6. Kết cấu của luận văn
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.
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
- 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 phương pháp cắt Leutner, thắ nghiệm hiện trường sử dụng phương pháp FWD.
2.5 GIỚI THIỆU BỘ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM LEUTNER SỬ DỤNG TRONG KHUÔN KHỔ CỦA LUẬN VĂN
Các phương pháp thắ nghiệm và các bộ thiết bị thắ nghiệm ựồng bộ trong phòng nêu ở Mục 2.2 ựã khá phổ biến ở các nước phát triển. Tuy nhiên, do thắ nghiệm cắt vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam nên thiết bị thắ nghiệm vẫn chưa phổ biến.
để thực hiện ựược thắ nghiệm cắt trong phòng một bộ khuôn thắ nghiệm theo nguyên tắc thắ nghiệm Leutner ựã ựược chế tạo và sử dụng tại Trường đại học Giao thông Vận tải [4]. Khuôn cắt ựược gá lắp vào thiết bị Marshall ựể thắ nghiệm.
Hình 2.11: Khuôn cắt Leutner
Toàn bộ thiết bị ựồng bộ gồm thiết bị Marshall, khuôn cắt Leutner, máy tắnh Ầ ựược thể hiện ở Hình 2.12 Trong trường hợp thắ nghiệm cắt trong không khắ ở ựiều kiện phòng thì bể ổn nhiệt (bằng nước) ựược tháo rời khỏi hệ thống thiết bị thắ nghiệm.
Chương 3:
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM đỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP XÁC đỊNH CƯỜNG đỘ DÍNH BÁM
Như ựã trình bày trong chương 1, kết cấu mặt ựường mềm thường có nhiều lớp ựược liên kết với nhau ựể ựảm bảo khả năng chịu lực chung. điều kiện dắnh bám giữa các lớp ựóng một vai trò quan trọng trong tổng thể cấu trúc kết cấu, ảnh hưởng ựến khả năng chịu lực và tuổi thọ của mặt ựường [5]. Tuy nhiên các tiêu chuẩn hiện hành chưa xét ựến cường ựộ dắnh bám giữa các lớp bê tông asphalt [10, 12, 20]. Cho ựến nay, vẫn chưa có tiêu chuẩn hoặc hướng dẫn phù hợp ở hầu hết các quốc gia trên thế giới ựể ngăn chặn hoặc hạn chế tối ựa những hư hỏng mặt ựường bê tông asphalt do mất dắnh bám gây nên . Tiêu chuẩn của Thụy Sĩ ựề xuất nếu cường ựộ dắnh bám nhỏ hơn 0.34 MPa (50 psi) thì chất lượng dắnh bám ựược coi là kém. Khi cường ựộ dắnh bám ựạt trên 0.69 MPa (100 psi) thì mới ựược coi là chấp nhận ựược. Giá trị phù hợp của cường ựộ dắnh bám phù hợp với ựiều kiện làm việc ở từng quốc gia, trong ựó có Việt Nam, vẫn ựang ựược tiếp tục nghiên cứu [21]. Vì vậy, việc nghiên cứu thực nghiệm cường ựộ dắnh bám giữa các lớp bê tông asphalt cũng như cường ựộ chịu cắt của các loại bê tông asphalt ở các dự án xây dựng mặt ựường mềm cấp cao ở Viêt Nam là cần thiết. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm sẽ là những số liệu hữu ắch ựể ựánh giá khả năng chịu cắt, trượt của mặt ựường mềm ở Việt Nam. Trên cơ sở ựó ựề xuất phương pháp xác ựịnh cường ựộ dắnh bám ựể từng bước xây dựng tiêu chuẩn cũng như hướng dẫn công nghệ ựể ựảm bảo chất lượng mặt ựường mềm không bị hư hỏng do cắt, trượt là cần thiết.
Nội dung Chương 3 giới thiệu những kết quả bước ựầu nghiên cứu thực nghiệm cường ựộ dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt bằng cách sử dụng kết quả thắ nghiệm FWD và ựối chứng với cường ựộ chịu cắt của vật liệu bê
tông asphalt sử dụng cho xây dựng một dự án mặt ựường mềm cấp cao ở khu vực Hà Nộị
3.1 MÔ HÌNH XÁC đỊNH đIỀU KIỆN DÍNH BÁM THÍ NGHIỆM FWD
Một số lời giải của kết cấu mặt ựường nhiều lớp cần xác ựịnh ựiều kiện biên giữa các lớp ựể tắnh toán ứng suất, biến dạng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng. Những ựiều kiện biên có thể là liên kết ựầy ựủ, liên kết một phần và không có liên kết. Mô hình Goodman ựược chấp nhận rộng rãi khi nghiên cứu về ựiều kiện liên kết giữa 2 lớp [21,22].
Giả sử giữa hai lớp mặt ựường là một lớp vật liệu mỏng tiếp xúc với mô ựun ựàn hồi trượt G và có chiều dày t (Hình 3.1). Do ựó, dưới tác dụng của tải trọng, ứng suất cắt tại mặt tiếp xúc có thể ựược xác ựịnh như sau:
E1 E2 h 2 h 1 t t F F ∆u A Chi tiạt A Hình 3.1: Mô hình xác ựịnh mức ựộ liên kết γ τ =Gừ Trong ựó:
τ : Ứng suất cắt tại mặt tiếp xúc giữa lớp trên và lớp dướị
γ : Biến dạng cắt tại lớp mặt tiếp xúc có chiều dày t:
t u
∆ = γ
Với ∆u: Sự chuyển dịch ngang tương ựối giữa hai cạnh của lớp tiếp xúc:
u
Do ựó : u t G ∆ ừ = τ ⇔ τ =Ksừ(u2 −u1) (3-1) Với : Ks G t
= : Mô ựun ựặc trưng cho ựộ cứng chống trượt tại mặt tiếp xúc (MN/m3).
Phương trình (3-1) do Goodman ựề xuất từ năm 1968 ựược sử dụng trong các chương trình phân tắch nhiều lớp như chương trình BISAR, EverStressFE, BAKFAA,Ầ[19]
Như vậy hệ số AK của BISAR tỷ lệ nghịch với mô ựun phản ứng cắt trong mô hình Goodman:
s
K AK = 1 .
Nhiều nghiên cứu ựã xác ựịnh ựược giá trị Ks. Bachar Al Hakim [22,23] nghiên cứu sử dụng các số liệu ựo chậu võng bằng thắ nghiệm không phá hoại FWD ựể xác ựịnh mô ựun lớp và mức ựộ liên kết giữa các lớp. Hệ số Ks ựánh giá mức ựộ liên kết chống cắt của các lớp có các khoảng giới hạn: Tốt, khi Ks>105 MN/m3 ; Trung bình, khi 10<Ks≤105 ; và Kém, khi Ks≤10 MN/m3.
3.2 XÂY DỰNG TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN THÍ NGHIỆM FWD
Thắ nghiệm không phá huỷ mặt ựường FWD ựang ựược sử dụng rộng rãi ựể ựánh giá kết cấu mặt ựường. Từ kết quả ựo ựộ võng, chậu võng của mặt ựường có thể dự tắnh ựược giá trị mô ựun lớp kết cấu áo ựường bằng phương pháp phân tắch ngược. Quá trình phân tắch ngược là một quá trình tắnh toán mô ựun lớp mặt ựường và mô ựun ựàn hồi nền ựất dựa trên những chậu võng mặt ựường phát sinh bởi tải trọng FWD, với các thông số về mặt ựường ựã biết như: số lớp kết cấu, chiều dày lớp và hệ số Poisson. Quá trình phân tắch ngược ựược lặp ựi lặp lại nhiều lần, bằng cách ựiều chỉnh bộ mô ựun lớp mặt ựường dần dần ựể phù hợp nhất với sai số nằm trong phạm vi có thể chấp nhận ựược giữa ựộ võng thực ựo và ựộ võng lý thuyết tắnh toán. Các chương trình phân tắch ngược phổ biến như EVERCALC 5.0, ELMOD, BISDEF,
CHEVDEF, MODULUS, PEĐ1, MICHBAK, FWDAREA và WESDEF [22]. Sè liỷu ệo FWD ệé vâng di Thềng sè kạt cÊu - Sè lắp (n) - ChiÒu dộy (di) - Hỷ sè Poisson Sỏ dông Elmod6 tÝnh ng−ĩc Ei Bé giị trỡ Ei cho sai sè nhá nhÊt ậiÒu chửnh Ei vộ hỷ sè Ks Sỏ dông BISAR3.0 tÝnh ệé vâng di RMS ≤ 10% ậ S Kạt quờ: Bé giị trỡ Ei vộ hỷ sè Ks
Hình 3.2: Sơ ựồ quá trình tắnh toán
Một trong những nguyên nhân dẫn ựến sai số giá trị mô ựun lớp khi phân tắch ngược là do mức ựộ liên kết giữa các lớp. Các chương trình phân tắch ngược nêu trên ựều giả thiết các lớp dắnh chặt. Các nghiên cứu chỉ ra rằng liên kết
giữa các lớp không hoàn toàn dắnh chặt và như vậy cần phải xác ựịnh mức ựộ liên kết giữa các lớp và mô ựun lớp trong phép phân tắch ngược.
Trong nghiên cứu này, mô hình bán không gian vô hạn ựàn hồi nhiều lớp