4.1.1 Mô hình thí nghiệm
Bản chất hiện tƣợng mỏi là sự suy giảm độ cứng (Stiffness-Khả năng chống biến dạng) của vật liệu dƣới tác dụng của tải trọng trùng phục. Trong quá trình thí nghiệm, biên độ của tải trọng trùng phục tác dụng phải nhỏ hơn cƣờng độ phá hủy của vật liệu.
Hình 4-1 thể hiện biến dạng đo đƣợc dƣới đáy lớp móng bê tông asphalt dƣới tác dụng tải trọng xe chạy. Các thí nghiệm trong phòng rất khó có thể mô phỏng đúng dạng tải trọng nhƣ vậy. Để đơn giản hóa, các thí nghiệm mô phỏng mỏi trong phòng thƣờng sử dụng tải trọng hình sin, không có thời gian nghỉ giữa các chu kì. Biên độ, tần số, nhiệt độ thƣờng đƣợc giữ cố định trong một thí nghiệm. Hai dạng thí nghiệm đƣợc sử dụng:
- Thí nghiệm khống chế ứng suất;
Hình 4-2 tóm tắt những sơ đồ tác dụng tải (theo ứng suất hoặc biến dạng) có thể đƣợc sử dụng trong thí nghiệm mỏi. Trong đó, sơ đồ a và b là tác dụng theo biến dạng, sơ đồ c là tác dụng theo ứng suất.
Hình 4-1. Biến dạng đáy lớp móng bê tông asphalt dƣới tác dụng tải trọng xe chạy
Hình 4-2. Những sơ đồ tác dụng tải sử dụng trong thí nghiệm mỏi [38]
Theo Doan, với mặt đƣờng HMA, khi chiều dày các lớp HMA nhỏ hơn 6 cm, mặt đƣờng chịu phá hoại mỏi chủ yếu theo biến dạng. Khi chiều dày các lớp HMA lớn hơn 15 cm, mặt đƣờng phá hoại theo lực. Giữa 6 và 15 cm là mức trung gian, có thể coi phá hoại mỏi theo lực hoặc chuyển vị [80]. Trong nghiên cứu này, thí nghiệm đƣợc thực hiện theo dạng tác dụng lực hay cố định ứng suất.
Nguyên tắc thí nghiệm
Nguyên tắc thí nghiệm mỏi là tác dụng tải trọng hình sin liên tục lên mẫu dầm (tham khảo Hình 4-3). Cần lƣu ý rằng, biên độ của tải trọng trùng phục trong thí nghiệm mỏi phải nhỏ hơn cƣờng độ phá hủy của vật liệu. Nếu không, thí
-4 0 0 -3 0 0 -2 0 0 -1 0 0 0 1 0 0 2 3 2 5 2 7 2 9 3 1 3 3 3 5 3 7 3 9 4 1 4 3 (µm/m) Time (s)
nghiệm sẽ không còn là mỏi thực sự mà thiên về thí nghiệm phá hủy. Khi đó, vật liệu sẽ bị đứt gãy ngay khi chịu tác dụng tải trọng ở những chu kì đầu tiên. Hệ thống ghi lại tín hiệu lực và độ võng tại giữa dầm theo từng chu kì tải (Hình 4-3 và Hình 4-4). Theo từng chu kì, dựa vào lực và chuyển vị đo đƣợc sẽ tính toán đƣợc độ lớn mô đun phức động (kí hiệu và độ lệch pha ứng suất biến dạng (kí hiệu ) của vật liệu.
Hình 4-3 Chƣơng trình và tín hiệu trong thí nghiệm uốn mỏi
Hình 4-4 Đo lực và chuyển vị trên mẫu
Gối kẹp Gối kẹp P P Mẫu Đo chuyển vị
4.1.2 Mục đích thí nghiệm
- Xác định tuổi thọ mỏi của từng loại vật liệu;
- Xác định mô đun phức động;
- Xác định độ lệch pha giữa ứng suất và biến dạng.
4.1.3 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm
Tiêu chuẩn thí nghiệm:
Luận án sử dụng Tiêu chuẩn thí nghiệm mỏi của Anh năm 2004: BS EN 12697-24-2004 [30].
Thiết bị thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, thí nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính mỏi của G-FRAC đƣợc thực hiện trên thiết bị uốn mỏi bốn điểm Cooper CRT-SA4PT- BB (Stand Alone Four Point Bending Beam Machine). Thiết bị này đƣợc đặt trong buồng bảo ôn CRT-TCC (Temperature controlled cabinet để đảm bảo nhiệt độ 10oC trong suốt quá trình thí nghiệm (xem Hình 4-5). Khoảng đo của đầu đo lực là ±5kN.
Hình 4-5 Thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm thực hiện trong buồng bảo ôn
Thông số đầu vào của thí nghiệm
- Nhiệt độ
Ở nhiệt độ thấp, HMA trở nên giòn và giảm khả năng chịu mỏi. Hiện tƣợng mỏi thƣờng đƣợc coi là nguyên nhân phá hoại chính khi nhiệt độ kết cấu áo đƣờng ở mức thấp và trung bình. Ở nhiệt độ cao, phá hoại do lún vệt bánh xe là chủ yếu
hơn. Chính vì vậy, các thí nghiệm mỏi thƣờng đƣợc sử dụng trong khoảng nhiệt độ thấp. Ở Việt Nam, nhiệt độ trung bình thấp dao động từ 8-10oC (xem Hình 1-9). Theo các nghiên cứu trên thế giới, nhiệt độ thí nghiệm mỏi trong phòng thông thƣờng là 0o
C, 5oC, 10oC, 20oC tùy thuộc vào điều kiện thí nghiệm và điều kiện tự nhiên của mỗi quốc gia [66]. Trong luận án, nghiên cứu sinh chọn một mức nhiệt độ để thí nghiệm cho tám loại bê tông. Nhiệt độ lựa chọn nằm trong ngƣỡng nhiệt độ thấp của Việt Nam và xem xét điều kiện làm việc bất lợi cho bê tông asphalt gia cƣờng sợi thủy tinh. Do đó mức nhiệt độ thí nghiệm mỏi lựa chọn là 10oC. Nhiệt độ thí nghiệm chọn để đánh giá đúng sự ảnh hƣởng của nhân tố mỏi đến sự phá hoại mặt đƣờng.
- Tần số thí nghiệm
Những tần số sử dụng trong thí nghiệm mỏi phụ thuộc vào yếu tố của thiết bị thí nghiệm và cố gắng mô phỏng gần đúng tần số gây ra do xe chạy trên đƣờng lên kết cấu. Tần số do xe chạy gây ra phụ thuộc vào vận tốc xe (thời gian lực tác dụng , độ cứng, chiều dày của các lớp áo đƣờng. Những tần số sử dụng trong thí nghiệm uốn mỏi thƣờng trong khoảng 5 đến 40Hz, tƣơng ứng với khoảng vận tốc xe chạy từ 20 km/h đến hơn 120 km/h. Theo Domec trình bày kết quả nghiên cứu khi tiến hành đo đạc hiện trƣờng với máy quay vòng mỏi (Nantes, Pháp) với kết cấu áo đƣờng mềm (6 cm HMA lớp trên, 8 cm HMA lớp dƣới), khi tốc độ bánh xe là 70 km/h, tần số tải tính toán dƣới đáy lớp HMA trên là 16,7 Hz, dƣới đáy lớp HMA dƣới là 9,5Hz [81]. Theo Mollenhauer, tần số thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm có quan hệ với vận tốc xe chạy, mối quan hệ này chịu nhiều nhân tố ảnh hƣởng nhƣ kết cấu áo đƣờng, vị trí lớp vật liệu thí nghiệm trong kết cấu áo đƣờng v.v…Trong nghiên cứu này, tần số sử dụng f=10Hz tƣơng ứng với vận tốc xe chạy trung bình từ 50-60km/h [57].
- Ứng suất
Vật liệu G-FRAC đƣợc coi nhƣ lớp mặt trên trong kết cấu áo đƣờng mềm. Ứng suất cố định lựa chọn trong thí nghiệm đƣợc xác định từ ứng suất kéo tại đáy lớp vật liệu làm lớp mặt trong kết cấu áo đƣờng mềm giả định (xem Hình 4-6).
Bê tông asphalt hạt trung 5cm
Bê tông asphalt hạt thô 7cm
Cấp phối đá dăm loại I 15cm
Cấp phối đá dăm loại II 25cm
Hình 4-6 Kết cấu áo đƣờng giả định để tính ứng suất kéo ban đầu cho thí nghiệm
Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đƣờng mềm của Việt Nam 22TCN 211-06 [4], áp lực bánh xe theo tiêu chuẩn p là 0,6MPa và xét đến tải trọng nặng trùng phục với áp lực bánh xe là 0,9MPa, ta sơ bộ tính đƣợc ứng suất kéo tại đáy lớp vật liệu trong các điều kiện nhƣ sau :
+ Khi xét áp lực bánh xe tiêu chuẩn, p=0,6MPa: ứng suất ban đầu σ = 1,2 Mpa;
+ Khi xét tải trọng nặng trùng phục với áp lực bánh xe p=0,9MPa: ứng suất ban đầu σ = 1,6 MPa;
+ Để thiết lập đƣợc đƣờng đặc tính mỏi của G-FRAC, tiêu chuẩn thí nghiệm mỏi BS EN 12697-24-2004 [30] khuyến cáo nên tiến hành thí nghiệm ở ít nhất 3 mức ứng suất do vậy một mức ứng suất trung gian đƣợc lựa chọn là σ = 1,4 Mpa.
Nhƣ vậy, các thông số đầu vào của thí nghiệm mỏi thể hiện trong Bảng 4-1:
Bảng 4-1 Các thông số đầu vào của thí nghiệm mỏi
Mô đun ban đầu Xác định sau 100 chu kỳ
Mức suy giảm mô đun để xác định tuổi thọ mỏi (j %) 50
Nhiệt độ (oC) 10
Tần số (Hz) 10
Ứng suất khống chế 1,2MPa; 1,4MPa; 1,6MPa
4.1.4 Quá trình thí nghiệm
4.1.4.1 Kích thước mẫu
Theo tiêu chuẩn BS EN 12697-24, kích thƣớc của mẫu dạng dầm, chiều rộng B và chiều cao H của mẫu phải lớn hơn 3 lần đƣờng kính cốt liệu lớn nhất,
khoảng cách có hiệu gia tải giữa 2 k p L ít nhất bằng 6 lần giá trị lớn nhất của B và H. Đề tài chọn mẫu dầm có chiều rộng B và chiều cao H là 50mm, chiều dài mẫu là 400mm đủ để bố trí khoảng cách k p L. Đúc mẫu G-FRAC dạng tấm với kích thƣớc 400mm × 300mm × 50mm. Sau 24h tháo khuôn. Quá trình này tƣơng tự nhƣ quá trình đúc mẫu thí nghiệm lún vệt bánh xe đã nêu trong phần 3.2.1.3. Dùng máy cắt tạo mẫu dầm kích thƣớc 400mm × 50mm × 50mm (xem Hình 4-11). Mẫu đƣợc đặt trong buồng bảo ôn ở nhiệt độ thí nghiệm 10o
C ít nhất 6h trƣớc khi lắp vào thiết bị mỏi 4 điểm. Mẫu đƣợc bảo quản trong phòng có nhiệt độ từ 0oC – 20oC, nếu mẫu để quá 1 tháng trƣớc khi thí nghiệm thì phải bảo quản trong phòng ở nhiệt độ 0oC – 5oC. Mẫu sau khi cắt có thể giữ đƣợc tối đa tám tuần trƣớc khi thí nghiệm.
4.1.4.2 Trình tự thí nghiệm
Quá trình thí nghiệm đƣợc thực hiện theo trình tự sau (xem Hình 4-8 đến Hình 4-13):
- Chế bị mẫu hình tấm kích thƣớc 400mm × 300mm × 50mm (xem Hình 4-8);
- Nén mẫu tấm bằng thiết bị đầm lăn (xem Hình 4-9);
- Cắt mẫu dầm kích thƣớc 400mm × 50mm × 50mm từ mẫu tấm (xem Hình 4-10 và Hình 4-11);
- Thí nghiệm mỏi (xem Hình 4-7 và Hình 4-13) đƣợc thực hiện theo quá trình sau:
Hình 4-7 Mô hình thí nghiệm mỏi [30]
1: Lực tác dụng (Applied load) 4: K p mẫu (Specimen clamp)
2: Phản lực (Reaction) 5: Độ võng dầm (Deflection)
3: Mẫu dầm (Beam specimen) 6: Về vị trí ban đầu (Return to original position)
Mẫu dầm, hai k p mẫu ngoài và hai k p mẫu trong đƣợc đặt trên bộ truyền lực. Mẫu dầm sẽ đƣợc chuyển động dạng hình sin với tần số lựa chọn f = 10Hz. Lực tác dụng thông qua hai k p mẫu bên trong (vị trí 1 trong mô hình thí nghiệm mỏi Hình 4-7). Chế độ gia tải là khống chế ứng suất sẽ đƣợc đảm bảo bởi thiết bị theo dõi khống chế lực.
Ứng suất, biến dạng và độ chễ pha giữa ứng suất và biến dạng sẽ đƣợc đo sau 100 chu kỳ tác dụng tải và sẽ đo tiếp sau n=100 chu kỳ. Độ cứng ban đầu đƣợc xác định ở chu kỳ thứ 100, tuổi thọ mỏi Nf đƣợc xác định khi độ cứng giảm đi một nửa so với độ cứng ban đầu.
Chọn điều kiện thí nghiệm: với nhiệt độ và tần số f0 đã chọn, tải trọng tác dụng đƣợc lựa chọn sao cho tuổi thọ mỏi nằm trong khoảng từ 104 đến 2 × 106.
Hình 4-8 Đúc mẫu thí nghiệm mỏi Hình 4-9 Đầm mẫu thí nghiệm mỏi
Hình 4-10 Mẫu tấm thí nghiệm mỏi trƣớc khi cắt
Hình 4-11 Cắt mẫu
Hình 4-12 Mẫu dầm 400mmx50mmx50mm Hình 4-13 Tiến hành thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm
4.1.5 Nghiên cứu thực nghiệm
4.1.5.1 Kế hoạch thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm 72 mẫu G-FRAC ứng với ba mức ứng suất ở nhiệt độ 10oC, tần số 10Hz theo tiêu chuẩn BS EN 12697-24 [30]. Mỗi loại G-FRAC, làm thí nghiệm 3 mẫu và lấy kết quả trung bình của 3 mẫu. Kế hoạch thực nghiệm nhƣ Bảng 4-2
Bảng 4-2 Kế hoạch thí nghiệm uốn mỏi
Loại bê tông Ký hiệu Bê tông Chỉ tiêu thí
nghiệm Số lƣợng mẫu Ghi chú
G-FRAC PMBIII B0PMB xác định tuổi thọ mỏi 9 3 mẫu (1 tổ mẫu) x 3 mức ứng suất B1PMB 9 B3PMB 9 B5PMB 9 G-FRAC 40-50 B0TT xác định tuổi thọ mỏi 9 3 mẫu (1 tổ mẫu) x 3 mức ứng suất B1TT 9 B3TT 9 B5TT 9 4.1.5.2 Kết quả thí nghiệm
Kết quả thống kê tuổi thọ mỏi Nf của tám loại G-FRAC tại ba mức ứng suất sau khi thí nghiệm uốn mỏi 4 điểm ở tần số 10Hz, nhiệt độ 10oC đƣợc thể hiện trong Bảng 4-3
Bảng 4-3 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC
Loại Bê tông
Hàm lƣợng sợi (%)
Loại bê tông asphalt gia cƣờng
sợi thủy tinh
Tuổi thọ mỏi (Nf) tại mức ứng suất 1,2 Mpa Tuổi thọ mỏi (Nf) tại mức ứng suất 1,4 Mpa Tuổi thọ mỏi (Nf) tại mức ứng suất 1,6 Mpa B0PMB 0% G-FRAC-PMBIII 158.000 117.000 35.500 B1PMB 0,1% 235.000 151.000 50.500 B3PMB 0,3% 1.362.500 239.000 192.500 B5PMB 0,5% 4.304.000 3.587.000 1.535.500 B0TT 0% G-FRAC 40-50 32.500 24.000 17.000 B1TT 0,1% 96.000 46.500 35.000 B3TT 0,3% 245.500 54.000 45.500 B5TT 0,5% 291.000 73.000 47.500
Để thuận tiện, tên thí nghiệm và vật liệu đƣợc kí hiệu theo dạng sau : B + % sợi + loại bitum + -mức ứng suất
Trong đó:
- B là kí hiệu chung (chỉ bê tông asphalt)
- % sợi kí hiệu nhƣ bằng số nhƣ sau:
0% 0; 0,1% 1; 0,3% 3; 0,5% 5
- Mức ứng suất: I là 1,2 MPa, II là 1,4 MPa, III là 1,6 MPa
Ví dụ: B1TT-II là thí nghiệm với loại bê tông asphalt hàm lƣợng sợi 0,1%, bitum thƣờng 40-50 với mức ứng suất 1,4 MPa.
Các kết quả của thí nghiệm uốn mỏi sẽ đƣợc phân tích kỹ trong phần tiếp theo.
4.2 Phân tích đánh giá khả năng chống mỏi của G-FRAC
Nhƣ đã nói ở phần trƣớc, hiện tƣợng mỏi đặc trƣng bởi sự phá hủy của vật liệu sau một số lần trùng phục của tải trọng (thực tế thƣờng > 104 trong đó biên độ tải trọng tác dụng nhỏ hơn cƣờng độ phá hủy của vật liệu. Thông qua các thí nghiệm, tuổi thọ mỏi của vật liệu đƣợc xác định bằng số lƣợt tải trọng tác dụng đến khi phá hoại mẫu. Có nhiều tiêu chí “ mẫu bị phá hoại” khác nhau phụ thuộc vào phƣơng pháp xác định tuổi thọ mỏi. Đƣờng đặc tính mỏi (hay còn gọi là đƣờng Wöhler) thể hiện tuổi thọ mỏi của vật liệu phụ thuộc vào biên độ tải trọng (ứng suất hoặc biến dạng) tác dụng. Thông thƣờng, đƣờng đặc tính mỏi đƣợc thể hiện dƣới dạng phƣơng trình 4-1:
b
S a N (4.1)
hoặc dƣới dạng phƣơng trình 4-2:
log( )S log( )N (4.2)
Trong đó S là cƣờng độ tải trọng tác dụng, N là tuổi thọ mỏi, a và b (hoặc và ) là các hệ số đặc trƣng của vật liệu.
Đƣờng đặc tính mỏi đƣợc thể hiện là một đƣờng thẳng trong hệ tọa độ logarit (Hình 4-14). Một vài vật liệu khi chịu tải trọng có cƣờng độ nhỏ hơn « giá trị bền mỏi » thì không bị phá hủy dù số lần tác dụng tải là rất lớn hoặc không giới hạn. Giá trị bền mỏi với bê tông asphalt hiện chƣa đƣợc nghiên cứu nhiều. Một vài nghiên cứu cho thấy giá trị này không lớn hơn một vài chục µm/m đơn vị biến dạng [22].
Hình 4-14. Đƣờng đặc tính mỏi và giá trị bền mỏi của vật liệu
Trong thực tế, kết quả thí nghiệm tuổi thọ mỏi của vật liệu rất phân tán. Nguyên nhân là do sự không đồng nhất của vật liệu và do chính sự phức tạp của bản thân hiện tƣợng mỏi. Vào những năm 80, tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt có thể thay đổi 1 đến 30 lần khi tiến hành trên các mẫu tƣơng tự nhau tùy thuộc vào cƣờng độ tải trọng tác dụng [83]. Những năm gần đây, nhờ sự phát triển công nghệ, các thiết bị thí nghiệm, mức độ phân tán giảm xuống còn 1 đến 10 lần [41]. Đối với vật liệu gia cƣờng chất liên kết vô cơ, độ phân tán này thƣờng lớn hơn nữa. Những máy móc có hệ thống điều khiển và đo đạc chính xác sẽ càng giảm sự phân tán trong kết quả thí nghiệm.
Quy luật Miner
Trên thực tế, kết cấu áo đƣờng chịu tác dụng của những tải trọng có cƣờng độ rất khác nhau trƣớc khi bị phá hoại. Khi đó, đƣờng đặc tính chỉ xác định tuổi thọ mỏi ứng với một giá trị tải trọng cho trƣớc. Trong trƣờng hợp này, quy luật tích lũy mỏi nhằm tính toán tuổi thọ mỏi của vật liệu khi chịu tải trọng ở các mức cƣờng độ khác nhau đƣợc xác định theo Miner (xem công thức 4-3):
1 1 n i i i n N (4.3)
Trong đó, ni là số lần tác dụng tải trọng có cƣờng độ Si, Ni là tuổi thọ mỏi ứng với tải trọng có cƣờng độ Si.
Quy luật Miner đơn giản và sử dụng khá phổ biến trong quy trình tính toán thiết kế áo đƣờng của Pháp. Tuy nhiên, quy luật này còn chƣa đƣợc minh chứng và