2.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ VÙNG GIỚI HẠN
2.2.2 Các nghiên cứu về vùng giới hạn trên thế giới
2.2.2.1 Các nghiên cứu cho thấy đường cong cấp phối trên vùng giới hạn làm việc tốt
Từ khi sự có mặt của phương pháp thiết kế BTN Superpave, các nhà máy BTN và nhiều tổ chức đã nhận ra các cấp phối BTN không đáp ứng đủ tất cả các yêu cầu theo Superpave nhưng vẫn làm việc bình thường. Những cấp phối đi trên VGH, qua VGH, dưới VGH vẫn cho thấy khả năng làm việc tốt.
Anderson et al. [14] đã phân tích cơ sở dữ liệu nhiều cấp phối Superpave. Trong nghiên cứu này, 128 mẫu BTN đã được sử dụng trong thời kỳ từ 1992-1996 được chọn để phân tích. Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là để thiết lập một sổ tay hướng dẫn cho người thực hiện việc thiết kế, đặc biệt hơn việc tìm hiểu này nhằm xác định thành phần cấp phối hoặc các đặc trưng của cấp phối để tạo ra độ rỗng cốt liệu
(VMA) vừa đủ cho hỗn hợp BTN. Nhóm nghiên cứu cố gắng để tìm ra sự tương quan giữa VMA và khoảng cách từ đường độ chặt tối ưu đến đường cong cấp phối hoặc từ đường cong cấp phối đến vùng giới hạn. Kết quả là họ không tìm thấy được mối liên hệ nào. Trong một nghiên cứu khác, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và tiến hành đánh giá 4 cấp phối BTN khác nhau có cùng một nguồn cốt liệu. Một cấp phối có biểu đồ hình chữ S, một cấp phối hạt mịn đi phía trên vùng giới hạn, cấp phối các hạt trung bình đi qua vùng giới hạn, và cấp phối hạt thô đi dưới VGH có một cái “gù” trên biểu đồ. Các hỗn hợp BTN được được đánh giá bằng thí nghiệm Simple shear at constant height và Repeated shear at constant. Nhóm nghiên cứu cho rằng BTN có cấp phối trên VGH làm việc tốt nhất và BTN có cấp phối dưới VGH làm việt kém nhất.
EL-Basyouny et al. [15] đã nghiên cứu về sự ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu, cỡ hạt lớn nhất danh định và hàm lượng nhựa đến sức kháng lún trồi, các đặc trưng thể tích của BTN. Trong nghiên cứu này các hỗn hợp BTN làm thí nghiệm được tạo từ các cấp phối khác nhau (trên VGH, qua VGH và dưới VGH). Sử dụng kết quả của thí nghiệm nén nở hông tự do, phần mềm dự báo khả năng lún trồi VESYS- 3AM. Phần mềm này dự báo lún sâu 10mm đối với cấp phối qua VGH và sâu 11mm đối với cấp phối trên VGH và dưới VGH.
Hand et al. [16] đã tổng kết kết luận của 13 tạp chí, báo cáo các đề tài để thống kê các nghiên cứu về ảnh hưởng của VGH đến khả năng làm việc của BTN đã được thực hiện. Đề tài tìm hiểu về giới hạn của đường cong cấp phối, cỡ hạt lớn nhất danh định, hình dạng cấp phối và kết quả các thí nghiệm. Các thí nghiệm gồm:
Modun đàn hồi, nén 3 trục, sức kháng mỏi, độ hằn lún vệt bánh xe, Gyratory testing machine và Model mobile load simulator. Căn cứ vào số liệu có được tác giả chỉ ra rằng cấp phối trên VGH và qua VGH làm việc tốt hơn cấp phối dưới VGH. Tác giả còn kết luận thêm rằng không có mối liên hệ nào giữa VGH và khả năng làm việc của BTN.
T.Kuennen [17] đã phân tích mặt đường BTN thiết kế theo Superpave bằng các kinh nghiệm thực tế trong thời gian 2 năm. Ông cho rằng, ở một số nơi trong nước,
các cấp phối Superpave làm việc tốt mặc dù các cấp phối này bao gồm cốt liệu mịn – và đi vào VGH.
Trong khoảng thời gian 1994-1995, một con đường dùng để thí nghiệm dài 2,9km (Westtrack) đã được xây dựng ở Nevada Automotive Test Center gần Reno, Nevada dưới sự quản lý của FHWA (Đề án số DTFH61-94-C-00004) và National Cooperative Highway Research Program (NCHRP Đề án số 9-20). Con đường thí nghiệm này được chia thành 26 đoạn. 2 trong số nhiều mục tiêu của thí nghiệm này kiểm tra ảnh hưởng của công nghệ thi công và sự thay đổi về nguyên liệu đến khả năng làm việc của BTN. Bắt đầu từ năm 1996, tải trọng được áp đặt bằng 3 xe tải không người lái với tốc độ 65km/ giờ. Từ tháng 3 năm 1996 đến tháng 6 năm 1998, có 4,7 triệu lượt xe qui đổi 80-kN đã chạy qua con đường này [16]. Số liệu về sự làm việc của con đường đã được ghi nhận theo mỗi tuần và mỗi tháng.
Các đoạn thí nghiệm của con đường Westrack được xây dựng bằng 3 cấp phối khác nhau: hạt mịn (trên VGH), hạt thô hình chữ S (dưới VGH) và hạt rất mịn (cấp phối hạt mịn có bụi tro bay). Nguyên liệu để sản xuất BTN gồm đá nghiền và nhựa đường cấp PG64-22. Hàm lượng bụi khoáng, hàm lượng nhựa và độ rỗng dư của các đoạn thí nghiệm được thay đổi có hệ thống để mô phỏng sự khác nhau của các con đường trên thực tế[16]. Các cấp phối được thiết kế đảm bảo các đặc trưng về thể tích tuân theo tiêu chuẩn Superpave. Kết quả cho thấy rằng khả năng làm việc của hỗn hợp có cấp phối dưới VGH thấp hơn rất nhiều so với dự kiến. Các đoạn thí nghiệm sử dụng hỗn hợp BTN hạt thô có kết quả lún trồi và nứt do mỏi lớn nhất.
Tất cả các đoạn đường thí nghiệm sử dụng hỗn hợp BTN hạt thô được thay bằng cấp phối tương tự nhưng cốt liệu đá là loại khác (100% đá granite nghiền), các giá trị khác được giữ lại giống như cũ. Kết quả cho thấy khả năng làm việc của các đoạn thay thế này không tốt hơn so với loại đá ban đầu. Trong khi đó các vị trí sử dụng cấp phối có nhiều hạt mịn cho kết quả tốt hơn rõ rệt so với các vị trí sử dụng cấp phối nhiều hạt to.
Mallick et al. [18] đã thực hiện một nghiên cứu khác về các cấp phối trên, qua và dưới VGH. Mục tiêu của nghiên cứu là để đánh giá mức độ lún của BTN có những cấp phối tuân theo Superpave. Trong nghiên cứu này, các cấp phối được sử
dụng đó là trên, qua và dưới VGH. Với cốt liệu đá gồm đá granite, đá vôi và sỏi. Tất cả cốt liệu đều được nghiền. Các cấp phối được thiết kế dành cho lớp mặt và lớp dưới theo thứ tự có cỡ hạt lớn nhất danh định là là 12,5mm và 19,0mm. Nhựa đường được sử dụng cho tất cả các cấp phối có cấp nhựa là PG 64-22.
Nhóm nghiên cứu đã tổng kết các số liệu và chỉ ra rằng có sự khác nhau rõ rệt về khả năng làm việc của các cấp phối khác nhau. Họ thấy rằng, với đá granite và đá vôi, cấp phối dưới VGH thường cho chiều sâu lún cao nhất, cấp phối qua VGH là thấp nhất, còn trên VGH cho kết quả trung bình.
National Center for Ashpalt Technology (NCAT), Hoa Kỳ, đã kết thúc việc xây dựng 2,7km đường thí nghiệm gần Auburn, Alabana. Con đường này được dùng để mô phỏng thí nghiệm già hóa của áo đường mềm. Những cấp phối trên, qua và dưới VGH được dùng để xây dựng các đoạn đường thí nghiệm. Mô hình thu nhỏ sẽ tạo ra các căn cứ để kiểm tra sự ảnh hưởng của cấp phối đến khả năng làm việc thực tế của BTN. Dựa vào kết quả thu được, nhóm nghiên cứu đã thấy rằng sức kháng lún trồi của BTN có thể được cải thiện khi sử dụng cấp phối hạt mịn. Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra rằng các cấp phối Superpave trên và qua VGH cho thấy ít biến dạng theo thời gian hơn các cấp phối dưới VGH. Một số nhà nghiên cứu kết luận rằng hỗn hợp BTN có sức kháng lún trồi đảm bảo tiêu chuẩn có thể được sản xuất với bất kì cấp phối nào [19].
Trong một nghiên cứu khác của Arif Chowdhury et al. [19], nhóm nghiên cứu đã sử bốn loại cốt liệu liệu khác nhau gồm: 100% đá ganite nghiền, 100% đá vôi, 100% đá cuội sông nghiền và đá cuội sông nghiền trộn với cát tự nhiên. Với mỗi loại cốt liệu, 3 hỗn hợp BTN được chế tạo với 3 cấp phối trên, qua và dưới VGH.
Dựa vào các số liệu thu được, nhóm nghiên cứu đã kết luận rằng không có mối liên hệ nào giữa VGH và chất lượng của BTN, kết luận thứ 2 là những hỗn hợp BTN có cấp phối trên VGH có sức kháng biến dạng tốt hơn những hỗn hợp BTN có cấp phối dưới VGH.
Sousa et al. [20] đã đánh giá sự ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu đến thời gian mỏi của BTN. Trong nghiên cứu này, 100 % đá nghiền với các cấp phối trên VGH, qua VGH và dưới VGH được thực hiện. Để đánh giá thời gian mỏi của BTN nóng,
thí nghiệm kiểm tra mỏi 4 điểm trên một mẫu thí nghiệm được thực hiện theo qui trình thí nghiệm SHRP M009. Độ mỏi thực tế của 230 mẫu thí nghiệm được so sánh với kết quả tính toán dự đoán bởi một chương trình của Shell. Một trong những kết luận của họ là cấp phối trên và qua VGH kháng mỏi tốt hơn những cấp phối dưới VGH.