5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.3.1 Nhóm liên quan đến tải trọng
Độ bền mỏi của bê tông asphalt chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính của tải trọng như: trị số độ lớn tải trọng, chế độ tải, hình dạng sóng tải, thời gian nghỉ (rest period) và tần số tải trọng.
Trong thí nghiệm, xác định chế độ tải tác dụng tốt nhất để mô phỏng tải trọng thực tế đã được Monismith & Deacon (1969), Monismith et al. (1977) thực hiện [34]. Các loại tải trọng được thể hiện thông qua yếu tố MF xác định theo phương trình (1.2):
| | | |
| | | | (1.2)
Trong đó: A : tỷ lệ % thay đổi ứng suất
B : tỷ lệ % thay đổi biến dạng đối với giảm tỷ lệ % độ cứng cố định MF giả định một giá trị -1 cho điều kiện kiểm soát ứng suất, và + 1 cho điều kiện kiểm soát biến dạng (Monismith, 1966) [34].
Tải trọng áp dụng cho thí nghiệm mỏi thường thông qua hai cách khống chế: 1) ứng suất không đổi, 2) biến dạng không đổi. Các nhà nghiên cứu đã phân tích một số đặc điểm của hai chế độ thí nghiệm này.
- Đối với chế độ thí nghiệm khống chế ứng suất thì biến dạng trong mẫu sẽ tăng lên khi số lượng tải trọng lặp tác dụng tăng.
- Đối với chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng thì ứng suất sẽ giảm khi số lượng tải trọng lặp tác dụng tăng, trị số lực tác dụng giảm dần.
Đối với một loại bê tông asphalt, độ bền mỏi khi thí nghiệm với chế độ khống chế biến dạng sẽ cho kết quả cao hơn so với chế độ khống chế ứng suất [31].
Vấn đề tần số tải trọng tác dụng đã được K. Mollenhauer & M. Wistuba [29] nghiên cứu bằng mô hình uốn dầm 4 điểm (khống chế biến dạng [41]). Kết quả cho thấy độ bền mỏi (số chu kỳ tải) cao hơn khi thí nghiệm ở tần số thấp, được thể hiện tại Hình 1.2.
Hình 1.2 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi [29]
Đường đặc trưng mỏi ở tần số 30 Hz nằm dưới đường đặc trưng mỏi tần số 10 Hz. Xét tại 1 mức biến dạng (a) bất kỳ thì giá trị độ bền mỏi (Nf50) tương ứng ở tần số 30 Hz luôn nhỏ hơn Nf50 ở tần số 10 Hz.
Trong thí nghiệm mỏi với chế độ khống chế ứng suất, O.V. Drovaleva đã chỉ ra rằng độ bền mỏi của bê tông asphalt tăng lên khi tăng tần số tải trọng tác dụng [46]. Bê tông asphalt có tính đàn hồi - nhớt; tính nhớt và mô đun đàn hồi động của bê tông asphalt tăng khi thời gian lực tác dụng lên nó giảm. Với một giá trị ứng suất được khống chế, khi tăng tần số tải trọng tác dụng thì biến dạng sẽ giảm; khi đó độ bền mỏi sẽ tăng. Kết quả nghiên cứu của O.V. Drovaleva thể hiện tại Hình 1.3.
Hình 1.3 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi bê tông asphalt [46]
Mollenhauer & Lorenzl đã thực hiện thí nghiệm mỏi với mô hình kéo - nén dọc trục (UCTST), bằng chế độ kiểm soát ứng suất, kết quả cho thấy tần số thấp sẽ làm giảm số chu kỳ tải trọng tác dụng lên mẫu đến khi xuất hiện vết nứt (macro
crack), tức là độ bền mỏi giảm (nội dung được nêu tại [29]). Kết quả này được thể hiện tại Hình 1.4.
Hình 1.4 Ảnh hưởng của tần số đến độ bền mỏi bê tông asphalt - UCTST [29] Mô đun độ cứng và góc lệch pha phụ thuộc vào tần số; gia tăng tần số sẽ làm tăng độ cứng của vật liệu, và như vậy với mức biến dạng cao hơn thì sẽ gây ra ứng suất lớn hơn.
Khi phân tích dạng tải trọng tác dụng, Raithby & Sterling (1972) đã có nghiên cứu ảnh hưởng của tải dạng sóng và tải có chế độ thời gian nghỉ (rest period) đến độ bền mỏi bê tông asphalt. Nghiên cứu sử dụng ba dạng tải sóng khác nhau. Thí nghiệm với một loại bê tông asphalt; kết quả cho thấy tải dạng hình sin và dạng sóng vuông cho độ bền mỏi nhỏ hơn tải dạng sóng hình tam giác [36]. Những trường hợp thí nghiệm với tải tác dụng có chế độ thời gian nghỉ thì độ bền mỏi tăng lên đáng kể so với dạng tải tác dụng liên tục [36].
Thời gian nghỉ được xét cho hai trường hợp: 1) thời gian nghỉ xen kẽ giữa các chu kỳ tải tạo nên một chu kỳ hỗn hợp và 2) thời gian nghỉ ngắt quãng giữa các đợt tác dụng của tải trọng. Với trường hợp thứ 1), Joel Oliveira và cộng sự [26] đã có nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghỉ đến độ bền mỏi vật liệu bán mềm (thí nghiệm uốn dầm 4 điểm). Có bốn dạng tải được sử dụng như Hình 1.5 và kết quả độ
bền mỏi thể hiện tại Hình 1.6.
Hình 1.5 Các dạng tải kết hợp với thời gian nghỉ (rest period)
Hình 1.6 Ảnh hưởng của thời gian nghỉ đến độ bền mỏi vật liệu bán mềm Kết quả ở Hình 1.6 cho thấy chế độ tải hình sin liên tục (Hình 1.5a) làm suy giảm mô đun độ cứng nhanh nhất và đạt độ bền mỏi là nhỏ nhất. Ngược lại, chế độ tải Hình 1.5d (1 chu kỳ + 2 khoảng nghỉ) đạt độ bền mỏi cao nhất trong bốn dạng tải nêu trên.
Với trường hợp thứ 2), kết quả nghiên cứu của I’essai E13-Auto-100-31 (Pháp) cho thấy có sự ảnh hưởng đáng kể của thời gian nghỉ đến mô đun độ cứng và độ bền mỏi bê tông asphalt, thể hiện tại Hình 1.7, Hình 1.8. Sau thời gian nghỉ, mô đun độ cứng của bê tông asphalt được hồi phục đáng kể. Tuy nhiên sau vài khoảng thời gian nghỉ (theo Hình 1.7, Hình 1.8 là 3 lần) mô đun độ cứng của bê tông asphalt suy giảm hẳn, không còn khả năng hồi phục như trước đó. Lý do được giải thích là vật liệu đã mỏi dần theo quá trình chịu tải trọng lặp.
Hình 1.7 Sự phát triển mô đun theo số chu kỳ tải [I’essai E13-Auto-100-31]
Hình 1.8 Sự phát triển mô đun theo thời gian [I’essai E13-Auto-100-31] Van Dijk et al. (1972) đã chứng minh tác dụng có lợi của thời gian nghỉ đến độ bền mỏi [34]. Nó phản ánh sự gia tăng đáng kể độ bền mỏi so với dạng tải thí nghiệm không có thời gian nghỉ. Bonnaure et al. (1982) cũng đã nghiên cứu cho kết luận tương tự, và lợi ích này dường như được đạt tối đa khi thời gian nghỉ tương đương với 25 lần chu kỳ tải trọng. So với chế độ kiểm soát biến dạng, độ bền mỏi khi thực hiện với chế độ kiểm soát ứng suất cũng đạt được nhiều tác dụng có lợi từ khoảng thời gian nghỉ này [34].
Thời gian nghỉ, tần số tải và thời gian tải phụ thuộc lẫn nhau. Một số nghiên cứu đã được tiến hành để xác định ảnh hưởng tần số tải đến độ bền mỏi của các hỗn hợp bê tông asphalt, ảnh hưởng của thời gian tải đến độ bền mỏi. Điển hình cho những nghiên cứu trên là của các tác giả Pell và Taylor (1969), Raithby và Sterling (1970), Epps và Monismith (1972) [34].