4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tà
2.1.2. Vai trò của cốt liệu thô và khung cốt liệu thô trong việc hình thành cường độ và chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN
độ và chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN
Mỗi thành phần vật liệu trong hỗn hợp BTN đều đóng vai trị nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết, có đủ cường độ và các tính chất cần thiết trong q trình sử dụng. Nhựa đường có vai trị kết dính các hạt cốt liệu khống lại với nhau tạo thành một khối thống nhất. Bột khoáng lấp một phần lỗ rỗng của các hạt cốt liệu, đồng thời kết hợp với nhựa đường tạo thành chất liên kết asphalt. Cốt liệu thơ có vai trị tạo ra bộ khung chịu lực chủ yếu, cốt liệu mịn lấp một phần lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu thô và làm tăng độ ổn định của bộ khung cốt liệu thô. Khi BTN chịu tác dụng của tải trọng, ứng suất truyền qua các điểm tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu và qua lớp vữa nhựa bao quanh xuống lớp bên dưới. So với cốt liệu, lớp vữa nhựa có cường độ thấp hơn và nhạy cảm với nhiệt độ hơn. Do vậy, khung cốt liệu có vai trị quan trọng trong việc hình thành cường độ và tạo ra sự ổn định của hỗn hợp bê tông nhựa đặc biệt là ở nhiệt độ cao. Hỗn hợp có bộ khung cốt liệu tốt sẽ đảm bảo khả năng chống hằn lún, giảm biến dạng từ đó tăng tuổi thọ và cải thiện chất lượng khai thác. Nghiên cứu của Chương trình Nghiên cứu Chiến lược Đường bộ Mỹ (SHRP) đã chứng minh rằng ở nhiệt độ cao nhựa đường chỉ đóng góp 29% vào sự ổn định của hỗn hợp bê tông nhựa [15]. Một nghiên cứu khác của Trung Quốc cũng cho thấy ma sát trong cốt liệu đóng góp đến khoảng 70% vào sự ổn định của hỗn hợp bê tông nhựa ở nhiệt độ cao [36].
Hình 2.2. Sự truyền ứng suất trong khung cốt liệu
Để đảm bảo có sự chèn móc tạo khung cốt liệu thơ chống lại biến dạng không hồi phục, nghĩa là để đảm bảo lớp BTN mặt đường khơng bị lún vệt bánh, thì cần phải thiết kế một hỗn hợp có bộ khung cốt liệu thô. Mỗi loại hỗn hợp khi được thiết kế sẽ tạo khung cốt liệu thơ khác nhau, có khả năng kháng biến dạng khác nhau. Một hỗn
hợp được thiết kế bộ khung cốt liệu thơ vững chắc sẽ có khả năng chịu được số lần tác dụng tải trọng trùng phục lớn. Một hỗn hợp có khung cốt liệu kém sẽ chỉ đáp ứng được số lần tải trọng trùng phục nhỏ do khả năng kháng biến dạng không hồi phục kém. Việc lượng hóa mức vững chắc của khung cốt liệu thơ vì vậy là cần thiết và đã được đặt ra để giải quyết trong nhiều nghiên cứu của nước ngồi.
Để lượng hóa mức độ chèn móc vững chắc của khung cốt liệu thơ trong hỗn hợp BTN, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào nghiên cứu về sự nêm – chèn chặt của khung cốt liệu thơ, với khả năng có thể tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt cốt liệu thô và gián tiếp qua cốt liệu trung gian nhỏ hơn. Các nghiên cứu này thường tập trung vào các đặc tính thể tích của các cốt liệu thơ được nêm – chèn chặt.
Việc nêm – chèn chặt các hạt cốt liệu thô trong hỗn hợp BTN đã đầm nén được hỗ trợ bởi cốt liệu mịn, hay nói cách khác, cốt liệu mịn hoàn thiện cấu trúc cốt liệu của hỗn hợp BTN bằng cách chèn vào các khoảng rỗng của cốt liệu thơ. Nếu khơng có cốt liệu mịn, hỗn hợp có thể tồn tại các khoảng rỗng lớn, tạo độ rỗng hỗn hợp cao. Loại hỗn hợp này, nếu có được chèn móc cốt liệu thơ lớn, sẽ có đặc tính như là hỗn hợp có cấp phối hở tạo nhám, là một loại bê tông nhựa đặc biệt thường được dùng cho lớp mặt đường cấp cao, đường cao tốc. Tuy nhiên, cốt liệu mịn trong hỗn hợp cũng được nhìn nhận như là vật liệu lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu thô, nên khi được đầm nén hoặc đặc biệt khi lượng cốt liệu mịn được đưa vào lớn, nó sẽ có khả năng đẩy các hạt cốt liệu thô ra xa nhau, giảm chèn móc trực tiếp giữa các hạt cốt liệu thơ và do đó có khả năng gây rủi ro biến dạng khơng hồi phục của hỗn hợp do ứng suất cắt. Như vậy, có thể thấy rằng khả năng kháng biến dạng không hồi phục phụ thuộc vào khung cốt liệu thơ vì cốt liệu mịn nếu khơng được kiểm sốt tốt về hàm lượng, khi tăng thể tích của phần cốt liệu mịn sẽ làm cho hỗn hợp kém ổn định, giảm khả năng kháng biến dạng và bị cắt trượt khi chịu tác dụng của tải trọng.
Bột khoáng cũng được xem là thành phần của cốt liệu và được trộn vào hỗn hợp với các mục đích: hình thành lên hệ thống vữa nhựa mà cấu thành nên đặc tính cơ bản của hỗn hợp; chèn đầy các lỗ rỗng giữa cấu trúc cốt liệu mịn, đặc biệt đối với hỗn hợp BTN chặt.
Phối trộn cốt liệu trong thiết kế thành phần hỗn hợp là xem xét để sắp xếp các thành phần cốt liệu theo kích thước trong một đơn vị thể tích của hỗn hợp. Nếu cốt liệu thô được xem là thành phần chủ yếu để cung cấp khung cốt liệu chịu lực trong đơn vị thể tích hỗn hợp đó thì cần phải xác định được lượng thích hợp các cốt liệu thơ, nằm trong ngưỡng với giá trị tối thiểu và tối đa. Giá trị tối thiểu có thể xem là thể tích cốt
liệu thơ ở trạng thái rời trong đơn vị thể tích cịn giá trị tối đa là thể tích cốt liệu thơ ở trạng thái đầm chặt trong đơn vị thể tích. Các hỗn hợp asphalt với thể tích cốt liệu thơ tương ứng trong khoảng này có thể được xem là hỗn hợp có khả năng kháng lại biến dạng khơng hồi phục, thích hợp với các mức giao thơng khác nhau.
Cũng có thể có hỗn hợp với lượng cốt liệu thơ nhỏ hơn mức tối thiểu là mức tương ứng với cốt liệu thô ở trạng thái rời, và lượng cốt liệu mịn trong trường hợp đó sẽ nhiều hơn. Khả năng kháng biến dạng của hỗn hợp lúc bấy giờ sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của cốt liệu mịn. Các nội dung nghiên cứu ở phần này tập trung vào phương pháp thiết kế hỗn hợp để tạo được khung cốt liệu thơ với mục đích đảm bảo khả năng kháng biến dạng của hỗn hợp nhờ cốt liệu thô.