CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ THÍ NGHIỆM
4.2 KIỂM TRA CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA
4.2.3 Cấp phối dưới vùng giới hạn
Bảng 4.13 Phần trăm của mỗi loại cốt liệu trong cấp phối dưới vùng giới hạn.
Loại vật liệu Khối lƣợng riêng G (g/cm3) Tỷ lệ % trong hỗn hợp P
Cốt liệu lớn 2,65 48,90
Cốt liệu nhỏ 2,75 44,10
Bột khoáng 3,00 7,00
2, 71( / 3) Gsb g cm
Bảng 4.14 Kết quả thể hiện sự thay đổi khối lượng riêng bê tông nhựa theo sự thay đổi của hàm lượng nhựa trong hỗn hợp.
STT Tỷ lệ nhựa theo hỗn hợp (%)
Gmm (g/cm3)
1,000 5,000 2,509
2,000 5,250 2,499
3,000 5,500 2,490
4,000 5,750 2,481
5,000 6,000 2,471
Bảng 4.15 Kết quả thí nghiệm khối lượng thể tích và độ rỗng còn dư của hỗn hợp.
% Nhựa đường (trong
tổng KL BTN)
Chiều cao TB
(mm)
Khối lƣợng
Khô trong KK
Thể tích (cm3)
Khối lƣợng thể
tích (g/cm3)
Khối lƣợng
riêng (g/cm3)
Độ rỗng dƣ (%) (1) (2) (3) (4) (5=3/4) (6) (7=100*(6-5)/6)
5,00
A 65,183 1220,600
B 65,217 1225,400
C 65,857 1221,500
TB 65,419 1222,500 530,373 2,305 2,509 8,131
5,25
A 64,317 1218,400
B 65,063 1221,000
C 64,157 1221,200
TB 64,512 1220,200 523,019 2,333 2,499 6,643
5,50
A 64,040 1215,300
B 63,933 1219,400
C 63,773 1209,100
TB 63,915 1214,600 518,179 2,344 2,490 5,863
5,75
A 63,923 1221,400
B 63,977 1215,600
C 63,810 1219,000
TB 63,903 1218,667 518,082 2,352 2,481 5,200
6,00
A 64,580 1222,200
B 64,833 1219,100
C 65,113 1222,600
TB 64,842 1221,300 525,695 2,323 2,471 5,989 Bảng 4.16 Kết quả kiểm tra độ rỗng khung cốt liệu.
STT
Hàm lƣợng nhựa theo hh
(%)
Tỷ lệ cốt liệu trong hh
(%)
Khối lƣợng thể tích BTN
(Gmb)
Độ rỗng khung cốt liệu
(%)
TCVN 8819:2011
1 5,00 95,00 2,305 19,317 ≥14
2 5,25 94,75 2,333 18,551 ≥14
3 5,50 94,50 2,344 18,383 ≥14
4 5,75 94,25 2,352 18,321 ≥14
5 6,00 94,00 2,323 19,542 ≥14
Bảng 4.17 Kết quả thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall.
% Nhựa đường (trong
tổng KL BTN)
Chiều cao TB
(mm)
Độ ổn định Marshall (kN)
Độ dẻo Marshall (mm)
Giá trị đo đƣợc
Giá trị điều chỉnh
TCVN 8819-2011
Giá tri đo đƣợc
TCVN 8819-2011
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
5,00
A 65,183 8,210 2,413
B 65,217 7,980 2,286
C 65,857 8,890 2,032
TB 65,419 8,360 7,976 ≥ 8,0 2,244 2÷4
5,25
A 64,317 8,940 2,413
B 65,063 9,900 1,905
C 64,157 8,980 2,540
TB 64,512 9,273 9,038 ≥ 8,0 2,286 2÷4
5,50
A 64,040 9,580 2,794
B 63,933 10,490 2,286
C 63,773 10,030 2,286
TB 63,915 10,033 9,929 ≥ 8,0 2,455 2÷4
5,75
A 63,923 9,710 2,286
B 63,977 10,170 2,540
C 63,810 10,490 3,048
TB 63,903 10,123 10,021 ≥ 8,0 2,625 2÷4
6,00
A 64,580 9,120 2,540
B 64,833 9,170 2,540
C 65,113 9,390 3,556
TB 64,842 9,227 8,917 ≥ 8,0 2,879 2÷4
Từ các số liệu trên ta vẽ được biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa với Độ rỗng dư, Khối lượng thể tích, Độ rỗng cốt liệu, Độ ổn định và độ dẻo Marshall như các hình từ Hình 4.28 đến Hình 4.32.
y = 5,3383x2 - 61,012x + 179,78 R2 = 0,9781
4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50
5,00 5,25 5,50 5,75 6,00
Hàm lƣợng nhựa (%)
Độ rỗng còn dƣ (%)
Hình 4.28 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ rỗng còn dư của cấp phối
dưới vùng giới hạn.
y = -0,1337x2 + 1,4929x - 1,8177 R2 = 0,9461
2,30 2,31 2,32 2,33 2,34 2,35 2,36
5,00 5,25 5,50 5,75 6,00
Hàm lƣợng nhựa (%)
Khối lƣợng thể tích (g/cm3)
Hình 4.29 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và khối lượng thể tích của cấp phối
dưới vùng giới hạn.
y = 4,6629x2 - 51,203x + 158,81 R2 = 0,9323
18,00 18,20 18,40 18,60 18,80 19,00 19,20 19,40 19,60 19,80
5,00 5,25 5,50 5,75 6,00
Hàm lƣợng nhựa (%)
Độ rỗng cốt liệu (%)
Hình 4.30 Mối quan hệ giữa hàm lượng và độ rỗng cốt liệu của cấp phối dưới
vùng giới hạn.
y = -5,864x2 + 65,65x - 173,78 R2 = 0,9623
7,00 8,00 9,00 10,00 11,00
5,00 5,25 5,50 5,75 6,00
Hàm lƣợng nhựa (%)
Độ ổn định Marshall (kN)
Hình 4.31 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ ổn định Marshall của cấp
phối dưới vùng giới hạn.
y = 0,4857x2 - 4,6993x + 13,59 R2 = 0,997
1,00 2,00 3,00 4,00
5,00 5,25 5,50 5,75 6,00
Hàm lƣợng nhựa (%)
Độ dẻo Marshall (mm)
Hình 4.32 Mối quan hệ giữa hàm lượng nhựa và độ dẻo Marshall của cấp phối dưới vùng giới hạn.
4.3 LỰA CHỌN HÀM LƢỢNG NHỰA TỐI ƢU
Từ các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa với các chỉ tiêu Độ rỗng còn dư, Độ rỗng cốt liệu, Độ ổn định Marshall, Độ dẻo Marshall, Khối lượng thể tích của 3 hỗn hợp BTN chế tạo từ 3 cấp phối, hàm lượng nhựa tối ưu và giá trị của các chỉ tiêu cơ lý tại hàm lượng nhựa tối ưu của mỗi hỗn hợp BTN được trình bày trong Bảng 4.18.
Bảng 4.18 Hàm lượng nhựa tối ưu của ba cấp phối.
Chỉ tiêu Cấp phối
trên VGH
Cấp phối qua VGH
Cấp phối dưới VGH
TCVN
8819:2011 Nhận xét Hàm lƣợng nhựa tối ƣu 5,740 5,650 5,710 5÷6 ĐẠT 1. Độ rỗng dư (%) 3,816 3,940 5,452 3÷6 Tăng dần 2. Độ rỗng cốt liệu (%) 16,135 16,982 18,471 ≥14 Tăng dần 3. Độ ổn định Marshall (kN) 14,070 12,107 9,891 ≥8 Giảm dần 4. Độ dẻo Marshall (mm) 3,391 2,866 2,593 2÷4 Giảm dần 5. K. Lượng thể tích (g/cm3) 2,422 2,392 2,348 Giảm dần
Hình 4.33 Các chỉ tiêu cơ lý của 3 cấp phối bê tông tông nhựa
4.4 ẢNH HƯỞNG CỦA VÙNG GIỚI HẠN THEO SUPERPAVE ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA CHẶT
Để đánh giá ảnh hưởng của vùng giới hạn, 3 loại BTN với 3 đường cong cấp phối khác nhau (trên VGH, qua VGH, dưới VGH) được chế tạo. Tùy theo yêu cầu về kích thước, hình dáng của mẫu cho từng thí nghiệm, các mẫu BTN được chế tạo với kích thước thích hợp. Kích thước các mẫu thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.19. Hàm lượng nhựa dùng để chế tạo mẫu thí nghiệm bằng với hàm lượng nhựa tối ưu đã xác định.
Bảng 4.19 Kích thước mẫu dùng trong các thí nghiệm.
Thí nghiệm Kích thước mẫu
Thí nghiệm Marshall Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm kiểm tra cường độ
kéo khi ép chẻ Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm kiểm tra độ va đập
của hỗn hợp BTN (Cantabro) Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm Thí nghiệm xác định Mô-đun
đàn hồi của hỗn hợp BTN Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 101mm Cắt ngang mẫu để đánh giá sự
sắp xếp các viên đá. Mẫu hình trụ kích thước 101mm x 63.5mm
Các chỉ tiêu dùng để so sánh 3 hỗn hợp BTN gồm: khối lượng thể tích, độ rỗng còn dư, độ rỗng cốt liệu và các thí nghiệm được thực hiện bao gồm thí nghiệm xác định độ ổn định và độ dẻo Marshall, thí nghiệm ép chẻ để đánh giá mức độ ảnh hưởng của đường cong cấp phối đến sự làm việc của hỗn hợp BTN trong điều kiện nhiệt độ cao, Thí nghiệm Cantabro xác định độ mài mòn của BTN, thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của BTN. Ngoài ra các mẫu BTN được cắt ra để đánh giá sự sắp xếp các viên đá với nhau bằng mắt.
4.5 SO SÁNH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CỦA 3 HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA 4.5.1 Kết quả thí nghiệm nén Marshall
Mỗi cấp phối BTNC 12,5 được chế tạo 3 mẫu với hàm lượng nhựa tối ưu đã xác định tại mục 4.3 để thực hiện thí nghiệm Marshall. Các tổ mẫu được chế tạo,
bảo dưỡng và thí nghiệm theo phương pháp Marshall , toàn bộ quá trình thí nghiệm tiến hành theo TCVN 8860-1:2011 [43]. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.20. Hình ảnh tạo mẫu và làm thí nghiệm:
Hình 4.34 Ngâm mẫu thí nghiệm trong bể ổn định nhiệt 60oC, thời gian 40 phút.
Hình 4.35 Thực hiện thí nghiệm Marshall.
Hình 4.36 Độ ổn định và độ dẻo Marshall của 3 hỗn hợp bê tông nhựa.
Bảng 4.20 Các chỉ tiêu cơ bản của 3 hỗn hợp bê tông nhựa.
Chỉ tiêu Đơn vị Cấp phối
TRÊN VGH
Cấp phối QUA VGH
Cấp phối DƯỚI VGH Độ ổn định Marshall (kN) 13,647 12,054 10,010
Độ dẻo Marshall (mm) 3,302 2,752 2,455
Độ rỗng dư Va (%) 3,607 3,900 5,482
Độ rỗng khung cốt liệu VMA (%) 16,951 17,005 18,464 Khối lượng thể tích (g/cm3) 2,398 2,390 2,347
Với số liệu thu được từ kết quả thí nghiệm có thể rút ra kết luận: Độ ổn định Marshall của hỗn hợp BTN ứng với ba cấp phối điều lớn hớn 8kN, như vậy hỗn hợp BTN chế tạo từ 3 cấp phối đều đạt yêu cầu về độ ổn định Marshall theo TCVN 8819:2011[5]. Độ ổn định và độ dẻo Marshall của cấp phối dưới VGH thấp nhất (10,01kN; 2,455mm), độ ổn định và độ dẻo Marshall của cấp phối trên VGH cao nhất (13,647kM; 3,302mm) cho thấy hàm lượng cốt liệu lớn nhiều chưa hẳn sẽ tạo nên hỗn hợp bê tông nhựa có độ ổn định cao. Kết quả này cũng phù hợp với một số nghiên cứu đã nêu ở mục 2.2.2.
4.5.2 Kết quả thí nghiệm ép chẻ
Hình ảnh thực hiện thí nghiệm ép chẻ:
Hình 4.37 Thí nghiệm ép chẻ và mẫu bị phá hủy
Bảng 4.21 Kết quả thí nghiệm ép chẻ của 3 hỗn hợp bê tông nhựa
Cấp phối
Số liệu đo mẫu
(mm) Tải trọng khi
phá hủy mẫu- P (KN)
Cường độ chịu kéo (Mpa)
ku
R = 2 P
× H× D
Chiều cao -H (mm)
Đường kính -D
(mm) TRÊN
vùng giới hạn
ET1 61,920 101,60 8,643 0,875
ET2 61,920 101,60 8,141 0,824
ET3 61,970 101,60 8,369 0,846
Trung Bình 0,848
QUA vùng giới hạn
EQ1 62,620 101,60 9,099 0,910
EQ2 62,960 101,60 9,235 0,919
EQ3 62,850 101,60 9,007 0,898
Trung Bình 0,909
DƯỚI vùng giới hạn
ED1 64,690 101,60 7,685 0,744
ED2 64,410 101,60 8,323 0,810
ED3 64,480 101,60 7,685 0,747
Trung Bình 0,767
Hình 4.38 Kết quả thí nghiệm ép chẻ của 3 hỗn hợp bê tông nhựa Kết quả nén ép chẻ cho thấy cường độ ép chẻ của BTN có cấp phối trên VGH (0,848MPa) cao hơn BTN có cấp phối dưới VGH (0,767Mpa), tuy nhiên cả hai lại có cường độ thấp hơn BTN có cấp phối qua VGH (0,909 MPa).
4.5.3 Kết quả thí nghiệm Cantabro
Kết quả của độ hao mòn của một hỗn hợp BTN ứng với một cấp phối là số trung bình của 3 mẫu có kích thước tương đường nhau và được chế tạo theo quy trình giống hệt nhau. Thí nghiệm được thực hiện theo quy trình như đã nêu tại mục 3.5.3. Trong nghiên cứu của hai tác giả Jesse D.Doyle và Isaac L.Howard năm 2010 đã chỉ ra rằng có mối liên hệ giữa tỷ lệ hao mòn trong thí nghiệm Cantabro với độ rỗng còn dư của hỗn hợp BTN, nếu độ rỗng của hỗn hợp BTN càng lớn thì lượng hao mòn càng nhiều và ngược lại [56]. Kết quả trong nghiên cứu này cũng đã cho thấy mối liên hệ đó, điều này đồng nghĩa với việc hiệu quả của công tác đầm nén có ảnh hưởng lớn tới sự làm việc ổn định của kết cấu áo đường dùng BTN làm lớp mặt. Kết quả thí nghiệm độ mài mòn bằng thí nghiệm Cantabro được thể hiện trong Bảng 4.22.
Hình 4.39 Mẫu BTN có cấp phối đi qua vùng giới hạn trước và sau khi thí nghiệm Cantabro.
Bảng 4.22 Kết quả thí nghiệm độ mài mòn.
Cấp phối
Khối lƣợng mẫu (g)
Hao mòn (%) Trước khi TN
(P1)
Sau khi TN (P2)
P1 P2
P 100
P1 TRÊN
vùng giới hạn
CT1 1216,5 1204,6 0,978
CT2 1220,6 1207,7 1,057
CT3 1221,4 1207,9 1,105
Trung Bình 1,047
QUA vùng giới hạn
CQ1 1219,8 1208,4 0,935
CQ2 1221,7 1209,7 0,982
CQ3 1215,7 1194,5 1,744
Trung Bình 1,22
DƯỚI vùng giới hạn
CD1 1219,9 1207,3 1,033
CD2 1216,2 1197,1 1,57
CD3 1217,9 1203,7 1,166
Trung Bình 1,256
Hình 4.40 Độ hao mòn và độ rỗng còn dư của 3 hỗn hợp bê tông nhựa.
4.5.4 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi
Một số hình ảnh chế tạo mẫu thí nghiệm mô đun đàn hồi và thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi:
Hình 4.41 Chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi Bảng 4.23 Kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi
Cấp phối
Chiều cao mẫu
(H) (mm)
Số đọc biến dạng đàn hồi (0,01mm) Trị số biến dạng đàn hồi (L)
(mm) E H
L
Sau khi gia tải Sau khi giỡ tải
Đồng
hồ 1 Đồng
hồ 2 Đồng
hồ 3 Đồng
hồ 1 Đồng
hồ 2 Đồng
hồ 3 (Mpa)
TRÊN vùng
giới hạn
T1 100,83 202 244 315 222 270 333 0,21 240,071 T2 102,57 172 259 324 197 285 350 0,26 197,25 T3 100,10 116 224 225 144 256 239,5 0,25 200,2
TB 212,507
QUA vùng giới hạn
Q1 100,01 119 279 219,5 149,5 309 235,5 0,26 192,327 Q2 100,39 184 128 264 214 155,5 285 0,26 193,058 Q3 100,37 163 182 341,5 191 207 362,5 0,25 200,74
TB 195,375
DƯỚI vùng
giới hạn
D1 101,70 199 306 498 225 336 523 0,27 188,333 D2 101,43 194 382 318 220 409 335 0,23 220,5 D3 99,03 211 125 283 236 154 390 0,54 91,694
TB 166,842
24PD
Hình 4.42 Mô đun đàn hồi của 3 hỗn hợp BTN
Mô đun đàn hồi của hỗn hợp BTN có cấp phối trên VGH cao nhất (212,506MPa) và giảm dần đến cấp phối dưới VGH (thấp nhất: 166,842MPa), có thể thấy được nếu độ rỗng dư của BTN thấp thì sẽ đạt mô đun đàn hồi cao và ngược lại.
4.5.5 So sánh sự sắp xếp các viên đá của 3 hỗn hợp bê tông nhựa qua mặt cắt ngang
Các viên đá lớn trong cấp phối trên VGH gần như không chạm được vào nhau và khoảng cách giữa các hạt này khá xa (do hàm lượng thấp). Vì vậy tải trọng chủ yếu được tạo ra do sự liên giữa các hạt cốt liệu mịn. Đối với cấp phối qua VGH, tỷ lệ các hạt có kích cỡ trung bình cao, khoảng cách giữa các hạt này nhỏ hơn cấp phối trên VGH nhưng khả năng chạm vào nhau của chúng rất thấp do hàm lượng cốt liệu mịn trong cấp phối khá cao. Tỷ lệ các hạt cốt liệu lớn trong cấp phối dưới VGH cao, cộng thêm hàm lượng cốt liệu mịn thấp nên một số hạt cốt liệu lớn chạm vào nhau tạo ra sự cài móc giữa các hạt. Tuy nhiên do độ rỗng dư của hỗn hợp BTN dưới VGH lớn (5,452%), nên có thể điều này làm giảm khả năng chịu tải của BTN.
Hình 4.43 Mặt cắt ngang các mẫu bê tông nhựa (a) Cấp phối trên vùng giới hạn
(b) Cấp phối qua vùng giới hạn (c) Cấp phối dưới vùng giới hạn