Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu đến một số chỉ tiêu của bê tông nhựa khu vực miền đông nam bộ,luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA 2.1.1 Thành phần của bê tông nhựa Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm các thành phần là cốt liệu khoáng đá dăm, cát, bột khoáng, chất liên

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

Bê tông nhựa là vật liệu chủ yếu để xây dựng đường ô tô và được sử dụng

rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam Mạng lưới đường quốc gia ở Việt Nam

hiện nay có khoảng trên 80% có lớp mặt có xử lý bằng nhựa, trong đó phần lớn là

dùng bê tông nhựa Điều này cũng phù hợp trào lưu chung của thế giới, vật liệu gia

cố nhựa và bê tông nhựa đã và đang là loại vật liệu rất thông dụng làm lớp mặt của

kết cấu áo đường ôtô Công nghệ thi công lớp mặt đường bằng bê tông nhựa cũng

đã quen thuộc với các nhà thầu Việt Nam

Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm các thành phần là cốt liệu khoáng (đá dăm, cát,

bột khoáng), chất liên kết là nhựa đường và phụ gia (nếu có) được phối hợp với

nhau theo tỷ lệ hợp lý Mỗi thành phần trong bê tông nhựa đóng một vai trò nhất

định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ

cường độ và các tính chất cần thiết cho quá trình sử dụng:

- Đá dăm: Làm nên bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa, làm cho bê tông nhựa có

khả năng chịu tác dụng của ngoại lực và tạo độ nhám bề mặt

- Cát: Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm và cùng với đá dăm làm

thành bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa

- Bột khoáng: Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn Bột khoáng

là loại vật liệu có tỷ diện cao (250300 m2/kg), có ái lực mạnh với nhựa, biến

nhựa vốn có ở trạng thái khối, giọt thành trạng thái màng mỏng, bao bọc dễ dàng

với các hạt khoáng vật Bột khoáng có vai trò như một chất phụ gia làm cho

nhựa tăng thêm độ nhớt, tăng thêm khả năng dính bám và tăng tính ổn định

nhiệt Bột khoáng cùng với nhựa tạo ra một chất liên kết mới có tính chất hơn

hẳn các tính chất riêng của nhựa đường

- Nhựa đường: Là chất liên kết, kết dính các hạt cốt liệu khoáng lại với nhau

thành một khối và góp phần lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu

- Phụ gia: Mặc dù được sử dụng với hàm lượng rất nhỏ, nhưng phụ gia có vai trò

trong việc cải thiện một hoặc một số tính chất nào đó của bê tông nhựa

Các tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào tỉ lệ và và tính chất của vật

liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và mức độ

kết dính trong hỗn hợp và mức độ dính kết giữa cốt liệu và bi tum

Cấp phối cốt liệu là một trong những yếu tố quan trọng nhất của hỗn hợp cốt

liệu ảnh hưởng đến hầu hết các chỉ tiêu cơ lý và tuổi thọ của bê tông nhựa Cho đến

nay ở Việt Nam đã có một số nghiên cứu về sự ảnh hưởng của thành phần cấp phối

đến các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa vẫn chưa được đầy đủ và triệt để

Các loại bê tông nhựa xét về thành phần cỡ hạt của cốt liệu, có thể xem như

bao gồm:

- Bê tông nhựa chặt cấp phối liên tục/cấp phối gián đoạn;

- Bê tông nhựa rỗng cấp phối liên tục/cấp phối gián đoạn;

- Bê tông nhựa độ rỗng lớn cấp phối liên tục/ cấp phối gián đoạn;

- SMA (Stone Mastic Asphalt);

- Bê tông nhựa có thành phần cấp phối thỏa mãn tiêu chuẩn của Superpave;

- Bê tông nhựa không dùng lu (Gussasphalt)

Ở Việt Nam hiện nay phổ biến sử dụng các loại bê tông nhựa chặt với cấp

phối thỏa mãn họ đường cong Fuller Ngoài ra, hiện nay cũng đã có một số đoạn

thử nghiệm áp dụng bê tông nhựa có cấp phối gián đoạn thỏa mãn điều kiện có độ

rỗng dư lớn và độ nhám mặt đường cao Các tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt

đường bê tông nhựa đã ban hành ở Việt Nam:

- Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa 22TCN-249-98

- Dự thảo Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa

22TCN-249-06

- Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa sử dụng nhựa

đường PMB 22TCN-356-06

Đề tài : “Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt cốt liệu đến một số chỉ

tiêu của bê tông nhựa khu vực miền Đông Nam Bộ” nghiên cứu lý thuyết về

ảnh hưởng của thành phần cấp phối cốt liệu đến đặc tính cơ học của vât liệu bê tông

nhựa, nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của thành phần cấp phối đến một số

chỉ tiêu cơ học cơ bản của bê tông nhựa trong điều kiện thí nghiệm của Việt Nam

Các kết quả nghiên cứu này sẽ góp phần hoàn thiện các quy trình thiết kế và thi

công mặt đường bê tông nhựa

1.2 PHƯƠNG HƯỚNG GIẢI QUYẾT ĐỀ TÀI

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về sự ảnh hưởng của thành phần cỡ hạt của cấp phối

cốt liệu đến đặc tính cơ học của bê tông nhựa Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm

về sự ảnh hưởng của thành phần cấp phối cốt liệu đến một số chỉ tiêu cơ lý lựa chọn

của bê tông nhựa

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về bê tông nhựa

- Nghiên cứu tổng quan về sự ảnh hưởng của các thành phần trong bê tông

nhựa đến các tính chất của bê tông nhựa Trong đó đi sâu nghiên cứu về sự

ảnh hưởng của thành phần cấp phối cốt liệu đến các tính chất của bê tông

nhựa

- Tiến hành thí nghiệm trên các mẫu bê tông nhựa có các thành phần cốt liệu

khác nhau với cùng một loại nhựa đường được sử dụng phổ biến ở Việt

Nam Dựa trên kết quả thí nghiệm để đưa ra kết luận về sự ảnh hưởng của

thành phần cấp phối cốt liệu đến một số chỉ tiêu của bê tông nhựa

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về sự ảnh hưởng của các thành phần đến các tính chất

của bê tông nhựa trong đó nghiên cứu sâu về sự ảnh hưởng của thành phần

cấp phối đến các tính chất của bê tông nhựa

- Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về sự ảnh hưởng của cấp phối cốt liệu

đến một số chỉ tiêu cơ lý của BTN

+ Nghiên cứu về các loại cấp phối sử dụng cho các loại bê tông nhựa

khác nhau Từ đó xác định các thành phần cấp phối để chế tạo bê tông nhựa

phục vụ cho thí nghiệm trong phòng

+ Lựa chọn các chỉ tiêu cơ lý để tiến hành thí nghiệm trong điều kiện Việt

Nam và tìm hiểu về nội dung các thí nghiệm đó

+ Chế tạo các mẫu bê tông nhựa có thành phần cấp phối cốt liệu đã xác

định ở trên với loại nhựa đường đặc có độ kim lún 60/70 thường được sử

dụng ở Việt Nam Tiến hành các thí nghiệm trong phòng để xác định các chỉ

tiêu cơ lý đã lựa chọn

- Từ kết quả thí nghiệm đưa ra các đánh giá, kết luận

1.2.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu bê tông nhựa thành phần cấp phối có cỡ hạt lớn nhất danh định

là 12,5mm (bê tông nhựa hạt trung) và 9,5mm (bê tông nhựa hạt mịn) nhựa sử dụng

là nhựa thường 60/70

Các chỉ tiêu nghiên cứu là các chỉ tiêu có thể thí nghiệm được trong điều

kiện Việt Nam:

- Mô đun đàn hồi tĩnh

- Độ ổn định và độ dẻo Marshall

- Cường độ chịu kéo gián tiếp thí nghiệm ép chẻ Loại nhựa đường sử dụng cho nghiên cứu là nhựa đường đặc thường có độ

kim lún 60/70 của hãng Shell

Thí nghiệm được tiến hành trong phòng

1.2.5 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các thành phần đến các tính chất của bê tông

nhựa, trong đó nghiên cứu sâu về sự ảnh hưởng của thành phần cấp phối và của

nhựa đến các tính chất của bê tông nhựa Tiến hành và dựa trên các kết quả thí

nghiệm để đánh giá và đưa ra kết luận về sự ảnh hưởng của thành phần cấp phối

cốt liệu đến một số chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa

CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ

2.1 BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA BÊ TÔNG NHỰA

2.1.1 Thành phần của bê tông nhựa

Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm các thành phần là cốt liệu khoáng (đá dăm, cát, bột

khoáng), chất liên kết là nhựa đường và phụ gia (nếu có) được phối hợp với nhau

theo tỷ lệ hợp lý Mỗi thành phần trong bê tông nhựa đóng một vai trò nhất định và

có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ cường độ

và các tính chất cần thiết cho quá trình sử dụng:s

- Đá dăm: Làm nên bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa, làm cho bê tông nhựa có

khả năng chịu tác dụng của ngoại lực và tạo độ nhám bề mặt

- Cát: Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm và cùng với đá dăm làm

thành bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa

- Bột khoáng: Có vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn Bột khoáng

là loại vật liệu có tỷ diện cao (250300 m2/kg), có ái lực mạnh với nhựa, biến

nhựa vốn có ở trạng thái khối, giọt thành trạng thái màng mỏng, bao bọc dễ dàng

với các hạt khoáng vật Bột khoáng có vai trò như một chất phụ gia làm cho

nhựa tăng thêm độ nhớt, tăng thêm khả năng dính bám và tăng tính ổn định

nhiệt Bột khoáng cùng với nhựa tạo ra một chất liên kết mới có tính chất hơn

hẳn các tính chất riêng của nhựa đường

- Nhựa đường: Là chất liên kết, kết dính các hạt cốt liệu khoáng lại với nhau

thành một khối và góp phần lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu

- Phụ gia: Mặc dù được sử dụng với hàm lượng rất nhỏ, nhưng phụ gia có vai trò

trong việc cải thiện một hoặc một số tính chất nào đó của bê tông nhựa

Như vậy, cường độ của bê tông nhựa được hình thành trên cơ sở nguyên lý hình

thành cường độ của hỗn hợp vật liệu theo nguyên tắc cấp phối với chất kết dính là

nhựa đường

2.1.2 Ưu, nhược điểm chủ yếu của mặt đường bê tông nhựa

a) Những ưu điểm chủ yếu của mặt đường bê tông nhựa

Bê tông nhựa (BTN) được sử dụng phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới để làm lớp

mặt đường ô tô và đường sân bay là do có những ưu điểm chủ yếu sau đây:

Công nghệ chế tạo và thi công đơn giản, thuận lợi cho việc áp dụng cơ giới hoá

do đó có tốc độ thi công nhanh, dễ đảm bảo chất lượng cao

Công tác kiểm tra chất lượng trước, trong và sau khi thi công dễ thực hiện và đã

được chuẩn hoá

Cho phép khai thác sử dụng ngay sau khi thi công

Mặt đường có tính toàn khối, bằng phẳng, êm thuận

Ít bụi, không ồn, ít bị bào mòn

Có tuổi thọ tương đối dài

Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa trong quá trình khai thác

Cho phép tái phục hồi chất lượng nhờ công nghệ tái sinh mặt đường sau thời

gian khai thác nhất định

b) Những nhược điểm chủ yếu của bê tông nhựa

Bên cạnh những ưu điểm chủ yếu kể trên, bê tông nhựa còn có một số nhược điểm

sau:

Ổn định nhiệt kém: Khi nhiệt độ thay đổi thì cấu trúc của bê tông nhựa thay đổi,

dẫn đến các đặc trưng về cường độ và biến dạng cũng thay đổi theo:

Ở nhiệt độ cao, bê tông nhựa thể hiện tính dẻo, cường độ chịu nén rất kém,

sức chống cắt thấp, biến dạng tăng Vì vậy mặt đường dễ gây trượt, lượn

sóng, hằn vệt bánh xe, nổi nhựa lên mặt, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng

khai thác và tuổi thọ của mặt đường

Ở nhiệt độ thấp, bê tông nhựa thể hiện tính giòn, khả năng chịu kéo kém, mặt

đường dễ bị nứt nẻ

Hiện tượng lão hoá theo thời gian: Do sự bay hơi của các thành phần dầu nhẹ,

quá trình ô xy hoá và trùng hợp của các hợp chất cao phân tử có trong thành

- Cỏc loại xe bỏnh xớch, bỏnh sắt đi lại trờn mặt đường BTN thường hay để lại

những dấu vết làm hư hỏng lớp trờn mặt, nờn thường khụng làm mặt đường

BTN cho loại xe này chạy

- Hệ số bỏm sẽ giảm đi khi mặt đường ẩm ướt nờn xe dễ bị trượt Khắc phục bằng

cỏch thảm lờn bề mặt lớp vật liệu tạo nhỏm

- Đầu tư ban đầu tương đối lớn Nhưng xột tới hiệu quả giữa chi phớ ban đầu và

chi chi phớ duy tu, bảo dưỡng và vận tải mà mặt đường BTN đem lại so với cỏc

loại mặt đường khỏc thỡ chưa chắc đây đó là nhược điểm

c) Những dạng hư hỏng chính của mặt đường bê tông nhựa

Dưới tác dụng của tải trọng giao thông và các điều kiện khí hậu môi trường, mặt

đường bê tông nhựa thường xuất hiện một số dạng hư hỏng sau:

Vật liệu bị bong bật

Hiện tượng phùi nhựa lên bề mặt

Bề mặt bị mài mòn

Để lớp mặt bê tông nhựa có chất lượng tốt, bền vững, đáp ứng được yêu cầu sử

dụng dưới tác dụng của tải trọng xe và các điều kiện khí hậu môi trường, yêu cầu

hỗn hợp bê tông nhựa và kết cấu mặt đường phải được thiết kế hợp lý dựa trên các

đặc tính cơ học của bê tông nhựa

d) Phạm vi ỏp dụng: do những đặc điểm nếu trên mặt đường bờ tụng nhựa thường

được sử dụng làm lớp mặt của:

- Mặt đường cho những đường cấp cao: cấp 60 trở lờn

- Mặt đường cao tốc

- Làm mặt đường thành phố

- Làm mặt đường của những đường cú ý nghĩa quan trọng

- Làm mặt sõn bay, quảng trường

- Lớp phủ mặt cầu

2.2 CẤU TRÚC CỦA BÊ TÔNG NHỰA

Về mặt cấu trúc, bê tông nhựa là một vật liệu xây dựng có cấu trúc thuộc loại cuội

kết nhân tạo, trong đó các cốt liệu khoáng vật được dính kết với nhau nhờ chất liên

kết asphalt Tuy nhiên cũng còn một vài quan điểm về cấu trúc của hỗn hợp:

- Quan điểm theo mô hình đơn giản xem bê tông nhựa gồm hai pha cơ bản: pha

rắn là cốt liệu khoáng vật gồm đá, cát và bột khoáng, còn pha lỏng là nhựa

- Quan điểm xem bê tông nhựa như là một vật liệu gồm hai thành phần cấu trúc:

một là khung sườn vật liệu khoáng vật gồm đá và cát, hai là chất liên kết asphalt

gồm bitum và bột khoáng

- Quan điểm xem bê tông nhựa là một hệ thống gồm ba cấu tử để thuận lợi trong

việc nghiên cứu điều chỉnh cấu trúc của bê tông nhựa theo các yêu cầu sử dụng

Một là cấu trúc vi mô (tế vi) gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết

* Xét cấu trúc tế vi sẽ thấy rõ các quan hệ số lượng, sự bố trí và tương tác giữa

bi tum và bột khoáng – thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa

Cường độ của bê tông nhựa biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào hàm lượng bột

khoáng, vào tỷ số nhựa bi tum đối với bột khoáng (B/BK) Khi lượng nhựa

nhiều bột khoáng ít, các hạt bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc trực

tiếp với nhau, cấu trúc này cho cường độ nhỏ, trường hợp này thể hiện ở khu

vực I của biểu đồ trong hình 2.1

Hình 2.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ [bitum/bột khoáng] đến cường độ nén của bê tông nhựa

Khi tăng lượng bột khoáng lên, tỷ lệ bitum trên bột khoáng giảm, đến lúc lượng

nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng Các hạt này

sẽ tiếp xúc với nhau trực tiếp qua một màng mỏng bitum có định hướng (khoảng

0,25 m); lúc này cấu trúc tế vi đạt cường độ cao nhất thể hiện ở khu vực II của

đồ thị Nếu tiếp tục tăng lượng bột khoáng lên nữa, bi tum sẽ không đủ để tạo

màng bọc khắp các hạt; cấu trúc tế vi sẽ tăng lỗ rỗng, các hạt không liên kết

được với nhau, cường độ sẽ giảm nhanh thể hiện ở khu vực III của đồ thị

* Xét về cấu trúc trung gian của bê tông nhựa thì thấy rằng khi đưa cát vào chất

liên kết asphalt để tạo thành vữa asphalt thì sẽ làm giảm cường độ của hệ thống

vì cát đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp Cấu trúc trung gian cũng ảnh

hưởng khá lớn đến cường độ, độ biến dạng, độ chặt và các tính chất khác của bê

tông nhựa

* Xét về cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa: các viên đá là một yếu tố cơ bản để

làm thành cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa Cấu trúc này được xác định bằng

quan hệ số lượng, vị trí tương hỗ, độ lớn của đá dăm Đá dăm được liên kết với

nhau tạo thành một khối sườn không gian trong vữa asphalt Đồng thời cấu trúc

này cũng được xác định bằng tính chất của các quá trình tương tác ở mặt phân

giới bitum-đá

Vai trò cấu trúc hóa của đá dăm cũng như của cát, khác nhiều so với bột khoáng

Vai trò chính của đá dăm là làm thành một sườn không gian đảm bảo cường độ

cho bê tông nhựa Với lượng đá dăm quá ít, chúng chỉ như các hạt trơ bơi trong

vữa asphalt, các hạt đá dăm nằm cách xa nhau bởi các lớp vữa asphalt dày

Người ta thấy rằng nếu hàm lượng đá chỉ độ 10-20% thì còn làm cho cường độ

của lớp bê tông nhựa giảm đi so với vữa asphalt vì số đá đó đã làm giảm tính

đồng nhất của hỗn hợp Cũng thấy rằng, trong trường hợp này, kích cỡ, tính chất

bề mặt của đá dăm, hình dạng của chúng chẳng có ảnh hưởng gì lớn đến tính

chất của bê tông nhựa

Khi tăng lượng đá dăm lên, sẽ làm tăng các tiếp xúc trực tiếp giữa các viên đá

qua một màng mỏng bitum có định hướng Khi đá dăm tăng lên đến 60-65% thì

trong hỗn hợp bê tông nhựa sẽ lập thành một sườn không gian, các hạt đá dăm sẽ

tiếp xúc với nhau trực tiếp qua một màng bitum rất mỏng có tính rắn, giữa các

hạt đá dăm này sẽ được vữa asphalt lấp đầy, đó là cấu trúc dạng rỗng của bê

tông nhựa Nếu ta thêm đá dăm vào nữa thì sẽ thành cấu trúc tiếp xúc, độ rỗng

tăng lên nhiều, lớn hơn thể tích vữa asphalt, làm cho bê tông nhựa giảm cường

độ (hình 2.2)

Hình 2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng đá dăm đến cường độ nén của bê tông nhựa

Cấu trúc của ba cấu tử đó có tương quan với nhau chặt trẽ khi thiết kế một hỗn

hợp bê tông nhựa nhất định

Để đạt chất lượng đã định trước cho một dạng bê tông nhựa, cần phải phối hợp

cho đạt được một tương quan hợp lý về măt số lượng giữa cấu trúc vĩ mô, trung

gian và tế vi và giữ tương quan đó trong suốt quá trình chế tạo bê tông nhựa

Có nghĩa là với mỗi cấu trúc vĩ mô đã chọn chỉ tương ứng với một số cấu trúc tế

vi nhất định nào đó để có các chỉ tiêu cơ lý cao

Hình 2.3 là mô hình tương quan phối hợp giữa các cấu trúc vi mô, trung gian và

tế vi của bê tông nhựa

Hình 2.3 Mô hình tương quan phối hợp giữa các cấu truc vĩ mô, trung gian và tế vi của bê tông

nhựa

Theo mô hình tương quan này, tỷ số giữa lượng bitum trên lượng bột khoáng đối

với mỗi dạng cấu trúc của bê tông nhựa (dạng cấu trúc vĩ mô) có thể lấy như

sau:

- Khi bê tông nhựa có dạng cấu trúc “bazan” thì [B/BK]=0,5-0,6

- Khi bê tông nhựa có cấu trúc dạng “rỗng-bazan” thì [B/BK]=0,6-0,9

- Khi bê tông nhựa có cấu trúc dạng “rỗng” và “rỗng-tiếp xúc” thì

[B/BK]=0,9-1,1

Tỷ số [B/BK] nói trên sẽ tăng khi độ quánh (độ nhớt) của nhựa tăng lên

2.3 CÁC TÍNH CHẤT LƯU BIẾN VÀ MÔ HÌNH LƯU BIẾN CỦA BÊ TÔNG NHỰA

Một trong những đặc trưng chủ yếu của hỗn hợp có dùng nhựa làm chất liên kết là

tính lưu biến; vì rằng, các quá trình biến dạng của hỗn hợp này, mà rõ nhất là bê

tông nhựa có liên hệ chặt chẽ với thời gian tác dụng của tải trọng, tốc độ đặt tải

trọng, còn trị số ứng suất thì phụ thuộc vào tốc độ biến dạng và trị số biến dạng

Khi nghiên cứu tính lưu biến của bê tông nhựa có thể xác định các hằng số lưu biến

sau đây để đặc trưng cho các tính chất cơ học và cấu trúc của nó: mô đun đàn hồi,

độ nhớt, giới hạn chảy dẻo, thời gian chậm trễ của biến dạng đàn hồi, thời gian

chùng ứng suất Và trên cơ sở các hằng số lưu biến ấy có thể xác định được các yêu

cầu cụ thể đối với hỗn hợp bê tông nhựa

Bê tông nhựa có quy luật chung về biến dạng phụ thuộc vào trị số của ứng suất thể

hiện trên đường cong lưu biến (hình 2.4) Mỗi đoạn của đường cong lưu biến đặc

trưng cho các tính chất lưu biến của vật liệu làm việc trong từng giai đoạn, phụ

thuộc vào trị số của ứng suất

Góc nghiêng của đoạn thẳng thứ nhất của đường cong lưu biến đặc trưng cho độ

nhớt lớn nhất  của vật liệu khi cấu trúc chưa bị phá hoại, tương ứng với giai đoạn

biến dạng rất chậm của vật liệu khi ứng suất còn bé

0

P d dt

Đoạn cong AB của đường cong lưu biến tương ứng với giai đoạn mà cấu trúc ban

đầu của vật liệu đã bị phá hoại phần nào, độ nhớt của vật liệu đã giảm đi ít nhiều vì

ứng suất đã tăng lên dần dần cho đến gần giá trị Pk và gọi là trị số giới hạn chảy

dẻo

Hình 2.4 Đường cong lưu biến

Khi ứng suất vượt quá giới hạn chảy dẻo Pk thì tốc độ biến dạng tăng nhanh và trở

lại tỷ lệ với sự tăng của ứng suất, mức độ phá hoại cấu trúc của vật liệu tăng lên

nhiều Giai đoạn làm việc này của vật liệu thể hiện ở đoạn thẳng thứ 2 của đường

cong lưu biến và tương ứng với giai đoạn này trị số độ nhớt của vật liệu bằng độ

nhớt ở giai đoạn chảy dẻo d có thể tính bằng công thức:

0

k d

Hình 2.5 Quan hệ giữa độ nhớt của vật liệu () và mức độ phá hoại cấu trúc vật liệu () với ứng

suất cắt (P) trong điều kiện chảy ổn định

Khi ứng suất tiếp tục tăng nữa thì mức độ phá hoại của cấu trúc tăng đột ngột và khi

đã ở giới hạn hoàn toàn bị phá hỏng thì độ nhớt đã giảm đến trị số bé nhất m Trị

số m không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào trị số của ứng suất nữa Hình 2.5

biểu thị quan hệ giữa trị số độ nhớt của vật liệu và mức dộ phá hoại cấu trúc của vật

liệu với ứng suất cắt trong điều kiện chảy ổn định

Để biểu diễn một cách dễ thấy tính chất cơ học khi ngoại lực tác dụng và khi để xác

định các nội lực, ứng suất và biến dạng trong khối vật liệu bê tông nhựa, người ta đã

dùng các mô hình lưu biến khác nhau tùy theo tính chất và giai đoạn làm việc của

bê tông nhựa

2.3.1 Mô hình Maxvel

Khi làm việc ở nhiệt độ thấp, mặt đường bê tông nhựa có thể dùng mô hình Maxvel

thể hiện tính đàn-nhớt của bê tông nhựa:

Mô hình Maxvel (hình 2.6) gồm một lò xo đàn hồi lý tưởng có mô đun đàn hồi E1

ghép nối tiếp với một vật cản đựng chất lỏng có độ nhớt 1

Hình 2.6 Mô hình Maxvel Hình 2.7 Sự chùng ứng suất trong mô hình Maxvel

Khi lực tác dụng lò xo phát sinh gây biến dạng đàn hồi và biến dạng nhớt ở vật cản

tiếp tục phát triển trong suốt cả thời gian tác dụng của lực Vì thế ở mỗi thời điểm,

biến dạng tổng thể ch sẽ là:

Trong đó:

- 1 : Biến dạng đàn hồi của lò xo

- 2 : Biến dạng không phục hồi của vật cản có độ nhớt 1

Lấy vi phân của biểu thức (2.3) sẽ có tốc độ biến dạng chung  bằng:

Nếu giữ độ biến dạng không đổi trong suốt cả thời gian tác dụng lực (=const;

d/dt=0) thì từ phương trình trên (2.5) ứng suất sẽ giảm theo quy luật hình 2.7:

0

p

t t

- 1: độ nhớt của chất lỏng chứa trong vật cản

- 0: ứng suất ứng với khi thời gian t=0

Hình 2.8 Sự phát triển của biến dạng theo thời gian trong mô hình Maxvel

Nếu lực là không đổi trong cả quá trình tác dụng (=const; d/dt=0) thì từ phương

trình (2.4) sẽ có phương trình từ biến của vật thể đàn hồi-nhớt (hình 2.8):

t E





Mô hình Maxvel chưa thể hiện một đặc tính của mặt đường bê tông nhựa là biến

dạng đàn hồi không phát sinh ngay sau khi lực tác dụng mà cần có một khoảng thời

gian chậm trễ để phát triển đó là tính đàn hồi – chậm của mặt đường bê tông nhựa

2.3.2 Mô hình Kelvin-Foigơtơ

Mô hình Kelvin-Foigơtơ có thể thể hiện được tính đàn hồi-chậm của vật liệu, nó

gồm một lò xo đàn hồi có mô đun E2 (vật thể Hook) ghép song song với vật cản có

chứa chất lỏng độ nhớt là 2 (vật thể Niutơn) (hình 2.9) Trong mô hình này ứng

suất tổng cộng  bằng tổng số các ứng suất 1, 2 phát sinh trong lò xo và trong vật

cản, còn trị số biến dạng tương đối  trong cả hai yếu tố ấy đều bằng nhau

với 0 là biến dạng ban đầu khi t=0

Nếu ứng suất =0=const tác dụng lên vật thể không bị biến dạng ban đầu, nghĩa là

0=0 thì từ phương trình (2.10) sẽ tìm được quy luật phát triển của biến dạng theo

thời gian như sau (hình 2.10):

     

với tch.tr là thời gian chậm trễ của biến dạng đàn hồi tch.tr=2/E2

Hình 2.9 Mô hình Kelvin-Foigơtơ Hình 2.10 Sự phát triển của biến dạng đàn hồi-chậm

theo thời gian theo mô hình Kelvin-Foigơtơ

Thực tế sử dụng mặt đường bằng hỗn hợp bê tông nhựa cho thấy tính chất biến

dạng của nó còn phức tạp hơn nhiều; nó bao gồm cả biến dạng đàn hồi, biến dạng

nhớt, biến dạng đàn hồi chậm, biến dạng dẻo tùy theo điều kiện thời tiết, nhất là

nhiệt độ và loại bê tông nhựa

2.3.3 Mô hình Burger

Mô hình Burger bao gồm mô hình Maxvel ghép nối tiếp với mô hình Kelvin (hình

2.11) Biến dạng tổng thể của vật thể Burger bằng tổng cộng biến dạng của hệ thống

Maxvel và biến dạng của hệ thống Kelvin Như vậy trong suốt cả thời gian tác dụng

lực, tổng số biến dạng  bao gồm cả ba thàng phần: biến dạng đàn hồi, biến dạng

đàn hồi-chậm và biến dạng nhớt được biểu diễn bằng công thức (2.12) và hình vẽ

- t : thời gian tác dụng của lực

- tch.tr : thời gian chậm trễ trong hệ thống Kelvin

Quan hệ của biến dạng theo thời gian trong mô hình

Burger (hình 2.12) cho thấy rằng sau khi bắt đầu

biến dạng ở thời điểm t1 thì biến dạng đàn hồi thực

tế đạt được ngay giá trị AB=/E1 Tiếp theo biến

dạng nhớt của vật cản có độ nhớt 1 sẽ phát triển

dần theo thời gian đồng thời lúc ấy biến dạng đàn

hồi của lò xo có mô đun E2 cũng bắt đầu phát triển,

nhưng biến dạng đàn hồi này bị vật cản có độ nhớt

2 làm chậm lại

Đến thời điểm ứng với điểm C thì biến dạng đàn

hồi của lò xo E2 đã phát triển xong Tiếp theo là

biến dạng nhớt phát triển, biểu diễn bằng đoạn

thẳng CD cho đến khi bắt đầu dỡ tải (ở điểm D)

Kéo dài đoạn DC và gặp AB kéo dài tại L Đoạn

BL biểu thị giá trị của biến dạng đàn hồi-chậm

trong hệ thống Kelvin BL=/E2, còn đoạn CC’ là

bằng giá trị của biến dạng nhớt (của vật cản có độ

nhớt 1) cho đến lúc biến dạng đàn hồi chậm của hệ

thống Kelvin đã phát triển xong

Hình 2.11 Mô hình lưu biến Burger

Khi dỡ tải thì biến dạng nhớt sẽ ngừng phát triển và ở thời điểm t2 này tổng giá trị

của biến dạng nhớt sẽ biểu thị bằng đoạn DM, theo định luật Niutơn thì:

Khi vừa dỡ tải thì biến dạng đàn hồi được phục hồi ngay tức khắc (đoạn DF=AB),

còn đoạn cong FK biểu thị sự phục hồi của biến dạng đàn hồi-chậm Điểm K ứng

với thời điểm mẫu ngừng phục hồi biến dạng, tung độ của điểm K biểu thị tổng giá

trị của biến dạng nhớt, và do đó tung độ của điểm K sẽ bằng đoạn DM

Hình 2.12 Phát triển biến dạng theo thời gian trong mô hình lưu biến Burger

2.4 PHÂN LOẠI BÊ TÔNG NHỰA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG

Mỗi nước có sự phân loại bê tông nhựa của mình, tuy có sự khác nhau về hình thức

phân loại nhưng nói chung cũng giống nhau ở những nội dung chính trong quan

điểm phân loại đó là: cách phối hợp vật liệu, cách chế tạo và thi công, phạm vi áp

dụng,

2.4.1 Phân loại bê tông nhựa ở Việt Nam

Theo các tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa hiện nay ở

Việt Nam 22TCN 249-90 và 22TCN 249-98 thì có thể phân loại bê tông nhựa như

sau:

1 Theo nhiệt độ khi rải:

+ Bờ tụng nhựa rải núng: được chế tạo ở 140 - 1700C, nhiệt độ lỳc rải khụng được

dưới 100 - 1200C Thường dựng nhựa đặc chế tạo từ dầu mỏ cú độ kim lỳn 40/60,

60/90 hoặc 90/130 để chế tạo loại này Cường độ của BTN rải núng hỡnh thành rất

nhanh Sau khi lu lốn xong, mặt đường nguội xuống bằng nhiệt độ khụng khớ là

xem như cơ bản đó hỡnh thành

+ Bờ tụng nhựa rải ấm: được chế tạo ở nhiệt độ 110 - 1300C, nhiệt độ lỳc rải khụng

dưới 60 - 800C Thường dựng nhựa đặc chế tạo từ dầu mỏ cú độ kim lỳn 200/300,

130/200 hoặc nhựa lỏng cú tốc độ đông đặc trung bỡnh với độ nhớt C605 là

130/200 Tốc độ hỡnh thành cường độ của BTN ấm cú thể thay đổi từ vài giờ đến

15-20 ngày đêm, tuỳ thuộc vào loại nhựa và bột khoỏng sử dụng, vào điều kiện thời

tiết, nhiệt độ hỗn hợp lỳc rải và thành phần, mật độ xe chạy trờn đường Tuy nhiờn

BTN rải ấm cú ưu điểm là cú thể thi cụng trong lỳc thời tiết lạnh, cự ly chuyờn chở

xa hơn BTN rải núng

+ Bờ tụng nhựa rải nguội: Thường dựng nhựa lỏng cú tốc độ tốc độ đông đặc trung

bỡnh với độ nhớt C605 là 70/130 hay nhựa đặc pha dầu Nhiệt độ rải của loại này

bằng nhiệt độ khụng khớ, khoảng 250C Cú thể cất giữ BTN nguội ở kho bói từ 4 - 8

thỏng Thời gian hỡnh thành cường độ của mặt đường BTN rải nguội thông thường

chậm, cú thể từ 20 - 40 ngày đêm tuỳ thuộc vào loại nhựa và bột khoỏng sử dụng,

vào điều kiện thời tiết và thành phần, mật độ xe chạy trờn đường

* Do sử dụng nhựa đặc, cú độ kim lỳn thấp nờn độ dớnh bỏm của nhựa với đá lớn

Do vậy BTN rải núng cú cường độ cao nhất, tiếp đến là BTN rải ấm và cuối cựng là

BTN rải nguội BTN rải núng được sử dụng làm lớp mặt trờn hay dưới của mặt

đường cấp cao

BTN rải nguội, ấm chỉ được sử dụng làm lớp dưới trong tầng mặt của cỏc loại mặt

đường cấp cao hay làm lớp mặt trờn trong của mặt đường đường cấp thấp hơn BTN

nguội thường hay sử dụng hơn cả trong việc duy tu, sửa chữa mặt đường nhựa

2 Theo độ rỗng cũn dư : phõn làm hai loại (theo 22 TCN 249 - 98)

+ BTN chặt: cú độ rỗng cũn dư từ 3 - 6% thể tớch Trong thành phần bắt buộc phải

cú bột khoỏng

+ BTN rỗng: cú độ rỗng cũn dư từ >6% đến 10% thể tớch Trong thành phần của

hỗn hợp thường khụng cú bột khoỏng hoặc bột khoỏng chỉ chiếm dưới 4% Loại

BTN rỗng chỉ dựng cho lớp dưới của mặt đường BTN hai lớp hoặc làm lớp múng

3 Theo hàm lượng đá dăm:

Đá dăm được hiểu là cốt liệu sót sàng 4.75 mm

* Theo qui trỡnh 22 TCN 249-90: BTN được phõn ra cỏc loại:

+ Bờ tụng nhựa nhiều đá dăm (ký hiệu BTN loại A): khi hàm lượng đá dăm chiếm

* Qui trỡnh 22 TCN 249-98 không phân loại bê tông nhựa theo hàm lượng đá dăm

mà cơ bản theo kích cỡ hạt lớn nhất Dự thảo qui trỡnh 22TCN 249 - 06 cũng tương

tự như qui trỡnh 22TCN - 249-98, phõn loại bờ tông nhựa theo kích cỡ danh định

lớn nhất của cốt liệu

4 Theo chất lượng của vật liệu khoỏng chất và cỏc chỉ tiờu cơ lý của BTN:

* Theo qui trỡnh 22 TCN 249-90: BTN được phõn ra 4 loại:

+ BTN loại I

+ BTN loại II

+ BTN loại III

+ BTN loại IV

Trong đó BTN loại III, loại IV chỉ được sử dụng làm lớp mặt cho đường cấp 60 trở

xuống hay làm múng đường cấp cao hơn

* Theo qui trỡnh 22 TCN 249-98: Chỉ phõn làm hai loại

+ BTN loại I

+ BTN loại II

Trong đó BTN loại II chỉ được sử dụng làm lớp mặt cho đường cấp 60 trở xuống

hay làm múng đường cấp cao hơn

5 Theo cỡ hạt lớn nhất danh định của cấp phối đá (tương ứng với cỡ sàng trũn

tiờu chuẩn mà cỡ sàng nhỏ hơn ngay sỏt dưới nú cú lượng sút tớch luỹ lớn hơn 5%),

Theo tiêu chuẩn thiết kế mặt đường mềm của Việt Nam trước đây (tiêu chuẩn

22TCN - 211 - 93), quy định các chỉ tiêu cường độ cho bê tông nhựa theo cỡ hạt

lớn nhất BTN hạt thụ cú cường độ lớn nhất, tiếp đến là BTN hạt trung, cuối cựng là

BTN hạt mịn với giải thớch là nếu cấp phối cú cốt liệu chủ yếu kớch cỡ lớn hơn thỡ

góc ma sát trong tăng lên, do vậy cho cường độ chịu cắt cũng như là cường độ chịu

kéo và mụ đuyn đàn hồi càng cao

BTN chặt, hạt mịn có độ rỗng cũn dư thấp do vậy có thể tạo bề mặt kớn, chống hao

mũn tốt, do vậy thường được sử dụng làm lớp mặt trên cùng BTN thụ có cường độ

tốt và độ rỗng dư lớn hơn, nên thường được dùng làm lớp mặt dưới chịu lực BTN

hạt trung cú tớnh chất trung gian giữa hai loại trờn nờn cú thể làm lớp mặt trờn hay

lớp dưới

6 Theo biện pháp thi công: 2 loại

+ Bờ tụng nhựa thụng thường cần phải đầm chặt bằng lu qua các giai đoạn Loại vật

liệu này đó được sử dụng phổ biến ở Việt Nam

+ Bờ tụng nhựa khụng cấn lu lèn: bê tông nhựa đúc (gussasphalt, mastic asphalt)

đây là loại vật liệu đang được nghiên cứu áp dụng ở nước ta, nó có ưu điểm là có

cường độ cao, không cần phải lu lèn, nhưng có nhược điểm là giá thành đắt và công

nghệ chế tạo, thi công cũn mới mẻ Loại vật liệu này rất phổ biến ở Đức, Pháp, Anh,

Hà Lan, Đài Loan,

7 Theo phạm vi sử dụng:

+ Bờ tụng nhựa thụng thường: Được dựng làm cỏc lớp trong tầng mặt của mặt

đường làm mới hoặc mặt đường nõng cấp

+ Bờ tụng nhựa cải tiến: Thường cho thờm cỏc phụ gia với tỷ lệ thấp vào hỗn hợp

bờ tụng nhựa, cỏc phụ gia này tỏc động với nhựa hoặc với cốt liệu và cải thiện cỏc

đặc trưng của nhựa từ đó làm tăng một hoặc nhiều cỏc đặc trưng như: cường độ

mỏi, cường độ khỏng cắt, cường độ từ biến, làm tăng tuổi thọ của BTN (Polime,

EVA, SBS, cao su, latex, lưu huỳnh )

+ Lớp bê tông nhựa có chức năng đặc biệt: là bê tông nhựa làm lớp tạo nhám và/

hoặc lớp thoát nước Bê tông nhựa loại này thường sử dụng nhựa đường có phụ gia

2.4.2 Phân loại bê tông nhựa của Viện Asphalt

Bê tông nhựa của Mỹ, theo định nghĩa của AI, là một hỗn hợp vật liệu đá, cát, bột

khoáng có chất lượng cao, phối hợp theo một cấp phối tốt nhất, trộn nóng với nhựa

theo một chế độ quy định chặt chẽ, đem ra rải thành lớp và đầm nén thành một lớp

chặt chẽ đồng nhất (Asphalt concrete A.C)

Hỗn hợp bê tông nhựa dùng ở Mỹ có thành phần cấp phối thay đổi rất rộng tuỳ theo

mục đích sử dụng và vị trí của từng lớp trong áo đường

Viện Asphalt của Mỹ đã phân bê tông nhựa nóng ra các loại, dựa trên hàm lượng đá

thô, cỡ hạt mịn và bột khoáng cũng như hàm lượng nhựa trong hỗn hợp (Bảng 2.1)

Nhìn vào bảng phân loại bê tông Asphalt của Mỹ ta thấy hỗn hợp IIIa, IIIb, IIIc, IIId

và IIIe giống như loại hỗn hợp bê tông nhựa nhiều đá dăm (loại A) Hỗn hợp IVb,

IVc, IVd thì tương tự như loại bê tông nhựa có vừa đá dăm (loại B) và hỗn hợp Va,

Vb giống như loại bê tông nhựa ít đá dăm (loại C) theo như quy trình thi công và

nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa của Việt nam ban hành năm 1990

Bảng 2.1 Các loại hỗn hợp bê tông Asphalt của Mỹ

75-100

35-55 20-35

10-22 6-16 4-12 2-8 3.0-6.0

III b 100

75-100

60-85 35-55 20-35

10-22 6-16 4-12 2-8 3.0-6.0

75-100 60-85 30-50 20-35 5-20 3-12 2-8 0-4 3.0-6.0

III d 100

75-100

45-70 30-50 20-35 5-20 3-12 2-8 0-4 3.0-6.0

2.4.3 Phân loại bê tông nhựa của Pháp

Những loại bê tông nhựa chủ yếu dùng để làm lớp trên và lớp dưới của mặt đường

bao gồm:

1 Các lớp mặt đường chặt, rải nóng:

- Bê tông nhựa chặt: Là loại bê tông nhựa có hàm lượng đá dăm nhỏ, lượng cát

lớn, dễ rải, dễ đầm nhưng không chịu được lưu lượng xe lớn và tải trọng nặng vì

để lại những vệt hằn bánh xe

- Bê tông nhựa cỡ 0/10 và cỡ 0/14: Là loại dùng rất phổ biến để làm lớp mặt trên

và mặt dưới Lượng hạt nhỏ hơn 0,08mm từ 5-9% cho lớp trên và 4-8% cho lớp

dưới, chọn chính xác phải dựa vào thí nghiệm Với mỗi hàm lượng hạt nhỏ hơn

0,08mm cần phải làm thí nghiệm với 4 hàm lượng nhựa khác nhau để tìm tối ưu,

với chỉ dẫn chung quanh lượng nhựa tham khảo là 6% (cho cỡ 0/10) và 5,4%

(cho cỡ 0/14) Thông thường ở Pháp dùng loại vừa đá dăm, vì dùng loại nhiều

đá dăm rất khó thi công: chỉ cần có một sự phân tầng nhỏ thì đã xuất hiện những

vùng có quá nhiều đá dăm làm cho việc đầm chặt bê tông nhựa rất khó khăn

- Bê tông nhựa 0/10 +găm đá con tạo bề mặt nhám: Là dùng một lớp bê tông

nhựa cỡ hạt 0/10 dày khoảng 5cm rải lên lớp dưới hoặc trên mặt đường cũ, sau

đó dùng các viên đá dăm cứng (cường độ lớn và ít bị bào mòn) cỡ 10/14 hoặc

12/14 hoặc 14/16 được gia công trước với nhựa, rải một lượt lên trên và dùng lu

ấn xuống Lượng đá con này cần khoảng 6kg cho 1m2 Mặt sẽ trở lên nhám, có

thể không cho nước tạo thành mảng mỏng làm trơn trượt khi xe chạy

- Bê tông nhựa cỡ 0/6; 0/10 và 0/14 làm thành lớp mỏng để phục hồi độ nhám và

chống thấm nước: Thường dùng loại cỡ 0/6 rải lớp dày 3cm, trên đó rải đá con

cỡ 0/14 gia công trước với nhựa sẽ có một lớp có độ nhám cao và không thấm

nước

- Bê tông nhựa cát: Bê tông nhựa cát cỡ 0/4 hay 0/6, dùng cát sông, cát xay hàm

lượng nhựa khoảng 7% loại nhựa đặc 60/70 hoặc 80/100 Thường dùng cho

đường xe đạp, đường ít xe trong khu phố với bề dày lớp rải có thể rất mỏng

1,5-2cm, loại này ít nhám và không kín nước

2 Các lớp mặt đường hở, rải nóng: Bê tông nhựa thoát nước nhanh, có độ rỗng

đến 20% và hơn nữa, dùng bitum thông thường hoặc tốt hơn là dùng loại bitum

polyme Lớp bê tông nhựa này dùng cỡ 0/10 hay 0/14 rải dày khoảng 4cm Nước

mưa thoát rất nhanh ở ngay lỗ hổng bên trong của lớp nhất là khi có áp lực của

bánh xe chạy qua Tuy nhiên chỉ nên dùng loại này khi đã có một lớp dưới thật

kín nước Lớp này có cường độ yếu, thường chỉ dùng ở những đoạn khó thoát

nước ở bề mặt đường, đoạn chuyển tiếp siêu cao có độ dốc ngang nhỏ

3 Bê tông nhựa đúc: rải ở nhiệt độ rất cao và không dùng lu

4 Bê tông nhựa dạng vữa

5 Bê tông nhựa dùng cho đường băng sân bay

6 Bê tông nhựa rải nguội

7 Các loại bê tông nhựa đặc biệt: có dùng các chất phụ gia khác nhau như

polyme, copolyme,

2.4.4 Bê tông nhựa không dùng lu

Bê tông nhựa đúc-BTNĐ (Gussasphalt, mastic asphalt) là loại bê tông nhựa ít lỗ

rỗng, về mặt lịch sử có thể xem BTNĐ có ngay từ đầu khi người ta dùng nhựa để

xây dựng đường, nhưng xét về kỹ thuật thì BTNĐ chỉ được dùng cho những mặt

đường cao cấp, loại mặt đường này vượt qua tất cả những loại mặt đường khác về

mặt tuổi thọ khi chịu lượng giao thông lớn

Xuất xứ của BTNĐ ngày nay là từ Béc-lin, được P Héc-man phát triển đầu tiên vào

những năm 1920-1930 Từ cuối năm 1950, ở CHLB Đức người ta đã áp dụng

BTNĐ vào xây dựng đường ô tô cao tốc, đường đô thị và đặc biệt là những đường

chịu tải trọng nặng

Hiện nay bê tông nhựa đúc được nghiên cứu phát triển và sử dụng ở hầu khắp các

nước tiên tiến như Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Hà Lan, Đài Loan, Thành phần, tính

chất, công nghệ chế tạo, công nghệ thi công và tên gọi của BTNĐ cũng có khác biệt

như : Đức, Đài Loan “Guss asphalt (guasfalt)”; Hà Lan “Gietasfalt”; Anh “Mastic

asphalt”; hoặc “Poured Asphalt”,

Trên cơ sở các nghiên cứu, phát triển của BTNĐ trên thế giới có thể tóm tắt những

đặc tính, ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của loại vật liệu này như sau:

Bê tông nhựa đúc là hỗn hợp của cốt liệu, bột khoáng và chất liên kết, trong đó thể

tích tích luỹ của bột khoáng và chất liên kết lớn hơn nhiều thể tích các lỗ rỗng của

bộ khung cốt liệu, như vậy có thể thi công bằng đúc nóng, không cần lu lèn

Đặc điểm đặc biệt của BTNĐ là sử dụng thừa chất liên kết: ở BTNĐ những lỗ rỗng

còn lại của cốt liệu đá luôn luôn được chèn đầy bằng chất liên kết (Overfilled

mixes) và ở trạng thái nóng quan sát thấy rất rõ rệt lượng chất liên kết thừa, có

nghĩa là tất cả các hạt khoáng chất “bơi chậm chạp” trong chất liên kết

BTNĐ nóng có tính dẻo hay có sự di động rất cao, nó không cần phải đầm nén sau

khi rải nhưng cần phải san trên lớp móng để đạt được chiều dày mong muốn và sau

khi nguội thì mặt đường hoàn toàn dùng được

Hỗn hợp ít rỗng được xem là hệ thống ba pha (vật liệu khoáng, chất liên kết và

không khí) mà phần không khí tạo nên do cấu trúc hạt, khi đầm nén thì giảm đến trị

số tối thiểu Ngược lại với hỗn hợp ít rỗng, BTNĐ chỉ có hệ thống hai pha, lập nên

từ vật liệu khoáng và chất liên kết, không khí hoàn toàn biến mất (chỉ đôi khi xuất

hiện các bọt khí rất nhỏ) Loại vật liệu này đặc biệt thích hợp để làm lớp chống

thấm

BTNĐ mặc dù thừa chất liên kết nhưng không gây ra các biến dạng lớn khi chịu

lực, vì chất liên kết của BTNĐ có chứa rất nhiều các hạt rất nhỏ (bột khoáng) có

nghĩa là chúng rất ổn định Hỗn hợp vật liệu khoáng để chế tạo BTNĐ theo quy

định ít nhất phải chứa 20% bột đá theo trọng lượng (hạt có d<0.09 mm), thông

thường dùng bột đá với tỷ lệ 20-25% trọng lượng (khi hàm lượng nhựa trung bình

từ 7-7.5% TL thì trong chất liên kết bột đá-nhựa đường bột đá chiếm gấp 3 lần)

Một chất liên kết có tính dính như vậy thì một lượng chất liên kết nhỏ thừa ra cũng

hoàn toàn không gây tác hại gì, nhưng phải khống chế chất liên kết thừa đến mức

nhỏ nhất, nếu không BTNĐ ở mùa nóng nó sẽ trở nên mềm Nhựa để chế tạo bê

tông nhựa đúc là loại nhựa đặc, thường là loại có độ kim lún từ 25-45

BTNĐ có thể rải thành lớp rất mỏng từ 2-5cm, nhiệt độ hỗn hợp khi chế tạo và rải >

2000 C (từ 200-2300C), trộn hỗn hợp trong trạm trộn, rải bằng loại máy rải có bộ

phận làm nóng, chạy trên ray Vận chuyển bằng loại ô tô có thùng chứa và thiết bị

quấy

BTNĐ có thể xem là loại mặt đường nhựa cứng nhất, có độ bền cao nhất vì khi

BTNĐ khi xây dựng không cần đầm nén cho nên có thể loại bỏ được những hư

hỏng mà những loại mặt đường khác hay gặp phải do đầm nén thiếu Lớp mặt trên

BTNĐ dính bám với lớp dưới tốt hơn so với BTN đầm chặt bằng lu và khả năng

chống nứt cũng cao hơn

BTNĐ đặc biệt thích hợp khi làm các lớp mỏng phủ mặt cầu, lớp mặt trên của áo

đường, lớp phủ sàn công nghiệp, lớp phòng nước cho hầm,

Những ưu điểm của nó cũng gây ra một số khó khăn khi vận chuyển và khi rải Đặc

biệt hay gặp phải hiện tượng thừa chất liên kết trên bề mặt của BTNĐ khi rải và

trong quá trình BTNĐ nguội đi (bởi vì chất liên kết nhẹ hơn vật liệu khoáng)

Khi rải BTNĐ phải té thêm đá cỡ hạt 2-5mm bởi vì bề mặt đường được tạo nên chủ

yếu bằng chất liên kết và bột đá khi ẩm rất dễ gây trượt Vật liệu đá té ra đường

thường được lu bằng lu nhẹ Khi những viên đá nhỏ được ấn vào hỗn hợp sẽ tạo nên

lớp tạo nhám, đặc biệt ở lớp mặt các đường cao tốc

Vấn đề cần quan tâm của BTNĐ là việc hình thành vệt lượn sóng do khi rải gặp

móng đường quá ẩm, móng đường ẩm khi bị BTNĐ phủ lên sẽ xuất hiện các túi hơi

nước, các túi này đội lớp BTNĐ lên và gây hiện tượng lượn sóng

2.5 YÊU CẦU VỀ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊ TÔNG NHỰA

Về các chỉ tiêu cơ lý quy định cho bê tông nhựa làm đường thì được bổ sung dần

dần và điều chỉnh Cho đến nay những yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông

nhựa ở Mỹ, Nga, Pháp càng xích lại gần nhau Các nhà khoa học đều có chung một

quan điểm như sau :

- Bê tông nhựa phải có đủ độ bền (độ ổn định) ở nhiệt độ 50o-60oC hoặc bằng

phương pháp Masshall, Hubbart-Field, Hveem, hoặc bằng phương pháp nén nở

tự do ở 50oC (ở Nga, ở Pháp, ở Việt nam), vì đó là một chỉ tiêu đặc trưng một

cách gián tiếp sự ổn định (độ bền) chống cắt của bê tông nhưạ, khi ở nhiệt độ

cao

- Bê tông nhựa phải đủ cường độ nén ở nhiệt độ bình thường (ở Mỹ là 25oC, ở

Pháp là 18oC, ở Nga và Việt nam là 30oC) nó biểu thị khả năng làm việc trong

đa số thời gian chịu đựng tải trọng xe của mặt đường

- Bê tông nhựa phải có một độ rỗng còn dư tối thiểu và không quá một độ rỗng

còn dư tối đa (ở tất cả các nước đều quy định và các trị số đều xấp xỉ như nhau)

Độ rỗng còn dư của bê tông nhựa đặc trưng cho độ chặt cuối cùng của bê tông

nhựa, nó là dấu hiệu chứng tỏ việc chọn lựa cấp phối vật liệu khoáng có đúng

không, hàm lượng nhựa đã tối ưu chưa, độ lu lèn đã đúng mức độ chưa Độ rỗng

còn dư của bê tông nhựa nóng không thể bằng không được vì các nguyên nhân

khác nhau: Do độ rỗng của cốt liệu, do thể tích không khí lẫn vào trong hỗn hợp

khi trộn và không thể thoát ra hết được khi lu đầm, và do khi hỗn hợp bê tông

nhựa nguội lại thì lượng nhựa tự do lấp các lỗ rỗng của hỗn hợp bị co rút mà để

lại các lỗ rỗng Hơn nữa bê tông nhựa nóng phải có một tỉ lệ lỗ rỗng nào đó

(min) để nhựa có thể nở ra mà không trồi lên mặt khi mặt đường làm việc trong

thời tiết nắng nóng

- Độ trương nở trong phương pháp Hveem, cũng được quy định ở Nga, Việt nam,

Pháp dưới hình thức thí nghiệm khác Chỉ tiêu này đòi hỏi bê tông nhựa không

những chỉ được có một số độ rỗng nhất định, hút một lượng nước không quá quy

định mà còn đòi hỏi tính hút ẩm (tính nở) của bột khoáng, tính hút nước của loại

nhựa sử dụng phải nằm trong phạm vi cho phép Độ trương nở càng lớn càng

kém ổn định nước và băng giá

- Để làm lớp mặt, bê tông nhựa cần phải đảm bảo tạo bề mặt có độ bằng phẳng

tốt, đủ nhám, có độ rỗng dư trong khoảng hợp lý để tạo lớp có tính năng thích

hợp trong kết cấu mặt đường

Sau đây là các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa theo tiêu chuẩn của Việt Nam và một

số nước khác

2.5.1 - Chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa theo tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam

Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa theo quy trình thi công và nghiệm

thu mặt đường bê tông nhựa (22TCN 249 – 98) được thể hiện ở các bảng sau:

Bảng 2.2 Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa chặt (BTNC) (22TCN 249 – 98)

Yêu cầu đối với bê tông

6 Hệ số ổn định nước, không nhỏ hơn 0,90 0,85

7 Hệ số ổn định nước, khi cho ngậm nước

trong 15 ngày đêm; không nhỏ hơn

8 Độ nở, % thể tích, khi cho ngậm nước

trong 15 ngày đêm, không lớn hơn

Chỉ số dẻo quy ước (flow) mm max 5,0 max 5,0 hoặc

4 Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu ở

60oC, 24h so với độ ổn định ban đầu, %

TT Các chỉ tiêu

Yêu cầu đối với bê tông

Bảng 2.3 Yêu cầu các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng (BTNR)

6 Hệ số ổn định nước, khi cho ngâm nước

trong 15 ngày đêm, không nhỏ hơn

0,6

Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa theo dự thảo quy trình thi công và

nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa (22TCN 249 – 06) được thể hiện ở các bảng

BTNC19;

BTNC12,5;

BTNC 9,5

Bê tông nhựa cát BTNC4,75

AASHTO T245-97(2001)

2 Độ ổn định ở 600C, kN min 8,0 min 5,5

4

Độ ổn định còn lại (sau khi ngâm mẫu

ở 600C trong 24 giờ) so với độ ổn

TT Chỉ tiêu

Quy định

Phương pháp thí nghiệm

BTNC19;

BTNC12,5;

BTNC 9,5

Bê tông nhựa cát BTNC4,75 các phương pháp thí nghiệm sau)

- Thiết bị APA -Asphalt Pavement

Analizer (8000 chu kỳ, áp lực 7

daN/cm2, nhiệt độ thí nghiệm

600C)

- Thiết bị HWTD - Hamburg Wheel

Tracking Device (20000 chu kỳ,

BTNR 19, BTNR 25

BTNR 37,5 (**)

AASHTO T245-97(2001)

2 Độ ổn định ở 600C, kN min 5,5 min 12,5

4

Độ ổn định còn lại (sau khi

ngâm mẫu ở 600C trong 24

giờ) so với độ ổn định ban

Bảng 2.6 Yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa Polyme (22TCN356 -06)

TT Chỉ tiêu Quy định Phương pháp thí nghiệm

4

Độ ổn định còn lại (sau khi ngâm mẫu ở

600C trong 24 giờ) so với độ ổn định

ban đầu, %

min 85

5 Độ rỗng dư bê tông nhựa polime, % 3-6 AASHTO T 269-97 (98)

6 Độ rỗng cốt liệu (tương ứng với độ rỗng

dư 4%), %

- Cỡ hạt danh định lớn nhất 9,5 mm min 15

- Cỡ hạt danh định lớn nhất 12,5 mm min 14

- Cỡ hạt danh định lớn nhất 19 mm min 13

7 Độ sâu vệt hằn bánh xe, mm (chưa bắt

buộc) (1 trong các phương pháp thử sau)

- Thiết bị APA -Asphalt Pavement

Analizer (8000 chu kỳ, 0,7 Mpa, 60

0C )

max 8

- Thiết bị HWTD - Hamburg Wheel

Tracking Device (20000 chu kỳ, 0,7

Mpa, 50 0C )

max 10

- Thiết bị FRT- French Rutting Tester

(30000 chu kỳ, 0,7 Mpa, 60 0C ) max 10

2.5.2 - Chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa theo các tiêu chuẩn của Mỹ

Bảng 2.7 Yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa ở Mỹ

+ Số cú đập vào mỗi đầu

4) Độ rỗng của cốt liệu Tuỳ theo cỡ hạt lớn nhất của hỗn hợp

CHƯƠNG 3 – SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN VẬT LIỆU

ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA BTN

3.1 CỐT LIỆU SỬ DỤNG TRONG HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA

NÓ ĐẾN BÊ TÔNG NHỰA

3.1.1 - Cốt liệu và nguồn gốc cốt liệu

Cốt liệu sử dụng cho xây dựng đường ô tô thường có nguồn gốc từ các loại đá tự

nhiên, hoặc có thể là vật liệu nhân tạo (thường là vật liệu nhẹ, như sỉ lò cao) Một số

cốt liệu có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo phổ biến:

- Đá mác ma, được hình thành từ các dòng nham thạch được làm nguội khi di

chuyển lên bề mặt hoặc gần bề mặt của trái đất, phân loại của đá mác ma theo

một số chỉ tiêu hoá - lý học, theo bảng 3.1 như sau:

- Đá trầm tích, được hình thành từ quá trình trầm tích các mảnh đá phong hoá hoặc

từ các thành phần vô cơ từ các xác động vật phân hoá Phân loại của đá trầm tích

theo thành phần khoáng vật chủ yếu như can xi (đá vôi, đá phấn ), silic (đá

phiến cát, cát kết ), hoặc thành phần sét (sét kết )

- Đá biến chất, là loại đá mác ma hoặc trầm tích đã trải qua quá trình chịu nhiệt độ

hay áp suất làm biến đổi cấu trúc khoáng vật của đá so với đá gốc ban đầu Các

đá biến chất thường là đá kết tinh tự nhiên có dạng hạt có thể là hạt thô hoặc hạt

mịn

- Sỏi được hình thành từ các mảnh đá tự nhiên Sỏi thường có ở các dòng suối, có

dạng tròn cạnh Sỏi dùng cho hỗn hợp bê tông nhựa thường được yêu cầu nghiền

để có ít nhất một mặt vỡ

- Cát là các mảnh đá tự nhiên được mài mòn do tác dụng của dòng nước, có kích

thước nằm trong khoảng từ 75m đến 2.36 mm Khi dùng cho hỗn hợp bê tông

nhựa, cát tự nhiên phải được yêu cầu chặt chẽ về hàm lượng hạt sét, bụi và hàm

lượng các chất hữu cơ có hại

- Sỉ lò cao là phụ phẩm của quá trình luyện thép, gang, đúc đồng Loại cốt liệu

này thường xốp và sử dụng cho bê tông nhựa mặt đường sẽ cho độ nhám mặt

đường cao Do xốp nên cốt liệu này hấp thụ nhiều nhựa đường, nên hàm lượng

nhựa thường yêu cầu lớn hơn so với cốt liệu có nguồn gốc tự nhiên

3.1.2 Các tính chất khoáng vật học và hoá học của cốt liệu

Lựa chọn loại cốt liệu với tính chất khoáng vật học và hoá học hợp lý cho hỗn hợp

bê tông nhựa đóng vai trò quan trọng trong đặc tính sử dụng và độ bền khai thác của

mặt đường bê tông nhựa Các tính chất cơ lý cơ bản (dung trọng, độ rỗng và cường

độ) và tính chất hóa học/ hoá - lý học (như khả năng hút ẩm, tính dính bám với nhựa

đường) là những hàm số phụ thuộc vào các tính chất khoáng vật học và hoá học của

cốt liệu, được đề cập sau đây

Tính chất khoáng vật học của cốt liệu

Các khoáng vật thông thường có trong thành phần của cốt liệu là khoáng vật silic,

khoáng chất fen fát, sắt từ, các bon nát và các khoáng vật sét Tuỳ thuộc mỗi loại

cốt liệu, các thành phần khoáng vật này có thể khác nhau Các tính chất của cốt liệu

(cường độ, độ bền, độ ổn định với các hoá chất, đặc tính bề mặt, và hàm lượng các

chất có hại ) cũng phụ thuộc vào các thành phần khoáng vật này Tuy nhiên, cho

dù cốt liệu được hình thành từ các loại khoáng vật thành phần nhưng tính chất của

cốt liệu có thể bị thay đổi do quá trình ô xy hoá, thuỷ hoá, phong hoá nên chỉ

thành phần khoáng vật không thể quyết định được hoàn toàn tính chất của cốt liệu

sử dụng trong hỗn hợp bê tông nhựa

Độ cứng (đặc tính mài mòn của cốt liệu) ảnh hưởng đến lực chống trượt của bê tông

nhựa làm mặt đường Khi thí nghiệm đặc tính này cốt liệu cho hỗn hợp bê tông

nhựa, người ta có thể sử dụng thí nghiệm mài mòn cơ học đối với cốt liệu hoặc

dùng thí nghiệm ăn mòn sử dụng hóa chất là axít (cho cốt liệu có thành phần

khoáng vật cácbonnát lớn)

Một yếu tố quan trọng đối với cốt liệu ảnh hưởng đến đặc tính khai thác của bê tông

nhựa mặt đường có liên quan đến thành phần khoáng vật của cốt liệu, đó là thành

phần khoáng vật của lớp bao quanh cốt liệu và các thành phần chất có hại trong cốt

liệu Các chất này bao gồm: sét, sét phiến, bụi, ô xít sắt, thạch cao, muối hoà tan

trong nước làm ảnh hưởng đến khả năng dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường

Các tính chất hoá học của cốt liệu

Tính chất hóa học của cốt liệu phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó Tính chất

hoá học của cốt liệu không ảnh hưởng quá lớn đến đặc tính khai thác của mặt đường

bê tông nhựa, ngoại trừ việc ảnh hưởng đến khả năng dính bám giữa cốt liệu với

nhựa đường, mà có liên quan đến loại hình hư hỏng bong tróc của mặt đường

Nhựa đường khi được trộn với cốt liệu tạo hỗn hợp bê tông nhựa làm mặt đường

cần phải theo quá trình: làm ẩm bề mặt cốt liệu, tạo màng nhựa đều đặn dính vào bề

mặt cốt liệu và giữ được cơ chế dính bám đó khi có tác dụng của nước Như vậy,

đặc tính hoá học của bề mặt cốt liệu đóng vai trò quan trọng trong cơ chế dính bám

này Có một số lý thuyết để lý giải cho cơ chế dính bám này, và phổ biến nhất là lý

thuyết về tương tác hoá học, mà giải thích cơ chế dính bám theo điện cực trên bề

mặt của cốt liệu tự nhiên

Các loại cốt liệu ưa nước có khả năng thấm nước tốt hơn nhiều so với nhựa đường

Với các loại cốt liệu này, màng nhựa tạo thành quanh hạt cốt liệu rất dễ bị bóc tách

khi chịu tác dụng của nước Chúng được gọi là cốt liệu thích nước và có xu hướng

hoá học là gốc axit Các cốt liệu này được giải thích là có điện cực âm trên bề mặt

khi có nước Chúng là các loại đá cát kết, thạch anh và sỏi silic

Ngược lại có loại cốt liệu có khả năng hấp thụ nhựa đường tốt hơn nước, gọi là cốt

liệu ghét nước, thường có xu thế hoá học gốc bazơ Chúng có điện cực dương trên

bề mặt khi gặp nước Đó là các loại cốt liệu từ đá vôi hoặc có chứa đá vôi

Ngoài ra, có nhiều loại cốt liệu mà bề mặt của nó bao gồm cả các khoáng vật silic,

tạo điện cực âm, và cả khoáng vật gốc bazơ, tạo điện cực dương Các loại cốt liệu

dạng này điển hình gồm: đá tráp, đá bazan, đá Pocfia, đá vôi silíc

Phân loại cốt liệu đá theo điện cực bề mặt được thể hiện trong hình 3.4

Ophit

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hµm l-îng kiÒm hoÆc « xÝt kiÒm, %

Hình 3.9: phân loại cốt liệu đá theo điện cực bề mặt

3.1.3 Các tính chất vật lý của cốt liệu

Cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp bê tông nhựa được phân loại theo kích cỡ là cốt liệu

hạt thô, cốt liệu hạt mịn bao gồm cả bột khoáng Theo tiêu chuẩn ASTM, cốt liệu

thô là cốt liệu sót trên sàng số 4 (4.75 mm), cốt liệu mịn là cốt liệu lọt qua sàng số 4

và bột khoáng lọt qua sàng số 200 (75 m) Viện Asphalt có ranh giới phân loại

khác giữa cốt liệu hạt thô và hạt mịn là sàng số 8 (2.36 mm), giống như phân loại

theo sàng vuông ở Việt Nam

Cốt liệu sử dụng cho hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường cần phải cứng, bền chắc và

được phối hợp theo thành phần cỡ hạt hợp lý, chúng phải bao gồm các hạt hình khối

với độ xốp rỗng nhỏ, sạch, bề mặt thô nhám và ghét nước Chất lượng của cốt liệu

sử dụng trong hỗn hợp bê tông nhựa được đánh giá qua một số chỉ tiêu sau:

Các tính chất vật lý của cốt liệu thể hiện tính thích ứng sử dụng trong hỗn hợp bê

tông nhựa được thể hiện trong bảng 3.2

Bảng 3.3: Tóm tắt các đặc tính cốt liệu và tính thích ứng sử dụng trong hỗn hợp bê tông nhựa

mặt đường

Chức năng thể hiện trong

kết cấu mặt đường

Đặc tính cốt liệu tương ứng

Vai trò đối với tính chất của hỗn hợp

bê tông nhựa

(xuống cấp) do thời tiết và

5 Khả năng chống lại đóng - tan băng

6 Cấu trúc lỗ rỗng trong hạt cốt liệu

trọng giao thông

1 Khả năng chống lại sự thay đổi thành phần cấp phối

I

Khả năng chống lại các lựa

bên trong như co ngót,

đường sử dụng trong hỗn

hợp

1 Phản ứng hoá học với hoá chất

2 Phản ứng với các chất hữu cơ

Khả năng duy trì các tiêu chuẩn chấp nhận được của đặc tính bề mặt theo

1 Khả năng chống lại thay đổi cấp phối

2 Khối lượng riêng

2 Khả năng chống lại thay đổi cấp phối

3 Tính toàn khối khi nung

Cốt liệu trong hỗn hợp BTN đóng vai trò là bộ khung chịu lực chính của lớp mặt

đường, hỗn hợp cốt liệu, thông qua ma sát giữa các hạt cốt liệu, phải có khả năng

truyền tải trọng bánh xe xuống các lớp móng phía dưới và phải có khả năng chống

lại khả năng mài mòn do tải trọng bánh xe Trong qua trình sản xuất hỗn hợp, cốt

liệu được trộn, rải và đầm nén và như vậy chúng phải đảm bảo độ cứng và độ bền

LA là thông số đặc trưng cho độ bền chống mài mòn của cốt liệu, xác định bằng thí

nghiệm Log-Angeles (tiêu chuẩn ASTM C 131 cho hạt thô và ASTM C535 cho cốt

liệu hạt mịn) Số LA càng nhỏ thì thì cốt liệu có có cường độ chống mài mòn và va

đập càng lớn Trị số LA đối với loại cốt liệu đá tự nhiên thông thường thay đổi từ

10% đối với các loại đá rất cứng có nguồn gốc mác ma đến 60% đối với các loại đá

vôi mềm được dùng để đánh giá chất lượng này của cốt liệu

Độ bền chắc

Cốt liệu phải có khả năng chống lại sự phá vỡ và phân rã do ảnh hưởng của độ ẩm

(quá trình nhiễm ẩm và khô) hoặc do ảnh hưởng của đóng và tan băng, và các ảnh

hưởng khác trong quá trình phong hoá

Thí nghiệm để đánh giá tính chất này của cốt liệu là thí nghiệm độ bền sun fát của

cốt liệu (tiêu chuẩn ASTM C88 hoặc AASHTO T103) Cốt liệu được ngâm trong

dung dịch sun fát - natri và sun fát- ma giê bão hoà Trong quá trình ngâm, các tinh

thể muối thạch anh thoát ra từ các lỗ rỗng của cốt liệu, làm cho các hạt có khả năng

bị phân rã ra thành các hạt cốt liệu nhỏ hơn % khối lượng cốt liệu còn lại sau 5 chu

trình ngâm thể hiện độ bền chắc của cốt liệu

Hình dạng và cấu trúc bề mặt của hạt cốt liệu

Hình dạng và độ xù xì bề mặt hạt cốt liệu là một đặc điểm mang tính lý học của cốt

liệu có ảnh hưởng đến BTN Theo yêu cầu của hỗn hợp BTN, cốt liệu phải có dạng

hình khối và được khống chế tỉ lệ phần trăm hạt nghiền và tỉ lệ hạt dẹt ở mốt trị số

nhất định Các hạt có hình dạng góc cạnh trong hỗn hợp BTN đã đầm nén cho lực

ma sát và chèn móc giữa các hạt lớn hơn, nghĩa là có thể tạo lập được bộ khung cốt

liệu vững chắc hơn và do đó có độ bền cơ học cao hơn còn đối với cốt liệu có dạng

hình tròn như sỏi thiên nhiên thì việc dùng chúng trong hỗn hợp BTN làm cho hỗn

hợp linh động, dễ đầm nén (mất ít công đầm nén), tuy nhiên với bộ khung chịu lực

kém bền chắc làm cho mặt đường có khả năng xuất hiện vệt lún bánh xe do giảm độ

rỗng còn dư và biến dạng chảy dẻo Tỉ lệ hạt dẹt quá lớn làm cho hỗn hợp khó đầm

nén đạt độ chặt yêu cầu và làm cho hỗn hợp không đảm bảo cường độ

Độ nhám bề mặt hạt cốt liệu cũng giống như hình dạng hạt có ảnh hưởng đến độ

linh động và cường độ của BTN Cốt liệu nghiền có độ thô ráp bề mặt cũng làm

vững chắc hơn bộ khung chịu lực của hỗn hợp nhưng tất nhiên sẽ cần lượng bitum

lớn hơn để giảm lực cản ma sát trong quá trình đầm nén Độ rỗng dư của hỗn hợp

sử dụng cốt liệu thô nhám cũng lớn hơn hỗn hợp sử dụng cốt liệu trơn nhẵn Cốt

liệu có bề mặt trơn nhẵn làm cho bitum dễ bao bọc hạt cốt liệu (quá trình trộn có thể

nhanh hơn) nhưng dính bám cơ học giữa bitum và cốt liệu kém hơn cốt liệu có bề

mặt thô nhám rất nhiều

Thông số tổng hợp đại diện cho hình dạng hạt và độ nhám của bề mặt hạt cốt liệu là

chỉ số hạt Ia xác đinh theo tiêu chuẩn ASTM D3398 Thí nghiệm được tiến hành

đơn giản bằng cách đầm cốt liệu trong các cối đầm tiêu chuẩn, bằng các thanh đầm

tiêu chuẩn phù hợp với mỗi loại cốt liệu, sử dụng công đầm tiêu chuẩn (số lớp đầm,

chiều cao rơi của thanh đầm và số lần đầm cho mỗi lớp) Khối lượng riêng của các

cốt liệu đã đầm nén và độ rỗng cốt liệu tương ứng được xác định Chỉ số hạt được

xác định bằng phương trình:

Ia = 1.25 V10 - 0.25 V50 - 32.0 (3.10)

với

Ia = giá trị chỉ số hạt

V10 = % độ rỗng cốt liệu đầm nén với 10 lần đầm cho một lớp

V50 = % độ rỗng cốt liệu đầm nén với 50 lần đầm cho một lớp Chỉ số hạt cốt liệu được tiến hành xác định riêng rẽ cho mỗi thành phần cỡ hạt Thí

nghiệm cho thấy các cốt liệu tròn cạnh cho chỉ số hạt từ 6 - 7, còn các cốt liệu góc

cạnh có thể cho giá trị này từ 15 - 20 Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng (quan hệ)

giữa chỉ số hạt cốt liệu và độ ổn định Marshall thể hiện trong hình 3.2

Hình 3.10 - Ảnh hưởng của chỉ số hạt đến độ ổn định Marshall

Thí nghiệm xác định chỉ số Ia tốn thời gian nên không được sử dụng rộng rãi trên

thực tế, người ta sử dụng các thí nghiệm xác định các thông số khống chế chất

lượng của cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp như thí nghiệm các định hàm lương hạt

dẹt AASHTO M283 hoặc ASTM D4791

Hình dạng và cấu trúc bề mặt thể hiện qua số mặt vỡ của hạt cốt liệu thể hiện khả

năng chống lại sự xuất hiện vệt lún bánh xe Hình dạng và số mặt vỡ của hạt cốt liệu

chính là cơ sở để nghiên cứu cho ổn định của hỗn hợp bê tông nhựa kể cả cấp phối

chặt và cấp phối hở

Độ sạch và hàm lượng các chất có hại

Độ sách và hàm lượng các chất có hại (chủ yếu trên bề mặt của cốt liệu như lượng

bụi, sét và các chất hữu cơ) và lượng các hạt sét, hạt bở, có ảnh hưởng đến cường

độ chung của hỗn hợp và khả năng dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường

Chất lượng này của cốt liệu được xác định nhờ hai thí nghiệm

- Thí nghiệm xác định hàm lượng hạt sét và hạt bở (ASTM C142), áp dụng

cho cốt liệu hạt thô

- Thí nghiệm đương lượng cát (ASTM D2419), áp dụng cho cốt liệu hạt mịn

Các tiêu chuẩn thông thường cho hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường hạn chế hàm

lượng hạt sét và hạt bở trong cốt liệu thô dưới 1% và đương lượng cát cho cốt liệu

hạt mịn là 25 - 35

3.1.4 Dung trọng của cốt liệu

Dung trọng của cốt liệu được sử dụng để tính toán độ rỗng dư trong hỗn hợp bê

tông nhựa đã đầm nén, Nghĩa là nó là một thông số ảnh hưởng đến độ rỗng của

BTN Về độ rỗng dư người ta đã nghiên cứu và phát hiện ra những giới hạn về độ

rỗng là ranh giới cho thấy các tính chất của BTN thay đổi nhiều Nừu độ rỗng dư ≤

2, tính ổn định toàn khối giảm BTN trở nên dễ đầm nén Loại bê tông này khi sử

dụng hoàn toàn khôn cho nước thấm qua Những điều kiện như vậy chỉ thích hợp

khi tải trọng xe nhỏ Khi độ rỗng đạt xấp xỉ 5%, hỗn hợp BTN có cường độ đảm

bảo ổn định toàn khối và đủ thấm nước khi tải trọng giao thông cao Nhưng khi độ

rỗng tăng đến 7%, lớp BTN có tính ổn định toàn khối cao nhưng loại BTN này cho

phép nước thấm qua Bắt đầu từ 9% trở nên, tính ổn định toàn khối giảm đi rõ rệt,

BTN trở nên dễ đầm nén và luôn bị hở, dính kết giữa các hạt trở nên thiếu bền vững

tạo nên nguy cơ giảm sự ổn định của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng xe và điều

kiện khí hậu Loại bê tông này chỉ có thể được sử dụng trong điều kiện như là: lớp

móng dưới, lớp nền cơ sở, lớp móng chống thấm từ dưới nên (trừ trường hợp BTN

độ rỗng lớn làm lớp bề mặt đường có giá thành cao được thiết kế cấp phối đặc biệt

và sử dụng loại bitum đặc biệt)

Trọng lượng riêng của cốt liệu phụ thuộc vào loại cốt liệu, hình dạng, kích cớ và

thành phần cỡ hạt (cấp phối cốt liệu) Phương trình tính toán dung trọng cốt liệu

thông thường là:

Thể tích * (khối lượng đơn vị của nước) Một đơn vị thể tích cốt liệu hạt thô bao gồm các thành phần như sau:

- Hạt rắn, có thể tích Vs

- Thể tích lỗ rỗng, Vpp

- Thể tích lỗ rỗng có khả năng hấp thụ nhựa đường, Vap

- Thể tích lỗ rỗng khí còn lại, Vpp - Vap

Với các ký hiệu về thể tích như trên, với khối lượng cốt liệu đã sấy khô ký hiệu là

Ws và w là trọng lượng đơn vị của nước Hình vẽ 3.3 sau và các công thức tương

ứng thể hiện các loại dung trọng của cốt liệu

Vpp-Vap

Vs

W G

W G

W G



Thí nghiệm xác định dung trọng và khả năng hấp thụ (nhựa đường) của cốt liệu hạt

thô được xác định bằng thí nghiệm (tiêu chuẩn AASHTO T85 hoặc ASTM C127)

Trình tự thí nghiệm:

Khoảng 5kg cốt liệu rửa sạch trên sàng số 4 (4.75mm) và sấy khô Ngâm cốt liệu đã

sấy khô trong nước 24 giờ Lấy cốt liệu ra để ráo nước và làm khô bề mặt (Cốt liệu

lúc này được gọi là bão hoà nước với bề mặt khô) Cân khối lượng được giá trị B

Đem cốt liệu này cân trong nước được khối lượng C Lấy mẫu ra, lau khô bề mặt và

sấy khô, cân được khối lượng A Các giá trị được tính toán như sau:

- Dung trọng hạt

(3.15)

sa

A G

B C





Khả năng hấp thụ, (%) =

Thí nghiệm xác định dung trọng và khả năng hấp thụ (nhựa đường của cốt liệu hạt

mịn được xác định bằng thí nghiệm (tiêu chuẩn AASHTO T84 hoặc ASTM C128)

Trình tự thí nghiệm:

Trong thí nghiệm này, tỷ trọng kế được dụng để xác định dung trọng được đổ đầy

nước và cân được khối lượng B Lấy khoảng 1000 g cốt liệu mịn, sấy khô Cốt liệu

(3.17)

B A A



khô sau đó được ngâm nước trong 24 giờ Cốt liệu sau ngâm được tãi rộng và để

khô, để đạt đến trạng thái bão hoà với bề mặt khô Lấy khoảng 500 g cốt liệu mịn ở

trạng thái này đổ vào tỷ trọng kế, cân được khối lượng D Nhúng tỷ trọng kế vào

trong nước, theo quy trình đo và ghi được giá trị khối lượng là C Lượng hạt mịn

sau đó được lấy ra và sấy khô, cân có khối lượng A Các công thức tính toán tương



 

- Khả năng hấp thụ, (%) =

Sau khi xác định dung trọng của các loại thành phần cỡ hạt, dung trọng trung bình

của hỗn hợp cốt liệu dùng cho bê tông nhựa được xác định theo phương trình:

n n n

G = dung trọng trung bình của hỗn hợp cốt liệu

G1, G2, Gn = dung trọng của mỗi thành phần cỡ hạt 1, 2 n của cốt liệu

P1, P2, Pn = % theo khối lượng của mỗi thành phần cỡ hạt 1, 2 n của cốt liệu

Thí nghiệm trên dùng để xác định lượng nhựa hấp thụ (hoặc hàm lượng nhựa có

hiệu) đối với các loại cốt liệu (hoặc có thể tính qua dung trọng có hiệu của cốt liệu)

Mỗi loại cốt liệu có khả năng hấp phụ nhựa đường khác nhau Lượng nhựa hấp thụ

là chỉ tiêu quan trọng để có được hàm lượng nhựa đủ (hợp lý) đối với một loại cốt

liệu cụ thể

3.1.5 Kích cỡ và thành phần cỡ hạt của cốt liệu

3.1.5.1 Đường cong cấp phối cốt liệu

Cấp phối cốt liệu là phân bố thành phần cỡ hạt theo % của tổng khối lượng Cấp

phối cốt liệu cho hỗn hợp được xác định bằng thí nghiệm sử dụng bộ sàng tiêu

chuẩn

Cấp phối cốt liệu là đặc tính quan trọng nhất của hỗn hợp cốt liệu Nó ảnh hưởng

đến hầu hết các đặc tính quan trọng của hỗn hợp, bao gồm độ cứng, độ ổn định, độ

bền, độ thấm nước, độ linh động, khả năng chịu mỏi, cường độ chống trượt và khả

năng chống lại các hư hỏng do ảnh hưởng của nước Chính vì vậy, thiết kế thành

phần cấp phối cốt liệu là quan trọng nhất đối với thiết kế thành phần bê tông nhựa

Theo lý thuyết, thì cấp phối cốt liệu tốt nhất là cấp phối cốt liệu có độ chặt lớn nhất,

để các hạt cốt liệu sát với nhau, chèn móc vào nhau và tăng lực ma sát trong bộ

khung cốt liệu Tuy nhiên, với hỗn hợp bê tông nhựa, cần phải có đủ đỗ rỗng tương

ứng với lượng nhựa đủ để tạo thành hỗn hợp có độ bền, tránh hiện tượng chảy nhựa

hoặc vệt lún bánh xe Chính vì vậy BTN phải có độ rỗng (VMA) nằm trong phạm vi

quy định

Một trong những cấp phối tiêu chuẩn được nhiều người biết đến là cấp phối liên tục

theo họ đường cong Fuller cho đường cong cấp phối có độ chặt lớn nhất

 

n

d P

cấp phối cốt liệu được sử dụng cho bê tông nhựa chặt có hệ số mũ n = 0,45

Hình 3.11 thể hiện các đường cong dung trọng lớn nhất (n = 0,5) Fuller vẽ trên biểu

đồ bán logarit

Hình 3.6 thể hiện các đường cấp phối xác định từ hàm phương trình với các số mũ

0,45, được vẽ trên biểu đồ cấp phối Federal Highway Administration

40 50

70

60

80 90 100

3/4'' 1'' 1 1/2'' 2''

1 1/4'' 1 3/4''

2 1/2'' 3'' 325