7 Cấu trúc của luận án
1.2 Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) của bitum (|G*|)
1.2.2.2 Xác định |G*| bằng thiết bị DMA
Thiết bị thí nghiệm gồm các bộ phận chính là Máy nén DMA, buồng ổn nhiệt để duy trì mẫu ở nhiệt độ thí nghiệm mong muốn và máy tính để điều chỉnh lực tác dụng vào mẫu và ghi lại kết quả thí nghiệm trong q trình thực hiện. Chi tiết các bộ phận chính của thiết bị DMA như Hình 1.5 [15].
Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB tại IFSTTAR [15]
Máy nén DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) của hãng MetraviB với khả năng của đầu đo lực tác dụng lên đến 450 N (khả năng đo lực tác dụng trong khoảng tần số từ 1 Hz đến 200 Hz), và đầu đo chuyển vị lên đến 500 µm.
Theo tiêu chuẩn của pháp XP-T-66-065 [15], việc thí nghiệm xác định |G*| của vật liệu bitum được thực hiện theo hai hình thức tác dụng lực khác nhau tùy theo phạm vi nhiệt độ thí nghiệm, trong đó:
Khi xác định |G*| bằng thiết bị DMA sẽ có hai mơ hình tác dụng lực vào mẫu bitum tùy theo khoảng nhiệt độ thí nghiệm. Trong đó, mơ hình tác dụng lực theo kiểu kéo- nén (K/N) áp dụng cho việc thí nghiệm mẫu ở các nhiệt độ ≤20oC (Hình 1.6) và mơ hình tác dụng lực theo kiểu cắt góc (C/G) áp dụng cho việc thí nghiệm mẫu ở phạm vi các nhiệt
τmax – Giá trị tuyệt đối của ứng suất cắt lớn nhất, (MPa). γmax – Giá trị tuyệt đối biến dạng cắt lớn nhất, (%). Tmax – Mô men xoắn lớn nhất (N-mm);
r – Bán kính đĩa mẫu (mm); θmax – Góc biến dạng lớn nhất, (rad). h - Chiều cao mẫu (mm).
|G*| - Mô đun cắt động của bitum, (MPa).
max max .r h (1.3)
độ ≥20oC (hình 1.7).
Hình 1.6: Ngun lý thí nghiệm mẫu bitum dạng kéo-nén [15] bitum dạng kéo-nén [15]
Hình 1.7: Ngun lý thí nghiệm mẫu Bitum dạng cắt góc [15]
Khi tác dụng lực theo mơ hình kéo nén (Hình 1.6) thì giá trị mơ đun động của bitum (|E*b|) được xác định theo phương trình (1.4) và mơ đun cắt động của bitum được xác định theo giá trị mô đun động (|E*b|) theo phương trình quan hệ tương quan gần đúng (phương trình 1.5) với giả thiết ở nhiệt độ cao bitum trở thành vật liệu khơng chịu nén có hệ số pốt xơng của bitum xấp xỉ bằng 0.5.
Trong mơ hình (C/G) giá trị |G*| được xác định theo phương trình 1.6.
E' | | . .s cos b e H K F S ; E''E tg' b; 2 1 1 1 2 s e F S S và |Eb* | E'2E"2 (1.4) |Eb*|≈ 2|G*|. (1+μ*) ≈3|G*|. (1.5) | K | ' cos b G ; | K | '' sin b G ; 2 ln Hc R r và 2 2 |G* | G' G" (1.6)
Trong phương trình (1.4, 1.5) (Mơ hình K/N):
E’, E”: Lần lượt là mô đun dự trữ và mơ đun tổn thất của bitum trong thí nghiệm theo mơ hình kéo nén (K/N), (Pa).
|Eb*|: Mơ đun động của bitum, (Pa) và |G*| mô đun cắt động của bitum, (Pa).
|K|: Mô đun độ cứng của bitum (N/m); δb: Độ trễ pha của ứng suất so với biến dạng, (o) H và D lần lượt là chiều cao mẫu và đường kính mẫu, (m)
Se: Diện tích mẫu chịu tác dụng của lực trong thí nghiệm (m2). 𝑆𝑒 = 𝜋𝐷2/4 S1: Diện tích xung quanh của mặt ngồi mẫu (m2). 𝑆1 = 𝜋DH và
Fs: Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào kích thước mẫu Trong phương trình 1.6 (mơ hình C/G): |K| và δb có ý nghĩa như phương trình 1.4.
G’, G”: Lần lượt là mơ đun dự trữ, mô đun tổn thất của bitum, (Pa). |G*|: Mô đun cắt động của bitum, (Pa).
2r: đường kính pittơng (m); 2R: đường kính trong của măng sơng (m).
Hc: chiều cao mẫu trong thí nghiệm (C/G), (m) và : hệ số điều chỉnh phụ thuộc kích thước mẫu.
Nhận xét:
Cả thiết bị DSR và thiết bị DMA đều có khả năng sử dụng để xác định |G*| và góc pha của bitum tại các mức nhiệt độ và tần số khác nhau. Tuy nhiên, theo [72] việc xác định |G*| và góc pha của bitum chỉ được thực hiện ở tần số góc 10rad/s. Thiết bị DSR sử dụng hệ thống đĩa song song để giữ các mẫu bitum trong q trình thí nghiệm nên có khả năng thí nghiệm xác định |G*| và góc pha (δb) của bitum ở mức nhiệt độ cao cao hơn so với thiết bị DMA, tuy nhiên, do việc thí nghiệm được tiến hành với hai loại kích cỡ đĩa khác nhau (đĩa to đường kính 25mm và đĩa nhỏ đường kính 8mm. Trong đó đĩa to thường được dùng để làm thí nghiệm xác định |G*| ở nhiệt độ ≥ 30oC, và đĩa nhỏ thường được dùng để thí nghiệm xác định |G*| ở các nhiệt độ ≤30oC). Tại nhiệt độ chuyển tiếp có hai kết quả của |G*| và góc pha khác nhau khá lớn, khó để đánh giá kết quả nào phù hợp hơn để sử dụng trong tính tốn. Như vậy có thể thấy thiết bị DSR phù hợp với việc thí nghiệm xác định |G*|, góc pha tại từng giá trị nhiệt độ/tần số cụ thể hoặc với mục đích phân loại bitum theo tiêu chuẩn AASHTO M320 của Hoa Kỳ hơn là dùng để thí nghiệm xác định |G*| và góc pha của bitum tại các mức nhiệt độ và tần số khác nhau để xây dựng đường cong chủ của |G*| và góc pha phục vụ việc nghiên cứu.
Thiết bị DMA có khả năng xác định giá trị của |G*| và góc pha của vật liệu bitum ở các mức nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung gian và nhiệt độ cao của các loại bitum và cho kết quả rất chính xác. Khơng có sự sai lệch nhiều giữa các kết quả thí nghiệm ở nhiệt độ chuyển tiếp giữa mơ hình tác dụng lực (K/N) và mơ hình
(C/G), có thể xác định |G*| và góc pha của bitum ở phạm vi tần số rất rộng nên các đường cong chủ xây dựng trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm rất trơn và thuận, có thể sử dụng đường cong này để xác định các giá trị |G*| và góc pha (δb) của bitum ở nhiệt độ/tần số bất kỳ phục vụ các mục đích nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn.