Mô hình thí nghiệm hợp lý để xác định một đặc trưng cơ học của một loại vật liệu là mô hình có thể mô tả đặc tính cơ bản của vật liệu, mô phỏng gần đúng với điều kiện chịu lực thực tế, phù hợp với phương pháp tính toán, có khả năng thực hiện và có tính phổ biến, có thể sử dụng được với loại mẫu thông dụng, dễ chế tạo hoặc dễ lấy từ hiện trường.
Trong kết cấu áo đường ôtô, khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy, trong lớp mặt bê tông asphalt thông thường xuất hiện ứng suất nén và ứng suất kéo, ứng suất cắt xuất hiện trong trường hợp lớp mặt chịu tải trọng lực ngang lớn, là khi tốc độ xe thay đổi, phanh hãm, dừng xe hay khởi động xe. Trạng thái phá hoại thường thấy của lớp mặt bê tông asphalt liên quan đến ứng suất kéo khi uốn và ứng suất cắt khi trượt. Các tính chất cơ bản của bê tông asphalt là bản chất vật liệu thay đổi phụ thuộc nhiệt độ, thời gian gia tải và độ lớn của ứng suất tác dụng, tính chất từ biến và đàn hồi chậm. Mô hình thí nghiệm mô đun đàn hồi cần phải có các thông số thí nghiệm được xác định căn cứ vào điều kiện dòng giao thông và điều kiện môi trường. Các thông số thí nghiệm trên cơ sở đó được lựa chọn là nhiệt độ mẫu khi thí nghiệm, thời gian và chu kỳ tác dụng lực.
2.1.1 Đề xuất áp dụng mô hình thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi.
Có nhiều mô hình thí nghiệm để xác định mô đun đàn hồi của bê tông asphalt. Có thí nghiệm đơn giản với mức độ mô phỏng kém trạng thái ứng suất khi chịu tải trọng giao thông của mặt đường như thí nghiệm nén dọc trục tải trọng tĩnh mẫu hình trụ trong phòng thí nghiệm. Có thí nghiệm phức tạp với mức độ mô phỏng gần đúng hơn cả như thí nghiệm nén ba trục tải trọng lặp.
Thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp là mô hình thí nghiệm thể hiện được một phần trạng thái ứng suất trong lớp mặt đường bằng bê tông asphalt khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe. Mẫu vật liệu trong thí nghiệm chịu
kéo do tải trọng nén. Trạng thái phá hoại do ứng suất kéo (gây ra các hiện tượng nứt trên mặt đường) là trạng thái phá hoại thường thấy đối với lớp bê tông asphalt mặt đường. Tải trọng lặp tác dụng trong thời gian ngắn cho phép chúng ta mô phỏng được đặc điểm tác dụng tức thời và lặp lại của tải trọng xe chạy. Thí nghiệm có thể tiến hành với mẫu Marshall, là mẫu đúc theo phương pháp thông dụng và mẫu khoan mặt đường với các chiều cao khác nhau.
Thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp cũng là mô hình thí nghiệm được đề nghị để xác định mô đun đàn hồi và từ đó có hệ số lớp của bê tông asphalt, một thông số vật liệu cơ bản trong hướng dẫn thiết kế mặt đường mềm của AASHTO. Việc sử dụng mô hình thí nghiệm có sẵn, với các giá trị thông số đặc trưng cũng là một thuận lợi cho việc nghiên cứu, vì có thể kiểm chứng các giá trị thí nghiệm với các giá trị của thông số đã cho.
Với các lý do đã trình bày, thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp được đề xuất để áp dụng trong nghiên cứu mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm, xét đến điều kiện tác dụng của tải trọng xe chạy.
2.1.2 Thời gian tác dụng lực
Tải trọng xe được tác dụng lên mặt đường qua bánh xe quay tròn. Tác dụng của tải trọng xe lên vệt tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường chỉ trong một khoảng thời gian rất ngắn phụ thuộc vào tốc độ xe chạy. Khoảng thời gian này có thể tính được từ chiều dài vệt tiếp xúc theo hướng xe chạy của bánh xe với mặt đường và tốc độ xe chạy. Nếu xem như chiều dài vệt tiếp xúc bằng đường kính tương đương của vệt bánh xe trên mặt đường là 33 cm thì có thể tính thời gian tác dụng của bánh xe lên mặt đường theo công thức gần đúng:
V
t=1 (2.1)
với V là tốc độ xe chạy (km/h )
t là thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy trên mặt đường (s)
Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường trong các trường hợp chính ở trên đường là: [38]
Trên đường xe chạy không liên tục (có tăng, giảm tốc hay hãm phanh): 0.1s - 1s
Bãi đỗ xe : 1 phút - 10 giờ.
Chiều dài của vệt tiếp xúc giữa mặt đường với lốp xe tải nặng theo hướng xe chạy khoảng 20 cm [38], nếu gọi thời gian đặt tải δt trên phần mặt đường và tốc độ xe chạy là V thì các số liệu tương ứng như sau:
V = 18 km/h ; δt = 0.04 s ; ω = 2* π * 12.5 Hz . V = 100 km/h ; δt = 0.007 s ; ω = 2* π * 71.5 Hz .
Thời gian xung δt tương ứng với thời gian dao động nửa hình sin xác định ω. Khi xe chạy với tốc độ chậm sẽ không gây nên những dao động lớn và không làm tăng đáng kể áp lực phụ thêm so với áp lực của bánh xe tĩnh lên mặt đường. Nhưng khi xe chạy với tốc độ cao, tần số dao động của bánh xe và áp lực phụ thêm do lực xung kích đều tăng lên, phụ thuộc vào độ bằng phẳng của mặt đường. Thời gian tiếp xúc của tải trọng bánh xe nhỏ đi và gần với thời gian va chạm. Khi đó các sóng ứng suất sẽ xuất hiện trong kết cấu mặt đường. Kết quả đo độ võng động mặt đường chưa xuất hiện vệt nứt theo kết quả nghiên cứu [38] được thể hiện trên hình 2.1
Trong hình vẽ 2.1, P1 là tải trọng bánh xe trước và P2 là tải trọng bánh xe sau; các chậu võng 1; 2; 3; 4 lần lượt ứng với tác dụng của xe chạy với tốc độ là 37.9 km/h; 30 km/h; 11.1 km/h; 5.5 km/h, và đường cong số 5 là chậu võng ứng với tải trọng tĩnh. Quan sát kết quả trong hình, có thể thấy khi tốc độ xe
Hình 2.1: Kết quả đo độ võng động mặt đường
chạy lớn thì thời gian tác dụng của tải trọng giảm và đồng thời phạm vi truyền ứng suất nhỏ. Bán kính chậu võng mặt đường khi chịu tác dụng của tải trọng tĩnh lớn hơn tải trọng động (tải trọng khi xe chạy). Nhánh thứ hai của chậu võng (nhánh dỡ tải) có bán kính cong gần với đường tải trọng tĩnh hơn. Có thể thấy được độ võng của mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ xe chạy, và trọng lượng của xe.
Trạng thái ứng suất toàn phần của kết cấu áo đường khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy được hợp thành bởi tổng của trạng thái ứng suất tĩnh và trạng thái ứng suất động (dạng sóng). Trạng thái ứng suất tĩnh được tạo nên do sự thay đổi vị trí liên tục nhưng không rời khỏi mặt đường của bánh xe trên bề mặt của kết cấu áo đường. Thành phần ứng suất và biến dạng của trạng thái này giảm đi khi tốc độ xe chạy tăng lên. Trạng thái ứng suất động xuất hiện do sự va đập của bánh xe trên bề mặt không bằng phẳng của áo đường hoặc là tạo bởi xung lực áp lực bánh xe khi xe dao động. Thành phần này của trạng thái ứng suất tăng nhanh khi tốc độ xe chạy tăng [38].
Thiết bị thí nghiệm gia tải lặp, với thời gian tác dụng tức thời và có khoảng thời gian nghỉ, theo quan điểm được đề cập ở trên, thì có thể mô phỏng được trạng thái ứng suất do sự thay đổi liên tục vị trí nhưng không rời khỏi mặt đường của bánh xe gia tải. Việc điều tra các số liệu dòng giao thông thực tế trên đường như tốc độ xe, lưu lượng xe, tải trọng trục và khoảng thời gian giữa các lần tác dụng của tải trọng trục xe sẽ cho các cơ sở để thiết lập mô hình thí nghiệm mô phỏng được thành phần trạng thái ứng suất này.
Phụ lục 1 thể hiện kết quả điều tra giao thông trên tuyến quốc lộ 1, đoạn Quảng Ngãi - Nha Trang bao gồm số liệu đếm xe, thời điểm mỗi trục xe đi qua vị trí đếm, tải trọng trục xe, tốc độ xe chạy được tự động tính toán thông qua khoảng cách giữa các trục và thời gian. Tổng hợp các số liệu điều tra, chúng ta có kết quả về tốc độ xe chạy trên đường thể hiện trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Tốc độ xe chạy theo số liệu điều tra giao thông trên quốc lộ 1
Ngày quan trắc Tốc độ xe chạy (km/h)
Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình 22/5/2000 8.7 88.9 38.5 23/5/2000 5.9 90 38.83 24/5/2000 6.8 78.1 38.47 27/5/2000 9.7 92.7 41.7 29/5/2000 7.3 87.2 42.23 30/5/2000 8.2 86.7 42.53 Trung bình 8 87 40
Tốc độ xe chạy trung bình trên các tuyến đường trong thành phố của Việt Nam hiện này là khoảng 18 - 20 km/h.
Sử dụng công thức (2.1) để tính thời gian tác dụng của tải trọng lên mặt đường đưa vào bảng 2.2 như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 2.2: Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy trên mặt đường
Tốc độ xe chạy (km/h) Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy (s)
8 0.133
87 0.012
40 0.025
20 0.05
Theo kết quả của bảng 2.2, thời gian tác dụng lực được lựa chọn để gia tải lặp là 0.1 giây; 0.02 giây và 0.05 giây.
2.1.3 Chu kỳ tác dụng lực
Chu kỳ tác dụng lực được lựa chọn trên cơ sở khoảng thời gian giữa các lần tác dụng của tải trọng trục xe trên đường. Từ thời gian xe đi qua vị trí đếm xe có trong số liệu điều tra giao thông (xem phụ lục 1), có thể tính được khoảng cách thời gian giữa các xe và khoảng cách thời gian giữa các trục xe như trong bảng 2.3 sau:
Bảng 2.3: Khoảng cách thời gian giữa các lần tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đường.
Đặc điểm Khoảng thời gian giữa các
lần tác dụng của tải trọng(s) Khoảng thời gian trung bình giữa các xe
Khoảng thời gian trung bình giữa các trục xe
30 1
Chu kỳ tác dụng của tải trọng lặp được lựa chọn theo kết quả bảng 2.3 và để khảo sát sự thay đổi của mô đun đàn hồi thí nghiệm và thời gian chu kỳ là 1 giây, 5 giây, 10 giây, và 30 giây.
2.1.4 Nhiệt độ thí nghiệm
Nhiệt độ thí nghiệm được chọn căn cứ vào nhiệt độ của lớp mặt bê tông asphalt trong điều kiện chịu tải trọng thực tế. Nhiệt độ của lớp mặt đường bê tông asphalt có thể dự đoán theo phân bố nhiệt trong kết cấu áo đường được xác định bằng lý thuyết hoặc từ các mối quan hệ thực nghiệm giữa các yếu tố khí hậu và các thông số về nhiệt của vật liệu. Phân bố nhiệt trong kết cấu áo đường theo lý thuyết có thể được thiết lập trên một số giả thiết như nhiệt độ mặt đường theo phương ngang là phân bố đều, kết cấu áo đường là một hệ đồng nhất bán vô hạn và nhiệt độ hữu hiệu đặc trưng cho hiệu ứng nhiệt do tác dụng tổng hợp của nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời gây nên trên bề mặt áo đường biến đổi có tính chu kỳ theo thời gian dưới dạng hình sin [13], hay là giả thiết điều kiện nhiệt lượng tương đương [5]. Các mối quan hệ thực nghiệm được thiết lập trên cơ sở các số liệu đo trực tiếp nhiệt độ trong mặt đường ở các chiều sâu khác nhau tại các thời điểm có điều kiện nhiệt độ không khí và các đặc điểm khí hậu khác nhau. Số liệu thu thập được phân tích để lập quan hệ thực nghiệm của nhiệt độ trong mặt đường với các yếu tố khí hậu. Phương pháp này được áp dụng trong nhiều nghiên cứu [5], [11] và kết quả là các công thức hay các biểu đồ có thể áp dụng tương ứng với điều kiện biên cụ thể phụ thuộc vào mỗi nghiên cứu.
Căn cứ số liệu điều kiện khí hậu được lấy theo [12], áp dụng công thức thực nghiệm cho trong [21] kết hợp với tra biểu đồ theo [33] và đối chiếu với kết quả đo trực tiếp nhiệt độ lớp bê tông asphalt mặt đường ở Hà Nội [5] và một số tỉnh phía Nam [11], có thể thấy nhiệt độ lớp bê tông asphalt mặt đường trong điều kiện khí hậu Việt Nam tồn tại ở mức cao như trong bảng 2.4 ở dưới đây.
Bảng 2.4: Nhiệt độ trung bình của bê tông asphalt làm lớp mặt đường ôtô trong điều kiện khí hậu Việt Nam
Vùng khí hậu
Nhiệt độ trung bình của bê tông asphalt làm lớp mặt đường dày 5 cm trong điều kiện khí hậu Việt Nam (0C) Tính theo công
thức trong [21]
Tra biểu đồ trong [33] Số liệu đo thực tế theo [5] [11] Miền Bắc TB năm 29.6 34.0 TB mùa hè 39.2 55.0 Cao nhất 53.5 TB mùa đông 22.4 24.5 Thấp nhất 10.75 Miền Nam TB năm 36.8 43.0 Cao nhất 50
Số liệu trên đây cho thấy các mức nhiệt độ tương ứng với trạng thái giới hạn khi tính toán kết cấu áo đường mềm được đề nghị trong tiêu chuẩn 22TCN-211-93 là hợp lý cho điều kiện thực tế ở Việt Nam. Tác giả do vậy chọn các mức nhiệt độ này để làm thông số môi trường trong thí nghiệm mô đun đàn hồi, cụ thể là 150C; 300C và 500C. Để khảo sát sự thay đổi của mô đun đàn hồi với nhiệt độ và để có cơ sở so sánh các số liệu thí nghiệm được với các kết quả nghiên cứu khác với mô hình thí nghiệm tương tự ở nước ngoài, tác giả chọn thêm hai mức nhiệt độ nữa để thí nghiệm là 50C và 200C.
Độ lớn của lực tác dụng được lấy theo % cường độ của mẫu, với điều kiện đảm bảo mẫu làm việc xem như trong giai đoạn đàn hồi. Với thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp, mức tải trọng thường được áp dụng để ứng suất gây ra trong mẫu bằng 5% đến 15% của cường độ chịu kéo [25]. Vì vậy, tác giả đề nghị mức tải trọng tác dụng tối đa tương đương với 15% của cường độ phá hoại của mẫu theo mô hình thí nghiệm tương tự, tức là cường độ ép chẻ mẫu. Để hạn chế số lượng mẫu bị phá huỷ, thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ được tiến hành ở một điều kiện nhiệt độ 50C. Các độ lớn của lực tác dụng trong thí nghiệm mô đun đàn hồi ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau sẽ được xác định theo giá trị cường độ ép chẻ xác định được. Độ lớn lực áp dụng cho thí nghiệm mô đun đàn hồi tương ứng với 50C, 150C, 200C, 300C, và 50/600C là 15%, 9%, 7%, 5% và 2% của cường độ ép chẻ xác định ở nhiệt độ 50C.
Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ
Thí nghiệm được tiến hành trên tổ hợp 4 mẫu cho mỗi loại hỗn hợp đối với mẫu chế tạo trong phòng và tổ hợp 3 mẫu cho mẫu khoan mặt đường.
Mô hình thí nghiệm cường độ ép chẻ thể hiện trong hình 2.2. Thí nghiệm được tiến hành trên máy nén Marshall, sử dụng bộ phận kẹp mẫu là hai thanh truyền tải có chiều rộng là 13mm trên suốt chiều cao mẫu. Thí nghiệm theo tiêu chuẩn T 283-89 [17].
Kết quả thí nghiệm cường độ ép chẻ và tính toán độ lớn lực tác dụng trong thí nghiệm mô đun đàn hồi với các mẫu chế tạo trong phòng cho trong bảng 2.5.
2P St = (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});