4.1. KHÁI QUÁT VỀ HỖN HỢP VẬT LIỆU KHOÁNG
Sự thay ựổi dần từ cỡ hạt lớn ựến cỡ hạt nhỏ là một ựặc tắnh của cốt liệụ Cấp phối hạt ảnh hưởng đến tắnh cơng tác, sự ổn định, độ bền của hỗn hợp bê tông asphalt, cũng như là sự ổn định, khả năng thốt nước của lớp nền. Do đó, cốt liệu phải đáp ứng được với mục đắch sử dụng.
Cốt liệu có thể có các cấp phối: đặc (dense), gián đoạn (gapỜgraded), ựồng nhất (uniform), ựều(wellỜgraded), rỗng (open). Loại ỘựặcỢ gần giống như loại Ộgián ựoạnỢ và Ộựồng nhấtỢ, loại ỘựềuỢ gần giống loại ỘrỗngỢ. Hình 4.1. minh hoạ 4 loại cấp phối ựiển hình của hỗn hợp cốt liệụ Những phương pháp khác biểu diễn sự phân bố kắch thước hạt cũng đã ựược phát triển (công thức nghiên cứu về cấp phối hạt).
Những nghiên cứu khác ựể xác ựịnh ựộ ựặc tối ựa cũng ựã ựược tiến hành. Một lý thuyết khác cho rằng nếu cốt liệu ựược sàng qua 3 sàng: lớn, trung bình, nhỏ, thì hỗn hợp có độ đặc tối đa khi có 2 phần cốt liệu hạt lớn, 1 phần hạt nhỏ và khơng có hạt trung. Những nghiên cứu thêm còn cho thấy rằng hỗn hợp có độ đặc cao cũng có thể đạt ựược khi sử dụng cùng một tỷ lệ trên mỗi sàng.
4.2. CẤP PHỐI CỦA CỐT LIỆU BÊ TÔNG ASPHALT
Tùy thuộc vào từng loại hỗn hợp bê tông asphalt, cấp phối của cốt liệu thay ựổi trong phạm vi rất lớn. Hỗn hợp bê tông asphalt chất lượng cao dùng làm lớp trên mặt ựường cho ựường cao cấp thường sử dụng cốt liệu có Ộcấp phối đặcỢ(denseỜgrade). Trong trường hợp này (ựối với bê tơng asphalt) khơng sử dụng Ộđường cong độ đặc tối đa của FullerỢ bởi vì sẽ khơng đủ khoảng trống cần thiết cho chất kết dắnh asphalt. Do vậy, nguyên tắc tốt nhất là khơng tạo ra cấp phối có ựộ ựặc tối ựạ điều này ựạt ựược bằng cách bổ sung thêm thành phần hạt mịn (cốt liệu nhỏ hơn sàng No200). Cốt liệu trong hỗn hợp bê tông asphalt không giống như cốt liệu trong bê tông xi măng Poóc lăng, nó cần tạo ra sự ổn định cho nên nó cần cường ựộ và ựộ hao mòn hợp lý, nếu không sẽ gây ra hiện tượng mất ổn định. Hỗn hợp cốt liệu có Ộcấp phối rỗngỢ (nhiều hạt mịn) có xu hướng bị hư hỏng nhiều hơn là hỗn hợp cốt liệu có Ộcấp phối đặcỢ (ắt hạt mịn). Vì vậy, nếu vật liệu để chế tạo bê tơng asphalt có cường độ thấp, thì sẽ sử dụng hỗn hợp của cùng vật liệu đó nhưng có ựộ ựặc thấp hơn. Tiêu chuẩn ASTM C131 (Resistance to Degradation of Small Size Coarse Aggregate by Abrasion and Impact in the Los Angeles Machine) Ờ (Khả năng chống lại hư hỏng do của cốt liệu thơ kắch thước nhỏ khi chịu mài mòn và va chạm trong thắ nghiệm Los Angeles) ựã xác ựịnh ựược cường ựộ một cách tương ựối và ựộ hao mịn của cốt liệụ
Hình dạng cốt liệu đơi khi cịn quan trọng hơn cấp phối, cường ựộ và ựộ bền khi cốt liệu ựược nhào trộn vào trong hỗn hợp bê tông asphalt. Nếu cốt liệu trịn được sử dụng với Ộcấp phối rỗngỢ thì độ ổn định sẽ rất kém. Do vậy khi sử dụng Ộcấp phối rỗngỢ phải sử dụng cốt liệu có hình dạng góc cạnh. Nếu phải sử dụng cốt liệu trịn thì nên
nghiền nó rạ Tuy nhiên, khi nghiền cốt liệu sẽ có những vết nứt ngang, làm giảm chất lượng cốt liệụ
độ rỗng của cốt liệu ảnh hưởng rất lớn ựến vấn ựề kinh tế của hỗn hợp. Trong hỗn hợp cốt liệu cần phải có một độ rỗng nhất định. Nói chung, nếu độ rỗng càng lớn thì cần nhiều chất kết dắnh asphalt bám vào bề mặt cũng như lấp ựầy bớt lỗ rỗng của hỗn hợp cốt liệu, dẫn đến cần hàm lượng asphalt nhiều hơn. Ngồi ra, cốt liệu có lỗ rỗng (xốp) sẽ gây ra hiện tượng Ộthấm hút chọn lọcỢ (selective absorption). Khi thấm hút chọn lọc chỉ có thành phần chọn lọc trong asphalt thấm vào, ựể lại những phần thừa rắn lên trên bề
mặt của cốt liệụ điều này có thể gây ra sự tách rời chất kết dắnh asphalt khỏi cốt liệụ
4.3. QUY TẮC CẤU TẠO HỖN HỢP KHỐNG đẶC
Vật liệu khống cho bê tơng asphalt bao gồm hỗn hợp đá dăm (hoặc sỏi), cát và bột khống. Khối lượng đá, cát, bột khống được tắnh bằng % theo khối lượng. Tổng khối lượng vật liệu khoáng là 100%. Tỷ lệ của vật liệu khống quyết định cấu trúc và tắnh chất bê tông asphalt. Khi tỷ lệ các thành phần vật liệu khống khác nhau thì hỗn hợp sẽ có thể tắch phần rỗng và khối lượng ựơn vị khác nhau dẫn ựến ựộ rỗng khác nhaụ
Vắ dụ: hỗn hợp 25% ựá dăm, 60% cát và 15% bột khống có độ rỗng 20Ờ22%. Nếu tỷ lệ 65% đá dăm, 31% cát, 4% bột khống thì độ rỗng là 15Ờ17%. Vì vậy lựa chọn chắnh xác thành phần vật liệu khoáng là yếu tố quan trọng. Cần tìm kiếm bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết ựể tạo ra thành phần vật liệu khoáng tối ưu (tỷ lệ tốt nhất). Có nhiều phương pháp để tắnh tốn thành phần, xong mục tiêu của tất cả các phương pháp đó là tìm kiếm tỷ lệ phối hợp hợp lý hỗn hợp vật liệu khống với thể tắch lỗ rỗng là nhỏ nhất, ựáp ứng ựược u cầu của bê tơng asphalt làm đường.
Thành phần vật liệu khống được xác ựịnh bằng những bộ sàng tiêu chuẩn. Phần hỗn hợp lọt qua mỗi cỡ sàng ựược gọi là hàm biến ựổi theo hạt từ nhỏ nhất ựến lớn nhất. Hàm càng lớn thì độ đặc càng lớn và độ rỗng càng nhỏ. độ rỗng của hỗn hợp ựá, cát, bột khống có thể tới 15Ờ16%; hỗn hợp cát và bột khống có thể tới 24Ờ25%; bột khoáng tới 30Ờ35%.
Tiêu chuẩn Nga và Việt Nam quy ựịnh bộ sàng sử dụng ựể phân loại thành phần hạt của vật liệu khoáng gồm 10 cỡ sàng: 40, 20, 10,..., 0.071 mm. Với tiêu chuẩn AASHTO kắch thước mắt sàng là in và bộ sàng gồm: 37.5; 25; 19; 12.5; 9.5; 4.75; 2.36;..., 0.071 mm (tương ứng với 1.5; 1; 3/4; 0.5; 3/8 in; No4; No8;...; No200).
Thành phần hạt của hỗn hợp vật liệu khống thường được biểu diễn bằng ựường cong quan hệ giữa hàm lượng lọt qua sàng và kắch thước cỡ sàng. Lượng lọt qua sàng tại một cỡ sàng kắch thước i (mm) ựược xác ựịnh bằng công thức:
Li = 100 Ờ Ai (%) (4.1)
Trong đó: Ai là lượng sót tắch luỹ tại cỡ sàng đường kắnh i, nó là tổng của các lượng sót riêng biệt từ cỡ sàng lớn nhất ựến cỡ sàng khảo sát:
∑= n = n i i i a A (%) (4.2)
Lượng sót riêng biệt ai là tỷ lệ phần trăm giữa khối lượng sót lại trên cỡ sàng khảo sát với tổng khối lượng vật liệu khống sàng thắ nghiệm.
đường cấp phối của hỗn hợp có tất cả mọi cỡ sàng gọi là cấp phối liên tục. Nếu cấp phối thiếu một hoặc một vài cỡ hạt gọi là cấp phối gián ựoạn. Thành phần vật liệu khoáng của bê tơng asphalt có 4 dạng cấp phối sau:
Hình 4.1. Các dạng cấp phối vật liệu khoáng
Dải các hạt ựược chọn theo yêu cầu về ựộ ựặc của hỗn hợp vật liệu khoáng.
Vắ dụ: Dải hạt là đá có cỡ hạt 15Ờ5mm và cát nhỏ hơn 5mm có thể có độ rỗng ựến 17% nếu tỷ lệ phối hợp của chúng là 64/36. Hỗn hợp cát/bột ựá là 70/30 có thể có ựộ Kắch thước mắt sàng, mm Matắt CP Gián ựoạn CP Liên tục đá dăm ựen Lượng lọt qua sàng, %
rỗng ựến
20%.
ậé rỗng, %
Tỷ lệ C/Đ
Hình 4.2. Quan hệ giữa độ rỗng của hỗn hợp vật liệu khống và tỷ lệ của chúng 4.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THÀNH
PHẦN HẠT CỦA HỖN HỢP VẬT LIỆU KHOÁNG
Các phương pháp tắnh tốn thành phần hạt của hỗn hợp vật liệu khoáng cho bê tơng asphalt có thể được dựa trên cơ sở của các tác giả sau:
Phương pháp Fuller:
Thành phần hạt (lượng lọt sàng, %) có ựộ ựặc tốt nhất của hỗn hợp ựá dăm (sỏi), cát và bột khống được Fuller đề nghị một đường cong theo phương trình:
n D d y = (4.3)
trong đó: y Ờ lượng lọt sàng tại cớ sàng khảo sát, %
D Ờ ựường kắnh hạt lớn nhất của hỗn hợp vật liệu khoáng d Ờ ựường kắnh hạt cần tắnh lượng hạt
n Ờ thơng số để điều chỉnh ựường cong cấp phối hạt, n=0.5.
Khi n = 0.45; 0.5; 0.65 có thể có một họ các đường cong cấp phối hạt với ựộ ựặc khác nhaụ Cơng thức Fuller được dùng ở Pháp, Anh trong các tiêu chuẩn thiết kế thành phần bê tông asphalt.
Phương pháp Bôlômây:
Thành phần hạt của hỗn hợp vật liệu khống dùng cho bê tơng asphalt có thể được xác ựịnh theo phương trình sau:
( ) 0.5 D d A 100 A y − + = (4.4)
trong đó: AỜ hệ số thắ nghiệm, A=10 hỗn hợp hạt mịn; A=12 hỗn hợp dùng cốt liệu lớn là sỏi; A=14 hỗn hợp dùng cốt liệu lớn là ựá dăm.
Phương pháp của Phịng thắ nghiệm Thuỵ Sĩ:
đề nghị ựường cong hỗn hợp đặc theo phương trình:
+ = 0.5 D d D d 0.5 y (4.5)
Thiết kế đường ơtơ tại Mỹ thường dùng phương trình của TelbotỜRisard để tắnh
toán thành phần hỗn hợp vật liệu khống cho bê tơng asphalt: m D d 100 y = (4.6) trong ựó: m = 0.46Ờ0.52
Căn cứ vào các phương trình trên kết hợp với kinh nghiệm xây dựng và khai thác đường ơtơ các nước Châu Âu, Mỹ thành lập các thành phần hỗn hợp vật liệu khống cho các loại bê tơng asphalt.
Ở Anh sử dụng tiêu chuẩn BS 594 với cát có cỡ hạt nằm trong khoảng 3.71Ờ 0.074 mm, bột khống có cỡ hạt nhỏ hơn 0.074 mm, ựá dăm lớn hơn 3.71 mm.
Ở Mỹ bê tông asphalt thường ựược thiết kế theo phương pháp Marshall có giới hạn cỡ sàng giữa cát và ựá là 2.36 mm.
Theo tiêu chuẩn Nga 9128Ờ84:
Phương trình cơ bản của Ivanốp thành lập năm 1932 là cơ sở ựể lựa chọn hỗn hợp vật liệu khống cho bê tơng asphalt của Nga như sau:
100k k 1 k 1 y1 m ừ − − = , (%) (4.7)
đây là lượng lọt sàng thứ nhất của hỗn hợp. Các cỡ sàng tiếp theo lượng lọt sàng ựược xác định theo cơng thức:
1)(x (x 1 x y k
y = ừ − (4.8)
trong đó: kỜ hệ số ựộ ựặc của hỗn hợp vật liệu khống. Với độ đặc bất kỳ thì k thường ựược lấy từ 0.1 ựến 0.9. độ ựặc lớn nhất ựạt ựược khi k = 0.81. đối với D = 40Ờ20mm, thành phần được tắnh tốn với hệ số k = 0.75Ờ0.9 như sau:
Bảng 4.1. Thành phần hạt theo tiêu chuẩn Nga 9128Ờ84