Bài viết trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm về các đặc trưng cường độ của bê tông nhựa và ảnh hưởng của các đặc trưng này đến cường độ của kết cấu mặt đường mềm, bài báo trình bày mối quan hệ giữa các chỉ tiêu cường độ sử dụng trong thiết kế và thi công nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa, cụ thể là quan hệ giữa mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn với các chỉ tiêu Marshall. Từ đó, nhóm tác giả đề xuất các trị số mô đun đàn hồi và cường độ kéo uốn phù hợp cho các loại cấp phối bê tông nhựa đang được sử dụng phổ biến hiện nay.
24 Nguyễn Thanh Cường, Trần Thị Phương Anh, Phạm Ngọc Phương NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÁC TRỊ SỐ ĐẶC TRƯNG CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT 12,5 VÀ 19 TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG A STUDY Of PROPOSING STRENGTH PARAMETERS OF DENSE-GRADED ASPHALT CONCRETE - TYPES 12.5 AND 19 USED FOR PAVEMENT DESIGN Nguyễn Thanh Cường, Trần Thị Phương Anh, Phạm Ngọc Phương Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng cuong3dan@gmail.com; phuonganhxdcd@gmail.com; pnphuongdb@gmail.com Tóm tắt - Trên sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm đặc trưng cường độ bê tông nhựa ảnh hưởng đặc trưng đến cường độ kết cấu mặt đường mềm, báo trình bày mối quan hệ tiêu cường độ sử dụng thiết kế thi công nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa, cụ thể quan hệ mô đun đàn hồi cường độ kéo uốn với tiêu Marshall Từ đó, nhóm tác giả đề xuất trị số mô đun đàn hồi cường độ kéo uốn phù hợp cho loại cấp phối bê tông nhựa sử dụng phổ biến Kết nghiên cứu tạo sở cho việc tính tốn thiết kế kết cấu mặt đường mềm hợp lý hơn, góp phần tiết kiệm vật liệu, giảm chi phí sửa chữa, tăng chất lượng khai thác tính bền vững mặt đường bê tông nhựa nước ta Abstract - With the results of both theoretical and practical studies on intensity parameters of asphalt concrete and the influence of these factors on the intensity of flexible pavements, the paper presents the relationship between the intensity indicators used in design and execution of asphalt concrete road pavements especifically the relationship between static elastic modulus, tensile strength and Marshall parameter Thereby, the authors propose elastic modulus values and tensile strength suitable for types of asphalt concrete popularly used in Vietnam The research results provide the basis for properly calculating and designing flexible pavements, contributing to saving materials, reducing repair costs and increasing the quality and the performance of asphalt concrete pavements in our country Từ khóa - mặt đường; bê tơng nhựa; mô đun đàn hồi; cường độ kéo uốn; độ chặt; Marshall Key words - road pavements; asphalt; elastic modulus; tensile strength; compaction coefficient; Marshall Đặt vấn đề Bê tông nhựa (BTN) loại vật liệu mặt đường cấp cao sử dụng phổ biến Trong thời gian gần đây, nhiều tuyến đường hoàn thành đưa vào khai thác sử dụng xuất nhiều hư hỏng kết cấu BTN, ảnh hưởng lớn đến chất lượng khai thác tuyến đường tạo dư luận xã hội khơng tốt Từ góc độ kết cấu mặt đường thấy nguyên nhân gây hư hỏng mặt đường BTN từ khâu khảo sát, thiết kế; tính tốn lựa chọn kết cấu; công nghệ thi công vật liệu trình khai thác, vận hành Việc đảm bảo chất lượng mặt đường nói chung BTN nói riêng cần phải có hệ thống quản lý chất lượng chặt chẽ từ thiết thi công, điều chưa thể rõ nét tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam Cụ thể, không thống đặc trưng cường độ thiết kế (chỉ tiêu mô đun đàn hồi E cường độ kéo uốn Rku) tiêu cường độ nghiệm thu (chỉ tiêu Marshall - S) nên gây số khó khăn cho việc thiết kế kiểm sốt chất lượng thi cơng mặt đường Điều có nghĩa thi cơng u cầu quy định trị số cường độ thiết kế chưa đảm bảo ngược lại Với mong muốn góp phần nhỏ cải thiện chất lượng BTN nhóm tác giả đề xuất hướng phân tích, hệ thống lại nhóm tiêu cường độ từ bước thiết kế kết cấu đến bước kiểm sốt chất lượng thi cơng nhằm giúp người thiết kế đưa đặc trưng tính tốn phù hợp loại BTN12,5 bê tông nhựa chặt (BTNC) 19 sử dụng phổ biến tuyến đường có mật độ, tải trọng xe chạy lớn khu vực Nếu chất lượng mặt đường cải thiện giúp tăng tuổi thọ kết cấu, hạn chế công tác tu, sửa chữa nhằm tiết kiệm nguyên vật liệu, nguồn vật liệu hóa thạch, hạn chế nhiễm mơi trường, mục tiêu mà nhóm tác giả mong muốn hướng tới Kết nghiên cứu khảo sát 2.1 Các phương pháp tính tốn thiết kế kết cấu thí nghiệm cường độ mặt đường giới Việt Nam BTN có độ cứng lực dính sử dụng nhựa đường làm chất liên kết nên có khả chống biến dạng, chịu kéo uốn khả chống trượt tốt so với loại vật liệu mặt đường khác Theo quan điểm tác giả nước Đông Âu Liên Xô cũ, BTN vật liệu đàn hồi nên với móng đường tạo thành bán khơng gian có khả chống biến dạng, từ quan điểm họ xây dựng thành thành phương pháp (PP) tính tốn thiết kế kết cấu mặt đường Ngồi ra, cịn phải kiểm tra khả kéo uốn trượt lớp vật liệu toàn khối Các số liệu phục vụ thiết kế gồm mô đun đàn hồi tĩnh, cường độ kéo uốn vật liệu, khả chống trượt khuyến cáo cần thí nghiệm để xác định thiết kế cho cơng trình Việt Nam sử dụng phương pháp với việc kiểm tra điều kiện độ võng đàn hồi cho phép, điều kiện trượt khả chịu kéo uốn BTN, theo [1] Quan điểm thiết kế nước phương Tây, đặc biệt Mỹ có khác quan điểm dựa vào mô đun đàn hồi động BTN [7] số sức chịu tải (CBR) móng đường để tìm số kết cấu, từ tìm chiều dày kết cấu mặt đường theo phương pháp thực nghiệm Các số liệu thiết kế chủ yếu sử dụng tiêu chuẩn ASTM với hệ thống thiết bị đại nhiều trạng thái chịu lực khác Để đánh giá cường độ kiểm soát chất lượng thi cơng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN Bảng Bảng sơ đồ quy hoạch thí nghiệm Nội dung Sơ đồ Tuyển chọn vật liệu đầu vào: lựa chọn vật liệu sử dụng cho Quốc lộ 1A trạm trộn Công ty 545 với đá Hố Chuồn, cát Hà Nha, bột khống Nghệ An Thí nghiệm tiêu lý theo [3] Lựa chọn thành phần BTN: Thiết kế thành phần cốt liệu, đúc mẫu với hàm lượng nhựa, thí nghiệm tiêu lý để lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu theo [2], [3], [4] &[5] Chế tạo mẫu thử với thành phần tối ưu thiết kế giai đoạn1 với độ chặt khác Khoan, cắt để tạo mẫu tương ứng Thí nghiệm tiêu cường độ S, E, Rku theo [3], [1] Xác định tương quan tiêu cường độ BNTC 12,5 Số lượng BTNC19 Đá 19 Đá 12,5 Đá 9,5 Đá 9,5 Cát xay Cát xay Cát sơng Cát sơng Bột khống Bột khống Nhựa CốtNhựa liệu + hàm lượng nhựa khác Cốt liệu + hàm lượng nhựa tối ưu Rku Tấm 30x30x5c m S Đá: mẫu Cát: mẫu Bột khoáng: mẫu Nhựa: mẫu + Chế tạo mẫu trụ: 30 mẫu; + Thí nghiệm mẫu trụ: 30 mẫu Tấm: 10 mẫu; Trụ: 40 mẫu; Dầm: 20 mẫu Marshall: 20 mẫu; E: 20 mẫu; Rku: 20 mẫu; Marshall : Mô đun đàn hồi : 2.3 Kết thí nghiệm giai đoạn 1: thiết kế thành phần BTN Với phạm vi nghiên cứu loại BTN phổ biến có xét đến điều kiện thi công, nghiệm thu để xác định cường độ, nhóm tác giả nghiên cứu cấp phối BTNC12,5 BTNC19 theo hướng dẫn giải pháp khắc phục tượng “hằn lún vệt bánh xe” đường tơ có quy mơ giao thơng lớn, theo [4], [5] Kết tương ứng với bước thiết kế sơ theo hướng dẫn [2] sau: Bảng Thiết kế thành phần vật liệu BTNC12,5 Đá dăm D12,5 24,27 Tỉ lệ phối trộn loại cốt liệu (%) Đá dăm Đá mạt Cát sông D9,5 36,00 19,57 14,16 QĐ 858 /BGTVT Đường thiết kế 0.1 10 Lỗ sàng , logarit (mm) 100 Hình Biểu đồ cấp phối BTN chặt 12,5 Bảng Thiết kế thành phần vật liệu BTNC19 Tỉ lệ phối trộn loại cốt liệu (%) E Kéo uốn : TCVN 8819:2011 Tỉ lệ nhựa theo hỗn hợp: 4,30÷5,10%, tối ưu 4,60% Tỉ lệ nhựa theo cốt liệu: 4,49÷5,37%, tối ưu 4,82% Bột khoáng 6,00 Đá dăm D19 Đá dăm D9,5 Đá mạt Cát sơng Bột khống 37,24 25,53 17,23 15,00 5,00 Biểu đồ cấp phối BTN chặt 19 100 90 Lượng lọt qua sàng (%) Giai đoạn Giai đoạn TT Biểu đồ cấp phối BTN chặt 12,5 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0.01 Lượng lọt qua sàng (%) BTN, có nhiều phương pháp thí nghiệm khác thực hiện: phương pháp Hveem, phương pháp Marshall [8], phương pháp SuperPAVE [9] Các phương pháp sử dụng để đánh giá chất lượng BTN từ giai đoạn thiết kế thành phần hỗn hợp thí nghiệm xác định tiêu cường độ khả biến dạng BTN Trong đó, phương pháp Marshall sử dụng Tiêu chuẩn thi cơng nghiệm thu vật liệu BTN nóng nước ta nay, theo [2], [3] [8] 2.2 Sơ đồ quy hoạch thí nghiệm 25 80 TCVN 8819:2011 70 60 QĐ 858 /BGTVT 50 40 30 Đường thiết kế 20 10 0.01 0.1 10 100 Lỗ sàng , logarit (mm) Tỉ lệ nhựa theo hỗn hợp: 3,80÷4,60%, tối ưu 4,10% Tỉ lệ nhựa theo cốt liệu: 3,95÷4,82%, tối ưu 4,28% Hình Biểu đồ cấp phối BTN chặt 19 2.4 Kết thí nghiệm giai đoạn 2: phân tích tương quan tiêu cường độ 2.4.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm Với mục đích tạo nhóm mẫu có độ chặt xấp xỉ để thí nghiệm tiêu cường độ, nhóm tác giả tiến hành chế tạo mẫu BTN kích thước 30x30x5cm thiết bị mơ q trình cơng BTN ngồi trường Viện Kỹ Thuật Xây Dựng Hạ Tầng (C.E.I) Các tổ mẫu chế tạo với độ chặt xoay quanh giá giới hạn nghiệm thu BTN, dự kiến độ chặt từ 95% đến 101%, sau gia cơng thành loại mẫu thử tương ứng trình thực hình sau: 26 Nguyễn Thanh Cường, Trần Thị Phương Anh, Phạm Ngọc Phương Hình Thí nghiệm mơ đuyn đàn hồi 300C Hình Cơng tác chế tạo mẫu giai đoạn 2.4.2 Thí nghiệm tiêu vật lý &3 tiêu cường độ Tiến hành thí nghiệm mẫu thử thiết bị phịng thí nghiệm Cầu đường Các thiết bị thí nghiệm thỏa mãn yêu cầu theo quy định, kiểm định đồng có thí nghiệm đối chứng với Trung tâm kỹ thuật đường (RTC3), kết đối chứng sai khác 5% a Thí nghiệm xác định kích thước mẫu thử Với mẫu trụ đo chiều cao (H), đường kính (D) vị trí, tính trung bình lần đo sử dụng thước kẹp độ xác 0,1mm Tương tự mẫu dầm đo chiều dài (l), chiều cao (h), chiều rộng (b) b Thí nghiệm khối lượng thể tính độ chặt Sử dụng phương pháp bảo hịa bề mặt cân nước thí nghiệm khối lượng thể tính BTN vật liệu có độ rỗng cịn dư