Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu khả năng tự phục hồi của hỗn hợp bê tông nhựa có sử dụng sợi len thép

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHỤC HỒI CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA CÓ SỬ DỤNG SỢI LEN THÉP STUDY ON SELF HEALING OF ASPHALT CONCRETE USING STEEL WOOL II.. o Đánh giá các hàm lượng sợi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại : Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học chính: TS Võ Việt Hải

Cán bộ hướng dẫn khoa học phụ: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS LÊ BÁ KHÁNH PGS.TS LÊ ANH TUẤN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRƯƠNG NHỰT LÂM MSHV: 2170828 Ngày, tháng, năm sinh: 12/05/1996 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông Mã số: 8580205 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHỤC HỒI CỦA HỖN HỢP

BÊ TÔNG NHỰA CÓ SỬ DỤNG SỢI LEN THÉP (STUDY ON SELF HEALING OF ASPHALT CONCRETE USING STEEL WOOL) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Luận văn có các nhiệm vụ và nội dung sau: o Nghiên cứu tổng quan về các nghiên cứu khả năng tự phục hồi của hỗn hợp bê

tông nhựa trên thế giới, đặc biệt chú ý tới thời gian, thiết bị và hàm lượng của hỗn hợp ảnh hưởng tới khả năng tự phục hồi

o Đánh giá các hàm lượng sợi thép trong hỗn hợp bê tông nhựa rỗng tới khả năng tự phục hồi của bê tông nhựa rỗng bằng thí nghiệm uốn 3 điểm Ngoài ra đánh giá chất lượng của hỗn hợp thông qua các thí nghiệm khác như kéo gián tiếp, độ ổn định Marshall và mô đun đàn hồi

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2024 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/05/2024 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Võ Việt Hải, PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 05 năm 2024 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Võ Việt Hải PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Lê Anh Tuấn

LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi nhận được rất nhiều sự hướng dẫn, giúp đỡ từ các giảng viên, các đơn vị đã hỗ trợ tận tình để tôi có thể hoàn thành được nghiên cứu trong thời gian cho phép của đề tài Tôi xin chân thành cám ơn đến thầy TS Võ Việt Hải và thầy PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện hoàn thành nghiên cứu này Ngoài ra, luận văn không thể hoàn thiện nếu không có sự hỗ trợ từ tập thể trường Cao Đẳng Giao thông Vận tải đã cho phép dùng một số thiết bị phục vụ thí nghiệm

Qua quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi đã có thể tích lũy thêm nhiều kiến thức chuyên môn cũng như nắm được phương pháp luận trong nghiên cứu khoa học Vì điều kiện và thời gian thực hiện nghiên cứu có hạn, mặc dù đã cố gắng nhiều nhưng sai sót xảy ra là điều không thể tránh khỏi, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của mọi người

Cuối cùng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến quý thầy cô một lời chúc tốt đẹp nhất

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 05 năm 2024

Trương Nhựt Lâm

TÓM TẮT Đề tài: “Nghiên cứu khả năng tự phục hồi của hỗn hợp bê tông nhựa có sử dụng sợi len thép”

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, giao thông ngày càng trở nên đông đúc, tiếng ồn và tình trạng ngập nước do mưa lớn đã trở thành những vấn đề cấp thiết cần giải quyết Đặc biệt, việc thiết kế và thi công không đạt chuẩn có thể dẫn đến tình trạng ngập lụt, gây ra nhu cầu bảo trì thường xuyên cho mặt đường giao thông Mặt đường bê tông nhựa rỗng là loại mặt đường có khả năng thoát nước tốt, giảm tiếng ồn Tuy nhiên, một nhược điểm đáng kể của đường bê tông nhựa rỗng là khả năng bong tróc và tuổi thọ ngắn hơn so với các loại mặt đường khác

Để giải quyết vấn đề này, việc sử dụng sợi kim loại làm cốt liệu có thể là một giải pháp hữu ích Sợi kim loại, như sợi thép, có thể tăng cường độ bền và khả năng chịu lực cho bê tông nhựa, đồng thời từ trường được sử dụng làm nguồn nhiệt có thể kích hoạt quá trình tự phục hồi của vật liệu Quá trình tự phục hồi (self-healing) là một hiện tượng trong đó vật liệu có thể tự sửa chữa các vết nứt hoặc hư hỏng Các thí nghiệm đã được thực hiện trên mẫu vật liệu bê tông nhựa rỗng có bổ sung sợi thép để đánh giá khả năng tự phục hồi Kết quả của các thí nghiệm là sự so sánh giữa các mẫu có sợi thép và không có sợi thép qua đó sẽ cung cấp thông tin quan trọng về hiệu quả của phương pháp này

Kết quả từ nghiên cứu cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng cơ sở hạ tầng giao thông Việc sử dụng sợi kim loại và từ trường không chỉ cải thiện khả năng tự phục hồi của bê tông nhựa rỗng mà còn giúp tăng cường độ bền, chống mỏi, duy trì khả năng chống ồn và thoát nước Đây là những yếu tố quan trọng đối với an toàn giao thông và tuổi thọ của mặt đường Phương pháp mới mà đề tài đề xuất có thể giúp giảm thiểu chi phí bảo trì đường bộ, kéo dài tuổi thọ của mặt đường và đồng thời giải quyết các vấn đề liên quan đến tiếng ồn và ngập nước Điều này không chỉ có lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống đô thị

ABSTRACT Thesis title: “Research on the self-healing capability of asphalt concrete mixtures utilizing steel fiber reinforcement.”

In the context of rapid urbanization, traffic is becoming increasingly congested, and noise and flooding due to heavy rains have become urgent issues that must be addressed In particular, substandard design and construction can lead to flooding, creating a need for frequent maintenance of road surfaces Porous asphalt concrete (PAC) is a type of road surface with good drainage capabilities and reduces noise However, a significant drawback of PAC roads is their susceptibility to peeling and a shorter lifespan compared to other types of road surfaces

Using metal fibers as reinforcement could be a valuable solution to address this issue Like steel fibers, metal fibers can enhance the durability and load-bearing capacity of asphalt concrete At the same time, magnetic fields used as a heat source can activate the material’s self-healing process Self-healing is a phenomenon where the material can repair cracks or damage independently Experiments have been conducted on porous asphalt samples with added steel fibers to assess their self-healing ability The results of these experiments provide a comparison between samples with and without steel fibers, thereby offering important information about the effectiveness of this method

The findings from the research show great potential in improving the quality of transportation infrastructure Using metal fibers and magnetic fields improves the self-healing ability of porous asphalt, enhances durability and fatigue resistance, and maintains noise reduction and water drainage capabilities These are essential factors for traffic safety and the lifespan of road surfaces The new method proposed by the study could help reduce road maintenance costs, extend the lifespan of road surfaces, and simultaneously address issues related to noise and flooding This has economic benefits and contributes to improving the quality of urban life

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình “Nghiên cứu khả năng tự phục hồi của hỗn hợp bê tông nhựa có sử dụng sợi len thép” là của chính bản thân tôi đã thực hiện và nhận được sự hướng dẫn của TS Võ Việt Hải và PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn Nội dung trong quá trình nghiên cứu, cùng với các kết quả thu được trong nghiên cứu này là nghiêm túc, chính xác Những số liệu trong các bảng biểu, hình ảnh phục vụ cho việc phân tích, đánh giá được thu thập, tham khảo từ các nguồn như tạp chí, kỷ yếu hội nghị… và được ghi rõ trong danh mục tài liệu tham khảo

Nếu bị phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào trong nghiên cứu này tôi xin cam đoan hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình đã thực hiện

Học viên

Trương Nhựt Lâm Học viên khóa 2021 Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Trường Đại học Bách Khoa TP HCM

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.3.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.5.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 5

2.1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CHẾ TỰ PHỤC HỒI 5

2.2 TỔNG QUAN CỦA BÊ TÔNG NHỰA RỖNG 5

2.2.1 Ưu điểm của việc sử dụng bê tông nhựa rỗng 6

2.2.2 Nhược điểm của việc sử dụng bê tông nhựa rỗng 6

2.3 BÊ TÔNG NHỰA TỰ PHỤC HỒI 7

2.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG PHỤC HỒI CỦA BÊ TÔNG NHỰA 8

2.4.1 Tính chất bitum và các cốt liệu 8

2.4.2 Sợi len thép 8

2.4.3 Thời gian gia nhiệt 8

2.4.4 Nhiệt độ gia nhiệt 9

2.4.5 Sử dụng lò vi sóng hoặc cảm ứng từ trong quá trình hàn gắn 9

2.5 CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN THẾ GIỚI VỀ CƠ CHẾ TỰ PHỤC HỒI 11

2.5.1 Thí nghiệm tự phục hồi của bê tông nhựa trên mẫu Marshall 11

2.5.2 Thí nghiệm tự phục hồi bê tông nhựa trên dầm mastic 14

2.5.3 Ứng dụng thực tế về nhựa đường tự phục hồi trên thế giới 19

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 38

3.3 CÁC THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA HỖN HỢP 46

3.3.2 Thí nghiệm uốn 3 điểm trên mẫu hình bán nguyệt 46

3.3.3 Thí nghiệm cường độ kéo gián tiếp – Thí nghiệm ép chẻ 53

3.3.4 Thí nghiệm độ ổn định Marsall 56

3.3.5 Thí nghiệm mô đun đàn hồi 59

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM 61

4.1 THÍ NGHIỆM UỐN 3 ĐIỂM TRÊN MẪU HÌNH BÁN NGUYỆT 61

4.2 THỬ NGHIỆM KÉO GIÁN TIẾP 66

4.3 THÍ NGHIỆM ĐỘ ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ DẺO MARSHALL 68

4.4 THÍ NGHIỆM MÔ ĐUN ĐÀN HỒI 69

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

5.1 KẾT LUẬN 71

5.2 KIẾN NGHỊ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Quá trình hàn gắn bằng nhiệt cảm ứng trong bê tông nhựa rỗng [1] 2

Hình 2.1 Mức độ lành qua các chu kỳ với các mẫu thử nghiệm có tỷ lệ phần trăm sợi khác nhau trong (a) Bằng lò vi sóng (b) Gia nhiệt cảm ứng [4] 9

Hình 2.2 Độ rỗng không khi trước và sau khi gia nhiệt bằng lò vi sóng [4] 10

Hình 2.3 Độ rỗng không khi trước và sau khi gia nhiệt bằng cảm ứng từ [4] 10

Hình 2.4 (a) Sợi len thép được sử dụng (b) Mặt cắt sợi len thép (c) Phân bố kích thước của sợi len thép (d) Xơ sau khi trộn và đầm chặt [4] 11

Hình 2.5 Chuẩn bị mẫu Marshall uốn 3 điểm [4] 12

Hình 2.6 Dầm Mastic với điểm notch được sử dụng trong thử nghiệm 15

Hình 2.7 Phân bố chiều dài các sợi thép 16

Hình 2.8 Phân bố chiều dài của sợi thép loại 000 16

Hình 2.9 Quy trình thử khả năng phục hồi cường độ của dầm mastic 17

Hình 2.10 Chuẩn bị dầm uốn 3 điểm 17

Hình 2.11 Dầm mastic nhựa đường bị nứt trong khuôn (hình trên) và gia nhiệt cảm ứng cho dầm bị gãy (hình dưới) 18

Hình 2.12 Độ phục hồi cường độ của các mẫu sau 7 lần thử nghiệm phục hồi [17] 19

Hình 2.13 Máy trộn sử dụng trong phòng thí nghiệm của Heijmans-Breijn [17] 21

Hình 2.14 Kế hoạch thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của Heijmans-Breijn 22

Hình 2.15 Phân phối len thép trong mẫu [17] 24

Hình 2.16 Tấm RSAT với 4% len thép 00 do Breijn-Heijmans chuẩn bị [17] 25

Hình 2.17 Thiết lập và sơ độ thử nghiệm mài mòn bề mặt (RSAT) [17] 25

Hình 2.18 Mẫu bị mất đá sau khi thử nghiệm mài mòn bề mặt quay [17] 26

Hình 2.19 Mất đá trong thử nghiệm mài mòn bề mặt quay [17] 26

Hình 2.20 Hỗn hợp nhựa đường được sản xuất bằng các quy trình trộn khác nhau: (1), (2) và (3) trộn không tốt, hỗn hợp khô với nhiều cụm sợi thép hấp thụ nhiều bitum; (4) trộn rất kém, trộn với nhiều len thép cụm, (5) trộn tốt, hỗn hợp được trộn đều với một vài cụm sợi thép; (6) trộn tốt, hỗn hợp được trộn đều với rất ít sợi thép

[17] 29

Hình 2.21 Máy băm gỗ dùng để phân tán len thép 29

Hình 2.22 Vị trí của đoạn đường chạy thử vật liệu tự phục hồi [17] 30

Hình 2.23 Thể hiện một số hoạt động thi công trên đường dùng thử nghiệm [17] 30Hình 2.24 Khoan lõi từ phần thử nghiệm chữa bệnh cảm ứng [17] 31

Hình 2.25 Ảnh hưởng của tốc độ gió đến tốc độ làm mát của bề mặt 33

Hình 2.26 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ trên bề mặt 34

Hình 2.27 Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến tốc độ làm nguội của mặt đường 35

Hình 3.1 Máy rây sàn Gilson Testing Screen TS-2F và phân loại theo cỡ hạt sau khi rây 38

Hình 3.2 So sánh các đường cong cấp phối 40

Hình 3.3 Nhựa đường Shell 60/70 và phụ gia TPS 41

Hình 3.4 Sợi thép được lấy từ các sản phẩm ngoài thị trường 42

Hình 3.5 Cân cốt liệu và trộn cốt liệu với nhựa TPS 44

Hình 3.6 Hình ảnh máy đầm mẫu 44

Hình 3.7 Mẫu bê tông nhựa rỗng hình bán nguyệt sau khi cắt 45

Hình 3.8 Các bước thực hiện trong nghiên cứu 46

Hình 3.9 Chuẩn bị giá đỡ cho thí nghiệm uốn 3 điểm 47

Hình 3.10 Môi trường giữ nhiệt mẫu với đá khô 48

Hình 3.11 Máy ép mẫu và mẫu thử hình bán nguyệt 49

Hình 3.12 Các mẫu sau khi bị phá hủy 49

Hình 3.13 Giai nhiệt mẫu trong lò vi sóng 52

Hình 3.14 Sơ đồ thực hiện quá trình hàn gắn 53

Hình 3.15 Bảo dưỡng mẫu trong thùng bảo ôn 55

Hình 3.16 Thực hiện ép chẻ mẫu 55

Hình 3.17 Ngâm mẫu trong bình ổn định nhiệt 57

Hình 3.18 Bôi dầu vào khuôn ép 58

Hình 3.19 Mẫu thực hiện thí nghiệm 58

Hình 3.20 Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi 60

Hình 4.1 Vết nứt đặc biệt trong quá trình thí nghiệm 61

Hình 4.2 Biểu đồ nhiệt độ của mẫu 2% sợi thép 62

Hình 4.3 Biểu đồ nhiệt độ của mẫu 4% sợi thép 62

Hình 4.4 Biểu đồ nhiệt độ của mẫu 6% sợi thép 62

Hình 4.5 Nhiệt độ bề mặt của nhựa đường qua thời gian gia thiệt 63

Hình 4.6 Mẫu bị hỏng 64

Hình 4.7 Mẫu bán nguyệt, trước và sau khi thực hiện hàn gắn 65

Hình 4.8 Kết quả các chu kỳ phục hồi qua lò vi sóng 65

Hình 4.9 Kết quả thí nghiệm ép chẻ 67

Hình 4.10 Biểu đồ kết quả thí nghiệm Marshall 69

Hình 4.11 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi 70

PHỤ LỤC BẢNG Bảng 2.1 Thời gian gia nhiệt và nhiệt độ bề mặt của các phương pháp gia nhiệt [4] 9

Bảng 2.2 Đặc tính của sợi thép sử dụng trong thử nghiệm 15

Bảng 2.3 Kế hoạch nghiên cứu phục hồi bằng gia nhiệt cảm ứng đoạn thử nghiệm 20Bảng 2.4 Thành phần của hỗn hợp được sử dụng trên đoạn thử nghiệm dựa trên thông số kỹ thuật mới RAW 2010 21

Bảng 2.5 Độ bền kéo gián tiếp (tỷ lệ) của các mẫu 23

Bảng 2.6 Mất đá của mẫu RSAT có và không có len thép 27

Bảng 2.7 Các quy trình trộn được sử dụng để sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa 27

Bảng 3.1 Tổng hợp một số cấp phối đã được nghiên cứu và ứng dụng trong mặt đường bán mềm [19] [20] [21] [22] 39

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường TPS [23] 41

Bảng 3.3 Nhiệt dung riêng của các mẫu thử 50

Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm ép chẻ 67

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm Marshall 68

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tính cấp thiết đề tài

Hiện nay, có nhiều lý do khiến mặt đường bị nứt, có thể kể đến như tải trọng giao thông lớn, chất lượng xây dựng kém hay thiếu hụt cốt liệu Ngoài ra, rất nhiều hư hỏng mặt đường là do vết nứt gây ra, việc phát hiện hiện tượng nứt kịp thời là rất khó khăn, thông thường chúng ta chỉ phát hiện khi vết nứt đã quá lớn, gây ra sụt lún toàn bộ dẫn đến việc sửa chữa hư hỏng mặt đường thường rất tốn chi phí Ngoài các hư hỏng mặt đường gây mất an toàn giao thông thì tiếng ồn và tình trạng ngập nước cũng là vấn đề mà toàn xã hội đang quan tâm

Do đó, cần phải tìm giải pháp để hạn chế việc nứt bề mặt qua đó có thể cải thiện khả năng chống ồn, thoát nước tốt cho bê tông nhựa Việc giảm tiếng ồn và thoát nước đã được ứng dụng bằng mặt đường nhựa rỗng, tuy nhiên mặt đường nhựa rỗng lại chỉ có thời gian sử dụng ngắn hơn đáng kể so với bê tông nhựa đặc, trong một số trường hợp nó chỉ bằng một nửa thời gian sử dụng Nguyên nhân chính gây ra hư hỏng bề mặt bê tông nhựa rỗng là do bong tróc, sự mất mát của các hạt cốt liệu từ lớp trên cùng

Khả năng tự phục hồi của hỗn hợp bê tông nhựa (Self-healing pavament) đã được nghiên cứu vào cuối những năm 1960 và được chứng minh là ở nhiệt độ cao bê tông nhựa thông thường có khả năng tự phục hồi, tuy nhiên lúc này các cơ chế vi mô chịu trách nhiệm về khả năng tự phục hồi vẫn chưa được biết đầy đủ Đến khi các quá trình tự phục hồi được nghiên cứu ở nhiều quy mô khác nhau, người ta đã biết nhiều hơn về khả năng này của bê tông nhựa

Mặc dù có khả năng hàn gắn, nhưng hầu như khó thấy được đặc điểm này trong thực tế Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã tìm cách sử dụng các yếu tố dẫn điện được thêm vào hỗn hợp nhựa đường để đẩy nhanh quá trình hàn gắn vật liệu nhựa đường Công nghệ này đã được thử nghiệm trên một đoạn của đường cao tốc Hà Lan A58 vào tháng 12 năm 2010 Kết quả cho thấy mẫu có khả năng chống mỏi mạnh, khả năng chống mất hạt tốt và khả năng tự phục hồi cao Cùng với đó vẫn giữ được

khả năng chống ồn và thoát được nước tốt, hỗn hợp bê tông nhựa đáp ứng quá trình duy tu bảo dưỡng dễ dàng ít tốn kém hơn Khả năng tự phục hồi cũng như là hạn chế việc hư hỏng và góp phần thoát nước tốt được xem là khuynh hướng tương lai 1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này nhằm kiểm tra khả năng tự phục hồi vết nứt của vật liệu bê tông nhựa đường khi thêm sợi kim loại dưới áp dụng của từ trường

Quá trình này được thực hiện bằng cách áp dụng từ trường để thúc đẩy quá trình tự phục hồi Hình 1.1 minh họa sơ đồ tự phục hồi của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng có bổ sung sợi thép Để bê tông nhựa rỗng có thể tự hàn gắn và bịt kín các vết nứt, tiến hành tăng nhiệt độ của nhựa đường cục bộ bằng cách nung nóng sợi thép thông qua nguồn cảm ứng từ trường bên ngoài, đó sẽ làm hàn gắn bằng sự khuếch tán và dòng chảy của nhựa đường các vết nứt nhỏ được dự đoán sẽ tự phục hồi Khi các vết nứt nhỏ được lấp đi sẽ ngăn chặn các vết nứt lớn hình thành Nếu các vết nứt xuất hiện trở lại, có thể lặp lại quy trình gia nhiệt trên lớp nhựa đường rỗng

Hình 1.1 Quá trình hàn gắn bằng nhiệt cảm ứng trong bê tông nhựa rỗng [1] 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: Đặc trưng cơ lý của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng có sử dụng sợi len thép 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu hàm lượng sợi len thép tối ưu để phối trộn với hỗn hợp bê tông nhựa rỗng và thời gian gia nhiệt tối ưu bằng lò vi sóng

Việc đánh giá hiệu quả của sợi len thép trong hỗn hợp được thực hiện thông qua các thí nghiệm uốn 3 điểm, kéo gián tiếp, độ ổn định Marshall và mô đun đàn hồi trong phòng và đánh giá so sánh

1.3.3 Nội dung nghiên cứu Tìm hàm lượng sợi thép có trong hỗn hợp nhựa rỗng thích hợp xung quanh các giá trị 0%, 2%, 4% và 6% để có khả năng tự phục hồi tốt nhất tốt nhất

Đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng có sử dụng len thép vừa tìm được bằng các thí nghiệm trong phòng như thí nghiệm độ ổn định Marshall, thí nghiệm kéo gián tiếp, thí nghiệm mô đun đàn hồi

1.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp nghiên cứu tài liệu kết hợp với thực nghiệm (đánh giá thông qua các thí nghiệm trong phòng)

- Dựa trên việc tổng hợp các nghiên cứu về ứng dụng của sợi len thép trong hỗn hợp bê tông nhựa, tác giả tiến hành chọn hàm lượng sợi len thép, loại nhựa và bê tông nhựa rỗng 12.5 phù hợp với điều kiện ở Việt Nam

- Thực hiện thí nghiệm để đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng và sợi len thép với từng hàm lượng khác nhau, so sánh với mẫu bê tông nhựa rỗng thông thường Kết quả được tổng hợp, vẽ biểu đồ và nhận xét, từ đó tìm ra hàm lượng tối ưu

1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu thực hiện thêm việc các đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật hỗn hợp bê tông nhựa rỗng có sử dụng sợi len thép

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu này mang lại lợi ích thiết thực: giảm đáng kể hoạt động bảo trì và nâng cao giá trị xây dựng đường bộ Mặc dù bê tông nhựa rỗng tự phục hồi có chi phí ban đầu cao hơn so với loại tiêu chuẩn, nhưng nó được dự đoán sẽ có tuổi thọ lâu hơn tới

50%, qua đó giảm thiểu chi phí bảo dưỡng trong dài hạn Việc sử dụng loại nhựa đường này không chỉ kéo dài tuổi thọ của mặt đường mà còn giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong quá trình sản xuất và thi công, từ đó góp phần giảm lượng khí thải CO2, hướng tới một tương lai bền vững hơn cho môi trường

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về cơ chế tự phục hồi

Khả năng tự phục hồi là cơ chế tự phục hồi mặt bê tông nhựa khi tiếp xúc với nhiệt, cơ học, hoặc các phương tiện khác có thể tự chữa lành và phục hồi hay khôi phục lại mặt đường Là khả năng chữa lành các hư hỏng của vật liệu một cách tự động và độc lập mà không cần bất kỳ sự can thiệp hoặc năng lượng bên ngoài nào Vật liệu nhựa đường được biết đến là vật liệu có khả năng tự phục hồi [2] Chất kết dính nhựa đường nóng chảy có thể sửa chữa hư hỏng và phục hồi một phần tính toàn vẹn bên trong Các nguồn nhiệt cảm ứng, chẳng hạn như cuộn dây (từ tính) và lò vi sóng (điện từ), có thể được sử dụng để cung cấp đủ năng lượng nhiệt và làm cho chất kết dính chảy ra và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hàn gắn cảm ứng

Bên cạnh yêu cầu về năng lượng bên ngoài để tạo ra sự hàn gắn, người ta đã chứng minh rằng bê tông nhựa thông thường có hiệu suất tỏa nhiệt thấp [3] Để tăng độ nhạy cảm và đặc tính hàn nhiệt của bê tông nhựa dưới tác dụng của năng lượng điện từ, các chất phụ gia dẫn điện được thêm vào để cải thiện khả năng hấp thụ năng lượng bên ngoài của bê tông nhựa Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi thêm sợi thép vào hỗn hợp bê tông nhựa cũng làm tăng khả năng tự phục hồi cũng như là các tính chất cơ lý khác của hỗn hợp [4]

2.2 Tổng quan của bê tông nhựa rỗng Bê tông nhựa rỗng ban đầu được sản xuất để chống trượt trên bề mặt ẩm ướt vào khoảng năm 1930 tại Mỹ, thường được áp dụng trên đường cao tốc và sân bay vào những năm 1970 Ngày nay, mặt đường nhựa rỗng được sử dụng rộng rãi để giảm tiếng ồn giao thông, đặc biệt vô cùng hữu ích ở các vùng đô thị gần các đường cao tốc lớn Tại Hà Lan, Chính phủ quyết định áp dụng mặt đường nhựa rỗng cho toàn bộ mạng lưới cao tốc chính của họ (gần 3.200 Km) Hiện nay, gần như 90% các tuyến đường cao tốc chính tại Hà Lan đã sử dụng mặt đường trải bằng bê tông nhựa rỗng Tại Việt Nam, hiện tại đã ban hành QĐ 431 QĐ/BGTVT về chỉ dẫn tạm thời thiết kế đường bê tông nhựa rỗng sử dụng phụ gia TPS [5], các nghiên cứu khác đã được thực

hiện nhằm tăng khả năng chịu tải và tránh mất hạt bề mặt - một vấn đề lớn trong việc sử dụng bê tông nhựa rỗng

2.2.1 Ưu điểm của việc sử dụng bê tông nhựa rỗng Hỗn hợp bê tông nhựa rỗng có cấp phối khe hở 2/7 dẫn đến hàm lượng lỗ rỗng cao (>20%) Lớp phủ nhựa đường rỗng mang lại lợi ích cho môi trường về mặt giảm tiếng ồn Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi sử dụng mặt đường nhựa rỗng tiếng ồn thấp hơn 3 hoặc 5dB so với mặt đường nhựa đặc [6], [7] Việc giảm được tiếng ồn từ 3-5dB là thật sự đáng kể, nó tương đương với việc giảm một nữa tiếng ồn so với mặt đường nhựa đặc [8] Bê tông nhựa rỗng giảm được tiếng ồn là do không khí bị đẩy ra giữa các khối cao su của lốp xe và mặt đường (tác dụng bơm không khí) và giảm sự lan truyền tiếng ồn từ động cơ và hệ thống truyền động của xe (âm thanh không bị phản xạ mà bị hấp thụ bởi lớp xốp)

Mặt đường nhựa rỗng cũng cải thiện khả năng lái xe, đặc biệt trong điều kiện ẩm ướt [7], [9] Loại nhựa này giúp cải thiện khả năng chống trượt nước rất quan trọng với việc lái xe vì khi đường bị ngập sẽ xuất hiện 1 lớp nước giữa lốp xe và mặt đường, điều này đặc biệt nguy hiểm vì nó dẫn đến mất kiểm soát khi phanh và đánh lái (hiện tượng hydroplaning) Khi sử dụng mặt đường nhựa rỗng khả năng ngăn cản được hiện tượng hydroplaning là rất tốt bởi vì nước thấm qua lớp nhựa đường và thoát ra ngoài nhanh, sẽ không xuất hiện màng nước để phá vỡ liên kết giữa lốp xe và mặt đường Việc sử dụng bê tông nhựa rỗng cũng giảm đáng kể tình trạng văng nước khi trời mưa, mặt đường nhựa rỗng cũng giảm được độ chói, đặc biệt là vào ban đêm, bê tông nhựa rỗng sẽ khuếch tán sự phản xạ ánh sáng làm tăng khả năng hiển thị của người lái xe đối với các vạch kẻ đường Các lợi ích trên đã được chứng minh khi Hà Lan áp dụng loại đường này trên đường cao tốc chính của họ, giúp làm giảm va chạm, thương tích và tử vong

2.2.2 Nhược điểm của việc sử dụng bê tông nhựa rỗng Thời gian sử dụng hạn chế, chi phí xây dựng cao là các nhược điểm chính của bê tông nhựa rỗng

Độ bề của bê tông nhựa rỗng ảnh hưởng nhiều bởi hiện tượng bong tróc Ở Hà Lan, người ta đo được mặt đường nhựa rỗng chỉ sử dụng được 11 năm, trong khi đó bê tông nhựa đặc là từ 18-20 năm Khả năng thoát nước và giảm tiếng ồn cũng không đạt được hiệu suất cao qua các năm sử dụng Ở Tây Ban Nha, theo ghi nhận thì mặt đường nhựa rỗng chỉ thoát nước được trong khoảng 9 năm đầu với mật độ giao thông trung bình, trong khi đó sau 2 năm thì gần như mặt đường nhựa rỗng không còn thoát nước được nữa Ở Anh, hiệu quả về việc giảm tiếng ồn cũng như là thoát nước cũng giảm qua vài năm sử dụng

Chi phí xây dựng cho hỗn hợp nhựa rỗng là cao hơn bê tông nhựa đặc, các vạch kẻ cũng phải được điều chỉnh để phù hợp hơn cho loại đường này, đặc biệt lớp chống thấm dưới lớp nhựa cũng là lý do làm tăng chi phí xây dựng cho nó

2.3 Bê tông nhựa tự phục hồi Bê tông nhựa rỗng có thể tự phục hồi các hư hỏng giống như các vật liệu tự phục hồi khác Khi có các khoảng thời gian nghỉ, bê tông nhựa có khả năng lấy lại độ cứng và cường độ của nó Từ những năm 1960, các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên mặt đất đã chứng minh rằng bê tông nhựa có thể tự phục hồi [10], [11], [12] Bazin và Saunier [10] đã phát hiện ra rằng các dầm bê tông nhựa đã chịu tải trọng kéo một trục cho đến khi bị phá hủy có thể phục hồi 90% sức kháng ban đầu của chúng khi chúng được để yên dưới áp suất ở nhiệt độ 250C Trong khi đó, họ phát hiện ra rằng bằng cách cho các mẫu dầm bị hỏng do mỏi nghỉ một ngày và tác dụng lực nhẹ lên các mặt đứt gãy trong thời gian nghỉ này, các mẫu có thể phục hồi hơn một nửa tuổi thọ mỏi ban đầu của chúng Sự trở lại của cả sức mạnh và tuổi thọ mỏi là bằng chứng cho thấy khoảng thời gian nghỉ ngơi có tác dụng cho sự phục hồi Khả năng phục hồi cường độ và kéo dài tuổi thọ mỏi của hỗn hợp bê tông nhựa khi có các khoảng thời gian nghỉ giữa các lần chất tải sau đó trở thành đối tượng của các thử nghiệm bổ sung trong phòng thí nghiệm Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Castro [13] và Little [14] cho thấy tuổi thọ mỏi của hỗn hợp bê tông nhựa có thể được kéo dài [13], [14] Các thử nghiệm hiện trường cũng được sử dụng để chứng minh khả năng phục hồi của bê tông nhựa Williams [15] cùng với các cộng sự đã đo độ

cứng của mặt đường trước, ngay sau đó và 24 giờ sau khi tải trọng đi qua Sau khoảng thời gian 24 giờ nghỉ ngơi, độ cứng đã được phục hồi hoàn toàn [15] Nhiều chuyên gia đã báo cáo rằng các vết nứt mà họ nhìn thấy vào mùa Đông đã biến mất vào mùa Hè Kết quả là, quá trình chữa lành đóng một vai trò quan trọng trong yếu tố dịch chuyển cần thiết để biến tuổi thọ mỏi trong phòng thí nghiệm thành tuổi thọ mỏi tại chỗ [16]

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phục hồi của bê tông nhựa 2.4.1 Tính chất bitum và các cốt liệu

Độ nhớt của bitum (bitum có độ nhớt thấp sẽ đẩy nhanh quá trình tự phục hồi) Thành phần hóa học của bitum (Bitum có nguồn gốc khác nhau sẽ có đặc tính tự phục hồi khác nhau)

Tuổi của đường (đường nhựa có xu hướng trở nên cứng hơn theo thời gian và phơi nhiễm môi trường)

Loại cốt liệu được sử dụng (hỗn hợp trong đó cốt liệu có áp lực mạnh với nhựa đường có đặc tính tự phục hồi tốt hơn)

Mật độ cốt liệu (hỗn hợp có hàm lượng bitum ít đậm đặc hơn và cao hơn cho thấy đặc tính chữa lành tốt hơn)

2.4.2 Sợi len thép Mật độ và hàm lượng sợi thép có trong hỗn hợp khác nhau sẽ có khả năng tự phục hồi khác nhau

Bổ sung sợi thép làm tăng khả năng tự phục hồi ở một hàm lượng vừa đủ 2.4.3 Thời gian gia nhiệt

Để đạt được khả năng tự phục hồi tối ưu, cần có thời gian gia nhiệt phù hợp để không làm thay đổi kết cấu của vật liệu

Khi gia nhiệt quá lâu, nhiệt độ tăng lên, có thể làm cháy của bitum điều có thể làm hỏng cấu trúc hóa học của bitum và làm khối lượng vật liệu chất kết dính giảm đi

2.4.4 Nhiệt độ gia nhiệt Nhiệt độ khi gia nhiệt cũng cần phải được tính toán để không làm hỏng cấu trúc của bê tông nhựa

2.4.5 Sử dụng lò vi sóng hoặc cảm ứng từ trong quá trình hàn gắn Quá trình gia nhiệt cũng như là thiết bị gia nhiệt cũng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hàn gắn của vật liệu

Về thời gian gia nhiệt: Vì gia nhiệt cảm ứng không làm tăng nhiệt độ của chất kết dính, chỉ làm tăng nhiệt độ của sợi thép có trong hỗn hợp, chính vì thế để nhiệt độ bề mặt có nhiệt độ xấp xỉ nhau thì gia nhiệt bằng cảm ứng tốn thời gian lâu hơn Tuy nhiên khi gia nhiệt quá lâu, chất kết dính trong hỗn hợp có nhiệt độ cao hơn điểm chớp cháy của bitum, gây ra hiện tượng bốc khói và làm hỏng cấu trúc của chất kết dính, do đó cần nghiên cứu thời gian hợp lí để gia nhiệt bằng lo vi sóng

Bảng 2.1 Thời gian gia nhiệt và nhiệt độ bề mặt của các phương pháp gia nhiệt [4]

% Sợi thép trong hỗn hợp

Gia nhiệt lò vi sóng Gia nhiệt cảm ứng Thời gian

(s)

Nhiệt độ (°C )

Thời gian (s)

Nhiệt độ (°C )

Hình 2.1 Mức độ lành qua các chu kỳ với các mẫu thử nghiệm có tỷ lệ phần trăm sợi khác

nhau trong (a) Bằng lò vi sóng (b) Gia nhiệt cảm ứng [4]

Hơn nữa, với việc chất kết dính bị hóa lỏng cũng làm cho hàm lượng lỗ rỗng không khí giảm qua thí nghiệm bằng lò vi sóng, đây cũng là lý do khiến mẫu được chữa lành bằng lò vi sóng có mức phục hồi tốt hơn so với gia nhiệt cảm ứng

Hình 2.2 Độ rỗng không khi trước và sau khi gia nhiệt bằng lò vi sóng [4]

Hình 2.3 Độ rỗng không khi trước và sau khi gia nhiệt bằng cảm ứng từ [4]

2.5 Các nghiên cứu ứng dụng trên thế giới về cơ chế tự phục hồi 2.5.1 Thí nghiệm tự phục hồi của bê tông nhựa trên mẫu Marshall

Nghiên cứu của J Norambuena-Contreras, A.Garcia – 2016 [4] 2.5.1.1 Mô tả thí nghiệm

Có 5 loại hỗn hợp nhựa đường được sản tạo ra để thực hành thí nghiệm: 1 hỗn hợp nhựa đường không có sợi (hỗn hợp để tham chiếu) và 4 hỗn hợp nhựa đường có lượng sợi khác nhau, tỷ lệ sợi tương ứng là: 2%, 4%, 6% và 8%, tính theo tổng khối lượng bitum, nhưng sử dụng cùng một loại cốt liệu và hàm lượng nhựa đường Đường kính trung bình của sợi thép là 0,157mm, Chiều dài từ 2 đến 8mm

Hình 2.4 (a) Sợi len thép được sử dụng (b) Mặt cắt sợi len thép (c) Phân bố kích thước của

sợi len thép (d) Xơ sau khi trộn và đầm chặt [4] Hỗn hợp được sử dụng để sản xuất các mẫu vật Marshall hình trụ có đường kính khoảng 10cm và cao 6cm Các mẫu thử nghiệm này được đầm nén bằng máy đầm Marshall, tác dụng 75 lần va đập lên mỗi mặt của mẫu thử nghiệm Sau đó đem các mẫu đi thí nghiệm cường độ nén 3 điểm Tất cả các mẫu thử nghiệm được ổn định trước ở -20°C trong 24 giờ trước khi thử nghiệm Thiết lập thử nghiệm cho các thử

nghiệm uốn hình bán nguyệt bao gồm hai con lăn đỡ ở cạnh thẳng (đáy) và một con lăn tải ở điểm giữa của vòm hình bán nguyệt khoảng cách giữa hai giá đỡ là 8cm

Hình 2.5 Chuẩn bị mẫu Marshall uốn 3 điểm [4] Ngoài ra, các thử nghiệm được thực hiện bên trong buồng môi trường ở -20°C Các mẫu được đánh số theo hàm lượng sợi của chúng, sau đó, mỗi mẫu thử nghiệm được thử nghiệm uốn 3 điểm ở nhiệt độ -20oC cho đến khi bị vỡ thành 2 mảnh Sau khi các vết nứt được tạo ra, để yên mẫu trong 2 giờ ở 20oC, Sau đó cả 2 mảnh được đặt lại với nhau và được nung nóng trong thời gian khác nhau hoặc là gia nhiệt cảm ứng

Thí nghiệm bằng lò vi sóng được áp dụng trong các mẫu thử nghiệm hình bán nguyệt bằng cách sử dụng lò vi sóng 700W với tần số làm việc 2,45 GHz, tương ứng với bước sóng xấp xỉ 120mm Nhiệt độ không khí trong quá trình thử nghiệm là 20°C và nhiệt độ của các mẫu thử nghiệm được đo trên bề mặt của chúng bằng camera hồng ngoại đủ màu 320x240 pixel, sau 6 lần gia nhiệt: 20s, 40s, 60s, 80s, 100s và 120s

Gia nhiệt cảm ứng được thực hiện bằng cách sử dụng máy phát gia nhiệt cảm ứng EasyHeat 6kW (Công ty Ambrell) ở tần số tối đa 350kHz và công suất điều khiển xấp xỉ 700W Các mẫu thử nghiệm được thử nghiệm lại quy trình uốn 3 điểm qua đó

hoàn thành 1 chu kỳ phục hồi các tổn thương Thực hiện 10 chu kỳ như vậy để định lượng hiệu quả của quá trình tự phục hồi Ngoài ra, các mẫu thử nghiệm đã chọn được cân trước và sau khi gia nhiệt bằng lò vi sóng và gia nhiệt cảm ứng, với mục đích kiểm soát sự hao hụt khối lượng và sự phân hủy hóa học của vật liệu

Ngoài thí nghiệm trên, bài báo còn thực hiện vài thí nghiệm khác như CT scan để đánh giá những thay đổi trong cấu trúc vi vô của hỗn hợp nhựa đường, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để biết mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ lên bitum

2.5.1.2 Kết quả Các kết luận chính của bài viết này được tóm tắt như sau:

- Hỗn hợp nhựa đường có chứa sợi len thép cho khả năng chống mất hạt cao hơn so với hỗn hợp không có sợi Lượng sợi càng nhiều càng tốt Mặt khác, khi tăng lượng sợi mà không làm thay đổi thành phần cấp phối cốt liệu và tỷ lệ nhựa đường trong hỗn hợp, hàm lượng lỗ rỗng không khí tăng lên và khả năng chống mất hạt của hỗn hợp bê tông nhựa giảm xuống

- Thí nghiệm tăng nhiệt độ bằng vi sóng làm tăng nhiệt độ của chất kết dính, không phải của cốt liệu Kết quả là nhiệt độ trung bình đo được trên bề mặt mẫu thử nghiệm thấp hơn nhiệt độ của chất kết dính Các sợi hoặc hạt kim loại trở nên rất nóng khi tiếp xúc với bức xạ của lò vi sóng Do đó, rất khó để kiểm soát nhiệt độ của nhựa đường trong quá trình gia nhiệt bằng lò vi sóng - Gia nhiệt cảm ứng không làm nóng chất kết dính hoặc cốt liệu Để tăng nhiệt

độ của hỗn hợp nhựa đường, cần có các hạt kim loại nhúng trong hỗn hợp nhựa đường Khi chất kết dính nhựa đường bao gồm các hạt tiếp xúc với nhiệt độ cảm ứng, nhiệt độ của nó tăng rất nhanh trong 20 giây đầu tiên

- Đối với cùng một nhiệt độ bề mặt của các mẫu thử nghiệm, gia nhiệt bằng lò vi sóng chữa lành các vết nứt tốt hơn so với gia nhiệt cảm ứng Điều này là do nhiệt độ của chất kết dính cao hơn khi sử dụng lò vi sóng

- Mức độ phục hồi của hỗn hợp bê tông nhựa giảm qua mỗi chu kỳ, một cách độc lập Những lý do cho điều này vẫn chưa rõ ràng, nhưng mức độ chữa bệnh

giảm nhiều hơn khi sử dụng lò vi sóng, có thể do nhiệt độ của chất kết dính cao hơn

- Mặc dù tổng hàm lượng khoảng trống không khí của hỗn hợp bê tông nhựa tiếp xúc với bức xạ nhiệt cảm ứng dường như không thay đổi, khi các khoảng trống không khí được kiểm tra bằng cách sử dụng các hình ảnh chụp CT scan 3D, chúng không ở cùng vị trí như trước khi gia nhiệt cảm ứng Đây có thể là một trong những lý do tại sao mức độ lành thương của hỗn hợp bê tông nhựa giảm theo số chu kỳ

- Vì nhiệt độ của chất kết dính khi gia nhiệt bằng vi sóng có thể cao hơn nhiệt độ chớp cháy của bitum, nên việc gia nhiệt bằng vi sóng có thể làm hỏng cấu trúc hóa học của chất kết dính Vì vậy, đối với các công trình sử dụng bức xạ vi sóng trong tương lai, các tác giả khuyến cáo nên thực hiện gia nhiệt hỗn hợp với thời gian dưới 40s

2.5.2 Thí nghiệm tự phục hồi bê tông nhựa trên dầm mastic Nghiên cứu về khả năng phục hồi bằng cảm ứng từ trường trên dầm mastic của Quanta Liu 2011 [17]

2.5.2.1 Phương pháp thực nghiệm Trong nghiên cứu này, phương pháp cơ bản là để hàn gắn bên trong bê tông nhựa ma tít và bê tông nhựa rỗng bao gồm: làm hỏng các mẫu trụ bê tông nhựa rỗng được làm từ các thành phần cơ bản như đá, cát, chất độn, sợi thép, bitum Nó được gọi là Bestone (Mỏ đá Bremanger, Na Uy) Đó là đá sa thạch mà Graniet Import BV đã cung cấp Phần đá có kích thước từ 2,0 mm đến 22,4 mm và có khối lượng riêng trung bình là 2,77 g/cm3 Cát đã nghiền có tỷ trọng 2,69 g/cm3 và kích thước từ 0,063 mm đến 2,0 mm Chất độn được sử dụng là chất độn đá vôi Wigro 60K, có khối lượng riêng 2,64 g/cm3 và kích thước hạt nhỏ hơn 0,063 mm 25% trọng lượng của vôi ngậm nước có trong chất độn này Như đã thấy trong Bảng 2.2, nhựa đường được sử dụng cũng là 70/100 Pen

Hình 2.6 Dầm Mastic với điểm notch được sử dụng trong thử nghiệm Ba loại sợi thép khác nhau được thêm vào hỗn hợp để làm cho bê tông mastic và bê tông nhựa dẫn điện và thích hợp cho hệ thống sưởi cảm ứng Bảng 2.2 cung cấp tóm tắt các đặc tính của ba loại sợi thép này

Bảng 2.2 Đặc tính của sợi thép sử dụng trong thử nghiệm

µm

Chiều dài mm

Điện trở suất Ωm

Tỷ trọng g/cm³

Hình 2.7 Phân bố chiều dài các sợi thép

Hình 2.8 Phân bố chiều dài của sợi thép loại 000 2.5.2.2 Mô tả phép thử

Khả năng phục hồi của dầm ma tít (với 5,66% steel wool và tỷ lệ thể tích cát-bitum 1,60) được đặc trưng bằng thử nghiệm khả năng phục hồi khả năng chống đứt gãy của các mẫu dầm sau khi đứt gãy Quy trình kiểm tra dầm mastic được thể hiện trong

Hình 2.9 và cũng được mô tả trong [Liu et al 2011] Đầu tiên, 5 thanh mastic được đông cứng ở -20oC và bị gãy trong thử nghiệm uốn ba điểm (như trong Hình 2.9) Nhiệt độ này được chọn là để tránh biến dạng vĩnh viễn và tạo ra vết nứt giòn trong các mẫu Sau đó, cả hai mảnh được đặt cùng nhau trong cùng một khuôn nơi chúng được tạo ra ban đầu và được gia nhiệt bằng cảm ứng trong 2 phút, cho đến khi nhiệt độ bề mặt của các mẫu đạt gần 120oC Cuối cùng, các mẫu được đông lạnh đến -20oC và bẻ gãy lại bằng thử nghiệm uốn 3 điểm Quá trình này được lặp lại cho đến khi dầm không còn chịu tải nữa Trong các thí nghiệm gia nhiệt cảm ứng này, khoảng cách giữa cuộn dây của máy gia nhiệt cảm ứng và bề mặt trên cùng của mẫu là khoảng 30mm, như thể hiện trong Hình 2.11

Hình 2.9 Quy trình thử khả năng phục hồi cường độ của dầm mastic

Hình 2.10 Chuẩn bị dầm uốn 3 điểm

Hình 2.11 Dầm mastic nhựa đường bị nứt trong khuôn (hình trên) và gia nhiệt cảm ứng cho

dầm bị gãy (hình dưới) 2.5.2.3 Kết quả thử nghiệm:

Diễn biến cường độ uốn của các mẫu ma tít nhựa đường qua các chu kỳ phục hồi hư hỏng liên tiếp được thể hiện trong hình 2.12 Quá trình này được lặp lại cho đến khi thiệt hại tích lũy trong vật liệu quá cao để tiếp tục quá trình chữa lành Trong Hình 2.12 độ phục hồi cường độ của các mẫu sau lần chữa lành đầu tiên là khoảng 85% giá trị ban đầu Trong các chu kỳ kế tiếp, nó trở nên ổn định ở khoảng 70% giá trị ban đầu Cuối cùng, nó giảm mạnh sau bước hồi phục thứ sáu Việc phục hồi sức mạnh không hoàn thành vì hai lý do:

- Vết nứt thể hiện một điểm yếu - Mẫu chịu một số loại hư hỏng cấu trúc do nhiệt cảm ứng Cần lưu ý rằng các mẫu vật đã bị gãy hoàn toàn thành hai mảnh, có thể không khớp hoàn toàn với nhau nữa Trong trường hợp các trụ bê tông nhựa rỗng, mục đích là áp dụng việc hàn gắn ở giai đoạn đầu khi mới chỉ xuất hiện các vết nứt nhỏ (trước khi các vết nứt lớn phát triển)

Có thể thấy rằng các vết nứt đã biến mất do dòng chảy của bitum trong quá trình gia nhiệt cảm ứng Cũng có thể quan sát thấy rằng thể tích của mastic tăng lên qua

các chu kỳ, có thể do quá trình gia nhiệt quá mức và các lỗ rỗng không khí trong hỗn hợp bị giản nở

Hình 2.12 Độ phục hồi cường độ của các mẫu sau 7 lần thử nghiệm phục hồi [17] Dựa trên các quan sát trực quan về việc đóng vết nứt và phục hồi cường độ thể hiện trong hình 2.11, có thể kết luận rằng nhựa đường matic với sợi thép có thể được hàn gắn rất nhanh với 2 phút gia nhiệt cảm ứng

Để chứng minh rằng bê tông nhựa rỗng có thể được hàn gắn thông qua gia nhiệt cảm ứng, các thử nghiệm mỏi kéo gián tiếp ở 5°C, với thời gian nghỉ để gia nhiệt chúng bằng năng lượng cảm ứng đã được thực hiện Ý tưởng là gây ra một số hư hỏng cho vật liệu, sau đó các mẫu được gia nhiệt bằng cảm ứng và chúng được để yên một thời gian

2.5.3 Ứng dụng thực tế về nhựa đường tự phục hồi trên thế giới Trong các thí nghiệm trên cùng nhiều các nghiên cứu khác trên thế giới, người ta đã chứng minh được rằng việc bổ sung sợi len thép vào bê tông nhựa rỗng sẽ cải thiện độ bền của lớp nhựa đường giúp tăng tuổi thọ mỏi và khả năng chống mất hạt cho bê tông nhựa rỗng Vì vậy mặt đường bê tông nhựa rỗng có sợi thép sẽ ít bị nứt hơn hơn Trong trường hợp bị nứt đường nhựa có thể gia nhiệt bằng năng lượng cảm ứng và sau đó các vết nứt sẽ được hàn gắn trong bê tông nhựa rỗng có sợi len thép bằng năng lượng cảm ứng, trong trường hợp đó các vết nứt sẽ được hàn gắn bằng dòng chảy

mau dẫn của bitum ở nhiệt độ cao Vì vậy, gia nhiệt và hàn gắn cảm ứng sẽ hữu ích để cải thiện độ bền của mặt đường bê tông nhựa rỗng bằng cách đóng các vết nứt

Để áp dụng công nghệ này, Một đoạn thử nghiệm đã được xây dựng trên đường cao tốc ở Hà Lan Kết hoạch thực hiện là:

Bảng 2.3 Kế hoạch nghiên cứu phục hồi bằng gia nhiệt cảm ứng đoạn thử nghiệm

Các thí nghiệm trên các lõi đã nộp

Để tiến hành một ứng dụng thực sự của phương pháp chữa bệnh cảm ứng "Để mô tả tài liệu từ phần dùng thử"

Mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong phần thử nghiệm hiện trường

Để dự đoán tốc độ làm mát của phần thử nghiệm sau khi gia nhiệt cảm ứng 2.5.3.1 Đánh giá hỗn hợp bê tông nhựa rỗng với sợi len thép trong phòng thí nghiệm của Heijmans-Breijn ở Rosmalen

Một trong những thách thức của việc ứng dụng vào thực tế là làm thế nào để phần tán đồng nhất sợi thép vào hỗn hợp bê tông nhựa rỗng Trong phòng thí nghiệm của Đại học Công nghệ Delft, một máy trộn tiêu chuẩn (máy trộn Hobart) đã được sử dụng cho nghiên cứu quy mô nhỏ được mô tả trong các chương trước Tuy nhiên, máy trộn trong nhà máy nhựa đường thường trộn mạnh hơn nhiều so với máy trộn Hobart Vì vậy, sợi len thép có thể bị rút ngắn bằng cách trộn trong nhà máy nhựa đường, điều này chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến tính chất của hỗn hợp

Để đánh giá hỗn hợp được tạo ra bằng cách trộn mạnh, một nghiên cứu sơ bộ đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm kỹ thuật đường bộ của Heijmans-Breijn, nhà thầu xây dựng đoạn thử nghiệm trên đường cao tốc

Trong phòng thí nghiệm của Heijmans-Breijn, sợi thép được trộn vào hỗn hợp nhựa đường bằng máy trộn chuyên sâu Máy trộn chuyên sâu được sử dụng được thể hiện trong Hình 2.10 Hỗn hợp được sử dụng ở đây giống như hỗn hợp được sử dụng cho đoạn đường chạy thử: bê tông nhựa rỗng PA 0/16 với 4% sợi thép loại 00 (phần trăm thể tích của nhựa đường) vẫn còn khó phân tán sợi thép trong bê tông nhựa rỗng ngay cả với máy trộn chuyên sâu trong phòng thí nghiệm của Heijmans-Breijn ở Rosmalen

Hình 2.13 Máy trộn sử dụng trong phòng thí nghiệm của Heijmans-Breijn [17]

Bảng 2.4 Thành phần của hỗn hợp được sử dụng trên đoạn thử nghiệm dựa trên

thông số kỹ thuật mới RAW 2010 Vật liệu Size

Vật liệu Size

mm

Tỷ lệ

Nhựa dường 5,2% Tổng khối lượng đá, cát và phụ gia

Hình 2.14 Kế hoạch thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của Heijmans-Breijn Người ta nhận thấy rằng nếu cho nhiều hơn 4% sợi thép sẽ gây ra hiện tượng vón cục (sợi thép tạo thành các cụm trong hỗn hợp), gây ra hiện tượng phân tầng làm giảm cường độ của bê tông nhựa rỗng Vì vậy, đoạn thử nghiệm này chọn sợi thép loại 00 với 4% là tối đa Ngoài ra, quy trình trộn đã được tối ưu hóa để phân tán sợi thép đồng nhất trong thời gian trộn có thể chấp nhận được Thứ tự trộn tối ưu là trộn bitum và sợi thép trước, trong đó sợi thép được bão hòa với bitum và trở nên dính và dai Sau đó, bằng cách thêm đá, cát và chất độn, các cụm sợi thép được tách ra bởi phần còn lại của hỗn hợp Với quy trình trộn này, có thể tạo ra hỗn hợp bê tông nhựa tốt Tuy nhiên, thời gian trộn yêu cầu là 2 phút, gấp 2 lần thời gian trộn thông thường trong nhà máy nhựa đường

Sau khi trộn, không tìm thấy sợi thép nào dư ra khỏi hỗn hợp Điều đó có nghĩa là sợi thép phân tán tốt trong hỗn hợp Tuy nhiên, sợi thép bị rút ngắn đáng kể khi trộn,

Tối ưu hóa quá trình trộn

Xác định hàm lượng sợi thép: 4%

Chuẩn bị mẫu: Slab và Marshall

RSAT ITS, NanoCT và ITSR

điều này có thể ảnh hưởng đến tốc độ gia nhiệt cảm ứng và cường độ của bê tông tiếp theo Vì hàm lượng sợi thép mong muốn cao hơn (8%) và sợi thép được rút ngắn đáng kể bằng máy trộn chuyên sâu, nên cần đánh giá lại chất lượng của hỗn hợp với 4% sợi thép rút ngắn Vì vậy, các mẫu Marshall Samples và RSAT (thử nghiệm mài mòn bề mặt quay) đã được chuẩn bị và các thử nghiệm gia nhiệt cảm ứng, indirect tensile strength (độ bền kéo gián tiếp) (ITS), Nano CT scanning (quét Nano CT) và RSAT đã được thực hiện trên các mẫu này

Ba mẫu Marshall được gia nhiệt bằng máy gia nhiệt cảm ứng ở tần số 70 KHz và khoảng cách giữa mẫu và cuộn dây là 10 mm Tốc độ gia nhiệt trung bình ở bề mặt trên cùng của các mẫu là 0,3412 ºC/s Tốc độ gia nhiệt này không cao lắm, nhưng nó có thể được cải thiện rất nhiều bằng cách tối ưu hóa máy phát điện cảm ứng

Tỷ lệ độ bền kéo gián tiếp (ITSR) của Mẫu Marshall đã được thử nghiệm ở 15 ºC theo Tiêu chuẩn Châu Âu EN 12697-12:2003 và EN 12697-23:2003 Bảng 2.5 cho thấy kết quả của các mẫu, trong đó mỗi giá trị là trung bình bốn mẫu Có thể thấy rằng các mẫu có 4% steel wool có tỷ lệ độ bền kéo gián tiếp và độ bền kéo gián tiếp cao hơn so với các mẫu trơn Điều đó có nghĩa là việc bổ sung steel wool sẽ củng cố bê tông và giảm độ nhạy cảm với nước của bê tông

Bảng 2.5 Độ bền kéo gián tiếp (tỷ lệ) của các mẫu

Mẫu

Cường độ chịu kéo mẫu khô

Cường độ chịu kéo mẫu ướt

Tỷ số Cường độ chịu

kéo mẫu ướt/ mẫu khô

Hình 2.15 Phân phối len thép trong mẫu [17] Sau khi xác định độ bền của các mẫu, một mảnh nhỏ được xẻ ra từ mỗi mẫu và được quét bằng máy quét Phoenix X-quang Nano CT

Sau khi quét, quá trình tái tạo được thực hiện để phân tích sự phân bố sợi thép trong mẫu Hình 2.15 cho thấy sự phân bố của sợi thép trong mẫu Nó cho thấy rằng sợi sợi thép được phân bố đồng nhất và không thể nhìn thấy các cụm sợi thép

Thử nghiệm mài mòn bề mặt quay (RSAT) được phát triển đặc biệt tại Heijmans để nghiên cứu khả năng chống rạn nứt của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng Hình 2.16 cho thấy các mẫu RSAT được sử dụng trong nghiên cứu này, là các tấm lăng trụ 8 cạnh phải với chiều dài cạnh là 180 mm và chiều cao là 50 mm Những tấm này được chuẩn bị bởi Breijn-Heijmans từ hỗn hợp mẫu như được sử dụng trong phần thử nghiệm tại hiện trường: 3 tấm nhựa đường xốp trơn PA 0/16 và 3 tấm bê tông nhựa rỗng với 4% len thép (phần thể tích của nhựa đường)

Breijn-Hình 2.16 Tấm RSAT với 4% len thép 00 do Breijn-Heijmans chuẩn bị [17] Ở 20°C, thử nghiệm mài mòn bề mặt quay thường được tiến hành Thử nghiệm mài mòn bề mặt quay được thiết lập trong Hình 2.17, với áp suất tiếp xúc giữa lốp và mẫu là 0,6 Nmm2 Lốp quay trên toàn bộ mẫu trong 24 giờ với tốc độ 3607 r/h, tạo ra 690 lần trên cùng một diện tích để tái tạo vết nứt trên mặt đường Ví dụ, vòng quay của lốp xe trong 24 giờ được cho là đại diện cho 7 năm giao thông trải nhựa Máy hút bụi được sử dụng trong quá trình thử nghiệm để loại bỏ bất kỳ viên đá nào bị mất khỏi bề mặt mẫu Các kết quả kiểm tra được sử dụng để tính toán sự mất mát của đá

Hình 2.17 Thiết lập và sơ độ thử nghiệm mài mòn bề mặt (RSAT) [17]

Mẫu bị mất đá sau thí nghiệm được mô tả trong Hình 2.18

Hình 2.18 Mẫu bị mất đá sau khi thử nghiệm mài mòn bề mặt quay [17] Đường cong hao hụt đá điển hình của bê tông nhựa rỗng được thể hiện trong Hình 2.19 Sự mất mát của đá trong quá trình thử nghiệm mài mòn bề mặt quay đóng vai trò là thước đo khả năng chống rạn nứt của hỗn hợp Sự mất mát của đá có xu hướng bắt đầu từ từ nhưng diễn ra nhanh chóng, tương tự như quá trình bong tróc trên bề mặt bê tông nhựa rỗng

Hình 2.19 Mất đá trong thử nghiệm mài mòn bề mặt quay [17] Sự mất đá của các mẫu RSAT có và không có sợi thép được so sánh trong Bảng 2.6 Bảng 2.6 cho thấy giá trị hao hụt đá của các mẫu RSAT trơn cao hơn gấp đôi so với các mẫu có 4% sợi thép

Điều này chỉ ra rằng bê tông nhựa rỗng được gia cố bằng len thép đã cải thiện khả năng chống mất hạt Các tấm RSAT trơn và các tấm có 4% len thép sẽ có giá trị hao hụt đá bằng nhau nếu hao hụt đá của tấm trơn 3 được coi là ngoại lệ và bị bỏ qua Kết quả trong trường hợp này là việc thêm len thép không có tác động tiêu cực đến khả năng chống mất đá của bê tông nhựa rỗng

Bảng 2.6 Mất đá của mẫu RSAT có và không có len thép

Mẫu trơn 5,32 g 3,82 g 24,18 g 11,11 g Mẫu với 4% sợi thép 4,27 g 2,57 g 8,64 g 5,16 g Dựa trên các nghiên cứu đã nói ở trên, hàm lượng len thép được chọn tạm thời là 4% (phần thể tích của nhựa đường) mang lại khả năng gia nhiệt cảm ứng thỏa đáng và không có tác động tiêu cực đến các đặc tính của bê tông nhựa rỗng Vì vậy, người ta thống nhất rằng đoạn thử nghiệm hiện trường sẽ chứa 4% len thép

2.5.3.2 Thử nghiệm sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa rỗng với sợi thép tại nhà máy bê tông nhựa HeijmansBreijn ở Zwijndrecht

Cần phải nghiên cứu để tạo ra một quy trình trộn thích hợp trong một nhà máy bê tông nhựa quy mô lớn trước khi trải nhựa trên đoạn đường thử nghiệm 6 kỹ thuật trộn đã được chọn tại nhà máy nhựa đường Heijmans-Breijn ở Zwijndrecht để tạo ra hỗn hợp nhựa đường chất lượng cao [17]

Bảng 2.7 Các quy trình trộn được sử dụng để sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa STT Trình tự trộn Thời gian trộn Tổng thời gian trộn

1 Steel wool + bitumen 0 s

250 s