3.2.1 Thí nghiệm lún vệt bánh xe (Wheel Tracking Test)
3.2.1.1 Phương pháp thí nghiệm
Để đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt, ngƣời ta thƣờng sử dụng thí nghiệm đo độ sâu lún vệt bánh xe. Đây là thí nghiệm mô phỏng khả năng chịu lún của vật liệu dƣới tác động của bánh xe ngoài thực tế. Thí nghiệm Lún vệt bánh xe xác định chiều sâu lún RD (Rut Depth) theo số lƣợt tác dụng của bánh xe, xác định giá trị trung bình của chiều sâu vệt lún trên một lƣợt bánh xe (μm/chu kỳ , xác định xu hƣớng chiều sâu vệt lún tăng theo thời gian dƣới tác dụng của lƣợt bánh xe (mm/h . Môi trƣờng thí nghiệm có thể thực hiện trong buồng khí hậu hoặc trong môi trƣờng nƣớc. Trên thế giới có nhiều thiết bị thí nghiệm có thể sử dụng để xác định chiều sâu vệt lún bánh xe nhƣ thiết bị Lún vệt bánh xe (Wheel Tracking), Asphalt Pavement Analyzer (APA), French Pavement Rutting (FPR) [71].
Tháng 4 năm 2014, Bộ Giao thông vận tải Việt Nam đã có quy định theo quyết định 1617 về thí nghiệm này, thực tế có 3 phƣơng pháp thực hiện [7]
Phƣơng pháp A:
- Thử nghiệm trong môi trƣờng nƣớc ở nhiệt độ 50oC.
- Kết quả thu đƣợc là chiều sâu vệt lún bánh xe trong môi trƣờng nƣớc và điểm bong màng nhựa
- Sử dụng khi yếu cầu xác định mức độ lún vệt bánh và ảnh hƣởng của độ ẩm đến lún vệt bánh xe.
Phƣơng pháp B:
- Thử nghiệm trong môi trƣờng không khí ở nhiệt độ 60oC
- Kết quả thu đƣợc là chiều sâu vệt lún bánh xe trong môi trƣờng không khí
- Sử dụng khi yêu cầu xác định lún vệt bánh xe Phƣơng pháp C:
- Thử nghiệm trong môi trƣờng không khí ở nhiệt độ 60oC
- Kết quả thu đƣợc là độ ổn định động
- Sử dụng khi yêu cầu xác định lún vệt bánh xe
Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp B đƣợc sử dụng để xác định chiều sâu lún vệt bánh xe. Nhƣ phần 1.1.2.2 đã phân tích, nhiệt độ mặt đƣờng bê tông asphalt vào những ngày nóng có thể lên tới 60oC - 63oC ( xem Hình 1-3). Theo tiêu chuẩn bê tông asphalt chặt sử dụng bitum thƣờng TCVN 8819: 2011 yêu cầu xác định độ sâu lún vệt bánh xe ở 15000 lần tác dụng tải, với tiêu chuẩn bê tông asphalt polyme 22TCN 356:2006 yêu cầu xác định độ sâu lún vệt bánh xe sau 40.000 lần tác dụng tải. Trong khuôn khổ luận án, chiều sâu lún vệt bánh xe sau 60.000 lần tác dụng (30.000 chu kỳ) đƣợc xác định để đánh giá đƣợc ảnh hƣởng của giao thông quy mô lớn đến hiện tƣợng lún vệt bánh xe.
3.2.1.2 Mục đích thí nghiệm:
- Xác định chiều sâu lún vệt bánh xe theo số lƣợt tác dụng của bánh xe ở 15.000 lƣợt (giá trị so sánh với tiêu chuẩn TCVN 8819-2011 cho nhóm G- FRAC 40-50); 40.000 lƣợt (giá trị quy định cho bê tông asphalt polime trong tiêu chuẩn 22TCN 356:2006 cho nhóm G-FRAC PMBIII) và 60.000 lƣợt (xét đến ảnh hƣởng của điều kiện bất lợi về tải trọng là lƣu lƣợng giao thông lớn)
- Xác định xu hƣớng chiều sâu lún vệt bánh xe tăng theo thời gian dƣới tác dụng của chu kỳ bánh xe (mm/h)
3.2.1.3 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm
Tiêu chuẩn thí nghiệm Lún vệt bánh xe BS EN 12697-22-2004[31].
Luận án sử dụng thiết bị thí nghiệm Wheel-Tracking - Cooper trong buồng khí hậu. Các thông số đầu vào của thí nghiệm nhƣ sau:
- Tốc độ lăn của bánh xe: 26,5±1,0 vòng/60s.
- Tải trọng bánh xe: 700±10N
- Nhiệt độ thí nghiệm: 60oC
3.2.1.4 Quá trình thí nghiệm :
Đúc mẫu theo tám công thức bê tông asphalt gia cƣờng sợi thủy tinh kích thƣớc 300mm×300mm×50mm bằng máy đầm lăn. Trình tự đúc mẫu nhƣ sau:
- Sấy vật liệu:
+ Gia nhiệt cho bitum sơ bộ ở nhiệt độ 100-110oC để rót cân đong;
+ Sấy khô cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ ở nhiệt độ 100-110oC đến khối lƣợng không đổi;
+ Gia nhiệt cho cốt liệu trong tủ sấy đến nhiệt độ 160-170oC.
- Đổ hỗn hợp cốt liệu vào thùng trộn (xem Hình 3-15 , điều chỉnh nhiệt độ thùng trộn sao cho nhiệt độ hỗn hợp cốt liệu khi trộn đạt 175-180oC đối với nhóm G-FRAC PMBIII; 150-160oC đối với nhóm G-FRAC 40-50, thời gian trộn khô cốt liệu khoảng 1-2 phút (trộn máy) hoặc 2-3 phút (trộn tay). Kiểm tra nhiệt độ trong thùng trộn (Hình 3-16).
- Đổ sợi thủy tinh đã cân chính xác đến 0,001g vào thùng trộn, tiếp túc duy trì nhiệt độ nhƣ trên và trộn hỗn hợp cốt liệu cùng sợi trong khoảng 1-2 phút (trộn máy) hoặc 3-4 phút (trộn tay).
- Trộn bitum đã gia nhiệt ở nhiệt độ 100-110oC vào hỗn hợp trên và trộn tiếp từ 1-2 phút (trộn máy) (xem Hình 3-17) hoặc 3-4 phút (trộn tay).
- Đầm mẫu bằng thiết bị đầm lăn (xem Hình 3-18), áp lực cối lăn tăng dần từ 200N đến 600N. Nhiệt độ đầm bắt đầu đạt 155-160 oC, nhiệt độ kết thúc đạt ít nhất 130 oC. Mẫu sau khi đầm xem Hình 3-19.
Hình 3-15 Trộn cốt liệu trong máy trộn
Hình 3-16 Đo nhiệt độ cốt liệu Hình 3-17 Trộn hỗn hợp asphalt
Hình 3-18: Đúc mẫu bằng máy đầm lăn
Hình 3-19: Mẫu G-FRAC kích thƣớc 300mm×300mm×50mm
Thí nghiệm xác định vệt hằn lún bánh xe bằng thiết bị Wheel tracking, loại nhỏ model A trong buồng khí hậu nhƣ Hình 3-20 với số lƣợt tác dụng là 60.000 lƣợt
Hình 3-20: Thiết bị thí nghiệm vệt lún bánh xe mẫu vuông 300mm×300mm×50mm
Theo tiêu chuẩn BS EN 12697-22, mẫu vật liệu sau khi đúc ít nhất 24h sẽ đƣợc để trong buồng khí hậu ít nhất 4h để đạt nhiệt độ mẫu là 60oC. Mẫu tiếp tục đƣợc giữ trong buồng khí hậu 12h trƣớc khi cài đặt chế độ chạy bánh xe. Độ sâu vệt lún là chênh lệch chuyển vị theo chiều đứng từ giá trị ban đầu r0 đến số đọc r30000.
3.2.1.5 Nghiên cứu thực nghiệm
Loại bê tông asphalt thí nghiệm
Tám loại G-FRAC chia thành 2 nhóm, chi tiết xem Bảng 3-1
Nhóm G-FRAC PMBIII : B0PMB, B1PMB, B3PMB, B5PMB,
Nhóm G-FRAC 40-50 : B0TT, B1TT, B3TT, B5TT Kế hoạch thí nghiệm
Nghiên cứu sinh đã tiến hành thí nghiệm Lún vệt bánh xe trên 24 mẫu G- FRAC theo tiêu chuẩn BS EN 12697-22-2004. Mỗi loại G-FRAC, làm thí nghiệm 3 mẫu và lấy kết quả trung bình của 3 mẫu.
Bảng 3-16 Kế hoạch thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe Loại bê
tông Ký hiệu Bê tông Chỉ tiêu thí nghiệm Số lƣợng mẫu Ghi chú
G-FRAC PMBIII B0PMB xác định chiều sâu vệt lún tới 60.000 lƣợt (30.000 chu kỳ) 3 2 lƣợt = 1 chu kỳ B1PMB 3 B3PMB 3 B5PMB 3 G-FRAC 40-50 B0TT 3 B1TT 3 B3TT 3 B5TT 3 Kết quả thí nghiệm
Tổng hợp kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe của tám loại G-FRAC ở 60oC đƣợc thể hiện nhƣ Bảng 3-17. Kết quả này đƣợc đối chiếu với chiều sâu lún khống chế theo Hƣớng dẫn thiết kế bê tông asphalt của Úc [43], chiều sâu lún vệt bánh xe tối đa cho phép với bê tông asphalt sử dụng bitum cải tiến là 6mm, với bê tông asphalt sử dụng bitum độ kim lún 40-50 là 9mm. Phân tích chi tiết kết quả đƣợc trình bày ở mục 3.2.2. Bảng 3-17 Kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe STT Loại Bê tông Hàm lƣợng sợi Loại bitum Chiều sâu lún ở 15.000 lƣợt (mm) Chiều sâu lún ở 40.000 lƣợt (mm) Chiều sâu lún ở 60.000 lƣợt (mm) Hệ số biến sai (%) Hƣớng dẫn thiết kế VicRoads 2012 1 B0PMB 0% PMBIII 1,83 2,29 2,54 7% ≤ 6mm 2 B1PMB 0,1% 1,42 1,96 2,27 3% 3 B3PMB 0,3% 1,32 1,71 1,9 7% 4 B5PMB 0,5% 1,36 1,8 2,03 4% 5 B0TT 0% 40-50 4,35 6,53 7,94 5% ≤ 9mm 6 B1TT 0,1% 3,92 5,36 6,48 4% 7 B3TT 0,3% 3,39 4,17 4,81 7% 8 B5TT 0,5% 3,67 4,96 5,93 4%
3.2.2 Phân tích đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe
3.2.2.1 Chiều sâu lún vệt bánh xe
Chiều sâu lún vệt bánh xe của G-FRAC ở 60oC sau 60.000 lƣợt, 40.000 lƣợt và 15.000 lƣợt tác dụng tải của nhóm bê tông asphalt gia cƣờng sợi dùng bitum polyme G-FRAC PMBIII và sử dụng bitum thƣờng G-FRAC 40-50 đƣợc thể hiện
lần lƣợt nhƣ Hình 3-21 và Hình 3-22. Kết quả là giá trị trung bình của 3 mẫu thử trong 1 tổ mẫu tƣơng ứng.
Hình 3-21 Quan hệ giữa chiều sâu lún vệt bánh xe và hàm lƣợng sợi của G-FRAC PMBIII
Hình 3-22 Quan hệ giữa chiều sâu lún vệt bánh xe và hàm lƣợng sợi của G-FRAC 40-50
Theo Hƣớng dẫn thiết kế của VicRoad, chiều sâu lún vệt bánh xe lớn nhất cho phép của bê tông asphalt sử dụng bitum có độ kim lún 40-50 và bitum cải tiến lần lƣợt là 9mm và 6mm [43]. Nhƣ vậy, tất cả các mẫu thử nghiệm đều có chiều sâu lún nhỏ hơn giá trị quy định trong tiêu chuẩn này. Ở tỷ lệ gia cƣờng sợi thủy tinh 0,3% theo khối lƣợng hỗn hợp HMA, chiều sâu lún vệt bánh xe là nhỏ nhất: 4,81mm; 1,9mm bằng 53%; 32% so với chuẩn chiều sâu lún đƣợc khống chế trong hƣớng dẫn thiết kế bê tông asphalt của Úc.
Nhóm G-FRAC sử dụng bitum polyme PMBIII: Các G-FRAC PMBIII B1PMB, B3PMB, B5PMB có chiều sâu lún vệt bánh xe giảm đi so với mẫu đối
2,54 2,27 1,9 2,03 2,29 1,96 1,71 1,8 1,83 1,42 1,32 1,36 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 0% 0,1% 0,3% 0,5% C hi ều sâ u vệ t lún (m m ) Hàm lượng sợi 60.000 lượt 40.000 lượt 15.000 lượt 7,94 6,48 4,81 5,93 6,53 5,36 4,17 4,96 4,35 3,92 3,39 3,67 3 4 5 6 7 8 9 0% 0,1% 0,3% 0,5% C hi ều sâ u vệ t lún (m m ) Hàm lượng sợi 60000 lượt 40000 lượt 15000 lượt
chứng không sợi B0PMB sau 60.000 lƣợt tác dụng tải là 10,6%; 25,2%; 20,0%, sau 40.000 lƣợt tác dụng tải là 14,4%; 25,3%; 21,4% sau 15.000 lƣợt tác dụng tải là 22,4% ; 27,9% ; 25,7%. Rõ ràng với các mẫu vật liệu gia cƣờng 0,3% sợi thủy tinh đều cho phần trăm giảm chiều sâu lún là cao nhất. Điều này sẽ đƣợc phân tích trong phần 3.2.2.3-Ảnh hƣởng của hàm lƣợng sợi thủy tinh đến chiều sâu lún vệt bánh xe. Mặt khác, khi số lƣợt tác dụng càng ít, chiều sâu lún vệt bánh xe càng thấp và ngƣợc lại. Điều này chứng tỏ lƣu lƣợng giao thông lớn hay nhỏ có ảnh hƣởng rất lớn đến chiều sâu lún vệt bánh xe.
Nhóm G-FRAC sử dụng bitum thƣờng 40-50: Các G-FRAC 40-50 B1TT, B3TT, B5TT có chiều sâu lún vệt bánh xe giảm đi so với mẫu đối chứng không sợi B0TT sau 60.000 lƣợt tác dụng tải là 18,4%; 39,4%; 25,3% sau 40.000 lƣợt tác dụng tải là 17,9%; 36,1%; 24% sau 15.000 lƣợt tác dụng tải là 9,8%; 22,1%; 15,6%. Kết quả cho thấy khi số lƣợt tác dụng của tải trọng càng cao, mức độ cải thiện chiều sâu lún vệt bánh xe so với mẫu đối chứng của G-FRAC 40-50 càng cao. Điều này minh chứng hiệu quả gia cƣờng sợi thủy tinh trong G-FRAC.
Theo các nghiên cứu trên thế giới, khả năng cải thiện chiều sâu lún vệt bánh xe của bê tông asphalt gia cƣờng sợi phân tán nằm trong khoảng từ 7,4-37,2%. Bê tông SMA gia cƣờng sợi thủy tinh hàm lƣợng 0,3% đã cải thiện đƣợc 20% so với mẫu đối chứng không sợi [55]. Bê tông asphalt chặt rải nóng gia cƣờng sợi cellulose, sợi polyester, sợi mineral đã cải thiện lần lƣợt là 12%, 14%, 24% so với mẫu đối chứng không sợi [74]. Theo nghiên cứu của Bruce năm 2003, chiều sâu lún vệt bánh xe của bê tông asphalt rải nóng gia cƣờng sợi cacbon phân tán đƣợc cải thiện từ 7,4-37,2% [29]. Kết quả nghiên cứu của nghiên cứu sinh, bê tông asphalt gia cƣờng 0,3% sợi thủy tinh cho chiều sâu lún bánh xe nhỏ nhất, khả năng cải thiện lớn nhất là 39,4%. Nhƣ vậy việc gia cƣờng sợi thủy tinh vào bê tông asphalt chặt rải nóng nhƣ thiết kế trong luận án đã cho kết quả tốt so với những kết quả đạt đƣợc trên thế giới. Có đƣợc sự cải thiện này là nhờ vai trò gia cƣờng của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt. Lý giải và phân tích này sẽ đƣợc trình bày kỹ tại mục 3.2.2.3 Ảnh hƣởng của sợi thủy tinh đến chiều sâu lún vệt bánh xe.
3.2.2.2 Xu hướng lún vệt bánh xe
Xu hƣớng phát triển chiều sâu lún vệt bánh xe theo số chu kỳ tác dụng tải trọng của G-FRAC PMBIII và G-FRAC 40-50 đƣợc thể hiện trên Hình 3-23.
Hình 3-23 Xu hƣớng lún của G-FRAC PMBIII và G-FRAC 40-50
Ta thấy rõ xu hƣớng lún vệt bánh xe đƣợc chia thành 2 giai đoạn.
- Giai đoạn 1
Các đƣờng cong cho thấy chiều sâu vệt lún tăng rất nhanh trong phần đầu tiên của giai đoạn 1 (5000 chu kỳ tác dụng đầu tiên). Theo [31], mẫu thí nghiệm đƣợc chế tạo với độ rỗng dƣ là 7% ± 2%, trong nghiên cứu này, các mẫu thí nghiệm đƣợc đúc với độ rỗng dƣ là 5%, tƣơng ứng với độ rỗng dƣ thực tế của mặt đƣờng ngay sau khi lu lèn. Độ lún tăng nhanh trong giai đoạn 1(0-5.000 chu kỳ) có thể giải thích một phần do hỗn hợp chặt lại dƣới tác dụng của áp lực thẳng đứng của bánh xe so với độ rỗng dƣ ban đầu. Hơn nữa, bê tông asphalt có tính dẻo nhớt, biến dạng thay đổi nhanh trong khoảng thời gian đầu của sự thay đổi tải trọng.
- Giai đoạn 2
Từ sau 5.000 chu kỳ trở đi, tốc độ tăng RD giảm đi rõ rệt. Độ dốc của đƣờng lún thể hiện mức độ tăng chiều sâu lún và độ ổn định của hỗn hợp vật liệu: độ dốc
càng lớn thì độ ổn định của vật liệu dƣới tác dụng tải trọng càng thấp. Đây đƣợc coi nhƣ giai đoạn 2 của quá trình lún vệt bánh xe.
3.2.2.3 Ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến chiều sâu lún vệt bánh xe
Có thể nhận xét rằng, khi chiều sâu lún càng nhỏ tức là khả năng chống lún vệt bánh xe của G-FRAC càng lớn. Để có thể lƣợng hóa khả năng chống biến dạng vĩnh cửu – chống lún vệt bánh xe ta gọi hệ số kKLi – hệ số kháng lún vệt bánh xe, đƣợc tính bằng phần trăm giảm chiều sâu lún của các mẫu G-FRAC gia cƣờng sợi với mẫu đối chứng. Hệ số này thể hiện sự khác biệt hay nói cách khác là sự cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe của G-FRAC có gia cƣờng sợi so với bê tông asphalt không sợi.
Hệ số kKLi đƣợc xác định cho từng G-FRAC khác nhau (0,1%; 0,3%; 0,5%) nhƣ sau :
kKli =
(3.1)
Trong đó :
RDBo : chiều sâu lún vệt bánh của mẫu đối chứng, mm;
RDBi : chiều sâu lún vệt bánh của mẫu bê tông có gia cƣờng sợi, mm;
i : hàm lƣợng sợi, %.
Hình 3-24 Quan hệ giữa hệ số kháng lún kKLi với hàm lƣợng sợi
Hình 3-24 cho thấy ứng với hàm lƣợng sợi thủy tinh gia cƣờng là 0,3%, hệ số cải thiện lún vệt bánh xe là cao nhất. Các kết quả cho thấy RD giảm khi hàm
0,18 0,39 0,25 0,11 0,25 0,20 - 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,1% 0,3% 0,5% H ệ số khá ng lún (k K L)
Hàm lượng sợi FRAC 40-50
lƣợng sợi tăng từ 0 đến 0,3% - khả năng chống vệt hằn lún bánh xe tăng. Nhƣng khi tiếp tục bổ sung sợi đến 0,5% thì khả năng chống vệt hằn lún bánh xe lại giảm - giá trị RD tăng.
Để phân tích về xu hƣớng này có thể đƣa ra một số lập luận về ƣu và nhƣợc điểm của sợi:
RD giảm (khả năng chống lún tăng khi sợi tăng từ 0 đến 0,3%, ƣu điểm của sợi thủy tinh là:
+ Sợi nằm trong pha asphalt sẽ hút các chất bão hòa – có khối lƣợng phân tử nhỏ - trong asphalt do đặc tính hấp thụ bề mặt của sợi; qua đó cải thiện tính