4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tà
1.3.3. Các thí nghiệm mơ phỏng
Một số phương pháp thí nghiệm mơ phỏng đã được sử dụng để đánh giá khả năng kháng lún của BTN gồm: thiết bị Hamburg Wheel-Tracking, thiết bị Asphalt Pavement Analyzer, thiết bị French Rutting Tester (LCPC Wheel tracker), thiết bị Purdue University Laboratory Wheel Tracking [19].
1.3.3.1. Thiết bị hằn lún vệt bánh xe Hamburg (Hamburg Wheel-Tracking Device - HWTD)
Thiết bị hằn lún vệt bánh xe Hamburg, như thể hiện trong Hình 1.16 , đã được phát triển bởi Helmut-Wind Incorporated of Hamburg, Cộng hịa Liên bang Đức. Nó được sử dụng như một tiêu chuẩn yêu cầu cho một số đường giao thơng chính ở Đức để đánh giá khả năng kháng lún và kháng bong chóc. Thí nghiệm được thực hiện trên một mẫu có kích thước rộng 260 mm, dài 320 mm, và có chiều dày điển hình 40 mm. Các mẫu này thường được đầm nén bằng đầm lăn để có độ rỗng dư Va = 7±1 %. Thí nghiệm cũng có thể được thực hiện trên các mẫu đầm nén bằng đầm xoay Superpave.
Hình 1.16. Thiết bị hằn lún vệt bánh xe Hamburg [19]
Thí nghiệm được thực hiện trong nước ở nhiệt độ từ 250C tới 70 0C trong đó phổ biến nhất là ở nhiệt độ 50 0C. Tải trọng tác dụng vào mẫu trong thí nghiệm ở nhiệt độ 50
oC được thực hiện bằng tác dụng một lực 705 N lên bánh xe bằng thép rộng 47 mm. Bánh xe thép được cho di chuyển tiến và lùi trên mẫu hình tấm bản. Mẫu thí nghiệm được gia tải 20.000 lần hoặc đến khi đạt biến dạng 20 mm. Tốc độ di chuyển của bánh xe khoảng 340 mm/s.
Thành phố Hamburg áp dụng chiều sâu lún nhỏ hơn 4 mm sau 20.000 lần. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này đã được xác định là rất khắc nghiệt. Chiều sâu lún ít hơn 10 mm sau 20.000 lần gia tải đã được kiến nghị là giá trị hợp lý [19].
Ở Việt Nam cũng đã ban hành quy định về phương pháp thử độ sâu vệt hằn bánh xe của bê tông nhựa xác định bằng thiết bị Wheel Tracking tại Quyết định 1617/QĐ- BGTVT của Bộ Giao thông vận tải [4]. Trong quyết định có quy định về ba phương pháp thử chiều sâu vệt hằn bánh xe gồm phương pháp A, phương pháp B và phương pháp C. Trong đó phổ biến nhất là phương pháp A – thí nghiệm trong mơi trường nước ở nhiệt độ 50 oC. Mẫu thí nghiệm là mẫu chế bị trong phòng hoặc mẫu khoan tại hiện trường. Mẫu chế bị trong phịng có dạng tấm hình chữ nhật hoặc hình trụ trịn. Mẫu tấm hình chữ nhật kích thước 320x260x50 mm được chế bị bằng đầm lăn, độ rỗng dư (7± 2)%. Mẫu trình trụ trịn có đường kính 150mm, chiều cao 50 mm chế bị bằng đầm xoay, độ rỗng dư theo thiết kế. Mẫu ở hiện trường cũng có kích cỡ tương tự như mẫu chế bị trong phịng thí nghiệm và độ rỗng dư là độ rỗng thực tế đạt được. Trong phương pháp A, một tải trọng 700 N tác dụng lên mẫu thông qua bánh xe bằng
thép có chiều rộng là 47 mm. Bánh xe được cho di chuyển tiến lùi trên mẫu với tần số 25±2,5 chu kỳ/phút (tương đương 50 ± 5 lần/phút). Tốc độ di chuyển của bánh xe khoảng 340 mm/s. Kết quả thu được là chiều sâu vệt hằn bánh xe trong môi trường nước và điểm bong màng nhựa.
Quy định kỹ thuật về chiều sâu vệt lún bánh xe khi thử nghiệm phương pháp A với BTN chặt (TCVN 8819 : 2011) sau 20.000 lượt gia tải là ≤ 12,5 mm [1].
Việc sử dụng bánh xe thép sẽ làm tăng mức độ khắc nghiệt của thí nghiệm. Vì bánh xe thép khơng biến dạng trong khi thí nghiệm giống như bánh lốp, tải trọng có hiệu trên mỗi đơn vị diện tích sẽ cao hơn so với ứng suất xuất hiện trong điều kiện tải trọng thực tế ở hiện trường. Một hỗn hợp mà vượt qua được thí nghiệm HWTD thì sẽ có khả năng kháng lún ở hiện trường; tuy nhiên những hỗn hợp khơng vượt qua được thí nghiệm vẫn có thể có chất lượng tốt ở hiện trường. Sử dụng thiết bị thí nghiệm này để kiểm tra khả năng đạt hay khơng đạt có thể dẫn đến việc loại bỏ những hỗn hợp có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, nếu các tiêu chuẩn được thiết lập đúng thì đây là một thí nghiệm hợp lý để đánh giá khả năng kháng lún và bong chóc của hỗn hợp.
1.3.3.2. Thiết bị phân tích mặt đường asphalt (Asphalt Pavement Analyzer – APA)
Máy APA, như được thể hiện trong Hình 1.17, được sản xuất lần đầu vào năm 1996 bởi Pavement Technology, Inc. Máy APA đã được sử dụng để đánh giá khả năng kháng lún, mỏi và ẩm của hỗn hợp BTN.
Thí nghiệm được tiến hành bằng cách cho bánh xe gia tải bằng nhôm chạy tiến lùi trên một ống nén khí thẳng đặt trên mẫu thí nghiệm. Tải trọng tác dung lên bánh xe là 445 N, áp lực tác dụng lên mẫu (áp lực ống nén khí) là 690 kPa. Thí nghiệm thường được thực hiện với 8000 chu kỳ. Thí nghiệm có thể được thực hiện ở mơi trường khơ hoặc mơi trường nước. Nhiệt độ thí nghiệm với thiết bị APA biến đổi từ 40 oC đến 64 oC. Thơng thương thí nghiệm được thực hiện với nhiệt độ bằng hoặc gần với nhiệt độ mặt đường lớn nhất dự đốn.
Các mẫu thí nghiệm với máy APA có thể là mẫu dầm hoặc hình trụ. Phương pháp phổ biến để đầm mẫu dầm là máy đầm rung (Asphalt Vibratory Compactor). Máy đầm phổ biến nhất cho mẫu hình trụ là máy đầm xoay Superpave. Mẫu dầm thường được đầm nén để có Va=7 %; mẫu hình trụ được chế tạo với Va= 4% hoặc Va= 7%. Thí nghiệm có thể được thực hiện trên mẫu khoan hoặc các mẫu bản được lấy tại hiện trường.
Hình 1.17. Máy phân tích mặt đường asphalt – APA [19]
1.3.3.3. Máy thí nghiệm lún của Pháp (French Rutting Tester)
Thiết bị French Rutting Tester (FRT) được thể hiện trong Hình 1.18. Thiết bị được sử dụng ở Pháp nhiều năm như một giải pháp để ngăn cản hiện tượng lún trên mặt đường BTN. Sau đó thiết bị này cũng đã được sử dụng ở Mỹ.
Mẫu thí nghiệm là tấm bản có kích thước rộng 180 mm, dài 500 mm và chiều dày từ 20 đến 100 mm. Mẫu được đầm nén bằng máy đầm bánh lốp của LCPC. Máy có thể thực hiện trên hai mẫu đồng thời. Tải trọng tác dụng lên mẫu được thực hiện bằng cách tác dung một lực 5000 N lên một bánh lốp có chiều rộng 90 mm để tạo ra áp lực 600 kPa. Trong q trình thí nghiệm, bánh lốp đi qua lại ở vị trí giữa mẫu 2 lần một giây. Chiều sâu lún là giá trị trung bình của 15 phép đo. Các phép đo bao gồm 3 phép đo ngang chiều rộng mẫu ở 5 vị trí dọc theo chiều dài tấm bản.
Ở Pháp, một hỗn hợp BTN được chấp nhận thường sẽ có chiều sâu lún ít hơn hoặc bằng 10% chiều dày tấm bản thí nghiệm sau 30.000 chu kỳ.
Hình 1.18. Thiết bị French Rutting Tester [19]
1.3.3.4. Thiết bị thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe của trường Đại học Purdue - PURWheel (Purdue University Laboratory Wheel Tracking Device)
Thiết bị PURWheel, được thể hiện ở Hình 1.19, đã phát triển bởi trường Đại học Purdue, Mỹ. PURWheel thí nghiệm trên mẫu hình tấm bản được cắt ở hiện trường hoặc được đầm nén trong phịng thí nghiệm. Mẫu có kích thước rộng 290 mm, dài 310 mm. Chiều dày của mẫu phụ thuộc vào loại hỗn hợp thí nghiệm. Với các hỗn hợp làm lớp mặt trên, chiều dày mẫu 38 mm được sử dụng trong khi đó với lớp mặt dưới và các lớp móng chiều dày lần lượt là 51 mm và 76 mm. Các mẫu thí nghiệm được đầm nén sử dụng đầm lăn (linear compactor) cũng được phát triển bởi trường Đại học Purdue, Mỹ. Các mẫu có thể được đầm nén tới Va = 6 – 8 %.
PURWheel được thiết kế để đánh giá khả năng hằn lún và/ hoặc mức độ nhạy cảm với độ ẩm của hỗn hợp BTN. Mẫu có thể được thí nghiệm trong điều kiện khơ hoặc nước. Mức độ nhạy cảm ẩm được định nghĩa là tỉ số của số chu kỳ để đạt được độ lún 12.7 mm ở môi trường nước với số chu kỳ để đạt được độ lún 12.7 mm trong môi trường khô. Chiều sâu lún 12.7 mm được sử đụng để phân biệt hỗn hợp có chất lượng tốt và kém về khía cạnh kháng lún.
Tải trọng tác dụng lên mẫu với thiết bị PURWheel được thực hiện sử dụng bánh hơi. Một áp lực tiếp xúc tổng cộng 620 kPa được tác dụng vào mẫu. Điều này được thực
hiện bằng cách tác dụng tải trọng 175 kg lên bánh xe được bơm đến áp lực 793 kPa. Tốc độ gia tải là 332 mm/giây. Thí nghiệm được thực hiện tới 20.000 lượt hoặc cho đến khi đạt độ lún 20 mm.
Hình 1.19. Thiết bị thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe của Đại học Purdue [19] 1.4. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu và khung cốt liệu thô
đến khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp BTN
Cốt liệu là thành phần chiếm tỉ lệ lớn trong hỗn hợp BTN. Các tính chất của cốt liệu đều ảnh hưởng đến chất lượng của hỗn hợp BTN theo những cách khác nhau, nhưng nhiều tác giả đã chỉ ra cấp phối cốt liệu, nguồn gốc cốt liệu, độ góc cạnh của cốt liệu ảnh hưởng lớn đến khả năng chống biến dạng không hồi phục của hỗn hợp bê tông nhựa.
Trong vài thập kỷ trở lại đây, vấn đề lún vệt bánh xe của mặt đường BTN được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Các quốc gia phát triển phải đối mặt với hiện tượng này ở những năm đầu của giai đoạn này. Còn ở các nước đang phát triển như Việt Nam thì lún vệt bánh xe và nghiên cứu hỗn hợp BTN đảm bảo khả năng kháng lún vệt bánh được quan tâm trong khoảng 10 năm gần đây.