1.1.3.1 Giới thiệu chung
Trong thời kỳ khai thác, mặt đƣờng chịu tác dụng của tải trọng xe chạy nhiều lần, liên tục. Ngoài việc là nguyên nhân cơ bản của hiện tƣợng lún vệt bánh xe, số lần tích lũy tác dụng của tải trọng xe chạy là một yếu tố quan trọng quyết định một trạng thái hƣ hỏng rất phổ biến đối với kết cấu mặt đƣờng mềm – hiện tƣợng nứt do mỏi. Hiện tƣợng nứt do mỏi thông thƣờng xuất hiện ở cuối thời kỳ thiết kế, đôi khi xảy ra sớm có thể từ nhiều nguyên nhân khác nhau. Ví dụ nhƣ, do tải trọng nặng tác dụng trùng phục nhiều lần, mặt đƣờng thiết kế với chiều dày không đủ hoặc do các lớp phía dƣới yếu làm xuất hiện độ võng lớn khi có tải trọng tác dụng, do chất lƣợng thi công kém, do các giải pháp thoát nƣớc nền, mặt đƣờng không hiệu quả v.v…
Bản chất hiện tƣợng mỏi là sự suy giảm độ bền của vật liệu dƣới tác dụng của tải trọng trùng phục. Dƣới tác dụng của tải trọng ban đầu các vết nứt vi mô xuất hiện trong vật liệu. Dần dần, các vết nứt vi mô phát triển, liên kết và hình thành vết nứt lớn gây suy giảm cƣờng độ, phá hoại mặt đƣờng (Hình 1-6). Cần lƣu ý rằng, biên độ của tải trọng trùng phục trong thí nghiệm mỏi phải nhỏ hơn biến dạng giới hạn gây phá hủy của vật liệu. Nếu không, thí nghiệm sẽ không phải 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.
Hình 1-6. Nứt do mỏi trên mặt đƣờng bê tông asphalt trên đƣờng Nguyễn Trãi – TP Hà Nội
Để đánh giá đặc tính mỏi của bê tông asphalt ngƣời ta tiến hành hai nhóm thí nghiệm chính: nhóm thực nghiệm hiện trƣờng và nhóm thí nghiệm trong phòng.
Nhóm thí nghiệm hiện trƣờng hƣớng đến việc xây dựng, mô phỏng sát thực nhất sự làm việc của kết cấu áo đƣờng dƣới tác dụng của các yếu tố tải trọng, thiên nhiên v.v…Đƣờng vòng thí nghiệm của AASHTO hay của LCPC (Pháp) là những thực nghiệm hiện trƣờng điển hình của nhóm thí nghiệm này.
Nhóm trong phòng thí nghiệm có thể chia làm 3 loại lớn:
- Thí nghiệm uốn (hai, ba, bốn điểm);
- Thí nghiệm kéo nén (trực tiếp hoặc gián tiếp);
- Thí nghiệm trƣợt.
Loại 1 (các thí nghiệm uốn) mô phỏng trực tiếp ứng suất kéo uốn của vật liệu trong kết cấu do tải trọng xe chạy. Loại 2 (thí nghiệm kéo nén cũng mô phỏng lại ứng suất kéo trong các lớp nhƣng không qua uốn mà kéo trực tiếp lên mẫu. Loại
3 (thí nghiệm trƣợt) muốn tính đến cả sự trƣợt ngang của các lớp mặt. 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 biến dạng;
- Thí nghiệm khống chế ứng suất.
1.1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt
Nhiệt độ
- Thí nghiệm khống chế biến dạng
Trong chƣơng trình nghiên cứu SHRP (Strategic Highway Research Program) [69], [70] các thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm đƣợc thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ 5°C đến 25°C. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra những ảnh hƣởng sau đây của nhiệt độ:
+ Độ dốc đƣờng đặc tính mỏi tăng lên khi nhiệt độ tăng (Hình 1-7)
+ Trong khoảng nhiệt độ thí nghiệm từ 5oC đến 25oC, tuổi thọ mỏi tăng theo nhiệt độ T (°C) và có thể xác định theo phƣơng trình (1.3)
Nf = (1.3)
Trong đó:
- Nf: tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt
- T: nhiệt độ thí nghiệm
- ɛ0: biến dạng ban đầu
Trong một chƣơng trình thí nghiệm khác, Moutier chỉ ra rằng giá trị 6 (biên độ biến dạng phá hoại mỏi tại 106 chu kì đạt giá trị nhỏ nhất (đáy tại nhiệt độ
khoảng 1°C -6°C. Nếu tăng nhiệt độ (> 6°C) hoặc giảm nhiệt độ (< 1°C) từ khoảng giá trị này, giá trị 6 sẽ tăng lên [82] .
Hình 1-7. Đƣờng đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau thực hiện bởi thí nghiệm uốn mỏi 4 điểm, khống chế biến dạng [69]
- Thí nghiệm khống chế ứng suất
Với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất, nhiều nghiên cứu thấy rằng tuổi thọ mỏi giảm đi khi nhiệt độ tăng lên [65]. Trong một vài nghiên cứu, phân tích những thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất chỉ ra rằng, khi thể hiện tuổi thọ mỏi theo sự thay đổi của biến dạng ban đầu, đƣờng đặc tính mỏi là duy nhất không bị ảnh hƣởng của yếu tố nhiệt độ khi nhiệt độ thí nghiệm trong khoảng từ -10oC đến 20oC. [80] (Hình 1-8).
Hình 1-8. Đƣờng đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất [80]
Liên quan đến ảnh hƣởng của nhiệt độ tới vị trí phá hủy trong thí nghiệm mỏi, Kim đã làm các thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất, ép theo phƣơng đƣờng kính của mẫu trụ tròn [52]. Kết quả chỉ ra rằng ở 0°C, vị trí vết phá hủy nằm ở màng bitum hoặc thậm chí là cốt liệu đá, trừ những trƣờng hợp vật liệu kém dính. Còn ở 20°C, vị trí nứt mỏi nằm ở bề mặt tiếp xúc của đá và bitum.
- Nhiệt độ thấp
Bê tông asphalt là một loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp từ - 10oC đến - 46oC [2], bitum trong hỗn hợp bê tông asphalt bị hóa cứng khiến cho cốt liệu dễ bị bong bật khỏi chất kết dính asphalt. Gây nên hiện tƣợng gẫy vỡ của lớp bê tông asphalt mặt đƣờng.
Khi nhiệt độ mặt đƣờng xuống thấp đủ để tạo ra một ứng suất kéo do nhiệt lớn hơn cƣờng độ chịu kéo uốn của bê tông asphalt (có xét đến mỏi), vết nứt sẽ xuất hiện. Các vết nứt do nhiệt độ thấp đƣợc tạo thành khi các lớp mặt đƣờng bị co ngót lại trong thời tiết lạnh giá. Khi hiện tƣợng co ngót mặt đƣờng xuất hiện thì đồng thời cũng sinh ra các ứng suất kéo vƣợt qua cƣờng độ kháng kéo trong lớp bê tông asphalt và dẫn đến hiện tƣợng nứt [14].
Theo các nghiên cứu trên thế giới, nhiệt độ thí nghiệm đánh giá tuổi thọ mỏi thông thƣờng là 0oC, 5oC, 10oC, 20oC, tùy thuộc vào điều kiện thí nghiệm và điều kiện tự nhiên của mỗi quốc gia [66]. Theo số liệu thống kê nhiệt độ thấp nhất trong 6 năm gần đây ở trạm Láng, Hà Nội, nhiệt độ trung bình thấp dao động từ 8o
C -
Tuổi thọ mỏi N (chu kì)
Biến dạng ban đầ u (m /m )
14oC. Theo hƣớng dẫn tính toán lớp bê tông asphalt áo đƣờng ô tô của Đức – 2009, nhiệt độ mặt đƣờng ở độ sâu 20mm đƣợc tính nhƣ sau:
T20mm = b.ln(0,01h+1)+Tbm (1.4)
Trong đó:
b: hệ số phụ thuộc nhiệt độ bề mặt bê tông asphalt Tbm
Tbm = 6-10oC ta có b= 0,1
Tbm = 10-15oC ta có b= 0,3
h: chiều sâu tính toán, lấy bằng 20mm
Tbm: nhiệt độ bề mặt lớp bê tông asphalt
Biểu đồ nhiệt độ thấp nhất của mặt đƣờng thể hiện trên Hình 1-9. Đây có thể lấy làm cơ sở ngƣỡng nhiệt độ thấp để nghiên cứu tuổi thọ mỏi của mặt đƣờng bê tông asphalt. Theo phân vùng khí hậu của Việt Nam, các khu vực khác nhau có thể có ngƣỡng nhiệt độ thấp hơn (nhƣ vùng núi phía Bắc) hoặc cao hơn (nhƣ vùng miền Nam Trung Bộ và Nam Bộ).
Hình 1-9 Nhiệt độ mặt đƣờng thấp nhất 6 năm ở Hà Nội
Tần số tác dụng lực 11,7 13,4 14,7 8,0 12,7 14,4 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Nh iệt đ ộ ( o C)
Yếu tố tần số tác dụng lực ít đƣợc nghiên cứu hơn so với nhiệt độ. Nghiên cứu của Doan chỉ ra rằng khi tần số tác dụng lực tăng, tuổi thọ mỏi giảm với thí nghiệm khống chế biến dạng và tăng với thí nghiệm khống chế ứng suất [80]
Hình dạng mẫu
Rất nhiều dạng mẫu thí nghiệm đƣợc sử dụng trong thí nghiệm mỏi: dầm, khối hình thang, mẫu trụ tròn, mẫu dạng đặc biệt… Kết quả nghiên cứu của Benedetto chỉ ra rằng giá trị 6 (biên độ biến dạng phá hoại mỏi tại 106 chu kì) rất khác nhau với các loại thí nghiệm và loại mẫu khác nhau [39].
Thời gian nghỉ tác dụng lực
Trên thực tế, xe chạy trên đƣờng không liên tục. Giữa khoảng thời gian hai xe nối đuôi chạy qua luôn có thời gian nghỉ chờ mà kết cấu không có lực tác dụng. Để mô phỏng đúng hơn hiện tƣợng thực tế, nhiều thí nghiệm mỏi đƣa thời gian nghỉ chờ vào sơ đồ tác dụng tải. Hai dạng sơ đồ tác dụng tải thƣờng đƣợc sử dụng trong các thí nghiệm có thời gian chờ:
- Tác dụng nhiều chu kì tải liên tục sau đó là thời gian nghỉ chờ dài;
- Tác dụng nhƣ xung lực, sau mỗi chu kì đều có khoảng nghỉ và lặp lại nhiều lần.
Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt tăng lên khi có thời gian nghỉ chờ trong các thí nghiệm mỏi [28], [80]. Tuy nhiên thời gian nghỉ chờ cũng có giới hạn hiệu quả. Vƣợt qua khoảng giới hạn này, tăng thời gian nghỉ không làm tăng tuổi thọ mỏi của vật liệu. Thời gian nghỉ chờ gấp 10 lần thời gian tác dụng lực đƣợc lấy là ngƣỡng thí nghiệm đánh giá tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt [21].
Bitum
Nhiều tác giả nghiên cứu cho rằng hàm lƣợng bitum là yếu tố rất quan trọng ảnh hƣởng đến tính chất mỏi của bê tông asphalt. Các nghiên cứu cho thấy tồn tại một giá trị hàm lƣợng bitum thiết kế. Lƣợng bitum thấp hơn giá trị này, tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt tăng khi hàm lƣợng bitum tăng. Còn với lƣợng bitum lớn
hơn, tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt giảm khi hàm lƣợng bitum tăng. Thông thƣờng, khi tăng hàm lƣợng bitum, độ phân tán trong kết quả thí nghiệm mỏi cũng nhỏ đi.
Các loại bitum khác nhau cũng ảnh hƣởng rất lớn đến tính chất mỏi của bê tông asphalt. Theo [26], khi sử dụng bitum có cùng độ kim lún, các loại bitum lấy từ các nguồn khác nhau có thể dẫn đến thay đổi giá trị rất lớn tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt. Nhìn chung, sử dụng các loại bitum polyme, bitum cải tiến sẽ làm tăng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt.
Cốt liệu và bột khoáng
Kết quả nghiên cứu của một số tác giả [27] cho rằng hình dạng cốt liệu ảnh hƣởng ít đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt. Kim chỉ ra rằng tính dính bám của bitum và cốt liệu có ảnh hƣởng đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt [52]. Mặt khác bê tông asphalt sử dụng cấp phối gián đoạn có tuổi thọ mỏi kém hơn so với bê tông asphalt sử dụng cấp phối liên tục [60]
Cũng giống nhƣ hàm lƣơng bitum, bê tông asphalt cũng tồn tại một hàm lƣợng bột khoáng thiết kế cho sức kháng mỏi [83]. Hàm lƣợng này khoảng từ 7-9% đối với hỗn hợp đá bitum sử dụng làm lớp móng (GB - Grave Bitume) ở Pháp.