BƯỚC đầu NGHIÊN cứu và ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG sức CHỐNG cắt TRƯỢT của BTNC12,5 ĐANG DÙNG ở VIỆT NAM final

BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ SỨC CHỐNG CẮT TRƯỢT CỦA BTNC12,5 ĐANG DÙNG Ở VIỆT NAM THEO TIÊU CHUẨN THÍ NGHIỆM VÀ THIẾT KẾ HỖN HỢP CỦA CHLB NGA PRELIMINARY RESEARCH ON EVALUATING SKID RESISTANCE OF DENSE-GRADED MIX ASPHALT CONCRETE 12,5 IN VIETNAM ACCORDING TO RUSSIAN LABORATORY AND DESIGN STANDARDS’ MIXED MATERIALS NCS THS NGÔ LÂM1 PGS.TS BÙI PHÚ DOANH2 PGS.TS HỒNG TÙNG2 THS KHNG HỒNG DƯƠNG3 Cục giám định chất lượng xây dựng – Bộ Xây Dựng Khoa Xây dựng Cầu Đường, Trường Đại học Xây Dựng Sở Xây Dựng Bắc Giang Tóm tắt: Bê tông nhựa (BTN) vật liệu đặc biệt ngành giao thơng vận tài, có cường độ khả chống biến dạng thay đổi theo nhiệt độ Trong điều kiện BTN phải chịu nhiệt độ cao đường nước phát triển có nhiều xe nặng lưu thơng nước ta u cầu BTN phải có khả ổn định, chống cắt trượt cao, nhiên tiêu chuẩn không đề cập đến vấn đề Bài viết trình bày bước đầu kết nghiên cứu đánh giá khả chống cắt trượt loại bê tông nhựa BTN thi công phổ biến nước ta theo tiêu chuẩn thử nghiệm thiết kế hỗn hợp CHLB Nga Từ khóa: Bê tơng nhựa, sức kháng cắt trượt, hệ số ma sát, lực dính Abstract: Asphalt concrete is a distinct material in transportation as its intensity and distortion resistance varies with temperature In Vietnam, asphalt concrete pavement frequently works in high temperature and under heavy traffic with high proportion of heavy vehicles As a result, asphalt concrete can need to have high stability and consitent skid resistance However, current standards not consider about these necessaries This initial study focuses on evaluating skid resistance of a dense-graded mix asphalt concrete 12,5, which are constructed popurlaly in Vietnam, by using Russian laboratory and design standards’ mixed materials Keywords: Asphalt concrete, skid resistance, friction coefficient, adhesion force Giới thiệu chung Dưới tác dụng tải trọng trục xe nặng mùa nóng nhiệt độ cao, BTN làm mặt đường tơ đòi hỏi phải có đủ sức chống cắt trượt để hạn chế phát sinh biến dạng dẻo dẫn đến dụng lún vệt bánh xe sớm đẩy trồi (Insability Rutting) lún vệt bánh xe tích lũy trình khai thác kết cấu mặt đường BTN (Structural Rutting) nhằm đảm bảo an toàn cho xe chạy với tốc độ khai thác quy định Như đề cập [1], sức chống cắt trượt bê tơng nhựa [τ] có nhờ hệ số ma sát tgϕ lực dính c (MPa) hỗn hợp BTN xác định nhiệt độ cao Đủ sức chống cắt trượt có nghĩa ứng suất cắt trượt tải trọng xe nặng gây lớp mặt đường BTN phải không vượt trị số ứng suất cắt cho phép [τ], tức điều kiện bất lợi phải đảm bảo τ ≤ [τ] = σtgϕ + c (trong σ ứng suất nén thẳng đứng lớp mặt BTN phải chịu) Trong [1] đề cập đến đường lối tiếp cận để đảm bảo điều kiện sức chống cắt trượt này, hầu (bao gồm nước ta) xét đến yêu cầu sức chống cắt trượt phải đủ trình thiết kế hỗn hợp BTN mà khơng theo cách kiểm tốn ứng suất cắt trượt q trình tính tốn thiết kế kết cấu mặt đường nhựa ϕ, qua nhiều nghiên cứu phân tích theo tốn hệ đàn hồi nhiều lớp cho thấy ứng suất cắt trượt tải trọng bánh xe nặng gây lớp BTN chịu ảnh hưởng lớp kết cấu Theo cách tiếp cận này, yêu cầu sức chống cắt trượt BTN xét đến cách gián tiếp thơng qua tiêu khác đòi hỏi BTN phải đạt trình thiết kế hỗn hợp Ví dụ tiêu độ ổn định, độ dẻo Marshall 60 0C, độ lún vệt bánh cho phép thử nghiệm Wheel tracking tiêu chuẩn TCVN nước ta [7], [8] Ngoài ra, chương trình nghiên cứu Mỹ đưa thiết bị thí nghiệm cắt trượt BTN Superpave (SST) xác định lực dính c (MPa) hệ số ma sát tgϕ BTN, nhiên chưa định ngưỡng yêu cầu tiêu dùng làm mặt đường ô tô điều kiện mơi trường khác Trong CHLB Nga có tiêu chuẩn [2] đưa phương pháp thử nghiệm xác định c tgϕ hỗn hợp BTN có tiêu chuẩn [3] đưa ngưỡng yêu cầu c tgϕ cho loại BTN khác (bao gồm BTN dùng chất liên kết polimer) dùng làm mặt đường ô tô sân bay cho cấp hạng đường khác vùng khí hậu khác Chính nhóm tác giả đặt vấn đề nghiên cứu vận dụng tiêu chuẩn [2] [3] để bước đầu trực tiếp đánh giá khả chịu cắt trượt hỗn hợp BTN thiết kế hỗn hợp theo [6] [7] nước ta xem xét khả vận dụng tiêu chuẩn [2] [3] để bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp BTN hành nước ta Tiêu chuẩn thí nghiệm quốc gia CHLB Nga (GOST 12801-98) [2] 2.1 Giới thiệu phương pháp thí nghiệm - Theo [2], lực dính c góc nội ma sát ϕ hỗn hợp bê tông nhựa xác định thơng qua thử nghiệm với mẫu hình trụ tiêu chuẩn 50 oC - Theo [2], thời điểm phá hoại mẫu bê tông nhựa xác định lực tối đa P (kN) tương ứng với chuyển vị l (mm) mẫu bê tông nhựa hình trụ tiêu chuẩn hai trạng thái ứng suất - biến dạng thể hình 1: (1) nén mẫu dọc trục không hạn chế nở hông, (2) nén mẫu theo đường sinh Hình 1: Thí nghiệm xác định đặc trưng ổn định cắt trượt bê tông nhựa 2.2 Trình tự thí nghiệm 2.2.1 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Theo [2], số lượng mẫu thí nghiệm tối thiểu để xác định sức chống cắt hỗn hợp BTN mẫu Trong đó, nửa số mẫu dùng để thử nghiệm nén trục nửa số mẫu thử nghiệm nén theo đường sinh Trước thí nghiệm, thực ngâm mẫu nước khoảng 60 phút nhiệt độ ổn định (50 ± 2)oC 2.2.2 Các bước thí nghiệm Mẫu thí nghiệm thực theo bước - Lực tối đa chuyển vị tương ứng mẫu xác định phương pháp (hình 1): nén dọc trục (1) nén theo đường sinh (2) Tốc độ gia tải theo phương pháp (50,0 ± 1,0) mm/phút - Mẫu thí nghiệm đặt hai kê mẫu (1) đặt khn thí nghiệm (2) Đưa mẫu thí nghiệm lên máy nén cho khoảng cách phận gia tải máy nén với khuôn giữ mẫu khoảng 5-10mm Sau mở động bắt đầu nén mẫu - Trong q trình thí nghiệm, máy tính hỗ trợ việc ghi lại biểu đồ gia tải lực, chuyển vị mẫu BTN tương ứng 45° 10.0 Ø7 15 120.0 Hình 2: Bộ khn giữ mẫu thí nghiệm c) Tổng hợp kết thí nghiệm - Đối với thí nghiệm nén theo trục nén theo đường sinh ta xác định công nén tương ứng: A= P.l (1) Trong đó: P - Áp lực nén thời điểm phá hoại (kN); l - biến dạng thời điểm phá hoại (mm) - Hệ số nội ma sát hỗn hợp bê tơng nhựa tg ϕ tính theo công thức: tgϕ = 3( Am − Ac ) Am − Ac ) (2) Trong đó: Am, Ac - cơng nén tương ứng với thí nghiệm nén mẫu theo đường sinh nén mẫu trục - Lực dính c hỗn hợp bê tơng nhựa tính theo công thức: c = (3 − 2tgϕ ).Rc (3) Trong đó: Rc (MPa) cường độ nén giới hạn, xác định qua công thức: Rc = Pc 10−2 F (4) 2.3 Thiết bị thí nghiệm Để làm thí nghiệm theo phương pháp này, nhóm tác giả nghiên cứu chế tạo hệ thống khuôn với chi tiết hình 3, thiết bị gồm có phận chính: (1) – Bộ khn dùng để giữ mẫu BTN (hình 2) (2) – Thiết bị gia tải Marshall; (3) – Đầu sensor gia lực, thiết bị truyền lực gia tải từ thiết bị gia tải Marshall lên khn mẫu trên; (4) – Bộ máy tính, phần mềm hỗ trợ ghi lại biểu đồ gia tải lực, chuyển vị mẫuBTN gia tải Hình 3: Thiết bị thí nghiệm chế bị theo tiêu chuẩn CHLB Nga Tiêu chuẩn đánh giá chất lương BTN CHLB Nga (GOST 9128-2013) [3] Tiêu chuẩn [3] tiêu chuẩn quốc gia CHLB Nga áp dụng cho nước SNG quy định cụ thể yêu cầu hỗn hợp bê tông nhựa gồm loại hỗn hợp bê tông nhựa dùng nhựa cải tiến (polime, SBS ) cho đường tơ sân bay Trong quy định rõ tiêu yêu cầu hệ số ma sát tgϕ lực dính c thể bảng Bảng 1: Các yêu cầu góc nội ma sát lực dính hỗn hợp BTNC theo [2] Phân loại BTN theo chất lượng hỗn hợp I II III Các quy định hỗn Phân vùng khí hậu hợp BTN I II, III IV, V I II, III IV, V I II, III IV, V Hệ số nội ma sát tgϕ không nhỏ A 0,86 0,87 0,89 0,86 0,87 0,89 - - - B 0,80 0,81 0,83 0,80 0,81 0,83 0,79 0,80 0,81 Lực dính A 0,23 0,25 0,26 0,22 0,24 0,25 hỗn hợp nhiệt B 0,32 0,37 0,38 0,31 0,35 0,36 0,29 0,34 0,36 độ 500C (MPa) Ghi chú: 1/ Theo quy định [3] vùng khí hậu V vùng khí hậu nóng ẩm (vùng trung á) có nhiều điểm tương đồng với khí hậu nước ta 2/ Đối với đường ô tô cấp III trở lên sử dụng BTNC loại I loại II Các cấp đường thấp dùng BTNC loại III 3/ BTN loại A thuộc loại BTN chặt nhiều đá dăm, BTN loại B thuộc loại BTN chặt vừa đá dăm tương ứng theo chuẩn Việt Nam 4/ Loại I, II, III chất lượng hỗn hợp BTN tùy thuộc chất lượng cốt liệu mức độ đồng hỗn hợp đạt sản xuất thi công Bước đầu nghiên cứu xác định tgϕ, c theo tiêu chuẩn CHLB Nga 4.1 Lưa chọn mẫu thí nghiệm: Nghiên cứu bước đầu với hỗn hợp BTNC thi cơng trực tiếp cơng trình nước ta (Hot bin), nhóm tác giả tiến hành thí nghiêm với ba hỗn hợp BTN theo bảng có thành phần cấp phối hình hình Bảng 2: Số lượng mẫu thí nghiệm Số lượng mẫu thí nghiệm ứng với hỗn hợp BTN có cấp phối hỗn hợp cốt liệu loại chất liên kết khác Hỗn hợp BTN BTNC 12.5-I BTNC 12.5-II BTNC 12.5-III Thành phần CP QĐ858 CP thô theo QĐ 858 CP theo 8819 cốt liệu Nhựa 60/70, phụ gia Nhựa g 60/70, hàm Nhựa 60/70, hàm Chất liên kết SBS 5%, hàm lượng lượng 4,4% lượng 4,6% 4,4% Thí nghiệm 3 Marshall Thí nghiệm 2 vệt hằn Thí nghiệm 6 nén theo [2] Hình 3-1: Biểu đồ đường cong cấp phối thiết kế hỗn hợp BTNC 12,5-I BTNC 12,5-II Hình 4: Biểu đồ đường cong cấp phối thiết kế hỗn hợp BTNC 12,5-III 4.2 Chế bị mẫu BTN: Công tác chế bị mẫu BTN tiến hành theo dẫn mục [2], gồm công việc sau: a) Chuẩn bị mẫu: Dùng khn đúc mẫu có đường kính chiều cao 71,4mm Đổ khoảng 650g mẫu vào khuôn, đổ xong tiến hành chọc xung quanh thành mẫu để vật liệu xếp Nhiệt độ chế bị mẫu khoảng 90-100oC Hình 5: Qúa trình đúc mẫu phục vụ thí nghiệm b) Chế bị mẫu: Hỗn hợp bê tông nhựa khuôn đặt lên bàn rung theo phương thẳng đứng với tần số rung f=2900 ± 100/phút, biên độ rung khoảng 0,4 ± 0,05mm khoảng ± 0,1phút Sau ép với áp lực 30 ± 0,5kPa vòng phút 4.3 Thí nghiệm mẫu BTN: Tiến hành thí nghiệm nén mẫu theo phương dọc trục phương đường sinh, áp lực chuyển vị thời điểm mẫu bị phá hoại xác định giới thiệu mục Để đảm bảo nhiệt độ mẫu không bị thay đổi, thời gian quy định thí nghiệm nén khơng nên q 60 giây Hình Q trình thí nghiệm nén mẫu theo phương trục, theo phương đường sinh Kết thí nghiệm tính tốn theo cơng thức (1) đến công thức (4) tổng hợp kết theo bảng Bảng 3: Tổng hợp kết thí nghiệm Nén mẫu theo đường sinh Mẫu TN Nén mẫu trục Đặc trưng kháng cắt BTN Công Hệ số Lực phá Chuyể Lực phá Chuyển Cơng Góc nội Lực nén, Am Rc nội ma hoại, n vị, hoại, vị, nén, Ac ma sát, φ dính, C (kN.mm (MPa) sát, Pm (kN) l (mm) Pc (kN) l (mm) (kN.mm) (độ) (MPa) ) tgφ BTNC12,5-I.1 9,5 2,9 13,78 5,827 1,89 5,51 BTNC12,5-I.2 9,8 2,8 13,72 5,269 1,99 5,24 BTNC12,5-I.3 9,8 2,8 13,72 5,998 1,87 5,61 13,74 5,70 7,94 7,92 7,99 7,95 7,36 7,41 7,48 7,42 3,582 3,712 3,775 3,69 4,768 4,848 6,03 5.22 Trung bình BTNC12,5-II.1 6,9 BTNC12,5-II.2 7,2 BTNC12,5-II.3 6,8 Trung bình BTNC12,5-III.1 6,4 BTNC12,5-III.2 7,8 BTNC12,5-III.3 6,8 Trung bình 2,3 2,2 2,35 2,3 1,9 2,2 1,424 0,82 39,36 0,32 0,922 0,80 38,81 0,21 1,303 0,65 33,12 0,37 5,458 1,80 1,82 1,83 1,77 1,89 1,62 3,22 3,38 3,45 3,35 4,22 4,58 4,88 4,56 4.4 Thí nghiệm tiêu lún vệt bánh xe cho hỗn hợp BTN: Để khảo sát mối quan hệ tiêu sức chống cắt với hằn lún vệt bánh xe, nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm mẫu lún vệt bánh xe theo phương pháp A tài liệu [5] đồng thời thí nghiệm tiêu Marshall hỗn hợp BTN theo [7] Do hai phương pháp thí nghiệm phổ biến quy định cụ thể, chi tiết [5], [7] nên nhóm tác giả đưa kết thí nghiệm, mục đích dùng để đối chứng, đánh giá kết xác định tiêu sức kháng cắt hỗn hợp BTN thí nghiệm theo [2] Kết thí nghiệm trình bày Bảng 4: Bảng 4: Kết thí nghiệm tiêu Marshall lún vệt hằn bánh xe Kết thí nghiệm TT Nội dung Đơn vị BTNC 12.5-I BTNC 12.5-II BTNC 12.5-III Độ ổn định Marshall kN 12,72 10,35 10,11 Độ dẻo mm 3,01 2,90 2,79 Độ sâu vệt hằn bánh xe 12,95mm/15 (phương pháp Hamburg 2,76mm/15.0 5,95mm/15.0 000 lượt mm Wheel tracking, Phương 00 lượt 00 lượt (Không đạt pháp A, nhiệt độ 50oC) yêu cầu) 4.5 Phân tích đánh giá kết thí nghiệm hỗn hợp BTNC12,5 theo tiêu chuẩn CHLB Nga 4.5.1 Đánh giá sức chống cắt hỗn hợp BTNC12,5 so với tiêu chuẩn [3] - Theo tiêu chuẩn đánh giá chất lượng CHLB Nga (bảng 2) yêu cầu hỗn hợp hỗn hơp BTNC loại A nhiều đá đăm BTNC loại B vừa đá dăm, cho đường cấp III trở lên vùng khí hậu V phải có tgϕ ≥ 0,89; tgϕ ≥ 0,83; lực dính c≥0,25 MPa; c≥0,36 MPa So sánh với kết thí nghiệm mẫu BTNC12,5 (bảng 3) cho thấy loại hỗn hợp BTNC không đạt yêu cầu BTNC loại II cho vùng khí hậu V CHLB Nga Riêng BTNC12,5 thiết kế theo dẫn QĐ858 có phụ gia SBS khơng có phụ gia SBS cho tgϕ khả quan hẳn BTNC12,5 thiết kế theo TCVN:8819 - Việc sử dụng cấp phối thơ có ảnh hưởng rõ rệt tới góc nội ma sát hỗn hợp vật liệu Góc cải thiện từ 33o lên khoảng 39o thay đổi cấp phối theo “8819” sang “858” - Việc sử dụng phụ gia SBS khơng làm thay đổi góc nội ma sát hỗn hợp BTN sử dụng cấp phối thô theo “858” (38,81 o so với 39,36o) lại làm thay đổi rõ rệt lực dính C từ 0,21 MPa lên 0,32 MPa Điều cho thấy, SBS tác động trực tiếp vào tính chất lý chất kết dính 4.5.2 Đánh giá điều kiện theo thí nghiệm vệt hằn - Trong thí nghiệm vệt hằn bánh xe, dù sử dụng hay không phụ gia SBS khả chống vệt hằn hỗn hợp BTN sử dụng cấp phối thô theo “858” đảm bảo đạt yêu cầu [5] Trong đó, hỗn hợp BTN sử dụng cấp phối theo “8819” đạt tgϕ = 0,65 nên chiều sâu vệt hằn khơng thỏa mãn quy định nói dù lực dính c có tăng đến 0,37 MPa Do vậy, thấy tăng góc nội ma sát yếu tố quan trọng để tăng sức kháng cắt, tăng khả chống vệt hằn bánh xe, đồng thời cho thấy có mối liên hệ chặt chiều sâu hằn lún góc nội ma sát vật liệu ϕ, tăng lực dính c khơng cải thiện nhiều khả chống hằn lún - Qua bảng cho thấy tiêu Marshall hỗn hợp BTN đạt yêu cầu kết thử nghiệm lún vệt bánh xe khơng đạt u cầu (như trường hợp BTNC12,5 dù độ dẻo nhỏ) Kết luận kiến nghị Mặc dù số lượng mẫu thí nghiệm ít, nghiêm cứu loại BTNC12,5 nhiên nhóm tác giả có số nhận định sau: 1) Việc thiết kế hỗn hợp BTN theo dẫn “QĐ 858” tạo hỗn hợp có hệ số ma sát xấp xỉ với yêu cầu BTN theo tiêu chuẩn Nga, qua cho thấy muốn có BTN đủ sức chống cắt cần phải tăng ma sát hạt cốt liệu, lực dính c tăng cách sử dụng loại nhựa có độ quánh cao nhựa polimer 2) Vấn đề tồn thiết kế hỗn hợp BTN Việt Nam chất lượng đá cơng nghệ gia cơng đá, muốn nâng cao chất lượng BTN đảm bảo sức kháng cắt lớn để chống HLVBX phải cải thiện công nghệ gia công đá chất lượng đá nhằm tăng hệ số ma sát hỗn hợp BTN sử dụng thành phần cấp phối không thô 3) Kiến nghị tuyến đường có yêu cầu cao chống HLVBX thí nghiệm hằn lún đạt nhiên so với tiêu chuẩn CHLB Nga không đạt chi tiêu sức chống cắt, kiến nghị xem xét điều chỉnh tiêu chuẩn thí nghiệm đánh giá HLVBX 4) Các thí nghiệm xác định hệ số ma sát tgϕ lực dính c theo [3] dễ thực điều kiện Việt Nam, tốn thí nghiệm vệt hằn bánh xe thực phòng thí nghiệm trường Do vậy, nên tiếp tục triển khai thử nghiệm nhiều để xem xét bổ sung tiêu thí nghiệm vào tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp BTN nước ta./ Tài liệu tham khảo [1] Dương Học Hải, Nguyễn Quang Phúc (2015) Về phương pháp thiết kế kết cấu áo đường mềm ảnh hưởng thiết việc thời gian gần nước ta mặt đường bê tông nhựa bị hư hỏng sớm hằn lún vệt bánh xe [2] Tiêu chuẩn quốc gia GOST 12801-98 CHLB Nga “Các vật liệu có sử dụng chất liên kết hữu dùng cho đường sân bay - Phương pháp thử nghiệm” 1998 [3] Tiêu chuẩn quốc gia GOST 9128-2013 CHLB Nga “Hỗn hợp bê tông nhựa, bê [4] [5] [6] [7] [8] tông nhựa pôlime dùng cho đường ô tô sân bay”, 2013 Bộ giao thông vận tải (2014), số 858/QĐ-BGTVT 26/3/2014 Về việc ban hành hướng dẫn áp dụng hệ thông tiêu chuẩn kỹ thuật hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế thi công mặt đường bê tơng nhựa nóng tuyến đường tơ có quy mơ giao thơng lớn Bộ giao thông vận tải (2014), số 1617/QĐ-BGTVT 29/4/2014 Về việc ban hành Quy định kỹ thuật phương pháp thử độ sâu vệt hằn bánh xe bê tông nhựa xác định thiết bị Wheel tracking TCVN 8819:2011 Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công nghiệm thu mặt đường bê tơng nhựa rải nóng Bộ Giao thơng vận tải, 2011; TCVN 8860-1:2011 Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall Bộ Giao thông vận tải, 2011; TCVN 7493: 2005 Bitum-Yêu cầu kỹ thuật Bộ Giao thông vận tải, 2005; ... cầu) 4.5 Phân tích đánh giá kết thí nghiệm hỗn hợp BTNC12,5 theo tiêu chuẩn CHLB Nga 4.5.1 Đánh giá sức chống cắt hỗn hợp BTNC12,5 so với tiêu chuẩn [3] - Theo tiêu chuẩn đánh giá chất lượng CHLB... mức độ đồng hỗn hợp đạt sản xuất thi công Bước đầu nghiên cứu xác định tgϕ, c theo tiêu chuẩn CHLB Nga 4.1 Lưa chọn mẫu thí nghiệm: Nghiên cứu bước đầu với hỗn hợp BTNC thi công trực tiếp cơng... chuẩn [2] [3] để bước đầu trực tiếp đánh giá khả chịu cắt trượt hỗn hợp BTN thiết kế hỗn hợp theo [6] [7] nước ta xem xét khả vận dụng tiêu chuẩn [2] [3] để bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp