2.2.1.1 Về mặt hóa học
Nhìn chung các loại sợi thủy tinh rất ổn định với các chất hóa học. Trong khuôn khổ luận án, sợi thủy tinh sử dụng là loại C-Glass, sợi thủy tinh có độ ổn
định hóa học rất cao, khi gia cƣờng trong bê tông asphalt không làm thay đổi tính chất hóa học của bitum [23].
2.2.1.2 Về mặt lý học
Theo những nghiên cứu trên thế giới, việc gia cƣờng sợi thủy tinh vào bê tông asphalt chặt rải nóng đã đem lại hiệu quả rõ rệt. Khi gia cƣờng sợi có cƣờng độ chịu kéo cao sẽ làm tăng cƣờng độ của hỗn hợp bê tông asphalt. Về lý thuyết, ứng suất sẽ truyền sang sợi cƣờng độ cao, làm giảm ứng suất lên phần có cƣờng độ yếu hơn là chất liên kết asphalt [59]. Sợi có tác dụng làm tăng độ rỗng dƣ, tăng độ ổn định Marshall, cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và tăng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt [20], [58]. Đặc biệt khi dùng những loại sợi có cƣờng độ chịu kéo lớn nhƣ sợi thủy tinh, sợi cacbon [59], khả năng cải thiện lún vệt bánh xe và tuổi thọ mỏi tăng mạnh.
Vai trò của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt đƣợc chứng minh trong nghiên cứu của Jahran năm 1999 khi sợi thủy tinh có chiều dài 25mm đƣợc gia cƣờng trong HMA Dmax 20mm [49]. Kết quả cho thấy G-FRAC có khả năng chống mỏi, chống lún vệt bánh xe, khống chế nứt tốt hơn bê tông asphalt đối chứng không gia cƣờng sợi. Tuổi thọ mỏi Nf tăng dần khi hàm lƣợng sợi thủy tinh gia cƣờng tăng dần từ 0-0,5% ( xem Hình 2-3) [49].
Năm 2005 Najd tiếp tục nghiên cứu vai trò của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt. Độ bền Marshall và độ bền mỏi của G-FRAC tăng đáng kể khi gia cƣờng sợi thủy tinh với hàm lƣợng từ 0,175% – 0,375% theo khối lƣợng hỗn hợp HMA [58].
Sợi thủy tinh có khả năng giữ ổn định cho chất kết dính asphalt, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao và lƣu lƣợng giao thông lớn. Hơn nữa sợi có cấu trúc mạng lƣới ba chiều trong hỗn hợp asphalt nên nó gia cƣờng cho bộ khung giúp chống lại lực cắt và giảm khả năng bị chảy của hỗn hợp asphalt [49][55].
Hình 2-3 Đặc tính mỏi của G-FRAC ở các hàm lƣợng sợi thủy tinh khác nhau [49]
Sợi thủy tinh có cƣờng độ cao. Nhiệt độ nóng chảy dao động từ 800oC - 2000oC, độ bền của nó bắt đầu giảm tại điểm nhiệt độ khoảng 1200oC. Do đặc tính cơ học nổi trội, sợi thủy tinh làm tăng khả năng làm việc của hỗn hợp asphalt trong những điều kiện khắc nghiệt nhƣ nhiệt độ cao hoặc băng giá. Trong nghiên cứu của Najd năm 2005, sợi thủy tinh đƣợc khuyên dùng để gia cƣờng cho HMA rải nóng khai thác ở vùng khí hậu nóng [58].
Theo nghiên cứu của Mahrez và các đồng nghiệp [55], các đặc tính cơ học nhƣ mô đun đàn hồi, khả năng chịu mỏi của hỗn hợp SMA gia cƣờng sợi thủy tinh đã tăng đáng kể so với hỗn hợp SMA không gia cƣờng sợi (xem Hình 2-4 và Hình 2-5). Mahrez cho rằng sợi thủy tinh phân bố đều trong pha kết dính asphalt đã tăng khả năng chống chuyển dịch do lực cắt, hạn chế di chuyển của cốt liệu và làm chậm quá trình xuất hiện và phát triển của vết nứt.
Những ƣu điểm trên thể hiện rõ rệt khi hàm lƣợng sợi thủy tinh tăng lên. Nhƣng khi tỷ lệ sợi vƣợt quá 0,3% thì các giá trị này lại giảm xuống. Nghiên cứu này [55] cho thấy rằng hàm lƣợng sợi thủy tinh gia cƣờng hợp lý là 0,3% trong bê tông asphalt gia cƣờng sợi.
Hình 2-4: Quan hệ giữa hàm lƣợng sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi, [55]
Hình 2-5: Quan hệ giữa độ bền chịu mỏi và tỷ lệ sợi, [55]
Các đặc tính của bê tông asphalt chịu ảnh hƣởng lớn bởi các đặc tính cơ học và một phần của thành phần hóa học của bitum và chất liên kết asphalt. Tuy nhiên, khi hỗn hợp đã đƣợc thi công thành mặt đƣờng thì yếu tố thành phần hóa học của bitum lại đặc biệt quan trọng vì yếu tố này ảnh hƣởng đến tốc độ oxy hóa của vật liệu làm mặt đƣờng. Các yếu tố này lại bị tác động bởi sự thay đổi các đặc tính của bitum do ảnh hƣởng của không khí, nhiệt độ và nƣớc. Bitum là vật liệu có tính đàn nhớt dẻo và đặc tính của chúng biến động từ thuần nhớt đến đàn hồi phụ thuộc vào thời gian chịu tải và nhiệt độ.
Sợi khi gia cƣờng trong bê tông asphalt đƣợc coi là pha gián đoạn trong khi chất liên kết asphalt là pha nền. Chất gia cƣờng này sẽ giúp pha nền đƣợc ổn định
hơn dƣới tác dụng của tải trọng và thay đổi nhiệt độ. Ứng xử của pha tăng cƣờng sợi trong pha nền asphalt đƣợc mô phỏng trong nghiên cứu của [44]. Theo đó, lực tác dụng vào HMA gây ra ứng suất cắt τ giữa sợi và pha nền asphalt, kết quả gây ra ứng suất kéo σ trong sợi. Sợi sẽ có khả năng chịu một phần ứng suất trong hỗn hợp composite mà pha nền là asphalt. Sợi trong pha nền asphalt đƣợc mô tả theo dạng “ Slippage” (trƣợt) nhƣ Hình 2-6 và Hình 2-7. Hejazi đƣa ra hệ số λ đánh giá tỷ lệ sợi bị trƣợt khi làm việc với pha nền asphalt trong HMA nhƣ sau:
(2.1)
Trong đó:
λ: hệ số “Slippage”
df: đƣờng kính sợi
Ef: mô đun đàn hồi của sợi
ɛf: biến dạng của sợi
τ: ứng suất kéo
Lf: chiều dài sợi
Hệ số λ càng lớn thì phần sợi không tham gia làm việc càng lớn. Trong nghiên cứu này, ứng xử trong bê tông asphalt của bốn loại sợi khác nhau có cùng chiều dài 12mm đã đƣợc mô hình hóa theo dạng “Slippage”: sợi thủy tinh, sợi nylon, sợi polypropylene và sợi polyester. Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi thủy tinh cho hiệu quả gia cƣờng bê tông asphalt là cao nhất.
Hình 2-7 Biểu đồ ứng suất cắt và kéo của sợi trong pha nền asphalt theo mô hình “ Slippage” [44]
Sợi thủy tinh có đặc tính hấp thụ bề mặt do đó khi nằm trong pha nền asphalt sợi sẽ hút các chất bão hòa, có khối lƣợng phân tử nhỏ, trong asphalt. Nhờ vậy sợi thủy tinh đã 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 [55].
Khi bê tông asphalt làm việc trong điều kiện nhiệt độ thấp, lớp bê tông asphalt mặt đƣờng dễ bị gẫy vỡ, bong bật cốt liệu. Theo một số nghiên cứu chuyên sâu về lƣu biến học và tình trạng nứt gãy bitum và hỗn hợp có chứa bitum thấy rằng biểu hiện này liên quan trực tiếp đến sự suy giảm mô đun độ cứng [15]. Sợi khi gia cƣờng trong bê tông asphalt đã làm tăng mô đun độ cứng của hỗn hợp vật liệu. Trong cấu trúc của bê tông asphalt, vùng tiếp giáp - pha kết dính asphalt - giữa các hạt cốt liệu là vùng yếu nhất. Cấu tạo của pha asphalt bao gồm các thành phần nhƣ asphaltens, chất dẻo, vòng thơm, các chất bão hòa (paraffins và naphthenes). Cùng với tác dụng của tải trọng, vùng này sẽ là nơi dễ biến dạng, dễ xuất hiện các
vết nứt làm giảm khả năng chịu lực của HMA và kết quả mô đun đàn hồi của HMA giảm rõ rệt.
Mặt khác, hệ thống sợi phân tán tạo nên mạng lƣới cấu trúc ba chiều trong bê tông asphalt [35], 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, cải thiện sự suy giảm mô đun độ cứng do đó cải thiện đặc tính mỏi của bê tông asphalt.