6. Kết cấu của luận văn
2.1Tổng quan
Như ựã phân tắch ở Chương 1, các tiêu chuẩn hiện hành chưa xét ựến cường ựộ dắnh bám giữa các lớp bê tông asphalt [6, 15, 16]. Tuy nhiên, những hư hỏng mặt ựường mềm ựặt vấn ựề cần xác ựịnh chất lượng lớp dắnh bám ựể so sánh với yêu cầu chống trượt, từ ựó có giải pháp khắc phục, cải thiện.
Từ những năm 1970 ựến nay, nhiều phương pháp và thiết bị thắ nghiệm ựã ựược phát triển và áp dụng ựể xác ựịnh cường ựộ dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt. Nguyên lý chung của các phương pháp dựa trên cơ chế cắt trực tiếp, cơ chế nhổ và cơ chế xoắn (Hình 2.1). Các phương pháp này có thể ựược chia thành 2 nhóm chắnh, gồm nhóm thực nghiệm hiện trường và nhóm thực nghiệm trong phòng.
a) Thắ nghiệm cắt trực tiếp
b) Thắ nghiệm nhổ c) Thắ nghiệm xoắn
Hình 2.1: Các mô hình thắ nghiệm xác ựịnh cường ựộ dắnh bám [18]
2.2 NHÓM CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG
Nhóm phương pháp thắ nghiệm trong phòng có thể kể ựến gồm thắ nghiệm cắt Leutner (Leutner test), thắ nghiệm cắt Superpave (Superpave shear test -
SST),thắ nghiệm cắt NCAT (NCAT shear test), và một số phương pháp khác. Các phương pháp thắ nghiệm này tiến hành kiểm tra ựối với các mẫu khoan từ hiện trường hoặc mẫu chế bị trong phòng thắ nghiệm. Thông qua lực lớn nhất làm thân mẫu hoặc bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp bê tông asphalt bị cắt phẳng trực tiếp ựể xác ựịnh cường ựộ chịu cắt và cường ựộ dắnh bám.
2.2.1 Thắ nghiệm cắt Leutner
Thắ nghiệm cắt Leutner (Leutner test) ựược phát triển ở đức vào cuối những năm 1970. đây là một thiết bị ựơn giản ựể thắ nghiệm cắt trực tiếp nhằm xác ựịnh lực dắnh giữa hai lớp bê tông asphalt. Thắ nghiệm ựược thực hiện với mẫu thử hình trụ ựường kắnh 150 mm ựược tạo thành từ ắt nhất 2 lớp bê tông asphalt. Mẫu thử có thể ựược khoan từ hiện trường hoặc ựược chế bị trong phòng thắ nghiệm. Cơ chế của phương pháp này là tác dụng một lực cắt tập trung không ựổi ựể tạo ra một tốc ựộ chuyển bị cắt không ựổi tại mặt tiếp xúc giữa hai lớp bê tông asphalt. Tốc ựộ chuyển bị cắt không ựổi theo tiêu chuẩn là 50 mm/phút. Vì vậy, thiết bị thắ nghiệm Marshall hoặc thiết bị thắ nghiệm CBR có thể ựược sử dụng cho thắ nghiệm Leutner. So với thắ nghiệm SST thì thiết bị thắ nghiệm Leutner ựơn giản hơn .
Nhiệt ựộ tiêu chuẩn của thắ nghiệm này là ở 20OC. Nếu bộ thắ nghiệm cắt ựược ựặt trong buồng khắ hậu thì thắ nghiệm cắt có thể ựược thực hiện ở các nhiệt ựộ mong muốn. Trong trường hợp này, các mẫu thử cần ựược dưỡng hộ trong buồng khắ hậu 8 giờ trước khi tiến hành cắt.
Trên cơ sở nguyên lý của thiết bị thắ nghiệm Leutner, bộ thiết bị Leutner ựược hiệu chỉnh thành thiết bị cắt trực tiếp lớp song song (cắt phẳng trực tiếp) LPDS. Nhờ ựó, thiết bị LPDS ựược gá lắp dễ dàng vào thiết bị thắ nghiệm Marshall ựể thắ nghiệm (Hình 2.3) [17]. Bộ thiết bị LPDS ựã trở thành thiết bị thắ nghiệm tiêu chuẩn của Thụy Sĩ.
Hình 2.3: Sơ ựồ và nguyên lý của thiết bị LPDS [17]
Khi mẫu thử bị phá hoại do cắt, giá trị lực cắt Pmax (N) ựược nghi lạị Sau ựó, cường ựộ cắt SB (MPa) ựược tắnh toán theo công thức (2-1):
2 4 D P SB Max π = (2-1)
2.2.2 Thắ nghiệm cắt Superpave
Thiết bị thắ nghiệm Superpave (Superpave Shear Tester - SST) ựược phát triển bởi Chương trình nghiên cứu ựường cao tốc chiến lược (SHRP). Thắ nghiệm này ựược sử dụng ựể ựánh giá các tắnh chất liên quan ựến biến dạng lâu dài, trong ựó có tắnh chất chịu cắt, trượt của bê tông asphalt. Các tắnh chất thu ựược là cơ sở ựể thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt theo phương pháp Superpavẹ
Thắ nghiệm SST thường thực hiện với các mẫu thử hình trụ có kắch thước từ 75 ựến 150 mm. Thắ nghiệm SST có thể ựược sử dụng ựể thực hiện ba loại thắ nghiệm cắt phổ biến sau [3]:
Thắ nghiệm cắt ựơn giản với chiều cao không ựổi (SSCH). Thắ nghiệm này theo nguyên lý tác dụng lên mẫu một ứng suất cắt có ựộ lớn 7kPa với số chu kỳ là 100. Sau ựó tăng ứng suất cắt tác dụng lên mẫu với tốc ựộ là 70kPa/giây và giữ trong khoảng thời gian 10 giâỵ Sau 10 giây, giảm ứng suất cắt xuống còn 0 với tốc ựộ 21kPa/giâỵ Tiếp tục ghi số liệu thêm 30 giây nữa sau khi tải trọng ựã về 0. Thắ nghiệm ựược thực hiện ở các nhiệt ựộ 4OC, 20OC và 40OC. Kết quả thu ựược là ứng suất dọc trục, ứng suất cắt và biến dạng cắt.
Thắ nghiệm cắt tải trọng lặp với chiều cao không ựổi (RSCH). Theo thắ nghiệm này, một ứng suất cắt có dạng nửa hình sin với số chu kỳ là 100, thời gian tác dụng 0.1 giây, nghỉ 0.6 giây với ứng suất tác dụng dọc trục không vượt quá 7kPa ựược tác dụng lên mẫụ Tiếp theo, tác dụng lên mẫu một ứng suất cắt có dạng nửa hình sin có ựộ lớn 70kPa với số chu kỳ là 5000, thời gian tác dụng 0.1 giây, nghỉ 0.6 giâỵ Nhiệt ựộ thắ nghiệm là nhiệt ựộ trung bình của 7 ngày trong năm ựo ở ựộ sâu 50, 8mm. Kết quả thắ nghiệm thu ựược là ứng suất dọc trục, ứng suất cắt và biến dạng cắt.
Thắ nghiệm cắt tải trọng lặp với tỷ lệ ứng suất không ựổi (RSCSR). Tiến hành tác dụng lên mẫu ựồng thời một ứng suất dọc trục và ứng suất cắt có dạng nửa hình sin có ựộ lớn sao cho tỷ lệ giữa ứng suất dọc trục và ứng suất cắt là
không ựổi và bằng từ 1,2 ựến 1,5 lần. Nhiệt ựộ chọn ựể thắ nghiệm là nhiệt ựộ trung bình của 7 ngày trong năm ựo ở ựộ sâu mặt ựường là 50,8 mm.
Tác dụng lên mẫu ựồng thời một ứng suất dọc trục và ứng suất cắt có dạng nửa hình sin với số chu kỳ là 100, thời gian tác dụng 0.1 giây, nghỉ 0.6 giây với ứng suất tác dụng dọc trục không vượt quá 7kPạ Tiếp theo, cho tải trọng tác dụng với số chu kỳ là 5000 chu kỳ. Kết quả thắ nghiệm thu ựược là ứng suất dọc trục, ứng suất cắt và biến dạng cắt.
Trong 3 thắ nghiệm trên thì thắ nghiệm cắt ựơn giản với chiều cao không ựổi thường ựược áp dụng ựể thắ nghiệm xác ựịnh cường ựộ dắnh bám tại mặt tiếp xúc giữa hai mẫu thử bê tông asphalt trong phòng thắ nghiệm.
Hình 2.4: Khuôn mẫu và bộ hộp mẫu thử SST [19]
.
Các mẫu thử sau khi chế bị trong phòng (hoặc khoan từ hiện trường) ựược liên kết bằng lớp dắnh bám với loại và hàm lượng chất kết dắnh thử nghiệm. Sau ựó mẫu thử ựược ựặt vào hộp SST (Hình 2.4). Hộp mẫu thắ nghiệm ựược gá lắp vào máy thắ nghiệm SST (Hình 2.5) và tiến hành thắ nghiệm cắt. Lực cắt ựược duy trì với tốc ựộ 222.5 N/phút cho ựến khi mẫu bị phá hoạị Do toàn bộ hộp mẫu thắ nghiệm SST ựược ựặt trong buồng khắ hậu nên thắ nghiệm cắt SST có thể chủ ựộng khống chế ựược ựiều kiện nhiệt ựộ khi thắ nghiệm. Thông thường nhiệt ựộ thắ nghiệm ở 25OC và 55OC.
2.2.3 Thắ nghiệm cắt NCAT
Các phương pháp thắ nghiệm cắt Superpave và Leutner chỉ tiến hành thắ nghiệm cắt phẳng mà chưa xét ựến tác dụng của lực nén dọc trục do ảnh hưởng của áp lực thẳng ựứng của bánh xe cũng như ma sát mặt ựường gây rạ để cải tiến các thắ nghiệm nêu trên, Trung tâm công nghệ asphalt quốc gia (NCAT) Mỹ ựã chế tạo bộ thiết bị thắ nghiệm cường ựộ cắt NCAT có bổ sung bộ phận gia tải dọc trục nêu trên (Hình 2.6) [9].
Bộ thiết bị này cũng ựược gá lắp vào các thiết bị nén truyền thống phù hợp hoặc thiết bị Marshall. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Lực dọc trục thường ựược áp dụng ba mức, ở 0, 69, và 138 kPạ Nhiệt ựộ thắ nghiệm mẫu thử thường ở ba chế ựộ 10, 25 và 60OC. Tốc ựộ cắt duy trì ở 50.8mm/phút. Công thức tắnh cường ựộ chịu cắt cũng tương tự như phương pháp Leutner nêu ở Mục 2.2.1
2.3NHÓM CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG
Nhóm phương pháp hiện trường gồm 3 loạị Phương pháp sử dụng số liệu ựo FWD (Falling Weight Deflectometer) hiện trường và áp dụng phương pháp tắnh ngược bằng phần mềm máy tắnh BISAR ựể dự ựoán cường ựộ dắnh bám. Phương pháp thắ nghiệm kéo tuột (Pull-out test) ựể xác ựịnh cường ựộ chịu kéo của lớp dắnh bám từ ựó ựánh giá chất lượng của lớp dắnh bám. Phương pháp thắ nghiệm xoắn (Torque Bond test) kiểm tra cường ựộ dắnh bám thông qua mô men xoắn gây phá hoại bề mặt dắnh kết giữa 2 lớp bê tong asphalt từ mẫu khoan.
2.3.1 Phương pháp FWD
Trong những năm gần ựây, việc ựo ựạc ựộ võng ựộng của kết cấu mặt ựường sử dụng bộ thiết bị Falling Weight Deflectometer (FWD) ựã ựược áp dụng khá phổ biến. Kết quả thắ nghiệm xác ựịnh ựộ võng ựộng ngoài hiện trường là cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ cho công tác kiểm tra, ựánh giá cũng như thiết kế kết cấu mặt ựường. Kết quả ựo võng hiện trường bằng thiết bị FWD cần ựược phối hợp với các mô hình toán và các chương trình tắnh kết cấu mặt ựường (phổ biến nhất là phần mềm BISAR theo nguyên tắc tắnh thử dần) ựể dự ựoán sự dịch chuyển tương ựối giữa hai lớp của kết cấu mặt ựường, từ ựó xác ựịnh cường ựộ dắnh bám.
Ban ựầu giả ựịnh các lớp trong kết cấu mặt ựường là Ộdắnh chặtỢ theo giả thiết liền khốị Mô hình toán ựược áp dụng ựể mô phỏng ứng xử của kết cấu mặt
ựường dưới tác dụng của tải trọng ựộng khai thác ựể từ ựó xác ựịnh ựược chậu võng giả ựịnh theo tắnh toán. Chậu võng tắnh toán ựược ựược so sánh với kết quả ựo chậu võng thực tế hiện trường. Nếu hai kết quả này có sự khác biệt thì chứng tỏ ựã có sự dịch chuyển tương ựối giữa các lớp trong kết cấu mặt ựường. Quá trình thử dần trong chương trình tắnh ựược thực hiện bằng các vòng lặp với các ựiều kiện dắnh bám thay ựổị đến khi nào kết quả chậu võng tắnh toán ựược phù hợp với chậu võng thực tế ựo ựược từ hiện trường thì dừng và kết quả thu ựược sẽ bao gồm một số chỉ tiêu ựầu vào của vật liệu và kết cấu, trong ựó có kết quả về sự dịch chuyển (trượt) tương ựối giữa các lớp. Nói cách khác, ựiều kiện dắnh bám giữa các lớp sẽ ựược xác ựịnh.
2.3.2 Phương pháp thắ nghiệm xoắn
Phương pháp thắ nghiệm xoắn (Torque Bond test) ựược phát triển ở Thụy điển ựể thắ nghiệm ựiều kiện dắnh bám ngoài hiện trường. Sau ựó, phương pháp này ựược cải tiến và sử dụng ở Vương quốc Anh nhằm phục vụ ựánh giá chất lượng thi công các lớp phủ mỏng bê tông asphalt ngay tại hiện trường [19].
Bộ thiết bị xoắn bao gồm một khuôn ựế bằng kim loại, một tấm kim loại có ựường kắnh bằng ựường kắnh lõi khoan, một bộ tay quay ựể tạo lực xoắn khi thắ nghiệm. Theo phương pháp này, kết cấu mặt ựường sau khi thi công xong ựược khoan lấy mẫụ đường kắnh lõi khoan thường là 100 mm. Chiều sâu khoan lõi mẫu sâu hơn chiều dày kết cấu mặt ựường. Lõi mẫu sau ựó ựược thắ nghiệm ựánh giá ngay tại hiện trường bằng thiết bị này với các bước chủ yếu gồm: ựặt mẫu lõi khoan vào khuôn ựế sao cho mặt phân cách giữa hai lớp bê tông asphalt nằm phắa trên của vòng khuôn ựế; làm sạch bề mặt trên của mẫu lõi khoan; bôi keo ựể gắn chặt tấm kim loại vào mặt trên của mẫu lõi khoan; gá lắp tay quay và xoắn cho ựến khi mẫu thử bị phá hoạị Thông thường vị trắ phá hoại trùng với mặt tiếp xúc giữa hai lớp bê tông asphalt của mẫu thắ
nghiệm. Lực xoắn lớn nhất thu ựược ựược sử dụng ựể tắnh toán cường ựộ chịu cắt (hay cường ựộ dắnh bám) giữa hai lớp bê tông asphalt.
Hình 2.7: Khuôn ựế và lắp mẫu lõi khoan, tấm thép lên bề mặt mẫu thử [19]
.
Hình 2.8: Thắ nghiệm xoắn hiện trường và trong phòng [19]
Cường ựộ dắnh bám sau ựó ựược tắnh toán sử dụng công thức (2-2):
3 6 10 12 D Mx π τ = (2-2) Trong ựó:
M: là lực xoắn lớn nhất gây phá hoại mẫu thử (N.m); D: là ựường kắnh lõi khoan (mm);
Gần ựây bộ thiết bị này cũng ựược hiệu chỉnh ựể sử dụng thắ nghiệm trong phòng nhằm mục tiêu thực hiện các thắ nghiệm dắnh bám ứng với các ựiều kiện môi trường khác nhaụ
2.3.3 Phương pháp thắ nghiệm nhổ bật
Phương pháp thắ nghiệm nhổ bật (Pull-out test) ựược phát triển bởi Trường đại học Texas (UTEP). Phương pháp này sử dụng ựể xác ựịnh cường ựộ chịu kéo của lớp dắnh bám trước khi lớp bê tông asphalt phắa trên ựược thi công. Bộ thiết bị nặng 10.43 kg (23 pounds) với một giá 3 chân, một bộ tay quay, bộ quả nặng gia tải và các ựồng hồ ựo như Hình 2.9 [19]
Hình 2.9: Thiết bị thắ nghiệm nhổ bật [19] Quả nặng gia tải Tấm kim loại Ốc hãm Giá ba chân Vị trắ gắn tay quay
Phương pháp sử dụng thiết bị này khá ựơn giản. Sau khi lớp dắnh bám ựược tưới lên bề mặt lớp bê tông asphalt ựã thi công khoảng 30 phút ựảm bảo cho lớp dắnh bám ựông ựặc, tiến hành thắ nghiệm nhổ bật. Thiết bị thắ nghiệm ựược ựặt lên trên bề mặt lớp tưới dắnh bám. Quay tay quay theo chiều kim ựồng hồ ựể di chuyển một tấm kim loại tiếp xúc ựều lên bề mặt của lớp dắnh bám. Tải trọng 18.14 kg (40 pounds) ựược ựặt lên trên ựể ép chặt tấm kim loại trong thời gian 10 phút ựể tấm kim loại dắnh với bề mặt lớp dắnh bám. Sau ựó dỡ tải trọng và gắn tay quay và quay theo chiều ngược kim ựồng hồ cho ựến khi tấm kim loại ựược nhổ bật khỏi bề mặt lớp nhựa dắnh bám trên mặt ựường. Lực xoắn khi quay lớn nhất ựể nhổ bật tấm kim loại nêu trên ựược nghi lại ựể sử dụng chuyển ựổi sang cường ựộ bằng các công thức và hệ số chuyển ựổị Các bước thắ nghiệm chủ yếu ựược minh họa theo Hình 2.10.
Hình 2.10: Gia tải và tiến hành thắ nghiệm nhổ bật [19]
Phương pháp thắ nghiệm nhổ bật (Pull-out test) ựược sử dụng nhiều ở Việt Nam và viện khoa học công nghệ GTVT ựã dùng nhiều ựể làm thắ nghiệm dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt.
2.4 NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN
Nội dung Chương này ựã giới thiệu tổng quan về các phương pháp và các thiết bị thắ nghiệm ựược sử dụng ựể nghiên cứu về cường ựộ chịu cắt cũng như cường ựộ dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt trên thế giớị
để từng bước nghiên cứu về dắnh bám giữa các lớp bê tông asphalt, từ ựó có ựược những số liệu cho thiết kế và thi công mặt ựường mềm ở Việt Nam thì việc lựa chọn phương pháp và thiết bị kiểm tra là cần thiết.
Trong số các phương pháp thắ nghiệm trong phòng ựã trình bày ở trên thì phương pháp thắ nghiệm cắt Leutner có những ưu ựiểm sau:
- Là phương pháp có thiết bị và trình tự các bước tiến hành thắ nghiệm ựơn giản hơn các phương pháp còn lạị
- Thiết bị thắ nghiệm cắt Leutner có thể chế tạo và lắp ựồng bộ với các thiết bị khác có trong phòng thắ nghiệm như thiết bị thắ nghiệm Marshall, máy tắnhẦ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Giá thành phù hợp cho ựiều kiện ở Việt Nam.
Trong số các phương pháp thắ nghiệm hiện trường ựã trình bày ở trên thì phương pháp FWD tuy có chi phi thiết bị cao, nhưng có những ưu ựiểm sau:
- Là phương pháp có tắnh hiệu quả cao, thắ nghiệm nhanh trong cùng một khoảng thời gian ựo so với các phương pháp khác.
- Chi phắ thắ nghiệm cho lần thắ nghiệm hiện trường thấp, công tác ựảm bảo giao thông ựơn giản, ắt ùn tắc.
- Ngoài ra kết quả thắ nghiệm xác ựịnh ựộ võng ựộng ngoài hiện trường là cơ sở dữ liệu quan trọng phục vụ cho công tác kiểm tra, ựánh giá cũng như thiết kế kết cấu mặt ựường.
Do ựó trong khuôn khổ luận văn, lựa chọn thắ nghiệm trong phòng sử dụng