Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BTNC Bê tông nhựa chặt CPĐD Cấp phối đá dăm NCS Nghiên cứu sinh 4PBT Four Point Bending Tests thí nghiệm uốn dầm 4 điểm AASHTO American Association of

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRẦN THIỆN LƯU

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN

ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP

MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

(Dự thảo)

Hà Nội, 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Trần Thiện Lưu

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG ASPHALT LÀM LỚP

MẶT ĐƯỜNG TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Đường ôtô và đường thành phố

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Lã Văn Chăm

GS TS Nguyễn Xuân Đào

Hà Nội, 2015

Sau hơn ba năm nỗ lực hết mình và được sự chỉ dẫn nhiệt tình của các thầy hướng dẫn, sự ủng hộ của nhà trường, sự giúp đỡ của thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, người thân, luận án “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam” của tôi đã hoàn thành

Lời tri ân sâu sắc nhất tôi xin được dành cho hai người thầy đáng kính đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, khích lệ tôi là PGS.TS Lã Văn Chăm và GS.TS Nguyễn Xuân Đào Điều đặc biệt là PGS.TS Lã Văn Chăm - người thầy đã từng hướng dẫn tôi làm luận văn thạc sĩ, nay lại tiếp tục nâng đỡ tôi làm luận án tiến sĩ Dù Thầy không hay thể hiện ra ngoài, nhưng tôi cảm nhận được sự tận tâm hiếm có GS.TS Nguyễn Xuân Đào trong suốt quá trình hướng dẫn đã thường xuyên điện thoại thăm hỏi tình hình, góp ý và động viên tôi

cố gắng sớm hoàn thành công trình nghiên cứu Những lời khen của Thầy dành cho tôi (dù tôi tự thấy mình chưa thực sự xứng đáng) là sự khích lệ quý giá, giúp tôi vượt qua những trở ngại, khó khăn để bước tiếp trên con đường khoa học không dễ dàng này

Xin chân thành cám ơn TS Nguyễn Quang Phúc - người tư vấn cho tôi chọn đề tài và

có nhiều chia sẻ về vấn đề nghiên cứu Xin chân thành cám ơn GS.TS Phạm Duy Hữu, PGS.TS Trần Thị Kim Đăng, TS Nguyễn Mai Lân, TS Nguyễn Quang Tuấn đã rất quan tâm và cho tôi nhiều góp ý chuyên môn xác đáng

Xin cám ơn Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng - Bộ môn Vật liệu xây dựng - Viện

Kỹ thuật xây dựng, Bộ môn Đường bộ trường Đại học GTVT, Phòng thí nghiệm VILAS 047, LAS-XD 456 - Trung tâm Kiểm định chất lượng CTGT Bà Rịa Vũng Tàu, Công ty Cổ phần CTGT Bà Rịa Vũng Tàu đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong công tác làm mẫu và thí nghiệm

Tôi cũng xin cám ơn Ban Giám hiệu trường Đại học GTVT TP Hồ Chí Minh đã ủng

hộ và tạo điều kiện cho tôi làm luận án Cám ơn anh em Phòng Đào tạo, các đồng nghiệp trong bộ môn đã nhiệt tình hỗ trợ công việc trong thời gian tôi đi làm nghiên cứu

Và lòng biết ơn thẳm sâu xin dành cho những người thân đã luôn ở bên và chia sẻ cùng tôi trong suốt những chặng đường gian nan vất vả vừa qua Thành quả của ngày hôm nay xin ghi khắc công lao của tất cả mọi người

Trân trọng

Hà Nội, ngày 04 tháng 5 năm 2015

Nghiên cứu sinh

Trần Thiện Lưu

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Lý do chọn đề tài 2

3 Mục đích nghiên cứu 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Chương 1 ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT 6

1.1 Định nghĩa mỏi 6

1.2 Các dạng nứt do mỏi được nghiên cứu 6

1.2.1 Nứt từ dưới lên (nứt dạng cá sấu) 7

1.2.2 Nứt từ trên xuống (nứt theo chiều dọc) 8

1.3 Phân tích các nghiên cứu liên quan về các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của bê tông asphalt 8

1.3.1 Nhóm liên quan đến tải trọng 9

1.3.2 Nhóm liên quan đến môi trường 13

1.3.3 Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt 16

1.4 Các mô hình và chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi bê tông asphalt 20

1.4.1 Các mô hình thí nghiệm 20

1.4.1.1 Mô hình uốn dầm 20

1.4.1.2 Mô hình kéo - nén 21

1.4.1.3 Mô hình cắt xoay 22

1.4.2 Các chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi 22

1.4.2.1 Khống chế ứng suất 22

1.4.2.2 Khống chế biến dạng 22

1.5 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng độ bền mỏi bê tông asphalt 23

1.5.1 Trên thế giới 23

1.5.1.1 Các trường phái thiết kế kết cấu áo đường mềm 23

1.5.1.2 Một số kết quả nghiên cứu và ứng dụng 24

1.5.2 Tại Việt Nam 28

1.6 Những vấn đề tồn tại luận án cần giải quyết 29

1.7 Mục tiêu và nội dung của đề tài nghiên cứu 30

1.7.1 Mục tiêu 30

1.7.2 Nội dung 30

1.8 Phương pháp nghiên cứu 31

1.9 Kết luận chương 1 31

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊ TÔNG Chương 2 ASPHALT TRONG MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM 33

2.1 Xác định các thông số chính cho thí nghiệm mỏi 33

2.1.1 Nhiệt độ thí nghiệm 33

2.1.2 Tần số tải thí nghiệm 35

2.1.3 Chế độ thí nghiệm 37

2.1.4 Vật liệu bê tông asphalt 39

2.1.4.1 Lựa chọn loại bê tông asphalt 39

2.1.4.2 Lựa chọn loại bột khoáng 39

2.1.5 Tổng hợp mẫu thí nghiệm 41

2.2 Chế tạo mẫu 42

2.2.1 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt 43

2.2.1.1 Vật liệu 43

2.2.1.2 Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 12,5 46

2.2.1.3 Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 19 50

2.2.2 Thi công tại hiện trường 51

2.2.2.1 Địa điểm, thời gian thi công 51

2.2.2.2 Chế tạo hỗn hợp bê tông asphalt 51

2.2.2.3 Thi công tại hiện trường 52

2.2.3 Gia công mẫu thí nghiệm 53

2.2.3.1 Cắt mẫu tại hiện trường 53

2.2.3.2 Gia công mẫu dầm tại xưởng 53

2.3 Các tính chất cơ lý của bê tông asphalt sau thi công 54

2.3.1 Bê tông asphalt loại BTNC 12,5 54

2.3.1.1 Thành phần hạt 54

2.3.1.2 Độ chặt thi công 55

2.3.1.3 Các chỉ tiêu cơ lý khác 56

2.3.2 Bê tông asphalt loại BTNC 19 57

2.3.2.1 Thành phần hạt 57

2.3.2.2 Độ chặt thi công 58

2.3.2.3 Các chỉ tiêu cơ lý khác 59

2.4 Thí nghiệm mỏi 59

2.4.1 Sấy mẫu 59

2.4.2 Lưu trữ mẫu 59

2.4.3 Mô tả thí nghiệm 60

2.4.4 Các kết quả thí nghiệm 61

2.4.4.1 Mô đun độ cứng động (Smix) 61

2.4.4.2 Ứng suất cực đại (o) 62

2.4.4.3 Biến dạng kéo cực đại (o) 62

2.4.4.4 Góc lệch pha () 63

2.4.5 Đánh giá độ tin cậy kết quả thí nghiệm 63

2.5 Kết luận chương 2 65

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỘ BỀN MỎI BÊTÔNG Chương 3 ASPHALT 67

3.1 Kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (BD) 67

3.1.1 Mô đun độ cứng (S) 69

3.1.1.1 Điều kiện thí nghiệm 10 độ C, tần số 5 Hz 69

3.1.1.2 Điều kiện thí nghiệm 10 độ C, tần số 10 Hz 71

3.1.1.3 Điều kiện thí nghiệm 20 độ C, tần số 5 Hz 72

3.1.1.4 Điều kiện thí nghiệm 20 độ C, tần số 10 Hz 73

3.1.1.5 Phân tích kết quả mô đun độ cứng 74

3.1.2 Ứng suất () 81

3.1.3 Lực tác dụng (F) 84

3.1.4 Góc lệch pha () 86

3.1.5 Xây dựng biểu thức đặc trưng độ bền mỏi BTNC 12,5 89

3.2 Kết quả thí nghiệm mỏi bê tông asphalt loại BTNC 19 91

3.2.1 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 19 91

3.2.2 Mô đun độ cứng (S) 91

3.2.3 Xây dựng biểu thức đặc trưng độ bền mỏi BTNC 19 93

3.3 Kết quả thí nghiệm mỏi loại BTNC 12,5 (CC) và BTNC 12,5 (CX) 94

3.3.1 Bê tông asphalt sử dụng bột khoáng CaCO3 94

3.3.2 Bê tông asphalt sử dụng bột khoáng CaCO3 + xi măng 98

3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt 101

3.4.1 Loại BTNC 12,5 và BTNC 19 101

3.4.2 Các loại BTNC 12,5 sử dụng loại bột khoáng khác nhau 102

3.5 Xây dựng phương trình độ bền mỏi cho các loại BTNC 12,5 đã thí nghiệm

108

3.5.1 Phương trình độ bền mỏi cho BTNC 12,5 (dạng 1) 108

3.5.2 Phương trình độ bền mỏi cho BTNC 12,5 (dạng 2) 109

3.6 Kết luận chương 3 110

ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO THIẾT KẾ KẾT CẤU Chương 4 ÁO ĐƯỜNG MỀM TẠI VIỆT NAM 112

4.1 Đề xuất kiểm toán mỏi lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm 112 4.1.1 Cơ sở lý thuyết 112

4.1.2 Trình tự tính toán 116

4.1.3 Lựa chọn điều kiện tính toán 117

4.1.3.1 Nhiệt độ 117

4.1.3.2 Tần số tải trọng 118

4.1.4 Xác định biến dạng cho phép (cp) và biến dạng tính toán (tt) 118

4.1.4.1 Biến dạng cho phép (cp) 118

4.1.4.2 Biến dạng tính toán (tt) 118

4.2 Ứng dụng kiểm toán mỏi lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường mềm 119

4.2.1 Thông số đầu vào dùng kiểm toán mỏi 119

4.2.1.1 Kết cấu áo đường, thông số vật liệu 119

4.2.1.2 Xác định điều kiện kiểm toán mỏi 120

4.2.2 Biến dạng cho phép ở đáy lớp BTNC 12,5 (cp) 120

4.2.3 Biến dạng tính toán (tt) đáy lớp BTNC 12,5 trong kết cấu áo đường 122 4.2.3.1 Mô hình tải tác dụng 122

4.2.3.2 Tính biến dạng (tt) đáy lớp bê tông asphalt 122

4.2.4 Đánh giá 123

4.2.4.1 Kết cấu 1 123

4.2.4.2 Kết cấu 2 124

4.2.4.3 Nhận xét 125

4.3 Kết luận chương 4 125

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126

1 Đóng góp về mặt khoa học 126

2 Đóng góp về mặt thực tiễn 127

3 Hạn chế 127

4 Kiến nghị 128

5 Hướng nghiên cứu tiếp 128

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ xvii

TÀI LIỆU THAM KHẢO xviii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố

Tác giả luận án

Trần Thiện Lưu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

BTNC Bê tông nhựa chặt

CPĐD Cấp phối đá dăm

NCS Nghiên cứu sinh

4PBT Four Point Bending Tests (thí nghiệm uốn dầm 4 điểm)

AASHTO American Association of State Highways and Transportation Officials

(Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước Mỹ)

AC Asphalt concrete (Bê tông asphalt)

AI Asphalt Institute (Viện asphalt)

ASTM American Society of Testing Materials (Hiệp hội thí nghiệm vật liệu

Mỹ) ITT Indirect Tensile Test (Thí nghiệm kéo gián tiếp)

LCPC Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (Phòng thí nghiệm trung

tâm Đường và Cầu) M-E Mechanical - Empirical (Cơ - thực nghiệm)

ME PDG (DARWin-ME) Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (Hướng

dẫn thiết kế mặt đường theo Cơ học thực nghiệm) NCAT The National Center for Asphalt Technology (Trung tâm công nghệ

Asphalt) NCHRP National Cooperative Highway Research Program (Chương trình hợp

tác nghiên cứu đường)

Nf Số chu kỳ tác dụng của tải trọng lặp

Nf50 Số chu kỳ tải trọng lặp tác dụng làm suy giảm mô đun độ cứng còn lại

50% trị số ban đầu RILEM The International Union of Laboratories and Experts in Construction

Materials (Hiệp hội quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia trong lĩnh vực vật liệu xây dựng)

SHRP Strategic Highway Research Program (chương trình nghiên cứu Chiến

lược đường bộ) SPDM Shell Pavement Design Manual (hướng dẫn thiết kế mặt đường Shell) UCTST Uniaxial Cyclic Tensile Stress Tests (Thí nghiệm kéo dọc trục tải trọng

lặp) AFT Apparent film thickness (chiều dày màng bi tum)

 Biến dạng tương đối (m/m), biến dạng tương đối gọi tắt là “biến dạng”

m/m ~ microstrain, viết tắt là 

Gb Tỷ trọng của bi tum

Gmb Mixture bulk specific gravity (tỷ trọng khối hỗn hợp bê tông asphalt)

Gmm Maximum specific gravity (tỷ trọng lớn nhất)

Gmm Theoretical maximum specific gravity (tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bê

tông asphalt)

Gsa Tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu

Gsb Average Aggregate Specific Gravity (tỷ trọng khối của hỗn hợp cốt liệu)

Gse Tỷ trọng có hiệu của hỗn hợp cốt liệu

HMA Hot mix asphalt (hỗn hợp bê tông nhựa nóng, gọi tắt là BTN)

Pb Total asphalt binder content (% bi tum theo khối lượng hỗn hợp)

Pba Hàm lượng bi tum hấp phụ, % khối lượng của hỗn hợp cốt liệu

Pbe Hàm lượng bi tum có hiệu, % khối lượng của hỗn hợp bê tông asphalt

Pmm % khối lượng của tổng khối lượng hỗn hợp ở trạng thái rời (Pmm= 100)

Ps Tỷ lệ cốt liệu theo % tổng khối lượng hỗn hợp bê tông asphalt

Ss Aggregate Specific Surface (tỷ diện bề mặt)

Va Volume of Air Voids (độ rỗng dư)

VBE Effective asphalt content, percent by volume (hàm lượng bi tum có hiệu)VFA Voids Filled with Asphalt (độ rỗng lấp đầy bi tum)

VMA Voids in the Mineral Aggregate (độ rỗng cốt liệu)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Ảnh hưởng yếu tố thành phần lên khả năng làm việc của hỗn hợp [31] 17

Bảng 2.1 Nhiệt độ mặt đường bê tông asphalt ở VN [4] 34

Bảng 2.2 Xác định tần số tải thông qua vận tốc và chiều dài vùng phân bố tải 35

Bảng 2.3 Tổng hợp số lượng mẫu theo điều kiện thí nghiệm độ bền mỏi 42

Bảng 2.4 Thành phần hạt các nhóm đá dùng thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt 43

Bảng 2.5 Chỉ tiêu cơ lý các nhóm đá dùng cho hỗn hợp asphalt 43

Bảng 2.6 Thành phần hạt cát tự nhiên dùng cho hỗn hợp asphalt 44

Bảng 2.7 Một số chỉ tiêu của cát tự nhiên dùng cho hỗn hợp asphalt 45

Bảng 2.8 Kết quả thí nghiệm các loại bột khoáng dùng cho nghiên cứu 45

Bảng 2.9 Kết quả thí nghiệm độ ẩm các loại bột khoáng 45

Bảng 2.10 Kết quả thí nghiệm xi măng PCB40 - Nghi Sơn 45

Bảng 2.11 Kết quả thí nghiệm bi tum dùng trong nghiên cứu 46

Bảng 2.12 Thành phần hỗn hợp cốt liệu BTNC 12,5 dùng cho nghiên cứu 47

Bảng 2.13 Kết quả thí nghiệm lựa chọn hàm lượng bi tum 47

Bảng 2.14 Kết quả thí nghiệm BTNC 12,5 với hàm lượng bi tum 5,38% 48

Bảng 2.15 Thành phần vật liệu cho 1 tấn hỗn hợp BTNC 12,5 50

Bảng 2.16 Thành phần hỗn hợp cốt liệu BTNC 19 dùng cho nghiên cứu 50

Bảng 2.17 Kết quả thí nghiệm BTNC 19 với hàm lượng bi tum 5,21% 51

Bảng 2.18 Thành phần vật liệu cho 1 tấn hỗn hợp BTNC 19 51

Bảng 2.19 Thành phần cấp phối hạt BTNC 12,5 sau thi công 55

Bảng 2.20 Độ chặt BTNC 12,5 sau thi công 55

Bảng 2.21 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của BTNC 12,5 sau thi công 56

Bảng 2.22 Cường độ kéo uốn của BTNC 12,5 thí nghiệm ở 10 độ C và 20 độ C 57

Bảng 2.23 Thành phần cấp phối hạt BTNC 19 sau thi công 57

Bảng 2.24 Độ chặt BTNC 19 sau thi công 58

Bảng 2.25 Các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNC 19 sau thi công 59

Bảng 2.26 Thời gian tối thiểu ổn định nhiệt cho mẫu trước khi thí nghiệm [41] 60

Bảng 2.27 Đánh giá độ tin cậy của kết quả thí nghiệm mỏi cho loại BTNC 12,5 64

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm độ bền mỏi BTNC 12,5 (BD) 67

Bảng 3.2 Bảng so sánh mức suy giảm mô đun độ cứng ở tần số 5 Hz và 10 Hz 76

Bảng 3.3 Bảng so sánh mức độ suy giảm độ bền mỏi theo biến dạng 80

Bảng 3.4 Bảng so sánh mức độ tăng ứng suất ban đầu theo biến dạng 83

Bảng 3.5 Bảng so sánh mức độ tăng ứng suất ban đầu theo tần số 84

Bảng 3.6 Bảng so sánh mức độ giảm lực tác dụng ban đầu theo nhiệt độ 86

Bảng 3.7 Trị số góc lệch pha ban đầu (o) ở các điều kiện thí nghiệm 89

Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 19 ở điều kiện 10 độ C, 10 Hz 91 Bảng 3.9 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (CC) 94

Bảng 3.10 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi BTNC 12,5 (CX) 98

Bảng 3.11 So sánh mô đun độ cứng ban đầu các loại BTNC 12,5 thí nghiệm 103

Bảng 3.12 Tổng hợp hệ số các phương trình độ bền mỏi đã thực hiện 106

Bảng 3.13 So sánh độ bền mỏi các loại BTNC 12,5 có bột khoáng khác nhau 107

Bảng 4.1 Bảng thông số vật liệu tham khảo dùng để phân tích mỏi 119

Bảng 4.2 Bảng giá trị 6 của BTNC 12,5 (BD) đã thí nghiệm 120

Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết quả tính biến dạng đáy lớp bê tông asphalt 123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình các dạng nứt mỏi được nghiên cứu 7

Hình 1.2 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi [29] 10

Hình 1.3 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi bê tông asphalt [46] 10

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi bê tông asphalt - UCTST [29] 11

Hình 1.5 Các dạng tải kết hợp với thời gian nghỉ (rest period) 12

Hình 1.6 Ảnh hưởng của thời gian nghỉ đến độ bền mỏi vật liệu bán mềm 12

Hình 1.7 Sự phát triển mô đun theo số chu kỳ tải [I’essai E13-Auto-100-31] 13

Hình 1.8 Sự phát triển mô đun theo thời gian [I’essai E13-Auto-100-31] 13

Hình 1.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền mỏi bê tông asphalt [46] 14

Hình 1.10 Đặc tính mỏi bê tông asphalt của SPDM (Shell - 1978) 15

Hình 1.11 Ảnh hưởng nhiệt độ và gradient nhiệt độ đến độ bền mỏi lớp BTN dày 8 inch [35] 15

Hình 1.12 Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại giữa dầm khi thí nghiệm mỏi [27] 15

Hình 1.13 Ảnh hưởng của hàm lượng Ca(OH)2 đến độ bền mỏi BTN [19] 17

Hình 1.14 Ảnh hưởng của độ rỗng dư, biến dạng đến độ bền mỏi BTN [28] 19

Hình 1.15 Ảnh hưởng của cốt liệu đến độ bền mỏi BTN [28] 19

Hình 1.16 Đường cong mỏi các loại BTN theo kích thước cốt liệu [45] 19

Hình 1.17 Đường cong mỏi các loại BTN theo hàm lượng đá dăm [45] 19

Hình 1.18 Một số dạng thí nghiệm mỏi theo mô hình uốn dầm 21

Hình 1.19 Một số dạng thí nghiệm mỏi theo mô hình kéo - nén, cắt xoay 21

Hình 1.20 Đường đặc trưng mỏi - khống chế ứng suất 22

Hình 1.21 Đường đặc trưng mỏi - khống chế biến dạng 23

Hình 1.22 Thiết bị thí nghiệm mỏi - 4PB tại trường Đại học GTVT 32

Hình 2.1 Nhiệt độ kết cấu áo đường đo trong 1 năm (Minhoto et al) [27] 33

Hình 2.2 Mô hình xác định tần số tải [34] 35

Hình 2.3 Biểu đồ dạng hình sin tải tác dụng và độ võng của dầm 36

Hình 2.4 Biểu đồ lực và độ võng dạng hình sin thí nghiệm ở tần số 5 Hz 37

Hình 2.5 Biểu đồ lực và độ võng dạng hình sin thí nghiệm ở tần số 10 Hz 37

Hình 2.6 Lỗ rỗng hình thành trong hỗn hợp bê tông asphalt 40

Hình 2.7 Tác dụng lấp đầy lỗ rỗng của bột khoáng trong bê tông asphalt 40

Hình 2.8 Các loại bột khoáng sử dụng cho nghiên cứu 41

Hình 2.9 Biểu đồ thành phần hạt cát tự nhiên dùng cho hỗn hợp asphalt 44

Hình 2.10 Biểu đồ thành phần hạt BTNC 12,5 sau khi phối trộn 47

Hình 2.11 Quan hệ giữa hàm lượng bi tum và các chỉ tiêu của BTNC 12,5 48

Hình 2.12 Biểu đồ thành phần hạt BTNC 19 sau khi phối trộn 50

Hình 2.13 Thi công lớp BTNC 12,5 và BTNC 19 tại công trường QL 51B 52

Hình 2.14 Cắt, khoan mẫu tại hiện trường 53

Hình 2.15 Tách lấy mẫu 52cm  45cm tại hiện trường 53

Hình 2.16 Gia công mẫu dầm kích thước 380mm×50mm×63mm 54

Hình 2.17 Biểu đồ thành phần hạt BTNC 12,5 thực tế sau khi thi công 55

Hình 2.18 Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn 57

Hình 2.19 Biểu đồ cấp phối hạt bê tông asphalt loại BTNC 19 sau thi công 58

Hình 2.20 Buồng ổn nhiệt và thiết bị thí nghiệm mỏi 60

Hình 2.21 Sơ đồ thí nghiệm mỏi 4PB [42] 60

Hình 2.22 Giao diện phần mềm thí nghiệm mỏi (4PBT Cooper) 61

Hình 2.23 Mô tả các thành phần của mô đun phức E* 62

Hình 2.24 Biểu đồ ứng suất, biến dạng theo thời gian 63

Hình 3.1 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu BD25 (20 độ C, 10 Hz, 200µ) 68

Hình 3.2 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu BD06 (20 độ C, 10 Hz, 400µ) 69

Hình 3.3 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 5 Hz (dạng trục logarit) 70

Hình 3.4 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 5 Hz 70

Hình 3.5 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) với số chu kỳ tải ở 10độC,

5Hz 70Hình 3.6 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 10 độ C, 10 Hz (dạng trục logarit) 71Hình 3.7 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 10 độ C, 10 Hz 71Hình 3.8 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) với số chu kỳ tải ở 10 độ C,

10Hz 72Hình 3.9 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 20 độ C, 5 Hz (dạng trục logarit) 72Hình 3.10 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) với số chu kỳ tải ở 20 độ C,

5Hz 73Hình 3.11 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 20 độ C, 10 Hz (dạng trục logarit) 73Hình 3.12 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 20 độ C, 10 Hz 74Hình 3.13 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) với số chu kỳ tải ở 20 độ C,

10 Hz 74Hình 3.14 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 10 độ C 75Hình 3.15 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 20 độ C 75Hình 3.16 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 5 Hz 77Hình 3.17 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (BD) ở 10 Hz 77Hình 3.18 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (BD) 78Hình 3.19 So sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (BD) theo tần số 79

Hình 3.20 Biểu đồ so sánh độ bền mỏi BTNC 12,5 (BD) 80

Hình 3.21 Đồ thị quan hệ giữa biến dạng () với độ võng Z (mm) 81

Hình 3.22 Biểu đồ suy giảm ứng suất theo tải trọng lặp ở 10 độ C, 5Hz 81

Hình 3.23 Biểu đồ so sánh ứng suất ban đầu của BTNC 12,5 (BD) ở các biến dạng, tần số, nhiệt độ 82

Hình 3.24 Biểu đồ so sánh ứng suất ban đầu ở các tần số, biến dạng tại 10 độ C 82

Hình 3.25 Biểu đồ so sánh ứng suất ban đầu ở các tần số, biến dạng tại 20 độ C 83

Hình 3.26 Biểu đồ giảm lực tác dụng - thí nghiệm BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C, 5Hz 85

Hình 3.27 Quan hệ giữa lực tác dụng ban đầu với biến dạng và tần số ở 10 độ C 85 Hình 3.28 Quan hệ giữa lực tác dụng ban đầu với biến dạng và tần số ở 20 độ C 85 Hình 3.29 Biểu đồ quan hệ giữa góc lệch pha với mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) ở 10 độ C 87

Hình 3.30 Biểu đồ quan hệ giữa góc lệch pha với mô đun độ cứng BTNC 12,5 (BD) ở 20 độ C 87

Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn góc lệch pha ban đầu (o) với lực tác dụng 88

Hình 3.32 Đường đặc trưng mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 (BD) 90

Hình 3.33 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 19 ở 10 độ C, 10 Hz 91

Hình 3.34 Quan hệ mô đun độ cứng BTNC 19 với số chu kỳ tải ở 10 độ C, 10 Hz92 Hình 3.35 So sánh mô đun độ cứng ban đầu BTNC 19 ở 10 độ C, 10 Hz 92

Hình 3.36 Biểu đồ suy giảm ứng suất theo tải trọng lặp của BTNC 19 ở 10 độ C, 10Hz 93

Hình 3.37 Đường đặc trưng mỏi BTNC 19 ở 10 độ C, 10 Hz 94

Hình 3.38 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu CC31 (20 độ C, 10 Hz, 200µ) 95

Hình 3.39 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu CC12 (10 độ C, 10 Hz, 400µ) 96

Hình 3.40 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC

12,5 (CC) ở 10 độ C, 5 Hz 96

Hình 3.41 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (CC) 97

Hình 3.42 Đường đặc trưng mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 (CC) 97

Hình 3.43 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu CX36 (10 độ C, 5 Hz, 400µ) 99

Hình 3.44 Giao diện phần mềm 4PBT - mẫu CX37 (20 độ C, 10 Hz, 100µ) 99

Hình 3.45 Biểu đồ giảm mô đun độ cứng theo số chu kỳ tải trọng lặp của BTNC 12,5 (CX) ở 10 độ C, 5 Hz 100

Hình 3.46 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (CX) 100

Hình 3.47 Đường đặc trưng mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 (CX) 101

Hình 3.48 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (BD) 102

Hình 3.49 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (CC) 103

Hình 3.50 Biểu đồ so sánh mô đun độ cứng ban đầu của BTNC 12,5 (CX) 103

Hình 3.51 Tổng hợp đường đặc trưng mỏi 3 loại BTNC 12,5 ở 10 độ C 105

Hình 3.52 Tổng hợp đường đặc trưng mỏi 3 loại BTNC 12,5 ở 20 độ C 105

Hình 3.53 Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 108

Hình 4.1 Toán đồ xác định giá trị Ro tại điểm C bất kỳ (theo Odemark) 114

Hình 4.2 Sơ đồ trình tự kiểm toán độ bền mỏi trong kết cấu áo đường mềm 117

Hình 4.3 Đường đặc trưng mỏi của bê tông asphalt các loại đã thí nghiệm 121

Hình 4.4 Mô hình tải trọng khai báo khi tính biến dạng 122

Hình 4.5 Kết quả tính kết cấu áo đường 1 bằng phần mềm Alizé 122

Hình 4.6 Kết quả tính kết cấu áo đường 2 bằng phần mềm Alizé 123

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Bê tông asphalt là hỗn hợp bao gồm cốt liệu khoáng và chất kết dính (nhựa đường/bi tum/asphalt) Cốt liệu thường chiếm khoảng 95% khối lượng hỗn hợp bê tông asphalt, bi tum chiếm khoảng 5% còn lại Về thể tích, một hỗn hợp bê tông asphalt điển hình có khoảng 85% cốt liệu, 10% bi tum, và khoảng 5% lỗ rỗng Một lượng nhỏ chất độn và phụ gia được thêm vào hỗn hợp bê tông asphalt để tăng cường chất lượng hoặc dễ thi công [31] Chất lượng khai thác mặt đường bê tông asphalt phụ thuộc vào tính chất của bi tum, cốt liệu, thành phần hỗn hợp, chất lượng thi công và cả các yếu tố tác động bên ngoài như xe, môi trường

Bi tum là sản phẩm còn lại sau dầu hỏa, xăng, dầu diesel, dầu mỡ,… được tinh chế từ dầu thô Bi tum có tác dụng tạo tính công tác cho hỗn hợp và liên kết cốt liệu trong bê tông asphalt Thành phần bi tum chủ yếu là carbon và hydro, với một lượng nhỏ oxy, lưu huỳnh và một số phi kim loại khác Chất kết dính bi tum là loại vật liệu đàn hồi nhớt Tính chất vật lý của bi tum khác nhau rất nhiều khi nhiệt độ thay đổi Bi tum mềm trong môi trường nhiệt độ cao; dễ nứt gãy, giòn khi nhiệt độ xuống thấp Bê tông asphalt cũng có những tính chất khác nhau theo nhiệt độ xuất phát từ đặc điểm này của bi tum

Tất cả hỗn hợp bê tông asphalt chứa một lượng nhỏ các lỗ rỗng không khí Trong phòng thí nghiệm, bê tông asphalt thường được thiết kế khoảng 4% lỗ rỗng, với một phạm vi 3% ÷ 5%, tùy thuộc vào loại hỗn hợp được thiết kế và sử dụng Với mặt đường bê tông asphalt được xây dựng đúng, thường lỗ rỗng vào khoảng 6% ÷ 8% Độ rỗng dư sau khi xây dựng - dưới tác dụng của bánh xe, thông thường sẽ dần dần nhỏ lại đạt mức giá trị thiết kế từ 3% ÷ 5% Tuy nhiên, nếu lớp bê tông asphalt không được đầm chặt đầy đủ trong quá trình xây dựng, tác dụng của bánh xe khai thác sẽ không làm giảm độ rỗng đạt tới giá trị thiết kế Kết quả là mặt đường sẽ bị rỗng và thấm nước, dẫn đến hư hỏng

Mỏi là hiện tượng nứt gãy dưới tác dụng của tải trọng lặp mà ở đó trị số lớn nhất của ứng suất nhỏ hơn cường độ chịu kéo của vật liệu Theo đó các vết nứt vi

mô trong bê tông asphalt bắt đầu xuất hiện Các vết nứt này phát triển dần và liên kết lại với nhau hình thành vết nứt lớn làm suy giảm cường độ, phá hoại lớp bê tông asphalt Lỗ rỗng trong hỗn hợp bê asphalt là tác nhân hình thành, phát triển các vết nứt vi mô Phá hoại mỏi là một trong những dạng phá hoại phổ biến của bê tông asphalt

Trong số những dạng phá hoại cơ bản của bê tông asphalt, lún vệt bánh xe (rutting) chưa được áp dụng cụ thể trong phần lớn các phương pháp thiết kế kết cấu

áo đường mềm mà mới chỉ dừng lại ở mức áp dụng kiểm tra cường độ chống lún vệt bánh trên mẫu vật liệu bê tông asphalt

Phá hoại dạng nứt thì ở mức kém hơn, chưa có tiêu chuẩn chung cho cường

độ chống nứt của bê tông asphalt Cũng đã có nhiều loại thí nghiệm nứt khác nhau được thực hiện trên thế giới, tuy nhiên chưa có những nghiên cứu cụ thể để tìm ra quy luật của nó

Trượt là một dạng phá hoại phức tạp Nó vừa liên quan đến nứt ở lớp liên kết (nứt dạng 2 - dạng cắt) do vượt quá ứng suất giới hạn, vừa liên quan đến mỏi Chưa

kể dạng phá hoại này chịu ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố phi tải trọng như: nước, thay đổi nhiệt độ,

Trong các nghiên cứu nói chung về nứt vật liệu bê tông asphalt (cracking in asphalt material) thì nứt mỏi (fatigue cracking) là một dạng nứt vi mô (micro-cracking) Mỏi là dạng phá hoại được nghiên cứu khá nhiều Nó đã trở thành dạng thí nghiệm cơ bản cho vật liệu bê tông asphalt Trên thế giới, nghiên cứu mỏi bê tông asphalt phổ biến hơn so với nghiên cứu các dạng phá hoại khác cũng như ứng dụng của chúng

Để xây dựng chiến lược phát triển hệ thống giao thông đường bộ với kết cấu

áo đường mềm được sử dụng phổ biến thì việc nắm rõ các tính chất cơ học của loại

bê tông asphalt là hết sức cần thiết, nhất là những yếu tố liên quan đến độ bền mỏi

2 Lý do chọn đề tài

Trong 4 mức độ xem xét khi đánh giá chất lượng một loại bê tông asphalt thì mỏi là cấp độ cao nhất (1-độ chặt, 2-khả năng chống lún, 3-mô đun, 4-mỏi) Với 3 cấp độ 1, 2, 3 việc nghiên cứu ứng dụng vào thực tế đã rất phổ biến Trên thế giới, nứt mỏi là dạng phá hoại được định tính và định lượng một cách rõ ràng nhất thông qua nhiều mô hình và thí nghiệm khác nhau Nhiều nơi đã áp dụng kết quả nghiên cứu mỏi vào khâu thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm với lớp bê tông asphalt đảm bảo điều kiện chịu mỏi Qua đó chất lượng khai thác của kết cấu áo đường mềm được kiểm soát, đảm bảo đạt yêu cầu cả về mặt cường độ lẫn

độ bền

Trong khi đó, tại Việt Nam (VN), cho đến nay mỏi bê tông asphalt vẫn chưa được triển khai nghiên cứu về mặt thực nghiệm một cách cụ thể Các nghiên cứu về

độ bền mỏi bê tông asphalt còn hạn chế, hiện chỉ dừng ở mức tập hợp lý thuyết Đây

là một lĩnh vực cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện Và vấn đề ứng dụng kết quả nghiên cứu mỏi bê tông asphalt của thế giới vào VN cũng chưa thực sự được quan tâm Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt (Marshall) và thiết kế kết cấu áo đường mềm theo 22TCN 211-06 [9], 22TCN 274-01 [10] ở VN chưa xét đến yếu tố mỏi bê tông asphalt một cách rõ ràng Cụ thể chúng ta chưa có định lượng trong việc thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt đạt yêu cầu về khả năng chịu mỏi, cách kiểm toán mỏi trong thiết kế kết cấu áo đường cần xem xét nghiên cứu thêm Hơn nữa trong nghiên cứu của tư vấn BCEOM năm 2006 cho thấy lượng xe quá tải hiện nay trên các tuyến quốc lộ ở VN tăng cao (được nêu tại [3]), là nguyên nhân của những hư hỏng Do đó yếu tố độ bền cần phải được xem xét cho kết cấu và vật liệu, trong đó

có mỏi vật liệu bê tông asphalt

Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh (NCS) thực hiện đề tài “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam”

3 Mục đích nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu đặc tính nứt mỏi của vật liệu bê tông asphalt và tìm ra quy luật cho phá hoại mỏi của nó ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau Từ đó tìm ra

một vài giải pháp về mặt vật liệu cho hỗn hợp bê tông asphalt đảm bảo khả năng kháng mỏi tốt hơn

Mong muốn kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt và thiết kế kết cấu áo đường mềm có xét đến đặc tính mỏi của vật liệu bê tông asphalt nhằm mục đích đảm bảo chất lượng khai thác cho kết cấu áo đường

mềm ở VN

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Với đề tài này, chúng ta sẽ tiến hành phân tích và thực hiện một số thí nghiệm đánh giá bước đầu về độ bền mỏi của bê tông asphalt chặt loại hạt vừa (BTNC 12,5)

và loại hạt lớn (BTNC 19) Nghiên cứu chú trọng đến bê tông asphalt loại BTNC 12,5 - loại vật liệu phổ biến nhất làm lớp mặt kết cấu áo đường mềm (vật liệu này sẽ được thực hiện trong điều kiện chế tạo, thi công và khai thác tại VN); đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của một số loại bột khoáng (bột đá Andesit, bột CaCO3, bột CaCO3 + xi măng) đến đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt

Nghiên cứu về mỏi đòi hỏi phải có một chương trình thí nghiệm chi tiết, công phu và tốn kém Do vậy, các trung tâm nghiên cứu lớn trên thế giới hiện nay cũng chưa thể thực hiện hết các kiểu thí nghiệm và đáp ứng mọi yêu cầu mong muốn

Tiến hành nghiên cứu độ bền mỏi bê tông asphalt trong điều kiện còn nhiều hạn chế của VN chắc chắn sẽ gặp không ít khó khăn Đây là lĩnh vực mới mẻ, không

kế thừa nhiều từ các nghiên cứu trước Vậy nên công trình nghiên cứu này chỉ tập trung đánh giá đặc tính mỏi của bê tông asphalt loại thông thường với một số điều kiện thí nghiệm nhất định

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đặc biệt quan tâm đến những chương trình thí nghiệm mỏi mới đang được thực hiện Nghiên cứu độ bền mỏi bê tông asphalt ở

VN là cần thiết và có ý nghĩa, bởi nó không chỉ phù hợp với xu hướng chung của thế giới, mà còn phù hợp với thực tế VN là ngày càng xuất hiện nhiều các biến dạng, hư hỏng trên mặt đường bê tông asphalt trong đó có nứt do mỏi

Công trình nghiên cứu này bước đầu sẽ góp phần xây dựng hệ thống lý luận

về mỏi bê tông asphalt, giúp cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư thiết kế công trình cũng như các nhà quản lý xây dựng giao thông có thêm tài liệu tham khảo

Kết quả nghiên cứu độ bền mỏi bê tông asphalt có thể được áp dụng vào trong khâu thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, thiết kế kết cấu áo đường mềm ở VN Cụ thể kết quả này có thể áp dụng trong các lĩnh vực liên quan đến việc đảm bảo độ bền mỏi và tuổi thọ khai thác cho kết cấu áo đường mềm, như:

- Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt, so sánh các loại bê tông asphalt khác nhau theo tiêu chí độ bền mỏi, làm cơ sở lựa chọn vật liệu cho hỗn hợp bê tông asphalt phát huy tốt khả năng chịu mỏi;

- Kiểm toán điều kiện mỏi cho lớp bê tông asphalt trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường mềm;

- Ứng dụng độ bền mỏi không chỉ cho phép xác định được tải trọng và lưu lượng xe nặng cho phép, mà còn xác định được thời gian khai thác của kết cấu áo đường;

- Đánh giá tuổi thọ mỏi lớp bê tông asphalt, từ đó xây dựng kế hoạch bảo dưỡng sửa chữa kết cấu áo đường mềm

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ Chương 1.

ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT

Khái niệm về phá hoại mỏi lần đầu tiên được giới thiệu trong thiết kế mặt đường mềm tại Mỹ vào năm 1948 bởi Hveem và Carmany [34] Hai nhà nghiên cứu này đã nhận ra sự suy giảm khả năng làm việc của kết cấu áo đường mềm khi chịu uốn lặp Năm 1953, tại châu Âu, Nijboer và Van der Poel tiên phong trong các nghiên cứu mỏi bê tông asphalt với thiết bị rung mặt đường [34] Kể từ đó, phá hoại mỏi chính thức được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong thiết kế kết cấu áo đường mềm

1.1 Định nghĩa mỏi

Mỏi có thể được định nghĩa như là hiện tượng nứt gãy của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng trùng phục hoặc ứng suất thay đổi trong điều kiện giá trị cực đại của ứng suất này nhỏ hơn cường độ chịu kéo của vật liệu

Nguyên nhân mỏi có thể được xem xét bởi nội bộ vật liệu tồn tại các khiếm khuyết, lỗ rỗng hoặc không đồng nhất gây ra các ứng suất tập trung, tiếp theo là xuất hiện các chỗ nứt nhỏ dưới tác dụng của tải trọng lặp và dần dần các vết nứt nhỏ này

mở rộng ra Vật liệu sẽ không ngừng bị giảm nhỏ phần diện tích hữu hiệu chịu ứng suất, tạo nên sự giảm nhỏ từng bước mô đun độ cứng và cường độ Kết quả là sự phá hoại sau một số lần tác dụng của tải trọng lặp Khả năng chống lại phá hoại mỏi của vật liệu có thể biểu thị bằng giá trị của ứng suất lặp với số lần tác dụng của tải trọng (độ bền mỏi) mà vật liệu có thể thu nhận được đến khi đạt đến phá hoại mỏi (Nf)

1.2 Các dạng nứt do mỏi được nghiên cứu

Sự phá hoại do mỏi theo phương pháp cơ học - thực nghiệm có thể được tính toán theo qui luật Miner (1959) như phương trình (1.1):



 T1

iN

n

Trong đó:

D : phá hoại do mỏi

T : tổng số chu kỳ tính toán mỏi

ni : lưu lượng giao thông thực tế đối với chu kỳ thứ i

Ni : lưu lượng giao thông cho phép đối với chu kỳ thứ i

Phá hoại do mỏi có nhiều dạng khác nhau, tuy nhiên tổng thể có thể xem xét đến 2 loại đặc trưng [25] như sau:

1.2.1 Nứt từ dưới lên (nứt dạng cá sấu)

Loại nứt mỏi đầu tiên xuất hiện là các vết nứt dọc, ngắn trong phần mặt đường xe chạy Vết nứt này nhanh chóng lan rộng và kết nối với nhau để tạo thành một chuỗi các vết nứt hay còn gọi là vết nứt dạng da cá sấu (nứt cá sấu) Những vết nứt này bắt đầu từ dưới cùng của lớp bê tông asphalt, sau đó mở rộng dần và lan truyền lên bề mặt Dạng nứt mỏi này là kết quả quá trình biến dạng () lặp đi lặp lại tại đáy lớp bê tông asphalt khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe Cơ chế này được minh họa tại Hình 1.1a

a/ Mô hình nứt từ dưới lên b/ Mô hình nứt từ trên xuống

Hình 1.1 Mô hình các dạng nứt mỏi được nghiên cứu Một số lý do của dạng nứt này:

- Lớp mặt bê tông asphalt mỏng hoặc yếu

- Tải trọng bánh xe lớn và áp suất lốp xe cao

- Nền, móng yếu

- Lớp móng không đảm bảo độ chặt, độ ẩm cao hoặc mực nước ngầm cao

1.2.2 Nứt từ trên xuống (nứt theo chiều dọc)

Hầu hết các vết nứt mỏi là truyền từ dưới lên (dạng mục 1.2.1) Tuy nhiên, có nhiều bằng chứng liên quan đến tải trọng cho thấy các vết nứt bắt đầu xuất hiện ở bề mặt và truyền xuống dưới, cơ chế này được minh họa ở Hình 1.1b Đã có nhiều ý kiến khác nhau về cơ chế gây ra hai loại vết nứt nói trên, tuy nhiên chưa có kết luận khẳng định loại nứt nào là phổ biến hơn

Một số lý do của dạng nứt này:

- Tải trọng bánh xe gây ra ứng suất biến dạng tại các vết nứt có sẵn ở bề mặt

- Lão hóa lớp bê tông asphalt bề mặt sẽ làm tăng tốc độ lan truyền vết nứt

- Khi xe chạy, tải trọng bánh xe tạo ra ứng suất tiếp tác dụng lên bề mặt, đặc biệt với tải trọng nặng sẽ gây nứt bề mặt lớp bê tông asphalt

- Lão hóa phần bê tông asphalt gần bề mặt, kết quả là độ cứng cao, kết hợp với

áp lực bánh xe sẽ gây nứt

Các phá hoại được xem xét phân tích khi thiết kế kết cấu áo đường mềm được đề cập trong tài liệu [25], bao gồm:

- Nứt mỏi từ dưới lên

- Nứt mỏi từ trên bề mặt trên xuống

- Mỏi trong các lớp vật liệu gia cố vô cơ (kết cấu mặt đường nửa cứng)

- Biến dạng vĩnh cửu (rutting)

- Nứt nhiệt

1.3 Phân tích các nghiên cứu liên quan về các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền

mỏi của bê tông asphalt

Nhiều yếu tố đã được xác định có ảnh hưởng đến độ bền mỏi của bê tông asphalt và chia thành ba nhóm chính sau:

- Nhóm liên quan đến tải trọng

- Nhóm liên quan đến môi trường

- Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt

1.3.1 Nhóm liên quan đến tải trọng

Độ bền mỏi của bê tông asphalt chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính của tải trọng như: trị số độ lớn tải trọng, chế độ tải, hình dạng sóng tải, thời gian nghỉ (rest period)

và tần số tải trọng

Trong thí nghiệm, xác định chế độ tải tác dụng tốt nhất để mô phỏng tải trọng thực tế đã được Monismith & Deacon (1969), Monismith et al (1977) thực hiện [34] Các loại tải trọng được thể hiện thông qua yếu tố MF xác định theo phương trình (1.2):

| | | |

Trong đó: A : tỷ lệ % thay đổi ứng suất

B : tỷ lệ % thay đổi biến dạng đối với giảm tỷ lệ % độ cứng cố định

MF giả định một giá trị -1 cho điều kiện kiểm soát ứng suất, và + 1 cho điều kiện kiểm soát biến dạng (Monismith, 1966) [34]

Tải trọng áp dụng cho thí nghiệm mỏi thường thông qua hai cách khống chế: 1) ứng suất không đổi, 2) biến dạng không đổi Các nhà nghiên cứu đã phân tích một

số đặc điểm của hai chế độ thí nghiệm này

- Đối với chế độ thí nghiệm khống chế ứng suất thì biến dạng trong mẫu sẽ tăng lên khi số lượng tải trọng lặp tác dụng tăng

- Đối với chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng thì ứng suất sẽ giảm khi số lượng tải trọng lặp tác dụng tăng, trị số lực tác dụng giảm dần

Đối với một loại bê tông asphalt, độ bền mỏi khi thí nghiệm với chế độ khống chế biến dạng sẽ cho kết quả cao hơn so với chế độ khống chế ứng suất [31]

Vấn đề tần số tải trọng tác dụng đã được K Mollenhauer & M Wistuba [29] nghiên cứu bằng mô hình uốn dầm 4 điểm (khống chế biến dạng [41]) Kết quả cho thấy độ bền mỏi (số chu kỳ tải) cao hơn khi thí nghiệm ở tần số thấp, được thể hiện tại Hình 1.2

Hình 1.2 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi [29]

Đường đặc trưng mỏi ở tần số 30 Hz nằm dưới đường đặc trưng mỏi tần số 10

Hz Xét tại 1 mức biến dạng (a) bất kỳ thì giá trị độ bền mỏi (Nf50) tương ứng ở tần

số 30 Hz luôn nhỏ hơn Nf50 ở tần số 10 Hz

Trong thí nghiệm mỏi với chế độ khống chế ứng suất, O.V Drovaleva đã chỉ

ra rằng độ bền mỏi của bê tông asphalt tăng lên khi tăng tần số tải trọng tác dụng [46] Bê tông asphalt có tính đàn hồi - nhớt; tính nhớt và mô đun đàn hồi động của

bê tông asphalt tăng khi thời gian lực tác dụng lên nó giảm Với một giá trị ứng suất được khống chế, khi tăng tần số tải trọng tác dụng thì biến dạng sẽ giảm; khi đó độ bền mỏi sẽ tăng Kết quả nghiên cứu của O.V Drovaleva thể hiện tại Hình 1.3

Hình 1.3 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi bê tông asphalt [46]

Mollenhauer & Lorenzl đã thực hiện thí nghiệm mỏi với mô hình kéo - nén dọc trục (UCTST), bằng chế độ kiểm soát ứng suất, kết quả cho thấy tần số thấp sẽ làm giảm số chu kỳ tải trọng tác dụng lên mẫu đến khi xuất hiện vết nứt (macro

crack), tức là độ bền mỏi giảm (nội dung được nêu tại [29]) Kết quả này được thể hiện tại Hình 1.4

Hình 1.4 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi bê tông asphalt - UCTST [29]

Mô đun độ cứng và góc lệch pha phụ thuộc vào tần số; gia tăng tần số sẽ làm tăng độ cứng của vật liệu, và như vậy với mức biến dạng cao hơn thì sẽ gây ra ứng suất lớn hơn

Khi phân tích dạng tải trọng tác dụng, Raithby & Sterling (1972) đã có nghiên cứu ảnh hưởng của tải dạng sóng và tải có chế độ thời gian nghỉ (rest period) đến độ bền mỏi bê tông asphalt Nghiên cứu sử dụng ba dạng tải sóng khác nhau Thí nghiệm với một loại bê tông asphalt; kết quả cho thấy tải dạng hình sin và dạng sóng vuông cho độ bền mỏi nhỏ hơn tải dạng sóng hình tam giác [36] Những trường hợp thí nghiệm với tải tác dụng có chế độ thời gian nghỉ thì độ bền mỏi tăng lên đáng kể

so với dạng tải tác dụng liên tục [36]

Thời gian nghỉ được xét cho hai trường hợp: 1) thời gian nghỉ xen kẽ giữa các chu kỳ tải tạo nên một chu kỳ hỗn hợp và 2) thời gian nghỉ ngắt quãng giữa các đợt tác dụng của tải trọng Với trường hợp thứ 1), Joel Oliveira và cộng sự [26] đã có nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghỉ đến độ bền mỏi vật liệu bán mềm (thí nghiệm uốn dầm 4 điểm) Có bốn dạng tải được sử dụng như Hình 1.5 và kết quả độ

bền mỏi thể hiện tại Hình 1.6

Hình 1.5 Các dạng tải kết hợp với thời gian nghỉ (rest period)

Hình 1.6 Ảnh hưởng của thời gian nghỉ đến độ bền mỏi vật liệu bán mềm Kết quả ở Hình 1.6 cho thấy chế độ tải hình sin liên tục (Hình 1.5a) làm suy giảm mô đun độ cứng nhanh nhất và đạt độ bền mỏi là nhỏ nhất Ngược lại, chế độ tải Hình 1.5d (1 chu kỳ + 2 khoảng nghỉ) đạt độ bền mỏi cao nhất trong bốn dạng tải nêu trên

Với trường hợp thứ 2), kết quả nghiên cứu của I’essai E13-Auto-100-31 (Pháp) cho thấy có sự ảnh hưởng đáng kể của thời gian nghỉ đến mô đun độ cứng và

độ bền mỏi bê tông asphalt, thể hiện tại Hình 1.7, Hình 1.8 Sau thời gian nghỉ, mô đun độ cứng của bê tông asphalt được hồi phục đáng kể Tuy nhiên sau vài khoảng thời gian nghỉ (theo Hình 1.7, Hình 1.8 là 3 lần) mô đun độ cứng của bê tông asphalt suy giảm hẳn, không còn khả năng hồi phục như trước đó Lý do được giải thích là

vật liệu đã mỏi dần theo quá trình chịu tải trọng lặp

Hình 1.7 Sự phát triển mô đun theo số chu

kỳ tải [I’essai E13-Auto-100-31]

Hình 1.8 Sự phát triển mô đun theo thời gian [I’essai E13-Auto-100-31] Van Dijk et al (1972) đã chứng minh tác dụng có lợi của thời gian nghỉ đến

độ bền mỏi [34] Nó phản ánh sự gia tăng đáng kể độ bền mỏi so với dạng tải thí nghiệm không có thời gian nghỉ Bonnaure et al (1982) cũng đã nghiên cứu cho kết luận tương tự, và lợi ích này dường như được đạt tối đa khi thời gian nghỉ tương đương với 25 lần chu kỳ tải trọng So với chế độ kiểm soát biến dạng, độ bền mỏi khi thực hiện với chế độ kiểm soát ứng suất cũng đạt được nhiều tác dụng có lợi từ khoảng thời gian nghỉ này [34]

Thời gian nghỉ, tần số tải và thời gian tải phụ thuộc lẫn nhau Một số nghiên cứu đã được tiến hành để xác định ảnh hưởng tần số tải đến độ bền mỏi của các hỗn hợp bê tông asphalt, ảnh hưởng của thời gian tải đến độ bền mỏi Điển hình cho những nghiên cứu trên là của các tác giả Pell và Taylor (1969), Raithby và Sterling (1970), Epps và Monismith (1972) [34]

1.3.2 Nhóm liên quan đến môi trường

Độ ẩm, nhiệt độ và bức xạ nhiệt là yếu tố quan trọng của môi trường ảnh hưởng đến sự làm việc của bê tông asphalt Một số nhà khoa học khi đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và tìm thấy sự gia tăng độ bền mỏi ở nhiệt độ thấp trong các thí nghiệm khống chế ứng suất, ngược lại độ bền mỏi bị suy giảm ở nhiệt độ thấp trong các thí nghiệm khống chế biến dạng Những nghiên cứu như vậy đã được thực hiện bởi Pell và Taylor (1969), Raithby và Sterling (1970), Epps và Monismith (1972), Hsu và Tseng (1996) [34]

Thí nghiệm với chế độ khống chế ứng suất, O.V Drovaleva đã chỉ ra rằng khi tăng nhiệt độ thì độ bền mỏi của bê tông asphalt giảm, đồng thời hiệu ứng nhiệt sẽ giảm xuống khi tần số tải tăng lên [46] Kết quả nghiên cứu thể hiện tại Hình 1.9

Hình 1.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền mỏi bê tông asphalt [46]

Độ dốc nghiêng của đồ thị so với trục nằm ngang trong Hình 1.9 được gọi là

hệ số mỏi Hệ số mỏi giảm khi nhiệt độ thí nghiệm giảm Nhiệt độ thí nghiệm mỏi tăng làm giảm mô đun độ cứng của vật liệu Đối với chế độ thí nghiệm khống chế ứng suất, ứng với mô đun độ cứng nhỏ thì mức biến dạng hình thành trong mẫu thí nghiệm cao Mức tăng biến dạng trong mẫu nhanh hơn khi tăng nhiệt độ thí nghiệm Mức biến dạng lớn này sẽ làm giảm nhanh độ bền mỏi vật liệu bê tông asphalt khi nhiệt độ tăng Kết quả thí nghiệm thể hiện tại Hình 1.9 cho thấy điều đó, nhiệt độ thí nghiệm cao cho các đường đặc trưng độ bền mỏi nằm dưới các đường thí nghiệm ở nhiệt độ thấp

Phương pháp thiết kế của Shell (SPDM - Shell, 1978) [27] đưa ra kết luận rằng nhiệt độ giảm có thể góp phần vào sự gia tăng độ bền mỏi bê tông asphalt SPDM cũng đưa ra một tập hợp các kết quả thí nghiệm về mối quan hệ giữa biến dạng cho phép của nhiều hỗn hợp bê tông asphalt có độ cứng khác nhau với độ bền mỏi Một vài kết quả được thể hiện tại Hình 1.10 [27] Qua đó cho thấy sự gia tăng

độ cứng hỗn hợp bê tông asphalt (Smix) sẽ làm giảm biến dạng mỏi; khi tăng độ cứng vượt một giá trị nhất định (≈ 1010

N/m2) thì biến dạng mỏi tăng trở lại Nhiệt độ ở đây được phân tích là yếu tố ảnh hưởng nhiều đến độ cứng của bê tông asphalt (tỷ lệ thuận)

Hình 1.10 Đặc tính mỏi bê tông asphalt của

Trong thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm, M.J.C Minhoto [27] đã tiến hành đo nhiệt độ bề mặt và bên trong mẫu ở khu vực giữa dầm Kết quả thể hiện tại Hình 1.12

Hình 1.12 Biểu đồ phát triển nhiệt độ tại giữa dầm khi thí nghiệm mỏi [27] Kết quả cho thấy có sự thay đổi nhiệt độ sau quá trình dầm chịu tác dụng của tải trọng lặp [27] Thí nghiệm ở nhiệt độ thấp đồng thời với mức biến dạng lớn thì

tốc độ tăng nhiệt độ bên trong mẫu nhanh hơn và có giá trị lớn hơn nhiệt độ tại bề mặt mẫu Do vậy ở các mức nhiệt độ thấp, độ bền mỏi sẽ cũng có xu hướng tăng lên khi nhiệt độ giảm xuống

1.3.3 Nhóm liên quan đến hỗn hợp bê tông asphalt

Thành phần hỗn hợp, loại/hàm lượng bi tum, loại cấp phối, thành phần cấp phối và độ rỗng có ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt Các tác giả: Jiminez

và Gallaway (1962); Pell (1967); Epps và Monismith (1969); Pell và Taylor (1969)

đã đề xuất hàm lượng bi tum tối ưu cho hỗn hợp bê tông asphalt nhằm đạt đến độ bền mỏi tốt nhất Epps và Monismith (1969) tại Hoa Kỳ, Pell và Taylor (1969) tại Anh có các nghiên cứu định lượng về ảnh hượng của độ rỗng dư đến độ bền mỏi bê tông asphalt

Kết quả nghiên cứu của Bonnaure et al (1982) [34] cho thấy ở nhiệt độ cao

và chất kết dính mềm hơn sẽ tăng tác dụng có lợi về độ bền mỏi bê tông asphalt

Al-Suhaibani (1992) đã sử dụng Ca(OH)2 thay cho một phần bột khoáng địa phương (Baghdad, Iraq) trong hỗn hợp bê tông asphalt Kết quả cho thấy hàm lượng

và tính chất bột khoáng có ảnh hưởng đến khả năng kháng lún vệt bánh của bê tông asphalt Nó làm thay đổi một số tính chất cơ học của bê tông asphalt như: mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo, độ ổn định Hveem, và các chỉ tiêu Marshall khác Bột khoáng Ca(OH)2 đã cải thiện được khả năng kháng lún vệt bánh và độ bền mỏi cho

bê tông asphalt Hàm lượng Ca(OH)2 từ 2% ÷ 3% có ảnh hưởng đáng kể đến việc cải thiện độ bền mỏi [19] Điều này được minh chứng rõ hơn khi Al-Suhaibani sử dụng phần mềm VESYS5W phân tích các kết cấu với lớp bê tông asphalt dày 15cm (cho từng hàm lượng Ca(OH)2) trên lớp móng dày 40cm, thông số tải tính toán là

1106 ESALs tác dụng liên tục trong 10 năm Kết quả cho thấy loại bê tông asphalt không sử dụng Ca(OH)2 làm bột khoáng (tức là 0%) có chỉ số nứt là 5,34 (nứt nghiêm trọng); trong khi đó với hàm lượng 2% và 3% Ca(OH)2 thì chỉ số nứt lần lượt là 2,63 (nứt trung bình) và 1,45 Kết quả thí nghiệm độ bền mỏi theo từng hàm lượng Ca(OH)2 được thể hiện tại Hình 1.13

Hình 1.13 Ảnh hưởng của hàm lượng Ca(OH)2 đến độ bền mỏi BTN [19] Nghiên cứu NCHRP [31] đã tổng kết ảnh hưởng các yếu tố thành phần đến đặc tính làm việc của hỗn hợp bê tông asphalt, trong đó có sức kháng mỏi Nội dung được thể hiện tại Bảng 1.1

Bảng 1.1 Ảnh hưởng yếu tố thành phần lên khả năng làm việc của hỗn hợp [31]

Thành

Khả năng chống lún vệt bánh và biến dạng vĩnh cửu

Khả năng chống nứt mỏi

Khả năng chống nứt ở nhiệt độ thấp

Khả năng chống phá hoại của độ

ẩm

Độ bền/khả năng chống thấm nước

và không khí

Chất kết

dính

Gia tăng mức nhiệt độ

cao của cấp nhựa (PG) ↑↑↑

Gia tăng hàm lượng bột

khoáng và/hoặc bụi / hệ

số chất kết dính

↑↑

Thành

Khả năng chống lún vệt bánh và biến dạng vĩnh cửu

Khả năng chống nứt mỏi

Khả năng chống nứt ở nhiệt độ thấp

Khả năng chống phá hoại của độ

ẩm

Độ bền/khả năng chống thấm nước

và không khí

Gia tăng độ rỗng cốt liệu

(VMA) thiết kế và/hoặc

hàm lượng chất kết dính

Gia tăng độ rỗng thi công

Trong Bảng 1.1, một mũi tên hướng lên cho thấy một chỉ số tính chất được cải thiện với sự gia tăng của yếu tố thành phần Một mũi tên hướng xuống cho thấy các chỉ số tính chất bị suy giảm với sự gia tăng yếu tố thành phần Mối quan hệ giữa

độ cứng chất kết dính và khả năng chống mỏi phụ thuộc vào kết cấu mặt đường Với kết cấu mỏng, gia tăng độ cứng chất kết dính sẽ làm giảm sức kháng mỏi Tuy nhiên với kết cấu dày thì ngược lại, gia tăng độ cứng chất kết dính sẽ cũng làm gia tăng sức kháng mỏi Đó là lý do tại sao có hai mũi tên đi theo hai hướng khác nhau cho một mục trong Bảng 1.1 Tầm quan trọng tương đối của một trong những yếu tố sẽ được chỉ định bởi số lượng mũi tên thể hiện trong Bảng 1.1

Ảnh hưởng của độ rỗng dư (Va) đến độ bền mỏi đã được định lượng bởi các nghiên cứu của Epps, Monismith (1969, Mỹ) và Pell, Taylor (1969, Anh) Kết quả cho thấy giảm độ rỗng dư hỗn hợp sẽ làm tăng độ bền mỏi bê tông asphalt Cũng với nghiên cứu như vậy, Mofreh F Saleh [34] nhận định rằng gia tăng độ rỗng dư cũng chính là tăng sự gián đoạn trong cấu trúc cốt liệu và chất kết dính của hỗn hợp bê tông asphalt Qua đó vết nứt phát triển và lan truyền trong hỗn hợp dễ dàng hơn, đồng nghĩa với đó là sự suy giảm nhanh độ bền mỏi Mofreh F Saleh cũng chỉ ra độ bền mỏi của bê tông asphalt loại hạt mịn AC10 là cao hơn so với loại hạt thô AC14

Vấn đề này được giải thích thông qua các đường nứt của mẫu bê tông asphalt loại AC10 là dài và phức tạp hơn so với loại AC14 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng độ rỗng dư, mức biến dạng và loại cỡ hạt đến độ bền mỏi bê tông asphalt của Mofreh F Saleh được thể hiện tại Hình 1.14, Hình 1.15

Hình 1.14 Ảnh hưởng của độ rỗng dư, biến

(1) - BTN hạt lớn, (2) - BTN hạt mịn, (3) - BTN cát

(1) - BTN loại A (đá dăm 50÷60%), (2) - BTN loại B (đá dăm 40÷50%), (3) - BTN loại C (đá dăm 30÷40%) Hình 1.16 Đường cong mỏi các loại BTN

theo kích thước cốt liệu [45]

Hình 1.17 Đường cong mỏi các loại BTN

theo hàm lượng đá dăm [45]

Kết quả ở Hình 1.16 cho thấy độ bền mỏi tỷ lệ nghịch với kích thước cốt liệu

của hỗn hợp bê tông asphalt Kích thước cốt liệu càng lớn thì độ bền mỏi càng giảm Kết quả ở Hình 1.17 cho thấy phá hoại do mỏi xuất hiện với tần suất cao hơn đối với các loại bê tông asphalt có hàm lượng đá dăm nhiều Đồng thời tốc độ suy giảm độ bền mỏi của loại bê tông asphalt có hàm lượng đá dăm nhiều là rất nhanh, thể hiện qua độ dốc đường đặc trưng mỏi (1) - BTN loại A có hàm lượng đá dăm 50% ÷ 60%

Đối với một kết cấu áo đường, độ bền mỏi sẽ tăng lên cùng với hàm lượng bi tum có hiệu (VBE) tăng (trang 70 [31]) Vì VBE tương đương với độ rỗng của cốt liệu (VMA) trừ đi độ rỗng dư (Va); vậy nên các thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt kiểm soát VBE cũng chính là cách kiểm soát VMA và độ rỗng dư thiết kế (Va) cho hỗn hợp Tuy nhiên, khi tăng VMA hoặc giảm Va quá nhiều có thể làm giảm đáng kể sức kháng lún vệt bánh (rutting) Do đó VBE cũng sẽ phải được khống chế ở một mức đảm bảo chiều dày màng bi tum biểu kiến (AFT) nằm trong giới hạn 7 ÷ 9 microns, không nhỏ hơn 6 microns và cũng không lớn hơn 10 microns (chương 8, [31]) Theo đó, giá trị AFT < 7 microns thì hỗn hợp không có khả năng chịu mỏi tốt, ngược lại AFT > 9 microns thì nó không có khả năng chống lún vệt bánh tốt

1.4 Các mô hình và chế độ kiểm soát thí nghiệm mỏi bê tông asphalt

1.4.1 Các mô hình thí nghiệm

1.4.1.1 Mô hình uốn dầm

Việc xác định mối quan hệ giữa độ bền mỏi với ứng suất hoặc biến dạng được thực hiện trên một mẫu dầm dưới tác dụng của tải trọng lặp, phổ biến là dạng tải hình sin Theo mô hình này, trên thế giới đã phát triển thành các dạng thí nghiệm uốn dầm 2 điểm - dạng ngàm (Hình 1.18a), uốn dầm 3 điểm (Hình 1.18b), uốn dầm

4 điểm (Hình 1.18c), uốn dầm 5 điểm (Hình 1.18d), uốn lặp trên nền đàn hồi [36], [32]

Dạng thí nghiệm uốn dầm 3, 4, 5 điểm được mô phỏng giống với các điều kiện khai thác thực tế mà lớp mặt đường bê tông asphalt phải làm việc Mặc dù các dạng này mô phỏng điều kiện làm việc thực tế tốt hơn so với uốn dầm 2 điểm nhưng tình trạng ứng suất chủ yếu vẫn là một trục và phụ thuộc chất lượng ngàm mẫu vào

thiết bị thí nghiệm, ứng suất không thể đảo ngược (Barksdale, 1977)

Hình 1.18 Một số dạng thí nghiệm mỏi theo mô hình uốn dầm

1.4.1.2 Mô hình kéo - nén

- Kéo - nén đúng tâm (Hình 1.19a)

Xác định trực tiếp mối quan hệ giữa độ bền mỏi và ứng suất/biến dạng dưới tác dụng của tải trọng lặp dạng hình sin, đồng trục có hoặc không có sự đảo ngược ứng suất

- Ép chẻ (kéo gián tiếp) Hình 1.19b

Xác định trực tiếp mối quan hệ giữa độ bền mỏi và ứng suất/biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động lên mẫu hình trụ theo hướng đường sinh

a/ Kéo nén dọc trục b/ Kéo gián tiếp c/ Kéo - nén d/ Cắt xoay

Hình 1.19 Một số dạng thí nghiệm mỏi theo mô hình kéo - nén, cắt xoay

- Phương pháp ba trục: xác định trực tiếp mối quan hệ giữa độ bền mỏi và ứng

a/ Uốn dầm 2 điểm (2PB) b/ Uốn dầm 3 điểm (3PB)

c/ Uốn dầm 4 điểm (4PB) d/ Uốn dầm 5 điểm (5PB) (Laajili 2003)