 19 BTNC 4,75

1 Cỡ hạt lớn nhất danh định

2 Cỡ sàng mắt vuông (mm) Lượng lọt qua sàng, % khối lượng

3 Hàm lượng nhựa đường theo hỗn hợp 5,2÷6,2 5,0÷6,0 4,8÷5,8 6,0÷7,5

4 Chiều dầy lớp bê tông nhựa hợp lý (sau khi lu lèn),cm 4÷5 5÷7 6÷8 3÷5

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 đặc 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 hiên theo TCVN 8820:2011 [42]

Trình tự tiến hành như sau: lựa chọn và kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật trên mẫu thử, vật liệu sử dụng phải phù hợp với loại, dạng bê tông nhựa và đạt các yêu cầu về tính chất cơ học, tính ổn định nhiệt và tính chống ăn mòn, đồng thời phải phù hợp với yêu cầu của quy phạm Thành phần vật liệu khoáng trong BTN thông thường gồm ba phần: đá dăm, cát, bột khoáng.

THIẾT KẾ 3 ĐƯỜNG CONG CẤP PHỐI

3.4.1 Thiết kế cấp phối trên vùng giới hạn

Cấp phối đi trên vùng giới hạn được thiết kế theo phương pháp Marshall và tuân thủ theo TCVN 8819:2011[5] và TCVN 8820:2011[42] Phần trăm lọt sàng và biểu đồ đường cong cấp phối của cấp phồi này như trong Bảng 3.6 và Hình 3.1

Bảng 3.6 Phần trăm lọt sàng của cấp phối đi trên vùng giới hạn

Cấp phối đang thực hiện Giới hạn dưới Giới hạn trên

Hình 3.1 Biểu đồ đường cong cấp phối đi trên vùng giới hạn

3.4.2 Thiết kế cấp phối qua vùng giới hạn

Tương tự như cấp phối đi trên VGH, cấp phối đi qua vùng giới hạn được thiết kế theo phương pháp Marshall và tuân thủ theo TCVN 8819:2011[5] và TCVN 8820:2011[42] Phần trăm lọt sàng và biểu đồ đường cong cấp phối của cấp phồi này như trong Bảng 3.7 và Hình 3.2

Bảng 3.7 Phần trăm lọt sàng của cấp phối đi qua vùng giới hạn

Hình 3.2 Biểu đồ đường cong cấp phối đi qua vùng giới hạn

3.4.3 Thiết kế cấp phối dưới vùng giới hạn

Cấp phối đi dưới vùng giới hạn được tính toán theo phương pháp Bailey như đã trình bày ở mục 2.4 Phần trăm lọt sang và biểu đồ đường cong cấp phối của cấp phồi này như trong Bảng 3.8 và Hình 3.3

Bảng 3.8 Phần trăm lọt sàng của cấp phối đi dưới vùng giới hạn

Hình 3.3 Biểu đồ đường cong cấp phối đi dưới vùng giới hạn.

CÁC THÍ NGHIỆM ĐƢỢC THỰC HIỆN TRONG NGHIÊN CỨU

Thí nghiệm xác định độ ổn định Marshall và độ dẻo Marshall của mẫu BTN Độ ổn định Marshall (Marshall Stability) là giá trị lực nén lớn nhất đạt được khi thử nghiệm mẫu BTN chuẩn (mẫu hình trụ đường kính 101,6mm; chiều cao mẫu 63,5mm) trên máy nén Marshall, đơn vị tính là kiloniuton (kN) Trường hợp mẫu có chiều cao khác 63,5mm thì hiệu chỉnh để xác định độ ổn định Marshatll Độ dẻo Marshall là biến dạng của mẫu BTN trên máy nén Marshall tại thời điểm xác định độ ổn định Marshall, đơn vị tính là milimet (mm) [43] Quy trình thí nghiệm tuân thủ theo TCVN 8860-1:2011 [43] Quy trình thực hiện được tóm tắt như sau:

- Nguyên tắc: Mẫu BTN hình trụ có kích thước quy định được ngâm trong bể 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 cùng thời điểm để tính độ ổn định, độ dẻo Marshall

Trong đề tài này thí nghiệm Marshall được thực hiện với nhiệt độ của mẫu là 60 o C, được bảo dưỡng trong 40 phút Tốc độ bàn nén là 50,8mm/ phút

- Kết quả được tính theo công thức:

S Độ ổn định Marshall (kN);

K là hệ số điều chỉnh nội suy từ Bảng 1 TCVN 8860-1:2011[43];

P Là lực nén lớn nhất đọc được trên đồng hồ đo lực, tính bằng Kiloniuton (kN) Độ dẻo Marshall của mẫu là giá trị biến dạng của viên mẫu (kí hiệu là F), tính bằng mm

Hình 3.4 Bể ổn định nhiệt và máy nén Marshall

Thí nghiệm này mô phỏng trạng thái làm việc của mặt đường BTN ở trạng thái ngập nước và chịu tác động của nhiệt độ môi trường, trong điều kiện này mặt đường giảm đáng kể cường độ và dễ bị hư hỏng khi có tác động của tải trọng

Thí nghiệm ép chẻ nhằm mục đích xác định cường độ khi ép chẻ (Splitting tensile strength) 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 vượt quá 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 kéo khi nén [44]

Thí nghiệm này nhằm mô phỏng vật liệu BTN làm việc tại các khu vực nhiệt độ thay đổi, khi nhiệt độ xuống thấp, vật liệu bê tông nhựa 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, 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 [44] 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 đề tài này thí nghiệm ép chẻ được thực hiện với nhiệt độ của mẫu là 25 o C, bảo dưỡng trong 4 giờ, tốc độ di chuyển của bàn nén máy là 50±mm/phút

Hình 3.5 Máy nén ép chẻ

Cách tính kết quả: Cường độ kéo khi ép chỉ R kc của từng viên 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;

3.5.3 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 3.6 Toàn bộ quá trình thí nghiệm áp dụng theo tiêu chuẩn EN NTL-352-00[45]

Mẫu tiêu chuẩn cho cả hai cấp phối có kích thước 101x 63,5 mm, được đầm nén 75 chày/mặt Mẫu được bảo dưỡng trong điều kiện địa hình bằng phẳng và để qua đêm (ít nhất là 12 tiếng) ở nhiệt độ 25 o C Tất cả các mẫu phải có hình dạng và kích thước tương tự nhau, được theo dõi nhiệt độ bằng nhiệt kế thường xuyên trước khi tiến hành thí nghiệm

Hình 3.6 Thiết bị kiểm tra độ mài mòn Los Angles dùng trong 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 rằng thiết bị sạch sẽ, không còn bất cứ một mảnh vụn nào để tránh làm ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm

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

3.5.4 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi

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) 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 chẻ, tương ứng với tải trọn p (MPa) với công thức sau:

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

P là lực tác dụng lên bàn ép (kN) Khi thí nghiệm thường lấy P 0,5MPa (tương ứng với áp lực làm việc của áo đường) Còn đường kính mẫu thì chọn tùy cỡ hạt lớn nhất có trong vật liệu d max (D ≥ 4d max ); Chiều cao mẫu có thể bằng hai hoặc bằng đường kính mẫu

Thường mẫu BTN có kích thước như sau: D = 10cm; H = 10 cm (sai số ± 0,2cm)

Các mẫu được chế bị đúng với tỉ lệ các thành phần trong phòng thí nghiệm mẫu được chế bị với áp lực khoảng 30Mpa và duy trì áp lực này trong 3 phút

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ THÍ NGHIỆM

CHẾ TẠO CÁC MẪU BÊ TÔNG NHỰA CHẶT 12,5MM

Thành phần cốt liệu trong hỗn hợp BTN bao gồm cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ và bột khoáng Đá sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ hot-bin của nhà máy BTN BMT Bến Lức – huyện Bến Lức – Long Ang, nguồn gốc đá từ mỏ Tân Đông Hiệp – tỉnh Bình Dương Đây là mỏ đá được nhiều công ty về BTN lựa chọn để làm nguyên liệu sản xuất Cốt liệu sau khi lấy về phòng thí nghiệm được gây sàng theo các cỡ sàng riêng biệt Bột khoáng sử dụng trong nghiên cứu là xi măng Holcim PC

Khả năng chịu lực của BTN chủ yếu là do cốt liệu lớn tạo ra, do đó các chỉ tiêu của nó cần phải được thí nghiệm đánh giá, các chỉ tiêu đã được thí nghiệm đó là:

Khối lượng riêng (Hình 4.1); độ hao mòn Loss Angles (Hình 4.2); Hàm lượng thoi dẹt (Hình 4.3) Chỉ tiêu hàm lượng thoi dẹt ảnh hưởng trực tiếp tới các tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa, nếu tỷ lệ hạt thoi dẹt trong hỗn hợp càng nhiều thì cường độ của hỗn hợp càng giảm do khả năng sắp xếp của các viên đá Chỉ số khối lượng riêng và độ hao mòn Los Angles nhằm đánh giá chất lượng của đá gốc Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.1 Cốt liệu nhỏ đóng vai trò lắp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn Khối lượng riêng của cốt liệu nhỏ và bột khoáng được xác định như trong Hình 4.4 và Hình 4.5

Hình 4.1 Thí nghiệm xác định khối lượng riêng của cốt liệu lớn

Hình 4.2 Thí nghiệm xác định độ hao mòn Los Angeles

Hình 4.3 Thí nghiệm xác định hàm lượng hạt thoi dẹt

Hình 4.4 Thí nghiệm xác định khối lượng riêng cốt liệu nhỏ

Hình 4.5 Thí nghiệm xác định khối lượng riêng của bột khoáng

Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp cốt liệu

- Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 2,64 AASHTO T85 [47]

- Độ hao mòn Los Angles

- Hàm lượng thoi dẹt (%) 5,10 TCVN 7572-13:206 [31]

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]

4.1.2 Kiểm tra các chỉ tiêu nhựa đường

Nhựa đường có mác 60/70 (Hình 4.6) sử dụng trong nghiên cứu này được cung cấp bởi Tập Đoàn Xăng Dầu Việt Nam (Petrolimex); đây là loại nhựa đường mà các công trình tại Việt Nam hiện đang sử dụng phổ biến Nhựa đường 60/70 này có các chỉ tiêu cơ lý cơ bản được thí nghiệm và thể hiện trong Bảng 4.2

Bảng 4.2 Một số chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường dùng trong đề tài Đặc trƣng Kết quả TN 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]

Khối lượng riêng (g/cm3) 1,031 TCVN 7501:2005 [55]

Hình 4.6 Nhựa đường 60/70 cung cấp bởi Petrolimex

Hình 4.7 Thí nghiệm kiểm tra độ kim lún của nhựa đường

Theo tiêu chuẩn Việt Nam thì nhựa đường trước khi sử dụng cần kiểm tra 11 chỉ tiêu Tuy nhiên trong nghiên cứu này, 5 chỉ tiêu quan trọng như độ kim lún, nhiệt độ hóa mềm, độ kéo dài , nhiệt độ bắt lửa và độ dính bám với đá được được thí nghiệm kiểm tra

Chỉ tiêu đầu tiên quan tâm là độ kim lún để đánh giá tính quánh của nhựa đường Kết quả giá trị kim lún (đơn vị 0.1mm) thí nghiệm theo TCVN 7495-2005 [50] được thể hiện ở Hình 4.7

Trị số nhiệt độ hóa mềm ( o C) của nhựa đường thí nghiệm theo TCVN 7497-

2005 [51] nhằm xác định khoảng biến đổi nhiệt độ khi nhựa đường chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng (Hình 4.8)

Hình 4.8 Thí nghiệm xác định điểm hoá mềm của nhựa đường Độ đàn hồi (đơn vị %) của nhựa đường là tỷ số giữa biến dạng hồi phục sau khi mẫu được kéo dài với chiều dài quy định Độ đàn hồi phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần nhóm trong nhựa đường, khi nhiệt độ tăng thì độ đàn hồi cũng tăng và ngược lại (Hình 4.9)

Cuối cùng, sự liên kết của nhựa đường với bề mặt cốt liệu có liên quan đến quá trình thay đổi lý hóa khi hai chất tiếp xúc với nhau Sự liên kết này được thực hiện bằng thí nghiệm kiểm tra độ dính bám nhựa và đá theo TCVN 7504-2005 [54] – Hình 4.10

Hình 4.9 Thí nghiệm kiểm tra độ đàn hồi của nhựa

Hình 4.10 Dính bám của nhựa với cốt liệu

4.1.3 Chế tạo các mẫu bê tông nhựa trong phòng thí nghiệm

Cốt liệu được cân đong khối lượng ứng với tỷ lệ lọt sàng theo cấp phối BTN chặt 12,5mm đã thiết kế, sau đó được sấy ở nhiệt độ khoảng 170 o C và trộn với nhựa đã sấy ở nhiệt độ từ 150÷160 o C Quá trình đầm nén mẫu ở nhiệt độ từ 140÷150 o C, sau đó mẫu được bảo dưỡng ở điều kiện nhiệt độ phòng và địa hình bằng phẳng, tránh những tác động làm biến dạng mẫu Một số hình ảnh được chụp lại trong quá trình chế tạo mẫu thí nghiệm từ Hình 4.11 đến Hình 4.17

Hình 4.11 Nhiệt độ sấy cốt liệu 165oC Hình 4.12 Trộn cốt liệu chế tạo mẫu thí nghiệm

Hình 4.13 Nhiệt độ đầm nén mẫu bê tông nhựa (>145oC)

Hình 4.14 Các mẫu bê tông nhựa được kích khỏi khuôn

Các mẫu BTN sau khi được chế tạo như Hình 4.14 được đặt ở nơi bằng phẳng, nhiệt độ bằng với nhiệt độ phòng với thời gian ít nhất là 14 giờ, sau đó được cân xác định khối lượng và nén Marshall để xác định hàm lượng nhựa tối ưu, kết quả các phép tính được trình bày trong mục 4.2 Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện:

Hình 4.15 Cân mẫu khô Hình 4.16 Cân mẫu trong nước

Hình 4.17 Thí nghiệm xác định độ ổn định và độ dẻo Marshall.

KIỂM TRA CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

Các mẫu BTN được đánh giá các chỉ tiêu cơ lý theo TCVN 8819-2011[9] Để xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho mỗi cấp phối thì với mỗi cấp phối sẽ có 5 tổ mẫu được chế tạo, 5 tổ mẫu khác nhau về hàm lượng nhựa, mỗi tổ mẫu gồm 3 mẫu có thành phần giống hệt nhau, các mẫu có hình trụ với đường kính đáy là 101,6mm và chiều cao 63,5mm Các mẫu BTN được thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu: khối lượng thể tích BTN đã đầm nén (Gmb), độ rỗng còn dư (Va), độ rỗng khung cốt liệu (VMA), độ ổn định và độ dẻo Marshall Để xác định khối lượng thể tích BTN đã đầm nén, ta phải xác định khối lượng riêng BTN (G mm ), giá trị này phụ thuộc vào khối lượng riêng của cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, bột khoáng và nhựa Khối lượng thể tích của các mẫu BTN được xác định bằng phương pháp cân trong nước và các chỉ tiêu khác được tính toán Kết quả thí nghiệm của từng cấp phối được trình bày trong các mục 4.2.1, 4.2.2 và 4.2.3

4.2.1 Cấp phối trên vùng giới hạn:

Bảng 4.3 Phần trăm của mỗi loại cốt liệu trong cấp phối trên vùng giới hạn

Loại vật liệu Khối lƣợng riêng g/cm3) Tỷ lệ phần trăm trong hỗn hợp

Bảng 4.4 Kết quả thể hiện sự thay đổi khối lượng riêng bê tông nhựa theo sự thay đổi của hàm lượng nhựa trong hỗn hợp

STT Tỷ lệ nhựa theo hỗn hợp

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích và độ rỗng còn dư của hỗn hợp

% Nhựa đường (trong tổng KL BTN)

Khối lƣợng thể tích (g/cm 3 )

Khối lƣợng riêng (g/cm 3 ) Độ rỗng dƣ (%) Khô trong KK

TB 62,466 1217,86 716,47 1222,90 506,43 2,405 2,508 4,107 Bảng 4.6 Kết quả kiểm tra độ rỗng khung cốt liệu

Hàm lƣợng nhựa theo hh

Tỷ lệ cốt liệu trong hh (%)

Khối lƣợng thể tích BTN (G- mb) Độ rỗng khung cốt liệu (%)

Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall

(mm) Độ ổn định Marshall

(kN) Độ dẻo Marshall (mm)

Các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa với độ rỗng dư, khối lượng thể tích, độ rỗng cốt liệu, độ ổn định và độ dẻo Marshall như các hình từ Hình 4.18 đến 4.22 y = 3,7737x 2 - 43,336x + 128,23

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ r ỗn g c òn d ƣ (% )

Hình 4.18 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ rỗng còn dư của cấp phối trên vùng giới hạn y = -0,096x 2 + 1,0656x - 0,5318

Hình 4.19 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và khối lượng thể tích của cấp phối trên vùng giới hạn y = 3,336x 2 - 36,146x + 113,7

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ rỗ n g cố t li ệu (% )

Hình 4.20 Mối quan hệ giữa hàm lượng và độ rỗng cốt liệu của cấp phối trên vùng giới hạn y = -10,649x 2 + 119,08x - 318,59

Hàm lƣợng nhựa (%) Độ ổn đ ịn h M ar sh al l ( kN)

Hình 4.21 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ ổn định Marshall của cấp phối trên vùng giới hạn y = 0,4343x 2 - 3,5131x + 9,2469

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ dẻo Mar shal l ( m m )

Hình 4.22 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ dẻo Marshall của cấp phối trên vùng giới hạn

4.2.2 Cấp phối qua vùng giới hạn:

Bảng 4.8 Phần trăm của mỗi loại cốt liệu trong cấp phối qua vùng giới hạn

Loại vật liệu Khối lƣợng riêng G (g/cm 3 ) Tỷ lệ % trong hỗn hợp

Khối lƣợng thể tích (g/cm3)

Khối lƣợng riêng (g/cm3) Độ rỗng dƣ (%)

Bảng 4.11 Kết quả kiểm tra độ rỗng khung cốt liệu

Tỷ lệ cốt liệu trong hh (%)

Khối lƣợng thể tích BTN

(G mb ) Độ rỗng khung cốt liệu

Chiều cao TB (mm) Độ ổn định Marshall

Từ các số liệu trên ta vẽ được biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa với Độ rỗng dư, Khối lượng thể tích, Độ rỗng cốt liệu, Độ ổn định và độ dẻo Marshall như các hình từ Hình 4.23 đến Hình 4.27 y = 7,2903x 2 - 82,353x + 236,51

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ rỗ ng c òn d ƣ (%)

Hình 4.23 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ rỗng còn dư của cấp phối qua vùng giới hạn y = -0,1771x 2 + 1,9674x - 3,07 R 2 = 0,9808 2,330

Kh ối lƣ ợng th ể tí ch (g/c m3 )

Hình 4.24 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và khối lượng thể tích của cấp phối qua vùng giới hạn y = 6,1486x 2 - 67,426x + 201,66

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ r ỗn g c ốt l iệ u (% )

Hình 4.25 Mối quan hệ giữa hàm lượng và độ rỗng cốt liệu của cấp phối qua vùng giới hạn y = -5,5314x 2 + 60,967x - 155,78

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ ổn đ ịn h M ar sh al l (k N )

Hình 4.26 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ ổn định Marshall của cấp phối qua vùng giới hạn y = 1,016x 2 - 10,244x + 28,311

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ d ẻo Ma rs h al l (m m )

Hình 4.27 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ dẻo Marshall của cấp phối qua vùng giới hạn

4.2.3 Cấp phối dưới vùng giới hạn

Bảng 4.13 Phần trăm của mỗi loại cốt liệu trong cấp phối dưới vùng giới hạn

Loại vật liệu Khối lƣợng riêng G (g/cm 3 ) Tỷ lệ % trong hỗn hợp P

Khối lƣợng thể tích (g/cm3)

Khối lƣợng riêng (g/cm3) Độ rỗng dƣ (%) (1) (2) (3) (4) (5=3/4) (6) (70*(6-5)/6)

TB 64,842 1221,300 525,695 2,323 2,471 5,989 Bảng 4.16 Kết quả kiểm tra độ rỗng khung cốt liệu

Tỷ lệ cốt liệu trong hh

Khối lƣợng thể tích BTN

(Gmb) Độ rỗng khung cốt liệu

(mm) Độ ổn định Marshall

Từ các số liệu trên ta vẽ được biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa với Độ rỗng dư, Khối lượng thể tích, Độ rỗng cốt liệu, Độ ổn định và độ dẻo Marshall như các hình từ Hình 4.28 đến Hình 4.32 y = 5,3383x 2 - 61,012x + 179,78

Hàm lƣợng nhựa (%) Độ rỗng còn dƣ (%)

Hình 4.28 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ rỗng còn dư của cấp phối dưới vùng giới hạn y = -0,1337x 2 + 1,4929x - 1,8177

K hố i l ƣợ ng t hể t íc h (g /c m 3)

Hình 4.29 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và khối lượng thể tích của cấp phối dưới vùng giới hạn y = 4,6629x 2 - 51,203x + 158,81

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ rỗ ng c ốt li ệu ( %)

Hình 4.30 Mối quan hệ giữa hàm lượng và độ rỗng cốt liệu của cấp phối dưới vùng giới hạn y = -5,864x 2 + 65,65x - 173,78

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ ổn đ ịn h Ma rs h al l (k N )

Hình 4.31 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ ổn định Marshall của cấp phối dưới vùng giới hạn y = 0,4857x 2 - 4,6993x + 13,59

Hàm lƣợng nhựa (%) Đ ộ dẻo M ar shal l ( m m )

Hình 4.32 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ dẻo Marshall của cấp phối dưới vùng giới hạn

4.3 LỰA CHỌN HÀM LƢỢNG NHỰA TỐI ƢU

Từ các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa với các chỉ tiêu Độ rỗng còn dư, Độ rỗng cốt liệu, Độ ổn định Marshall, Độ dẻo Marshall, Khối lượng thể tích của 3 hỗn hợp BTN chế tạo từ 3 cấp phối, hàm lượng nhựa tối ưu và giá trị của các chỉ tiêu cơ lý tại hàm lượng nhựa tối ưu của mỗi hỗn hợp BTN được trình bày trong Bảng 4.18

Bảng 4.18 Hàm lượng nhựa tối ưu của ba cấp phối

Chỉ tiêu Cấp phối trên VGH

Hàm lƣợng nhựa tối ƣu 5,740 5,650 5,710 5÷6 ĐẠT

1 Độ rỗng dư (%) 3,816 3,940 5,452 3÷6 Tăng dần 2 Độ rỗng cốt liệu (%) 16,135 16,982 18,471 ≥14 Tăng dần 3 Độ ổn định Marshall (kN) 14,070 12,107 9,891 ≥8 Giảm dần 4 Độ dẻo Marshall (mm) 3,391 2,866 2,593 2÷4 Giảm dần 5 K Lượng thể tích (g/cm 3 ) 2,422 2,392 2,348 Giảm dần

Hình 4.33 Các chỉ tiêu cơ lý của 3 cấp phối bê tông tông nhựa 4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA VÙNG GIỚI HẠN THEO SUPERPAVE ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA CHẶT Để đánh giá ảnh hưởng của vùng giới hạn, 3 loại BTN với 3 đường cong cấp phối khác nhau (trên VGH, qua VGH, dưới VGH) được chế tạo Tùy theo yêu cầu về kích thước, hình dáng của mẫu cho từng thí nghiệm, các mẫu BTN được chế tạo với kích thước thích hợp Kích thước các mẫu thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.19 Hàm lượng nhựa dùng để chế tạo mẫu thí nghiệm bằng với hàm lượng nhựa tối ưu đã xác định

Bảng 4.19 Kích thước mẫu dùng trong các thí nghiệm

Thí nghiệm Kích thước mẫu

Thí nghiệm Marshall Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm kiểm tra cường độ kéo khi ép chẻ Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm kiểm tra độ va đập của hỗn hợp BTN (Cantabro) Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm xác định Mô-đun đàn hồi của hỗn hợp BTN Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 101mm Cắt ngang mẫu để đánh giá sự sắp xếp các viên đá Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm

Các chỉ tiêu dùng để so sánh 3 hỗn hợp BTN gồm: khối lượng thể tích, độ rỗng còn dư, độ rỗng cốt liệu và các thí nghiệm được thực hiện bao gồm thí nghiệm xác định độ ổn định và độ dẻo Marshall, thí nghiệm ép chẻ để đánh giá mức độ ảnh hưởng của đường cong cấp phối đến sự làm việc của hỗn hợp BTN trong điều kiện nhiệt độ cao, Thí nghiệm Cantabro xác định độ mài mòn của BTN, thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của BTN Ngoài ra các mẫu BTN được cắt ra để đánh giá sự sắp xếp các viên đá với nhau bằng mắt

4.5 SO SÁNH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CỦA 3 HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

4.5.1 Kết quả thí nghiệm nén Marshall

Mỗi cấp phối BTNC 12,5 được chế tạo 3 mẫu với hàm lượng nhựa tối ưu đã xác định tại mục 4.3 để thực hiện thí nghiệm Marshall Các tổ mẫu được chế tạo, bảo dưỡng và thí nghiệm theo phương pháp Marshall , toàn bộ quá trình thí nghiệm tiến hành theo TCVN 8860-1:2011 [43] Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.20 Hình ảnh tạo mẫu và làm thí nghiệm:

Hình 4.34 Ngâm mẫu thí nghiệm trong bể ổn định nhiệt 60 o C, thời gian 40 phút

Hình 4.35 Thực hiện thí nghiệm

Hình 4.36 Độ ổn định và độ dẻo Marshall của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

Bảng 4.20 Các chỉ tiêu cơ bản của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

Chỉ tiêu Đơn vị Cấp phối

Cấp phối DƯỚI VGH Độ ổn định Marshall (kN) 13,647 12,054 10,010 Độ dẻo Marshall (mm) 3,302 2,752 2,455 Độ rỗng dư Va (%) 3,607 3,900 5,482 Độ rỗng khung cốt liệu VMA (%) 16,951 17,005 18,464 Khối lượng thể tích (g/cm 3 ) 2,398 2,390 2,347

Với số liệu thu được từ kết quả thí nghiệm có thể rút ra kết luận: Độ ổn định Marshall của hỗn hợp BTN ứng với ba cấp phối điều lớn hớn 8kN, như vậy hỗn hợp BTN chế tạo từ 3 cấp phối đều đạt yêu cầu về độ ổn định Marshall theo TCVN 8819:2011[5] Độ ổn định và độ dẻo Marshall của cấp phối dưới VGH thấp nhất

(10,01kN; 2,455mm), độ ổn định và độ dẻo Marshall của cấp phối trên VGH cao nhất (13,647kM; 3,302mm) cho thấy hàm lượng cốt liệu lớn nhiều chưa hẳn sẽ tạo nên hỗn hợp bê tông nhựa có độ ổn định cao Kết quả này cũng phù hợp với một số nghiên cứu đã nêu ở mục 2.2.2

4.5.2 Kết quả thí nghiệm ép chẻ

Hình ảnh thực hiện thí nghiệm ép chẻ:

Hình 4.37 Thí nghiệm ép chẻ và mẫu bị phá hủy

Bảng 4.21 Kết quả thí nghiệm ép chẻ của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

(mm) Tải trọng khi phá hủy mẫu-

Cường độ chịu kéo (Mpa) ku

Chiều cao -H (mm) Đường kính -D

Hình 4.38 Kết quả thí nghiệm ép chẻ của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

Kết quả nén ép chẻ cho thấy cường độ ép chẻ của BTN có cấp phối trên VGH (0,848MPa) cao hơn BTN có cấp phối dưới VGH (0,767Mpa), tuy nhiên cả hai lại có cường độ thấp hơn BTN có cấp phối qua VGH (0,909 MPa)

4.5.3 Kết quả thí nghiệm Cantabro

Kết quả của độ hao mòn của một hỗn hợp BTN ứng với một cấp phối là số trung bình của 3 mẫu có kích thước tương đường nhau và được chế tạo theo quy trình giống hệt nhau Thí nghiệm được thực hiện theo quy trình như đã nêu tại mục

3.5.3 Trong nghiên cứu của hai tác giả Jesse D.Doyle và Isaac L.Howard năm 2010 đã chỉ ra rằng có mối liên hệ giữa tỷ lệ hao mòn trong thí nghiệm Cantabro với độ rỗng còn dư của hỗn hợp BTN, nếu độ rỗng của hỗn hợp BTN càng lớn thì lượng hao mòn càng nhiều và ngược lại [56] Kết quả trong nghiên cứu này cũng đã cho thấy mối liên hệ đó, điều này đồng nghĩa với việc hiệu quả của công tác đầm nén có ảnh hưởng lớn tới sự làm việc ổn định của kết cấu áo đường dùng BTN làm lớp mặt Kết quả thí nghiệm độ mài mòn bằng thí nghiệm Cantabro được thể hiện trong Bảng 4.22

Hình 4.39 Mẫu BTN có cấp phối đi qua vùng giới hạn trước và sau khi thí nghiệm

Bảng 4.22 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn

Hao mòn (%) Trước khi TN

Hình 4.40 Độ hao mòn và độ rỗng còn dư của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

4.5.4 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi

Một số hình ảnh chế tạo mẫu thí nghiệm mô đun đàn hồi và thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi:

Hình 4.41 Chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi Bảng 4.23 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi

Số đọc biến dạng đàn hồi (0,01mm) Trị số biến dạng đàn hồi (L)

Sau khi gia tải Sau khi giỡ tải Đồng hồ 1 Đồng hồ 2 Đồng hồ 3 Đồng hồ 1 Đồng hồ 2 Đồng hồ 3 (Mpa)

Hình 4.42 Mô đun đàn hồi của 3 hỗn hợp BTN

ẢNH HƯỞNG CỦA VÙNG GIỚI HẠN THEO SUPERPAVE ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA CHẶT

Để đánh giá ảnh hưởng của vùng giới hạn, 3 loại BTN với 3 đường cong cấp phối khác nhau (trên VGH, qua VGH, dưới VGH) được chế tạo Tùy theo yêu cầu về kích thước, hình dáng của mẫu cho từng thí nghiệm, các mẫu BTN được chế tạo với kích thước thích hợp Kích thước các mẫu thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.19 Hàm lượng nhựa dùng để chế tạo mẫu thí nghiệm bằng với hàm lượng nhựa tối ưu đã xác định

Bảng 4.19 Kích thước mẫu dùng trong các thí nghiệm

Thí nghiệm Kích thước mẫu

Thí nghiệm Marshall Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm kiểm tra cường độ kéo khi ép chẻ Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm kiểm tra độ va đập của hỗn hợp BTN (Cantabro) Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm xác định Mô-đun đàn hồi của hỗn hợp BTN Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 101mm Cắt ngang mẫu để đánh giá sự sắp xếp các viên đá Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm

Các chỉ tiêu dùng để so sánh 3 hỗn hợp BTN gồm: khối lượng thể tích, độ rỗng còn dư, độ rỗng cốt liệu và các thí nghiệm được thực hiện bao gồm thí nghiệm xác định độ ổn định và độ dẻo Marshall, thí nghiệm ép chẻ để đánh giá mức độ ảnh hưởng của đường cong cấp phối đến sự làm việc của hỗn hợp BTN trong điều kiện nhiệt độ cao, Thí nghiệm Cantabro xác định độ mài mòn của BTN, thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của BTN Ngoài ra các mẫu BTN được cắt ra để đánh giá sự sắp xếp các viên đá với nhau bằng mắt.

SO SÁNH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CỦA 3 HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

4.5.1 Kết quả thí nghiệm nén Marshall

Mỗi cấp phối BTNC 12,5 được chế tạo 3 mẫu với hàm lượng nhựa tối ưu đã xác định tại mục 4.3 để thực hiện thí nghiệm Marshall Các tổ mẫu được chế tạo, bảo dưỡng và thí nghiệm theo phương pháp Marshall , toàn bộ quá trình thí nghiệm tiến hành theo TCVN 8860-1:2011 [43] Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.20 Hình ảnh tạo mẫu và làm thí nghiệm:

Hình 4.34 Ngâm mẫu thí nghiệm trong bể ổn định nhiệt 60 o C, thời gian 40 phút

Hình 4.35 Thực hiện thí nghiệm

Hình 4.36 Độ ổn định và độ dẻo Marshall của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

Bảng 4.20 Các chỉ tiêu cơ bản của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

Chỉ tiêu Đơn vị Cấp phối

Cấp phối DƯỚI VGH Độ ổn định Marshall (kN) 13,647 12,054 10,010 Độ dẻo Marshall (mm) 3,302 2,752 2,455 Độ rỗng dư Va (%) 3,607 3,900 5,482 Độ rỗng khung cốt liệu VMA (%) 16,951 17,005 18,464 Khối lượng thể tích (g/cm 3 ) 2,398 2,390 2,347

Với số liệu thu được từ kết quả thí nghiệm có thể rút ra kết luận: Độ ổn định Marshall của hỗn hợp BTN ứng với ba cấp phối điều lớn hớn 8kN, như vậy hỗn hợp BTN chế tạo từ 3 cấp phối đều đạt yêu cầu về độ ổn định Marshall theo TCVN 8819:2011[5] Độ ổn định và độ dẻo Marshall của cấp phối dưới VGH thấp nhất

(10,01kN; 2,455mm), độ ổn định và độ dẻo Marshall của cấp phối trên VGH cao nhất (13,647kM; 3,302mm) cho thấy hàm lượng cốt liệu lớn nhiều chưa hẳn sẽ tạo nên hỗn hợp bê tông nhựa có độ ổn định cao Kết quả này cũng phù hợp với một số nghiên cứu đã nêu ở mục 2.2.2

4.5.2 Kết quả thí nghiệm ép chẻ

Hình ảnh thực hiện thí nghiệm ép chẻ:

Hình 4.37 Thí nghiệm ép chẻ và mẫu bị phá hủy

Bảng 4.21 Kết quả thí nghiệm ép chẻ của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

(mm) Tải trọng khi phá hủy mẫu-

Cường độ chịu kéo (Mpa) ku

Chiều cao -H (mm) Đường kính -D

Hình 4.38 Kết quả thí nghiệm ép chẻ của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

Kết quả nén ép chẻ cho thấy cường độ ép chẻ của BTN có cấp phối trên VGH (0,848MPa) cao hơn BTN có cấp phối dưới VGH (0,767Mpa), tuy nhiên cả hai lại có cường độ thấp hơn BTN có cấp phối qua VGH (0,909 MPa)

4.5.3 Kết quả thí nghiệm Cantabro

Kết quả của độ hao mòn của một hỗn hợp BTN ứng với một cấp phối là số trung bình của 3 mẫu có kích thước tương đường nhau và được chế tạo theo quy trình giống hệt nhau Thí nghiệm được thực hiện theo quy trình như đã nêu tại mục

3.5.3 Trong nghiên cứu của hai tác giả Jesse D.Doyle và Isaac L.Howard năm 2010 đã chỉ ra rằng có mối liên hệ giữa tỷ lệ hao mòn trong thí nghiệm Cantabro với độ rỗng còn dư của hỗn hợp BTN, nếu độ rỗng của hỗn hợp BTN càng lớn thì lượng hao mòn càng nhiều và ngược lại [56] Kết quả trong nghiên cứu này cũng đã cho thấy mối liên hệ đó, điều này đồng nghĩa với việc hiệu quả của công tác đầm nén có ảnh hưởng lớn tới sự làm việc ổn định của kết cấu áo đường dùng BTN làm lớp mặt Kết quả thí nghiệm độ mài mòn bằng thí nghiệm Cantabro được thể hiện trong Bảng 4.22

Hình 4.39 Mẫu BTN có cấp phối đi qua vùng giới hạn trước và sau khi thí nghiệm

Bảng 4.22 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn

Hao mòn (%) Trước khi TN

Hình 4.40 Độ hao mòn và độ rỗng còn dư của 3 hỗn hợp bê tông nhựa

4.5.4 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi

Một số hình ảnh chế tạo mẫu thí nghiệm mô đun đàn hồi và thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi:

Hình 4.41 Chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi Bảng 4.23 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi

Số đọc biến dạng đàn hồi (0,01mm) Trị số biến dạng đàn hồi (L)

Sau khi gia tải Sau khi giỡ tải Đồng hồ 1 Đồng hồ 2 Đồng hồ 3 Đồng hồ 1 Đồng hồ 2 Đồng hồ 3 (Mpa)

Hình 4.42 Mô đun đàn hồi của 3 hỗn hợp BTN

Mô đun đàn hồi của hỗn hợp BTN có cấp phối trên VGH cao nhất (212,506MPa) và giảm dần đến cấp phối dưới VGH (thấp nhất: 166,842MPa), có thể thấy được nếu độ rỗng dư của BTN thấp thì sẽ đạt mô đun đàn hồi cao và ngược lại

4.5.5 So sánh sự sắp xếp các viên đá của 3 hỗn hợp bê tông nhựa qua mặt cắt ngang

Các viên đá lớn trong cấp phối trên VGH gần như không chạm được vào nhau và khoảng cách giữa các hạt này khá xa (do hàm lượng thấp) Vì vậy tải trọng chủ yếu được tạo ra do sự liên giữa các hạt cốt liệu mịn Đối với cấp phối qua VGH, tỷ lệ các hạt có kích cỡ trung bình cao, khoảng cách giữa các hạt này nhỏ hơn cấp phối trên VGH nhưng khả năng chạm vào nhau của chúng rất thấp do hàm lượng cốt liệu mịn trong cấp phối khá cao Tỷ lệ các hạt cốt liệu lớn trong cấp phối dưới

VGH cao, cộng thêm hàm lượng cốt liệu mịn thấp nên một số hạt cốt liệu lớn chạm vào nhau tạo ra sự cài móc giữa các hạt Tuy nhiên do độ rỗng dư của hỗn hợp BTN dưới VGH lớn (5,452%), nên có thể điều này làm giảm khả năng chịu tải của BTN

Hình 4.43 Mặt cắt ngang các mẫu bê tông nhựa

(a) Cấp phối trên vùng giới hạn (b) Cấp phối qua vùng giới hạn (c) Cấp phối dưới vùng giới hạn

Tiêu đề	Nghiên cứu ảnh hưởng của vùng giới hạn theo Superpave đến khả năng làm việc của bê tông nhựa chặt
Tác giả	Nguyễn Hoài Vẹn
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	4,77 MB