LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG NHỰA VÀ ĐỊNH HƯỚNG SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học giao thông vận tải Nguyễn văn thành Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa và định hướng sử dụng ở vi

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học giao thông vận tải

Nguyễn văn thành

Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa

và định hướng sử dụng ở việt nam

Luận án thạc sĩ khoa học kỹ thuật

Hà nội-2006

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học giao thông vận tải

Nguyễn văn thành

Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa

và định hướng sử dụng ở việt nam

Luận án thạc sĩ khoa học kỹ thuật Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã số: 60.58.30

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Đức chính

Hà nội-2006

chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa

10

1.5.2 Phân loại theo hình dạng mẫu thí nghiệm 15 1.5.3 Phân loại theo tải trọng thí nghiệm 15 1.5.4 Phân loại theo mô hình thí nghiệm 15 1.5.5 Đề xuất cách phân loại các phương pháp thí nghiệm 16

TT Nội dung Trang

Chương 2 các phương pháp thí nghiệm chủ

yếu xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông

nhựa và định hướng sử dụng ở việt nam

18

2.2 các Thí nghiệm theo phương đường kính

của mẫu hình trụ tròn

18

2.2.1 Thí nghiệm kéo gián tiếp xác định cường độ ép chẻ 19 2.2.2 Thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng trùng phục xác định

2.3 các Thí nghiệm dọc trục trên mẫu hình

2.3.5 Thí nghiệm kéo trực tiếp sử dụng tải trọng tĩnh xác định

2.3.6 Thí nghiệm kéo trực tiếp sử dụng tải trọng trùng phục

TT Nội dung Trang

2.6.2 Thí nghiệm uốn dầm sử dụng tải trọng trùng phục gia tải

tại các điểm 1/4 để xác định đặc tính mỏi 41 2.6.3 Thí nghiệm uốn dầm sử dụng tải trọng trùng phục gia tải

tại điểm giữa để xác định đặc tính mỏi 42 2.6.4 Thí nghiệm uốn dầm sử dụng tải trọng quay để xác định

2.9 Nhận xét và định hướng sử dụng ở việt

nam

56

Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm cường độ

ép chẻ và cường độ kéo uốn giới hạn của bê

tông nhựa

59

3.3.1 Kết quả thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa 64 3.3.2 Kết quả thí nghiệm cường độ ép chẻ 72 3.3.3 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn giới hạn 74

TT Nội dung Trang

Phụ lục A Kết quả thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

Phụ lục B Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn giới hạn và cường độ ép chẻ

Phụ lục C Một số hình ảnh công tác thí nghiệm

Phần mở đầu

Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, vật liệu bê tông nhựa

đã và đang được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng đường ô tô và đường sân bay do những ưu điểm nổi bật

ở Việt Nam, trong những năm gần đây và tương lai, các công trình xây dựng đường ô tô ngày càng được phát triển rất mạnh mẽ nhằm tạo tiền đề cho công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Các dự án xây dựng đường với vốn đầu tư trong nước hay ngoài nước đã và đang được triển khai và sử dụng một khối lượng lớn bê tông nhựa làm lớp mặt đường

Việc xây dựng các lớp kết cấu mặt đường bê tông nhựa đảm bảo chất lượng cao, kéo dài tuổi thọ, chịu được tác động của xe chạy và các yếu tố môi trường là một nhiệm vụ quan trọng của chuyên ngành đường ô tô trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Để đáp ứng những yêu cầu chất lượng nêu trên, lớp bê tông nhựa được thiết kế, xây dựng phải thoả mãn các yêu cầu sau:

− Chống biến dạng dư

− Chống nứt gãy do mỏi

− Chống nứt gãy do nhiệt độ thấp

− Dễ thi công với các thiết bị hiện có

− Bền lâu và chống mài mòn do tác động của các phương tiện giao thông, điều kiện khí hậu môi trường cũng như của con người

− Đóng góp vào cường độ chung của kết cấu áo đường

− Dễ duy tu bảo dưỡng và quan trọng nhất là phải hiệu quả về mặt kinh tế

− Bảo đảm độ nhám bề mặt trong mọi điều kiện thời tiết

− Có hệ số sức cản lăn trong phạm vi chấp nhận được

− Hạn chế độ ồn trong phạm vi cho phép

Để đáp ứng được các yêu cầu trên, cần phải thực hiện đồng bộ ở tất cả các khâu (như thiết kế, thi công, giám sát, duy tu bảo dưỡng, ), trong đó quan trọng nhất là phải lựa chọn được phương pháp thiết kế và các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa đáng tin cậy, phản ánh gần đúng nhất bản chất, điều kiện làm việc thực tế của bê tông nhựa

Trên thế giới đã và đang sử dụng nhiều phương pháp thiết kế, nhiều phương pháp thí nghiệm hiện đại để đánh giá các chỉ tiêu cơ học của bê tông

nhựa phản ánh gần đúng điều kiện làm việc thực tế của mặt đường bê tông nhựa; trong khi đó Việt Nam hiện vẫn đang sử dụng một số phương pháp truyền thống đơn giản để kiểm tra, đánh giá chất lượng bê tông nhựa

Do vậy, cần thiết phải có một nghiên cứu đầy đủ và toàn diện về các phương pháp xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa, trên cơ sở đó đưa

ra định hướng sử dụng ở Việt Nam

• Mục tiêu nghiên cứu :

Nghiên cứu đánh giá các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa hiện đang được sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới

Nghiên cứu thực nghiệm xác lập hệ số tương quan giữa cường độ kéo uốn giới hạn và cường độ ép chẻ của một số loại bê tông nhựa điển hình đang

được sử dụng ở Việt Nam

Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đưa ra định hướng cho việc sử dụng các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của

bê tông nhựa ở Việt Nam

- Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm xác lập hệ số tương quan giữa cường độ kéo uốn giới hạn và cường độ ép chẻ của một số loại bê tông nhựa điển hình đang được sử dụng ở Việt Nam

- Trên cơ sở các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đưa ra định hướng cho việc sử dụng các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa ở Việt Nam

• Nội dung luận án: Luận án gồm 4 chương và 3 phụ lục:

- Chương 1 Tổng quan

- Chương 2 Nghiên cứu một số phương pháp thí nghiệm chủ yếu xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa và định hướng sử dụng ở Việt Nam

- Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm cường độ ép chẻ và cường độ kéo uốn giới hạn của bê tông nhựa

- Chương 4 Kết luận, kiến nghị và định hướng nghiên cứu tiếp

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục A Kết quả thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

- Phụ lục B Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn giới hạn và cường độ

- Kết quả nghiên cứu của đề tài bước đầu đưa ra được định hướng sử dụng các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa ở Việt Nam và là tiền đề cho những nghiên cứu chuyên sâu

Trong khuôn khổ một luận án thạc sĩ, chắc rằng còn nhiều thiếu sót,

rất mong nhận được ý kiến góp ý của các Thầy giáo, Cô giáo và bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Vũ Đức Chính - Giám đốc Phòng thí nghiệm trọng điểm đường bộ I thuộc Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã hướng dẫn tôi thực hiện luận án này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến người thân, các Thầy giáo, Cô giáo và bạn bè, đồng nghiệp Phòng thí nghiệm trọng điểm đường bộ I thuộc Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã giúp tôi trong quá trình thực hiện luận án

Học viên

Nguyễn Văn Thành

Chương 1 tổng quan

1.1 Nguyên lý hình thành cường độ của bê tông nhựa

Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm các thành phần là cốt liệu khoáng (đá dăm, cát, bột khoáng), chất liên kết là nhựa đường và phụ gia (nếu có) được phối hợp với nhau theo tỷ lệ hợp lý Mỗi thành phần trong bê tông nhựa đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ cường độ và các tính chất cần thiết cho quá trình sử dụng:

- Đá dăm: Làm nên bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa, làm cho bê tông nhựa có khả năng chịu tác dụng của ngoại lực và tạo độ nhám bề mặt

- Cát: Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm và cùng với đá dăm làm thành bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa

- Bột khoáng: Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn Bột khoáng là loại vật liệu có tỷ diện cao (250ữ300 m2/kg), có ái lực mạnh với nhựa, biến nhựa vốn có ở trạng thái khối, giọt thành trạng thái màng mỏng, bao bọc dễ dàng với các hạt khoáng vật Bột khoáng có vai trò như một chất phụ gia làm cho nhựa tăng thêm độ nhớt, tăng thêm khả năng dính bám và tăng tính ổn định nhiệt Bột khoáng cùng với nhựa tạo ra một chất liên kết mới

có tính chất hơn hẳn các tính chất riêng của nhựa đường

- Nhựa đường: Là chất liên kết, kết dính các hạt cốt liệu khoáng lại với nhau thành một khối và góp phần lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu

- Phụ gia: Mặc dù được sử dụng với hàm lượng rất nhỏ, nhưng phụ gia

có vai trò trong việc cải thiện một hoặc một số tính chất nào đó của bê tông nhựa

Như vậy, 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

1.2 Các tính chất cơ bản của bê tông nhựa

Tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào cấu trúc của nó; cấu trúc này phụ thuộc vào tính chất và hàm lượng của các thành phần cấu thành, vào sự phân bố đều đặn các cỡ hạt và nhựa đường, vào chất lượng kỹ thuật trong quá trình chế tạo hỗn hợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ chặt chặt của bê tông nhựa

Với các tính chất của vật liệu thành phần, đặc biệt là của nhựa đường,

bê tông nhựa có tính chất phức tạp là đàn-nhớt-dẻo

điều kiện làm việc thực tế bao gồm tải trọng tác dụng và điều kiện tự nhiên:

- Các đặc điểm của tải trọng là độ lớn, thời gian và tần suất tác dụng

- Trong số các điều kiện tự nhiên, nhiệt độ là yếu tố quyết định Nhiệt

độ thay đổi làm thay đổi bản chất vật lý của nhựa đường và vật liệu bê tông nhựa

1.2.3 Tính chảy-dẻo

Tính chảy-dẻo của bê tông nhựa được thể hiện ở tính lưu biến (quá trình biến dạng theo thời gian) Đặc tính biến dạng của bê tông nhựa có quan hệ chặt chẽ với thời gian tác dụng của tải trọng và tốc độ gia tải

Cùng với tính chất lưu biến là tính chất phát triển đàn hồi chậm (biến dạng đàn hồi không phát sinh liền ngay khi có tác dụng của tải trọng mà có một khoảng thời gian để phát triển)

Với tính lưu biến và tính phát triển đàn hồi chậm, thời gian tác dụng của tải trọng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến các đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông nhựa

1.3 Các mô hình cơ học mô phỏng đặc tính biến dạng của bê tông nhựa

Để mô phỏng đặc tính biến dạng của bê tông nhựa, có thể sử dụng nhiều mô hình cơ học khác nhau phù hợp với điều kiện chịu tải trọng khác nhau:

vậy, tại mỗi thời điểm, biến dạng tổng là tổng biến dạng đàn hồi của lò xo và biến dạng không hồi phục của piston chất lỏng nhớt

- Quan hệ giữa biến dạng, ứng suất và thời gian được thể hiện ở công thức (1.1):

)1.1()1

(

o o

o

t E

- Quan hệ giữa biến dạng, ứng suất và thời gian được thể hiện ở công thức (1.2):

)2.1(1

σ

Nếu ứng suất tác dụng không đổi, ta có :

)3.1(

λ ε

σ ε

Để mô phỏng gần đúng hơn đặc tính biến dạng của bê tông nhựa trong

điều kiện khai thác thông thường, có thể sử dụng mô hình Buger:

- Mô hình Buger gồm mô hình Maxvel nối tiếp với mô hình Kelvin

- Biến dạng tổng là tổng biến dạng của mô hình Maxvel với biến dạng của mô hình Kelvin, được thể hiện ở công thức (1.5):

1exp(

1)

1(

1 1

+

=

T E

T

t

σ σ

a) Mô hình Maxvel b) Mô hình Kelvin c) Mô hình Buger

Hình 1.1 Các mô hình cơ học mô phỏng đặc tính biến dạng của bê tông nhựa

1.4 Ưu, nhược điểm chủ yếu của bê tông nhựa

1.4.1 Những ưu điểm chủ yếu của bê tông nhựa

Bê tông nhựa được sử dụng phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới để xây dựng đường ô tô và đường sân bay là do có những ưu điểm chủ yếu sau đây:

− Công nghệ chế tạo và thi công đơn giản, thuận lợi cho việc áp dụng cơ giới hoá do đó có tốc độ thi công nhanh, dễ đảm bảo chất lượng cao

− Công tác kiểm tra chất lượng trước, trong và sau khi thi công dễ thực hiện và đã được chuẩn hoá

− Cho phép khai thác sử dụng ngay sau khi thi công

− Mặt đường có tính toàn khối, bằng phẳng, êm thuận

− ít bụi, không ồn, ít bị bào mòn

− Có tuổi thọ tương đối dài

− Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa trong quá trình khai thác

− Cho phép tái phục hồi chất lượng nhờ công nghệ tái sinh mặt đường sau thời gian khai thác nhất định

1.4.2 Những nhược điểm chủ yếu của bê tông nhựa

Bên cạnh những ưu điểm chủ yếu kể trên, bê tông nhựa còn có một số nhược điểm sau:

- ổn định nhiệt kém: Khi nhiệt độ thay đổi thì cấu trúc của bê tông nhựa thay đổi, dẫn đến các đặc trưng về cường độ và biến dạng cũng thay đổi theo:

+ ở nhiệt độ cao, bê tông nhựa thể hiện tính dẻo, cường độ chịu nén rất kém, sức chống cắt thấp, biến dạng tăng Vì vậy mặt đường dễ gây trượt, lượn sóng, hằn vệt bánh xe, nổi nhựa lên mặt, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khai thác và tuổi thọ của mặt đường

+ ở nhiệt độ thấp, bê tông nhựa thể hiện tính giòn, khả năng chịu kéo kém, mặt đường dễ bị nứt nẻ

- Hiện tượng lão hoá theo thời gian: Do sự bay hơi của các thành phần dầu nhẹ, quá trình ô xy hoá và trùng hợp của các hợp chất cao phân tử có trong thành phần nhựa đường

1.4.3 Những dạng hư hỏng chính của mặt đường bê tông nhựa

Dưới tác dụng của tải trọng giao thông và các điều kiện khí hậu môi trường, mặt đường bê tông nhựa thường xuất hiện một số dạng hư hỏng sau:

Hình 1.2 Vệt hằn bánh xe mặt đường bê tông nhựa

Hình 1.3 Nứt mỏi bề mặt bê tông nhựa

Để lớp mặt bê tông nhựa có chất lượng tốt, bền vững, đáp ứng được yêu cầu sử dụng dưới tác dụng của tải trọng xe và các điều kiện khí hậu môi trường, yêu cầu hỗn hợp bê tông nhựa và kết cấu mặt đường phải được thiết kế hợp lý dựa trên các đặc tính cơ học của bê tông nhựa

1.5 các phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa

Như đã trình bày ở Mục 1.1, 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 và phụ thuộc vào cấu trúc của bê tông nhựa, cấu trúc này phụ thuộc vào tính chất và hàm lượng của các thành phần cấu thành, vào sự phân bố đều đặn các cỡ hạt và nhựa đường, vào chất lượng quá trình chế tạo hỗn hợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ chặt của

bê tông nhựa

Như vậy, để lớp mặt bê tông nhựa có chất lượng tốt, đủ cường độ, ổn

định, đáp ứng được yêu cầu sử dụng dưới tác dụng của tải trọng xe và các điều kiện khí hậu môi trường, yêu cầu hỗn hợp bê tông nhựa và kết cấu mặt đường phải được thiết kế hợp lý dựa trên các đặc tính cơ học của bê tông nhựa

Hiện có nhiều phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của

bê tông nhựa, trong đó hầu hết các thí nghiệm dựa trên các mô hình cơ học mang tính lý thuyết, số còn lại có tính chất kinh nghiệm xác định các chỉ tiêu mang tính mặc định không theo mô hình tính toán lý thuyết nào

Có nhiều cách phân loại các phương pháp thí nghiệm khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau, trong đó phải kể đến một số cách phân loại chủ yếu sau:

1.5.1 Phân loại theo mục đích sử dụng

Theo cách phân loại này, các phương pháp thí nghiệm được phân thành các nhóm theo mục đích sử dụng:

1.5.1.1 Các phương pháp thí nghiệm sử dụng trong thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

Mục đích của việc thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa là lựa chọn tỷ lệ phối hợp các loại cốt liệu và nhựa đường hợp lý để tạo ra bê tông nhựa có các chỉ tiêu kỹ thuật thoả mãn yêu cầu, nhằm tạo nên một kết cấu mặt đường có đủ cường độ, ổn định trong quá trình khai thác

Hỗn hợp bê tông nhựa được thiết kế phải thoả mãn 2 yếu tố cơ bản sau:

- Yếu tố về đặc tính thể tích: Bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu, độ rỗng lấp đầy nhựa của hỗn hợp bê tông nhựa Các giá trị này phải nằm trong giới hạn quy định đảm bảo lớp bê tông nhựa có khả năng chống biến dạng, chống chảy nhựa dưới tác động của tải trọng xe và yếu tố nhiệt độ

môi trường, hạn chế sự xâm nhập của nước vào hỗn hợp trong quá trình khai thác

- Yếu tố về đặc tính cơ học: Bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất lượng cốt liệu và các chỉ tiêu liên quan đến cường độ của hỗn hợp bê tông nhựa sau khi đầm nén nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp bê tông nhựa có đủ cường độ sau khi xây dựng

Trên thế giới hiện nay có nhiều phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa, có thể kể đến là:

− Phương pháp cường độ của Liên Xô (cũ)

bê tông nhựa thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật

a) Theo phương pháp cường độ của Liên Xô (cũ)

Theo phương pháp này, cần phải thực hiện các thí nghiệm sau:

− Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của mẫu hình trụ ở nhiệt độ

− Thí nghiệm xác định độ ổn Marshall

− Thí nghiệm xác định độ ổn định Marshall còn lại

− Thí nghiệm xác định độ dẻo Marshall

Theo quy định, bê tông nhựa phải có độ ổn định Marshall, độ ổn định Marshall còn lại lớn hơn giá trị yêu cầu; độ dẻo nằm trong phạm vi cho phép

Độ ổn Marshall, độ ổn định Marshall còn lại, độ dẻo Marshall được sử dụng để xác định hàm lượng nhựa tối ưu trong hỗn hợp bê tông nhựa

d) Theo phương pháp Superpave

Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Superpave bao gồm ba mức độ thiết kế riêng biệt đó là:

- Mức 1: ứng với lượng giao thông thiết kế ESAL ≤ 106

- Mức 2: ứng với lượng giao thông thiết kế 106 ≤ ESAL ≤ 107

- Mức 3: ứng với lượng giao thông thiết kế ESAL >107

Nội dung thiết kế ở mức 1: Bao gồm việc lựa chọn vật liệu và tính toán

tỷ lệ phối hợp các loại vật liệu để hỗn hợp sau khi đầm nén thoả mãn các đặc tính thể tích

Nội dung thiết kế ở mức 2: Sau khi hoàn tất các nội dung đã thực hiện như ở mức 1, tiến hành các thí nghiệm trên mẫu bê tông nhựa để ước tính và

dự báo khả năng làm việc thực tế của mặt đường Các phương pháp thí nghiệm xác định các đặc tính cơ học của bê tông nhựa cần thực hiện ở mức 2 bao gồm:

- Thí nghiệm cắt tải trọng trùng phục với tỷ lệ ứng suất không đổi

- Thí nghiệm cắt tải trọng trùng phục ở chiều cao không đổi

- Thí nghiệm cắt đơn giản ở chiều cao không đổi

Nội dung thiết kế ở mức 3: Sau khi hoàn tất các nội dung đã thực hiện như ở mức 1, tiến hành các thí nghiệm trên mẫu bê tông nhựa để ước tính và

dự báo khả năng làm việc thực tế của mặt đường Các phương pháp thí nghiệm xác định các đặc tính cơ học của bê tông nhựa cần thực hiện ở mức 3 bao gồm:

- Thí nghiệm cắt tải trọng trùng phục với tỷ lệ ứng suất không đổi

- Thí nghiệm cắt tải trọng trùng phục ở chiều cao không đổi

- Thí nghiệm cắt đơn giản ở chiều cao không đổi

- Thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng trùng phục

- Thí nghiệm biến dạng một trục

1.5.1.2 Các phương pháp thí nghiệm sử dụng trong thiết kế kết cấu mặt

đường bê tông nhựa

a) Theo tiêu chuẩn 22TCN 211-93

Tiêu chuẩn 22TCN 211-93 tính toán kết cấu mặt đường bê tông nhựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi theo 3 điều kiện giới hạn:

- Tính toán cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi

- Tính toán cường độ theo điều kiện trượt trong nền đất và trong các lớp vật liệu kém dính

- Tính toán cường độ theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu liền khối

Để thiết kế kết cấu mặt đường bê tông nhựa theo 22TCN 211-93, đối với vật liệu bê tông nhựa, cần phải thực hiện các thí nghiệm sau:

- Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi sử dụng tải trọng tĩnh trên mẫu hình trụ ở các nhiệt độ:

+ 300C khi tính theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi

+ 600C khi tính theo điều kiện trượt

+ 150C khi tính theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn

- Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn giới hạn trên mẫu hình dầm

ở nhiệt độ 10ữ15oC

- Thí nghiệm cắt mẫu hình trụ tròn xác định lực dính đơn vị

b) Theo tiêu chuẩn AASHTO (22TCN 274-01)

Phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường bê tông nhựa theo tiêu chuẩn AASHTO đã được việt hoá cho phù hợp với điều kiện Việt Nam (theo 22TCN 274-01), hiện nay, tiêu chuẩn này đang được áp dụng thử nghiệm

Để thiết kế kết cấu mặt đường bê tông nhựa theo AASHTO (22TCN 274-01), đối với vật liệu bê tông nhựa, cần phải thực hiện thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng trùng phục để xác định mô đun đàn hồi

c) Theo nguyên lý cơ học-thực nghiệm

Với sự tài trợ của hiệp hội AASHTO và Cục Đường bộ liên bang Mỹ FHWA, dự án nghiên cứu NCHRP (National Cooperative Highway Research Program) đã được triển khai và đã ban hành báo cáo cuối cùng vào tháng 3/2004 trên cơ sở xây dựng hoàn chỉnh một hướng dẫn thiết kế cho kết cấu mặt đường xây dựng mới và xây dựng nâng cấp cải tạo theo nguyên lý cơ học-thực nghiệm

Ngoài Mỹ và các nước phương Tây, Nga và Trung Quốc trước đây đã từng sử dụng những lý thuyết, quan điểm riêng trong tính toán thiết kế kết cấu mặt đường cũng như trong công nghệ xây dựng đường bộ, cũng đã cập nhật và hội nhập nhiều với thế giới trong lĩnh vực này, trong đó các đặc tính về biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi cũng đã được đề cập và bổ sung vào trong phương pháp thiết kế mặt đường và phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

Trong phương pháp thiết kế theo nguyên lý cơ học-thực nghiệm có sử dụng những tương quan thực nghiệm của đặc tính biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi dựa trên những kết quả thí nghiệm các đặc tính biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi của bê tông nhựa

Theo phương pháp này, cần thực hiện những thí nghiệm sau:

• Thí nghiệm xác định đặc tính biến dạng vĩnh cửu:

- Thí nghiệm từ biến một trục và thí nghiệm từ biến 3 trục

- Thí nghiệm tải trọng trùng phục một trục và 3 trục

- Thí nghiệm theo phương đường kính

- Thí nghiệm cắt xoắn trên mẫu hình trụ lõi rỗng

- Các thí nghiệm mô phỏng

• Thí nghiệm xác định đặc tính mỏi:

- Thí nghiệm theo phương dọc trục

- Thí nghiệm 3 trục

- Thí nghiệm theo phương đường kính

- Thí nghiệm uốn dầm giản đơn

- Thí nghiệm uốn dầm trên bệ đỡ

- Các thí nghiệm mô phỏng

• Thí nghiệm xác định đặc tính nứt do nhiệt độ thấp:

- Thí nghiệm kéo trực tiếp với tốc độ không đổi

- Thí nghiệm kéo từ biến

- Thí nghiệm theo phương đường kính

- Thí nghiệm uốn dầm

- Thí nghiệm hạn chế ứng suất nhiệt

- Thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt

1.5.2 Phân loại theo hình dạng mẫu thí nghiệm

Theo cách phân loại này, các phương pháp thí nghiệm được phân thành các nhóm:

- Thí nghiệm trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm trên mẫu hình dầm

- Thí nghiệm mô phỏng

1.5.3 Phân loại theo tải trọng thí nghiệm

Theo cách phân loại này, các phương pháp thí nghiệm được phân thành các nhóm:

- Thí nghiệm sử dụng tải trọng tĩnh

- Thí nghiệm sử dụng tải trọng trùng phục

1.5.4 Phân loại theo mô hình thí nghiệm

Theo cách phân loại này, các phương pháp thí nghiệm được phân thành các nhóm:

- Thí nghiệm theo một mô hình cơ học nào đó

- Thí nghiệm mang tính kinh nghiệm

Nhận xét về ưu, nhược điểm của các cách phân loại:

Cách phân loại theo mục đích sử dụng có ưu điểm là phân chia các phương pháp thí nghiệm theo từng mục đích sử dụng Tuy nhiên, theo cách phân loại này, có nhiều phương pháp thí nghiệm lặp đi lặp lại trong những mục đích sử dụng khác nhau và có một số phương pháp thí nghiệm không

được xếp vào một nhóm nào

Cách phân loại theo hình dạng mẫu thí nghiệm, phân loại theo tải trọng thí nghiệm và phân loại theo mô hình thí nghiệm là các cách phân loại tổng quan, các phương pháp thí nghiệm được phân thành những nhóm lớn gồm nhiều phương pháp khác nhau

Như vậy, các cách phân loại trên mặc dù có những ưu điểm riêng nhưng vẫn có những tồn tại do chỉ dựa trên một tiêu chí cụ thể

1.5.5 đề xuất cách phân loại các phương pháp thí nghiệm

Để khắc phục những tồn tại của các cách phân loại trên, đề xuất phân loại các phương pháp thí nghiệm thành những nhóm sau:

- Thí nghiệm theo phương đường kính trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm dọc trục trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm 3 trục trên mẫu hình trụ tròn

Bê tông nhựa là loại vật liệu được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng

đường ô tô và đường sân bay do những ưu điểm nổi trội so với các loại vật liệu khác

Bê tông nhựa là loại vật liệu có tính chất phức tạp là đàn-nhớt-dẻo Đặc tính biến dạng của bê tông nhựa có thể được thể hiện bằng mô hình Maxvel, mô hình Kelvin hoặc mô hình Buger; trong đó mô hình Buger là phù hợp nhất với điều kiện làm việc thực tế của mặt đường bê tông nhựa

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 và phụ thuộc vào cấu trúc của bê tông nhựa; cấu trúc này phụ thuộc vào tính chất và hàm lượng của các thành phần cấu thành, vào sự phân bố đều đặn các cỡ hạt và nhựa đường, vào chất lượng kỹ thuật trong quá trình chế tạo hỗn hợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ chặt chặt của bê tông nhựa

Có nhiều phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa và được phân loại dựa theo nhiều tiêu chí khác nhau Trong luận án này, đề xuất phân loại các phương pháp thí nghiệm thành các nhóm sau:

- Thí nghiệm theo phương đường kính trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm dọc trục trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm 3 trục trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm cắt

- Thí nghiệm trên mẫu hình dầm

- Thí nghiệm mang tính kinh nghiệm

- Thí nghiệm mô phỏng

Việc nghiên cứu, phân tích đầy đủ các phương pháp thí nghiệm xác

định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa hiện đang sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới là rất cần thiết; là cơ sở lựa chọn, đề xuất các phương pháp thí nghiệm áp dụng hợp lý trong điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay và tương lai

Chương 2 nghiên cứu một số phương pháp thí nghiệm chủ yếu xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa và

định hướng sử dụng ở việt nam

2.1 đặt vấn đề

Như đã trình bày ở Chương 1, hiện có nhiều phương pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa và có nhiều cách phân loại khác nhau dựa trên những tiêu chí khác nhau, mỗi cách phân loại đều có những ưu

điểm và những nhược điểm riêng Trong đó cách phân loại các phương pháp thí nghiệm thành các nhóm như đã đề suất ở Chương 1 là hợp lý nhất, theo đó, các phương pháp thí nghiệm được phân thành 7 nhóm sau:

− Thí nghiệm theo phương đường kính của mẫu hình trụ tròn

− Thí nghiệm dọc trục mẫu hình trụ tròn

− Thí nghiệm 3 trục trên mẫu hình trụ tròn

− Thí nghiệm cắt

− Thí nghiệm trên mẫu hình dầm

− Thí nghiệm mang tính kinh nghiệm

− Thí nghiệm mô phỏng

Việc nghiên cứu, phân tích đầy đủ các phương pháp thí nghiệm xác

định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa hiện đang sử dụng ở Việt Nam và trên thế giới là rất cần thiết; là cơ sở lựa chọn, đề xuất các phương pháp thí nghiệm áp dụng hợp lý trong điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay và tương lai

2.2 các Thí nghiệm theo phương đường kính của mẫu hình trụ tròn

Theo phương pháp thí nghiệm này, lực tác dụng dọc theo phương đường sinh làm xuất hiện ứng suất kéo có phương vuông góc với mặt phẳng thẳng

đứng đi qua trục mẫu, mô hình thí nghiệm xem Hình 2.1

Mẫu thí nghiệm có thể được chế bị ở trong phòng thí nghiệm hoặc mẫu khoan về từ hiện trường có đường kính là 101.6mm hoặc 152mm

2.2.1 Thí nghiệm kéo gián tiếp xác định cường độ ép chẻ (22TCN 211-93, ASTM D4123)

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Theo tiêu chuẩn 22TCN 211-93, thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ

10oC hoặc 15oC; theo tiêu chuẩn ASTM D4123, thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng trùng phục xác định mô đun đàn hồi và hệ số poisson (5oC, 25oC, 30oC hoặc 40oC)

Tác dụng một lực nén theo phương đường sinh với tốc độ 50.8mm/phút cho đến khi mẫu bị phá hoại Độ lớn của lực tại thời điểm mẫu bị phá hoại (P)

được sử dụng để tính toán cường độ ép chẻ theo công thức (2.1):

)1.2()

/(

cm daN dh

P

R ech

π

=Trong đó:

+ P: Lực phá hoại mẫu (daN)

+ d, h: Đường kính và chiều cao mẫu (cm).

Hình 2.1 Mô hình thí nghiệm theo phương đường kính

b) ý nghĩa sử dụng:

Cường độ ép chẻ được sử dụng để:

- Đánh giá chất lượng của bê tông nhựa

- Tính toán cường độ chịu kéo uốn giới hạn của bê tông nhựa theo công thức Rku = K * Rech (với K là hệ số tương quan thực nghiệm) phục vụ thiết kế kết cấu mặt đường theo 22TCN 211-93

Tấm gia tải

Tấm gia tải

Mẫu thí nghiệm P

P

- Dự tính mức tải trọng sử dụng trong thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng trùng phục xác định mô đun đàn hồi và hệ số poisson của bê tông nhựa

c) Nhận xét, đánh giá:

Đây là phương pháp thí nghiệm đơn giản, tận dụng được trang thiết bị thí nghiệm theo phương pháp Marshall hiện có nên hầu hết các phòng thí nghiệm đều có khả năng thực hiện Với thí nghiệm này, chúng ta hoàn toàn có thể xác định được giá trị cường độ kéo uốn giới hạn (bằng cách sử dụng công thức Rku = K * Rech ) cho mỗi loại bê tông nhựa cụ thể khi thiết kế kết cấu mặt

đường mềm theo 22TCN 211-93

Hiện nay, quy trình tính toán thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo trạng thái giới hạn của một số nước trên thế giới như JTJ 014-97 của Trung Quốc, ОДН-218.046.01 của Nga cũng đã sử dụng cường độ ép chẻ thay cho cường độ kéo uốn giới hạn Do vậy, ở Việt Nam cũng cần có những nghiên cứu cả về lý thuyết và thực nghiệm để sớm thay thế chỉ tiêu cường độ kéo uốn giới hạn bằng chỉ tiêu cường độ ép chẻ cho phù hợp với xu thế chung trên thế giới và phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam

Hình 2.2 Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ

2.2.2 Thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng trùng phục xác định mô đun đàn hồi và hệ số poisson (22TCN 274-01, ASTM D4123, AASHTO TP31)

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 5oC, 30oC (hoặc 25oC) và 40oC với các tần số tác dụng tải trọng bằng 0.33Hz, 0.5Hz và 1.0Hz

Độ lớn của tải trọng trùng phục được lựa chọn sao cho giá trị đạt vào khoảng từ 10ữ50% Rech ở nhiệt độ tương ứng (thường sử dụng độ lớn tải trọng sao cho có thể đạt được từ 1ữ35N/mm dài của mẫu)

Cho tải trọng tác dụng lặp một số lần cho đến khi thấy biểu đồ các biến dạng của các lần tải trọng tác dụng lặp đều như nhau Đây là giai đoạn sơ bộ

để làm mẫu tiếp xúc tốt với tấm truyền tải trọng, có các biến dạng ổn định

Tiếp tục cho tải trọng trùng phục tác dụng, khoảng từ 50 đến 200 lần, cho đến khi biến dạng đàn hồi của những lần tác dụng kề nhau đều ổn định

Sau khi các biến dạng đàn hồi đã ổn định dưới tác dụng của ậptỉ trọng trùng phục kề nhau thì đo và ghi lại các biến dạng đàn hồi ngang và đứng tương ứng với ít nhất 3 chu kỳ tác dụng tải trọng kề nhau và lấy trị số trung bình

Tính toán mô đun đàn hồi E và hệ số poisson của mẫu bê tông nhựa tương ứng với nhiệt độ, thời gian tác dụng, tần số tác dụng lực theo các công thức sau:

)2.2()

27.0(

P

)3.2()

27.0(

P

)4.2(27

.059

.3

V

H à

)5.2(27

.059

.3

V

H à

Trong đó:

+ E RI : Mô đun đàn hồi tức thời, MPa

+ ERT : Mô đun đàn hồi tổng hợp, MPa

+ à RI : Hệ số poisson tức thời

+ à RT : Hệ số poisson toàn bộ

+ P : Tải trọng tác dụng trùng phục, N

+ t : Chiều cao mẫu, mm

+ ∆ HI: Biến dạng ngang đàn hồi tức thời của mẫu, mm

+ ∆ HT: Biến dạng ngang toàn bộ của mẫu, mm

+ ∆ V I : Biến dạng đứng đàn hồi tức thời của mẫu, mm

+ ∆ V T : Biến dạng đứng toàn bộ của mẫu, mm

- Đánh giá chất lượng vật liệu bê tông nhựa

- Thiết kế, phân tích đánh giá hỗn hợp bê tông nhựa theo phương pháp Superpave

- Thiết kế, phân tích kết cấu mặt đường mềm theo tiêu chuẩn của AASHTO (22TCN 274-01)

a: thời gian tác dụng của tải trọng trong một chu kỳ b: thời gian nghỉ, c: thời gian một chu kỳ

H.2.4.a) Tải trọng trùng phục dạng hình sin-Biến dạng thay đổi theo thời gian

H.2.4.b) Biến dạng theo phương thẳng đứng của mẫu theo thời gian

H.2.4.c) Biến dạng theo phương nằm ngang của mẫu theo thời gian

Hình 2.4 Dạng tải trọng thí nghiệm và biến dạng của mẫu theo thời gian

c) Nhận xét, đánh giá:

Thí nghiệm này không quá phức tạp, loại mẫu thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm có thể sử dụng được cho các thí nghiệm khác

Đây là phương pháp đã được chuẩn hoá dùng để xác định giá trị mô đun

đàn hồi của bê tông nhựa dùng cho tính toán thiết kế kết cấu mặt đường theo tiêu chuẩn AASHTO (22TCN 274-01)

Trong quá trình thí nghiệm, trong mẫu tồn tại trạng thái ứng suất 2 trục,

do đó thí nghiệm này mô phỏng được tương đối chính xác trạng thái làm việc của vật liệu bê tông nhựa dưới tác dụng của tải trọng thực tế Tuy nhiên chỉ có trạng thái ứng suất kéo xuất hiện có phương vuông góc với mặt phẳng thẳng

đứng đi qua trục mẫu là đồng dạng Các trạng thái ứng suất khác là không

đồng dạng một cách rõ rệt, điều đó cho thấy ứng suất cắt góp phần đáng kể tạo ra vệt hằn lún bánh xe

Qua thực nghiệm cho thấy hư hỏng được phát sinh từ vùng ứng suất kéo tương đối đồng nhất, sự sai khác của các kết quả thí nghiệm là nhỏ so với các phương pháp thí nghiệm khác

Một mẫu có thể thí nghiệm nhiều lần theo các phương đường kính khác nhau và các kết quả có thể được sử dụng để xác định mức độ đồng nhất và liên tục của mẫu, loại bỏ được các sai sót do khiếm khuyết của bề mặt của mẫu

2.3 các Thí nghiệm dọc trục trên mẫu hình trụ tròn

Theo phương pháp thí nghiệm này, một lực tác dụng dọc theo phương trục mẫu thí nghiệm hình trụ tròn Lực tác dụng lên mẫu có thể là lực tĩnh hoặc lực trùng phục

2.3.1 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi sử dụng tải trọng tĩnh (22TCN211-93)

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu hình trụ tròn có chiều cao bằng một nửa hoặc bằng đường kính (thường sử dụng mẫu có kích thước D=H= 10cm) theo mô hình nén dọc trục nở hông tự do, tải trọng tĩnh ở các điều kiện bảo dưỡng khác nhau tuỳ theo yêu cầu thí nghiệm, cụ thể:

- ở 300C khi tính cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi

- ở 100C (với lớp bê tông nhựa có chiều dầy dưới 6cm),150C (với lớp

bê tông nhựa có chiều dầy từ 7ữ12cm) khi dùng để tính toán cường

độ theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn

- ở 600C khi dùng để tính theo điều kiện trượt

Mẫu được nén với chế độ gia tải một lần với áp lực p = 5daN/cm2 được giữ nguyên cho tới khi biến dạng ổn định (khi tốc độ biến dạng chỉ còn 0.01mm/phút) Sau đó dỡ tải và đợi biến dạng hồi phục cũng đạt được ổn định như trên thì đọc đồng hồ đo biến dạng để xác định trị số biến dạng đàn hồi

/(

l D

pH

E dh

π

=Trong đó:

Mô đun đàn hồi thí nghiệm theo phương pháp này được sử dụng để:

- Đánh giá chất lượng của bê tông nhựa

- Thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo tiêu chuẩn 22TCN 211-93

c) Nhận xét, đánh giá:

Thí nghiệm này tương đối đơn giản, dễ thực hiện

Mô hình thí nghiệm này không phù hợp với điều kiện chịu tải trọng thực tế và đặc tính chịu lực của vật liệu bê tông nhựa vì thời gian tải trọng tác dụng là quá lâu so với thời gian tác dụng của tải trọng bánh xe khi đang chạy trên đường

2.3.2 Thí nghiệm xác định mô đun động (ASTM D3497)

Mô đun tổng hợp (complex modulus) là thương số giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu có tính chất chảy dẻo tuyến tính được biểu diễn thông qua một dạng mô hình cơ học nào đó Trong trường hợp mô phỏng vật liệu bê tông nhựa theo mô hình Kelvin chịu tải trọng động hình sin thì mô đun tổng hợp

được xác định theo công thức (2.7):

)7.2(sin

cos

0

0 0

0 )

( 0

0

ε

σ φ ε

σ ε

σ ε

σ

φ ϖ

ω

i e

e

t i

)8.2(sin

cos

0 0 2

0 0 2

σ φ ε

σ φ

Trong đó:

+ σ0: Độ lớn của ứng suất dọc trục

+ ε0: Biến dạng đàn hồi dọc trục

+ ω: Vận tốc góc có liên quan đến tần số gia tải f (ω = 2.π.f)

+ φ: Độ lệch pha giữa ứng suất và biến dạng

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu chế bị trong phòng hoặc mẫu khoan về từ hiện trường có kích cỡ H=2D (với D=101.6mm hoặc 152mm), ở nhiệt độ 5oC, 25oC và 40oC với các tần số tác dụng tải trọng bằng 1Hz, 4Hz và 16Hz cho mỗi nhiệt độ

Độ lớn của tải trọng trùng phục được lựa chọn nằm trong khoảng từ

0ữ35psi và thời gian mỗi lần tác dụng của tải trọng nằm trong khoảng từ

30ữ45 giây

Cho tải trọng tác dụng lặp một số lần cho đến khi biến dạng đàn hồi của những lần tác dụng kề nhau đều ổn định; số lần tác dụng tải trọng tuỳ thuộc vào nhiệt độ thí nghiệm và tần số gia tải

Sau khi các biến dạng đàn hồi đã ổn định dưới tác dụng của tải trọng trùng phục kề nhau thì đo và ghi lại biến dạng đàn hồi và ứng suất dọc trục tương ứng với ít nhất 3 chu kỳ tác dụng tải trọng trùng phục cuối cùng và lấy trị số trung bình

Tính toán mô đun đàn hồi động của mẫu bê tông nhựa tương ứng với nhiệt độ, tần số tác dụng của tải trọng theo công thức (2.9):

)9.2(

+ σ0: Độ lớn của ứng suất dọc trục, kPa

+ ε0: Biến dạng đàn hồi dọc trục, mm/mm chiều cao mẫu

Do tải trọng tác dụng thường nhỏ, thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi với tải trọng trùng phục là thí nghiệm không phá huỷ và mẫu được sử dụng để thí nghiệm nhiều lần trong các điều kiện khác nhau với tải trọng khác nhau

Mô đun động là một giá trị tổng hợp, trong đó phần thực đại diện cho mô đun độ cứng và phần ảo mô tả khả năng truyền ứng suất của bản thân vật liệu

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm xác định mô đun động

2.3.3 Thí nghiệm nén tĩnh xác định cường độ chịu nén giới hạn (22TCN 62-84, ASTM D1074)

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Theo tiêu chuẩn 22TCN 62-84 “Quy trình thí nghiệm bê tông nhựa”, thí nghiệm được thực hiện trên mẫu hình trụ tròn có đường kính (D) bằng chiều cao (H) (với D = 50.5mm, 71.5mm hoặc 101.6mm tuỳ theo cỡ hạt lớn nhất

của bê tông nhựa) được chế bị bằng phương pháp lực tĩnh hoặc khoan về từ hiện trường

Một lực nén có tốc độ 3±0.5mm/phút tác dụng dọc trục mẫu cho tới khi mẫu bị phá hoại, độ lớn của lực phá hoại mẫu được sử dụng để tính cường độ chịu nén giới hạn

Thí nghiệm được thực hiện ở 3 trạng thái:

/(daN cm2F

P

R n =Trong đó:

+ P: Tải trọng phá hoại mẫu (daN)

+ F: Diện tích mặt cắt ngang mẫu (cm2)

Căn cứ vào cường độ chịu nén giới hạn ở ba trạng thái khác nhau để

đánh giá độ ổn định nước và độ ổn định nhiệt của bê tông nhựa thông qua hệ

số ổn định nước và hệ số ổn định nhiệt được xác định theo các công thức sau :

- Hệ số ổn định nước được tính theo công thức: Kn = Rnbh20/ Rnk20

- Hệ số ổn định nhiệt được tính theo công thức: Kt = Rnk50/ Rnk20

Hình 2.6 Mô hình thí nghiệm cường độ chịu nén giới hạn

Mẫu thí nghiệm

Theo tiêu chuẩn ASTM D1074, thí nghiệm được thực hiện trên mẫu hình trụ tròn có đường kính (D) bằng chiều cao (H) (với D=H=101.6mm hoặc D=H=152mm), chế bị theo phương pháp Marshall hoặc khoan về từ hiện trường trên máy nén một trục có tốc độ nén 0.05mm/phút/mm chiều cao của mẫu cho tới khi mẫu bị phá hoại, thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ 25oC

b) ý nghĩa sử dụng:

Cường độ chịu nén giới hạn của bê tông nhựa được sử dụng để:

- Đánh giá chất lượng của bê tông nhựa

- Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo phương pháp cường độ của Liên Xô (cũ)

c) Nhận xét, đánh giá:

Đây là thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện; tuy nhiên hiện nay ít được sử dụng do:

- Việc tạo mẫu và thí nghiệm sử dụng lực tĩnh, không phù hợp với

điều kiện làm việc thực tế của mặt đường bê tông nhựa

- Hiện nay ít phòng thí nghiệm có thiết bị nén tạo áp lực tĩnh 300 daN/cm2 để chế bị mẫu bê tông nhựa

- Các dự án hiện nay đều quy định sử dụng chỉ tiêu độ ổn định Marshall để đánh giá bê tông nhựa về mặt cường độ mà tất cả các phòng thí nghiệm đều có đầy đủ trang thiết bị thí nghiệm

2.3.4 Thí nghiệm hạn chế ứng suất nhiệt xác định cường độ chịu kéo (AASHTO TP10)

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Phương pháp thí nghiệm này sử dụng để xác định cường độ chịu kéo và nhiệt độ xảy ra phá hoại mẫu bằng cách giảm nhiệt độ của mẫu trong khi cố

định chiều cao mẫu Khi giảm nhiệt độ, mẫu sẽ bị co lại trong khi chiều cao không thay đổi do đó làm suất hiện trong mẫu ứng suất kéo

Mẫu thí nghiệm hình trụ tròn có kích cỡ chiều cao (H) bằng 2 lần

đường kính (D) (với D=101.6mm hoặc D=152mm) được dính cố định hai đầu vào hai đầu gia tải của thiết bị thí nghiệm

Tại thời điểm ban đầu, mẫu có nhiệt độ 5±1oC, chịu tác dụng của lực kéo có độ lớn 0.04±0.004kN; sau đó giảm nhiệt với tốc độ không đổi là

10±1oC/giờ cho tới khi mẫu bị phá hoại

Tại thời điểm mẫu bị phá hoại, sẽ xác định được ứng suất kéo và nhiệt

độ tương ứng

b) ý nghĩa sử dụng:

Kết quả của thí nghiệm này được sử dụng để đánh giá chất lượng của bê tông nhựa và dự đoán hiện tượng nứt do nhiệt độ thấp trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo nguyên lý cơ học thực nghiệm

c) Nhận xét, đánh giá:

Thí nghiệm này tương đối phức tạp, yêu cầu phải có thiết bị chuyên dụng, giá thành cao

Hình 2.7 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo hạn chế ứng suất nhiệt

Hình 2.8 Mẫu sau khi thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo

hạn chế ứng suất nhiệt

2.3.5 Thí nghiệm kéo trực tiếp sử dụng tải trọng tĩnh xác định cường độ chịu kéo

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Phương pháp thí nghiệm này sử dụng để xác định cường độ chịu kéo và nhiệt độ xảy ra phá hoại mẫu bằng cách sử dụng tải trọng kéo mẫu thí nghiệm khi giảm nhiệt độ với tốc độ không đổi

Mẫu thí nghiệm hình trụ tròn có đường kính D=152mm, chiều cao H=114.3mm được dính cố định hai đầu vào hai đầu gia tải của thiết bị thí nghiệm

Cho máy hoạt động với tốc độ kéo là 0.017inh/phút cho tới khi mẫu bị phá hoại, đọc và ghi lại tải trọng và biến dạng tại thời điểm mẫu bị phá hoại

Hình 2.9 Mô hình thí nghiệm kéo trực tiếp

b) ý nghĩa sử dụng:

Kết quả của thí nghiệm này được sử dụng để đánh giá chất lượng của bê tông nhựa và dự đoán hiện tượng nứt do nhiệt độ thấp trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo nguyên lý cơ học thực nghiệm

c) Nhận xét, đánh giá:

Thí nghiệm này đơn giản hơn thí nghiệm kéo hạn chế ứng suất nhiệt

2.3.6 Thí nghiệm kéo trực tiếp sử dụng tải trọng trùng phục xác định đặc tính mỏi

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu hình trụ tròn có chiều cao (H) bằng 2 lần đường kính (D) (với D=101.6mm hoặc D=152mm) hoặc trên mẫu hình dầm có kích cỡ (75x75x225)mm

Mẫu thí nghiệm được dính cố định hai đầu vào hai đầu gia tải của thiết

bị thí nghiệm Tải trọng kéo trùng phục tác dụng lên mẫu có tần số 25Hz, với thời gian tác dụng là 0.04 giây, thời gian nghỉ thay đổi từ 0ữ1 giây

Mẫu thí nghiệm

Tấm gia tải

P Tấm gia tải

P

Tại thời điểm đầu gia tải, thời gian nghỉ gần như bằng 0, sau đó tăng thời gian nghỉ lên dần cho tới khi thời gian nghỉ là 0.4 giây Sau giai đoạn này, thời gian nghỉ gần như không ảnh hưởng nhiều đến kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm thu được là ứng suất kéo suất hiện trong mẫu và biến dạng dọc trục của mẫu

b) ý nghĩa sử dụng:

Kết quả của thí nghiệm này được sử dụng để đánh giá chất lượng của bê tông nhựa và dự đoán hiện tượng nứt do mỏi trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo nguyên lý cơ học thực nghiệm

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu hình trụ tròn có chiều cao bằng 2 lần đường kính (với đường kính D=101.6mm hoặc 152mm) hoặc trên mẫu hình dầm có kích cỡ (75x75x225)mm

Mẫu thí nghiệm được dính cố định hai đầu vào hai đầu gia tải của thiết

bị thí nghiệm, chịu tác dụng của cả tải trọng kéo và tải trọng nén với tần số tương ứng là 16.7Hz và 25Hz cho tới khi mẫu bị phá hoại

b) ý nghĩa sử dụng:

Kết quả của thí nghiệm này được sử dụng để đánh giá chất lượng của bê tông nhựa và dự đoán hiện tượng nứt do mỏi trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo nguyên lý cơ học thực nghiệm

c) Nhận xét, đánh giá:

Đây là thí nghiệm phức tạp hơn, mất nhiều thời gian hơn so với các thí nghiệm kéo khác, tải trọng thí nghiệm mô phỏng gần đúng hơn với thực tế tải trọng hiện trường

Hình 2.10 Thí nghiệm kéo, nén trực tiếp xác định đặc tính mỏi

2.4 Thí nghiệm 3 trục tải trọng trùng phục trên mẫu hình trụ tròn

a) Nội dung (nguyên lý) thí nghiệm:

Một lực có độ lớn thay đổi theo quy luật hình sin trong phạm vi tần số thí nghiệm tác dụng thẳng đứng dọc theo phương trục mẫu thí nghiệm hình trụ

có chiều cao (H) bằng hai lần đường kính (D) (với D=101.6mm hoặc D=152mm) trong khi áp lực ngang tác dụng lên mẫu cố định

Kết quả thí nghiệm thu được là mô đun đàn hồi, biến dạng vĩnh cửu và