5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1 Xác định các thông số chính cho thí nghiệm mỏi
2.1.1 Nhiệt độ thí nghiệm
Để lựa chọn các mức nhiệt độ dành cho thí nghiệm mỏi bê tông asphalt, chúng ta sẽ phân tích các nghiên cứu trên thế giới và những khuyến cáo của họ, đồng thời phân tích các điều kiện cụ thể tại VN.
Để đánh giá sự khác biệt nhiệt độ bên trong và bên ngoài lớp bê tông asphalt, Minhoto et al. đã gắn thiết bị và đo nhiệt độ trong và ngoài kết cấu áo đường tại nhiều vị trí (bề mặt và các vị trí theo chiều sâu của kết cấu). Thời gian đo thực hiện liên tục từ tháng 01/2004 - 12/2004. Kết quả đo thể hiện tại Hình 2.1.
Nhiệt độ tại bề mặt đường Nhiệt độ tại độ sâu 0,125m Nhiệt độ tại độ sâu 0,335m
Hình 2.1 Nhiệt độ kết cấu áo đường đo trong 1 năm (Minhoto et al) [27]
đường mềm sẽ giảm theo chiều sâu so với trên bề mặt. Khi nhiệt độ tại bề mặt đường thấp thì không có nhiều sự chênh lệch về nhiệt độ so với bên trong kết cấu.
Theo Deacon et al (1994); Stuart et al (2002) lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm có biểu hiện mỏi hoặc suy giảm độ cứng dưới tác dụng của tải trọng lặp trong khoảng nhiệt độ từ 10°C đến 30°C [34]. Các nghiên cứu độ bền mỏi bê tông asphalt của SHRP được thực hiện tại 20°C. Ngoài ra, thí nghiệm mỏi trong phòng thường được thực hiện tại tần số 10 Hz, 20°C với chế độ kiểm soát biến dạng.
Kết quả tổng hợp và khảo sát nhiệt độ trung bình lớp bê tông asphalt ở VN được tổng hợp tại Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Nhiệt độ mặt đường bê tông asphalt ở VN [4]
Vùng khí hậu Mức nhiệt độ Nhiệt độ đo thực tế (độ C)
Miền Bắc Cao nhất 53,50
Thấp nhất 10,75
Miền Nam Cao nhất 50,00
Hiện nay, theo 22TCN 211-06 [9] khi kiểm toán điều kiện chịu kéo uốn lớp bê tông asphalt, trị mô đun đàn hồi tính toán của vật liệu này được thí nghiệm ở nhiệt độ 10 độ C, 15 độ C (điều kiện được xem là bất lợi). Cụ thể 10 độ C với lớp bê tông asphalt dày ≤ 7cm và 15độ C với lớp bê tông asphalt dày > 7cm.
Những vấn đề liên quan đến yếu tố nhiệt độ được phân tích như sau:
1/ Khi nhiệt độ trên bề mặt đường cao, theo chiều sâu vào trong kết cấu áo đường nhiệt độ sẽ giảm hơn;
2/ Nhiệt độ trung bình tại VN nhìn chung là cao, tuy nhiên vào mùa đông khá nhiều vùng (miền Bắc, Tây Nguyên,…) nhiệt độ xuống thấp, thậm chí < 0 độ C. Hiện nay tiêu chuẩn [9] tại VN vẫn có sử dụng mức nhiệt độ thấp đến 10 độ (nhiệt độ bất lợi) để kiểm toán kéo uốn lớp bê tông asphalt;
3/ Xét đến hiệu quả đầu tư xây dựng kết cấu áo đường mềm thống nhất trên cả nước với nhiều vùng có khí hậu, nhiệt độ khác nhau nhiều;
4/ Xét đến yếu tố nhiệt độ bất lợi cho khả năng kháng mỏi của bê tông asphalt là ở nhiệt độ thấp; tham khảo các giá trị nhiệt độ quy ước dùng cho thí nghiệm và đánh giá độ bền mỏi bê tông asphalt đã được sử dụng trên thế giới ở những khu vực có
khí hậu tương tự như VN.
Trên cơ sở đó, hai mức nhiệt độ thấp (bất lợi) được kiến nghị chọn có thể dùng làm mức nhiệt độ quy ước trong tính mỏi bê tông asphalt để đặc trưng cho hai khu vực khí hậu ở VN. Và hai mức nhiệt độ đó cũng chính là nhiệt độ sử dụng cho thí nghiệm mỏi bê tông asphalt trong luận án, cụ thể:
- 20 độ C cho những khu vực có nhiệt độ trung bình tương đối cao, - 10 độ C cho những khu vực có nhiệt độ trung bình thấp.
2.1.2 Tần số tải thí nghiệm
Sự thay đổi tốc độ đặt tải tác dụng có ảnh hưởng tương tự như thay đổi nhiệt độ của vật chất. Theo mô hình xác định tần số tải nêu tại [34] thì tần số tải được tính cho mặt dưới của lớp bê tông asphalt.
Tần số được xác định thông qua vận tốc và chiều dài vùng phân bố tải tác dụng của lốp xe tại đáy lớp bê tông asphalt (b), thể hiện tại Bảng 2.2.
Chiều dài b được tính theo mô hình thể hiện tại Hình 2.2.
Trong đó: Hình 2.2 Mô hình xác định tần số tải [34]
a : chiều dài vùng tiếp xúc của lốp xe, a = 10 ÷ 40 (cm) [34] h : bề dày lớp bê tông asphalt, h = 5 ÷ 40 (cm) [34]
θ° : góc phân bố tải, o
= 30÷ 75 (độ) [34]
Bảng 2.2 Xác định tần số tải thông qua vận tốc và chiều dài vùng phân bố tải
Vận tốc (km/h)
Chiều dài vùng phân bố tải tác dụng tại đáy lớp bê tông asphalt, b (cm) b = 15 b = 30 b = 60 b = 120 b = 240 b = 480 Tần số (Hz) 5 1,47 0,74 0,37 0,18 0,09 0,05 10 2,95 1,47 0,74 0,37 0,18 0,09 30 8,84 4,42 2,21 1,11 0,55 0,28 60 17,68 8,84 4,42 2,21 1,11 0,55 h a b
Vận tốc (km/h)
Chiều dài vùng phân bố tải tác dụng tại đáy lớp bê tông asphalt, b (cm) b = 15 b = 30 b = 60 b = 120 b = 240 b = 480
Tần số (Hz)
100 29,47 14,73 7,37 3,68 1,84 0,92
120 35,36 17,68 8,84 4,42 2,21 1,11
Theo đề xuất của Shell (1978) [34] thời gian đặt tải 0,02s là đại diện cho phạm vi một chiếc xe chạy với tốc độ 48 ÷ 64 km/h, tương ứng với tần số là 8 Hz.
Huang (1993) [34] đã đề xuất mô đun độ cứng của bi tum có thể được xác định bằng thí nghiệm từ biến với một thời gian đặt tải tương ứng hoặc là thí nghiệm động ứng với một tần số tương ứng. Van Der Poel (1954) [34] đã đề xuất mô đun độ cứng được thí nghiệm bằng tải trọng tác dụng có thời gian đặt tải t quan hệ với tần số f theo công thức (2.1).
(2.1) Xem xét tất cả các vấn đề và những hạn chế của thiết bị thí nghiệm, tần số tải được đặt trong phạm vi từ 2,5 Hz ÷ 20 Hz. Trong đó 2 tần số trung gian là 5 Hz và 10 Hz được sử dụng phổ biến hơn trong các thí nghiệm mỏi bê tông asphalt.
Phần mềm thí nghiệm 4PB của hãng Cooper có tải trọng được thiết lập sẵn với dạng hình sin liên tục (Hình 2.3).
Hình 2.3 Biểu đồ dạng hình sin tải tác dụng và độ võng của dầm
Áp dụng mô hình xác định tần số tải được nêu tại Hình 2.2, Bảng 2.2 vào điều kiện thiết kế kết cấu áo đường thông thường tại VN: chiều dày lớp mặt bê tông asphalt 6cm ÷ 8cm, lốp xe có a = 33cm, thì với vận tốc xe chạy từ 40km/h ÷
80km/h, giá trị tần số tải xác định được trong khoảng 4,4Hz ÷ 9,0Hz. Tham khảo thêm các khuyến cáo về tần số tải thí nghiệm mỏi được áp dụng trên thế giới và những hạn chế về khả năng làm thí nghiệm của đề tài, hai mức tần số tải quy ước được lựa chọn dùng cho nghiên cứu này là 5 Hz và 10 Hz. Hình 2.4, Hình 2.5 minh họa biểu đồ lực tác dụng (F) dạng hình sin và độ võng tại đáy giữa dầm (Z) khi thí nghiệm uốn dầm 4 điểm ở tần số 5 Hz và 10 Hz được thực hiện trong luận án.
Hình 2.4 Biểu đồ lực và độ võng dạng hình sin thí nghiệm ở tần số 5 Hz
Hình 2.5 Biểu đồ lực và độ võng dạng hình sin thí nghiệm ở tần số 10 Hz
2.1.3 Chế độ thí nghiệm
Thí nghiệm mỏi được thực hiện bằng hai chế độ khống chế ứng suất (ứng suất không đổi) và khống chế biến dạng (biến dạng không đổi) dưới tác dụng của tải trọng. Ở chế độ khống chế biến dạng, biến dạng được duy trì ở một giá trị không đổi; khi đó ứng suất sẽ thay đổi. Ở chế độ khống chế ứng suất, ứng suất được duy trì cố định; khi đó biến dạng sẽ phải luôn thay đổi.
dày lớp asphalt mỏng). Ngược lại khống chế ứng suất thiên về dạng vật liệu cứng hơn (hoặc chiều dày asphalt lớn). Khống chế biến dạng được sử dụng rộng rãi hơn vì nó cho kết quả phù hợp với thực tế khai thác. Kinh nghiệm cho thấy với lớp mặt đường có lớp asphalt dày (> 5 inches) thì chế độ khống chế ứng suất sẽ mô hình hóa gần hơn với thực tế khai thác của nó. Mặt đường asphalt mỏng (< 5 inches) thì chế độ khống chế biến dạng lại phù hợp hơn với thực tế khai thác [34].
Với thí nghiệm khống chế biến dạng, ở mức biến dạng nhỏ có thể mẫu sẽ không bị phá hoại; do đó điều kiện kết thúc thí nghiệm là vấn đề quan trọng phải xem xét đến. Theo [34] kết thúc một thí nghiệm uốn mỏi còn phụ thuộc vào chế độ và mục đích thí nghiệm. Khống chế ứng suất thì thí nghiệm được tiếp tục cho đến khi mẫu dầm thực sự bị phá hoại. Nhưng với chế độ khống chế biến dạng, hư hỏng sẽ khó xác định hơn bởi với một mức biến dạng không đổi đặt lên mẫu dầm thì ứng suất trong dầm liên tục bị giảm. Kết quả mẫu dầm thí nghiệm không bao giờ phá hoại thực sự với những mức biến dạng nhỏ. Vì vậy ở chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng, phá hoại thường được xác định tại điểm mà ở đó tải trọng (ứng suất) hoặc độ cứng đạt đến một giá trị định trước, thông thường là 50% giá trị ban đầu [34].
Mức biến dạng kéo tại đáy giữa dầm được chọn dựa trên kết quả thử nghiệm. Theo đó mẫu dầm phải chịu được tối thiểu 10.000 chu kỳ tải trọng trước khi phá hoại; để đảm bảo rằng mô đun độ cứng của mẫu không bị suy giảm quá nhanh [39]. Theo [41], ở điều kiện thí nghiệm (nhiệt độ, tần số) nhất định, mức biến dạng được chọn sẽ phải đảm bảo độ bền mỏi (Nf50) vào khoảng 104 2×106 chu kỳ. Thông thường biến dạng được chọn trong khoảng 50 3.000 microstrain [39]. NCS đã thí nghiệm mẫu dầm bê tông asphalt thực tế trên máy 4PBT-Cooper ở một vài mức biến dạng và cho kết quả sơ bộ như sau:
- Mẫu BTNC 19: ở nhiệt độ 10 độ C, tần số 10 Hz, mức biến dạng 600 cho kết quả Nf50 = 497 chu kỳ;
- Mẫu BTNC 12,5: ở nhiệt độ 20 độ C, tần số 5 Hz, mức biến dạng 100 cho kết quả Nf50 = 2.562.450 chu kỳ;
+ Sử dụng chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng với 3 mức biến dạng được đề xuất: 100 µ, 200 µ và 400 µ. Ký hiệu: µ, microstrain = strain ×10-6 [39].
+ Thí nghiệm mỏi sẽ được kết thúc tại thời điểm trị số mô đun độ cứng (stiffness) của mẫu dầm giảm xuống còn 50% giá trị mô đun độ cứng ban đầu (% initial stiffness). Đây cũng là đề xuất trong nghiên cứu của Tayebali et al., (1994) [34] và là khuyến cáo của ASTM D7460-10 [39].
2.1.4 Vật liệu bê tông asphalt
2.1.4.1 Lựa chọn loại bê tông asphalt
Hiện nay hư hỏng kết cấu áo đường mềm dạng lún vệt bánh (rutting) đang xảy ra nhiều. Ngoài những vấn đề khác được phân tích, các nhà khoa học, nhà quản lý đã có khuyến cáo nên sử dụng lớp mặt đường bằng loại bê tông asphalt có kích cỡ hạt lớn hơn thay cho BTNC 12,5 để tăng khả năng kháng lún vệt bánh. Do vậy để nghiên cứu về đặc tính chịu mỏi của loại bê tông asphalt phổ biến được dùng làm lớp mặt đường thì loại BTNC 12,5 được chọn làm vật liệu nghiên cứu chính cho luận án. Ngoài ra còn chọn thêm loại BTNC 19 thí nghiệm ở một điều kiện 10 độ C, 10 Hz; với mục đích làm rõ hơn về khả năng kháng mỏi của các loại bê tông có cỡ hạt khác nhau.
Trong nhiều yếu tố thành phần của hỗn hợp có ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt, bột khoáng được chọn là yếu tố chính để xem xét. Như đã phân tích tại mục 1.3.3, ảnh hưởng của bột khoáng đến khả năng kháng lún vệt bánh và mỏi là rất đáng kể. Thực tế tại VN hiện chưa có nhiều khuyến cáo về việc sử dụng bột khoáng cho bê tông asphalt. Do vậy thành tố lựa chọn để nghiên cứu mà có thể áp dụng được ngay vào thực tế VN hiện nay là bột khoáng.
Với yếu tố chất kết dính, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng và loại chất kết dính đến độ bền mỏi. Chúng ta có thể kế thừa và sử dụng các kết quả nghiên cứu này. Điều đó khá hợp lý bởi nguồn bi tum sử dụng tại VN hiện nay hoàn toàn được nhập khẩu. Loại bi tum dùng để chế tạo bê tông asphalt cho nghiên cứu là loại Shell 60/70, loại phổ biến nhất tại VN hiện nay.
Bột khoáng được biết là thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông asphalt. - Thành phần hạt mịn trong bột khoáng có kích thước nhỏ hơn chiều dày màng bi tum. Nó có tác dụng làm tăng diện tích tiếp xúc, làm mỏng màng bi tum trên bề mặt cốt liệu và dẫn đến lực tương tác giữa chúng tăng lên làm cứng bi tum, tăng cường độ và độ ổn định, đặc biệt là độ bền trong môi trường nước. Ngoài ra, bột khoáng còn cải thiện tính chất nhạy cảm với nhiệt độ của bi tum do việc sử dụng bột khoáng làm tăng nhiệt độ hoá mềm của chất dính kết asphalt mà không làm thay đổi nhiệt độ nứt gãy của nó.
- Thành phần hạt trong bột khoáng có kích thước lớn hơn chiều dày màng bi tum sẽ có tác dụng lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn hơn, làm tăng khối lượng thể tích và tăng độ chặt cho hỗn hợp bê tông asphalt (Hình 2.7).
a/ Lỗ rỗng hình thành tại vùng biên giới của cốt liệu
b/ Lỗ rỗng hình thành bên trong nội bộ bi tum
Hình 2.6 Lỗ rỗng hình thành trong hỗn hợp bê tông asphalt
a/ Bê tông asphalt không bột khoáng b/ Bê tông asphalt có bột khoáng
Hình 2.7 Tác dụng lấp đầy lỗ rỗng của bột khoáng trong bê tông asphalt Theo chỉ dẫn của [12], bột khoáng là sản phẩm được nghiền từ đá các-bô-nát (đá vôi can-xit, đo-lo-mit ...), có cường độ nén của đá gốc lớn hơn 20 MPa, từ xỉ ba- zơ của lò luyện kim hoặc là xi măng.
Hiện nay, các trạm trộn bê tông asphalt dùng các loại bột khoáng không giống nhau. Chỉ với những quy định đơn giản trong [12], chuẩn mực yêu cầu về bột khoáng hiện cũng rất khó kiểm soát. Trong nhiều yếu tố liên quan đến chất lượng vật liệu, bột khoáng được biết đến như là thành phần có ảnh hưởng đến tính chất của bê tông asphalt. Với phạm vi đề tài này, nghiên cứu ảnh hưởng của ba loại bột khoáng (có thành phần hạt và tính chất hóa học khác nhau) đến đặc trưng độ bền mỏi bê tông asphalt như là một khuyến cáo về vấn đề sử dụng bột khoáng. Đó là: - Bột đá được nghiền từ đá Andesit, ký hiệu mẫu BD (Hình 2.8a). Đá Andesit trung tính, thành phần SiO2 chiếm từ 52 ÷ 63%. Đây là loại bột khoáng được sử dụng khá phổ biến hiện nay tại khu vực đông Nam bộ; nguồn cung cấp từ Công ty Cổ phần Đầu tư Sản xuất Xây dựng Kim Sơn (Tân Thành, Bà Rịa Vũng Tàu);
- Bột đá vôi CaCO3, ký hiệu mẫu CC (Hình 2.8b), nguồn cung cấp từ Công ty Cổ phần Đầu tư và Thương mại Doanh Nhân (TP. HCM);
- Hỗn hợp gồm 50% bột CaCO3 + 50% xi măng, ký hiệu mẫu CX (Hình 2.8c). Xi măng sử dụng là loại PCB40 - Nghi Sơn.
a/ Bột đá Andesit b/ Bột CaCO3 c/ Hỗn hợp 50% CaCO3 + 50% xi măng
Hình 2.8 Các loại bột khoáng sử dụng cho nghiên cứu
2.1.5 Tổng hợp mẫu thí nghiệm
Các điều kiện thí nghiệm như đã phân tích trên, có hai mức nhiệt độ 10 độ C và 20 độ C, 2 tần số 5 Hz và 10 Hz được thực hiện. Ở mỗi điều kiện như vậy thí nghiệm thực hiện ít nhất ở ba mức biến dạng khống chế 100 µ, 200 µ, 400 µ. Số lượng mẫu và điều kiện thí nghiệm được tổng hợp chi tiết tại Bảng 2.3.
Bảng 2.3 Tổng hợp số lượng mẫu theo điều kiện thí nghiệm độ bền mỏi
Vật liệu
Điều kiện thí nghiệm
Số mẫu Nhiệt độ (độ C) Tần số tải (Hz) Mức biến dạng (microstrain) BTNC 12,5 10 5 100 3 200 3 400 3 10 100 3 200 3 400 3 20 5 100 3 200 3 400 3 10 100 3 200 3 400 3 BTNC 19 10 10 50, 100, 200, 400 4
Tổng cộng, trong nghiên cứu này có 40 mẫu thí nghiệm chính thức, và các mẫu thử được thực hiện.
2.2 Chế tạo mẫu
Với kết quả nghiên cứu [45] được phân tích tại mục 1.3.3 cho thấy loại bê