Nghiên cứu đề xuất phân vùng nhiệt độ lựa chọn mác nhựa theo hệ thống Superpave ở Việt Nam

- Phân loại theo độ nhớt đã xem xét tới tính nhạy cảm về nhiệt độ của nhựa đường cả ở nhiệt độ mặt đường trong khai thác, 60o C, nhiệt độ trong sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa, 135o C, từ

- -NGUYỄN XUÂN TRƯỞNG

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHÂN VÙNG NHIỆT ĐỘ LỰA CHỌN MÁC NHỰA THEO HỆ THỐNG

SUPERPAVE Ở VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

Mã số: 60.58.02.05.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

TS Nguyễn Quang Phúc

Hà Nội - 2015

Luận văn tốt nghiệp cao học được hoàn thành tại Trường Đại học Giao thông vậntải Hà Nội Có được bản luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâusắc tới Trường Đại học Giao thông vận tải Hà Nội, Phòng đào tạo sau đại học, Bộ

môn Đường bộ, đặc biệt là Thầy giáo TS Nguyễn Quang Phúc đã trực tiếp hướng

dẫn, dìu dắt, giúp đỡ em với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trìnhtriển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu đề xuất phân vùng nhiệt độlựa chọn mác nhựa theo hệ thống Superpave ở Việt Nam”

Em xin chân thành cảm ơn Cô giáo PGS TS Nguyễn Thị Kim Đăng là người đãsoạn thảo giáo trình “Độ bền khai thác và tuổi thọ kết cấu mặt đường bê tông nhựa”

Để làm được đề tài này em đã đọc, tìm hiểu và rút ra được rất nhiều kiến thức từgiáo trình nêu trên

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo đã trực tiếp giảng dạy, truyền đạtnhững kiến thực khoa học chuyên ngành Xây dựng đường ô tô và thành phố cho emtrong suốt những năm tháng qua

Em xin chân thành cảm ơn các bạn học viên trong lớp Xây dựng đường ô tô vàThành phố K21.1A đã góp ý kiến và giúp đỡ cùng em triển khai và hoàn thành đềtài

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân đã nuôidưỡng, giúp đỡ em trưởng thành như ngày hôm nay

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người!

Bảng 2.1: Điều chỉnh mác nhựa theo điều kiện giao thông 37

Bảng 2.2: Cấp phối hỗn hợp Superpave 38

Bảng 2.3: Khống chế hỗn hợp bê tông nhựa 38

Bảng 2.4: Yêu cầu cốt liệu 39

Bảng 2.5: Số lần đầm nén thiết kế 40

Bảng 2.6: Các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế hỗn hợp 40

Bảng 2.7: Yêu cầu BTN theo Superpave 47

Bảng 2.8: Cấp phối cốt liệu BTN theo Superpave 48

Bảng 2.9: Tỷ lệ mặt vỡ cốt liệu thô 49

Bảng 2.10: Các chỉ tiêu của cốt liệu 49

Bảng 2.11: Yêu cầu BTN theo Marshall 50

Bảng 2.12: Cấp phối cốt liệu BTN theo Marshall 51

Bảng 3.1: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG ở Oman 68

Bảng 3.2: Điều chỉnh mác nhựa theo điều kiện giao thông 71

Bảng 3.3: Điều chỉnh mác nhựa theo NCHRP- Report 673 71

Bảng 3.4: Các trạm khí tượng nghiên cứu 73

Bảng 3.5: Lọc số liệu và tính toán trạm Láng – Hà Nội 77

Bảng 3.6: Kết quả phân tích nhiệt độ các trạm khí tượng miền Bắc 81

Bảng 3.7: Lọc số liệu và tính toán trạm Thanh Hóa 83

Bảng 3.8: Kết quả phân tích nhiệt độ các trạm khí tượng miền Trung, Tây Nguyên .85

Bảng 3.9: Lọc số liệu và tính toán trạm Cao Lãnh 87

Bảng 3.10: Kết quả phân tích nhiệt độ các trạm khí tượng miền Nam 90

Bảng 3.11: Kết quả tính toán mác nhựa PG theo SHRP và LTPP 91

Bảng 3.12: Bảng kết quả mác nhựa đường theo PG 94

Hình 1.1: Bản đồ các trạm khí hậu và nhiệt độ không khí cao nhất 7

Hình 1.2: Bản đồ các trạm khí hậu và nhiệt độ không khí thấp nhất 8

Hình 1.3: Thông số của 5 trạm quan trắc gần với điểm xây dựng 8

Hình 1.4: Các trạm đo đạc nhiệt độ trong kết cấu áo đường 10

Hình 1.5: So sánh nhiệt độ đo dưới mặt đường 25mm của SMP và mô hình SHRP12 Hình 1.6: Quan hệ nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ không khí 13

Hình 1.7: Quan hệ nhiệt độ mặt đường và vĩ độ 13

Hình 1.8: Quan hệ nhiệt độ mặt đường theo chiều sâu 14

Hình 1.9: Tương quan nhiệt độ mặt đường đo thực tế và theo mô hình LTPP 14

Hình 1.10: So sánh nhiệt độ dưới 20mm mặt đường mô hình LTPP và SHRP 15

Hình 1.11: So sánh nhiệt độ 25mm mặt đường mô hình LTPP và kết quả đo SMP 15 Hình 1.12: Thiết bị thử nghiệm nhiệt độ bắt lửa bằng cốc hở Cleveland điển hình 16 Hình 1.13: Biểu đồ quan hệ độ nhớt – nhiệt độ 17

Hình 1.14: Thiết bị Nhớt kế Brookfield điển hình 18

Hình 1.15: Thiết bị RTFOT điển hình 19

Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động của thiết bị RTFOT 19

Hình 1.17: Mô hình thiết bị thí nghiệm PAV 21

Hình 1.18:Thiết bị PAV điển hình 21

Hình 1.19: Nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm DSR 22

Hình 1.20:Thiết bị DSR điển hình 23

Hình 1.21: Nguyên lý tính toán G* và δ 24

Hình 1.22: Mô hình thí nghiệm của thiết bị BBR 25

Hình 1.23:Thiết bị BBR điển hình 25

Hình 1.24: Cấu tạo và kích thước mẫu BBR 25

Hình 1.25: Quan hệ giữa biến dạng đàn hồi với S và m 26

Hình 1.26: Mô hình kéo trực tiếp DTT và quan hệ ứng suất - biến dạng 27

Hình 1.27: Thiết bị DTT điển hình 27

Hình 1.28: Ứng xử của nhựa đường Polyme với tải trọng lặp (MSCR) 28

Hình 1.29: Đồ thị xác định giá trị % hồi phục trong thử nghiệm MSCR 29

Hình 2.1 Mô tả trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Superpave 36

Hình 2.2 Biểu đồ lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu 36

Hình 2.3 Biểu đồ quan hệ số lần đầm và % tỷ trọng Gmm 37

Hình 2.4: Lựa chọn 3 cấp phối BTN19 39

Hình 2.5: Các vùng của Mỹ sử dụng nhựa PG70-10 48

Hình 3.3: Các vùng của Mỹ sử dụng nhựa PG64-xx 60

Hình 3.4: Lựa chọn thông số khí hậu của MEPDG 61

Hình 3.5: Phân vùng nhiệt độ Tmax-Tmin của Trung Quốc 63

Hình 3.6: Phân vùng lượng mưa (tuyết) Wcp của Trung Quốc 64

Hình 3.7: Phân vùng khí hậu đường bộ của Nga 64

Hình 3.8: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG miền Bắc Thái Lan 65

Hình 3.9: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG ở Jordan 66

Hình 3.10: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG ở Pakistan 67

Hình 3.11: Phân vùng khí hậu chọn mác nhựa PG ở Ai Cập 68

Hình 3.12: Bản đồ 71 trạm khí tượng nghiên cứu 75

Hình 3.13: Biểu đồ hàm mật độ phân phối nhiệt độ trạm Láng – Hà Nội 80

Hình 3.14: Kiểm tra dạng phân phối nhiệt độ trạm Láng – Hà Nội 80

Hình 3.15: Biểu đồ hàm mật độ phân phối nhiệt độ khu vực miền Bắc 82

Hình 3.16: Biểu đồ hàm mật độ phân phối nhiệt độ trạm Thanh Hóa 86

Hình 3.17: Kiểm tra dạng phân phối nhiệt độ trạm Thanh Hóa 87

Hình 3.18: Biểu đồ hàm mật độ phân phối nhiệt độ trạm Cao Lãnh 90

Hình 3.19: Kiểm tra dạng phân phối nhiệt độ trạm Cao Lãnh 91

Hình 3.20: Mác nhựa theo nhiệt độ, R=98% 97

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nhựa đường là một chất kết dính được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng cáccông trình giao thông đường bộ và nó cũng chiếm tỷ lệ khá cao so với giá thành củatoàn bộ công trình Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp nhựa đường, cáctiêu chuẩn thí nghiệm và các phương pháp phân loại nhựa đường khác nhau ra đời.Tùy theo điều kiện cụ thể, mỗi quốc gia sử dụng phương pháp phân loại cũng nhưsử dụng loại nhựa đường phù hợp với các điều kiện đặc thù

Hiện nay có ba phương pháp phân loại nhựa đường đang được các quốc gia áp dụng

đó là:

- Phân loại nhựa đường theo độ kim lún

- Phân loại nhựa đường theo độ nhớt

- Phân loại nhựa đường theo phương pháp Superpave

Phân loại nhựa đường theo độ kim lún: Ở Việt Nam hiện nay đang áp dụng

phương pháp phân loại nhựa đường theo độ kim lún, theo tiêu chuẩn Việt NamTCVN 7493 - 2005, tùy theo giá trị của độ kim lún mà sẽ có 6 mác nhựa đườngkhác nhau từ loại mềm nhất 200/300 tới loại cứng nhất 20/30 Trong đó loại nhựađường độ kim lún 60/70 đang được sử dụng để sản xuất bê tông nhựa cho hầu hếtcác dự án và ở khắp các khu vực khác nhau của Việt Nam

Ưu điểm của phương pháp phân loại này là kinh phí thấp, đơn giản, dễ áp dụng, cácnhân viên và cán bộ vật liệu ở Việt Nam đã quen với qui trình thí nghiệm vàphương pháp thí nghiệm

Nhược điểm:

- Phương pháp phân loại theo độ kim lún chưa phân loại chính xác được các loạinhựa đường khác nhau, các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, việc phânloại này có thể xảy ra trường hợp các loại nhựa đường có các chỉ tiêu cơ lý khácnhau nhưng vẫn được xếp chung vào một nhóm

- Chưa xem xét tới điều kiện môi trường cụ thể của dự án do vậy khó kiểm soátđược tính nhạy cảm về nhiệt độ của hỗn hợp bê tông nhựa

- Chưa xem xét tới ảnh hưởng đồng thời của môi trường làm việc, lượng giaothông thiết kế “Tổng tải trọng trục xe tích lũy trong giai đoạn thiết kế” và tốc độcủa phương tiện tham gia giao thông

Phân loại nhựa đường theo độ nhớt: Ưu điểm của phương pháp phân loại theo độ

nhớt so với phân loại theo độ kim lún

- Phân loại theo độ nhớt đã xem xét tới tính nhạy cảm về nhiệt độ của nhựa đường

cả ở nhiệt độ mặt đường trong khai thác, 60o C, nhiệt độ trong sản xuất hỗn hợp

bê tông nhựa, 135o C, từ đó giảm bớt các hư hỏng liên quan tới tính ổn định nhiệtcủa bê tông nhựa

- Xác định được nhiệt độ trong sản xuất và thi công phù hợp thông qua các giá trịcủa độ nhớt động tại 60o C và 135o C

- Chưa xem xét tới ảnh hưởng của lượng giao thông thiết kế cũng như tốc độ dòngxe.

Phân loại nhựa đường theo PG:

Để khắc phục các vấn đề còn tồn tại trong phương pháp phân loại truyền thống, Hoa

Kỳ đã thông qua chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ SHRP (TheStrategic Highway Research Program - 1987 - 1992), và từ năm 1996 phương phápphân loại theo (PG) được sử dụng rộng rãi ở Mỹ Phân loại theo Superpave (PG)căn cứ vào các tiêu chí sau đây để lựa chọn mác nhựa cho từng trường hợp:

- Điều kiện địa lý của khu vực dự án/công trình sẽ xây dựng

- Nhiệt độ mặt đường cao nhất/thấp nhất dự kiến mà mặt đường bê tông nhựa sẽgặp phải trong quá trình khai thác “xác định thông qua nhiệt độ không khí” cóxét tới lựa chọn độ tin cậy phù hợp cho từng trường hợp cụ thể

- Lượng giao thông thiết kế “tổng tải tải trọng trục xe tiêu chuẩn tích lũy -ESAL(tính theo triệu ESALs) qua các mức độ khác nhau từ <0.3 triệu ESALs tới >30triệu ESALs cùng với tốc độ dòng xe

Ưu điểm của phương pháp phân loại theo (PG):

- Lựa chọn được loại nhựa đường phù hợp với điều kiện cụ thể của dự án trên cácphương diện “điều kiện địa lý, khí hậu, lượng giao thông thiết kế, và tốc độ củadòng giao thông”, từ đó phát huy tốt khả năng làm việc của nhựa đường, tăngtuổi thọ cho công trình

Nhược điểm:

- Chi phí thí nghiệm cao, các thiết bị thí nghiệm đắt tiền, phương pháp thí nghiệmmới nên cần có kinh phí và thời gian đào tạo cho các kỹ sư vật liệu/thí nghiệmviên

- Tính tương thích khi áp dụng hệ thống phân loại PG ngoài phạm vi Bắc Mỹ cần

có những nghiên cứu áp dụng với các điều kiện cụ thể Để đảm bảo tính chínhxác trong vấn đề lựa chọn nhiệt độ mặt đường thiết kế, yêu cầu dữ liệu sử dụngphải có thời gian quan trắc dài, tối thiểu là 20 năm quan trắc kết hợp đo đạc kiểmchứng hiện trường

- Tính khả thi khi áp dụng tại các phòng thí nghiệm hiện trường Các thiết bị thínghiệm đắt tiền, khó thực hiện và thời gian thí nghiệm kéo dài cần phải cónghiên cứu vừa áp dụng tiến bộ khoa học công nghệ vừa tận dụng được các thínghiệm hiện có để kiểm soát chất lượng nhựa đường tại hiện trường

- Không chỉ có phân loại nhựa theo PG mà phương pháp Superpave còn có các nộidung thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa, kiểm soát quá trình thi công, cáctiêu chuẩn nghiệm thu,…đồng bộ cần phải có những định hướng và lộ trìnhnghiên cứu hoàn thiện.

Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa Superpave đã đánh giá được chất lượng

bê tông nhựa dưới tác động của mỏi, biến dạng vĩnh cửu phù hợp với điều kiện khíhậu thời tiết của khu vực xây dựng Phương pháp Superpave được sử dụng rộng rãi

ở Mỹ từ những năm 1990 và không ngừng được nghiên cứu cải tiến để đạt đượchiệu quả cao nhất Theo báo cáo của TRB năm 2005 có 50/52 Sở Giao thông củabang (DOT) thành viên của AASHTO sử dụng phân loại nhựa theo hệ PG và có 48bang sử dụng phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Superpave Sử dụngSuperpave đã làm tăng tuổi thọ mặt đường và giảm chi phí duy tu bảo dưỡng,Superpave đã rất thành công ở Mỹ

Trước đề nghị phân cấp nhựa theo phương pháp Superpave của Mỹ, Ban soạn thảochương trình về nhựa đường của các nước cộng đồng châu Âu cũng còn một số ýkiến tranh luận, vì ban này đi theo phương pháp luận khác tuy cùng hướng đến đích

là phân loại nhựa phản ánh được tính chất nội tại của nhựa đường Các nhà khoahọc châu Âu đều công nhận phương pháp thí nghiệm phân loại nhựa Superpave là

có cơ sở rất khoa học Hiện nay Ủy ban châu Âu về tiêu chuẩn đã công bố hàng loạtcác tiêu chuẩn thí nghiệm theo Superpave nhằm hướng đến phân loại nhựa theo PG.Phương pháp Superpave cũng đã và đang được nghiên cứu sử dụng ở những nướckhu vực như Ấn Độ, Jordan, Singapore, Thái Lan, Malaysia, Indonesia, Đài Loan,Pakistan, Ai Cập, Costa Rica,…Các nước đều tập trung nghiên cứu sử dụngSuperpave với những điều kiện cụ thể Nhìn chung, các kết quả nghiên cứu vềSuperpave của các nước trên được áp dụng hiệu quả, phù hợp với điều kiện khí hậu,điều kiện kết cấu mặt đường, điều kiện khai thác giao thông, hay những quy địnhriêng cho từng nước, từng khu vực Các nhược điểm này cần được tập trung nghiêncứu trong đề tài

2 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu phân vùng sử dụng nhựa đường theo hệ thống SuperPave ở Việt Nam

3 Phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu phương pháp phân loại nhựa theo hệ thống SuperPave, phân vùng sử dụngnhựa đường theo hệ thống Superpave ở Việt Nam và thiết lập bản đồ phân vùngmác nhựa theo PG ở Việt Nam Nghiên cứu các phương pháp thí nghiệm nhựa theoSuperpave ở Việt Nam và thiết lập bản đồ phân vùng mác nhựa Nghiên cứuphương pháp thiết kế thành phần bê tông nhựa theo hệ thống Superpave và phântích khả năng áp dụng vào Việt Nam

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Lập bản đồ phân vùng nhiệt độ sử dụng lựa chọn mác nhựa theo hệ thốngSuperpave ở Việt Nam

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở phân tích các mô hình của nước ngoài

Phương pháp phân tích, tổng hợp.

Phương pháp thống kê

6 Kết cấu của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, kết cấu của luận văn gồm 3 chương:Chương 1: Các phương pháp phân loại nhựa đường

Chương 2: Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa theo Surperpave.Chương 3: Nghiên cứu phân vùng nhiệt độ lựa chọn mác nhựa theo Surperpave

CHƯƠNG 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI NHỰA ĐƯỜNG.

1.1 Vai trò của nhựa đường trong hỗn hợp bê tông nhựa

Nhựa đường có vai trò rất quan trọng trong việc hình thành cường độ của hỗn hợp

bê tông nhựa và cũng là một trong những nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến tuổi thọ

và độ bền của mặt đường mềm trong quá trình khai thác

Nhựa đường khi kết hợp với bột khoáng tạo thành chất kết dính Asphalt có nhiềutính chất ưu việt như: Tăng khả năng dính bám giữa cốt liệu và chất kết dính, tăngkhả năng ổn định nhiệt độ của hỗn hợp, tăng độ bền trong môi trường ẩm ướt, giảmnứt nẻ và đùn trồi,

Tóm lại Nhựa đường kết hợp với bột khoáng tạo thành chất kết dính có nhiều tínhchất ưu việt nhằm liên kết các hạt cốt liệu với nhau tạo thành hỗn hợp bên tôngAsphalt có nhiều tính chất phù hợp để sử dụng làm vật liệu mặt đường

Do vai trò rất quan trọng của Nhựa đường trong hỗn hợp bê tông Asphalt nên chấtlượng và các tính chất của Nhựa đường ảnh hưởng rất lớn tính chất, cường độ, độbiến dạng và tuổi thọ khai thác của hỗn hợp bê tông Asphalt

Chính vì vậy việc lựa chọn Nhựa đường phù hợp cho từng điều kiện cụ thể của điềukiện khí hậu, điều kiện tải trọng sẽ quyết định đến tuổi thọ khai thác của tuyếnđường có sử dụng bê tông Asphalt

1.2 Các phương pháp phân loại nhựa đường được áp dụng hiện nay

Hiện nay có ba phương pháp phân loại nhựa đường đang được các quốc gia áp dụng

đó là: Phân loại nhựa đường theo độ kim lún; Phân loại nhựa đường theo độ nhớt;

và Phân loại nhựa đường theo đặc tính sử dụng PG

1.2.1 Phân loại nhựa đường theo độ kim lún (như phần mở đầu)

1.2.2 Phân loại nhựa đường theo độ nhớt (như phần mở đầu)

Nhận xét: Với tiêu chuẩn phân loại nhựa đường ở Việt Nam hiện nay (phân loại

theo độ kim lún), có thể xảy ra trường hợp một số loại nhựa đường khác nhau có thểđược gộp chung vào một nhóm, trong khi thực tế chúng có những đặc tính rất khácnhau dưới ảnh hưởng của nhiệt độ Độ kim lún càng nhỏ, tính quánh càng cao.Tínhquánh thay đổi trong phạm vi rộng, nó ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ học củahỗn hợp vật liệu khoáng và nhựa đường, đồng thời quyết định công nghệ chế tạo vàthi công vật liệu dùng nhựa đường Tính quánh phụ thuộc vào thành phần nhóm vànhiệt độ môi trường Khi hàm lượng nhóm atphan tăng thì tính quánh tăng, hàmlượng nhóm dầu tăng thì tính quánh giảm Khi nhiệt độ tăng nhóm chất nhựa sẽ bịchảy lỏng, do đó độ quánh của nhựa đường giảm xuống

Ngoài ra, tiêu chuẩn phân loại nhựa đường và các phương pháp thí nghiệm nhựađường truyền thống còn có hạn chế là chưa xem xét tới khả năng làm việc của nhựađường khi được sử dụng trong các hỗn hợp dưới tác động của nhiệt độ và tải trọngnhư: Tính chất của nhựa đường ảnh hưởng đến hiện tượng lún vệt bánh xe, ảnhhưởng đến vết nứt kết cấu, ảnh hưởng đến vết nứt do nhiệt độ thấp

1.2.3 Phân loại nhựa đường theo đặc tính sử dụng PG

Để khắc phục các vấn đề còn tồn tại trong phương pháp phân loại truyền thống, Hoa

Kỳ đã thông qua chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ SHRP (TheStrategic Highway Research Program 1987-1992), và từ năm 1996 phương phápphân loại theo (PG) được sử dụng rộng rãi ở Mỹ, để phân loại theo Superpave (PG),người ta căn cứ vào các tiêu chí sau đây để lựa chọn loại (PG) cho từng trường hợp:

- Điều kiện địa lý của khu vực dự án/công trình sẽ xây dựng

- Nhiệt độ mặt đường cao nhất/thấp nhất dự kiến mà mặt đường BTN sẽ gặp phảitrong quá trình khai thác “xác định thông qua nhiệt độ không khí” có xét tới lựachọn độ tin cậy phù hợp cho từng trường hợp cụ thể

- Lượng giao thông thiết kế “tổng tải tải trọng trục xe tiêu chuẩn tích lũy –ESAL(tính theo triệu ESALs) qua các mức độ khác nhau từ <0.3 triệu ESALs tới >30triệu ESALs cùng với tốc độ dòng xe

Ưu điểm: Của phương pháp phân loại nhựa theo (PG).

- Lựa chọn được lọai Nhựa đường phù hợp với tình hình cụ thể của dự án trên cácphương diện “điều kiện địa lý, khí hậu, lượng giao thông thiết kế và tốc độ củadòng giao thông”, từ đó phát huy tốt khả năng làm việc của Nhựa đường, tăngtuổi thọ cho công trình

Nhược điểm: Của phương pháp phân loại nhựa theo (PG).

- Chi phí thí nghiệm cao, các thiết bị thí nghiệm đắt tiền, phương pháp thí nghiệmmới nên cần có kinh phí và thời gian đào tạo cho các kỹ sư vật liệu và thí nghiệmviên

- Phương pháp phân loại theo Surperpave chưa được áp dụng ở Việt Nam, cầnphải trải qua các giai đoạn thi công thí điểm ở một dự án cụ thể, quan trắc, kiểmtra và theo dõi thêm mới có thể có quy trình chính thức trong sản xuất, thi công

và nghiệm thu

- Để đảm bảo tính chính xác trong vấn đề lựa chọn nhiệt độ mặt đường thiết kế,yêu cầu dữ liệu sử dụng phải có thời gian quan trắc dài, tối thiểu là 20 năm quantrắc

1.3 Phân tích các mô hình tính toán nhiệt độ mặt đường và lựa chọn mô hình tính toán nhiệt độ mặt đường ở Việt Nam

Nước Mỹ có 52 bang với diện tích lãnh thổ 9,83 triệu km², là quốc gia lớn hạng ba

về tổng diện tích trên thế giới Với diện tích rất lớn và có nhiều vùng địa hình khácnhau nên Mỹ gần như có tất cả các loại khí hậu Khí hậu ôn hòa có ở đa số cácvùng, khí hậu nhiệt đới ở Hawai và các bang miền nam như Florida, Texas, NewMexico khí hậu địa cực ở Alaska, nửa khô hạn trong Đại Bình nguyên phía tây kinhtuyến 100 độ, khí hậu hoang mạc ở tây nam, khí hậu Địa Trung Hải ở duyên hảiCalifornia,…

Chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ SHRP (The Strategic HighwayResearch Program) được triển khai tại nước Mỹ trong giai đoạn 1987-1992 để khắcphục các vấn đề còn tồn tại của cách phân loại nhựa đường truyền thống theo độ

kim lún, độ nhớt và tình trạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa trên hệ thốngđường bộ nước Mỹ.

Mỹ và Canada không phân thành các vùng khí hậu riêng biệt mà xây dựng các trạmquan trắc khí hậu thời tiết phân bố đều khắp Từ các số liệu quan trắc nhiều năm của

7439 trạm và dựa vào tập hợp các số liệu đo đạc nhiệt độ trong các lớp mặt đường

bê tông nhựa để xây dựng các mô hình xác định nhiệt độ mặt đường để chọn mácnhựa

Theo các tiêu chuẩn AASHTO hiện hành thì sử dụng phần mềm LTPPBIND V3.1(31/10/2005) để lựa chọn mác nhựa đường PG Phần mềm LTPPBIND V3.1 đã cảitiến nhiều so với bản V2.1 bằng hiệu chỉnh mô hình LTPP, đưa vào các độ tin cậy.LTPPBIND V3.1 giúp các cơ quan quản lý xây dựng và nhà thầu lựa chọn đượcmác nhựa PG cho tuyến đường dựa vào nội suy giữa 5 trạm quan trắc gần nhất

Hình 1.1: Bản đồ các trạm khí hậu và nhiệt độ không khí cao nhất

Hình 1.1 là bản đồ các trạm quan trắc khí hậu và nhiệt độ không khí cao nhất ở Mỹ

và Canada Nhận thấy rằng đa số các vùng đều có nhiệt độ không khí cao nhất đến

400C, một số vùng thuộc bang Arizona, California, New Mexico, Texas có nhiệt độkhông khí lên đến 400C

Hình 1.2 bên dưới thể hiện nhiệt độ không khí thấp nhất khi lựa chọn mác nhựa.Đối với các vùng phía Nam có vĩ độ thấp thì đa số nhiệt độ không khí đều trên

100C

Hình 1.2: Bản đồ các trạm khí hậu và nhiệt độ không khí thấp nhất

Hình 1.3: Thông số của 5 trạm quan trắc gần với điểm xây dựng

Hình 1.3 thể hiện thông số khí hậu và mác nhựa tùy thuộc độ tin cậy của của 5 trạmkhí tượng gần nhất với địa điểm xây dựng mặt đường ở bang Texas có tọa độ (vĩ độ30.760; kinh độ 98.6750)

1.3.1 Hệ cơ sở dữ liệu của LTPPBIND

Hệ cơ sở dữ liệu được xây dựng từ số liệu khí hậu hàng ngày của Trung tâm dữ liệukhí hậu quốc gia Mỹ (Database National Climatic Data Center - NCDC) và Dữ liệumôi trường Canada Mỗi bang của Mỹ và hạt của Canada được lưu trữ trong 1 file

dữ liệu Dữ liệu của Mỹ đã được bao gồm trong 52 file và chiếm khoảng 12 tỷ byte

dữ liệu thô Dữ liệu của Canada đã được bao gồm trong 79 file và chiếm hơn 2 tỷbyte dữ liệu thô

Kết quả có 7439 bản ghi dữ liệu (trạm khí tượng) của Mỹ và Canada với 27 thông

3 Quận hoặc hạt Tên quận hoặc hạt

4 Tên trạm Tên trạm khí tượng

5 Kinh độ Kinh độ của trạm, đơn vị độ

7 Cao độ Cao độ trạm, đơn vị mét

8 Nhiệt độ không khí 7 ngày cao Giá trị trung bình

9 Nhiệt độ không khí 7 ngày cao Giá trị thấp nhất

10 Nhiệt độ không khí 7 ngày cao Giá trị cao nhất

11 Nhiệt độ không khí 7 ngày cao Số năm quan trắc

12 Nhiệt độ không khí thấp Giá trị thấp nhất

13 Nhiệt độ không khí thấp Giá trị trung bình

14 Nhiệt độ không khí thấp Giá trị cao nhất

15 Nhiệt độ không khí thấp Độ lệch chuẩn

16 Nhiệt độ không khí thấp Số năm quan trắc

17 Nhiệt độ không khí thông thường Giá trị thấp nhất

18 Nhiệt độ không khí thông thường Giá trị trung bình

19 Nhiệt độ không khí thông thường Giá trị cao nhất

20 Nhiệt độ không khí thông thường Độ lệch chuẩn

21 Nhiệt độ không khí thông thường Số năm quan trắc

22 Số ngày có nhiệt độ >100C Giá trị thấp nhất

23 Số ngày có nhiệt độ >100C Giá trị trung bình

24 Số ngày có nhiệt độ >100C Giá trị cao nhất

TT Thông số Mô tả

25 Số ngày có nhiệt độ >100C Độ lệch chuẩn

26 Số ngày có nhiệt độ >100C Số năm quan trắc

27 Năm cuối cùng của số liệu Năm cuối cùng của chuỗi số liệu quan

trắc

1.3.2 Đo và theo dõi nhiệt độ trong kết cấu áo đường LTPP-SMP

Chương trình theo dõi dài hạn đường bộ và quan trắc nhiệt độ theo mùa trong nhiềunăm (Long Term Pavement Performance study's Seasonal Monitoring ProgramLTPP-SMP) đã tiến hành thiết lập 30 trạm đo đạc nhiệt độ mặt đường để xây dựngtương quan nhiệt độ trong các lớp kết cấu mặt đường với nhiệt độ không khí, vị tríđịa lý đưa ra các mô hình tính toán nhiệt độ trong các lớp kết cấu mặt đường

Hình 1.4: Các trạm đo đạc nhiệt độ trong kết cấu áo đường

Ở mỗi vị trí đặt 18 đầu đo nhiệt với độ chính xác ±0.10C phân bố đều trong kết cấumặt đường Tại mỗi vị trí ghi lại các số liệu nhiệt độ:

- Nhiệt độ không khí thấp nhất, cao nhất hàng ngày và thời gian xuất hiện

- Nhiệt độ cao nhất và thấp nhất của 18 đầu đo trong kết cấu mặt đường

- Nhiệt độ không khí trung bình giờ

- Nhiệt độ trung bình giờ của 5 đầu đo trên cùng

Quá trình đo nhiệt độ liên tục trong 3 năm từ 1993-1995 để xây dựng và điều chỉnhphương trình hồi quy xác định nhiệt độ trong các lớp kết cấu từ nhiệt độ không khítại vị trí (vĩ độ) công trình

Các kết quả theo dõi nhiệt độ từ chương trình LTPP-SMP dùng để so sánh và hiệuchỉnh các mô hình SHRP và LTPP đã được thiết lập.

1) Nhiệt độ cao nhất trên bề mặt đường (Tsurf) (0C) theo công thức (1.1)

2 air max 0.00618 0.2289 24.4

3) Nhiệt độ bề mặt đường thấp nhất Tmin (0C) được tính theo công thức (1.4)

min 0.859 air min 1.7

Hình 1.5 bên dưới so sánh nhiệt độ đo được từ chương trình LTPP-SMP và nhiệt độxác định theo mô hình SHRP Nhiệt độ tính theo mô hình SHRP cao hơn nhiệt độ

đo được từ SMP từ 1-60C

Mô hình SHRP được xây dựng chỉ từ một số ít trạm đo đạc với thời gian ngắn nênchưa đánh giá chính xác được nhiệt độ mặt đường Hiện nay Superpave không cònsử dụng mô hình này để lựa chọn mác nhựa

Hình 1.5: So sánh nhiệt độ đo dưới mặt đường 25mm của SMP

và mô hình SHRP 1.3.4 Mô hình LTPP

Mô hình LTPP được phát triển từ kết quả phân tích thống kê chỗi số liệu đo đạcnhiệt độ mặt đường và nhiệt độ không khí trong chương trình theo dõi nhiệt độ mặtđường bê tông nhựa theo mùa (Seasonal Asphalt Concrete Pavement Temperature-SAPT) Có tổng số 309 điểm đo trong thời gian từ 1993-1995 để xây dựng mô hình.1) Nhiệt độ mặt đường cao nhất THighPav (0C) được tính theo công thức 1.6

Hình 1.6 thể hiện đường phân tích thống kê mô hình LTPP giữa nhiệt độ mặt đường

và nhiệt độ không khí Hình 1.7 thể hiện quan hệ giữa nhiệt độ mặt đường và vĩ độ.Hình 1.8 thể hiện nhiệt độ mặt đường theo chiều sâu

Hình 1.6: Quan hệ nhiệt độ mặt đường và nhiệt độ không khí

Hình 1.7: Quan hệ nhiệt độ mặt đường và vĩ độ

Hình 1.8: Quan hệ nhiệt độ mặt đường theo chiều sâu

Hình 1.9: Tương quan nhiệt độ mặt đường đo thực tế và theo mô hình LTPP

Từ Hình 1.9 nhận thấy nhiệt độ mặt đường cao tính theo mô hình LTPP khá sát vớinhiệt độ đo được thực tế

Hình 1.10: So sánh nhiệt độ dưới 20mm mặt đường mô hình LTPP và SHRP

Hình 1.11: So sánh nhiệt độ 25mm mặt đường mô hình LTPP và kết quả đo SMP

Từ Hình 1.10 nhận thấy nhiệt độ mặt đường cao tính theo mô hình SHRP cao hơn

so với mô hình LTPP Hình 1.11 cho thấy mô hình LTPP sát với kết quả đo kiểmchứng từ chương trình LTPP-SMP

Nhận xét lựa chọn mô hình tính toán nhiệt độ mặt đường ở Việt Nam: Từ

những kết quả đo đạc kiểm chứng, từ những phân tích trên Superpave sử dụng môhình LTPP để xác định nhiệt độ mặt đường phục vụ lựa chọn mác nhựa Đây cũng

là định hướng nghiên cứu áp dụng ở Việt Nam

1.4 Các phép thử nhựa đường theo PG

1.4.1 Thí nghiệm nhiệt độ bắt lửa (Flash and Fire Points by Cleveland Open Cup) AASHTO T 48-06 (2015)

* Mục đích

Nhằm đánh giá nguy cơ gây cháy của vật liệu nhựa đường khi nhiệt độ cao

Phương pháp này sử dụng để đo và mô tả các đặc tính của nhựa đường khi tiếp xúcvới nhiệt và ngọn lửa thử trong điều kiện kiểm soát của phòng thử nghiệm, vàkhông sử dụng để mô tả hoặc đánh giá nguy cơ cháy và tính nguy hiểm do cháy củachúng trong điều kiện sử dụng thực tế Tuy vậy các kết quả thử theo phương phápnày có thể sử dụng như một trong tất cả các yếu tố cần tính đến trong việc đánh giánguy cơ cháy và tính nguy hại khi cháy trong điều kiện sử dụng cụ thể

* Mô tả thử nghiệm:

Thiết bị thử nghiệm điển hình nêu tại Hình 1.12

Trình tự thí nghiệm Nhiệt độ bắt lửa tuân thủ theo TCVN7498:2005 hoặc AASHTO

T 48-06 (2015)

Hình 1.12: Thiết bị thử nghiệm nhiệt độ bắt lửa bằng cốc hở Cleveland điển hình

1.4.2 Thí nghiệm độ nhớt Brookfield-RS (Rotational Viscometer) AASHTO 13

316-Mục đích:

Nhằm xác định khoảng độ nhớt của nhựa đường phù hợp với các công đoạn thicông bê tông nhựa, từ đó có thể bảo đảm rằng nhựa đường có thể bơm và vậnchuyển thuận lợi trong điều kiện hỗn hợp nóng

Thí nghiệm độ nhớt xoay chỉ thực hiện trên mẫu nhựa đường nguyên thuỷ (chưahoá cứng)

Nhiệt độ trộn và đầm nén được xác định từ biểu đồ độ nhớt - nhiệt độ.Một biểu đồbiến thiên độ nhớt với nhiệt độ được thể hiện tại Hình 1.13

Độ nhớt xoay được xác định thông qua việc đo mô men xoắn yêu cầu để duy trì vậntốc xoay ổn định của một trục chính hình trụ khi bị ngập trong nhựa đường

Hình 1.13: Biểu đồ quan hệ độ nhớt – nhiệt độ

Mô tả thử nghiệm:

Thiết bị được giới thiệu tại Hình 1.14

Hình 1.14: Thiết bị Nhớt kế Brookfield điển hình

Đặc tính kỹ thuật của thiết bị được mô tả như sau:

- Máy đo độ nhớt xoay kiểu Brookfield gồm 1 mô tơ, trục chính, các khoá điềukhiển và bộ phận đọc số Trong quá trình thí nghiệm, môtơ quay với vận tốc 20vòng/phút

- Trục chính giống như 1 cái bơm quả lắc và khi xoay nó bị cản bởi thuộc tínhnhớt của nhựa đường Có nhiều trục chính được dùng cho máy Brooktield, trụcchính chuẩn được chọn lựa trên cơ sở độ nhớt của nhựa đường được thí nghiệm.Buồng chứa mẫu được làm bằng thép không rỉ hoặc nhôm, có bộ phận gia nhiệt

và ổn nhiệt tự động

- Thiết bị điều khiển nhiệt cho phép nhiệt độ thử ở nhiệt độ yêu cầu 135oC cáckhoá điều khiển dùng cho việc điều khiển các thông số thí nghiệm đầu vào nhưtrục cố định, bộ vận tốc quay và quay mô tơ chạy cùng chiều hay ngược chiều.Trục chính thấp 1 đầu được lồng vào máy đo độ nhớt, 1 đầu được lồng vàobuồng chứa mẫu nóng

- Máy đo độ nhớt xoay có thể tự động tính độ nhớt ở nhiệt độ thí nghiệm

- Trình tự thí nghiệm tuân theo qui trình AASHTO T 316-13

1.4.3 Thí nghiệm màng nhựa mỏng quay trong lò-RTFOT (Rolling thin film oven test) AASHTO T 240-13

Mục đích:

- Nhằm mô phỏng đặc điểm hóa cứng của nhựa đường sau khi được nung, trộn với

đá và đầm nén ở mặt đường trong vòng năm đầu tiên của mặt đường nhựa saukhi đưa vào khai thác

- Thí nghiệm này được sử dụng để xác định tác động của nhiệt và không khí trênmột màng mỏng nhựa đường quay trong lò và để đánh giá khả năng chống lãohóa của nhựa đường trong quá trình sản xuất và thi công hỗn hợp bê tông nhựanóng

- Tạo nên mẫu nhựa đường bị hoá cứng phục vụ cho các thí nghiệm tính chất vật

lý sau này (DSR; MSCR và PAV)

Mô tả thử nghiệm:

- Thiết bị RTFOT gồm một lò sấy đối lưu nhiệt điện có gắn các mẫu thí nghiệmnhư ở Hình 1.15 và Hình 1.16

Hình 1.15: Thiết bị RTFOT điển hình

Hình 1.16: Nguyên lý hoạt động của thiết bị RTFOT

- Một giá vành tròn đặt thẳng đứng đựng các ống mẫu thí nghiệm được gắn vào lòsấy Khi thí nghiệm giá quay quanh tâm của nó và giá một giữ một lượng khôngkhí được thổi vào từng biến mẫu tại vị trí thấp nhất nếu nó quay trong giá đỡTrình tự thí nghiệm tuân theo qui trình AASHTO T 240-13.

- Mẫu nhựa đường được làm nóng đến khi chảy ở nhiệt độ không quá 1500C vàđược rót vào các ống mẫu với khối lượng 35g một mẫu; 8 ống mẫu cần đến chothí nghiệm này; 2 mẫu để xác định khối lượng mất và 6 mẫu dùng cho các thínghiệm sau này

- Sau khi ống mẫu có chứa nhựa đường đã chuẩn bị xong, đặt các mẫu lên giá Cácống mẫu được quay với tốc độ 15 vòng/phút, một dòng khí với tốc độ 4000 ml/phút được thổi vào mẫu Các mẫu bị tác động ở những điều kiện này trong vòng

- Trình tự thí nghiệm tuân theo qui trình AASHTO R28-12

- Thiết bị thử nghiệm bao gồm một bình nén và lò sấy tạo lực, có thể tham khảochi tiết của các thiết bị PAV ở Hình 1.17 và Hình 1.18

- Áp lực không khí được tạo ra nhờ một xi lanh sạch khô, khí được nén nhờ máyđiều chỉnh áp lực, van xả và một van xả chậm

- Bình áp lực được thiết kế hoạt động theo nhiệt độ và áp lực của thí nghiệm quyđịnh (áp lực 2070 kPa ở nhiệt độ là 900C, 1000C hoặc 1100C) Bình phải có ítnhất 10 đựng mẫu và dùng một giá mẫu để lắp một cách thuận tiện và trong bình

- Lò tạo lực có khả năng điều chỉnh nhiệt độ bên trong khoảng ± 0,50C trong giaiđoạn làm cứng

- Nung mẫu nhựa đường lấy được sau thử nghiệm RTFOT cho đến khi chảy thànhchất lỏng và khuấy đều.Đổ nhựa đường vào 3 đĩa mẫu (mỗi đĩa chứa 50g), đặtcác đĩa vào trong giá đựng mẫu.Làm nóng các mẫu trước để đạt được nhiệt độthử nghiệm mong muốn Sau khi làm nóng, giá mẫu được đặt ngay vào bình áplực đã làm nóng, đậy vung ngay để tránh mất nhiệt quá nhiều

- Nhiệt độ thí nghiệm hoá cứng nhựa đường theo PAV được thực hiện với các chỉ

số nhiệt độ khác nhau (900C, 1000C hoặc 1100C) phụ thuộc vào vùng khí hậuthiết kế Khi nhiệt độ trong bình áp lực sai khác không quá 20C so với nhiệt độ

yêu cầu, thì bắt đầu tăng áp lực của bình Bấm giờ để xác định thời điểm bắt đầuthí nghiệm

- Sau 20 giờ, hạ áp lực bằng van xả một cách từ từ từng cấp, thông thường quãng

từ 8 ÷10 phút Sau đó lấy mẫu ra, đặt trong bình ở nhiệt độ 1630C trong 30 phút,nhằm mục đích đẩy không khí ra khỏi các mẫu

Hình 1.17: Mô hình thiết bị thí nghiệm PAV

Hình 1.18:Thiết bị PAV điển hình 1.4.5 Thí nghiệm cắt động lưu biến-DSR (Dynamic Shear Rheometer) AASHTO

T 315-12

Mục đích:

- Đo các đặc tính của nhựa đường tại nhiệt độ cao để đánh giá được ảnh hưởng củaHằn lún vệt bánh xe khi nhiệt độ cao đánh thông qua thí nghiệm DSR trên mẫu

nhựa đường nguyên thủy và nhựa đường sau khi đã được làm cứng theo RTFOT

để xác định các giá trị mô đun cắt phức hợp (G*)/ góc pha (δ)

+ G*/sinδ ≥1.00 kPa với nhựa đường nguyên thủy

+ G*/sinδ ≥2.20 kPa với nhựa đường sau hóa cứng RTFOTNếu tỷ số G*/sinδ nhỏ hơn yêu cầu thì thường dẫn tới dễ phát sinh biến dạng vĩnhcửu (vệt lún bánh xe)

- Đo các đặc tính của nhựa đường tại nhiệt độ trung gian để đánh giá được ảnhhưởng của mỏi với nhiệt độ trung gian trên mẫu nhựa đường sau khi đã được làmcứng theo PAV để xác định các giá trị mô đun cắt phức hợp (G*) * góc pha (δ)

+ G*.sinδ ≤5000 kPa với nhựa đường sau hóa cứng PAV

Nếu tỷ số G*.sinδ lớn hơn yêu cầu thì thường dẫn tới dễ phát sinh nứt do mỏi

Mô tả thử nghiệm:

- Trình tự thí nghiệm tuân theo qui trình AASHTO T315-12

- Cấu tạo của thiết bị gồm một tấm xoay và một tấm cố định Khi thí nghiệm, tấmxoay được di chuyển từ điểm cố định A đến B và quay ngược từ B đến A và qua

C theo một chu trình và được tiếp tục lặp lại trong thời gian quy định với tốc độquay không đổi 10 radian/giây (xấp xỉ 1,5 Hz) Có thể biểu thị nguyên lý làmviệc của thí nghiệm DSR ở Hình 1.19 và Hình 1.20

Hình 1.19: Nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm DSR

Hình 1.20:Thiết bị DSR điển hình

- Nhựa đường được đun nóng cho tới khi chảy lỏng và không để thành bọt khíhình thành, khuấy đều Các loại nhựa đường cải thiện cần được đun nóng tớinhiệt độ cao hơn, nhưng không vượt quá 1630C Mẫu nhựa đường khi thí nghiệmđược kẹp giữa hai tấm, tấm cố định và tấm xoay

- Có hai loại tấm xoay có đường kính và khoảng hở khác nhau phụ thuộc vào tìnhtrạng cứng (lão hoá) của nhựa đường thí nghiệm:

+ Nhựa đường đã hoá cứng bằng RTFOT và nhựa đường nguyên thủy được thínghiệm với tấm có đường kính 25mm và khoảng cách hở 1000 micron

+ Nhựa đường đã hoá cứng bằng PAV được thí nghiệm với tấm có đường kính80mm và khoảng hở 2000 micron

- Mẫu nhựa đường được gia nhiệt ở nhiệt độ thí nghiệm trong 10 phút trước khi thínghiệm

- Bật máy để đĩa xoay thực hiện 10 chu kỳ dao động Lúc đó, bộ đo lưu biến sẽ đoứng suất cắt τ yêu cầu để tạo nên một chuyển vị γ Ứng suất cắt τ này sẽ đượcduy trì không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm Đây là bước khởi động thiết bị

mà không ghi kết quả

- Thực hiện tiếp 10 chu kỳ dao động, tiến hành đo và thu nhận các dữ liệu thínghiệm Máy tính với phần mềm chuyên dụng sẽ tự động thu nhập dữ liệu và tựđộng tính các giá trị G* và δ

- Thời gian chễ (là khoảng thời gian từ thời điểm đặt tải đến lúc chuyển vị mẫuxảy ra) Thời gian chễ và góc pha (δ) có liên quan chặt chẽ với nhau

- Đối với một vật liệu hoàn toàn đàn hồi, khi tải trọng tác dụng lên mẫu thì biếndạng xảy ra ngay tức khắc, trong trường hợp này δ = 0

- Đối với vật liệu nhớt hoàn toàn (như nhựa đường tại nhiệt độ trộn) có một thờigian chễ tương đối lớn, trong trường hợp này δ≅ 900

- Đối với nhựa đường ở nhiệt độ bình thường có thuộc tính đàn hồi - nhớt, thờigian chễ có giá trị trung gian, trường hợp này 00<δ< 900

Nguyên lý tính toán G* và δ được thể hiện ở Hình 1.21.

Hình 1.21: Nguyên lý tính toán G* và δ 1.4.6 Thí nghiệm uốn dầm lưu biến - BBR (Bending Beam Rheometer) AASHTO T 313-12

Mục đích:

- Đo các đặc tính của nhựa đường tại nhiệt độ thấp để đánh giá ảnh hưởng của nứtmỏi khi nhiệt độ thấp

- Đánh giá tính chất hoá cứng của nhựa đường ở nhiệt độ thấp một cách chính xác

và chi tiết hơn so với thí nghiệm DSR, nhất là với loại nhựa đường cải thiện Thínghiệm BBR nhằm xác định giá trị độ lún đàn hồi hoặc từ biến của mẫu nhựađường dưới tác động của tải trọng và nhiệt độ không đổi Thí nghiệm được tiếnhành ở nhiệt độ thấp nhất tương ứng với các vùng khí hậu

- Thử nghiệm BBR được thực hiện trên cơ sở các mẫu đã được hoá cứng bằngRTFOT và PAV

Mô tả thử nghiệm:

- Trình tự thí nghiệm tuân theo qui trình AASHTO T313-12

- Phương pháp thí nghiệm BBR dựa trên cơ sở lí thuyết dầm để xác định độ cứng 1mẫu dầm nhựa đường dưới 1 tác động của tải trọng từ biến Dưới tác động củamột tải trọng không đổi tác dụng lên dầm nhựa đường, đo độ lún đàn hồi tại điểmgiữa của dầm, qua đó xác định độ cứng từ biến (S) và tỉ lệ từ biến (m) bằng tínhtoán Độ cứng từ biến (S) là sức kháng của tải trọng từ biến của vật liệu nhựađường Tỷ lệ từ biến (m) là sự thay đổi độ cứng của nhựa đường trong thời gianchịu tác động của tải trọng

- Thiết bị bao gồm 1 khung gia tải, bể dung dịch lỏng có bộ điều khiển nhiệt độ vàmột máy tính kèm phần mềm lưu trữ và sử lý dữ liệu Mô hình thí nghiệm đượcbiểu diễn ở Hình 1.22 và Hình 1.23

- Mẫu được chế tạo ở dạng khối chữ nhật có các kích thước quy định Có thể sửdụng hai loại khuôn: khuôn nhôm hoặc khuôn cao su, kích thước của mẫu có thểxem ở Hình 1.24

Hình 1.22: Mô hình thí nghiệm của thiết bị BBR

Hình 1.23:Thiết bị BBR điển hình

Hình 1.24: Cấu tạo và kích thước mẫu BBR

- Độ cứng từ biến (S) của nhựa đường được tính theo công thức:

Trong đó:

S(t): Độ cứng từ biến (MPa) tại thời điểm t;

P : áp lực không đổi tác dụng lên dầm (N)

L : Khoảng cách giữa 2 giá đỡ dầm (102mm)

b : Bề rộng dầm (mm) (12,5mm)

h : Bề dầy dầm (6.25mm)

δ(t) : độ võng đàn hồi của dầm tại thời điểm (t)

- Superpave yêu cầu giá trị độ cứng từ biến S tương ứng 60 giây không vượtquá 300 MPa

- Độ dốc đường cong từ biến (m) biểu thị tỷ lệ thay đổi độ cứng từ biến (S) theothời gian chất tải (t) Giá trị này còn được tính tự động nhờ phần mềm và tự động

vẽ trên đồ thị, chi tiết xem ở Hình 1.25

Hình 1.25: Quan hệ giữa biến dạng đàn hồi với S và m 1.4.7 Thí nghiệm kéo trực tiếp - DTT (Direct Tension Tester) AASHTO T 314- 12

Mô tả thử nghiệm:

- Trình tự thí nghiệm tuân theo qui trình AASHTO T314-12

- Mẫu nhựa đường thí nghiệm hình “xương chó” được kéo với tải trọng ổn địnhtrên máy kéo trực tiếp DTT cho đến khi bị đứt Độ kéo dài tại thời điểm mẫu bịphá hoại được dùng để tính độ dãn đứt gẫy Nó là một chỉ số của nhựa đường cótính chất giòn hoặc tính chất dẻo tại nhiệt độ thử thấp

- Mặc dù khái niệm kéo trực tiếp là đơn giản nhưng thiết bị sử dụng cần phải đảmbảo các yêu cầu nghiêm ngặt nhằm đo chính xác độ dãn dài rất nhỏ của mẫutrong quá trình thí nghiệm Thiết bị DTT bao gồm 3 thành phần:

+ Hệ thống gia tải vạn năng;

+ Hệ thống đo độ dãn dài;

+ Hệ thống điều khiển môi trường

- Mô hình thí nghiệm kéo trực tiếp được biểu thị ở Hình 1.26 và Hình 1.27

Hình 1.26: Mô hình kéo trực tiếp DTT và quan hệ ứng suất - biến dạng

Hình 1.27: Thiết bị DTT điển hình

Độ kéo dãn phá hoại mẫu εt là tỉ số giữa sự thay đổi độ dài (∆L) và độ dài tiêuchuẩn (Le) Trong thí nghiệm kéo trực tiếp, sự phá hoại (đứt gẫy) được xác định khiứng suất đạt giá trị tối đa cho thấy ứng suất δ1 là ứng suất mà tại thời điểm để mẫu

có diện tích mặt cắt ngang là 36mm2 bị đứt gẫy

1.4.8 Thí nghiệm từ biến lặp phục hồi - MSCR (Multiple Stress Creep Recover) AASHTO T350-14

Mục đích:

Thí nghiệm từ biến lặp phục hồi (MSCR) được phát triển gần đây nhất cho tiêuchuẩn phân loại nhựa đường theo cấp đặc tính PG Thí nghiệm mới này và Yêu cầu

kỹ thuật - đã được chỉ ra tại AASHTO T350 cung cấp cho người sử dụng khái niệm

về nhiệt độ cao mới cho nhựa đường một cách chính xác hơn biểu thị đặc tính hằnlún của nhựa đường cải thiện Lợi ích chủ yếu của thử nghiệm MSCR mới này làkhông cần phải thử nghiệm Độ đàn hồi (elastic recovery), Độ dai (toughness andtenacity) và Độ dãn dài có gia lực (force ductility) là những thử nghiệm cần thiếtphải áp dụng cho nhựa đường cải thiện Chỉ riêng phép thử MSCR đã cung cấpnhững thông tin về cả đặc tính cũng như công thức của nhựa đường

Mô tả thử nghiệm MSCR:

Trình tự thử nghiệm MSCR được quy định theo AASHTO T350 Thử nghiệmMSCR MSCR sử dụng thiết bị Cắt động lưu biến DSR (Dynamic ShearRheometer),như là thiết bị được sử dụng để phân loại nhựa đường PG hiện hành MSCR sửdụng đĩa thử nghiệm 25mm cho cả hai phép thử.Các mẫu thử được sử dụng giốngnhư các mẫu thử nghiệm trong thí nghiệm DSR trên mẫu nhựa thu được sau thínghiệm RTFOT Tiến hànhgia tải gây từ biến trong 1 giây lên mẫu nhựa đường Sau

1 giây thì sẽ dỡ tải, và cứ lặp lại chu kỳ cho 9 giây tiếp theo

Hình 1.28 chỉ ra dữ liệu điển hình khi thử nghiệm với nhựa đường Polyme Tảitrọng được gia tải để đạt được ứng suất thấp (0,1 kPa) cho 10 chu kỳ từ biến/hồiphục, sau đó tăng ứng xuất đến 3.2 kPa và tiếp tục lặp thêm 10 chu kỳ nữa Tínhđáp ứng (phản ứng-response) của nhựa đường trong thử nghiệm MSCR khác mộtcách đặc trưng so với thử nghiệm được quy định tại Tiêu chuẩn phân loại nhựađường hiện hành (DSR)

Hình 1.28: Ứng xử của nhựa đường Polyme với tải trọng lặp (MSCR)

Trong phân loại nhựa đường PG hiện hành, thông số nhiệt độ cao G*/sin (δ) được

đo bằng cách tạo tải trọng xoay lên mẫu nhựa ứng với biến dạng (kéo-strain) rấtnhỏ, do mức biến dạng nhỏ nên tham số nhiệt độ cao không thể hiện một cách chínhxác khả năng kháng hằn lún của nhựa đường Polyme

Dưới tác dụng của mức ứng suất, biến dạng rất nhỏ thể hiện tại thử nghiệm Mô đunđàn hồi động (dynamic modulus testing), hệ thống Polyme sẽ không được kích hoạt.Trong phân loại nhựa đường PG hiện hành, khi thử nghiệm DSR với nhựa đườngPolyme bằng DSR thì thuộc tính của các Polyme đo được chỉ như là chất độn (bộtkhoáng-filler) chứa trong nhựa đường

Ưu điểm của thử nghiệm MSCR là do nhựa đường đựơc thử nghiệm với các mứcứng suất và biến dạng cao hơn nên thuộc tính của nhựa đường liên quan đến điềukiện mặt đường được thể hiện tốt hơn Bằng cách sử dụng các mức ứng suất và biếndạng cao hơn trong phép thử MCSR, phản ứng của nhựa đường được thể hiệnkhông chỉ là hiệu ứng làm cứng (stiffening effects) của Polyme, mà còn tác độngcủa đàn hồi chậm (nhựa đường ứng xử như một dải cao su)

Kết quả thử nghiệm MCSR xác định giá trị % hồi phục được thể hiện tại Hình 1.29

Hình 1.29: Đồ thị xác định giá trị % hồi phục trong thử nghiệm MSCR 1.4.9 Thí nghiệm xác định nhiệt độ thấp tới hạn của nhựa đường PG (Low- Temperature).AASHTO R49-09

Mục đích:

Để kiểm tra, xác định các đặc tính nhiệt độ thấp của nhựa đường PG sử dụng số liệu

từ thử nghiệm uốn dầm lưu biến- BBR theo T 313 tại nhiệt độ quy định và tại nhiệt

độ quy định trừ đi 6°C; và thử nghiệm kéo trực tiếp-DT theo T 314 tại nhiệt độ quyđịnh

Thử nghiệm này được sử dụng để xác định:

- Xác định cấp nhựa đường PG -Việc xác định một cấp nhiệt độ thấp hoặc các cấpđược thỏa mãn bằng một loại nhựa đường Việc xác định nhiệt độ tương ứngvớicác thông số số kỹ thuật, TCR, nhiệt độ nứt tới hạn, là nhiệt độ ước tính bằngthử nghiệm này, mà ở đó các ứng suất nhiệt gây ra trong một vật liệu vượt quákhả năng chịu kéo của nó Nhiệt độ nứt tới hạn là một "sự nứt đơn" giới hạn dựđoán rằng không bao gồm ảnh hưởng của mỏi tại nhiệt độ thấp

- Trong thử nghiệm này xác định nhiệt độ nứt tới hạn cho hỗn hợp bê tông nhựanóng điển hình (HMA).

- Thử nghiệm này được thiết kế để xác định các khu vực nhiệt độ nơi ứng suấtnhiệt gây ra trong một hỗn hợp bê tông nhựa nóng điển hình làm mát nhanh (1°C/h) vượt quá khả năng chịu kéo của HMA

Thử nghiệm uốn dầm lưu biến- BBR theo T 313 ở nhiệt độ bổ sung có thể cần thiếtnếu giá trị 300 Mpa không nằm trong khoảng giá trị ứng với hai nhiệt độ thửnghiệm trước So sánh ứng suất phá hoại theo T 314 để tính toán ứng suất gây ra donhiệt theo R 49 (Determination of Low-Temperature Performance Grade (PG) ofAsphalt Binders) Nếu ứng suất phá hoại vượt quá ứng suất gây ra do nhiệt thì loạinhựa đường đó được coi là "Thỏa mãn-PASS" ứng với nhiệt độ quy định

Mô tả thử nghiệm:

Thử nghiệm này mô tả các trình tự được sử dụng để tính toán các đường cong môđun phục hồi chính và sau đó các đường cong ứng suất về nhiệt cho một chất nhựađường từ dữ liệu thu được từ các thử nghiệm uốn dầm lưu biến

Đường cong độ cứng chính được tính từ dữ liệu độ cứng so với thời gian đo đượctrong thử nghiệm BBR ở hai nhiệt độ Thủ tục lắp theo Christensen-Anderson-Marasteanu (CAM) mô hình lưu biến cho nhựa đường Đường cong độ cứng chínhsau đó được chuyển đến các đường cong từ biến bằng cách lấy nghịch đảo của nó.Đường cong từ biến được chuyển đổi mô đun phục hồi bằng cách sử dụng phươngpháp Hopkins và Hamming, được trang bị cho các model CAM Phương phápHopkins và Hamming là một giải pháp số của tích phân chập

Ứng suất nhiệt được tính bằng số lượng giải tích phân chập.Các tính toán ứng suấtnhiệt được dựa trên nguyên lý Boltzmann của vật liệu đàn hồi nhớt tuyến tính.Ứngsuất nhiệt tính sau đó được nhân với hằng số kết cấu để dự đoán những ứng suấtnhiệt trong mặt đường bê tông nhựa nóng Một giá trị 18 được sử dụng cho cáchằng số kết cấu

Các ứng suất nhiệt được tính toán sau đó được so sánh với những ứng suất phá hoại

từ các thử nghiệm kéo trực tiếp để xác định nhiệt độ nứt tới hạn của mặt đường

Phương pháp luận và số liệu yêu cầu:

Phương pháp này sử dụng số liệu từ thử nghiệm uốn dầm lưu biến- BBR theo T 313tại nhiệt độ quy định và tại nhiệt độ quy định trừ đi 6°C; và thử nghiệm kéo trựctiếp-DT theo T 314 tại nhiệt độ quy định trên một loại nhựa đường

Các số liệu DTT cần thiết là ứng suất phá hoạithu được bằng cách thí nghiệm vớimột tỉ lệ ứng suất 3 phần trăm mỗi phút Đối với mác PG xác định, kết quả DTTđược yêu cầu tối thiểu ở hai nhiệt độ thử nghiệm Các thí nghiệm DT được thựchiện tại nhiệt độ quy định và tại 6°C gia tăng tương ứng với nhiệt độ thấp của cấpnhựa đường Đối với việc sơ tuyển và thẩm tra, kết quả DTT được yêu cầu ở nhiệt

độ duy nhất là bằng với nhiệt độ thấp của cấp nhựa PG cộng với 10°C

Hai bộ số liệu BBR ở hai nhiệt độ khác nhau được yêu cầu với các phép đo độ võngtại 8, 15, 30, 60, 120, và 240 s Nhiệt độ kiểm tra BBR, T và T - 6 ° C, được lựachọn như vậy mà S (T, 60) ≤ 300 MPa và S (T - 6,60)> 300 MPa T sẽ là nhiệt độ

thử nghiệm thích hợp từ M 320 tại 6°C gia tăng tương ứng với nhiệt độ thấp của cấpnhựa đường.

Thử nghiệm uốn dầm lưu biến- BBR theo T 313 ở nhiệt độ bổ sung có thể cần thiếtnếu giá trị 300 Mpa không nằm trong khoảng giá trị ứng với hai nhiệt độ thửnghiệm trước So sánh ứng suất phá hoại theo T 314 để tính toán ứng suất gây ra donhiệt theo R 49 (Determination of Low-Temperature Performance Grade (PG) ofAsphalt Binders) Nếu ứng suất phá hoại vượt quá ứng suất gây ra do nhiệt thì loạinhựa đường đó được coi là "Thỏa mãn-PASS" ứng với nhiệt độ quy định

Tính toán kết quả:

Việc tính toán nhiệt độ thấp tới hạn tuân theo trình tự hướng dẫn tại mục 7 của tiêuchuẩn AASHTO R49

a Tính toán đường cong độ cứng chính:

Tính toán số liệu biến dạng BBR theo tiêu chuẩn AASHTO T313

D(T,t) = Biến dạng tại nhiệt độ, T, và thời gian, t

D(T,8), D(T,15), D(T,30), D(T,60), D(T,120), D(T,240),

D(T-6,8), D(T-6,15), D(T-6,30), D(T-6,60), D(T-6,120), D(T-6,240)

Tính toán số liệu độ cứng BBR theo AASTHTO T313 như sau:

S(T,t) = 1/ D(T,t) (1.9)Xác định aT-6 , hệ số biến thiên cho số liệu tại nhiệt độ T-6oC, bằng số, sử dụngphương pháp Gordon và Shaw để xây dựng đường cong chính

Từ aT-6 tính toán thông số Arrhenius như sau:

(1.11)Trong đó:

(1.12)

c Tính toán ứng suất nhiệt

(1.13)

1.5 Hiện trạng phân loại nhựa đường ở một số quốc gia trên thế giới

1.5.1 Phân loại nhựa đường ở Mỹ và Canada

Phân loại nhựa đường PG có nhiều ưu điểm và được áp dụng khá phổ biến tại nước

Mỹ, Canada Từ năm 1996, phương pháp phân loại nhựa đường theo PG được sửdụng rộng rãi ở Mỹ Theo báo cáo của TRB năm 2005 có 50/52 Sở Giao thông củacác Bang (DOT) sử dụng phân loại nhựa theo PG Tuy nhiên, song song với tiêuchuẩn phân mác nhựa theo PG, ở một số bang nước Mỹ và Canada vẫn tồn tại phânloại theo mác độ kim lún và độ nhớt

1.5.2 Phân loại nhựa đường ở Châu Âu

Tại khối EU (Châu Âu), việc phân loại nhựa đường theo độ kim lún vẫn được ápdụng khá phổ biến (BS EN 12591:2009 Nhựa đườngen and nhựa đườnginousbinders — Specifications for paving grade nhựa đườngens) Ngoài các phươngpháp thử quy định để phân loại mác nhựa theo độ kim lún truyền thống củaAASHTO M20 (Penetration Graded Asphalt Cement), EN 12591:2009 đã bổ sungcác chỉ tiêu để đánh giá nhựa đường, ví dụ như: thay thế thí nghiệm tổn thất khinung TFOT bằng RTFOT, bổ sung xác định Chỉ số độ kim lún PI (Penetrationindex), bổ sung thí nghiệm độ nhớt (Dynamic viscosity) tại 600C, độ nhớt(Kinematic viscosity) tại 135oC

Tại châu Âu, trước đề nghị xem xét áp dụng phân cấp nhựa theo PG, Ban soạn thảochương trình về nhựa đường của các nước cộng đồng châu Âu cũng còn một số ýkiến tranh luận (CEN CT-19SC1-Euronhựa đườnge), tuy nhiên cùng hướng đếnđích là phân loại nhựa đường phải phản ánh được tính chất nội tại của nhựa đường.Các nhà khoa học châu Âu đều công nhận phương pháp thí nghiệm phân loại nhựaSuperpave là có cơ sở rất khoa học Hiện nay Ủy ban châu Âu về tiêu chuẩn đãcông bố hàng loại các tiêu chuẩn thí nghiệm nhựa đường theo Superpave (CEN/TC

336 - Nhựa đườnginous binders) nhằm hướng đến phân loại nhựa theo PG

Những nghiên cứu, những tiêu chuẩn thí nghiệm đánh giá chất lượng nhựa theo đặctính sử dụng ở Châu Âu gần đây bao gồm:

- CEN/TR 15352:2006: Phân loại nhựa theo đặc tính sử dụng;

- CEN/TS 15324:2008; CEN/TS 15325:2008: Thí nghiệm cắt từ biến DSR ở nhiệt

độ thấp;

- EN 12607-1:2014: Tiêu chuẩn thí nghiệm màng mỏng lò quay RTFOT;

- EN 14769:2012: Tiêu chuẩn thí nghiệm già hóa nhựa bằng bình áp lực (PAV);

- EN 14770:2012: Tiêu chuẩn thí nghiệm cắt động lưu biến DSR xác định mô đunphức và góc lệch pha của nhựa (WI=00336148);

- EN 14771:2012: Tiêu chuẩn thí nghiệm uốn dầm ở nhiệt độ thấp BBR.

1.5.3 Phân loại nhựa đường ở Úc

Ở Úc hiện vẫn sử dụng phân loại nhựa đường theo độ nhớt

Các mác nhựa thông dụng sử dụng ở Úc là:

- Class 170: Độ nhớt ở 600C từ 140 Pa.s đến 200 Pa.s

- Class 320: Độ nhớt ở 600C từ 260 Pa.s đến 380 Pa.s

- Class 600: Độ nhớt ở 600C từ 500 Pa.s đến 700 Pa.s

Tuy nhiên, Úc cũng đang nghiên cứu các đặc tính của nhựa theo PG

1.5.4 Phân loại nhựa đường ở Trung Quốc

Trung Quốc vẫn sử dụng phương pháp phân loại theo độ kim lún, các mác nhựa từ

độ kim lún 140 đến 20 pen Với cùng một độ kim lún thì lại có đến 3 loại nhựa khácnhau A, B, C với các chỉ tiêu kỹ thuật quy định rõ loại A tốt nhất và kém nhất làloại C

Những nghiên cứu gần đây ở Trung Quốc tập trung áp dụng thí điểm chọn loại nhựađường theo phương pháp PG cho một công trình cụ thể, theo dõi, đánh giá trongthời gian ít nhất là 3 năm để dần từng bước sử dụng hệ thống Superpave

1.5.5 Phân loại nhựa đường ở Đài Loan

Điều kiện khí hậu Đài Loan khá tương đồng với điều kiện khí hậu Việt Nam, tổngchiều dài đường ở Đài Loan là 37.000km/36.000km2 diện tích Đài Loan chủ yếu sửdụng kết cấu áo đường mềm, hàng năm sử dụng trên 13 triệu tấn bê tông nhựa.Đài Loan vẫn chủ yếu phân loại nhựa theo độ nhớt, các mác nhựa sử dụng phổ biến

là AC-10 và AC-20 (AR2000 và AR4000 sau hóa già) Hệ thống Superpave cũngđược nghiên cứu sử dụng rộng rãi ở Đài Loan

1.5.6 Phân loại nhựa đường ở Thái Lan

Điều kiện khí hậu Thái Lan cũng khá tương đồng với điều kiện khí hậu Việt Nam.Hiện Thái Lan cũng đang sử dụng phân loại theo độ kim lún, phổ biến mác nhựaAC60-70 có độ kim lún 60-70pen để sử dụng làm lớp mặt đường Những nghiêncứu gần đây của Thái Lan tập trung vào phát triển hệ thống phân loại nhựa theo đặctính sử dụng PG của Superpave

1.5.7 Phân loại nhựa đường ở Jordan

Jordan nằm ở Tây Á, vùng Trung Đông, phần trên của bán đảo Ả Rập Jordan hiệncũng đang sử dụng phân loại mác nhựa theo độ kim lún, loại nhựa sử dụng phổ biến

ở Jordan cũng là 60/70 và 85/100 Những nghiên cứu gần đây ở Jordan [1, 13] cũngtập trung áp dụng phương pháp Superpave Các thí nghiệm nghiên cứu nhựa baogồm DSR, RTFO, PAV, và BBR

1.5.8 Phân loại nhựa đường ở Pakistan

Phân mác nhựa ở Pakistan vẫn theo độ kim lún, loại nhựa thường được sử dụng ởPakistan cũng là 60/70 Hướng nghiên cứu gần đây ở trường đại học công nghệ kỹthuật Taxila Pakistan là phát triển phương pháp Superpave thiết kế hỗn hợp BTN