2.3 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BAILEY
2.3.2 Các nội dung chính của phương pháp Bailey
2.3.2.1 Một số khái niệm được dùng trong phương pháp Bailey
Phương pháp Bailey sử dụng 2 nguyên tắc để tạo nên sự liên quan của cấp phối cốt liệu với đặc trưng thể tích hỗn hợp BTN, đó là:
- Đầm nén cốt liệu;
- Tỷ lệ hạt thô – hạt mịn trong cấp phối.
Theo đó thì 2 bước cơ bản của phương pháp Bailey là:
- Trộn cốt liệu theo đơn vị thể tích;
- Phân tích cấp phối;
a. Đầm nén cốt liệu
Các hạt cốt liệu trong cấp phối không thể tự lèn chặt vào nhau cho nên giữa chúng luôn có khoảng cách (lỗ rỗng). Do đó phải đầm nén để mức độ sắp xếp giữa chúng chặt chẽ hơn. Mức độ đầm nén phụ thuộc vào:
- Loại và lượng của lực nén;
- Hình dạng của các hạt cốt liệu;
- Bề mặt của các hạt cốt liệu;
- Thành phần cỡ hạt trong cấp phối;
- Độ cứng của các hạt.
b. Cốt liệu thô và cốt liệu mịn
Cách định nghĩa truyền thống về cốt liệu thô là các hạt không lọt qua sàng 4,75mm. Cốt liệu mịn được định nghĩa là các hạt lọt qua sàng 4,75mm (cát, bụi, sét). Định nghĩa này được dùng chung cho tất cả mọi loại cốt liệu của BTN 9,0mm cũng như BTN 25mm. Theo phương pháp Bailey thì cốt liệu thô và cốt liệu mịn được định nghĩa một cách mới hơn:
+ Cốt liệu thô: Là các hạt cốt liệu lớn, khi đưa vào cấp phối sẽ tạo ra các lỗ rỗng;
+ Cốt liệu mịn: Là các hạt lấp đầy các lỗ rỗng được tạo ra từ cốt liệu thô;
Theo cách này, mỗi loại BTN theo cỡ hạt danh định sẽ có cỡ sàng quy định cốt liệu thô và cốt liệu mịn khác nhau.
Ví dụ với cấp phối BTN có cỡ hạt lớn nhất danh định là 37,5mm, các hạt có kích thước 37,5mm sẽ tạo ra các lỗ rỗng. Các lỗ rỗng này được lấp đầy với các hạt có kích cỡ 9,5mm, như vậy các hạt 9,5mm được xem là cốt liệu mịn. Bây giờ, xem xét cấp phối BTN có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5mm, với cấp phối cốt liệu này, các hạt 9,5mm được xem là cốt liệu thô.
Theo phương pháp Bailey, sàng được dùng để phân biệt cốt liệu thô và cốt liệu mịn được gọi là Sàng cấp I (SCI), kích thước của sàng này tùy thuộc vào kích cỡ của hạt lớn nhất danh định trong cấp phối.
Sự phân chia giữa cốt liệu thô và cốt liệu mịn của cấp phối BTN 12,5 được thể hiện như trong Hình 2.2. Cỡ sàng cấp I, SCI được xác định theo công thức (1):
SCIHLND§ 0,22 (1)
Trong đó:
SCI = Sàng cấp I;
HLNDĐ = cỡ hạt lớn nhất danh định.
c. Phối trộn cốt liệu theo thể tích
Tất cả các hỗn hợp cốt liệu đều chứa một lượng độ rỗng nhất định, đều này gây ảnh hưởng đến mức độ đầm chặt của cốt liệu. Khi phối trộn cốt liệu điều quan trọng là chúng ta cần phải xác định được thể tích độ rỗng và kích cỡ của các lỗ rỗng được tạo ra từ cốt liệu thô sau đó trám đầy các lỗ rỗng này với lượng cốt liệu mịn thích hợp.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0,075 0,3 1,18 2,36 4,75 9,5 12,5 19,0 25,0
Kích th-ớc sàng (lũy thừa 0,45)
Phần trăm lọt sàng
Cốt liệu nhỏ
Cốt liệu lớn Sàng cấp I
Hình 2.2 Ví dụ về sự phân biệt giữa cốt liệu thô và cốt liệu mịn cho cấp phối bê tông nhựa chặt 12,5.
Phương pháp Bailey sử dụng khối lượng chưa đầm (Loose unit weights) và khối lượng sau đầm (Rodded unit weights) của cốt liệu để phân tích thể tích độ rỗng trong cấp phối. Với mỗi loại cốt liệu thô thì khối lượng chưa đầm và khối lượng sau đầm cần được xác định, đối với cốt liệu mịn thì độ rỗng trong cốt liệu trước khi đầm và sau khi đầm không thay đổi nhiều nên chỉ cần xác định khối lượng sau đầm. Các giá trị này là cơ sở để tính thể tích độ rỗng trong cấp phối, căn cứ vào đó để đánh giá mức độ cài vào nhau giữa các hạt cốt liệu.
d. Khối lượng chưa đầm của cốt liệu thô (Loose unit weight of coarse aggregate) Khối lượng chưa đầm của một loại cốt liệu là lượng cốt liệu lấp đầy một đơn vị thể tích mà chưa có bất kỳ sự đầm nén nào. Trong trường hợp này mức độ cài vào nhau giữa các hạt cốt liệu thấp nhất.
Khối lượng chưa đầm được xác định đối với mỗi loại cốt liệu tuân theo qui định trong AASHTO T-19 [28], qui định cốt liệu được đựng trong điều kiện tự nhiên –
không chặt khít trong một cái thùng kim loại. Khối lượng chưa đầm (kg/m3) được tính bằng cách chia khối lượng của cốt liệu trong thùng cho thể tích của thùng. Sử dụng tỷ trọng khối của cốt liệu và khối lượng chưa đầm thì thể tích của độ rỗng trong trường hợp này sẽ được xác định.
e. Khối lượng đã đầm của cốt liệu thô (Rodded unit weight of coarse aggregate) Khối lượng đã đầm của cốt liệu là lượng cốt liệu lấp đầy một đơn vị thể tích sau khi đã được đầm chặt. Áp lực nén làm tăng sự tiếp xúc giữa các hạt cốt liệu và làm giảm độ rỗng cốt liệu.
Khối lượng đã đầm của cốt liệu được xác định cho mỗi loại cốt liệu thô sử dụng quy trình được qui định trong tiêu chuẩn AASHTO T-19 [28], qui định cốt liệu được đựng trong một cái thùng kim loại và đã được đầm chặt. Khối lượng đã đầm của cốt liệu (kg/m3) được tính bằng cách chia khối lượng của cốt liệu trong thùng cho thể tích của thùng. Sử dụng tỷ trọng khối của cốt liệu và khối lượng đã đầm thì thể tích của độ rỗng trong trường hợp này sẽ được xác định.
Khối lượng chưa đầm và sau đầm của cốt liệu được mô tả như Hình 2.3.
f. Khối lượng được chọn cho cốt liệu thô(Chosen unit weight of coarse aggregate) Người tư vấn cần phải ước lượng trước mức độ cài vào nhau của các hạt cốt liệu khi họ thiết kế cấp phối. Vì thế, họ phải xác định mức độ đầm nén (hay chỉ số khối lượng riêng chọn - CUW) thích hợp cho cốt liệu thô, từ đó xác định thể tích cốt liệu thô và mức độ cài vào nhau của các hạt cốt liệu.
Theo phương pháp Bailey trong cấp phối BTN thô thì các hạt cốt liệu lớn đảm nhiệm vai trò hình thành bộ khung và chịu tải trọng. Còn cấp phối BTN mịn do số lượng các hạt thô ít nên không tiếp xúc được với nhau, vì vậy phần lớn tải trọng được truyền cho các hạt nhỏ. Người thiết kế phải biết mình sẽ thiết kế cấp phối loại nào, từ đó xác định khối lượng thích hợp cho từng loại cốt liệu. Giá trị CUW của cốt liệu thô được thể hiện như trong Hình 2.4.
Khối lượng sau đầm được xem là giới hạn trên của mức độ cài vào nhau giữa các hạt cốt liệu thô trong cấp phối BTN chặt. Giá trị của nó gần bằng 110% khối lượng chưa đầm. Nếu giá trị CUW gần bằng với khối lượng sau đầm, thì năng
lượng đầm nén cần thiết để đảm bảo độ chặt thiết kế tăng đáng kể, đều này gây khó khăn khi thi công BTN ngoài công trường.
Hình 2.3 Khối lượng chưa đầm và khối lượng đã đầm của cốt liệu thô.
Cấp phối hạt to
Cấp phối hạt nhỏ SMA
Khối l-ợng riêng chọn
Khối l-ợng sau đầm Khối l-ợng ch-a đầm
Hình 2.4 Khối lượng riêng chọn - CUW của cốt liệu thô.
Với cấp phối BTN chặt, giá trị CUW được tính toán theo phần trăm khối lượng chưa đầm của cốt liệu thô. Nếu không có yêu cầu cao về mức độ cài móc giữa các hạt cốt liệu (như cấp phối hạt to), thì CUW nên từ 95% đến 105% của khối lượng chưa đầm. Nếu độ cứng của cốt liệu thấp cấp phối có xu hướng phân tầng thì giá trị CUW nên gần bằng 105% khối lượng chưa đầm.
Đối với BTN hạt mịn, giá trị CUW nên thấp hơn 90% khối lượng chưa đầm, để các hạt cốt liệu thô ít tiếp xúc với nhau đảm bảo phần lớn tải trọng được truyền cho các hạt mịn. Nếu sử dụng cho BTN có cấp phối liên tục, người tư vấn không nên quyết định CUW nằm trong khoảng từ 90% đến 95% khối lượng chưa đầm, với giá trị này thì mức độ cài móc giữa các hạt có thể thay đổi bất thường khó kiểm soát khi thi công BTN ngoài công trường[27].
g. Khối lượng sau đầm của cốt liệu mịn (Rodded unit weight of fine aggregate)
Đối với BTN chặt, sau khi đầm nén thể tích các lỗ trống tạo ra giữa các hạt cốt liệu thô sẽ được lấp đầy với một lượng cốt liệu mịn tương đương. Cốt liệu mịn được đầm nén để đảm bảo rằng độ cứng của hỗn hợp đạt tuyệt đối hoặc gần tuyệt đối.
Khối lượng sau đầm của cốt liệu mịn được xác định cho mỗi bãi chứa cốt liệu theo quy trình đầm nén của tiêu chuẩn AASHTO T-19 [28], qui định cốt liệu được đầm nén trong một thùng hình hộp. Đối với hầu hết cốt liệu mịn có HLNDĐ nhỏ hơn hoặc bằng 4,75mm, sử dụng các thùng có đường kính là 100mm, bằng kim loại và có thể tích khoảng 0,9 lít. Khối lượng đã đầm của cốt liệu mịn (kg/m3) được tính bằng cách chia khối lượng cho thể tích của thùng chứa. Với cấp phối BTN chặt, khối lượng sau đầm của cốt liệu luôn luôn được dùng để xác định lượng cốt liệu mịn yêu cầu để lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu thô trong hỗn hợp. Chú ý rằng không cần xác định khối lượng sau đầm của các hạt rất nhỏ như bụi khoáng (MF) hoặc tro bay.