7 Cấu trúc của luận án
1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới mô đun độngcủa bê tông nhựa
Do BTN là vật liệu được hình thành bởi liên kết vật liệu khoáng –bitum, nên cấp phối thiết kế, hàm lượng bitum và các chỉ tiêu cơ lý của các vật liệu thành phần đề có ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu BTN, tức là có ảnh hưởng tới giá trị mô đun động của BTN |E*|. Như vậy, giá trị mô đun động của BTN phụ thuộc vào rất nhiều thơng số khác nhau như tính chất của bitum mà đặc trưng bởi các giá trị (|G*|, độ nhớt, góc pha) , loại cốt liệu sử dụng để chế tạo mẫu BTN, cấp phối thiết kế, hàm lượng bitum, tỷ lệ bột khống trong hỗn hợp, kích thước cốt liệu thô lớn nhất, nhiệt độ, độ lớn của tải trọng, tần số tác dụng của tải trọng... Dưới đây là các yếu tố có ảnh hưởng tới giá trị mơ đun động của bê tông nhựa đã được nghiên cứu trên thế giới.
1.5.1 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum
Có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum đến mô đun động của BTN. Trong một nghiên cứu thực nghiệm ở Bang Washington của Hoa Kỳ cho hỗn hợp BTN có hàm lượng độ rỗng dư là 4%; 7% và 9% với hai trường hợp (nhiệt độ cao, tần số thấp) và (nhiệt độ thấp, tần số cao) [65]. Kết quả cho thấy rằng với trường hợp (thí nghiệm ở nhiệt độ cao, tần số thấp) thì loại bitum mác cao (PG) có ảnh hưởng đáng kể tới giá trị của mơ đun động (Hình 1.23), cịn với trường hợp (thí nghiệm ở nhiệt độ thấp, tần số cao) thì ảnh hưởng của loại bitum tới giá trị mơ đun động của BTN khơng nhiều (Hình 1.24).
Hình 1.23: Ảnh hưởng của loại bitum và mơ đun động ở nhiệt độ cao, tần số thấp [65]. đun động ở nhiệt độ cao, tần số thấp [65].
Hình 1.24: Ảnh hưởng của loại bitum và mô đun động ở nhiệt độ thấp, tần số cao [65]. đun động ở nhiệt độ thấp, tần số cao [65].
Trong nghiên cứu dự báo mô đun động của BTN theo mơ hình ANN (Artificial Neural Network Modeling) đã sử dụng kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào (loại bitum sử dụng, các thơng số liên quan tới hình dạng hạt, tần số tác dụng của tải trọng và các đặc tính thể tích Va, Vbeff) ảnh hưởng tới giá trị của |E*| cho 20 hỗn hợp BTN khác nhau. Kết quả cho thấy giá trị mô đun động của BTN (|E*|) bị ảnh hưởng chủ yếu bởi tính chất của loại bitum sử dụng, các đặc tính thể tích (Va, Vbeff) và các thơng số hình dạng hạt có tương quan rất kém với mơ đun động [28]. Trong một nghiên cứu tại bang Oklahoma của Hoa Kỳ [75] đã cho thấy rằng nguồn bitum, tính chất vật liệu bitum và hàm lượng bitum có ảnh hưởng tới giá trị của mơ đun động và nguồn cốt liệu và thành phần hạt với cùng phân loại của NCDOT Superpave dường như khơng có dấu hiệu ảnh hưởng tới giá trị của mơ đun động.
được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới giá trị |E*| theo các mơ hình dự báo của Hoa Kỳ (mơ hình Idaho, mơ hình Witczak ban đầu, mơ hình Witczak cải tiến và mơ hình Hirsch). Kết quả phân tích độ nhạy đã cho thấy tính chất của bitum (|G*|, góc pha (δb), độ nhớt (η)) có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị mơ đun động. Các thơng số cịn lại (các đặc tính thể tích, chỉ tiêu thành phần hạt.) có ảnh hưởng tới giá trị của |E*| nhưng không nhiều.
1.5.2 Ảnh hưởng của các yếu tố khác
1.5.2.1 Ảnh hưởng của bột khống, vơi thủy hóa, thành phần hạt, hình dạng hạt và độ góc cạnh giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp độ góc cạnh giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp
Ảnh hưởng của bột khoáng, vơi thủy hóa, thành phần hạt, hình dạng hạt và độ góc cạnh đã được nghiên cứu [20], [29], [35], [37], [62], [81]. Kết quả các nghiên cứu cho thấy các yếu tố này có ảnh hưởng nhất định tới giá trị của |E*| ở một mức độ nào đó. Chính vì vậy mà tiêu chuẩn AASHTO M 323 [71] quy định tỷ lệ bột khoáng trên hàm lượng bitum có hiệu (filler/Pbe) phải nằm trong phạm vi 0.6-1.2) ngoại trừ BTNC có cỡ hạt danh định lớn nhất 4.75mm. Các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy giá trị |E*| giảm khi độ rỗng dư tăng và ngược lại [65], [82]. Xu hướng ảnh hưởng của thành phần hạt tới giá trị của |E*| khơng rõ ràng đối với cả hai trường hợp thí nghiệm ở nhiệt độ thấp- tần số cao (Hình 1.25) và ở nhiệt độ cao-tần số thấp (Hình 1.26) [65].
Hình 1.25: Ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu tới mô đun động của BTN cốt liệu tới mô đun động của BTN
(Nhiệt độ thấp, tần số cao) [65]
Hình 1.26: Ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu tới mô đun động của BTN hạt cốt liệu tới mô đun động của BTN
(Nhiệt độ cao, tần số thấp) [65]
1.5.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng tới mô đun động
Các nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới đã chỉ ra rằng giá trị mô đun động phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng. Giá trị mô đun động giảm khi nhiệt độ tăng
và tần số giảm và ngược lại, điều này là do tính đàn nhớt của bitum đã quyết định tính đàn nhớt của vật liệu BTN [19], [78], [80].
Như vậy, các nghiên cứu trên thế giới có sự thống nhất là tính chất của vật liệu bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị mơ đun động của bê tông nhựa.
1.6 Mối quan hệ giữa tính chất của bitum với đun động của bê tông nhựa
1.6.1 Các nghiên cứu trên thế giới về ảnh hưởng tính chất của bitum đến mơ đun
động của bê tông nhựa
Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng tính chất của loại bitum sử dụng đến mô đun động của BTN để xây dựng các phương trình tương quan thực nghiệm giữa tính chất của vật liệu bitum được thể hiện thông qua các chỉ tiêu (mô đun độ cứng, |G*|, độ nhớt, góc pha) với giá trị mơ đun động của BTN (|E*|). Mục tiêu là có thể dự báo |E*| theo các thông số này và một vài thông số của hỗn hợp BTN độ rỗng dư (Va), độ rỗng cốt liệu, thể tích bitum... Dưới đây là một số nghiên cứu điển hình về các mối quan hệ thực nghiệm này đã được thực hiện trên thế giới.
1.6.1.1 Các nghiên cứu của tập đoàn Shell
Trên cơ sở các nghiên cứu thực nghiệm, tập đoàn Shell đã nghiên cứu phát triển phần mềm (BANDS 2.0) cũng như xây dựng được toán đồ dự báo độ cứng của BTN theo các thông số đầu vào cần các thông số đầu vào gồm mô đun độ cứng của bitum, thể tích bitum, thể tích cốt liệu trong hỗn hợp gọi là phương pháp Shell.
− Mô đun độ cứng của bitum phục hồi (recovered bitumen) sử dụng, (Pa). − Thể tích của bitum sử dụng, Vb (%).
− Thể tích của cốt liệu trong hỗn hợp, Vg (%).
Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng được khi mô đun độ cứng của bitum lớn hơn 5MPa (ứng với điều kiện giao thông di chuyển ở tốc độ tương đối cao đảm bảo để ứng xử của vật liệu phần lớn là ứng xử đàn hồi), và dựa trên giả thiết rằng chỉ loại cấp phối, kiểu và các đặc tính cốt liệu ảnh hưởng tới mơ đun độ cứng của hỗn hợp [57].
1.6.1.2 Nghiên cứu của viện Asphalt Hoa Kỳ (Asphalt Institute method)
Vào năm 1979, các tác giả Hwang và Witczak đã xây dựng công thức xác định mô đun động của BTN tương tự như phương pháp dự báo mô đun độ cứng của hỗn hợp BTN của Shell, nhưng có bổ sung thêm các thơng số gồm:
− P200: phần trăm lượng lọt sàng số 200, (0.075mm). − Tần số tác dụng của tải trọng f, (Hz).
Các thông số khác gồm Va, Vb là % theo thể tích có ý nghĩa như của phương pháp Shell (mục 1.6.1.1). Ngoài ra, phương pháp của Viện Asphalt Hoa Kỳ sử dụng độ nhớt của loại bitum sử dụng (không phải bitum phục hồi từ hỗi hợp đã trộn).
Dạng phương trình tổng qt dự báo mơ đun động của BTN của viện Asphalt Hoa Kỳ như phương trình (1.11).
|E*| = f(P200, Va,Vb, f, T, η) (1.11) Với Va, Vb có ý nghĩa như mục 1.6.1.1, P200, f, lần lượt là hàm lượng lọt sàng số 200 và tần số của tải trọng tác dụng, η- là độ nhớt của bitum sử dụng ở 70oF (21.1oC), đơn vị độ nhớt tính bằng poise và T là nhiệt độ, (oF) [57].
1.6.1.3 Các nghiên cứu khác đã thực hiện ở Hoa Kỳ
Ở Hoa Kỳ đã có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành để nghiên cứu về mối quan hệ giữa giá trị mô đun động của BTN với các thông số đầu vào khác nhằm mục đích phục vụ cho cơng tác thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm. Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã xây dựng được một số mơ hình dự báo mơ đun động của BTN để sử dụng cho việc thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm như một số mơ hình dưới đây.
Mơ hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak E* predictive model)
Mơ hình này được xây dựng trên cơ sở dữ liệu của 2750 giá trị mô đun động của 205 hỗn hợp BTN khác nhau được thí nghiệm trên 30 năm và có thể dùng để dự báo giá trị của mô đun động của vật liệu BTN sử dụng bitum thường và bitum polymer.
Mơ hình này cũng đã từng được sử dụng trong phần mềm thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm [31], [32], [40], [65], [83].
Theo mơ hình này, phương trình dự báo mơ đun động của BTN có dạng:
|E*| = f(P200, P4, P3/8 , P3/4 , Va,Vbeff, f, η(loại bitum,nhiệt độ) (1.12)
Trong đó:
|E*|- Mơ đun động của BTN, (psi). P200 – Phần trăm hạt lọt qua sàng số 200.
P4, P3/8 và P3/4 lần lượt là phần trăm hạt giữ lại trên sàng số 4, số 3/8in (9.56mm) và trên sàng số 3/4 (in) (19.01mm).
Va – Giá trị độ rỗng dư của hỗn hợp BTN (%).
Vbeff – Phần trăm hàm lượng nhựa có hiệu (có ích) của BTN theo thể tích.
f – Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm |E*|, (Hz). Tần số này được giả thiết có quan hệ với tần số trong thí nghiệm |G*|, fc theo phương trình 1.13 [39], [61].
f=2πfc (1.13)
η - Độ nhớt của bitum tại nhiệt độ tính tốn (106 Poise/105 Pas).
Mơ hình Witczak cải tiến
Mơ hình Witczak cải tiến được Bari và Witczak phát triển năm 2006 dựa trên cơ sở dữ liệu mơ đun động xác định qua thí nghiệm nhiều hơn (7400 giá trị mô đun động của 346 hỗn hợp BTN). Theo mơ hình này, ảnh hưởng của tính chất vật liệu bitum sử dụng tới giá trị mô đun động của BTN được phản ánh thông qua hai giá trị là mô đun cắt động |G*| và góc pha δb của bitum. Hai giá trị này được xác định bằng thí nghiệm sử dụng thiết bị (DSR). Mơ hình này hiện nay đang được sử dụng trong chương trình thiết kế mặt đường mềm theo (ME) [40], [65], [83].
Phương trình dự báo |E*| (Phương trình 1.14).
|E*| = f(P200, P4, P3/4 ,P3/8 ,Va,Vbeff, f, |G*|, δb) (1.14) Với |G*| – Mô đun cắt động của bitum (Pound/in2), và
δb – Góc pha của bitum xác định cùng với |G*|, độ. Các ký hiệu khác có ý nghĩa như trong phương trình 1.12.
Mơ hình Hirsch (Hirsch Model)
Mơ hình Hirsh được phát triển bởi Christensen và một số tác giả khác, đây là mơ hình dự báo |E*| bán thực nghiệm trên cơ sở lý thuyết vật liệu hỗn hợp bao gồm các phần tử chuỗi và song song của các pha khác nhau. Trên cơ sở 18 hỗn hợp BTN sử dụng 8 loại bitum khác nhau (trong đó có 2 loại bitum polymer) và 5 cấp phối và cỡ hạt danh định lớn nhất (Dmax=9.5mm; Dmax=19mm và Dmax=37.5mm) [31], [65], [83].
Qua thí nghiệm thu thập được 206 dữ liệu, đã xây dựng được phương trình dự báo |E*| và góc pha của BTN là hàm của đặc trưng thể tích và mơ đun cắt độngcủa bitum theo phương trình 1.15.
(|E*| vàδ) = f(VMA, VFA,|G*|) (1.15)
Trong đó:
|E*|–Mơ đun động của BTN (psi).
Pc–Hệ số tiếp xúc cốt liệu;δ–Góc pha của hỗn hợp BTN. |G*|, mơ đun động của bitum,(psi).
VFA-độrỗng lấp đầy nhựa, (%), và VMA-Độrỗng cốt liệ
u, (%).
Mơ hìnhđịnhluật của các hỗn hợp tương đương(Al-khateeb Model)
Mơ hình này được xây dựng trên cơ sởmơ hình Hirsh với nguyên lý tương tự như mơ hình Hirsh. Al-khateeb và các cộng sựkhác đã nghiên cứu thực nghiệm đểphát triển mơ hình này vớicác nghiên cứu cảởtrong phịng thí nghiệm và hiện trường. Kết quảnghiên cứu xây dựng được phương trình dựbáo |E*| cũng là hàm của các đặc trưng thểtích của BTN (VMA) vàmơ đun cắt độngcủa loạibitum sửdụng[83]. Dạng của phương trình dựbáo |E*| như phương trình 1.16.
(|E*|) = f(VMA, |G*|) (1.16)
Từphương trình trên, có thểthấy, mơ hình này là một dạng đơn giản của mơ hình Hirsh. Hiện nay, việc nghiên cứu và kiểm định các mơ hình dựbáo mơ đun động cho các bang khác nhau vẫn tiếp tục được thực hiệnởHoa Kỳ.
1.6.1.4 Phân tích độ nhạy cho mơ hình dự báo |E*| của đại học Dhofar (Dhofar University, Salalah, Oman) University, Salalah, Oman)
Ahmad M. Abu Abdo đã thực hiện kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới giá trị |E*| (trong đó có tính chất của loại bitum sử dụng) cho mơ hình Idaho [18]. Dạng của phương trình dự báo |E*| theo mơ hình này có dạng tổng qt như phương trình 1.17.
(|E*|) = f(|G*|,Pb, GS,Gmb, ρw ) (1.17)
Trong đó:
|E*|, |G*| - Lần lượt là mô đun động của BTN và mô đun cắt động của bitum, (Mpa). Pb- hàm lượng bitum trong hỗn hợp, và ρw là tỷ trọng của nước (Kg/m3).
Gmb- Tỷ trọng thể tích (Bulk specific gravitiy) của BTN. GS là độ ổn định xoay của BTN, KN.m.
Kết quả nghiên cứu thể hiện bằng biểu đồ Tornaddo (Hình 1.27). Từ vẽ cho thấy tính chất của loại bitum (|G*|) có ảnh hưởng nhiều nhất tới |E*|, sau đó là độ rỗng dư và các thơng số khác.
Hình 1.27: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mơ hình Idaho [18]
1.6.1.5 Các nghiên cứu ở Úc về ảnh hưởng của tính chất bitum đến mơ đun động của bê tơng nhựa |E*| bê tông nhựa |E*|
Để xác định xem các mơ hình dự báo |E*| ở Hoa Kỳ có phù hợp với các loại BTN điển hình ở Úc hay khơng, Các nhà khoa học của Úc đã nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá tính khả thi của việc sử dụng các mơ hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ vào điều kiện vật liệu địa phương của Úc. Ngồi ra, kỹ thuật phân tích độ nhạy để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới giá trị của |E*| với các mơ hình (Witczak ban đầu, Witczak cải tiến và mơ hình Hirsch) cũng được áp dụng [61]. Kết quả phân tích độ nhạy cho các mơ hình này được thể hiện như các Hình 1.28- Hình 1.30.
Hình 1.28: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mơ hình Witczak ban đầu [61]
Hình 1.29: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mơ hình Witczak cải tiến [61]
Qua các Hình 1.28 –Hình 1.30 cho thấy tính chất của loại bitum có ảnh hưởng nhiều nhất tới giá trị |E*|.
Hình 1.30: Các yếu tố ảnh hưởng tới |E*| trong mơ hình Hirsch [61]
Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy cần phải có thêm các nghiên cứu thực nghiệm để điều chỉnh lại các hệ số trong các mơ hình dự báo |E*| của Hoa Kỳ vào điều kiện vật liệu địa phương của Úc [61].
1.6.1.6 Nghiên cứu về ảnh hưởng của loại bitum tới mô đun động của bê tông nhựa ở Hàn Quốc ở Hàn Quốc
Để nghiên cứu về ảnh hưởng của loại bitum tới giá trị |E*| của BTN ở Hàn Quốc. Một số nghiên cứu đã được thực hiện với 3 cấp phối chặt có cỡ hạt danh định lớn nhất là (Dmax=12.5mm, Dmax=19mm và Dmax=25mm) và một cấp phối SMA 12.5mm. Hai loại bitum được sử dụng trong nghiên cứu là PG58-22 và PG64-22 [84]. Kết quả nghiên cứu xây dựng được phương trình dự báo |E*| là hàm của thành phần hạt của một số cỡ hạt đặc trưng tương tự như phương trình trong mơ hình Witczack, phương trình 1.18
|E*| = f(P200, P4, P3/8 , P3/4 , Va,Vbeff, f, η(loại bitum,nhiệt độ) (1.18)
Ý nghĩa của các ký hiệu trong phương trình 1.17 như nêu phương trình 1.12 ở mục (1.6.1.3).
Nhận xét:
So với mơ các mơ hình dự báo hiện nay của Hoa Kỳ (các mơ hình Witczak, mơ hình Hirsch), thì việc dự báo mô đun động (mô đun độ cứng) của BTN theo phương pháp Shell (mục 1.6.1.1), phương pháp của viện Asphalt Hoa Kỳ (mục 1.6.1.2) và các nghiên cứu của Úc (1.6.1.5) và Hàn Quốc (1.6.1.6) có mơt số ưu điểm và hạn chế sau:
Phương pháp Shell
Phương pháp Shell dự báo mô đun độ cứng của hỗn hợp trên cơ sở thông số đầu vào là (độ cứng của loại bitum sử dụng đã phục hồi, thể tích bitum sử dụng, và thể tích cốt liệu). Phương pháp này ít thơng số đầu vào, đơn giản, dễ áp dụng, tuy nhiên có một số