Bảng 2.2: Cấp phối hỗn hợp Superpave Bảng 2.3: Khống chế hỗn hợp bê tông nhựa

chính :

Sử dụng phương pháp Hopkins và Hamming để chuyển đổi biến dạng từ biến đạt được từ giá trị đường cong chính D(Tref, ξ) – 1/ S(Tref, ξ) sang mô đun phục hồi E(Tref, ξ)

(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 sử dụng rộng rãi ở Mỹ. Theo báo cáo của TRB năm 2005 có 50/52 Sở Giao thông của các Bang (DOT) sử dụng phân loại nhựa theo PG. Tuy nhiên, song song với tiêu chuẩn phân mác nhựa theo PG, ở một số bang nước Mỹ và Canada vẫn tồn tại phân loại 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 áp dụng khá phổ biến (BS EN 12591:2009. Nhựa đườngen and nhựa đườnginous binders — Specifications for paving grade nhựa đườngens). Ngoài các phương pháp thử quy định để phân loại mác nhựa theo độ kim lún truyền thống của AASHTO M20 (Penetration Graded Asphalt Cement), EN 12591:2009 đã bổ sung các chỉ tiêu để đánh giá nhựa đường, ví dụ như: thay thế thí nghiệm tổn thất khi nung TFOT bằng RTFOT, bổ sung xác định Chỉ số độ kim lún PI (Penetration index), 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 thảo chương trình về nhựa đường của các nước cộng đồng châu Âu cũng còn một số ý kiến tranh luận (CEN CT-19SC1-Euronhựa đườnge), tuy nhiên cùng hướng đến đích 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 nhựa Superpave là có cơ sở rất khoa học. Hiện nay Ủy ban châu Âu về tiêu chuẩn đã công 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 đặc tính 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 đun

- 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 khác nhau A, B, C với các chỉ tiêu kỹ thuật quy định rõ loại A tốt nhất và kém nhất là loại C.

Những nghiên cứu gần đây ở Trung Quốc tập trung áp dụng thí điểm chọn loại nhựa đường theo phương pháp PG cho một công trình cụ thể, theo dõi, đánh giá trong thời 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, tổng chiều dài đường ở Đài Loan là 37.000km/36.000km2 diện tích. Đài Loan chủ yếu sử dụng 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 cũng được 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 nhựa AC60-70 có độ kim lún 60-70pen để sử dụng làm lớp mặt đường. Những nghiên cứu gần đây của Thái Lan tập trung vào phát triển hệ thống phân loại nhựa theo đặc tính 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 hiện cũng 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] cũng tập trung áp dụng phương pháp Superpave. Các thí nghiệm nghiên cứu nhựa bao gồm 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 ở Pakistan cũng là 60/70. Hướng nghiên cứu gần đây ở trường đại học công nghệ kỹ thuật Taxila Pakistan là phát triển phương pháp Superpave thiết kế hỗn hợp BTN.

1.5.9. Phân loại nhựa đường ở Malaysia

Tiêu chuẩn thiết kế mặt đường mềm JKR/SPJ/2008-S4 và tiêu chuẩn phân loại nhựa MS 124 ở Malaysia vẫn sử dụng phân loại theo độ kim lún. Các mác nhựa chủ yếu sử dụng là 60-70 hoặc 80-100. Tuy nhiên đối với những loại bê tông nhựa rỗng thoát nước, SMA,...làm lớp mặt trên sử dụng nhựa PG76 và PG70 theo MS320 của Mỹ. Malaysia đang nghiên cứu và áp dụng Superpave trong những công trình cụ thể để rút kinh nghiệm nhằm tiến tới biên soạn tiêu chuẩn sử dụng hệ thống Superpave.

1.5.10. Phân loại nhựa đường ở Ấn Độ

Ấn Độ sử dụng phân loại nhựa đường theo độ nhớt, các mác nhựa phổ biến được sử dụng là VG-10, VG-20, VG-30 & VG-40. Tuy nhiên Ấn Độ đã sử dụng hệ thống Superpave cho nhiều công trình xây dựng đường bộ gần đây. Phương pháp thiết kế kết cấu mặt đường mềm của Ấn Độ IRC: 37-2012 cũng phát triển dựa trên phương pháp của Viện Asphalt (AI).

1.5.11. Phân loại nhựa đường theo độ kim lún ở một số nước khác

Các nước Ai Cập, Oman, Nam Phi, Iraq, ... sử dụng phân loại theo độ kim lún. Các nước này cũng đang tiến hành nghiên cứu phân loại theo PG để lựa chọn đúng mác nhựa tùy thuộc nhiệt độ, tải trọng xe chạy.

1.6. Kết luận

Hệ thống Superpave với phương pháp phân loại nhựa đường theo đặc tính sử dụng PG có nhiều ưu điểm, các nước trên thế giới và trong khu vực đã và đang nghiên cứu, áp dụng. Nghiên cứu phương pháp phân loại nhựa đường theo đặc tính sử dụng ở Việt Nam nhằm chọn được mác nhựa phù hợp là thật sự cần thiết.

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA THEO SUPERPAVE

Thiết kế bê tông nhựa theo Superpave mới nhất (10/2014) bao gồm các tiêu chuẩn: - Tiêu chuẩn lựa chọn mác nhựa theo đặc tính sử dụng PG: AASHTO M320-10. - Tiêu chuẩn Superpave thiết kế hỗn hợp theo thể tích (Superpave Volumetric Mix

Design): AASHTO M323-13.

- Tiêu chuẩn Superpave thiết kế thể tích bê tông nhựa nóng (Superpave Volumetric Design for Hot Mix Asphalt): AASHTO R35-14.

2.1. Trình tự thiết kế hỗn hợp theo Superpave

Superpave hiện hành không còn quy định 3 mức thiết kế mà chỉ thiết kế các điều kiện thể tích và thỏa mãn tỷ số cường độ kéo gián tiếp TSR (tensile strength ratio) theo thí nghiệm độ ổn định nước AASHTO T283 tối thiểu là 0.8. Mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo được chuẩn bị theo R30 và đầm nén theo T312 với độ rỗng 7 ± 0.5%.

Các công thức tính thể tích hỗn hợp không thay đổi. Hình 2.2 ví dụ các biểu đồ để lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu. Hình 2.3 ví dụ biểu đồ quan hệ giữa số lần đầm xoay và % tỷ trọng lớn nhất Gmm.

Trình tự thiết kế gồm 4 bước:

Bước 1: Lựa chọn vật liệu: Cốt liệu, bột khoáng, nhựa, RAP và phụ gia (nếu có).

+ Lựa chọn mác nhựa theo PG mô hình LTPP.

+ Nguyên tắc lựa chọn mác nhựa. Các tiêu chuẩn:

AASHTO M320-2015 AASHTO M332-2014

Hiệu chỉnh mác nhựa theo đặc tính tải trọng xe: - Các cấp lưu lượng

- Tốc độ xe

Lựa chọn mác nhựa theo độ tin cậy tính toán: - R=98 %

- R=50 %

+ Nguồn gốc cốt liệu.

Bước 2: Thiết kế cấp phối cốt liệu: Chọn ít nhất 3 cấp phối. Bước 3: Lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế.

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

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

2.2. Lựa chọn mác nhựa theo đặc tính sử dụng Performance Graded (PG)

Tiêu chuẩn hiện hành M320-10 quy định việc lựa chọn mác nhựa theo PG cần phải có các thông số nhiệt độ 7 ngày nóng nhất và 1 ngày lạnh nhất trong tối thiểu 20 năm cùng với mô hình dự báo nhiệt độ mặt đường. Nhiệt độ cao nhất tính toán ở chiều sâu dưới mặt đường 20mm, nhiệt độ thấp nhất trên bề mặt đường. Nhiệt độ tính toán dựa vào độ tin cậy, thường quy định sử dụng độ tin cậy R=50% cho các đường cấp cao thứ yếu và R=98% cho các đường cấp cao chủ yếu.

Các loại mác nhựa sử dụng là PG46-(34, 40, 46); PG52-(10, 16, 22, 28, 34, 40, 46); PG58-(16, 22, 28, 34, 40); PG64-(10, 16, 22, 28, 34, 40); PG70-(10, 16, 22, 28, 34, 40); PG70-(10, 16, 22, 28, 34); PG82-(10, 16, 22, 28, 34).

Khác với các phiên bản trước đây, phiên bản 2010 có 2 bảng chỉ tiêu kỹ thuật đối với từng mác nhựa. Bảng số 1 (M320) là mặc định trong các trường hợp thông thường khi không tập trung nhiều vào thí nghiệm chống nứt ở nhiệt độ thấp. Bảng số 2 (M320) bổ sung các chỉ tiêu kỹ thuật cho nhựa để đảm bảo khả năng chống nứt ở nhiệt độ thấp (AASHTO R49, T313, T314). Nếu không có ghi chú thì các tiêu chuẩn sẽ mặc định là ở bảng số 1 của tiêu chuẩn M320.

Dựa vào lưu lượng và đặc tính của dòng giao thông mà mác nhựa được cộng lên:

Lưu lượng xe được quy đổi về trục đơn 18kip tích lũy trong thời gian 20 năm tính cho 1 làn xe. Dòng tiêu chuẩn khi tốc độ trung bình ≥70km/h; dòng chậm khi tốc độ từ 20 đến 70 km/h; dòng đứng yên khi tốc độ nhỏ hơn 20km/h.

Khi sử dụng bê tông nhựa tái chế RAP thì tùy theo khối lượng RAP thêm vào mà lựa chọn mác nhựa cho thích hợp:

- Khi RAP < 15% khối lượng hỗn hợp thì giữ nguyên mác nhựa đã chọn;

- Khi RAP từ 15-25% thì giảm mềm nhựa đi 1 cấp (ví dụ định chọn mác nhựa PG64-22 thì sẽ chọn mềm đi 1 cấp là PG58-28);

- Khi RAP >25% thì phải thiết kế phối trộn nhựa chi tiết.

2.3. Lựa chọn cốt liệu và cấp phối cốt liệu

Cấp phối cốt liệu được thể hiện ở Bảng 2.2. Tiêu chuẩn Superpave hiện hành đã bỏ khái niệm vùng hạn chế, thay vào đó quy định độ góc cạnh của cốt liệu mịn FAA và lượng lọt qua sàng khống chế để có bê tông nhựa chặt mịn hay bê tông nhựa chặt thô.

Bảng 2.2: Cấp phối hỗn hợp Superpave

Bảng 2.3 giới hạn khống chế bê tông nhựa chặt mịn và bê tông nhựa chặt thô phụ thuộc vào lượng lọt qua sàng khống chế. Ví dụ với BTN có cỡ hạt danh định lớn nhất 19.0mm, lượng lọt qua sàng khống chế 4.75mm dưới 47% thì là loại bê tông nhựa chặt thô. Với từng loại hỗn hợp một vài tiêu chuẩn kỹ thuật có điều chỉnh cho phù hợp.

Bảng 2.3: Khống chế hỗn hợp bê tông nhựa

Khi thiết kế, để lựa chọn cấp phối tốt nhất cần ít nhất 3 cấp phối như Hình 2.4. Đường cấp phối phải nằm trong phạm vi giới hạn ở Bảng 2.4, tránh đường có độ

chặt lớn nhất và tùy thuộc vào lượng lọt qua sàng khống chế mà có loại BTN chặt thô và BTN chặt mịn.

Hình 2.4: Lựa chọn 3 cấp phối BTN19

Bảng 2.4 quy định các chỉ tiêu của cốt liệu

Bảng 2.4: Yêu cầu cốt liệu

- Độ góc cạnh của cốt liệu thô CAA thí nghiệm theo AASHTO T335 - Độ góc cạnh của cốt liệu mịn FAA thí nghiệm theo AASHTO T304 - Đương lượng cát thí nghiệm theo AASHTO T176

- Tỷ lệ dài dẹt được quy định là 5:1 với các hạt lọt qua sàng 9.5mm và sót trên sàng 4.75mm. Thí nghiệm theo ASTM D4791.

Bột khoáng theo tiêu chuẩn AASHTO M 17-11, các chỉ tiêu kỹ thuật của bột khoáng được quy định trong các tiêu chuẩn: Lấy mẫu thí nghiệm T127; Phân tích thành phần hạt T37 và Chỉ số dẻo T90.

2.4. Các chỉ tiêu kỹ thuật

Mẫu bê tông nhựa được đầm bằng đầm xoay theo tiêu chuẩn T 312-12 và PP60-13. Thông số chuẩn của đầm xoay: Áp lực đầm 600 ± 18 kPa; góc nghiêng 1.16 ± 0.02 độ; tốc độ xoay 30.0 ± 0.5 vòng/phút. Đường kính trong của mẫu 150mm.

Công đầm phụ thuộc vào lưu lượng xe thiết kế thể hiện ở Bảng 2.5

Bảng 2.5: Số lần đầm nén thiết kế

Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp ở Bảng 2.6

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

Quy định tỷ số giữa lượng lọt qua sàng 0.075mm và hàm lượng nhựa có hiệu D/B cho hỗn hợp mịn là từ 0.6-1.2 và cho hỗn hợp thô là từ 0.8-1.6.

2.5. Xác định ảnh hưởng của nước đến hỗn hợp bê tông nhựa đầm chặt (AASHTO T 283 – 03)

Phương pháp này quy định trình tự chuẩn bị mẫu và thí nghiệm xác định mức độ thay đổi cường độ kéo gián tiếp của mẫu bê tông nhựa đầm chặt do ảnh hưởng của việc ngâm bão hoà chân không với 1 chu kỳ làm lạnh-tan băng (freeze- thaw). Các kết quả này có thể được sử dụng để dự đoán liên kết đá nhựa trong thời gian sử dụng của hỗn hợp bê tông nhựa và đánh giá hiệu quả của của các chất phụ gia tăng dính bám sử dụng, ví dụ như vôi bột hoặc xi măng pooc- lăng.

Như đã đề cập trong mục Phạm vi áp dụng, phương pháp này được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của việc ngâm bão hoà chân không với 1 chu kỳ làm lạnh-tan băng lên mẫu bê tông nhựa đầm chặt. Phương pháp này được sử dụng để thí nghiệm:

- Hỗn hợp bê tông nhựa trong quá trình thiết kế hỗn hợp (mẫu được trộn trong phòng thí nghiệm, đầm nén trong phòng thí nghiệm).

- Hỗn hợp bê tông nhựa sản xuất tại trạm trộn (mẫu được trộn tại hiện trường, đầm nén trong phòng thí nghiệm).

- Các mẫu khoan từ hiện trường ở bất kỳ độ tuổi nào (mẫu được trộn tại hiện trường, đầm nén tại hiện trường).

Cường độ chịu kéo gián tiếp còn lại được xác định bằng cách so sánh cường độ chịu kéo gián tiếp của mẫu được ngâm nước và làm lạnh-tan băng với cường độ chịu kéo gián tiếp của mẫu khô.

2.5.1. Dụng cụ và thiết bị

- Thiết bị để tạo mẫu và đầm nén mẫu phù hợp với một trong số các tiêu chuẩn sau : T 245, T 247, T 312 hoặc D 3387.

- Bình hút chân không, thường dùng loại D, và mãy hút chân không phù hợp với quy định của D 2041.

- Cân và bể ổn nhiệt phù hợp với quy định tại T 166.

- Bể ổn nhiệt có khả năng duy trì được ở nhiệt độ 60±1oC (140±1.82oF).

- Tủ lạnh duy trì được ở nhiệt độ -18±3oC (0±5oF).

- Màng nhựa mỏng để bọc mẫu; túi nhựa mỏng để đựng mẫu bão hoà; và băng