Nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu stone mastic asphalt đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống nứt mặt đường bê tông asphalt trong điều kiện việt nam TT

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài BTN loại vật liệu phổ biến sử dụng cho lớp KCAĐ ô tô Việt Nam Trên nhiều tuyến quốc lộ, tuyến đường tơ cấp cao có quy mô giao thông lớn Việt Nam thường xuất hư hỏng nứt, LVBX làm suy giảm cường độ tuổi thọ KCAĐ Đây vấn đề không xảy Việt Nam mà xảy quốc gia giới có khoa học kỹ thuật phát triển Hiện nay, Việt Nam có hiệu lực song song TCVN 8819:2011, 22TCN 35606 QĐ 858 Tuy nhiên, trình khai thác, mặt đường BTN thiết kế theo quy trình xảy tình trạng LVBX, bong tróc, thấm nước nứt Hỗn hợp SMA có nguồn gốc Đức vào cuối năm 1960, sau phổ biến Châu Âu, Mỹ, New Zealand, Nhật Bản,… SMA sử dụng cho mặt đường ô tô lưu lượng giao thông lớn, đường đua F1, đường sân bay, mặt cầu loại mặt đường thường xuyên chịu tải trọng xe nặng Hỗn hợp SMA có ưu điểm như: Tăng sức chịu tải KCAĐ, tăng độ nhám mặt đường, tăng sức kháng cắt trượt, tăng khả kháng biến dạng, kháng nứt hỗn hợp, giảm tượng LVBX Chính trên, lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng vật liệu Stone Mastic Asphalt đến khả chống lún vệt bánh xe chống nứt mặt đường bê tông asphalt điều kiện Việt Nam” cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu thành phần, đặc tính học vật liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật, khả năng, hiệu ứng dụng vật liệu Stone Mastic Asphalt Đối tượng nghiên cứu Hỗn hợp SMA với cỡ hạt lớn danh định 12,5mm làm lớp mặt cho KCAĐM Phạm vi nghiên cứu Phân tích tổng quan tình hình sử dụng hỗn hợp SMA, hư hỏng LVBX nứt Việt Nam giới; Phân tích ngun nhân dẫn đến q trình hình thành phát triển LVBX nứt mặt đường BTN; Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần vật liệu BTN đến sức kháng trượt kháng nứt hỗn hợp BTN; Nghiên cứu thí nghiệm phịng, xác định tiêu kỹ thuật hỗn hợp SMA loại BTNC đối chứng phục vụ tính tốn dự báo LVBX tính tốn thiết kế kết cấu lớp BTN điều kiện Việt Nam Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: (i) - Phân tích, làm rõ sở khoa học việc sử dụng lớp SMA Nghiên cứu chất lý thuyết SMA, hình thành liên kết đá chèn đá làm tăng khả kháng LVBX (ii) - Phân tích ưu nhược điểm phạm vi áp dụng SMA điều kiện Việt Nam Hệ thống hố tiêu chuẩn thí nghiệm đánh giá chất lượng SMA; (iii) - Đề xuất phương pháp thiết kế hỗn hợp, lựa chọn thành phần cấp phối, yêu cầu vật liệu, tiêu lý SMA Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn: (i) - Xác định tiêu kỹ thuật SMA thiết kế KCAĐ theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06; (ii) - Mơ hình hóa phân tích KCAĐM cấp cao sử dụng lớp SMA điều kiện Việt Nam 2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ STONE MASTIC ASPHALT, HƯ HỎNG LÚN VỆT BÁNH XE VÀ NỨT LỚP MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA 1.1 Tổng quan Stone Mastic Asphalt 1.1.1 Khái niệm Stone Mastic Asphalt Stone Mastic Asphalt (viết tắt SMA), thuật ngữ “Splitt-mastixasphalt” theo tiếng CHLB Đức, “Stone Matrix Asphalt” theo cách gọi tiêu chuẩn Mỹ Ấn Độ có nguồn gốc CHLB Đức vào cuối năm 1960 Sau đó, SMA sử dụng phổ biến Châu Âu, Mỹ, Brazil, Australia, New Zealand, Trung Quốc,… SMA dùng cho loại mặt đường tơ có lưu lượng giao thơng lớn, sân bay, mặt cầu mặt đường thường xuyên chịu tải trọng xe nặng Theo tiếng Việt, có số cách gọi khác nhau: hỗn hợp mastic nhựa đá dăm, bê tông đá vữa nhựa Trong luận án kiến nghị gọi SMA Tiêu chuẩn AASHTO M325 Mỹ định nghĩa sau: “SMA hỗn hợp BTN nóng bao gồm hai phần - khung cốt liệu thô lượng lớn vữa asphalt Hỗn hợp phải có khung cốt liệu với tiếp xúc đá chèn đá Cốt liệu thơ lượng cốt liệu tích lũy sàng 4,75mm (sàng số 4)” Theo tiêu chuẩn châu Âu - EN 13108-5, SMA định nghĩa sau: “SMA hỗn hợp BTN cấp phối gián đoạn với chất kết dính bitum, bao gồm khung cốt liệu thơ nghiền kết dính với vữa mastic” Nhìn chung, SMA chứa hàm lượng cốt liệu thô tối thiểu 70%, cốt liệu mịn chiếm 12-17% bột đá chiếm 8-13% theo khối lượng hỗn hợp vật liệu khống Chất kết dính có hàm lượng từ 6,0-7,5% theo khối lượng hỗn hợp Để ổn định chất kết dính, ngăn ngừa tượng chảy nhựa SMA, hàm lượng sợi cellulose từ 0,2-0,3% theo khối lượng hỗn hợp thêm vào q trình trộn khơ Độ rỗng dư từ 3-4% [50,53,77,91] Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc SMA 1.1.2 Ứng dụng SMA giới SMA sử dụng phổ biến Châu Âu, Mỹ, New Zealand, Ấn Độ, Trung Quốc, Úc… Hầu có tiêu chuẩn thiết kế, thi cơng SMA SMA sử dụng cho mặt đường ô tô lưu lượng giao thông lớn, đường đua F1 (Tây Ban Nha, Đài Loan), đường sân bay (Frankfurt - CHLB Đức, Gardermoen - Na Uy, Johannesburg - Nam Phi ), mặt cầu (cầu Roosteren - Hà Lan; cầu Great Belt Link Đan Mạch ) loại mặt đường thường xuyên chịu tải trọng xe nặng 1.2.2 Ứng dụng SMA Việt Nam SMA sử dụng làm mặt cầu Thăng Long dự án sửa chữa lớp phủ mặt cầu Thăng Long tiến hành từ 10/2009-12/2009 Mặt cầu thảm lớp SMA12,5 phía trên, lớp SMA9,5 phía Lớp SMA9,5 dính bám với mặt cầu thép chất kết dính Eliminator SMA12,5 có thành phần vật liệu: Đá dăm: 82%; Cát tự nhiên: 10%; Bột đá: 8%; Chất kết dính: PMB III (6%); Chất ổn định: 0% SMA9,5 gồm: Đá dăm: 82%; Cát tự nhiên: 10%; Bột đá: 8%; Chất kết dính: PMB III (6,5%); Chất ổn định: 0% Khi đưa vào sử dụng, mặt cầu Thăng Long xuất nứt, phải vá sửa nhiều đợt Có nhiều nguyên nhân dẫn đến hư hỏng, cơng nghệ lu lèn chưa kỹ thuật độ rỗng dư SMA không đạt yêu cầu Nước mặt thấm qua lớp SMA làm bong bật lớp dính bám SMA với lớp phía Năm 2009, cơng ty ECC thực phủ BTN mặt cầu thép cầu Thuận Phước Báo cáo đề xuất kỹ thuật cầu Thuận Phước trộn rải thử 53 SMA Kết thử nghiệm cho thấy có tượng hư hỏng lớp SMA, nguyên nhân đánh giá lớp dính bám lớp SMA lớp mặt phịng nước khơng đảm bảo u cầu Từ điều chỉnh sử dụng lớp phủ mặt cầu phần hành lớp SMA9,5 Lớp phủ mặt cầu Cần Thơ thiết kế với lớp mặt sử dụng SMA5 lớp mặt sử dụng SMA13, thi công vào năm 2009 Tỷ lệ thành phần SMA13: Đá 513: 65%; Đá 0-5: 13%; Cát: 11%; Bột đá: 11%; Sợi Cellulose: 0,5% SMA5 có tỷ lệ thành phần: Đá 2,5-5: 50%; Đá 0-5: 20; Cát: 20%; Bột đá: 10%; Sợi Cellulose: 0,3% Cả hai lớp SMA sử dụng chất kết dính PMB I Năm 2003, Viện KH&CN GTVT thực đề tài cấp Bộ GTVT: “Sử dụng vật liệu Stone Mastic Asphalt SMA làm lớp mặt đường ô tô cấp cao” ThS Bùi Ngọc Hưng làm chủ nhiệm đề tài Nghiên cứu chế tạo hai loại SMA12,5 SMA19, sử dụng nhựa thông thường Ngày 01/8/2019, Trường Đại học GTVT tổ chức hội thảo: “Bê tông nhựa SMA Triển vọng áp dụng Việt Nam” PGS TS Nguyễn Quang Phúc trình bày nghiên cứu SMA12,5 sử dụng sợi Viatop (CHLB Đức) Kết cho thấy, SMA12,5 có tiêu học tốt so với BTNC 12,5 (theo QĐ 858) đối chứng 1.2 Một số nhận xét kết nghiên cứu tổng quan SMA SMA sử dụng nước giới có số đặc điểm sau: - SMA có cấp phối gián đoạn, tỷ lệ lượng lọt sàng cỡ sàng 4,75mm thấp (hay lượng tích lũy sàng 4,75mm - Hàm lượng cốt liệu thô cao), từ 65-80%; Cốt liệu SMA yêu cầu 100% cốt liệu nghiền, cốt liệu lớn giới hạn nghiêm ngặt độ hao mòn Los Angeles (≤ 30%) hàm lượng hạt thoi dẹt; Cốt liệu nhỏ yêu cầu độ góc cạnh (≥ 45%), thường sử dụng cát xay (khơng dùng cát tự nhiên); Chất kết dính sử dụng bitum thơng thường bitum cải tiến để nâng cao độ bền cho hỗn hợp; Hàm lượng chất kết dính tối thiểu 5,8-6,0%; Trong q trình trộn cốt liệu, hàm lượng sợi (0,2-0,5%) thêm vào để chống tượng chảy chất kết dính (thường dùng sợi cellulose với hàm lượng 0,3%) - Để đảm bảo tiếp xúc đá chèn đá VMA ≥ 17; Để kiểm tra tiếp đá chèn đá tiêu độ rỗng cốt liệu thơ - VCA (thí nghiệm theo AASHTO T19) phải thực Yêu cầu độ rỗng cốt liệu thô (VCAMIX) ≤ độ rỗng cốt liệu trạng thái khô đầm chặt (VCADRC); Hầu Châu Âu, Ấn Độ, Trung Quốc, New Zealand Mỹ thiết kế hỗn hợp SMA theo phương pháp Marshall với 2×50 chày/1 mặt, giá trị yêu cầu sau: độ ổn định Marshall: Min 6,2kN, độ dẻo Marshall: 2-4mm; Độ rỗng dư: 2-5% Độ chảy bitum ≤ 0,3% (thí nghiệm theo AASHTO T305-Mỹ; EN 12697-18- Châu Âu) SMA sử dụng Việt Nam có số đặc điểm sau: - Một số công trình Việt Nam thiết kế SMA sử dụng cốt liệu nhỏ cốt liệu tự nhiên, điều khơng thỏa mãn u cầu độ góc cạnh dẫn đến độ ổn định cấu trúc vữa asphalt khơng đảm bảo; Chất kết dính sử dụng PMB III PMB I; SMA dùng cho mặt cầu Thuận Phước, Cần Thơ sử dụng chất ổn định sợi cellulose; SMA dùng cho mặt cầu Thăng Long không sử dụng chất ổn định Cấp phối SMA mặt cầu Cần Thơ có lượng lọt sàng cỡ sàng 4,75mm tương đối cao so với SMA sử dụng Châu Âu Mỹ cụ thể: với SMA13 cỡ sàng 4,75mm 35-70% (hàm lượng cốt liệu thô từ 30-65%) - Ngoài yêu cầu kỹ thuật theo phương pháp thiết kế Marshall, loại SMA sử dụng Việt Nam không đề cập đến điều kiện để tạo tiếp xúc đá chèn đá cấu trúc SMA thí nghiệm đánh giá sức kháng ẩm q trình thiết kế Trong đó, tiêu chuẩn SMA nước Châu Âu, Ấn Độ, Trung Quốc Mỹ quy định tiêu 1.3 Thực trạng LVBX mặt đường BTN Việt Nam giới Ở Việt Nam, tượng LVBX phát sinh phát triển nhanh từ đầu năm 2000 đến nay, đặc biệt chủ yếu tập trung tuyến quốc lộ có lưu lượng xe tải trọng xe lớn; vùng có thời tiết nắng nóng (khu vực miền Trung) LVBX mặt đường nút giao thông tượng phổ biến nước giới [79] LVBX áp suất bánh xe tăng cao Hình 1.2 Hiện tượng LVBX Đại lộ Đông Tây thảo luận Hội nghị chuyên đề quốc gia (Mỹ) từ năm 1987 Những chuyên gia tham dự hội thảo thống áp suất bánh xe cao tải trọng xe tăng nguyên nhân dẫn đến gia tăng LVBX tuyến đường, LVBX giảm thiểu cách nghiên cứu lựa chọn vật liệu, thiết kế hỗn hợp thi công phù hợp [52] 1.4 Các nguyên nhân gây biến dạng xô dồn, lún lớp BTN mặt đường Có ngun nhân gây tượng xô dồn, lún lớp BTN mặt đường: (i) Điều kiện nhiệt độ; (ii) - Yếu tố vật liệu, thành phần cấp phối; (iii) - Điều kiện khai thác - Điều kiện nhiệt độ: Theo số liệu Tổng cục thống kê Việt Nam tháng 6/2020 [24], Việt Nam có lượng xạ mặt trời cao với số nắng trung bình từ 1070-3000 giờ/năm Nhiệt độ lớp BTN hấp thụ nhiệt độ khơng khí xạ mặt trời Những ngày nắng mùa hè, nhiệt độ bề mặt mặt đường BTN đạt tới 6667°C giảm dần theo chiều sâu Theo [107,115], biến dạng dẻo lớp BTN chủ yếu xảy nhiệt độ ≥ 50°C, mức nhiệt độ < 50°C, biến dạng xảy không đáng kể Nhiệt độ > 50°C lớp BTN đạt tới chiều sâu từ 9-10cm cách bề mặt, khu vực xảy biến dạng dẻo lớp BTN - Yếu tố vật liệu, thành phần cấp phối: Ở Việt Nam sử dụng loại BTN cho xây dựng mặt đường mềm theo quy trình, là: (i) - TCVN 8819:2011; (ii) - 22TCN 356-06 (iii) - Quyết định số 858/QĐ-BGTVT Hàm lượng cốt liệu thơ (tích lũy sàng 4,75mm) hỗn hợp BTNC theo TCVN 8819:2011 22TCN 356-06 (2952%); BTNC theo QĐ 858 có hàm lượng cốt liệu thơ từ 38-66% Các loại BTNC sử dụng Việt Nam có hàm lượng cốt liệu thơ tương đối thấp, lực nội ma sát nhỏ, dẫn đến cường độ kháng cắt BTN thấp Đây nguyên nhân dẫn đến loại BTNC có Việt Nam có cường độ kháng cắt thấp - Điều kiện khai thác: Những năm gần lưu lượng tải trọng gia tăng đột biến số lượng chủng loại, đặc biệt phương tiện tải trọng lớn khơng kiểm sốt dẫn đến xuất LVBX hệ thống mạng lưới đường Việt Nam ngày tăng Không vậy, số xe quy đổi hoạt động thực tế nhiều tuyến đường vượt lưu lượng thiết kế 1.5 Các biện pháp hạn chế LVBX giới Việt Nam Giải pháp vật liệu: (i) - Tăng lực dính đơn vị BTN; (ii) - Sử dụng cốt sợi để tăng khả kháng biến dạng BTN; (iii) - Điều chỉnh thành phần cốt liệu hỗn hợp Một số giải pháp sử dụng phụ gia chất kết dính nhựa đường: (i) - Sử dụng phụ gia epoxy; (ii) - Sử dụng phụ gia Elvaloy; (ii) - Sử dụng phụ gia Taf-Pack-Premium Giải pháp hoàn thiện kết cấu phối hợp sử dụng vật liệu cải thiện: Lựa chọn loại vật liệu có cường độ tương ứng bố trí lớp, góp phần tăng sức chịu tải độ ổn định kết cấu, giảm LVBX 1.6 Các phương pháp dự báo LVBX Hiện nay, Mỹ, Liên Bang Nga số nước giới, ban hành quy định tính tốn dự báo mức độ lún lớp BTN mặt đường từ giai đoạn thiết kế Nghiên cứu tập trung theo trường phái nghiên cứu học - thực nghiệm (Mỹ) [94,105], tính toán lý thuyết (Liên Bang Nga) [107,109,116] Theo trường phái Liên Bang Nga, tính tốn lún sở lý thuyết đàn nhớt dẻo, xem vật liệu BTN tuân theo nguyên lý học môi trường liên tục [107] với tham số tính tốn vật liệu hệ số nhớt dẻo (phi Newton η), môi trường rời [109] với tham số tính tốn lực dính đơn vị C, góc nội ma sát φ Giá trị tham số tính tốn vật liệu xác định phịng thí nghiệm, phụ thuộc loại BTN 1.7 Hư hỏng nứt mặt đường BTN Hư hỏng nứt trùng phục tải trọng, xuống cấp hay lão hóa hỗn hợp vật liệu yếu tố kết cấu Nếu không xử lý, vết nứt mở rộng phát triển Sự xâm nhập nước mưa gây thêm nứt dẫn đến hư hỏng kết cấu LVBX nứt hai dạng phá hoại đối lập nhau, khắc phục dạng dễ phát sinh dạng 5 Khi thiết kế thành phần BTN sử dụng cấp phối có hàm lượng cốt liệu lớn cao, hàm lượng bitum thấp với mục đích kháng LVBX dẫn đến khả chịu kéo, khả chống nứt giảm Vì vậy, thiết kế thành phần hỗn hợp BTN phải lựa chọn cấp phối cốt liệu, hàm lượng nhựa phù hợp để thỏa mãn hai yêu cầu chống LVBX nứt Tại Mỹ, thí nghiệm nứt khác xác định báo cáo Chương trình nghiên cứu hợp tác đường cao tốc quốc gia NCHRP 9-57 Bảy thí nghiệm kháng nứt BTN lựa chọn NCHRP 9-57 (xem Bảng 1.5) [66] Bảng 1.5 Bảy thí nghiệm nứt chọn NCHRP 9-57 DCT SCB-AASHTO TP105 SCB-Louisiana SCB-Illinois Chuẩn bị mẫu: Chuẩn bị mẫu: lần Chuẩn bị mẫu: Chuẩn bị mẫu: lần cắt, vết khía; cắt, vết khía; Thời lần cắt, vết lần cắt, Thời gian thí gian thí nghiệm 30 khía, lỗ vết khía nghiệm 30 phút phút IDT-CST OT BBF Chuẩn bị mẫu: Chuẩn bị mẫu: lần Chuẩn bị mẫu: lần cắt; Thời cắt, gắn mẫu vào đĩa; lớn, lần cắt, gắn mẫu gian thí nghiệm 1- Thời gian thí nghiệm: vào đĩa; Thời gian thí 30 phút - nghiệm: - ngày Các thí nghiệm đánh giá nứt hỗn hợp BTN nói có nhược điểm chung phải tiến hành cắt mẫu, ngồi thí nghiệm SCB-Illinois thí nghiệm DCT thí nghiệm nứt cịn lại có thời gian thí nghiệm lâu (từ 30 phút đến ngày) Một nhược điểm lớn thí nghiệm nói chi phí thiết bị cao, từ 10.000$-100.000$ Do thí nghiệm nói chưa đủ đơn giản, nhanh chóng kinh tế Năm 2017, Fujie Zhou [66] nghiên cứu phát triển thí nghiệm để kiểm tra nứt hỗn hợp BTN, gọi IDEAL-CT (Indirect Tensile Asphalt Cracking Test) Thí nghiệm IDEAL-CT có ưu điểm khơng cắt, khơng khía, khơng khoan, khơng gắn, dán mẫu; hồn nghiệm vịng phút, thiết bị thí nghiệm có chi phí thấp 10.000$, nhạy với thành phần hỗn hợp BTN thực Sở GTVT Bang phịng thí nghiệm nhà thầu Mỹ Năm 2019, phương pháp thí nghiệm IDEAL-CT chuẩn hóa Mỹ ban hành thành tiêu chuẩn thí nghiệm ASTM D8225-19 Phương pháp mơ tả việc xác định số kháng nứt cho phép CTIndex thông số khác từ đường cong lực - chuyển vị [43] Căn vào độ lớn số kháng nứt CTIndex đánh giá khả kháng nứt hỗn hợp BTN 1.8 Nhiệm vụ nghiên cứu luận án Mặc dù SMA loại vật liệu có nhiều ưu điểm so với BTN truyền thống loại vật liệu Việt Nam Một số dự án Việt Nam bước đầu ứng dụng SMA, chưa đem lại kết mong muốn Điều đòi hỏi cần có nghiên cứu đầy đủ hệ thống loại vật liệu này, cụ thể sau: (i) - Nghiên cứu làm rõ sở khoa học, vai trò chức thành phần vật liệu hỗn hợp, u cầu hàm lượng, kích cỡ, hình dạng loại cốt liệu bitum, góp phần tăng cường độ kháng cắt hỗn hợp (ii) - Nghiên cứu thí nghiệm đánh giá tiêu lý, tiêu kỹ thuật SMA điều kiện vật liệu, cơng nghệ Việt Nam (iii) - Tính tốn ứng dụng hỗn hợp SMA làm lớp mặt kết cấu mặt đường mềm ô tô Việt Nam theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 (iv) - Đánh giá hiệu kinh tế việc sử dụng SMA so với BTN thơng thường có Việt Nam CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN VẬT LIỆU, PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP STONE MASTIC ASPHALT ĐỂ HẠN CHẾ LÚN VỆT BÁNH XE VÀ NỨT MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA 2.1 Nghiên cứu thành phần vật liệu hỗn hợp SMA 2.1.1 Bộ khung cốt liệu hỗn hợp SMA Hỗn hợp SMA có khung cốt liệu khung đá (Hình 2.1a) - kết cấu hạt có kích cỡ phù hợp mà phần cịn lại chúng tựa vào cài móc lẫn [78] 6 (a) Bộ khung đá (b) Bộ khung đá-cát (c) Bộ khung cát-đá (d) Bộ khung cát Hình 2.1 Minh họa loại khung hỗn hợp Hình 2.2 Thành phần SMA 2.1.2 Sự hình thành khung cốt liệu thô Để đánh giá ảnh hưởng hàm lượng cốt liệu thô đến khung chịu lực hỗn hợp (Hình 2.3) Khi nén chặt hỗn hợp gia tải, cấu trúc có cường độ nén cao, tùy thuộc vào sức kháng phân mảnh hạt thô Một đặc điểm khác biệt tập hợp hạt thơ đầm chặt tiếp xúc mức độ cao không bị gián đoạn chúng Đây khung cốt liệu vững kỳ vọng cho tất Hình 2.3 Các hạt gia hỗn hợp BTN mặt đường Bộ khung cốt liệu tạo tải theo phương thẳng đứng kết cấu chắn cho mặt đường BTN [78] Hình 2.4 mô tả cách tải trọng truyền khung vật liệu khoáng Giả sử tiếp xúc hạt mức độ cao Việc truyền tải trọng hạt sát cạnh qua điểm tiếp xúc hạt thơ thể Hình 2.4a Nếu khơng có điểm tiếp xúc hạt cốt liệu thơ hạt cốt liệu mịn thực việc truyền tải Tuy nhiên hạt (a) Khi hạt sát cạnh cốt liệu thô không truyền tải trọng qua điểm tiếp xúc trực tiếp truyền tải hạt thô trọng cho (b) Khi hạt cốt liệu thô không trực tiếp truyền tải trọng dẫn đến suy yếu Hình 2.4 Phân bố tải toàn cấu trúc hạt cốt liệu thơ (Hình 2.4b) [78] Từ Hình 2.3 2.4, nhận thấy đặc điểm đặc trưng hỗn hợp SMA hạt cốt liệu khung SMA phải tiếp xúc trực tiếp với Khi khung cấu trúc cốt liệu hình thành, việc tiếp tục đầm dẫn đến nghiền (vỡ) hạt cốt liệu Nói cách khác, hỗn hợp SMA đầm nén chặt theo cách cho hạt cốt liệu thơ đặt vị trí thích hợp, đảm bảo tiếp xúc đá chèn đá Nguyên tắc áp dụng cho việc đầm công trường, phịng thí nghiệm [78] 2.1.3 Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích SMA Các đặc tính thể tích SMA độ rỗng dư, độ rỗng hỗn hợp vật liệu khoáng, độ rỗng lấp đầy bitum độ rỗng cốt liệu thô SMA sau đầm thể khả phục vụ mặt đường Mục đích q trình đầm nén SMA phịng thí nghiệm nhằm mơ độ chặt SMA sau rải sau số năm phục vụ Độ rỗng dư (Va) SMA: Quy định độ rỗng dư Va SMA từ 3,0-4,0% (theo tiêu chuẩn nước Châu Âu, Mỹ…) quy định thiết kế SMA phịng thí nghiệm Trên thực tế, phải sau vài năm khai thác Va SMA ngồi trường đạt đến giá trị Thực tế cho thấy nơi có lưu lượng giao thơng lớn, SMA bị đầm chặt mức (Va < 3%) xuất LVBX gồ ghề lượn sóng Nếu sau vài năm khai thác Va > 5% sau thi công Va > 8%, dẫn đến lớp SMA bị giòn, nứt, xuất hiện tượng bong bật Độ rỗng hỗn hợp vật liệu khống (VMA) SMA: Giá trị VMA thích hợp tạo khoảng trống đủ lớn hạt cốt liệu để bitum bao bọc hết hạt cốt liệu, đồng thời hỗn hợp không bị chảy bitum điều kiện nhiệt độ cao Nghiên cứu E.R.Brown [53] cường độ SMA có nguồn gốc từ cấu trúc tiếp xúc đá chèn đá tạo thành cốt liệu thích hợp Các hướng dẫn nhóm cơng tác kỹ thuật TWG (Mỹ) đề xuất lượng lọt qua sàng 4,75mm khoảng 20-28% (tương đương với 72-80% tích lũy sàng 4,75mm) để đảm bảo hình thành khung cốt liệu thơ thích hợp tiếp xúc đá chèn đá SMA Nghiên cứu trước NCAT cho thấy phần trăm lượng lọt sàng 4,75mm yếu tố định việc hình thành tiếp xúc đá chèn đá SMA Khi lượng lọt qua sàng 4,75mm cao (40-50%), giá trị VMA nhỏ thay đổi ít, VMA bắt đầu tăng lên khi lượng lọt qua sàng 4,75mm chạm đến mức 30-40% Điểm mà VMA bắt đầu tăng định nghĩa điều kiện để tiếp xúc đá chèn đá bắt đầu hình thành Khi lượng lọt qua sàng 4,75mm thấp 30% có xu hướng tăng giá trị VMA cách mở rộng không gian cấu trúc cốt liệu thơ Do đó, phần trăm lượng lọt qua sàng 4,75mm phải hạ thấp khoảng 30% để đảm bảo hình thành tiếp xúc đá chèn đá Như vậy, việc thành lập giới hạn cấp phối lượng lọt sàng 4,75mm khoảng 20-28% (hàm lượng cốt liệu thô từ 72-80%) giúp đảm bảo yêu cầu giá trị tối thiểu VMA đáp ứng Độ rỗng lấp đầy bitum (VFA) SMA: Nhìn chung, VFA tiêu bổ trợ cho công tác thiết kế hỗn hợp SMA Thông qua tiêu VFA, chọn hỗn hợp SMA phù hợp, có độ bền cao q trình khai thác Theo tiêu chuẩn AASHTO MP8 Mỹ, tiêu chuẩn JTG F40-2004 Trung Quốc quy định giá trị VFA nằm khoảng 75-85% Độ rỗng cốt liệu thô SMA sau đầm: Cỡ sàng phân định SMA phụ thuộc vào cỡ hạt lớn danh định cốt liệu (NMAS), cụ thể: NMAS 4,75mm với SMA19, SMA12,5; NMAS 2,36mm với SMA9,5 NMAS 1,18 mm với SMA4,75 [78] Các đặc tính thể tích, độ rỗng cốt liệu thô (VCA) sử dụng để kiểm tra hình thành liên kết đá chèn đá SMA Nếu VCAMIX ≤ VCADRC tồn liên kết đá chèn đá [53,78] Hình 2.6 Bộ khung đầm hỗn hợp cốt liệu Hình 2.7 Độ rỗng cốt liệu thơ trạng thái đầm khơ VCADRC Hình 2.8 Độ rỗng cốt liệu thô hỗn hợp SMA đầm chặt VCAMIX Hình 2.9 Độ rỗng cốt liệu hỗn hợp SMA đầm chặt 2.1.4 Ảnh hưởng cốt liệu đến chất lượng SMA Độ góc cạnh, bề mặt xù xì cốt liệu ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng BTN Cốt liệu có độ góc cạnh lớn tạo cho hỗn hợp có tính chèn móc tốt, tăng khả ma sát hạt cốt liệu, cải thiện đáng kể khả chống biến dạng dẻo hỗn hợp Hình dạng cốt liệu thơ thể thơng qua nhóm tiêu: Hàm lượng mặt vỡ cốt liệu thô; Hàm lượng hạt dẹt số tổng hợp cốt liệu (Particle Index) Holleran [70] nghiên cứu ảnh hưởng số Particle Index đến khả kháng LVBX SMA11 (theo tiêu chuẩn New Zealand) Kết thí nghiệm LVBX với 20.000 chu kỳ 60°C cho thấy: Hỗn hợp sử dụng cốt liệu (hình dạng khối tốt, số Particle Index=16,35) có khả kháng LVBX tốt (chiều sâu LVBX 4,2mm) Hỗn hợp sử dụng cốt liệu (hàm lượng thoi dẹt cao, số Particle Index =12,64), khả kháng LVBX thấp (chiều sâu LVBX 18,4mm) Hỗn hợp sử dụng cốt liệu (có hình dạng khối trung bình, số Particle Index = 13,81), khả kháng LVBX tương đối tốt (chiều sâu LVBX 6,1mm) Hỗn hợp sử dụng cốt liệu có mơ đun đàn hồi động theo mơ hình thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp (M R) lớn Hỗn hợp sử dụng cốt liệu có MR thấp 2.1.5 Thành phần cấp phối SMA SMA có cấp phối gián đoạn, cấp phối vắng số cỡ hạt trung gian lượng lọt sàng cỡ hạt trung gian ít, lượng lọt sàng cỡ sàng 4,75mm tương đối thấp, từ 20-35% (hàm lượng cốt liệu thô chiếm 65-80%), điều kiện cần thiết để tồn tiếp xúc đá chèn đá đáp ứng yêu cầu độ rỗng cốt liệu tối thiểu (VMA ≥17%) [78]; Hàm lượng nhựa bitum lớn (6,0-7,5%), kết hợp với chất ổn định (sợi cellulose) có tác dụng chèn lấp lỗ rỗng hạt đá Lượng lọt Hình 2.11 Đường cong cấp phối SMA loại hỗn hợp BTN sàng 0,075mm tương đối cao (8-11%) [92] SMA có tỷ lệ lượng lọt sàng cỡ sàng 4,75mm thấp (hay lượng tích lũy sàng 4,75mm - Hàm lượng cốt liệu thô tương đối cao) Tham khảo tiêu chuẩn SMA nước giới nghiên cứu công bố, như: Sarang (2015, 2016), chế tạo SMA13 với hàm lượng cốt liệu thô 76% 77% [93,94]; Ibrahim M (2006) chế tạo SMA với hàm lượng cốt liệu thô 75,5% [41]; Alinezhad (2019) [38], Ameli (2020) [39] chế tạo SMA12,5 với hàm lượng cốt liệu thơ 76%, kiến nghị lựa chọn hàm lượng cốt liệu thô cho SMA từ 70-80% 2.1.6 Cốt liệu lớn SMA Báo cáo Hiệp hội mặt đường BTN châu Âu (EAPA) [61] cho thấy, SMA yêu cầu 100% cốt liệu thô phải cốt liệu nghiền có hình dạng bề mặt tốt giới hạn nghiêm ngặt độ hao mòn Los Angeles Cốt liệu thơ sử dụng cho SMA phải có độ cứng cao để kháng tải trọng lớn Viện giao thông Texas [55] tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng đặc tính cốt liệu đến tính chất SMA Kết cho thấy SMA thiết kế tốt sử dụng cốt liệu nghiền với hình dạng góc cạnh, cốt liệu lựa chọn phải đảm bảo độ cứng, hình dạng bề mặt độ bền Nghiên cứu cho thấy độ cứng quan trọng cốt liệu lớn để chống lại mài mòn bánh xe tác dụng xe tải trọng nặng gây Nghiên cứu xấp xỉ 85% dự án sử dụng cốt liệu lớn yêu cầu độ hao mòn Los Angeles thấp 30% 2.1.7 Mastic Mastic thành phần lớn thứ hai SMA Mastic chiếm xấp xỉ 20-25% khối lượng hỗn hợp 30-35% thể tích Khoảng 35-40% thể tích cốt liệu thô sau đầm tạo thành thể tích rỗng, sau lấp đầy mastic, cịn lại 3-5% thể tích rỗng Mastic bao gồm: (i) - Cốt liệu mịn; (ii) Bột khoáng; (iii) - Chất ổn định; (iv) - Chất kết dính Cốt liệu mịn: Vai trò cốt liệu mịn SMA lấp đầy khoảng trống hạt cốt liệu lớn làm cho cốt liệu lớn dễ dàng cài móc với nhau, xếp xung quanh cốt liệu mịn khơng làm gián đoạn cài móc lẫn hạt cốt liệu lớn Theo tiêu chuẩn kỹ thuật SMA Ấn Độ (IRC SP 79), quy định đương lượng cát (SE) cốt liệu mịn ≥ 50% Hàm lượng cốt liệu mịn thông thường chiếm từ 12-17% theo khối lượng hỗn hợp vật liệu khoáng hỗn hợp SMA [61,78] Bột khoáng: Bột khoáng hạt lọt qua sàng 0,075mm Hàm lượng bột khoáng sử dụng hỗn hợp SMA thông thường chiếm từ 8-13% Bột khoáng thành phần quan trọng hỗn hợp SMA, lấp đầy lỗ rỗng hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc hỗn hợp mà cịn làm tăng diện tích tiếp xúc, làm màng bitum bề mặt hạt vật liệu khoáng mỏng lực tương tác chúng tăng lên, cường độ độ bền nước SMA tăng lên Các yêu cầu kỹ thuật bột khoáng quy định theo tiêu chuẩn AASHTO M17 - Mỹ [32] Chất kết dính: Các loại chất kết dính khác cho SMA sử dụng nhiều nước Trước Châu Âu, chất kết dính thơng thường sử dụng để chế tạo SMA Bitum 50/70 sử dụng phổ biến CHLB Đức cho tuyến đường có lưu lượng xe thấp Hiện bitum cải tiến sử dụng Những nghiên cứu nhà khoa học Đức cho thấy sử dụng bitum cải tiến (như PMB 25/55-55) cho hỗn hợp SMA giúp tăng khả kháng LVBX lên gấp nhiều lần so với bitum thơng thường [78] SMA có hàm lượng bitum tương đối lớn (hàm lượng bitum tối thiểu hỗn hợp SMA CHLB Đức Cộng hòa Séc 6,5%, Ba Lan 6,6%, Hungary Estonia 6,2% [61]), trình trộn, vận chuyển, rải đầm nén phần bitum bám vào cốt liệu, phần lại tách khỏi hỗn hợp chảy Để khắc phục tượng trên, loại chất ổn định ngăn tượng chảy nhựa thêm vào hỗn hợp Chất ổn định: Chất ổn định sử dụng cho SMA sợi cellulose, sợi khoáng sợi tổng hợp Chất ổn định kết hợp với bitum, lấp đầy lỗ rỗng hỗn hợp cốt liệu Chất ổn định đưa vào hỗn hợp q trình trộn khơ để ngăn tượng bitum chảy trình trộn, vận chuyển, đầm nén khai thác Hiện CHLB Đức, chất ổn định sử dụng 90% sợi cellulose Mặc dù chất ổn định chiếm tỉ lệ nhỏ, thành phần thiếu SMA Tại Liên Bang Nga, loại chất ổn định dạng hạt phổ biến phụ gia Nanobit-SD (Нанобит-СД) phụ gia Chryzotop (Хризотоп) Tại Mỹ, khuyến cáo sử dụng sợi cellulose cho SMA với tỷ lệ 0,3% theo khối lượng hỗn hợp, sợi khoáng 0,4%) Ấn Độ, Trung Quốc số nước Châu Âu quy định sử dụng sợi cellulose cho hỗn hợp SMA với hàm lượng tối thiểu 0,3% theo khối lượng hỗn hợp Độ chảy nhựa ≤ 0,3%, xác định theo tiêu chuẩn AASHTO T305 TCVN 8860-6:2011 2.2 Phương pháp thiết kế hỗn hợp SMA SMA thiết kế theo tiêu đặc tính thể tích độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu hình thành liên kết đá chèn đá [55,78] Tiêu chuẩn kỹ thuật SMA Mỹ trước AASHTO MP8 AASHTO PP 41-02 Hiện thay AASHTO M325-08 AASHTO R46-08 AASHTO M325 yêu cầu sử dụng đầm xoay, AASHTO MP8 sử dụng thiết bị đầm theo phương pháp Marshall (2×50 chày/1 mặt; độ ổn định Marshall ≥ 6,2kN độ dẻo Marshall từ 2-4mm) Nghiên cứu Scherocman [99] chứng minh chế tạo mẫu SMA theo phương pháp Marshall sử dụng 50 chày/1 mặt, khơng dùng 75 chày/1 mặt gây tượng vỡ cốt liệu đầm Hầu hết tiêu chuẩn SMA nước Châu Âu, Ấn Độ, Trung Quốc, New Zealand thiết kế theo phương pháp Marshall với 2×50 chày/1 mặt Thiết bị đầm xoay - thiết bị có giá thành cao (so với thiết bị Marshall), yêu cầu người sử dụng phải có tay nghề kinh nghiệm tốt Hiện Việt Nam, số lượng đơn vị có thiết bị đầm xoay chưa nhiều, nghiên cứu, phương pháp Marshall lựa chọn để thiết kế SMA 2.3 Trình tự thiết kế hỗn hợp SMA Tham khảo tài liệu [31,33,55,78], trình tự thiết kế SMA tiến hành sau: ① Lựa chọn thành phần vật liệu SMA; ② Lựa chọn cấp phối tốt nhất: Đề xuất đường cấp phối đường bao theo tiêu chuẩn AASHTO M325, đường cấp phối bám sát cận trên, đường giữa, đường bám sát cận giới hạn đường bao; ③ Xác định khối lượng thể tích thí nghiệm AASHTO T19 cho cấp phối Xác định độ rỗng cốt liệu thô trạng thái chưa đầm nén VCADRC; ④ Xác định hàm lượng nhựa hợp lý ban đầu kinh nghiệm, sau trộn hỗn hợp đủ khối lượng cho tối thiểu mẫu Marshall/1 đường cấp phối Đúc mẫu sử dụng máy đầm Marshall với cơng đầm nén: 2×50 chày/mặt mẫu; ⑤ Thí nghiệm xác định tỷ trọng lớn Gmm hỗn hợp SMA theo TCVN 88604 (AASHTO T209); ⑥ Tháo khn mẫu đầm nén, thí nghiệm xác định tỷ trọng khối G mb mẫu theo TCVN 8860-5 (AASHTO T166) Tính đặc trưng thể tích mẫu: Độ rỗng dư Va; Độ rỗng cốt liệu VMA; Độ rỗng cốt liệu thô đầm nén VCAMIX; 10 ⑦ Lựa chọn đường cấp phối thỏa mãn tiêu VMA ≥ 17% tồn khung cốt liệu thô theo nguyên lý tiếp xúc đá chèn đá VCAMIX ≤ VCADRC Nếu có nhiều đường cấp phối thỏa mãn chọn đường cấp phối có VMA lớn nhất; cấp phối đường bao giới hạn; cấp phối có tỷ lệ cốt liệu thơ hơn; cấp phối dễ trộn kiểm soát thi cơng Nếu có kinh nghiệm thiết kế hỗn hợp SMA cho dự án tương tự cần chọn cấp phối tốt sau đánh giá đặc trưng thể tích mà khơng cần phải làm với đường cấp phối ⑧ Lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu; ⑨ Thí nghiệm tiêu hỗn hợp SMA hàm lượng nhựa tối ưu như: thí nghiệm xác định đặc trưng thể tích, thí nghiệm độ chảy nhựa (AASHTO T305) 2.4 Khả chống nứt hỗn hợp SMA Hỗn hợp SMA sử dụng chất ổn định dạng sợi giúp hạn chế tượng chảy nhựa mà cịn có tác dụng tăng mật độ màng bitum bề mặt hạt cốt liệu, tăng độ ổn định tổng thể cho hỗn hợp Năm 2016, Đ.V.Thanh [12] chế tạo hỗn hợp SMA16 theo tiêu chuẩn JTG F40-2004 (Trung Quốc), sử dụng sợi hữu cơ, sợi khoáng sợi tổng hợp Kết thí nghiệm sau: (i) - Trong hỗn hợp SMA ba loại sợi có khả đan chéo dọc ngang, hình thành kết cấu mạng khơng gian, có tác dụng truyền lực đồng thời ngăn cản trơn trượt hạt, cản trở làm chậm hình thành phát triển vết nứt”; (ii) - Sợi phân bố đan chéo lỗ rỗng nhỏ, giúp ngăn cản mở rộng vết nứt lỗ rỗng Năm 2017, Shenghua Wu [102] công bố nghiên cứu đánh giá tính dài hạn mặt đường SMA12,5 BTNC12,5 tuyến đường phía đơng Bang Washington (Mỹ) Các mẫu khoan rút lõi trường từ mặt đường SMA BTNC dùng để tiến hành tiêu thí nghiệm phịng: (i) - mơ đun đàn hồi kéo gián tiếp; (ii) - biến dạng từ biến; (iii) độ bền mài mòn lốp xe; (iv) - thí nghiệm phá hủy IDT nhiệt độ thấp trung bình Kết thí nghiệm rằng, trường, mặt đường SMA12,5 có tính vượt trội mặt đường BTNC12,5 khả chống LVBX nứt SMA có hiệu tốt BTNC khả kháng nứt từ xuống, từ lên kháng nứt nhiệt Kết thử nghiệm nhựa đường thu hồi cho thấy SMA (hàm lượng nhựa 6,8%) bị lão hóa so với BTNC (hàm lượng nhựa 5,44%) nhựa đường SMA thu hồi có khả kháng LVBX, kháng nứt mỏi nứt nhiệt tốt so với nhựa đường BTNC Như vậy, SMA có khả kháng nứt tốt so với BTNC thông thường nguyên nhân: (i) - SMA có hàm lượng bitum lớn (6,0-7,5%) so với loại BTNC thông thường, vậy, làm tăng tính linh hoạt khả kháng nứt hỗn hợp; (ii) - Sợi phân tán hỗn hợp SMA khơng có tác dụng chống chảy nhựa mà cịn có khả đan chéo dọc ngang, làm chậm hình thành phát triển vết nứt 2.5 Phương pháp thí nghiệm đánh giá khả kháng nứt vật liệu BTN theo tiêu chuẩn ASTM D8225 - 19 thông qua số CTIndex (a) (b) a) Thiết bị thí nghiệm b) Đường cong lực chuyển vị điển hình trình nén mẫu Hình 2.17 Thiết bị thí nghiệm đường cong chuyển vị - tải trọng sau nén mẫu phương pháp thí nghiệm IDEAL-CT Năm 2019, phương pháp thí nghiệm IDEAL-CT chuẩn hóa Mỹ ban hành thành tiêu chuẩn thí nghiệm ASTM D8225-19 [43] Thí nghiệm IDEAL-CT tiến hành nhiệt độ 25°C±1°C với mẫu hình trụ kích thước đường kính 150±2mm, 11 chiều cao 62±1mm, độ rỗng dư Va = 7±0,5%, tốc độ gia tải 50±2.0 mm/phút Các công thức để xác định số CTIndex sau:  i 1  n 1 Wf    l i 1  l i    Pi 1  Pi  ; G f   10 ; Dt  G t l 75    f  10 ; 62 D m75 Wf     l i 1  l i   Pi  m75  P85  P65 l85  l 65 ; CTIndex (2.4) 2.6 Phân tích tác động tải trọng đến biến dạng LVBX lớp BTN mặt đường 2.6.1 Sơ đồ tác dụng tải trọng Hiện tượng biến dạng dẻo không hồi phục tải trọng theo phương đứng (Fn) lực hãm phanh theo phương ngang (Ft) gây Khi mặt đường chịu tác dụng đồng thời (Fn) (Ft) (khi phanh gấp, lực hãm phanh đạt 70-80% lực theo phương đứng), mặt đường trạm thu phí, khu vực dừng đỗ giao cắt, lớp vật liệu xuất ứng suất cắt trượt, ứng suất cắt trượt vượt cường độ kháng cắt trượt vật liệu, làm lớp BTN bị xô dồn đùn trồi thành gờ trước vệt bánh xe theo phương vng góc với hướng xe chạy, gây tượng xơ dồn lượn sóng mặt đường Khi KCAĐM chịu tác dụng tải trọng, tùy theo đặc điểm tác dụng tải trọng động tĩnh, điều kiện nhiệt độ mà vật liệu BTN đất thể đặc tính đàn hồi, đàn nhớt đàn nhớt dẻo Chất dính kết BTN nhựa đường, loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ môi trường, nhiệt độ mơi trường cao, tính nhớt nhựa đường suy giảm, làm giảm sức chống cắt vật liệu Do vậy, tiêu biến dạng dẻo BTN cần tính tốn nhiệt độ cao (vào mùa hè) 2.6.2 Phân loại biến dạng lún Ghi chú: Vệt lún; - Vệt Biến dạng lún xảy lớp đùn trồi bên BTN lớp móng có a) Chỉ lún lớp cường độ kháng cắt trượt cao BTN; b) Lún (Hình 2.20a), phần biến dạng dẻo lớp mặt, lớp BTN bị đẩy sang bên vệt móng bánh, tạo hai vệt gờ hai bên vệt Hình 2.20 lún Trường hợp lớp Phân loại biến lớp móng có cường độ kháng cắt dạng lún trượt thấp, tượng biến dạng dẻo, lún xảy lớp mặt, lớp móng nền, lớp móng bị biến dạng dẻo, nên phần vật liệu bị biến dạng chủ yếu đẩy sâu xuống dưới, nên tạo vệt gờ hai bên không đáng kể khơng xảy (Hình 2.20b) 2.7 Cấu trúc cường độ kháng cắt hỗn hợp BTN Cấu trúc BTN hình thành liên kết bitum với vật liệu khống Sự dính bám bitum với bề mặt cốt liệu đóng vai trị quan trọng việc tạo nên cường độ, độ ổn định với nước với nhiệt BTN BTN gồm hai thành phần: (i) - Khung cấu trúc vật liệu khoáng gồm đá cát; (ii) - Chất liên kết asphalt gồm nhựa đường bột khoáng Sức kháng cắt trượt BTN phụ thuộc độ lớn góc nội ma sát cốt liệu lực dính đơn vị vữa asphalt theo cơng thức: τcp = σtgφ + C Nếu sử dụng giải pháp tăng giá trị góc nội ma sát φ giá trị lực dính đơn vị C, tăng sức kháng cắt BTN [116] Hệ số nội ma sát tgφ đặc trưng cho lực ma sát hạt cốt liệu dịch chuyển lớp BTN tác dụng ứng suất gây trượt (ứng suất cắt), độ lớn hệ số nội ma sát phụ thuộc vào nhiệt độ, phụ thuộc hình dáng, độ nhám bề mặt, kích cỡ danh định hàm lượng cốt liệu Khác với tham số lực dính đơn vị đặc trưng cho tính lưu biến BTN, độ lớn phụ thuộc nhiều vào tốc độ gia tải điều kiện nhiệt độ môi trường Do vậy, giải pháp tăng cường độ kháng cắt BTN theo hướng tăng lực nội ma sát phù hợp với khu vực có khí hậu nắng nóng, Việt Nam [114,116] 12 Thành phần lực dính BTN bao gồm lực dính kết nội phân tử nhựa đường lực dính bám với đá Lực dính BTN có tính lưu biến, tác dụng tải trọng động bánh xe, nhiệt độ thấp lực dính thể đặc tính đàn nhớt, nhiệt độ cao thể đặc tính nhớt dẻo, độ lớn thành phần lực dính phụ thuộc nhiệt độ môi trường tốc độ biến dạng (vận tốc xe chạy) 2.8 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp tăng sức kháng cắt cho BTN áp dụng điều kiện Việt Nam 2.8.1 Giải pháp tăng hệ số nội ma sát Tăng hệ số nội ma sát cách tăng hàm lượng cốt liệu thơ có tác dụng: + Tăng khả tiếp xúc trực tiếp hạt cốt liệu hạt chuyển dịch tương [116] Lực nội ma sát phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường, số trường hợp [101], nhiệt độ cao, nhựa bitum bị hóa mềm cịn góp phần tạo tiếp xúc chặt bề mặt hạt cốt liệu, làm tăng hệ số nội ma sát hỗn hợp Do vậy, vào ngày nắng nóng góp phần hạn chế chuyển dịch tương đối hạt cốt liệu phương đứng phương ngang + Khi có lực tác dụng, chuyển dịch hạt cốt liệu ứng suất cắt gây bị cản trở tượng trương nở thể tích (hiệu ứng Dilatancy) [116], mức trương nở thể tích phụ thuộc hàm lượng kích cỡ cốt liệu thơ, phần đáng kể cơng ứng suất cắt gây bị tiêu tán hiệu ứng Dilatancy (Hình 2.22), góp phần làm giảm chuyển dịch hạt cốt liệu, từ giảm biến dạng cắt p - áp lực bánh xe; trượt khối vật liệu h - chiều dày + Hàm lượng cốt lớp vật liệu liệu thô lớn tạo ban đầu; thành khung chịu h - chiều dày lực cao, tăng diện tích lớp vật liệu tuyền tải trọng xuống sau trương nở lớp Hình 2.22 Mơ hiệu ứng Hình 2.23 Phân bố lực tác (Hình 2.23), Dilatancy lớp vật liệu mặt đường động bánh xe lớp SMA giảm áp lực xuống nền, giảm độ lún nền, kết cấu mặt đường, tăng sức chịu tải mặt đường Như vậy, giải pháp hiệu chỉnh hàm lượng cốt liệu hỗn hợp góp phần nâng cao sức chịu tải cường độ kháng cắt BTN, kéo dài tuổi thọ khai thác mặt đường Áp dụng giải pháp tăng lực nội ma sát có hiệu nước khu vực nắng nóng, lực nội ma sát phụ thuộc vào tác động nhiệt độ mơi trường SMA hỗn hợp có hàm lượng cốt liệu thô tới 70-80%, loại vật liệu đáp ứng yêu cầu giải pháp tăng hệ số nội ma sát nêu 2.8.2 Giải pháp tăng lực dính Lực dính C BTN gồm hai thành phần: C1 thành phần lực dính cài móc hạt C2 thành phần lực dính phân tử, tác dụng dính bám tương hỗ nhựa đá lực dính kết bên thân nhựa Thành phần lực C phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ nhớt bitum, nhiệt độ, thành phần tính chất bề mặt cốt liệu, chiều dày lớp bitum Lực dính đơn vị phụ thuộc độ nhớt nhựa, loại phụ gia sử dụng, tốc độ gia tải nhiệt độ môi trường Lựa chọn giải pháp tăng lực dính đơn vị góp phần tăng độ ổn định cắt trượt lớp vật liệu: (i) - Tăng lực dính đơn vị sử dụng bitum có độ nhớt cao; (ii) - Sử dụng loại phụ gia làm tăng lực dính đơn vị, tăng khả chịu nhiệt nhựa bitum SBS, Wetfix Be, Zycotherm 2.8.3 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt BTN Hiện giới có số phương pháp thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt BTN như: (i) - Cắt động Romanoschi; (ii) - Cắt phẳng Leutner; (iii) Xác định góc nội ma sát φ lực dính đơn vị C theo tiêu chuẩn Liên Bang Nga 13 Tiêu chuẩn quốc gia GOST 12801-1998 [112] cho phép xác định đặc tính kháng cắt trượt (gồm góc nội ma sát φ lực dính đơn vị C) BTN dựa kết thử nghiệm phá hoại mẫu biến dạng tương ứng mẫu lăng trụ có chiều cao với đường kính (bằng 71,4mm) trạng thái: nén dọc trục và nén với gá đặc chủng theo mơ hình nén Marshall Thử nghiệm tiến hành 50°C Tốc độ nén mẫu 50mm/phút Phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn GOST 12801-1998 Liên Bang Nga dễ thực phù hợp với điều kiện Việt Nam Vì vậy, lựa chọn phương pháp để xác định hệ số nội ma sát (tgφ) lực dính đơn vị (C) hỗn hợp BTN 2.9 Kết luận chương Chương phân tích thành phần vật liệu, phương pháp thiết kế, khả chống LVBX nứt SMA Đồng thời phân tích sở khoa học hình thành cường độ kháng cắt BTN; vai trò, chức năng, hàm lượng hợp lý thành phần cốt liệu thô hỗn hợp, góp phần làm gia tăng cường độ kháng cắt SMA; Cốt liệu dùng cho SMA yêu cầu 100% cốt liệu nghiền, cốt liệu lớn giới hạn chặt chẽ độ hao mòn Los Angeles (≤ 30%), hàm lượng hạt thoi dẹt (≤ 20%); Với cốt liệu nhỏ, giá trị đương lượng cát (SE) ≥ Bảng 2.6 Yêu cầu kỹ thuật hỗn hợp SMA 50%, Độ góc cạnh ≥ 45% Hàm Chỉ tiêu Yêu cầu Tiêu chuẩn lượng bột khoáng sử dụng Hàm lượng bitum, % ≥6 SMA chiếm từ 8-13%; Các yêu cầu Số chày đầm (phương pháp 2×50 ASTM D6927/ kỹ thuật bột khoáng quy Marshall) chày/1 mặt TCVN 8860-1:2011 ASTM D6927/ định theo AASHTO M17 (Mỹ); Độ ổn định Marshall, kN ≥ 6,2 TCVN 8860-1:2011 Lựa chọn thành phần cấp phối ASTM D6927/ 2÷4 theo tiêu chuẩn AASHTO M325 Độ dẻo Marshall, mm TCVN 8860-1:2011 (Mỹ); Hàm lượng cốt liệu thơ từ 70ASTM D 3203/ 3÷4 80%; Chất kết dính bitum PMB III; Độ rỗng dư (Va), % TCVN 8860-9:2011 ≥ 17 TCVN 8860-10:2011 chất ổn định dạng sợi cellulose với Độ rỗng cốt liệu (VMA), % hàm lượng 0,3% khối lượng hỗn hợp; Độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA), % 75 ÷ 85 TCVN 8860-10:2011 ≤ VCADRC AASHTO T19 MIX, % Các yêu cầu kỹ thuật SMA, VCA Hệ số cường độ chịu kéo, % ≥ 80 AASHTO T283 kiến nghị tham khảo theo AASHTO AASHTO T305/ ≤ 0,3 MP8 AASHTO M325 (Mỹ), JTG Độ chảy bitum, % TCVN 8860-6:2011 ≥ 0,94 GOST 12801-1998 F40-2004 (Trung Quốc), IRC SP 79 Hệ số nội ma sát (tgφ) (Ấn Độ) EN 13108-5 (Châu Âu), Lực dính đơn vị 50°С (C), МPа ≥ 0,20 GOST 12801-1998 tổng hợp Bảng 2.6 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CỐT LIỆU, CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP STONE MASTIC ASPHALT TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 3.1 Lựa chọn thành phần vật liệu kiểm tra yêu cầu kỹ thuật 3.1.1 Cốt liệu thơ, cốt liệu mịn bột khống Từ kết luận Chương cho thấy, hỗn hợp SMA yêu cầu cốt liệu có chất lượng cao Do nghiên cứu, cốt liệu thô cốt liệu mịn lấy mỏ đá Khau Đêm, xã Quan Sơn, huyện Chi Lăng, tỉnh Lạng Sơn, mỏ đá có chất lượng cao tỉnh phía Bắc Đá, cát, bột khống sử dụng nghiên cứu đáp ứng yêu cầu theo 22TCN 356-06 yêu cầu chung hỗn hợp SMA 3.1.2 Chất kết dính PMB III lựa chọn làm chất kết dính nghiên cứu, cung cấp Cơng ty TNHH Nhựa đường Petrolimex Việt Nam Chất kết dính PMB III PMB III pha 2% Sasobit đáp ứng tiêu theo yêu cầu 22TCN 319:2004 3.1.3 Chất ổn định Chất ổn định sử dụng nghiên cứu lựa chọn sợi cellulose (loại sợi hữu cơ) ARBOCEL ZZ 8/1 Công ty JRS, Cộng hòa Liên Bang Đức cung cấp 14 Lượng lọt sàng (%) 3.1.4 Phụ gia sasobit Phụ gia sasobit (phụ gia hữu cơ) có gốc Polymethylene cung cấp Công ty Sasol Sasobit pha PMB III với hàm lượng 2% khối lượng PMB III Thí nghiệm cắt động lưu biến (DSR) với nhựa gốc nhựa pha sasobit cho thấy sử dụng sasobit với hàm lượng 2% trị số G*/sin(δ) tăng rõ rệt so sánh tần số nhiệt độ, đặc biệt nhiệt độ cao, chênh lệch thể rõ Giá trị G*/sin(δ) nhựa pha sasobit gấp từ 1,98 đến 2,47 lần so với nhựa gốc Kết thí nghiệm cắt động lưu biến nhựa gốc nhựa pha sasobit chưa hóa già RTFO PAV tương đương với cấp đặc tính khai thác PG 76 PG 82 Như vậy, PMB III cấp PG 76 trộn thêm 2% phụ gia sasobit đạt cấp PG 82 Kết thí nghiệm số tác giả giới Jamshidi, 2012 [75], Hurley, 2005 [72] Anderson, 2014 [40] cho thấy Sasobit có tác dụng làm giảm độ nhớt cải thiện tính nhựa 3.2 Thiết kế thành phần cấp phối loại BTN 100,0 Đối tượng nghiên cứu lựa chọn 100 loại BTN có kích cỡ hạt lớn 90,3 Cận 80 danh định 12,5mm Hỗn hợp SMA Cận thiết kế theo tiêu chuẩn AASHTO M325 60 58,6 (viết tắt SMA), hỗn hợp BTNC theo SMA QĐ 858 (viết tắt BTNC 858) hỗn 40 hợp BTNC theo 22TCN 356-06 (viết tắt 24,8 20 BTNC 356) Các thí nghiệm với hỗn 18,7 9,0 hợp SMA BTNC 858 sử dụng phụ gia 0,75 7,5 sasobit chế tạo theo công nghệ 0,075 Kích cỡ mắt sàng (mm) trộn ấm để đối chứng Hỗn hợp SMA chế Hình 3.2 Đường cong cấp phối SMA tạo theo công nghệ ấm (viết tắt SMA ấm) Hỗn hợp BTNC 858 chế tạo theo công nghệ ấm (viết tắt BTNC 858 ấm) Hỗn hợp SMA chế tạo theo cơng nghệ nóng thơng thường (viết tắt SMA nóng) Hỗn hợp BTNC 858 chế tạo theo cơng nghệ nóng (viết tắt BTNC 858 nóng) Đường cong cấp phối hỗn hợp thể Hình 3.2, Hình 3.3, Hình 3.4 80 Cận 66,5 BTNC 858 40,0 19,3 26,6 13,5 6,4 0,075 9,6 8,0 0,75 7,5 Kích cỡ mắt sàng (mm) 60 40 20 94,6 80,7 Cận 100 80 Cận 55,0 BTNC 356 35,6 25,2 17,3 7,6 0,075 9,8 12,0 60 40 20 Lượng lọt sàng (%) Cận 100,0 100 Lượng lọt sàng (%) 100,0 89,3 0,75 7,5 Kích cỡ mắt sàng (mm) Hình 3.3 Đường cong cấp phối BTNC 858 Hình 3.4 Đường cong cấp phối BTNC 356 3.3 Thiết kế thí nghiệm trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu Trình tự thiết kế thí nghiệm xử lý kết sau: ① Thiết kế thí nghiệm; ② Thực thí nghiệm phịng thí nghiệm; ③ Loại bỏ số liệu ngoại lai (nếu có); Kiểm tra phân phối chuẩn; Đánh giá độ chụm kết quả; Tính tốn giá trị trung bình, khoảng, độ lệch chuẩn, hệ số biến sai, giá trị đặc trưng, giá trị 95%CI; ④ Sử dụng phần mềm Minitab 19, Excel để phân tích, vẽ biểu đồ thống kê kết thí nghiệm 3.4 Phân tích kết thí nghiệm hàm lượng sợi, hàm lượng nhựa sử dụng hỗn hợp SMA Sử dụng phần mềm Minitab 19, thiết kế thí nghiệm tổng quát Phân tích phương sai ANOVA phân tích hậu định phát sai khác theo chuẩn Tukey 15 Hai biến đầu vào thiết kế thí nghiệm: (i) - Hàm lượng bitum PMB III, tỷ lệ: 5,5%; 6,0%; 6,5%; 7,0%; 7,5%; (ii) - Hàm lượng sợi Cellulose, tỷ lệ: 0%; 0,2%; 0,3%; 0,5% hàm phân tích: Độ rỗng dư; Độ ổn định Marshall độ dẻo Marshall Hình 3.6 Độ rỗng dư (Va) SMA Hình 3.8 Độ ổn định Marshall (S) SMA Kết thí nghiệm cho thấy, khơng sử dụng sợi cellulose hàm lượng bitum thấp (5,5%) Va SMA khơng thỏa mãn Khi sử dụng sợi cellulose với hàm lượng: 0,2%; 0,3%, 0,5% hàm lượng bitum 6,5%; 7,0% SMA thỏa mãn yêu cầu độ rỗng dư (độ rỗng dư SMA nằm khoảng 3-4%) Tham khảo [78] theo quy định Hình 3.10 Độ dẻo Marshall (F) SMA AASHTO MP8 [33], độ ổn định Marshall hỗn hợp SMA ≥ 6,2kN, độ dẻo Marshall hỗn hợp SMA từ 2-4mm Như độ ổn định độ dẻo Marshall tất hỗn hợp đạt yêu cầu Độ ổn định Marshall đạt giá trị lớn tương ứng hàm lượng bitum hàm lượng sợi cellulose có giá trị 0,3% 3.5 Xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu hỗn hợp SMA với hàm lượng sợi cellulose khác Hàm Hàm lượng nhựa Các kết thiết kế lựa chọn hàm lượng bitum với lượng sợi thỏa mãn tất Hàm lượng hàm lượng sợi: 0%; 0,2%; 0,3% 0,5% thể cellulose tiêu nhựa tối ưu đây: 0% Khơng thỏa mãn 0,2% 6,10 ÷ 6,90% 6,5% 3.6 Lựa chọn tiêu nghiên cứu thí nghiệm cơng 0,3% 6,35 ÷ 7,10% 6,7% tác chế tạo mẫu 0,5% 6,65 ÷ 7,50% 7,1% 3.6.1 Lựa chọn tiêu học BTN nghiên cứu thí nghiệm Các tiêu đánh giá hỗn hợp BTN nghiên cứu dựa đặc tính BTN (22 TCN 356-06) gồm: (1) - Độ ổn định, độ dẻo Marshall; (2) - Thí nghiệm đánh giá chiều sâu LVBX Để cung cấp thông số đầu vào SMA phục vụ thiết kế KCAĐM theo 22TCN 211-06 tiêu sau nghiên cứu: (1) - Mô đun đàn hồi tĩnh nhiệt độ 15°C, 30°C, 60°C; (2) - Cường độ kéo uốn 15°C Nhằm phục vụ tính tốn biến dạng dẻo tương đối chiều sâu LVBX theo quy trình Liên Bang Nga cần thực tiêu: (1) - Hệ số nội ma sát (tgφ) lực dính đơn vị (C); (2) - Hệ số dẻo (m) lượng kích hoạt biến dạng nhớt dẻo (U) Một số tiêu khác để đánh giá tính hỗn hợp BTN như: (1) - Sức kháng ẩm (TSR); (2) - Mô đun đàn hồi động theo AASHTO TP62; (3) - Khả kháng nứt vật liệu BTN thông qua số CTIndex Tổng cộng 12 tiêu thí nghiệm, cho loại: SMA, BTNC 858 BTNC 356 0,94 C (MPa) 0,40 0,40 0,91 0,90 0,85 0,31 0,84 0,25 0,80 0,30 0,20 SMA BTNC 858 BTNC 356 Loại bê tông nhựa 80 70 60 50 40 30 20 10 12 10,82 Am (J) Ac (J) 10 66,33 7,82 6,99 34,79 19,49 SMA BTNC 858 Năng lượng phá hoại mẫu mơ hình nén dọc trực Ac (J) 0,50 tgφ 0,95 Lực dính đơn vị (C) Hệ số nội ma sát (tgφ) 1,00 Năng lượng phá hoại mẫu mơ hình Marshall Am (J) 16 3.6.2 Chế tạo mẫu quy hoạch thí nghiệm Tham khảo kết nghiên cứu Alinezhad [38], lựa chọn sử dụng phụ gia sasobit với hàm lượng 2% pha với bitum PMB III để chế tạo hỗn hợp SMA BTNC 858 theo công nghệ ấm Lựa chọn nhiệt độ trộn đầm nén theo công nghệ ấm giảm 30°C so với nhiệt độ trộn đầm nén theo cơng nghệ nóng thơng thường Như vậy, hỗn hợp SMA BTNC 858 chế tạo theo công nghệ ấm sử dụng bitum PMB III pha thêm 2,0% Sasobit trộn đầm nén tương ứng với nhiệt độ 160°C 140°C Lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp SMA ấm SMA nóng 6,7% với hàm lượng sợi 0,3% theo khối lượng hỗn hợp; Hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp BTNC 858 ấm BTNC 858 nóng 5,1%; Với hỗn hợp BTNC 356, hàm lượng nhựa tối ưu 5,45% Các hỗn hợp SMA, BTNC 858 BTNC 356 chế tạo theo cơng nghệ nóng thơng thường sử dụng bitum PMB III trộn đầm nén tương ứng với nhiệt độ 190°C 170°C 3.7 Thí nghiệm xác định hệ số nội ma sát (tgφ) lực dính đơn vị (C) (a) Kẻ lưới chia Thí nghiệm khoan rút lõi mẫu thực theo tiêu mũi khoan chuẩn GOST 12801 đường kính 72mm Liên Bang Nga Kết (b) Ngâm mẫu SMA, BTNC 858 cho thấy: Khi tăng hàm BTNC 356 lượng cốt liệu thơ nhiệt độ 50°С BTN, có tác dụng làm Hình 3.11 tăng hệ số nội ma sát so Q trình thí với mẫu có hàm lượng nghiệm C, φ cốt liệu thô thấp Cụ thể: hàm lượng cốt liệu thô hỗn hợp BTN tăng từ 45,0% (BTNC 356) lên 60,0% (BTNC 858) hệ số nội ma sát tăng lên 1,08 lần (từ 0,84 lên 0,91) Khi hàm lượng cốt liệu thô tăng lên 75,2% (SMA) hệ số nội ma sát tăng lên 1,12 lần (đạt giá trị 0,94) BTNC 356 Loại bê tơng nhựa Hình 3.15 Hệ số nội ma sát lực dính đơn vị loại hỗn hợp BTN Hình 3.16 Năng lượng phá hoại mẫu theo hai mơ hình Với hỗn hợp BTN sử dụng loại bitum (PMBIII), tăng hàm lượng cốt liệu thơ giá trị lực dính đơn vị BTN bị suy giảm tương ứng hỗn hợp SMA BTNC 858, giá trị lực dính đơn vị 0,25 MPa 0,31 MPa, thấp 1,60 1,30 lần so với hỗn hợp BTNC 356 (0,40 MPa) Lý tăng hàm lượng cốt liệu thô hỗn hợp hàm lượng cốt liệu nhỏ giảm đi, điều làm ảnh hưởng tới tính liên tục kích cỡ cốt liệu, làm độ rỗng cốt liệu tăng lên, làm giảm lực dính hỗn hợp BTN 3.8 Thí nghiệm xác định hệ số dẻo (m) lượng kích hoạt biến dạng nhớt dẻo (U) Từ kết hệ số m U loại hỗn hợp BTN cho thấy: Khi tăng hàm lượng cốt liệu thơ hỗn hợp BTN, Hình 3.17 Khoan rút lõi, ngâm nén mẫu 50°С 20°C Hình 3.20 Mẫu sau chạy 40.000 lượt LVBX Hệ số dẻo m Năng lượng kích hoạt biến dạng nhớt dẻo U (kJ/mol) 17 330 0,20 giảm hệ số m U so với mẫu có U m 323 hàm lượng cốt liệu thô thấp Cụ 320 0,17 316 thể hàm lượng cốt liệu hỗn hợp BTN tăng từ 45,0% (BTNC 356) 310 0,14 0,125 304 0,120 lên 60,0% (BTNC 858) hệ số dẻo giảm từ 0,125 xuống 0,120 Khi 300 0,11 0,093 hàm lượng cốt liệu thô tiếp tục tăng lên 75,2% (SMA) hệ số dẻo đạt giá trị 290 0,08 SMA BTNC 858 BTNC 356 0,093 Loại bê tông nhựa 3.9 Thí nghiệm đánh giá LVBX Hình 3.19 Hệ số dẻo (m) lượng kích hoạt Thí nghiệm đánh giá LVBX biến dạng nhớt dẻo (U) thực theo Phương pháp A quy định QĐ 1617/QĐ-BGTVT Sau 40.000 lượt chạy (tổng thời gian chạy mẫu 12h35’) môi trường nước nhiệt độ 50°C, chiều sâu LVBX tất hỗn hợp BTN nhỏ 12,5mm đáp ứng theo quy định Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT Hỗn hợp SMA ấm có chiều sâu LVBX nhỏ (2,25 mm), hỗn hợp SMA nóng (2,42 mm); hỗn hợp BTNC 858 ấm (2,52 mm), hỗn hợp BTNC 858 nóng (2,79 mm) Hỗn hợp BTNC 356 có chiều sâu LVBX lớn (3,95 mm), xem Hình 3.20, Hình 3.22 Chiều sâu LVBX (mm) 10.000 20.000 30.000 40.000 Từ kết thí nghiệm 0,0 thấy, hỗn hợp SMA nói chung có SMA nóng SMA ấm -0,5 BTNC 356 BTNC 858 ấm chiều sâu LVBX thấp hỗn hợp -1,0 BTNC 858 nóng BTNC 858 BTNC 356 Hỗn hợp -1,5 -2,0 chế tạo theo công nghệ ấm -2,5 (SMA ấm BTNC 858 ấm) có khả -3,0 kháng LVBX tốt hỗn hợp -3,5 -4,0 chế tạo theo cơng nghệ nóng (SMA Số lần tác dụng (lượt) nóng BTNC 858 nóng) 3.10 Thí nghiệm cường độ kéo Hình 3.22 Biểu đồ chiều sâu LVBX loại BTN uốn Thí nghiệm cường độ kéo uốn thực theo 22 TCN 211-06 [3] Các hỗn hợp đúc thiết bị đầm lăn kích thước 320×260×50mm Sau mẫu gia công thiết bị cắt đá laser tự động để đạt kích thước 50×50×250mm Mẫu bảo ơn 15°C thời gian 120 phút Đặt mẫu lên gá có gối tựa cách 200mm (Hình 3.23) Thí nghiệm thực máy nén Marshall với tốc độ gia tải 50,8 mm/phút Hình 3.23 Thí nghiệm kéo uốn mẫu 18 Kết thí nghiệm cho thấy, nhiệt độ thí nghiệm 15°C cường độ kéo uốn hỗn hợp SMA nóng cao gấp 1,05 lần so với hỗn hợp BTNC 858 nóng 3.11 Thí nghiệm đánh giá khả kháng nứt hỗn hợp BTN Hình 3.27 Thí nghiệm xác định số kháng nứt CTIndex Thí nghiệm IDEAL-CTIndex sử dụng để xác định khả chống nứt hỗn hợp BTN nhiệt độ trung gian 25°C Mẫu thí nghiệm hình trụ chế tạo thiết bị đầm xoay có đường kính 150±2mm chiều cao 62±1mm Mẫu chế tạo với độ rỗng dư Va=7±0,5% Thí nghiệm thực theo tiêu chuẩn ASTM D8225 Hình 3.30 Kết thí nghiệm giá trị độ dốc; góc dốc đường cong chuyển vị - tải trọng; lượng phá hủy (Gf) số kháng nứt CTIndex Kết thí nghiệm cho thấy lực phá hoại tổ mẫu BTNC 858 cao SMA, nhiên đường cong lực - chuyển vị BTNC 858 có độ dốc lớn, với SMA đường cong thoải nhiều, điều thể rõ qua giá trị độ dốc |m75| góc dốc Độ dốc trung bình hỗn hợp BTNC 858 1,99kN/mm, lớn độ dốc trung bình hỗn hợp SMA 0,93kN/mm Điều tương ứng với góc dốc đường cong lực - chuyển vị giai đoạn sau phá hoại loại BTN Với BTNC 858, góc dốc trung bình 61,84°, cao gấp 1,45 lần so với góc dốc trung bình SMA 42,69° Năng lượng phá hủy SMA cao gấp 1,13 lần so với BTNC 858 Từ kết số kháng nứt CT Index ra: SMA nói chung có số kháng nứt CTIndex cao trung bình 3,06 lần BTNC 858 Điều cho thấy tỷ lệ bitum SMA tác dụng sợi cellulose ảnh hưởng lớn đến số kháng nứt CTIndex Riêng với SMA, kết cho thấy hỗn hợp chế tạo theo công nghệ ấm có số kháng nứt CTIndex cao trung bình 1,16 lần so với hỗn hợp chế tạo theo cơng nghệ nóng Như vậy, so với cơng nghệ nóng truyền thống, cơng nghệ ấm áp dụng cho hỗn hợp SMA cải thiện khả kháng nứt, điều nhiệt độ chế tạo hóa già hỗn hợp ấm thấp so với hỗn hợp nóng thơng thường 3.12 Thí nghiệm đánh giá sức kháng ẩm Tiêu chuẩn AASHTO T283 [34] sử dụng để đánh giá tính kháng ẩm hỗn hợp SMA BTNC 858 Thí nghiệm cho phép xác định hai thông số: (i) - cường độ chịu kéo gián tiếp mẫu khô ướt; (ii) - hệ số cường độ chịu kéo (TSR) Hỗn hợp coi đạt yêu cầu khả kháng ẩm giá trị TSR ≥ 80% Kết thí nghiệm cho thấy, hệ số cường độ chịu kéo (TSR) loại hỗn hợp lớn 80% Hỗn hợp Hình 3.35 Hệ số cường độ chịu kéo SMA nói chung có giá trị TSR lớn gấp 1,09 lần so (TSR) loại hỗn hợp BTN với hỗn hợp BTNC 858 19 3.13 Thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi tĩnh Hình 3.37 Thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi tĩnh E tĩnh (MPa) Kết thí nghiệm cho thấy, nhiệt độ 1200 SMA nóng 15°С, 30°С 60°С, E tĩnh SMA cao 1000 BTNC 858 nóng BTNC 858 BTNC 356 nóng Nguyên nhân 800 BTNC 356 nóng xem SMA có hàm lượng cốt liệu thơ lớn, hình 600 thành liên kết đá chèn đá, có tác dụng cản trở dịch 400 chuyển cốt liệu, tăng sức kháng biến 200 dạng, tăng giá trị mô đun đàn hồi hỗn hợp Ở 15 С 30 С 60 С 30°С, E tĩnh trung bình SMA cao so với Nhiệt độ ( С) BTNC 858 BTNC 356 nóng 25% 40% Tuy nhiên, nhiệt độ thí nghiệm tăng lên Hình 3.38 Mơ đun đàn hồi tĩnh loại hỗn hợp BTN 60°С, chênh lệch giảm xuống 14% 23% Ở 15°С, chênh lệch E tĩnh loại BTN thí nghiệm nhỏ, khơng đáng kể 3.14 Thí nghiệm đánh giá mơ đun đàn hồi động Thí nghiệm mơ đun đàn hồi động |E*| thực phịng thí nghiệm Trường Đại học GTVT theo hướng dẫn AASHTO TP 62 [36] Thí nghiệm |E*| cho mẫu SMA ấm, SMA nóng, BTNC 858 ấm BTNC 858 nóng tiến hành mức tần số 0,1Hz; 0,5Hz; 1Hz; 5Hz; 10Hz 25Hz) mức nhiệt độ 10°C; 25°C; 45°C; 60°C Kết thí nghiệm cho thấy, tần số, nhiệt độ tăng |E*| giảm Nếu nhiệt độ thí nghiệm, tăng tần số |E*| tăng lên Mức độ ảnh hưởng tần số nhiệt độ đến |E*| thể rõ ràng Hình 3.43 Ở 10°C 25 Hz, |E*| có giá trị lớn tất loại hỗn hợp; Ở 60°C 0,1 Hz, |E*| có giá trị nhỏ tất loại hỗn hợp Ở 10°C, |E*| SMA nóng lớn gấp 1,22 - 1,33 lần so với BTNC 858 nóng; Ở 25°C 1,01 - 1,42 lần; Ở 45°C 1,45 - 1,7 lần 60°C 1,01 - 1,08 lần BTNC 858 nóng BTNC 858 ấm SMA nóng SMA ấm 4000 3000 2000 1000 BTNC 858 nóng BTNC 858 ấm SMA nóng SMA ấm 4000 3000 2000 1000 5000 25 45 Nhiệt độ ( C) (d) Tần số = Hz BTNC 858 nóng BTNC 858 ấm SMA nóng SMA ấm 4000 3000 2000 1000 5000 25 45 Nhiệt độ ( C) (e) Tần số = 10 Hz 10 25 45 Nhiệt độ ( C) 60 BTNC 858 nóng BTNC 858 ấm SMA nóng SMA ấm 4000 3000 2000 1000 60 BTNC 858 nóng BTNC 858 ấm SMA nóng SMA ấm 4000 3000 2000 1000 0 (c) Tần số = Hz 5000 10 60 Mô đun động |E*| (MPa) 10 10 Mô đun động |E*| (MPa) Mô đun động |E*| (MPa) (b) Tần số = 0.5 Hz 5000 Mô đun động |E*| (MPa) Mô đun động |E*| (MPa) Mô đun động |E*| (MPa) (a) Tần số = 0.1 Hz 5000 5000 25 45 Nhiệt độ ( C) (f) Tần số = 25 Hz 60 BTNC 858 nóng BTNC 858 ấm SMA nóng SMA ấm 4000 3000 2000 1000 10 25 45 Nhiệt độ ( C) 60 10 25 45 Nhiệt độ ( C) Hình 3.43 Ảnh hưởng nhiệt độ đến |E*| loại BTN 60 20 SMA chế tạo theo công nghệ ấm giúp tăng giá trị |E*| so với SMA chế tạo theo cơng nghệ nóng Kết nhựa đường PMB III (cấp PG 76) trộn thêm 2% phụ gia sasobit tăng lên cấp PG 82 Cụ thể 60°C, |E*| SMA ấm cao SMA nóng, giá trị lớn số nhiệt độ thí nghiệm, từ 1,121 - 1,333 lần Các kết nghiên cứu tương đồng Al-Qadi [37] công bố năm 2012 (sử dụng phụ gia sasobit cho SMA giúp tăng giá trị mô đun đàn hồi động so với hỗn hợp đối chứng) Hình 3.44 Mô đun đàn hồi động |E*| hỗn hợp BTN 3.15 Kết luận chương Chương nghiên cứu xác định tiêu loại BTN, làm đánh giá chất lượng SMA12,5 nghiên cứu so với loại BTN có Việt Nam Thơng qua lượng hóa tiêu cường độ kháng cắt trượt (tham số C, φ, m, U, LVBX) tiêu cường độ chịu lực (cường độ kéo uốn, tiêu kháng nứt, mô đun đàn hồi tĩnh, mô đun đàn hồi động,) cho thấy, tiêu lý SMA nghiên cứu thỏa mãn yêu cầu theo tiêu chuẩn kỹ thuật vật liệu AĐM Việt Nam Các tiêu SMA12,5 cao so với BTN đối chứng Điều cho thấy, sử dụng SMA phù hợp với yêu cầu kháng lún, nứt cho lớp vật liệu điều kiện Việt Nam Cụ thể sau: SMA sử dụng hàm lượng sợi cellulose 0,2%; 0,3% 0,5% đáp ứng yêu cầu kỹ thuật theo AASHTO M325, AASHTO MP8 SMA không sử dụng sợi cellulose không đáp ứng yêu cầu độ rỗng dư độ chảy nhựa vượt q giá trị cho phép SMA có lực dính đơn vị (C) nhỏ so với mẫu BTN đối chứng, nhiên hệ số nội ma sát (tgφ) cao hỗn hợp BTNC 858 BTNC 356 Khả kháng LVBX SMA cao BTNC 858 BTNC 356 Ở nhiệt độ thí nghiệm 15°C, cường độ kéo uốn SMA cao gấp 1,05 lần BTNC 858 Chỉ số kháng nứt CTIndex SMA nói chung cao trung bình 3,06 lần so với BTNC 858 Về đánh giá sức kháng ẩm, SMA nói chung có hệ số TSR lớn gấp 1,09 lần so với BTNC 858 đối chứng Mô đun đàn hồi tĩnh SMA cao hỗn hợp BTNC 858 BTNC 356 mức nhiệt độ thí nghiệm 15°С, 30°С 60°С; Mô đun đàn hồi động |E*| SMA nói chung có giá trị lớn BTNC 858 tất tần số (0,1 Hz; 0,5 Hz; Hz; Hz; 10 Hz 25 Hz) mức nhiệt độ thí nghiệm (10°C; 25°C; 45°C; 60°C); CHƯƠNG ỨNG DỤNG HỖN HỢP STONE MASTIC ASPHALT LÀM MẶT ĐƯỜNG CẤP CAO TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 4.1 Một số lưu ý thiết kế, chế tạo hỗn hợp SMA điều kiện Việt Nam Từ nghiên cứu SMA Chương 1, Chương thí nghiệm tiêu lý SMA Chương 3, đồng thời tham khảo tiêu chuẩn kỹ thuật SMA Mỹ (AASHTO MP8, AASHTO M325), Trung Quốc (JTG F40-2004), Ấn Độ (IRC SP 79), Châu Âu (EN 13108-5) Có thể tổng hợp yêu cầu thành phần hạt yêu cầu kỹ thuật SMA12,5 áp dụng Việt Nam theo Bảng 4.1 Bảng 4.2 21 Bảng 4.1 Tiêu chuẩn thành phần hạt hỗn hợp SMA12,5 Cỡ sàng, mm 25 19 12,5 9,5 4,75 Cận Cận 100 90 50 20 100 80 35 Cỡ sàng, mm 2,36 1,18 0,60 0,30 0,075 Cận 16 8,0 Cận 24 11,0 Bảng 4.2 Yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật hỗn hợp SMA Chỉ tiêu Hàm lượng bitum, % Số chày đầm (phương pháp Marshall) Độ ổn định Marshall, kN Độ dẻo Marshall, mm Độ rỗng dư (Va), % Độ rỗng cốt liệu (VMA), % Độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA), % VCAMIX, % Hệ số cường độ chịu kéo (TSR), % Độ chảy bitum, % Hệ số nội ma sát (tgφ) Lực dính đơn vị 50°С (C), МPа Chỉ số kháng nứt CTIndex Giá trị yêu cầu ≥6 2×50 chày/1 mặt ≥ 6,2 2÷4 3÷4 ≥ 17 75 ÷ 85 ≤ VCADRC ≥ 80 ≤ 0,3 ≥ 0,94 ≥ 0,20 ≥ 527,00 Tiêu chuẩn ASTM D6927/ TCVN 8860-1:2011 ASTM D6927/ TCVN 8860-1:2011 ASTM D6927/ TCVN 8860-1:2011 ASTM D 3203/ TCVN 8860-9:2011 TCVN 8860-10:2011 TCVN 8860-10:2011 AASHTO T19 AASHTO T283 AASHTO T305/ TCVN 8860-6:2011 GOST 12801-1998 GOST 12801-1998 ASTM D8225-19 Hỗn hợp cốt liệu sau phối trộn phải thoả mãn yêu cầu cấp phối theo quy định tiêu chuẩn kỹ thuật tương ứng 4.2 Một số lưu ý công nghệ chế tạo thi công hỗn hợp SMA Quá trình trộn SMA trạm trộn gần giống với q trình trộn hỗn hợp BTN nóng thơng thường Trạm trộn lắp thêm số phận phù hợp cho trình sản xuất SMA Chất ổn định dạng xốp đóng gói dạng bao cho trực tiếp vào buồng trộn với bột khoáng Sau cho vào buồng trộn, thời gian trộn khô tăng thêm giây để chất ổn định thoát khỏi bao chứa trộn với Hình 4.1 Trình tự thời gian trộn SMA với chất ổn định dạng xốp [77] cốt liệu Sau đó, nhựa đường cho vào hỗn hợp (Hình 4.1) 4.3 Nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp SMA KCAĐM cấp cao Việt Nam 4.3.1 Quy mô giao thông tuyến đường ô tô cấp cao Việt Nam Theo định số 858/QĐ-BGTVT, tuyến đường ô tô có quy mơ giao thơng lớn hiểu “các tuyến đường có lưu lượng xe lớn và/hoặc có nhiều xe khách lớn, xe tải lớn lưu thông, cụ thể tuyến đường có tổng số trục xe tích lũy thời hạn thiết kế Ne ≥ 5,106 trục tuyến đường có số xe tải trọng hạng trung trở lên xe khách lớn trung bình ngày đêm lưu thông N ≥ 1500 xe/ngày đêm.làn xe” Như vậy, đối chiếu với quy định quốc lộ đường cao tốc Việt Nam Bắc Giang - Lạng Sơn, Hạ Long - Vân Đồn, Hà Nội - Hải Phòng, Bến Lức Long Thành… thuộc tuyến đường có quy mơ giao thông lớn 4.3.2 KCAĐM áp dụng cho đường ô tô quy mô giao thông lớn Việt Nam Ở Việt Nam, hầu hết tuyến đường ô tô cấp cao sử dụng KCAĐM với cấu tạo tầng mặt gồm lớp BTN tạo nhám (có khơng có), hai lớp BTNC (có khơng sử dụng polime) Tổng chiều dày hai lớp thường dao động khoảng từ 12-14 cm 22 4.3.3 Tính tốn ứng dụng SMA làm lớp mặt KCAĐM ô tô Việt Nam Để đánh giá SMA làm lớp mặt Bảng 4.4 Kết xác định chiều dày mô đun đàn hồi KCAĐM ô tô, sử dụng KCAĐ áp Chiều dày lớp dụng cao tốc Bắc Giang - Lạng Sơn TT KCAĐ, cm Lớp vật liệu Thay lớp BTNC polime lớp SMA BTNC 858 SMA để so sánh đánh giá Tổng số trục xe tích BTNC 858 lũy thời hạn thiết kế Ne = 6,1.106 SMA trục/làn xe, thời hạn thiết kế giả định 15 BTNC 19 7 năm, hệ số tăng trưởng 5%, lưu lượng tính BTNR 19 10 10 tốn Ntt = 1533 trục/làn.ngày đêm Cấp phối đá dăm loại I 58 58 Từ kết tính tốn thấy: Do E ×Kdv (độ tin cậy 90%), MPa 220 yc cd SMA có mơ đun đàn hồi tĩnh lớn so 220,04 220,33 Ech, MPa với BTNC 858, giảm chiều dày so với sử dụng BTNC 858 4.3.4 Đề xuất cấu tạo KCAĐM cho đường ô tô quy mô giao thông lớn Việt Nam Tham khảo KCAĐM tuyến đường ô tô cấp cao Việt Nam năm gần đây, kết phân tích tính tốn KCAĐ sử dụng lớp mặt SMA, đề xuất kết cấu sử dụng cho đường ô tô cấp cao có quy mô giao thông lớn với cấu tạo Hình 4.6 4.4 Ứng dụng tính tốn đánh giá LVBX cho mặt đường tơ Để kiểm toán dự báo phù hợp loại BTN dự kiến xây dựng với yêu cầu khai thác điều kiện khí hậu dự án, Hình 4.6 KCAĐ đề xuất áp dụng cho đường tơ có quy mô giao thông lớn Việt Nam theo tiêu độ ổn định cắt trượt BTN, cần tính tốn dự báo từ khâu thiết kế Dưới trình bày kết tính tốn LVBX theo phương pháp Liên Bang Nga CTO-ГК 007-2007 [109] theo công thức (1.2) công thức (1.5): γ tt  t p N.γTN ( T max 9.γ h  U  τmax  q.tgφ m1 1 )  P(T).exp  (  )  dT   γ  ; RD  tt  RDcp ; 2.L CTN  R 273,15  T 273,15  TTN  T RD, cm γtt Sử dụng phương pháp tính tích phân số, với bước thời gian T=1°C, giải phương trình tích phân cơng thức (1.2) tính chiều sâu LVBX (RD) theo cơng thức (1.5) Kết tính biến dạng dẻo tương đối chiều sâu LVBX lớp BTN sau: Nhiệt độ, C Nhiệt độ, C Kết tính cho 10 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 50 60 70 thấy chiều sâu vệt 0,00 0,00 lún BTNC 356 0,05 0,50 (45,0% đá dăm) 0,10 SMA 1,00 lớn 1,40cm SMA 0,15 BTN 858 0,20 BTN 858 Khi tăng hàm lượng 1,50 0,25 BTNC 356 BTNC 356 cốt liệu thô lên 2,00 60,0% (BTNC 858) (a) Mức biến dạng dẻo (b) chiều sâu vệt lún lớp BTN chiều sâu vệt lún Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ mức biến dạng dẻo tương đối; Chiều sâu giảm xuống 2,07 lần vệt lún lớp BTN theo mức nhiệt độ (0,68cm) Tiếp tục tăng hàm lượng cốt liệu thơ lên 75,2% (SMA) chiều sâu vệt lún giảm xuống thấp nhất, 0,08cm, thấp 8,94 18,54 lần so với BTNC 858 BTNC 356 Như vậy, chiều sâu vệt lún loại BTN giới hạn cho phép (