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 dính bám bề mặt của asphalt, tăng cƣờng tính ổn định dƣới tác dụng của nhiệt, vì vậy làm tăng độ bền liên kết giữa asphalt và các hạt cốt liệu [36].
+ Hệ thống sợi tạo nên mạng lƣới cấu trúc ba chiều trong bê tông asphalt, nâng cao độ ổn định của pha asphalt và đặc biệt hình thành nên bộ khung tăng cƣờng cho các hạt cốt liệu chống lại lực cắt, hạn chế dịch chuyển các hạt cốt liệu, từ đó giảm khả năng biến dạng của bê tông asphalt dƣới tác dụng lực bánh xe và giá trị RD giảm.
RD tăng (khả năng chống lún giảm) khi sợi tăng từ 0,3 đến 0,5%, nhƣợc điểm của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt là:
+ Liên quan đến độ rỗng dƣ. Quay lại Bảng 3-14 và Bảng 3-15 ta thấy, khi hàm lƣợng sợi tăng thì Va cũng tăng; độ rỗng dƣ lớn là nguyên nhân đầu tiên ảnh hƣởng rõ rệt tới sự tăng RD đặc biệt trong giai đoạn 1. Zhao và các cộng sự [79] cũng đã thiết lập phƣơng trình giữa RD và độ rỗng tổng thể (VTM) của bê tông asphalt trong đó RD và VTM là quan hệ bậc 1 tuyến tính.
+ Do hàm lƣợng bitum thiết kế là nguyên nhân thứ hai. Bảng 3-13 cho thấy, OAC tăng khi lƣợng sợi gia cƣờng tăng. Trên thực tế, hàm lƣợng bitum sẽ làm tăng tính biến dạng dẻo của HMA ở nhiệt độ cao. Lƣợng bitum thừa trong hỗn hợp có thể làm giảm nội ma sát giữa các hạt cốt liệu và dẫn tới
tăng biến dạng vĩnh cửu – RD của AC dƣới tác dụng của bánh xe và nhiệt độ.
Nhƣ vậy, khi hàm lƣợng sợi <0,3%, hai ƣu điểm tích cực của sợi (tăng tính ổn định của pha asphalt và mạng lƣới cấu trúc 3 chiều đã chiếm ƣu thế so với hai nhƣợc điểm (Va và Blc) và đã cải thiện rõ rệt độ ổn định MS và khả năng chống hiện tƣợng vệt hằn lún bánh xe cho G-FRAC. Tuy nhiên, khi hàm lƣợng sợi tiếp tục tăng tới 0,5% thì hai nhƣợc điểm lại trội hơn hai ƣu điểm dẫn tới giảm khả năng chống lún (tăng giá trị RD ).
Mặt khác, khi so sánh kết quả về độ ổn định Marshall và chiều sâu lún RD ở trên, ta nhận thấy có một sự không tƣơng đồng: khi tăng hàm lƣợng sợi thì độ ổn định MS tăng nhƣng khả năng chống vệt lún bánh xe lại giảm (nghĩa là RD tăng .
Nhƣ vậy, bƣớc đầu có thể nhận xét, với bê tông asphalt gia cƣờng sợi thủy tinh, khi hàm lƣợng sợi tăng, độ ổn định Marshall tăng không có nghĩa là khả năng chống hằn vệt bánh xe sẽ tốt hơn.
Tuy nhiên, qua phân tích hai xu hƣớng thay đổi của MS và đặc biệt của RD ở trên, cho phép bƣớc đầu kết luận rằng: trong khoảng từ 0 đến 0,5% sẽ có một hàm lƣợng sợi thiết kế mà ở đó, G-FRAC vừa có đƣợc độ ổn định MS lớn nhƣng vẫn có khả năng chống hằn vệt bánh xe phù hợp. Ở đây, tỷ lệ 0,3% hiện cho kết quả tốt nhất.
3.2.2.4 Ảnh hưởng của bitum đến chiều sâu lún vệt bánh xe
Nhìn trên Hình 3-23, đối với nhóm G-FRAC 40-50, tốc độ tăng RD có giảm đi so với giai đoạn 1 nhƣng so với nhóm G-FRAC PMB III, độ dốc lớn hơn hẳn, xu hƣớng này càng rõ rệt ở những chu kỳ tác dụng tải lớn sau 15.000 chu kỳ. Điều này chứng tỏ G-FRAC PMB III có độ ổn định tốt hơn và có khả năng chống biến dạng vĩnh cửu tốt hơn G-FRAC 40-50 đặc biệt khi số lƣợt tải trọng tác dụng lớn. Phân tích điều này nhƣ sau: PMB III là một loại bitum cải tiến, trong thành phần có bổ sung chất polyme để tăng tính đàn hồi và ổn định nhiệt của bitum. Nhiệt độ hóa mềm của PMB III là 87oC cao hơn hẳn của bitum 40-50 chỉ là 52,5oC (xem Bảng
3-4, Bảng 3-5 . Do đó HMA sử dụng PMB III sẽ ổn định với nhiệt độ hơn và chiều sâu vệt lún ít hơn so với HMA sử dụng bitum 40-50 trong mọi trƣờng hợp có sợi hay không có sợi.
Trên Hình 3-24, đƣờng liền luôn nằm trên đƣờng nét đứt cho thấy, hệ số kháng lún của G-FRAC 40-50 luôn lớn hơn so với G-FRAC PMB III. Nhƣ vậy, so với mẫu đối chứng không gia cƣờng sợi, chiều sâu lún vệt bánh xe của nhóm G- FRAC 40-50 giảm nhanh hơn so với nhóm G-FRAC PMBIII. Điều này có nghĩa, với nhóm HMA bitum 40-50, vai trò của sợi rõ rệt hơn trong việc cải thiện khả năng chống lún so với khi sợi gia cƣờng cho HMA sử dụng bitum PMB III.