Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu cấp phối hở cho lớp phủ mỏng bê tông nhựa phù hợp điều kiện phía nam

CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Việc sử dụng lớp mặt đường tạo nhám là lớp bê tông nhựa có độ rỗng lớn làm lớp trên cùng của mặt đường cao tốc.. Hiệu quả tạo nhám đạt được

Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn gồm các chương sau:

 Chương 3: Thiết kế cấp phối bê tông nhựa hở tạo nhám Dmaxmm

 Chương 4: So sánh đánh giá chất lượng các loại cấp phối bê tông nhựa tạo nhám

 Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Luận văn có các nội dung chính thể hiện trong toán đồ Hình 1.1 sau:

NGHIÊN CỨU CẤ P PHỐ I HỞ CHO LỚP PHỦ MỎNG BÊ TÔNG NHỰ A PHÙ HỢ P ĐIỀ U KIỆ N PHÍA NAM

KIỂ M TRA CHỈ TIÊU CƠ LÝ NHỰ A KIỂ M TRA CHỈ TIÊU CƠ LÝ ĐÁ DĂM KIỂ M TRA CHỈ TIÊU CƠ LÝ BỘ T KHOÁNG

THIẾ T KẾ BÊ TÔNG NHƯẠ CẤ P PHỐ I HỞ TẠ O NHÁM Dmax mm

SO SÁNH BÊ TÔNG NHỰ A CẤ P PHỐ I HỞ Dmaxmm ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VỚI CẤ P PHỐ I BÊ TÔNG NHỰ A TẠ O NHÁM THEO [17] VÀ CẤ P PHỐ I BÊ TÔNG NHỰ A TẠ O NHÁM THEO [9],[18] CÁC CHỈ TIÊU CẦ N SO SÁNH:

- THÍ NGHIỆ M MÔ ĐUN ĐÀN HỒ I VẬ T LIỆ U [14]

- THÍ NGHIỆ M CƯỜNG ĐỘ CHỊU KÉO GIÁN TIẾ P [20]

- THÍ NGHIỆ M ĐỘ Ổ N ĐỊNH MARSHALL [13]

- THÍ NGHIỆ M ĐỘ NHÁM MẶ T ĐƯỜNG [23]

- THÍ NGHIỆ M KIỂ M TRA HỆ SỐ THẤ M NƯỚC [24]

- THÍ NGHIỆ M XÁC ĐỊNH ĐỘ MÀI MÒN CANTABRO [24].

Hình 1.1 Nội dung luận văn nghiên cứu

TỔNG QUAN

Bê tông nhựa thông thường – Yêu cầu vật liệu chế tạo

2.1.1 Gi ớ i thi ệ u bê tông nh ự a

Bê tông nhựa hay bê tông asphalt là một hỗn hợp vật liệu bao gồm: đá, cát, bột khoáng và phụ gia (nếu có) được phối hợp với nhau theo một tỉ lệ hợp lý để tạo một cấp phối tốt nhất, được trộn nóng hoặc nguội với nhựa theo một chế độ nhất định trong trạm trộn rồi được rải nóng (đối với bê tông nhựa trộn nóng) ở nhiệt độ thích hợp và lu lèn [13],[21]

 Đá dăm và cát là bộ khung chịu lực, tăng tính ổn định của bê tông nhựa

Làm cho bê tông nhựa có khả năng chịu tác dụng của ngọai lực và tạo độ nhám cho bề mặt đường

 Cát : đóng vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm, nó sẽ cùng với đá dăm làm thành bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa

 Bột khoáng đóng vai trò là thành phần rất quan trọng trong hỗn hợp bê tông nhựa, nó vai trò lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu lớn ( cát, đá dăm hay sỏi ) không những làm tăng độ đặc của hỗn hợp mà còn làm tăng nhanh tỷ diện bề mặt các cốt liệu , làm cho màng bitum trên mặt hạt khoáng vật càng mỏng và như thế sẽ làm lực tương tác của nó tăng lên, cường độ và độ bền của bê tông nhựa cũng tăng

 Bitum là chất kết dính hữu cơ có khả năng dính kết các vật liệu khoáng vật tạo một hỗn hợp chịu lực mới

 Phụ gia: có vai trò trong việc cải thiện một số tính chất nào đó trong bê tông nhựa như làm tăng tính dẻo, tính ổn định với nhiệt v.v Thường phụ gia được thêm vào để cải tiến một số tính chất của bitum như : Bitum có pha thêm lưu huỳnh, Bitum có pha thêm cao su, Bitum có pha thêm mangan hữu cơ

 Như vậy ta có thể thấy rằng cường độ của bê tông nhựa được hình thành trên cơ sở nguyên lý hình thành cường độ của hỗn hợp vật liệu theo nguyên tắc cấp phối với chất kết dính là nhựa đường

2.1.2 Các lo ạ i c ấ p ph ố i bê tông nh ự a

 Bê tông nhựa cấp phối chặt (Dense-graded):[13]

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 Thường được gọi là BTN chặt BTN chặt có độ rỗng dư nhỏ, thường từ 3-6%

 Bê tông nhựa cấp phối gián đoạn (Gap-graded): [13]

Loại BTN sử dụng cấp phối cốt liệu có lượng hạt thô và lượng hạt mịn lớn, nhưng lượng hạt trung gian rất nhỏ Đường cong cấp phối cốt liệu của loại BTN này có xu thế gần nằm ngang tại vùng cỡ hạt trung gian Cấp phối cốt liệu này tạo khả năng để các hạt cốt liệu thô chèn móc tốt với nhau, tuy nhiên có xu thế dễ bị phân tầng trong quá trình rải BTN cấp phối gián đoạn thường có độ rỗng dư lớn hơn so với BTN chặt

 Bê tông nhựa cấp phối hở (Open-graded): [13]

Loại BTN sử dụng cấp phối cốt liệu cấp phối có lượng hạt mịn chiếm một tỷ lệ nhỏ trong hỗn hợp Đường cong cấp phối loại này có xu thế gần thẳng đứng tại vùng hạt cốt liệu trung gian, gần nằm ngang và có giá trị gần bằng không (0) tại vùng hạt cốt liệu mịn Loại BTN này có độ rỗng dư lớn do không đủ lượng hạt mịn lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt thô Thường được gọi là BTN rỗng BTN rỗng có độ rỗng dư lớn nhất so với BTN chặt và BTN cấp phối gián đoạn

Loại BTN rỗng làm lớp móng (base course), thường không sử dụng bột khoáng, có độ rỗng dư từ 12% đến 16%

 Bê tông nhựa có độ nhám cao (Open Graded Friction Course Asphalt- OGFCA): [13]

Loại BTN sử dụng làm lớp phủ mặt đường, có tác dụng ngăn ngừa hiện tượng văng nước gây ra khi xe chạy với tốc độ cao, tăng khả năng kháng trượt mặt đường và giảm đáng kể tiếng ồn khi xe chạy

Thường sử dụng loại BTN rỗng, có độ rỗng dư 15-22% (Open graded friction course –OGFC hoặc Porous friction course-PFC) hoặc BTN cấp phối gián đoạn, có độ rỗng dư 10-15% (Very thin friction course-VTO) Cần sử dụng nhựa đường cải thiện để chế tạo loại BTN này

 Hỗn hợp đá- vữa nhựa (Stone matrix asphalt hoặc Stone mastic asphalt - SMA): [13]

Là loại BTN sử dụng cấp phối gián đoạn Hỗn hợp BTN này bao gồm nhựa đường, cốt liệu và cốt sợi (fiber) SMA thường sử dụng lượng bột khoáng và nhựa đường nhiều hơn so với BTN cấp phối chặt Độ rỗng dư của SMA có phạm vi rộng, từ 2-8%, tùy thuộc vào việc sử dụng SMA làm lớp mặt hoặc lớp móng

2.1.3 Phân lo ạ i bê tông nh ự a 2.1.3.1 Theo độ r ỗ ng còn d ư

Theo độ rỗng dư, BTN thường được phân thành các loại [13]:

 BTN chặt, có độ rỗng dư từ 3% - 6%

 BTN rỗng, bao gồm các loại BTN có độ rỗng dư lớn hơn 6 %

2.1.3.2 Phân lo ạ i theo đặ c tính c ủ a c ấ p ph ố i h ỗ n h ợ p c ố t li ệ u

Theo đặc tính của cấp phối cốt liệu, BTN thường được phân thành các loại [13]:

 BTN có cấp phối chặt (dense graded mix)

 BTN có cấp phối gián đoạn (gap graded mix)

 BTN có cấp phối hở (open graded mix)

2.1.3.3 Phân lo ạ i theo c ỡ h ạ t danh đị nh l ớ n nh ấ t c ủ a c ố t li ệ u

Theo cách phân loại này, BTN thường được phân thành các loại có cỡ hạt danh định lớn nhất là: 37,5 mm; 25,0 mm; 19,0 mm; 12,5 mm; 9,5 mm và 4,75 mm (tương ứng với việc phân loại theo cỡ hạt lớn nhất là 50 mm; 37,5 mm; 25,0 mm;

2.1.3.4 Phân lo ạ i theo v ị trí và công n ă ng trong k ế t c ấ u m ặ t đườ ng

Theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường , BTN thường được phân thành các loại [13]:

 BTN có độ nhám cao, tăng khả năng kháng trượt: sử dụng cho đường ô tô cấp cao, đường cao tốc, các đoạn đường nguy hiểm Lớp BTN này được phủ trên mặt BTN, ngay sau khi thi công các lớp BTN phía dưới hoặc được phủ sau này, khi nâng cấp mặt đường

 BTN dùng làm lớp mặt (surface course mixture), bao gồm:

 BTN dùng làm lớp mặt trên (wearing course mixture): thường sử dụng BTN chặt

 BTN dùng làm lớp mặt dưới (binder course mixture): thường sử dụng BTN chặt

 BTN dùng làm lớp móng (base course mixture): loại BTN chặt và BTN rỗng đều có thể sử dụng làm lớp móng BTN rỗng có giá thành thấp hơn do không cần sử dụng bột khoáng và hàm lượng nhựa thấp hơn so với BTN chặt

 BTN cát (sand-asphalt mixture): sử dụng làm lớp mặt tại khu vực có tải trọng xe không lớn, vỉa hè, làn dành cho xe đạp, xe thô sơ Có thể sử dụng để làm 1 lớp bù vênh mỏng trước khi rải lớp BTN lên trên Cốt liệu sử dụng cho BTN cát là cát nghiền, cát tự nhiên hoặc hỗn hợp của hai lo ại cát này

 Cấu trúc vi mô: gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết asphalt

 Cấu trúc trung gian: gồm cát và các chất liên kết asphalt tạo thành vữa asphalt

 Cấu trúc vĩ mô: gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa

Tổng quan về bê tông nhựa tạo nhám

Giải pháp lớp phủ bê tông nhựa có độ nhám cao nhằm nâng cao sức kháng trượt giữa bánh xe và mặt đường khi xe chạy với tốc độ cao, cũng như khả năng giảm màng nước bề mặt trong điều kiện mặt đường ẩm ướt đã được nghiên cứu sử dụng có hiệu quả của các nước trên thế giới, việc sử dụng loại vật liệu này tùy thuộc vào điều kiện thời tiết, loại phương tiện đi lại và tác động của các nhân tố môi trường đến đường giao thong [2],[6]

2.2.1 Khái ni ệ m v ề bê tông nh ự a t ạ o nhám

Các tên gọi cấp phối bê tông nhựa hở tạo nhám trên thế giới như: Porous Asphalt(PA), Porous Friction Course(PFC), Open Graded Asphalt Concrete (OGAC), Open Graded Friction Course (OGFC), Porous European Mix (PEM)

Tên gọi bê tông nhựa nhám cao ở Việt Nam theo 22TCN345-06: Bê tông nhựa nhám cao (BTNNC)

Bê tông nhựa cấp phối hở (Open Graded) thường có độ rỗng dư cao, được chế tạo từ cốt liệu là đá dăm và nhựa đường Polime để sản xuất

Về cấu tạo, lớp mặt bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở rải trên lớp bê tông nhựa chặt được áp dụng khá phổ biến trên thế giới; do độ rỗng của lớp bê tông nhựa cấp phối hở lớn nên nước mưa sẽ nhanh chóng thấm qua và xuống lớp bê tông nhựa chặt bên dưới và chảy ra hệ thống thoát nước hai bên mà không bị đọng thành màng nước [2],[6]

2.2.2 Đặ c đ i ể m v ậ t li ệ u bê tông nh ự a t ạ o nhám

 Giảm sự bắn nước và bụi nước

 Giảm phản chiếu ánh sáng

 Tăng sức kháng trượt mặt đường

Bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở (Open Graded Friction Courses Asphalt) là loại cấu trúc khung dạng vĩ mô, hỗn hợp bao gồm các hạt cốt liệu lớn đồng dạng, có một ít hoặc không có hạt cốt liệu nhỏ và bột khoáng; hỗn hợp vật liệu được thiết kế sao cho vật liệu đầm nén đạt được độ rỗng dư từ 18%÷25% [1]

Hình 2.1: Cấu trúc của hỗn bê tông nhựa cấp phối hở tạo nhám [2]

Thành phần vật liệu của bê tông nhựa cấp phối hở và bê tông nhựa chặt giống nhau về thành phần vật liệu gồm: cốt liệu hạt thô, cốt liệu mịn, chất liên kết và bột khoáng; tuy nhiên hàm lượng cốt liệu có sự khác nhau Vật liệu bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở có hàm lượng hạt mịn ít hơn nhiều so với bê tông nhựa chặt, với mục đích là tạo độ rỗng dư trong vật liệu cao hơn so với vật liệu bê tông nhựa thông thường, đáp ứng đặc tính nhám và thoát nước mà vật liệu mặt đường bê tông nhựa chặt chưa giải quyết được

Hình 2.2: Đường cong cấp phối hở bê tông nhựa tạo nhám của Mỹ [2]

Khi thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám, chất liên kết thông thường sử dụng là bitum cải tiến, việc sử dụng nhựa này nhằm cải thiện đặc tính biến dạng và độ bền của bê tông nhựa khi sử dụng nơi có nhiệt độ, độ ẩm thay đổi bất thường

Hiện nay, bitum cải tiến phổ biến nhất là loại bitum polime dẻo nhiệt hay cao su dẻo nhiệt

Các polime dẻo nhiệt hay cao su dẻo nhiệt khi được trộn với bitum ở nhiệt độ thích hợp, chúng sẽ làm tăng liên kết với bitum và tăng độ nhớt của bitum Độ nhớt nhựa và chiều dày màng nhựa ảnh hưởng nhiều đến độ bền của vật liệu, do vậy việc sử dụng bitum cải tiến cho vật liệu sẽ bị hạn chế tối đa hiện tượng chảy nhựa, làm

Cỡ sàng (mm) gia tăng liên kết trong vật liệu, giảm thiểu những hư hỏng do tác động nhiệt độ, độ ẩm môi trường mà bitum thông thường khó có thể kiểm soát được.

Tổng quan về bê tông nhựa tạo nhám trên thế giới

2.3.1 Tình hình s ử d ụ ng bê tông nh ự a t ạ o nhám ở M ỹ

 S ở Giao thông v ậ n t ả i Bang Nam Carolina ( The South Carolina Department of Transportation (SCDOT)):

Sở Giao thông vận tải Bang nam Carolina đã sử dụng vật liệu bê tông nhựa tạo nhám từ giữa những năm 1970 để giảm tai nạn trên các tuyến đường có tốc độ cao [3]

Yêu cầu về đặc trưng cốt liệu BTNNC của SCDOT như sau:

 Cỡ hạt Dmax=9,5÷19mm, trong đó BTNNC 12,5 có D max mm phổ biến sử dụng

 Độ rỗng còn dư của hỗn hợp 18÷22%

Bảng 2.1 Cấp phối tiêu chuẩn BTNNC của SCDOT [3]

Lượng lọt qua sàng Cỡ sàng

Hình 2.3: Tình hình sử dụng BTNNC của các bang ở Mỹ [3]

Tiêu chuẩn SCDOT cho BTNNC yêu cầu vật liệu như: sợi tổng hợp để giảm hiện tượng chảy nhựa, nhựa polime cải tiến để tăng cường cường độ, độ bền, chống lão hóa và hao hụt nhựa, sử dụng cốt liệu thô trong thành phần để cải thiện tính thấm Với đặc trưng trên và vật liệu BTNNC 12,5mm của SCDOT cho phép thời gian khai thác từ 10-12 năm

 Trung tâm công ngh ệ Asphalt c ủ a M ỹ NCAT (National Center for Asphalt Technology)

Yêu cầu chung về đặc trưng cốt liệu BTNNC của NCAT như sau [4],[5]:

 Cỡ hạt Dmax=9,5÷19mm, trong đó Dmaxmm phổ biến sử dụng

 Sử dụng nhiều loại nhựa khác nhau, thông thường dùng nhựa Polime và sử dụng phụ gia sợi cho hỗn hợp để chống chảy nhựa

Những đặc điểm của BTNNC:

Sử dụng BTNNC Không sử dụng BTNNC Không biết về BTNNC

 Chiều dày rải mỏng từ 2÷4cm

 Mặt đường giảm tiếng ồn

Bảng 2.2 Cấp phối tiêu chuẩn BTNNC của NCAT [4],[5]

Lượng lọt qua sàng (%) Cỡ sàng(mm)

Cấp phối cơ bản của FHWA

Cấp phối ứng dụng hiện tại

Các hình so sánh về tuổi thọ trung bình của BTNNC, khả năng làm việc bền, khả năng chịu ma sát của BTNNC

Hình 2.4: Tuổi thọ trung bình của BTNNC [4]

Ph ầ n tr ă m c ác ban g s ử d ụ ng OG FC

Hình 2.5: Khả năng làm việc bền của BTNNC.[4]

Hình 2.6: Khả năng làm việc chịu ma sát của BTNNC [4]

Yêu cầu chung về đặc trưng cốt liệu BTNNC của Texas A&M như sau [6]:

Ph ầ n tr ă m c ác bang s ử d ụ ng OGFC

Khả năng làm viêc bền

Ph ầ n tr ă m c ác ban g s ử d ụ ng OGFC

Khả năng làm viêc chịu ma sát

Bảng 2.3: Thành phần cấp phối của Texas A&M [6]

Lượng lọt qua sàng Cỡ sàng

2.3.2 Nghiên c ứ u ở Nh ậ t B ả n, Trung Qu ố c, Ấ n Độ

Các nước châu Á như Trung Quốc, Nhật, Ấn Độ rất quan tâm loại vật liệu này do những tiện ích của nó Loại nhựa đường sử dụng là polime, cốt liệu và chất phụ da sợi; mẫu đầm Marshall 50 chày/mặt [1],[7],[26]

Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu cho vật liệu BTNNC của Nhật:

 Hàm lượng nhựa tối ưu: 4,4÷4,6% trong hỗn hợp;

 Cường độ chịu kéo gián tiếp (ITS): 5÷10 (kg/cm 2 )

Bảng 2.4: Thành phấn cấp phối BTNNC của Ấn Độ [7]

9,5 35-60 4,75 10-25 2,36 7-12 0,075 3-6 Đường cong cấp phối cốt liệu sử dụng để nghiên cứu: [7]

Hình 2.7: Cấp phối cốt liệu theo nghiên cứu của trường đại học Karnataka Ấn Độ

G1, G2, G3, G4 là 4 cấp phối được nghiên cứu để so sánh với tiêu chuẩn ASTM của Mỹ.

Tổng quan về bê tông nhựa tạo nhám ở Việt Nam

2.4.1 K ế t qu ả th ử nghi ệ m bê tông nh ự a r ỗ ng trên tuy ế n B ắ c Th ă ng Long-N ộ i Bài

Năm 1994, Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải đã hợp tác với hãng ESSO nghiên cứu ban đầu và xây dựng thí điểm một đoạn đường sử dụng bê

Cỡ sàng (mm) tông nhựa rỗng là lớp phủ thoát nước cấp phối hở trên đoạn Bắc Thăng Long-Nội Bài [25]

Một số kết quả thí nghiệm kiểm tra cốt liệu và nhựa đường polime

Bảng 2.5: Kết quả thí nghiệm nhựa đường polime TPS [25]

TT Các chỉ tiêu Đơn vị

Yêu cầu kỷ thuật(Tiêu chuẩn Nhật

1 Nhiệt độ hóa mềm, PP vòng và bi o C 85.5 ≥ 80

4 Lượng tổn thất sau khi nung ở 163 0 C trong 5h % 0.049 ≤ 0,6

5 Tỷ lệ độ kim lún ccủa nhựa Polime sau khi đun ở 163 0 C trong 5h so với độ kim lún của nhựa ở

6 Lượng hòa tan trong Trichloethylene % 99.32 -

11 Độ dính bám với đá cấp 4 -

12 Độ đàn hồi ở 25 0 C, mẫu kéo dài 10cm % 89 - 13 Độ ổn định lưu trữ gia nhiệt ở 163 0 C trong 48h, sai khác nhiệt độ hóa mềm phần trên và phần dưới của mẫu oC 1.7 -

Nhựa đường TPS (có được bằng cách trộn phụ gia TPS (xuất xứ Nhật Bản) với nhựa đường Petrolimex 60/70)

Bảng 2.6: Kết quả thí nghiệm cốt liệu thô [25]

TT Nội dung Đơn vị Đá 10x20 Đá 5x15

Yêu cầu kỷthuật (Tiêu chuẩn Nhật Bản)

1 Gới hạn bền nén đá gốc Mpa 136.6 -

4 Hàm lượng hạt bị dập vỡ % 100 100 -

5 Độ nén dập và hệ số hóa mềm % 2.08 4.45 -

6 Hàm lượng hạt mềm yếu, phong hóa % 0 0 ≤ 5

7 Hàm lượng hạt thỏi dẹt % 9.12 12.49 ≤ 10 8 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 2.06 2.65 -

10 Độ dính bám của nhựa với đá

(phương pháp đun sôi) cấp 4 4 -

Bảng 2.7: Kết quả thí nghiệm cốt liệu mịn [25]

TT Nội dung Đơn vị Đá 0x5 Cát vàng

3 Hệ số đương lượng cát (ES) % 11.44 15.68

4 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 100 100

5 Độ góc cạnh (độ rỗng của cát ở trạng thái không đầm) % 2.08 4.45

Bảng 2.8: Kết quả thí nghiệm bột khoáng [25]

Yêu cầu kỷthuật(Tiêu chuẩn

TT Nội dung Đơn vị Đá 0x5 Cát vàng

4 Chỉ số dẻo % Không dẻo ≤ 4,0

Bảng 2.9: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý BTNR.13 [25]

TT Nội dung Đơn vị

Yêu cầu kỷ thuật(Tiêu chuẩn

I Các chỉ tiêu kỷ thuật thí nghiệm trên mẫu Marshall:

1 Khối lượng thể tích g/cm 3 2.172 -

2 Độ rỗng dư trong bê tông nhựa % 20.74 ≥ 20

4 Tỷ lệ độ rỗng liên thông % 15.39 - 5 Độ ổn định Marshall ở 60 o C KN 4.97 ≥ 3,5 6 Độ dẻo Marshall ở 60 o C mm 2.49 2-4

7 Độ ổn định Marshall còn lại sau khi ngâm mẫu ở 60 o C % 82.03 - 8 Thí nghiệm Cantabro % 9.43 ≤ 20

2.4.2 Bê tông nh ự a l ớ p t ạ o nhám theo công ngh ệ Novachip

Công nghệ Novachip là một trong những công nghệ mới tiên tiến để tạo lớp phủ mỏng mặt đường đã được áp dụng ở Mỹ Lớp phủ mỏng dùng công nghệ Novachip làm lớp tạo nhám trên các tuyến cao tốc hay đường cấp cao, đảm bảo độ bằng phẳng, độ nhám và tăng cường an toàn cho xe chạy trên đường Chiều dày lớp Novachip từ 1,25÷2,5cm, lớp vật liệu này không tính vào chịu lực của kết cấu áo đường [8]

Bảng 2.10: Thành phần cấp phối cốt liệu của BTN Novachip [8]

Kích cỡ mắt sàng vuông (mm) Lượng lọt sàng (% theo khối lượng)

BTNNVC loại A BTNNVC loại B BTNNVC loại

Hàm lượng nhựa tham khảo (% khối lượng hỗn hợp TNNVC

Bảng 2.11: Yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật của BTN Novachip [8]

TT Chỉ tiêu Đơn vị

1 Số chày đầm (chế bị mẫu theo phương pháp Marshall) chày 2x50 AASHTO T 245 : 1997

(2001) 2 Chiều dày màng nhựa μm 9÷11 Phụ lục B

0,20 22TCN 345,Phụ lục C 4 Hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp % min 80 Phụ lục C (AASHTO

T283) 4a Độ ổn định còn lại % min, 80 AASHTO T 245 :1997

Bảng 2.12: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho đá dăm [8]

TT Các chỉ tiêu Đơn vị Yêu cầu Phương pháp thí nghiệm

1 Cường độ nén của đá gốc Mpa min.120

TCVN 7572-10:2006 (lấy chứng chỉ từ nơi sản xuất đá) 2 Độ hao mòn Los Angeles % max.25 TCVN 7572-12:2006 3

Hàm lượng hạt bị đập vỡ - 1 mặt

4 Hàm lượng hạt thỏi dẹt (tỉ lệt hạt 3:1) % max 15 TCVN 7572-13:2006

5 Hàm lượng bụi, bùn, sét % max 2,0 TCVN 7572-8:2006

6 Hàm lượng sét cục % max.0,25 TCVN 7572-8:2006

7 Hàm lượng hạt mềm yếu, phong hóa % max.5 TCVN 7572-17:2006

8 Độ dính bám của đá với nhựa đường cấp min cấp 4 22 TCN 279:2001

Bảng 2.13: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho cát xay [8]

TT Các chỉ tiêu Đơn vị Yêu cầu Phương pháp thí nghiệm

1 Modul độ lớn _ min 2 TCVN 7572-2:2006

2 Hệ số đương lượng cát (ES) % min 50 AASHTO T

3 Độ góc cạnh (độ rỗng của cát ở trạng thái không đầm) % min 45 22 TCN 356:2006 4 Hàm lượng bụi, bùn, sét % max 3 TCVN 7572-8:2006

5 Hàm lượng sét cục % max 0,5 TCVN 7572-8:2006

Bảng 2.14: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho bột khoáng [8]

TT Các chỉ tiêu Đơn vị Qui định Phương pháp thí nghiệm

1 Thành phàn hạt (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng mắt vuông)

3 Chỉ số dẻo (của bột khoáng nghiền từ đá cacbonat) % max 4,0 AASHTO T89,

2.4.3 Bê tông nh ự a nhám cao theo 22TCN 345-06

Lớp BTN nhám cao với chiều dầy từ 2,0 đến 3,0 cm được dùng cho: đường cao tốc, đường ô tô cấp cao (tốc độ thiết kế từ 80km/h trở lên), các đoạn đường qua địa hình khó khăn nguy hiểm (đường vòng quanh co, đoạn có dốc dọc > 5% với chiều dài dốc > 100m ) nhằm cải thiện độ nhám và sức kháng trượt mặt đường Đây là loại vật liệu được sử dụng làm lớp tạo nhám cho tuyến cao tốc TpHCM- Long Thành-Dầu Dây [9]

Bảng 2.15: Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu của BTNNC [9]

Kích cỡ sàng mắt vuông Lượng lọt sàng (%)

Bảng 2.16: Yêu cầu các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNNC [9]

TT Chỉ tiêu Quy định

1 Số chày đầm trên 1 mặt mẫu (đầm 2 50 2 Độ ổn định ở 60 o C, kN min 6,0

4 Độ ổn định còn lại (sau khi ngâm mẫu ở 60 o C trong 24 giờ) so với độ ổn định ban đầu, %

5 Độ rỗng dư BTNNC, % 12 - 16 AASHTO T269-97(98) 6 Độ rỗng cốt liệu, % min 22

97(2001) (Phụ lục C) 8 Hàm lượng nhựa tham khảo (tính theo

% tổng khối lượng hỗn hợp BTNNC)

Bảng 2.17: Một số chỉ tiêu chính của cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu [9]

TT Chỉ tiêu Yêu cầu

1 Giới hạn bền nén của đá gốc, daN/cm 2 min

1200 TCVN 1772-87 2 Độ hao mòn Los Angeles (LA), % max 20 22 TCN 318-04 3 Hàm lượng hạt thoi dẹt, % max 12 TCVN 1772-87 4

- Hàm lượng bụi, bùn, sét (tính theo khối lượng cốt liệu),%

- Hàm lượng sét (tính theo khối lượng đá dăm), % max 2 max

Bảng 2.18: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho cát xay [9]

TT Chỉ tiêu Yêu cầu PP thí nghiệm

1 Mô đun độ lớn (MK) min 2 TCVN 342-86

2 Hệ số đương lượng cát (ES), % min 50 AASHTO T176-02

3 Hàm lượng chung bụi bùn sét (tính theo khối lượng cát xay), % max 3 TCVN 343-86

4 Hàm lượng sét, % max 0,5 TCVN 344-86

Tóm lại

 Kích cỡ cốt liệu lớn nhất: Ở Mỹ sử dụng đường kính hạt lớn nhất Dmax=9,5;

12,5; 19; 25 mm; ở Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ thì Dmax mm; các nghiên cứu ở Việt Nam cũng như theo 22TCN 345-06 thì D max ,5mm

 Độ rỗng dư thiết kế ở Mỹ là 18÷20%; chiều dày lớp vật liệu BTNNC sử dụng là 3÷5 cm Hỗn hợp bê tông nhựa nóng được thiết kế theo phương pháp Marsall

 Nghiên cứu tại Việt Nam, vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám đã được thiết kế trên một số tuyến cao tốc, cốt liệu sử dụng là đá dăm và nhựa đường polime

Các loại mặt đường tạo nhám gồm có bê tông nhựa theo công nghệ Novachip chiều dày từ 1,25÷2,5cm; hay lớp phủ mỏng bê tông nhựa nhám cao theo 22TCN345-06 có chiều dày từ 2÷3cm, độ rỗng dư thiết kế Va÷16%.

THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG NHỰA HỞ TẠO NHÁM

Đường cong cấp phối thiết kế

Dựa trên các căn cứ [1],[2],[3],[4],[5],[6],[7] của Mỹ và Ấn Độ, ta vẽ các đường cong cấp phối trên cùng một hệ tọa độ; sau đó tiến hành chọn đường cong cấp phối hợp lý để đạt được các yêu cầu về độ nhám, độ rỗng dư lớn

Bảng 3.1: Thành phần cấp phối của Mỹ và Ấn Độ

Thành phần cấp phối (% lượng lọt sàng)

Bang Carolina (Mỹ) Cỡ sang(mm) Ấn Độ

12,5mm OGFC 12,5mm PEM NCAT

Hình 3.1 Các đường cong cấp phối theo tiêu chuẩn của Mỹ và Ấn Độ Đường cong cấp phối được chọn theo một cấp phối có cận trên và dưới theo bang Carolina [3] BTNNC12,5mm và thể hiện trong hình 2.8 bên dưới Cấp phối này được chọn do có phần hạt mịn có xu thế nằm ngang để có độ rỗng còn dư lớn

Hình 3.2 Đường cong cấp phối hở được chọn So sánh đường cong cấp phối hở tạo nhám được chọn (BTNNC 12,5mm) của Bang Carolina (Mỹ) với cấp phối bê tông nhựa có dùng nhựa Polime theo tiêu chuẩn Việt Nam, bê tông nhựa nhám cao (BTNNC-theo 22TCN345-06) và bê tông nhựa polime (22TCN 356-06)

Bảng 3.2: Thành phần cấp phối hở được chọn và cấp phối tạo nhám theo tiêu chuẩn Việt Nam

Hình 3.3 So sánh đường cong cấp phối được chọn với đường cong cấp phối tạo nhám theo tiêu chuẩn Việt Nam.

Lựa chọn cốt liệu cho thiết kế hỗn hợp

Cốt liệu được chọn từ trạm trộn bê tông nhựa nóng của Công ty THH MTV Công Trình Giao Thông Sài Gòn, nguồn gốc đá từ mỏ đá 3/2 Bình Dương Cốt liệu là sản phẩm được nghiền (xay) từ đá tảng có nguồn gốc macma hoặc biến chất (loại granite), có kích cỡ lọt sàng 19 mm và nằm trên sàng 4,75mm

Bảng 3.3: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho đá dăm [9]

TT Chỉ tiêu Yêu cầu

1 Giới hạn bền nén của đá gốc, daN/cm 2 min

1200 TCVN 7572-06 2 Độ hao mòn Los Angeles (LA), % max 20 22 TCN 318-04 3 Hàm lượng hạt thoi dẹt, % max 12 TCVN 1772-87 4

- Hàm lượng bụi, bùn, sét (tính theo khối lượng cốt liệu),% max 2 TCVN 1772-87

Hình 3.4 Thí nghiệm độ mài mòn Los Angeles và tủ sấy cốt liệu

Hình 3.5 Sàng và cân cốt liệu

Hình 3.6 Cốt liệu sau khi sàng

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm đá dăm

TT Chỉ tiêu Kết quả

1 Giới hạn độ bền chịu nén của đá gốc, daN/cm 2 1200 Min.120

2 Độ mài mòn Los Angeles, % 16,1 Max.20

3 Hàm lượng hạt thoi dẹt, % 8,98 Max.12

4 Hàm lượng bụi, bùn, sét (tính theo khối lượng cốt liệu),% 0,95 Max.2

Bột khoáng là sản phẩm được nghiền từ đá các bô nát (đá vôi canxit, đô lô mít) sạch, có giới hạn bền nén không nhỏ hơn 200 daN/cm 2 hoặc là xi măng

Bột khoáng phải khô, tơi, không được vón cục, độ ẩm ≤ 1% Chỉ số dẻo của bột khoáng từ đá các bô nát Ip≤4% (AASHTO T89, T90)

Bảng 3.6: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho bột khoáng [9]

TT Các chỉ tiêu Đơn vị Qui định Phương pháp thí nghiệm

1 Thành phàn hạt (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng mắt vuông)

3 Chỉ số dẻo (của bột khoáng nghiền từ đá cacbonat) % max 4,0 AASHTO T89,

Nhựa đường Polime sử dụng cho BTNNC là loại PMB-I, PMB-II hoặc PMB-III thõa mãn các yêu cầu kỹ thuật theo “Tiêu chuẩn nhựa đường polime”

Trong nghiên cứu này, nhựa polime PMB-I của công ty nhựa đường Petrolimex được lấy ở trạm trộn bê tông nhựa nóng của công ty Công trình Giao Thông Sài Gòn Nhựa polime PmB-I được thử nghiệm (hình 2.12) và kết quả thể hiện trong bảng 2.22

Hình 3.7: Thí nghiệm độ nhiệt độ hóa mềm nhựa đường

Hình 3.8: Nhựa đường và tủ sấy nhựa đường

Bảng 3.7: Các chỉ tiêu nhựa đường sử dụng trong nghiên cứu

TT Các chỉ tiêu Đơn vị

1 Nhiệt độ hoá mềm, PP vòng và bi 0 C 67,2 min 60

3 Nhiệt độ bắt lửa o C 323 min.230

4 Lượng tổn thất sau khi nung ở 163ºC trong

5 Tỷ số độ kim lún của nhựa Polime sau khi đun ở 163ºC trong 5h so với độ kin lún của nhựa ở 25ºC % 80,5 min.65

6 Lượng hòa tan trong Trichloethylene % 99,3 min.99 7 Khối lượng riêng ở 25ºC g/cm 3 1,031 1,00-1,05

8 Độ dính bám với đá cấp độ cấp 4 ≥ cấp 4 9 Độ đàn hồi ở 25º C, mẫu kéo dài 10cm % 80,3 min.60 10 Độ ổn định lưu trữ gia nhiệt ở 163 o C trong

Qui định sử dụng bitum cho vật liệu bê tông nhựa cấp phối hở tạo nhám sử dụng vật liệu bitum polime, do những ưu điểm sau:

 Bê tông nhựa không bị chảy mềm ở nhiệt độ cao, có độ bền lớn, tuổi thọ sử dụng cao hạn chế tối đa công tác duy tu bão dưỡng;

 Không bị nứt khi nhiệt độ thấp, hạn chế vệt lún trên mặt do tải trọng nặng;

 Duy trì độ nhám mặt đường;

 Mặt đường có độ bằng phẳng cao

Chọn bitum polime PMB-I và thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật theo Tiêu chuẩn nhựa đường Polime 22TCN 319-04 Nhựa polime PMB-I của công ty nhựa đường Petrolimex được lấy ở trạm trộn bê tông nhựa nóng của công ty Công trình Giao Thông Sài Gòn.

Thiết kế thành phần hỗn hợp theo phương pháp Marshall

Thiết kế thành phần hỗn hợp theo phương pháp Marshall như sau [11],[12],[13]:

3.3.1 Quy trình đ úc m ẫ u trong phòng thí nghi ệ m

 Thu thập và chọn vật liệu khoáng tại các trạm BTN nóng, hong khô cốt liệu

 Sàng phân loại cốt liệu;

 Phối trộn thành phần hạt;

 Xác định hàm lượng nhựa tối ưu

 Trộn hỗn hợp với chất liên kết bitum;

3.3.2 Máy móc và d ụ ng c ụ thí nghi ệ m:

 Bộ sàng tiêu chuẩn: Sàng vuông theo ASTM: 1 bộ

 Cân điện tử 2 cái: Độ chính xác 0.01g, có dụng cụ để cân trong nước

 Tủ sấy cốt liệu và bitum với nhiệt độ tối đa 300 0 C: 1 cái

 Chảo trộn, 5kg/mẻ: 1 bộ

 Nhiệt kế đến 300 0 C độ chính xác 1 0 C: số lượng 1 cái

 Cốc Inox, ấm đun đựng bitum, bay, muôi inox, khay đựng, dầu hỏa, dầu nhớt,…

 Khuôn đúc mẫu: Khuôn Marshall: 6 bộ;

Hình 3.9: Một số thiết bị đúc mẫu Marshall

3.3.3 Trình t ự thi ế t k ế h ỗ n h ợ p theo ph ươ ng pháp Marshall

Trình tự thiết kế hỗn hợp theo phương pháp Marshall [13]:

 B ướ c 1: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu và nhựa đường

 Tiến hành thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm, cát, bột khoáng, nhựa đường Đối chiếu với yêu cầu quy định tại Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTN để đánh giá chất lượng Nếu vật liệu nào đó không đủ chất lượng quy định phải có biện pháp thay thế

 B ướ c 2: Phối trộn các cốt liệu

 Mục đích của công tác phối trộn cốt liệu là phải tìm ra tỷ lệ các nhóm cốt liệu (đá dăm, cát, bột khoáng) hiện có để hỗn hợp cốt liệu sau khi phối trộn có thành phần hạt nằm trong giới hạn đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liệu quy định trong Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTN

 Các loại cốt liệu: đá dăm, cát, bột khoáng được sản xuất riêng Với đá dăm, cần sử dụng 2 hoặc 3 nhóm cỡ hạt để thiết kế tùy thuộc vào kích cỡ hạt danh định lớn nhất của hỗn hợp BTN Vì vậy cần thiết phải phối trộn để tìm ra hỗn hợp cốt liệu phù hợp

 Tiến hành phân tích thành phần hạt các nhóm cốt liệu: đá dăm, cát, bột khoáng với các cỡ sàng quy định trong Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTN

 B ướ c 3: Chuẩn bị mẫu hỗn hợp cốt liệu để đúc mẫu Marshall

 Để thiết kế thành phần vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám nghiên cứu theo phương pháp Marshall, cần thiết phải chuẩn bị 5 tổ mẫu, mỗi tổ 4 mẫu (trong đó 3 mẫu để thí nghiệm xác định tỷ trọng khối của hỗn hợp vật liệu và thí nghiệm Marshall; 1 mẫu để thí nghiệm xác định tỷ trọng lớn nhất của vật liệu) Tổng cộng cần 20 mẫu

 Chuẩn bị cốt liệu: chuẩn bị một lượng hỗn hợp cốt liệu cần thiết, sấy khô, sàng thành các cỡ hạt riêng biệt, sau đó phối trộn các cỡ hạt lại để tạo thành 20 mẫu hỗn hợp cốt liệu riêng biệt;

 Thiết kế thành phần vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám theo Marshall thông thường: lượng hỗn hợp cốt liệu tối thiểu 25 kg để phối trộn thành 20 phần hỗn hợp cốt liệu riêng biệt, mỗi phần khoảng 1100 g -1200 g

 B ướ c 4: Trộn cốt liệu với nhựa đường, đầm mẫu Marshall

 D ự đ oán hàm l ượ ng nh ự a t ố i ư u:

 Để thiết kế hỗn hợp BTN, cần phải chế tạo 5 tổ mẫu hỗn hợp BTN với 5 giá trị hàm lượng nhựa cách nhau 0,5 % Việc chọn được giá trị hàm lượng nhựa ở giữa 5 giá trị hàm lượng nhựa, qua đó tính được 4 giá trị hàm lượng nhựa còn lại là cần thiết Hàm lượng nhựa được chọn này cần phải thỏa mãn điều kiện sao cho hàm lượng nhựa tối ưu xác định được nằm trong khoảng giữa của 5 giá trị hàm lượng nhựa của mẫu BTN thí nghiệm Hàm lượng nhựa được chọn này gọi là hàm lượng nhựa tối ưu dự đoán

 Tr ộ n c ố t li ệ u v ớ i nh ự a đườ ng:

 Cân xác định khối lượng của các mẫu nhựa ứng với hàm lượng nhựa đã chọn (tính theo % khối lượng hỗn hợp BTN)

 Cho mẫu nhựa đường vào trong tủ sấy và gia nhiệt đến nhiệt độ trộn được quy định trong Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTN

 Cho mẫu cốt liệu vào một tủ sấy khác và nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trộn là 15 o C

Trộn cốt liệu với nhựa

 Chuẩn bị thiết bị đầm mẫu Marshall, đầm 50 chày/2 mặt

 5 tổ mẫu hỗn hợp BTN (mỗi tổ 3 mẫu) đã trộn lần lượt được đưa vào khuôn để đầm mẫu Chiều cao của mẫu hỗn hợp BTN sau khi đầm trong khuôn phải ở trong khoảng quy định (63,5 mm ±1,3 mm khi đầm theo Marshall thông thường Thông thường, hỗn hợp cốt liệu có khối lượng khoảng 1100-1200 g (khi đầm theo phương pháp Marshall thông thường) sẽ cho mẫu đúc có chiều cao phù hợp Trường hợp chiều cao mẫu không nằm trong khoảng quy định thì điều chỉnh lượng cốt liệu cần thiết để đúc mẫu như sau:

Trong đó: A bằng 63, 5 mm khi đầm theo Marshall thông thường

 Nhiệt độ đầm tạo mẫu Marshall được quy định tại Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu BTN, phụ thuộc vào loại nhựa đường (bitum) sử dụng

 B ướ c5: Thí nghi ệ m và tính toán các ch ỉ tiêu đặ c tính th ể tích c ủ a h ỗ n h ợ p BTN

1 Thí nghiệm xác định tỷ trọng của nhựa đường

2 Thí nghiệm xác định tỷ trọng cốt liệu thô; tỷ trọng của cốt liệu mịn tỷ trọng của bột khoáng

3 Tính tỷ trọng khối, tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu

4 Tính tỷ trọng có hiệu của hỗn hợp cốt liệu

5 Thí nghiệm xác định tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp BTN ở trạng thái rời

6 Thí nghiệm xác định tỷ trọng khối, khối lượng thể tích của mẫu BTN đã đầm

7 Tính hàm lượng nhựa hấp phụ

8 Tính hàm lượng nhựa có hiệu

9 Tính độ rỗng cốt liệu của hỗn hợp BTN đã đầm

10 Tính độ rỗng dư của hỗn hợp BTN đã đầm

11 Tính độ rỗng lấp đầy nhựa của hỗn hợp BTN đã đầm

 B ướ c 6: Thí nghiệm xác định độ ổn định, độ dẻo trên các mẫu Marshall

 Thí nghiệm này tiến hành sau khi đã hoàn tất thí nghiệm xác định tỷ trọng khối (và tính khối lượng thể tích) của các mẫu BTN đã đầm theo Marshall

 Yêu cầu về thiết bị, dụng cụ thí nghiệm, trình tự tiến hành thí nghiệm theo hướng dẫn tại TCVN 8860-1: 2011

 Tiến hành thí nghiệm xác định độ ổn định và độ dẻo với 5 tổ mẫu BTN ứng với các giá trị hàm lượng nhựa khác nhau đã chọn, mỗi tổ 3 mẫu

 Hiệu chỉnh kết quả thí nghiệm độ ổn định với các mẫu có chiều cao khác với chiều cao của mẫu chuẩn (63,5 mm với phương pháp Marshall thông thường hoặc 95,2 mm với phương pháp Marshall cải tiến) bằng cách áp dụng hệ số hiệu chỉnh (TCVN 8860-1: 2011)

 Tính độ dẻo trung bình của 5 tổ mẫu ứng với từng hàm lượng nhựa và tính độ ổn định trung bình sau khi đã hiệu chỉnh của 5 tổ mẫu

Hình 3.11: Thí nghiệm độ ổn định Marshall

 B ướ c 7: Lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu

Vẽ các đồ thị quan hệ giữa hàm lượng nhựa với các chỉ tiêu liên quan: Độ ổn định, Độ dẻo, Độ rỗng dư, Độ rỗng cốt liệu, Độ rỗng lấp đầy nh ựa, Khối lượng thể tích mẫu BTN, trong đó trục hoành biểu thị các hàm lượng nhựa; trục tung biểu thị các giá trị tương ứng:

 Độ ổn định -Hàm lượng nhựa

 Độ dẻo-Hàm lượng nhựa

 Độ rỗng dư-Hàm lượng nhựa

 Độ rỗng cốt liệu-Hàm lượng nhựa

 Độ rỗng lấp đầy nhựa -Hàm lượng nhựa

 Khối lượng thể tích mẫu BTN-Hàm lượng nhựa

3.3.4 K ế t qu ả thí nghi ệ m thi ế t k ế c ấ p ph ố i BTN h ở t ạ o nhám

Hình 3.12: Mẫu sau khi thí nghiệm độ ổn định Marshall

Trên cơ sở các kết quả thí nghiệm, tính toán đã xác định ở trên, ta vẽ các biểu đồ quan hệ sau, trong đó trục hoành biểu thị các hàm lượng nhựa theo cốt liệu, trục tung biểu thị các giá trị tương ứng Dựa vào các biểu đồ xác định hàm lượng nhựa tối ưu theo cốt liệu, phạm vi hàm lượng nhựa tương ứng với các chỉ tiêu kỹ thuật đạt yêu cầu theo 22TCN345-06 được trình bày trong Bảng 2.23

Bảng kết quả thí nghiệm: khối lượng thể tích, khối lượng riêng, độ rỗng dư trong bê tông nhựa, độ rỗng lấp đầy, độ rỗng cốt liệu, độ ổn định Marshall, độ dẻo theo từng hàm lượng nhựa

Bảng 3.8: Kết quả chọn hàm lượng nhựa tối ưu

Chỉ tiêu Yêu cầu Hàm lượng nhựa từ thí nghiệm Phạm vi chọn hàm lượng nhựa Độ rỗng dư 12  16 (%) 3,5  5,5

Rỗng cốt liệu > 22 (%) 3,5  5,5 Độ ổn định > 6 kN 3,5  5,5 Độ dẻo 2  4 (mm) 3,5  4,4

Hàm lượng nhựa tối ưu: 3,95 % (theo cốt liệu)

Hàm lượng nhựa tối ưu: 3,80 % (theo hỗn hợp)

Hình 3.13: Các biểu đồ xác định hàm lượng nhựa tối ưu

PHỐI BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM

Các loại hỗn hợp cấp phối đề xuất thí nghiệm

Bảng 4.1: Ba cấp phối nghiên cứu xác định chỉ tiêu cơ lý để so sánh

TT Cấp phối BTN tạo nhám Loại nhựa sử dụng

1 OG1 PMBI Đề tài nghiên cứu của tác giả

Bảng 4.2: Thành phần cốt liệu ba cấp phối nghiên cứu và đối chứng

OG1(đề tài nghiên cứu) (% lọt sàng)

So sánh đường cong cấp phối của OG1, OG2 và OG3

OG1(đề tài nghiên cứu) OG2 theo [17]

Hình 4.1 So sánh đường cong cấp phối của OG1, OG2 và OG3

Chuẩn bị vật liệu

Công tác chuẩn bị vật liệu phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các đặc trưng cơ lý hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám OGFCA phải tuân thủ theo các quy chuẩn quy định [8],[9],[10],[11],[12],[13],[14],[19],[20],[21].

Chế bị mẫu

Chế bị mẫu là một trong các khâu quan trọng, yêu cầu mẫu phải tuân thủ các quy trình thí nghiệm đối với các chỉ tiêu cần kiểm tra

Khối lượng thí nghiệm đánh giá các đặc trưng cơ lý của hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám có thể tổng hợp thành bảng sau:

Bảng 4.3 Tổng hợp số lượng mẫu yêu cầu thí nghiệm

TT Loại hỗn hợp Loại mẫu Số lượng mẫu Ghi chú I Mô đun đàn hồi tĩnh của vật liệu ở 30 0 C (sử dụng nhựa PMBI)

Thí nghiệm ép chẻ ở liệu ở 25 0 C (sử dụng nhựa PMBI)

Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm độ ổn định Marshall (sử dụng nhựa PMBI)

Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm kiểm tra hệ số thấm nước (sử dụng nhựa PMBI)

Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro (sử dụng nhựa PMBI)

Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm độ nhám mặt đường bằng con lắc Anh (sử dụng nhựa

Hc,5mm 2 Đúc mẫu mới

4.4 Thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu

Xác định modul đàn hồi tĩnh vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám nghiên cứu được thực hiện bằng cách ép các mẫu trụ tròn trong điều kiện cho nén nở hông tự do (nén 1 trục, mẫu không đặt trong khuôn, bản ép bằng đường kính mẫu) Lúc này trị số modul 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 [14]:

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

+ P (kN) là lực tác dụng lên bàn ép Khi thí nghiệm thường lấy p = 0,5 Mpa (tương đương với áp lực làm việc của vật liệu áo đường)

+ Đường kính mẫu thì chọn tùy cỡ hạt lớn nhất có trong vật liệu dmax (D≥4dmax); Chiều cao mẫu có thể bằng hai hoặc bằng đường kính mẫu

Thường mẫu có kích thước như sau: D 1,6 mm

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

Mẫu bê tông nhựa được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng ít nhất 16 giờ và trước khi thí nghiệm ép phải giữ ở nhiệt độ tính toán trong 2,5 giờ để đảm bảo toàn khối đạt đến nhiệt độ đó (giữ trong tủ nhiệt hoặc ngâm trong nước ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tính toán vài độ)

Mẫu đem ép với chế độ gia tải 1 lần Giữ áp lực p trên mẫu cho đến khi biến dạng lún ổn định, cụ thể được xem là ổn định khi tốc độ biến dạng chỉ còn

0,01mm/phút (trong vòng 5 phút) Sau đó dỡ tải ra và đợi biến dạng phục hồi cũng đạt được độ ổn định như trên thì mới đọc thiên phân kế để xác định trị số biến dạng đàn hồi L

Một số hình ảnh chế bị và thí nghiệm mẫu:

Hình 4.2 Thiết bị chế tạo mẫu mô đun đàn hồi a)Thiết bị chế tạo mẫu b)Mẫu OG2 và OG3 sau khi đúc a)Mẫu OG1 sau khi đúc b)Mẫu OG1 sau khi tháo khuôn

Hình 4.3 Mẫu sau khi chế bị và mẫu sau khi tháo khuôn

Mẫu mô đun đàn hồi OG1 ( là B1, B2, B3), OG2 ( là M1, M2, M3), OG3 ( là L1, L2, L3)

Một số hình ảnh về thí nghiệm mẫu mô đun đàn hồi của 3 cấp phối

Hình 4.4 Một số hình ảnh thiết bị xác định mô đun đàn hồi

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của ba cấp phối OG1, OG2 và OG3 như sau: d)Mẫu OG3 sau khi tháo khuôn c)Mẫu OG2 sau khi tháo khuôn

Hình 4.5 Kết quả thí nghiệm của ba hỗn hợp nghiên cứu

 Mô đun đàn hồi của OG1 thấp hơn OG2, OG2 thấp hơn OG3 vì lý do độ rỗng của OG1 cao hơn OG2 và OG2 cao hơn OG3 Do đó, độ rỗng của vật liệu càng lớn thì mô đun đàn hồi của vật liệu càng nhỏ và ngược lại

 Giá trị mô đun đàn hồi của OG1 là 148 Mpa, giá trị mô đun đàn hồi của OG3 là 162 Mpa (OG3 là hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám đã được xác lập thành phần cấp phối theo 22TCN345-06) Giá trị mô đun đàn hồi của OG3 lớn hơn OG1 là 8%, như vậy bê tông nhựa có độ rỗng thấp sẽ cho mô đun đàn hồi vật liệu cao hơn

4.5 Thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ)

 Tại các khu vực nhiệt độ khi 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 theo TCVN 8862-2011 [19]

 Tiêu chuẩn này qui định trình tự thí nghiệm để xác định cường độ kéo khi ép chẻ (cường độ chịu kéo gián tiếp) của vật liệu bê tông nhựa Tiêu chuẩn này áp dụng cho các mẫu hình trụ được chế bị trong phòng thí nghiệm

 Xác định khả năng chịu kéo của mẫu vật liệu 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 hai đáy mẫu thử Khi lực nén đạt đến giá trị 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 mẫu vật liệu thử

 Máy nén có khả năng tăng tải đến phá hủy mẫu, có đồng hồ đo lực và có hộp số để điều chỉnh tốc độ nén mẫu

 Tấm đệm truyền tải bằng thép, một mặt có dạng lòng máng, có bán kính bằng bán kính của đáy mẫu trụ Chiều rộng của tấm đệm truyền tải bằng thép bằng 12,70±0,30mm khi dùng cho mẫu trụ có đường kính 101mm Chiều dài của tấm đệm truyền tải dài hơn đường sinh của mẫu trụ khoảng 3÷5mm về mỗi bên

Một tấm đệm được đặt gá lắp vào bàn nén ở dưới và một tấm đệm được đặt gá lắp vào bộ phận phía trên của máy

 Các thiết bị, dụng cụ điều chỉnh và kiểm tra nhiệt độ

 Tủ ổn nhiệt bằng nước để đặt mẫu thử ở nhiệt độ qui định

 Nhiệt kế có độ chính xác 0,10C

 Chuẩn bị mẫu thử hình trụ của vật liệu bê tông nhựa tuân theo một trong các tiêu chuẩn ASTM D6926 hoặc ASTM D5581 hoặc AASHTO T245 hoặc TCVN 8860-2011 tùy theo mẫu hình trụ của BTN được chế bị theo phương pháp Marshall Đường kính đáy mẫu hình trụ bằng 101,6mm± 0,25mm, chiều cao 75mm

 Mẫu thử hình trụ phải được bảo dưỡng trong bể ổn nhiệt ở nhiệt độ xác định, trong thời gian qui định của yêu cầu thử nghiệm trước khi đưa vào máy nén để ép chẻ

 Một tổ mẫu gồm 3 viên mẫu

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Từ việc nghiên cứu tổng quan về BTNNC ở Việt Nam và Thế Giới: Ở Mỹ sử dụng đường kính hạt lớn nhất Dmax=9,5; 12,5; 19;25 mm; ở Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ thì D max mm; các nghiên cứu ở Việt Nam cũng như theo 22TCN 345-06 thì Dmax,5mm; kết hợp điều kiện vật liệu ở TP Hồ Chí Minh BTNNC12,5mm với Dmaxmm được lựa chọn

2 Bước đầu ứng dụng bê tông nhựa tạo nhám cao Dmaxmm trong điều kiện vật liệu ở Thành phố Hồ Chí Minh, có hàm lượng nhựa tối ưu theo cốt liệu là 3,95% và độ rỗng còn dư là 22,64%; dựa vào kết quả nghiên cứu thiết kế cấp phối bê tông nhựa tạo nhám, đề xuất đưa vào sản xuất thử nghiệm bê tông nhựa tạo nhám cao D max mm trong điều kiện vật liệu ở Tp HCM, từ đó làm chủ được công nghệ xây dựng lớp phủ mặt đường bê tông nhựa nhám cao áp dụng cho nhiều tuyến đường cao tốc và cấp cao trong khu vực miền Nam

3 So sánh đánh giá chất lượng của ba cấp phối BTNNC là OG1, OG2 và OG3:

 Mô đun đàn hồi của OG3 cao hơn mô đun đàn hồi OG1 là 8%, độ ổn định Marshall của OG3 cao hơn độ ổn định Marshall OG1 là 12,4%; do độ rỗng của OG1 lớn hơn độ rỗng của OG3 Như vậy bê tông nhựa có độ rỗng thấp sẽ cho trị số mô đun đàn hồi và độ ổn định Marshall lớn hơn

 Cường độ chịu kéo gián tiếp ở 25 0 C của OG1 và OG2 gần bằng nhau Cường độ chịu kéo gián tiếp của hai cấp phối này bé hơn cấp phối OG3 là 47,9%; do độ rỗng của OG3 là thấp nhất Do đó, cấp phối cốt liệu càng hở thì cường độ ép chẻ càng thấp

 Hệ số thấm của OG1 lớn hơn của OG2 là 24,1%, hệ số thấm của OG2 lớn hơn OG3 là 50%; độ nhám mặt đường của OG1 lớn hơn của OG2 là 10% Do đó, BTNNC có độ rỗng dư còn lớn thì hệ số thấm và độ nhám mặt đường càng cao

Kiến nghị hướng tiếp theo của đề tài là nghiên cứu khi sử dụng loại nhựa PMB II và PMB III so sánh với khi dùng nhựa PMB I Dùng phụ gia Densiphalt cho vào hợp bê tông nhựa tạo nhám đã xác lập thành phần cấp phối để nghiên cứu bê tông nhựa nửa cứng có cường độ cao (phụ gia Densiphalt dạng bột, hóa dẻo khi gặp nước, bằng cách dùng máy tưới vào lỗ rỗng của BTN cấp phối hở tạo nên một hỗn hợp bê tông nhựa nữa cứng).