Nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm mặt đường ô tô có xét đến đặc điểm tác dụng của tải trọng thực tế,luận án thạc sĩ khoa học kỹ thuật chuyên ngành đường bộ

Hệ số lớp của bê tông asphalt cao hay thấp tuỳ thuộc chất l-ợng vật liệu mà tiêu chuẩn đánh giá cũng thông qua mô đun đàn hồi đ-ợc xác định bằng thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp..

Mở đầu

Bê tông asphalt là loại vật liệu đ-ợc dùng rất phổ biến làm lớp mặt của

áo đ-ờng ôtô ở Việt Nam cũng nh- trên thế giới Mạng l-ới đ-ờng quốc gia ở Việt Nam hiện nay có khoảng trên 80% có lớp mặt có xử lý bằng bitum, trong

đó phần lớn là dùng bê tông asphalt Điều này cũng phù hợp trào l-u chung của thế giới, vật liệu gia cố bitum và bê tông asphalt đã và đang là các loại vật liệu rất thông dụng làm lớp mặt của kết cấu áo đ-ờng ôtô Công nghệ thi công lớp mặt đ-ờng bằng bê tông asphalt cũng đã trở nên quen thuộc với các nhà thầu Việt Nam

Việc nâng cao chất l-ợng và tuổi thọ lớp mặt bê tông asphalt của kết cấu

áo đ-ờng ở n-ớc ta sẽ góp phần nâng cao chất l-ợng của cả mạng l-ới đ-ờng

ôtô và có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật to lớn Những cố gắng nhằm nâng cao chất l-ợng và tuổi thọ của lớp mặt bê tông asphalt của kết cấu áo đ-ờng có thể đi theo các h-ớng cơ bản sau đây:

 Sử dụng kết cấu áo đ-ờng phù hợp với tải trọng giao thông (tải trọng trục

xe và l-u l-ợng xe) và các điều kiện môi tr-ờng Việc làm này đ-ợc cân nhắc cẩn thận trong b-ớc thiết kế và quyết định đầu t- Theo h-ớng đó, những mô hình tính toán phù hợp với thực tế chịu lực của kết cấu áo đ-ờng d-ới tác dụng của tải trọng xe, có xét đến một cách đầy đủ những tính chất của bê tông asphalt d-ới tác dụng của yếu tố môi tr-ờng, cần đ-ợc hoàn thiện và áp dụng thống nhất

 Hoàn thiện công nghệ thi công áo đ-ờng và chế tạo hỗn hợp bê tông asphalt theo h-ớng hiện đại hoá thiết bị và công nghệ, kể cả thiết bị thí nghiệm và kiểm tra chất l-ợng

 Hoàn thiện ph-ơng pháp và cải tiến tổ chức để công tác duy tu sửa chữa kết cấu áo đ-ờng đạt hiệu quả ngày càng cao hơn, đặc biệt trong lĩnh vực tái tạo độ nhám và phòng ngừa h- hỏng

Với mục đích và các h-ớng nghiên cứu trình bày trên, đặc biệt trong lĩnh vực đào tạo ở tr-ờng đại học, vấn đề thiết kế kết cấu áo đ-ờng mềm có lớp

mặt sử dụng bitum chiếm vị trí quan trọng hàng đầu Trong thực tế có nhiều cách tiếp cận để đạt đ-ợc một kết cấu áo đ-ờng có lớp mặt sử dụng vật liệu bitum hợp lý Những b-ớc cơ bản của các ph-ơng pháp thiết kế bao gồm: thiết

kế (lựa chọn) cấu tạo; kiểm toán chiều dày và luận chứng kinh tế lựa chọn kết cấu áo đ-ờng Vấn đề kiểm toán chiều dày kết cấu áo đ-ờng nhằm đ-a ra kết luận cuối cùng về kích th-ớc của kết cấu trên cơ sở ph-ơng án cấu tạo hợp lý

đã lựa chọn Trong b-ớc này kết quả tính toán kết cấu áo đ-ờng cũng nh- bất

kỳ một vấn đề kỹ thuật nào khác đều cần một mô hình tính toán và những thông số tính toán hợp lý Hiện tại trong lĩnh vực xây dựng đ-ờng ô tô ở n-ớc

ta đang sử dụng song song hai ph-ơng pháp kiểm toán chiều dày kết cấu áo

đ-ờng nhựa sau đây

 Ph-ơng pháp nửa thực nghiệm trong tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế áo đ-ờng mềm hiện hành Ph-ơng pháp này dựa trên việc giải bài toán hệ nhiều lớp trên nền đàn hồi theo lý thuyết, với các điều kiện trạng thái giới hạn đ-ợc xác định bằng kết quả bài toán lý thuyết và thông số trạng thái giới hạn

đ-ợc xác định theo thực nghiệm có sử dụng các hệ số tin cậy trên cơ sở kinh nghiệm sử dụng đ-ờng Theo ph-ơng pháp này, mỗi lớp vật liệu, kể cả nền đất, khi giải bài toán kiểm toán chiều dày kết cấu áo đ-ờng, đều

đ-ợc đặc tr-ng bằng mô đun đàn hồi và hệ số Poisson

 Ph-ơng pháp thực nghiệm mà tiêu biểu là h-ớng dẫn của hiệp hội xây dựng và vận tải đ-ờng ô tô Hoa Kỳ AASHTO (American Assosiation of State Highway and Transportation Officials) Khi kiểm toán chiều dày của kết cấu áo đ-ờng theo ph-ơng pháp này, chiều dày các lớp vật liệu đ-ợc

đổi ra chỉ số kết cấu thông qua hệ số lớp Hệ số lớp của bê tông asphalt cao hay thấp tuỳ thuộc chất l-ợng vật liệu mà tiêu chuẩn đánh giá cũng thông qua mô đun đàn hồi đ-ợc xác định bằng thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp

Mô đun đàn hồi là đặc tr-ng không thể thiếu của vật liệu trong tính toán kết cấu áo đ-ờng, cho dù tính toán theo tr-ờng phái lý thuyết hay thực

nghiệm Trong các h-ớng dẫn, các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành ở n-ớc ta và ở các quốc gia khác, thông số mô đun đàn hồi của bê tông asphalt và ph-ơng pháp xác định thông số không giống nhau Nó phụ thuộc vào ph-ơng pháp tính, vào quan điểm và cách xác định trạng thái giới hạn, phụ thuộc vào điều kiện chịu tải trọng đ-ợc mô phỏng thông qua các ph-ơng pháp thí nghiệm xác

định đ-ợc đề nghị Với cùng một ph-ơng pháp tính trên cơ sở lý thuyết đàn hồi, tiêu chuẩn tính toán của n-ớc ta [9], của Trung Quốc [2], của CHLB Nga [42], đều có qui định các trị số mô đun đàn hồi tính toán của bê tông asphalt khác nhau để kiểm toán theo các trạng thái giới hạn khác nhau Các giá trị qui

định trong các tiêu chuẩn này đ-ơng nhiên không bằng nhau và chúng cũng khác so với mô đun đàn hồi của bê tông asphalt đ-ợc đề cập trong h-ớng dẫn thiết kế của AASHTO [16]

Trong luận án này, tác giả đặt vấn đề nghiên cứu để tìm ra bản chất sự khác nhau của trị số mô đun đàn hồi trong các tiêu chuẩn tính toán, đi sâu nghiên cứu về mô đun đàn hồi với điều kiện chịu tải trọng xe chạy bằng cách

đề nghị mô hình và các thông số thí nghiệm có thể mô phỏng gần hơn với tác dụng tải trọng tức thời do xe chạy trên đ-ờng Trong quá trình nghiên cứu, tác giả cố gắng đi theo nguyên tắc là các giá trị và ph-ơng pháp thí nghiệm mô

đun đàn hồi của bê tông asphalt cần thống nhất với lý thuyết tính toán, mô phỏng gần hơn đến mức có thể điều kiện chịu tải trọng xe chạy của bê tông asphalt làm lớp mặt của kết cấu áo đ-ờng ô tô Với mục tiêu của đề tài nh- vậy, tác giả mong muốn góp phần vào việc nâng cao độ chính xác của việc tính toán chiều dày các lớp kết cấu áo đ-ờng để góp phần vào việc nâng cao chất l-ợng mặt đ-ờng bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam

Ch-ơng I

Tổng quan về bê tông asphalt làm áo đ-ờng ôtô và

các đặc tr-ng cơ học của bê tông asphatl

1.1 Các thành phần vật liệu và tính chất cơ bản của bê tông asphalt

Hỗn hợp bê tông asphalt đã đầm nén theo một mô hình đơn giản bao gồm ba pha, pha rắn là cốt liệu khoáng, pha lỏng là bitum và pha khí là các lỗ rỗng [26] Các vật liệu thành phần của bê tông asphalt bao gồm cốt liệu hạt (đá và cát), bột khoáng, bitum và phụ gia (trong các tr-ờng hợp cần tạo các tính chất đặc biệt) Các tính chất của bê tông asphalt phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và mức độ dính kết giữa cốt liệu và bi tum Mỗi thành phần trong hỗn hợp bê tông asphalt đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ đến nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làm lớp mặt đ-ờng [1]

Cốt liệu gồm có cốt liệu hạt thô và cốt liệu hạt mịn Cốt liệu thô với vai trò tạo bộ khung chịu lực chính, cốt liệu mịn lấp đầy lỗ rỗng trong khung cốt liệu thô, đồng thời tạo các khung chịu lực nhỏ hơn Cốt liệu đóng vai trò cơ bản trong việc tạo c-ờng độ và đảm bảo c-ờng độ của bê tông asphalt ổn định Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu vì thế phải thoả mãn đ-ờng cong cấp phối tiêu chuẩn đ-ợc quy định cho mỗi loại bê tông asphalt khác nhau với mục đích tạo khung chịu lực bền vững mà vẫn đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu Với bê tông asphalt chặt, thành phần cỡ hạt của cốt liệu theo ph-ơng trình họ đ-ờng cong Fuller:

p = 100 ( d/D )n [25]

với n = 0.45

p: phần trăm lọt sàng tích luỹ tại cỡ sàng d D: cỡ sàng lớn nhất mà l-ợng hỗn hợp cốt liệu lọt tích luỹ 100% Bitum là một thành phần cơ bản đồng thời là thành phần tạo nên tính

dụng của tải trọng mà tính chất vật liệu thay đổi là đàn hồi - nhớt hay đàn hồi

- dẻo [1] Bản chất vật liệu thay đổi khi điều kiện chịu tải trọng thay đổi làm cho c-ờng độ và độ ổn định của hỗn hợp bê tông asphalt cũng thay đổi đáng

kể Để mô phỏng đặc tính biến dạng của bitum cũng nh- của vật liệu bê tông asphalt, ng-ời ta có thể sử dụng nhiều mô hình cơ học khác nhau phù hợp với

điều kiện chịu tải trọng khác nhau Khi làm việc ở nhiệt độ thấp vật liệu bê tông asphalt có thể mô phỏng theo mô hình Maxwell, phản ánh với mức độ khá thích hợp tính chất đàn hồi - nhớt khi biến dạng [1] Mô hình Maxwell gồm một lò xo đàn hồi lý t-ởng có mô đun đàn hồi E0 ghép nối tiếp với vật cản chứa chất lỏng có độ nhớt 0 Mô hình Maxwell ch-a thể hiện đ-ợc một

đặc tính của mặt đ-ờng bê tông asphalt là biến dạng đàn hồi không phát sinh ngay liền khi lực tác dụng mà cần một khoảng thời gian chậm trễ để phát triển, đó là tính chất đàn hồi chậm [1] Để thể hiện tính chất đàn hồi chậm, ng-ời ta dùng mô hình Kelvin gồm một lò xo đàn hồi lý t-ởng có mô đun đàn hồi E1 ghép song song với vật cản chứa chất lỏng độ nhớt 1 Thực tế cho thấy tính chất biến dạng của hỗn hợp bê tông asphalt còn phức tạp hơn rất nhiều,

nó bao gồm cả biến dạng đàn hồi, biến dạng nhớt và biến dạng đàn hồi chậm [1] Để thể hiện gần đúng hơn tính chất biến dạng của vật liệu bê tông asphalt ng-ời ta có thể dùng mô hình Burger gồm một mô hình Maxwell ghép nối tiếp với một mô hình Kelvin (xem hình 1.1) Biến dạng theo mô hình này là tổng cộng biến dạng của mô hình Maxwell và mô hình Kelvin

0 0

1 exp 1 )

1 (

T E

T

t E





trong đó:

E0 là mô đun đàn hồi của lò xo trong mô hình Maxwell

E1 là mô đun đàn hồi của lò xo trong mô hình Kelvin

T0 = 0/E0 với T0 là thời gian chùng ứng suất của mô hình Maxwell; 0 là độ nhớt của chất lỏng trong vật cản nhớt của mô hình Maxwell

T1 = 1/E1 với T1 là thời gian trễ của biến dạng đàn hồi; 1 là hệ số nhớt của chất lỏng trong vật cản nhớt của mô hình Kelvin

D là toán tử vi phân sử dụng để áp dụng chuyển đổi Laplace, loại bỏ biến số thời gian trong công thức độ cứng của vật liệu đàn hồi, nhớt, dẻo [26]

Với mô hình thể hiện tính chất biến dạng của bê tông asphalt nh- trên, có thể thấy tỉ lệ giữa ứng suất và biến dạng (thông số độ cứng) của vật liệu bao gồm cả các thông số đàn hồi và các thông số độ nhớt

Bột khoáng trong hỗn hợp bê tông asphalt cùng với bitum tạo thành chất dính kết asphalt có tính chất hơn hẳn tính chất kết dính của bitum thông th-ờng Bột khoáng có tỉ diện rất lớn, nó có ái lực mạnh với bitum, có thể tạo

Hình 1.1: Mô hình Burgers

1 1

1

1 1 0 0

chỉ có chức năng làm đầy các lỗ rỗng trong khung cốt liệu mà có tác dụng nh- một chất phụ gia làm cho bitum tăng thêm độ nhớt, tăng khả năng dính kết và tăng tính ổn định với nhiệt độ [1]

Một thành phần nữa trong hỗn hợp bê tông asphalt cần phải kể đến là phụ gia Có nhiều loại phụ gia đ-ợc nghiên cứu sử dụng để cải thiện tính chất nhất định của bê tông asphalt phù hợp với một mục đích sử dụng nhất định

1.2 Các khái niệm về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt và các ph-ơng pháp xác định

1.2.1 Các khái niệm về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt

Mô đun độ cứng (Stiffness Modulus) của vật liệu đ-ợc tính bằng tỉ số

giữa ứng suất và biến dạng sinh ra khi vật liệu chịu tác dụng của lực theo một mô hình gia tải nào đó Mô đun độ cứng của bê tông asphalt phụ thuộc vào thời gian gia tải và nhiệt độ Mối quan hệ này thể hiện tính chất l-u biến của

bê tông asphalt Độ cứng của bê tông asphalt không chỉ đ-ợc dùng để đánh giá tính chất vật liệu mà còn đ-ợc dùng để đánh giá đặc tr-ng c-ờng độ của vật liệu bê tông asphalt khi chúng đ-ợc sử dụng làm mặt đ-ờng ô tô Trong phạm vi thời gian gia tải rất ngắn và nhiệt độ thấp thì mô đun độ cứng không phụ thuộc vào thời gian và đạt đến giá trị mô đun đàn hồi (S = E) [26]

Mô đun đàn hồi (Elastic Modulus) là khái niệm gắn với vật liệu thuần

tuý đàn hồi Trong mô hình vật liệu đàn hồi, nhớt, dẻo ở hình 1.1, chính là độ cứng của lò xo Với vật liệu thuần tuý đàn hồi thì mọi mô hình thí nghiệm đều cho giá trị mô đun đàn hồi giống nhau Nh-ng với vật liệu có tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo nh- bê tông asphalt thì khái niệm này không đi kèm với một thí nghiệm nào Trong thực tế, bất kỳ mô hình thí nghiệm nào với mức độ mô phỏng điều kiện chịu tải trọng nhất định, xác định đ-ợc biến dạng đàn hồi và dùng công thức theo lý thuyết đàn hồi để tính ra mô đun vật liệu, đều đ-ợc xem là thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Chính vì vậy, với vật liệu nh- bê tông asphalt làm mặt đ-ờng ô tô, ng-ời ta cố gắng thiết lập những mô hình thí

nghiệm có khả năng mô phỏng gần hơn với điều kiện chịu tải trọng giao thông

để xác định mô đun đàn hồi làm thông số tính toán kết cấu

Mô đun đàn hồi hồi phục (Resilient Modulus): Mô đun đàn hồi hồi

phục là một đặc tr-ng có thể sử dụng để tính toán trong lý thuyết đàn hồi [26] Chúng ta đều biết rằng hầu hết các vật liệu xây dựng mặt đ-ờng không phải là vật liệu đàn hồi thuần tuý, các biến dạng không hồi phục vẫn xuất hiện sau mỗi lần chịu tác dụng của tải trọng Nh-ng khi lực tác dụng nhỏ so với c-ờng

độ vật liệu và đ-ợc lặp lại với số lần lớn thì biến dạng sau mỗi lần tác dụng lặp lại gần nh- là đ-ợc hồi phục hoàn toàn và tỉ lệ với ứng suất tác dụng (hình vẽ 1.2), biến dạng này đ-ợc xem là biến dạng đàn hồi [27] Mô đun đàn hồi,

đ-ợc tính toán từ biến dạng hồi phục này, sử dụng các công thức lý thuyết đàn hồi, đ-ợc gọi là mô đun đàn hồi hồi phục Có thể sử dụng nhiều mô hình thí nghiệm nh- nén không hạn chế nở hông, nén ba trục hay kéo gián tiếp với tải trọng lặp để xác định mô đun đàn hồi hồi phục Đối với bê tông asphalt, căn

cứ vào tần số tác dụng lực và nhiệt độ, số lần tác dụng lặp lại có thể là từ 50

đến 200 lần Số lần tác dụng lặp này chủ yếu là phải đảm bảo biến dạng đàn hồi ổn định [27]

Mô đun phức (Complex Modulus) và mô đun động (Dynamic Modulus):

Cũng nh- mô đun đàn hồi hồi phục, mô đun phức là một đặc tr-ng thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu đàn hồi- nhớt - dẻo Mô

đun này đ-ợc thể hiện là một số phức trong đó thành phần thực đại diện cho

độ cứng đàn hồi và thành phần ảo thể hiện tính chất do thành phần vật cản

Hình 1.2: Biến dạng đàn hồi d-ới tác dụng của tải trọng lặp

Biến dạng dẻo tích luỹ

chất lỏng nhớt trong mô hình vật liệu Giá trị tuyệt đối của mô đun phức th-ờng đ-ợc gọi là mô đun động [27]

Sự khác nhau giữa mô đun đàn hồi hồi phục (Resilient Modulus) và mô đun phức (Complex Modulus) của bê tông asphalt do dạng tải trọng trong mô hình

thí nghiệm xác định Với mô đun đàn hồi hồi phục, tải trọng có thể có dạng sóng (hình sin hay hình tam giác hoặc hình thang) có thời gian nghỉ và với mô

đun phức là dạng tải trọng hình sin không có thời gian nghỉ [27]

Lý thuyết về mô đun phức có thể đ-ợc thể hiện bằng việc sử dụng các mô hình cơ học Tr-ờng hợp bê tông asphalt đ-ợc thể hiện bằng mô hình Kelvin chịu tải trọng tác dụng hình sin [27] ứng suất tác dụng hình sin đ-ợc thể hiện d-ới dạng số phức:

trong đó 0 là độ lớn của ứng suất tác dụng và  là vận tốc góc có liên quan

đến tần số gia tải f là:

với giả thiết ảnh h-ởng của lực quán tính là không đáng kể, ph-ơng trình vi phân có thể đ-ợc viết nh- sau:

Nghiệm của ph-ơng trình là:

trong đó:  là độ lớn của biến dạng và  là góc pha, tức là chậm pha của biến

dạng so với ứng suất ( xem hình 1.3)

E1 là mô đun đàn hồi của lò xo trong mô hình Kelvin

1 là độ nhớt của chất lỏng của vật cản nhớt trong mô hình Kelvin thay thế nghiệm vào ph-ơng trình, ta có

Sau khi giản -ớc eit ở hai vế của ph-ơng trình và đặt các số hạng thực bằng 0

và các số hạng ảo bằng 0, ta có 2 ph-ơng trình:

t i

e t

e E

i t

i

e e

E e

i      ( ) 0 

0 1 ) ( 0

Giải ph-ơng trình, ta có:

Với vật liệu đàn hồi, 1= 0 thì  = 0

Với vật liệu vật liệu nhớt, E1= 0 thì  = /2

1 0

1   sin   cos  

0 sin

0 0

) (  

0 0 0

0 0 2

0

0

*

sin cos

1.2.2 Các ph-ơng pháp xác định mô đun đàn hồi của vật liệu bê tông asphalt

Có nhiều ph-ơng pháp thí nghiệm trong phòng để xác định mô đun đàn hồi của bê tông asphalt Mỗi ph-ơng pháp theo một mô hình thí nghiệm khả năng mô phỏng đến mức độ nhất định trạng thái ứng suất của bê tông asphalt mặt đ-ờng khi chịu tải trọng giao thông [34]

- Mô đun đàn hồi động có thể xác định bằng thí nghiệm nén ba trục mẫu hình trụ, thí nghiệm nén mẫu hình trụ, thí nghiệm kéo mẫu hình trụ, thí nghiệm uốn mẫu dầm và thí nghiệm uốn mẫu dầm ngàm Có thí nghiệm đã

đ-ợc đ-a vào tiêu chuẩn, nh- thí nghiệm nén mẫu hình trụ [19], thí nghiệm uốn mẫu dầm [41] và thí nghiệm uốn mẫu dầm ngàm [14] Các thí nghiệm còn lại đ-ợc sử dụng trong nghiên cứu Giá trị mô đun đ-ợc xác định không chỉ phụ thuộc vào mô hình thí nghiệm, mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ thí nghiệm và tần số tác dụng tải trọng, độ lớn tải trọng [35] Thí nghiệm nén ba trục tải trọng động với mẫu hình trụ là thí nghiệm có khả năng mô phỏng gần hơn cả điều kiện chịu tải trọng của vật liệu bê tông asphalt làm mặt đ-ờng ôtô [34] Tuy nhiên, thí nghiệm này rất phức tạp về thiết bị và ph-ơng pháp thực hiện

- Thí nghiệm mô đun đàn hồi hồi phục đ-ợc tiến hành với mô hình nén

ba trục hoặc kéo gián tiếp (ép chẻ) mẫu hình trụ Thí nghiệm nén ba trục đ-ợc

sử dụng cho vật liệu đất và cốt liệu hạt không gia cố Thí nghiệm kéo gián tiếp mẫu hình trụ đ-ợc thực hiện với bê tông asphalt [20] Mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp đối với mẫu bê tông asphalt là thí nghiệm phổ biến trong các phòng thí nghiệm do tính đơn giản và dễ thực hiện [26] Trình tự tiến hành thí nghiệm đ-ợc mô tả trong tiêu chuẩn ASTM D4123 [19] Độ bền kéo gián tiếp hoặc chuyển vị khi phá hoại của thí nghiệm kéo gián tiếp có thể sử dụng để tính toán mức ứng suất hoặc chuyển vị trong thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi Sau khi có độ bền kéo gián tiếp, trong thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi, mẫu chịu mức tải trọng để có ứng suất bằng từ 5% đến 20% độ bền kéo

gián tiếp [26] Theo ASTM D4123, thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi bằng kéo gián tiếp tải trọng lặp lấy thời gian tác dụng của tải trọng 0.1 giây và thời gian nghỉ là 0.9 giây Cũng có thể tiến hành thí nghiệm với các thời gian gia tải và thời gian nghỉ khác [26] Mô đun đàn hồi đ-ợc tính toán theo cùng một công thức cho hai loại mẫu có kích th-ớc khác nhau (d = 101.6 mm và d = 152.4 mm)

với MR: Mô đun đàn hồi (psi)

P: tải trọng tác dụng (pound)

H: biến dạng ngang của mẫu (inches)

t: chiều cao của mẫu (inches)

: hệ số Poisson

Hệ số Poisson đ-ợc tính theo hai công thức khác nhau cho hai loại mẫu

- mẫu đ-ờng kính 101.6 mm

- mẫu đ-ờng kính 152.4 mm

với H: biến dạng ngang của mẫu

V: biến dạng đứng của mẫu

: hệ số Poisson

- Thí nghiệm sử dụng tải trọng tĩnh với mô hình thí nghiệm nén dọc trục mẫu hình trụ Thí nghiệm này thực hiện đơn giản và có mức độ mô phỏng kém trạng thái ứng suất của bê tông asphalt mặt đ-ờng khi chịu tải trọng xe chạy Đối với vật liệu có tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo nh- bê tông asphalt thì mô hình này th-ờng cho giá trị mô đun đàn hồi thí nghiệm rất thấp Theo các

số liệu thực nghiệm đã đ-ợc tiến hành và công bố ở Việt Nam đối với bê tông nhựa hạt trung ở điều kiện nhiệt độ khoảng 30 độ C là khoảng 2400 daN/cm2

 0 27

t H

P

M R

27 0 59



V H



b Ph-ơng pháp tính toán trên cơ sở các chỉ tiêu vật lý, cơ học của các vật liệu thành phần

Ph-ơng pháp này dựa trên các mối quan hệ thực nghiệm giữa mô đun

động và các đặc tr-ng của vật liệu thành phần và của hỗn hợp bê tông asphalt

đ-ợc xác định bằng thí nghiệm trong phòng Có nhiều mối quan hệ thực nghiệm đã đ-ợc thiết lập và đ-ợc công bố Hãng Shell dựa trên nghiên cứu của Van der Poel [32] về quan hệ giữa độ cứng của bitum với nhiệt độ và thời gian

đặt tải, và nghiên cứu của một số tác giả khác [29] về quan hệ giữa độ cứng của bitum và độ cứng của bê tông asphalt phụ thuộc thành phần theo thể tích của cốt liệu để tổng hợp thành cặp toán đồ để xác định độ cứng của bê tông asphalt có trong nhiều tài liệu cơ bản về bê tông asphalt [26] [34] Các mối quan hệ này cũng đ-ợc nghiên cứu để lập thành phần mềm tiện ích [23] Viện Asphalt t-ơng tự cũng công bố công thức tính toán mô đun động dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm mô đun động và các thí nghiệm xác định các tính chất của vật liệu thành phần [27] Công thức này cho thấy mô đun động có thể tính toán theo hàm l-ợng bột khoáng, độ rỗng của hỗn hợp theo thể tích, độ nhớt của bitum, hàm l-ợng bitum theo khối l-ợng hỗn hợp, tần số tác dụng lực

và nhiệt độ Từ nghiên cứu này, cũng có tác giả thiết lập phần mềm tính toán mô đun động [28]

Hạn chế của ph-ơng pháp tính toán này là các mối quan hệ chỉ áp dụng

đ-ợc trong các phạm vi nhất định của các vật liệu và các thông số vật liệu thí nghiệm

Độ võng trên mặt đ-ờng có thể đo đ-ợc bằng các thí nghiệm với các dạng tải trọng tĩnh (khi đo bằng cần Benkelman), tải trọng tĩnh di động chậm (thiết bị Lacroix), dạng tải trọng động với nguồn tạo rung với tần số 8 chu kỳ lực trong 1 giây (thiết bị Dynaflect) hoặc thay đổi từ 5 đến 70 chu kỳ trong một giây (thiết bị Road Rater), và dạng tải trọng xung một lần do búa rơi từ một độ cao nhất định (các thiết bị FWD - Falling Weight Deflectometer nh-

Dynatest, KUAB và Phoenix) -u điểm chính của thí nghiệm FWD là có khả năng mô phỏng tải trọng bánh xe chuyển động về độ lớn và thời gian tác dụng lực [27] Một trong những ứng dụng hữu ích của các thí nghiệm không phá huỷ mặt đ-ờng là sử dụng độ võng đo đ-ợc để tính toán mô đun lớp của các lớp kết cấu mặt đ-ờng, bao gồm cả đất nền Đã có nhiều phần mềm đ-ợc thiết lập để giải bài toán tính mô đun lớp từ độ võng mặt đ-ờng cho kết cấu áo

đ-ờng mềm Hầu hết chúng đều dựa trên giả thiết kết cấu nền mặt đ-ờng là hệ nhiều lớp đàn hồi và sử dụng thuật tính lặp để tìm ra bộ số liệu mô đun lớp tính toán cho các độ võng tính toán phù hợp nhất với các độ võng thực đo [24] Các phần mềm này đều sử dụng một ch-ơng trình tính toán kết cấu áo

đ-ờng mềm có sẵn nh- một ch-ơng trình con Độ võng thực đo sử dụng cho các phần mềm tính toán này đều là các độ võng đo đ-ợc ở hiện tr-ờng bằng thiết bị FWD – Falling Weight Deflectometer Tuy nhiên, kết quả tính toán mô đun lớp theo nhiều nghiên cứu, sử dụng các phần mềm tính toán khác nhau và độ võng đo đ-ợc ở các đoạn đ-ờng khác nhau cho thấy có sự sai khác nhất định [24] Có nhiều nguyên nhân có thể dẫn đến sự khác nhau này: độ võng mặt đ-ờng đo bằng các loại thiết bị FWD với loại hình gia tải khác nhau,

sử dụng các ch-ơng trình tính toán khác nhau, phạm vi và số gia mô đun lớp ban đầu lấy không giống nhau và đặc tr-ng vật liệu mặt đ-ờng tại các vị trí đo khác nhau có thể thay đổi trong phạm vi rộng [24] Với độ võng đàn hồi đo

đ-ợc bằng ph-ơng pháp gia tải tĩnh (cần đo độ võng Benkelman), với hệ hai lớp, trong [41], ng-ời ta cũng đã lập toán đồ có thể tra đ-ợc mô đun lớp mặt

đ-ờng từ độ võng đàn hồi đo đ-ợc trên mặt đ-ờng

Tuy nhiên, trong thời điểm hiện tại, không chỉ ch-ơng trình tính toán,

mà cả ph-ơng pháp tính này đều ch-a đ-ợc phổ biến ở Việt Nam, kể cả để áp dụng cũng nh- trong nghiên cứu

1.3 Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm đ-ờng ôtô là một thông số quan trọng trong tính toán kết cấu áo đ-ờng mềm

1.3.1 Các tiêu chuẩn tính toán kết cấu áo đ-ờng mềm hiện hành ở n-ớc ta và các thông số tính toán

ở n-ớc ta hiện nay đang ban hành song song hai tiêu chuẩn tính toán kết cấu

áo đ-ờng mềm đ-ợc dựa trên hai ph-ơng pháp tính toán khác nhau

1 Ph-ơng pháp nửa thực nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết đàn hồi với giả

thiết kết cấu mặt đ-ờng mềm là hệ nhiều lớp đàn hồi trên nền đ-ờng là bán không gian vô hạn đàn hồi với các thông số tính toán :

a Thông số trạng thái giới hạn

- Độ võng đàn hồi giới hạn (theo tiêu chuẩn 22TCN-211-93 là mô

đun đàn hồi yêu cầu) qui định theo cấp đ-ờng và theo l-u l-ợng giao thông trung bình ngày đêm cho năm t-ơng lai đ-ợc tính đổi

về xe tải trọng trục tính toán

- ứng suất kéo uốn giới hạn đ-ợc tính toán từ c-ờng độ chịu kéo khi uốn và hệ số xét đến hiện t-ợng mỏi của vật liệu liền khối

- ứng suất cắt tr-ợt giới hạn đ-ợc tính toán thông qua lực cắt C, góc ma sát  và các hệ số xét đến l-u l-ợng giao thông và điều kiện làm việc của vật liệu rời rạc, kém dính.

b Thông số tải trọng giao thông

- L-u l-ợng giao thông năm t-ơng lai tính đổi về tải trọng trục tính toán

c Thông số vật liệu

- Mô đun đàn hồi và hệ số Poisson

Trong tiêu chuẩn tính toán [9], mô đun đàn hồi của vật liệu đ-ợc xem là một thông số chính Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt đ-ợc cho các giá trị khác nhau khi kiểm toán kết cấu mặt đ-ờng theo các trạng thái giới hạn khác nhau, trên cơ sở đặc điểm chịu lực của vật liệu trong mỗi trạng thái tính toán, nh- trong bảng 1.1 sau:

Bảng 1.1: Mô đun đàn hồi tính toán của loại bê tông asphalt chặt qui định trong tiêu chuẩn 22TCN-211-93

Loại hỗn hợp

Giá trị mô đun đàn hồi (MPa) ứng với trạng thái giới hạn tính toán

Mô hình thí nghiệm ứng suất kéo Độ võng đàn hồi ứng suất

2 Ph-ơng pháp thực nghiệm (cơ bản dựa theo h-ớng dẫn thiết kế của

AASHTO, [16]) đ-ợc xây dựng chủ yếu trên cơ sở các kết quả thực nghiệm AASHO với các thông số tính toán:

- Mô đun đàn hồi hữu hiệu của nền đ-ờng

- Hệ số thoát n-ớc của vật liệu móng của kết cấu mặt đ-ờng

d Các thông số độ tin cậy

Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt trong h-ớng dẫn thiết kế của AASHTO đ-ợc qui định theo chất l-ợng của bê tông asphalt, và đ-ợc xác định bằng thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp mẫu bê tông asphalt hình trụ trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ 200C Cơ bản dựa trên h-ớng dẫn này và kết hợp với xem xét điều kiện trong n-ớc, tiêu chuẩn thiết kế theo ph-ơng pháp này của Việt Nam [10] đề nghị mô đun đàn hồi cũng theo mô hình thí nghiệm

trên, nh-ng thực hiện ở điều kiện nhiệt độ 300C Các giá trị đ-ợc cho trong bảng 1.2 sau:

Bảng 1.2: Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt trong h-ớng dẫn AASHTO và trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN-274-01

Tiêu chuẩn tính toán

Giá trị mô đun đàn hồi

(MPa) Mô hình thí nghiệm 22TCN-274-01 [10]

1) Tiêu chuẩn thiết kế mặt đ-ờng nhựa của Trung Quốc (JTJ 014 - 97)

Tiêu chuẩn thiết kế đ-ợc thiết lập trên cơ sở lý thuyết bán không gian nhiều lớp đàn hồi, điều kiện tiếp xúc giữa các lớp là dính chặt hoàn toàn, d-ới tác dụng của tải trọng phân bố đều trên hai vòng tròn [2] Các thông số tính toán bao gồm:

a Thông số trạng thái giới hạn

- Độ võng thiết kế đ-ợc tính toán theo số trục bánh t-ơng đ-ơng tích luỹ trên một làn xe trong niên hạn thiết kế, và các hệ số xét đến cấp đ-ờng, loại mặt đ-ờng và loại hình lớp móng

- ứng suất kéo uốn giới hạn đ-ợc tính toán cho lớp mặt bê tông asphalt và các lớp móng gia cố vô cơ tính theo c-ờng độ kéo gián của vật liệu và hệ số c-ờng độ kháng kéo, phụ thuộc vào số trục bánh t-ơng đ-ơng tích luỹ trên một làn xe trong niên hạn thiết kế

và hệ số xét đến cấp đ-ờng và loại vật liệu kiểm toán 

b Thông số tải trọng giao thông

Số trục bánh t-ơng đ-ơng tích luỹ trên một làn xe trong niên hạn thiết kế

c Thông số vật liệu

Mô đun đàn hồi của vật liệu các lớp và của đất nền Trị số mô đun

đàn hồi tính toán đ-ợc quy định theo trạng thái giới hạn tính toán nh- trong bảng 1.3 sau:

Bảng 1.3: Mô đun đàn hồi tính toán của bê tông asphalt trong tiêu chuẩn thiết

kế mặt đ-ờng nhựa của Trung Quốc [2]

Loại hỗn hợp

Giá trị mô đun đàn hồi tính toán (MPa) ứng với trạng thái giới hạn tính toán Mô hình thí nghiệm

đ-ợc đề nghị ứng suất kéo Độ võng đàn hồi

độ 150C và 200C

Tiêu chuẩn thiết kế đ-ợc dựa trên giả thiết kết cấu mặt đ-ờng mềm là

hệ nhiều lớp đàn hồi trên nền đ-ờng là bán không gian vô hạn đàn hồi với các thông số tính toán:

a Thông số trạng thái giới hạn

- Độ võng đàn hồi giới hạn thể hiện qua thông số mô đun đàn hồi yêu cầu tối thiểu, đ-ợc xác định phụ thuộc tổng số tải trọng trục tính toán tích luỹ trong thời hạn phục vụ của áo đ-ờng và hệ số tính đến loại tải trọng trục tính toán, có xét chiết giảm theo vùng khí hậu và

so sánh với mô đun đàn hồi yêu cầu tối thiểu theo cấp đ-ờng

- ứng suất kéo uốn giới hạn đ-ợc tính toán cho lớp mặt bê tông asphalt và các lớp móng gia cố vô cơ tính theo c-ờng độ chịu kéo

khi uốn của vật liệu và các hệ số xét đến tổng số tải trọng trục tính toán tích luỹ trong thời hạn phục vụ, loại vật liệu liền khối tính toán,

hệ số xét đến sự khác biệt giữa điều kiện thực tế về tải trọng và về nhiệt độ, và hệ số độ tin cậy 

- ứng suất cắt tr-ợt giới hạn đ-ợc tính toán cho lớp nền và các lớp móng bằng vật liệu rời rạc, kém dính, phụ thuộc lực dính và góc nội

ma sát của lớp vật liệu kiểm toán lấy theo số lần tác dụng tích luỹ của tải trọng trục tính toán trong thời kỳ thiết kế, các hệ số xét đến

điều kiện làm việc đồng nhất giữa các lớp, chiều dày và trọng l-ợng riêng trung bình của các lớp vật liệu nằm trên lớp kiểm toán.

d Thông số tải trọng giao thông

- Tổng số tải trọng trục tính toán tích luỹ trong thời hạn phục vụ

e Thông số vật liệu

- Mô đun đàn hồi của vật liệu các lớp và của đất nền

Trị số mô đun đàn hồi tính toán đ-ợc quy định theo trạng thái giới hạn tính toán và theo đặc điểm của mỗi đoạn đ-ờng Trên các đoạn đ-ờng xe chạy liên tục, xét theo tác động ngắn hạn nhiều lần của hoạt tải gọi là tải trọng tức thời và tại các vị trí nh- điểm đỗ, dừng, tại nút giao cắt, tại bãi đỗ xe sẽ xét tác động với thời gian không ít hơn 10 phút gọi là tải trọng dài hạn Các số liệu với loại bê tông asphalt t-ơng đ-ơng với các loại th-ờng đ-ợc sử dụng ở n-ớc ta nh- trong bảng 1.4

Bảng 1.4: Mô đun đàn hồi tính toán của bê tông asphalt chặt sử dụng bitum

đặc 40/60 và 60/90 trong tiêu chuẩn thiết kế mặt đ-ờng của CHLB Nga [40]

Điều kiện tải

Ph-ơng pháp thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tính toán không đ-ợc

đề cập trong tiêu chuẩn [40] Tuy nhiên, các ph-ơng pháp thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông asphalt đề cập trong [39] là nén dọc trục mẫu hình trụ tải trọng tĩnh và uốn mẫu dầm tải trọng lặp

Ph-ơng pháp thiết kế đ-ợc dựa trên giả thiết kết cấu nền mặt đ-ờng là

hệ nhiều lớp đàn hồi, các lớp dính chặt nhau, liên tục về chuyển vị ở các mặt tiếp giáp

a Thông số trạng thái giới hạn

- Độ dãn dài cho phép ở đáy lớp vật liệu bê tông asphalt do ứng suất kéo khi uốn, t, ad, hay ứng suất kéo cho phép, t, ad, d-ới đáy lớp vật liệu gia cố vô cơ đ-ợc xác định bằng thí nghiệm Với bê tông asphalt

là thí nghiệm mỏi, uốn mẫu dầm ngàm Giá trị giới hạn đ-ợc tính từ biến dạng khi đạt đ-ợc sự phá hoại uốn quy -ớc trên mẫu sau một số lần lặp chu kỳ với xác suất 50%, ở nhiệt độ t-ơng đ-ơng, và tần số gia tải đặc tr-ng cho các ứng suất mà lớp đang xét phải chịu, nhân với các hệ số độ tin cậy, hệ số hiệu chỉnh sự sai khác giữa mô hình tính và điều kiện thực tế, hệ số chiết giảm xét đến sự không đồng nhất của lớp d-ới Số lần lặp chu kỳ đ-ợc tính là số lần tải trọng trục tính toán tích luỹ trong thời kỳ thiết kế Nhiệt độ t-ơng đ-ơng đ-ợc xác định theo nhiệt độ vùng (th-ờng là 100C hoặc 150C) Tần số gia tải là 10Hz

- Biến dạng thẳng đứng giới hạn Z ở bề mặt các lớp có chất dính kết

và nền đ-ờng, phụ thuộc vào số lần tải trọng trục tính toán tích luỹ trong thời kỳ thiết kế và hệ số xét đến loại đ-ờng.

độ tính toán căn cứ vào điều kiện thực tế (th-ờng là 100C hoặc 150C) và tần số tác dụng lực là 10 Hz Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt theo [14] nh- trong bảng 1.5

Bảng 1.5: Mô đun đàn hồi tính toán của bê tông asphalt theo tiêu chuẩn thiết

trạng thái giới hạn tính toán và thí nghiệm xác định Điều này là hợp lý và phù hợp với đặc điểm của vật liệu bê tông asphalt Xu h-ớng chung của các tiêu chuẩn tính toán đều xem xét điều kiện tác dụng của tải trọng xe chạy thực tế trên mặt đ-ờng, đó là tải trọng tác dụng trong thời gian ngắn và lặp lại Các trạng thái giới hạn tính toán đều đ-ợc xác định phụ thuộc số lần tác dụng lặp lại của tải trọng tính toán trong thời kỳ thiết kế Tác dụng của tải trọng tĩnh chỉ đ-ợc xem xét đối với các vị trí đặc biệt mà mặt đ-ờng phải chịu tác dụng

xe trong thời gian dài Trạng thái giới hạn cho các tr-ờng hợp này đ-ợc xét

đến là biến dạng dẻo do từ biến và tr-ợt của lớp mặt bê tông asphalt

1.4 Vấn đề nghiên cứu và nội dung chính của luận án

Để góp phần vào việc hoàn thiện ph-ơng pháp tính toán kết cấu áo đ-ờng mềm theo quan điểm quan tâm đến đặc tính tải trọng của giao thông, thống nhất tiêu chuẩn tính toán, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hoà nhập trong công tác nghiên cứu và thiết kế về kết cấu áo đ-ờng, đề tài tập trung vào các vấn đề

nghiên cứu đề nghị mô hình thí nghiệm, thiết kế và lắp dựng thiết bị thí nghiệm để tiến hành nghiên cứu, đánh giá về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt làm mặt đ-ờng ô tô, xét đến đặc điểm tải trọng xe chạy trên đ-ờng và

điều kiện chịu lực thực tế

Các nội dung chính của đề tài:

- Nghiên cứu, đề nghị áp dụng mô hình thí nghiệm xác định mô đun

đàn hồi trong phòng thí nghiệm của bê tông asphalt, xét đến các điều kiện chịu tải trọng thực tế của bê tông asphalt làm mặt đ-ờng ô tô Trong mô hình thí nghiệm đề nghị, các điều kiện này sẽ đ-ợc mô phỏng bằng các thông số thực nghiệm

- Chế tạo thiết bị thí nghiệm trên cơ sở mô hình thí nghiệm đề nghị và tiến hành thí nghiệm với các loại bê tông asphalt thông dụng làm mặt đ-ờng ôtô

- Xử lý số liệu và tổng hợp các giá trị mô đun đàn hồi thí nghiệm theo các điều kiện biên chính là các phạm vi thông số thực nghiệm

- Tiến hành các thí nghiệm đo độ võng mặt đ-ờng ngoài hiện tr-ờng

sử dụng thiết bị FWD, là loại thiết bị có khả năng mô phỏng tải trọng xe chạy tác dụng lên mặt đ-ờng

- Tính toán mô đun đàn hồi của bê tông asphalt từ độ võng động đo

đ-ợc trên mặt đ-ờng, sử dụng lý thuyết đàn hồi để so sánh, đối chứng với kết quả mô đun đàn hồi trong phòng

- Phân tích các số liệu thực nghiệm và các kết quả tính toán, so sánh

đối chiếu số liệu thí nghiệm có trong các báo cáo nghiên cứu của n-ớc ngoài để đ-a ra những nhận xét, đánh giá về mô hình thí nghiệm áp dụng, thiết bị thí nghiệm và số liệu thí nghiệm Mục đích nghiên cứu là tìm hiểu bản chất của mô đun đàn hồi của bê tông asphalt với các điều kiện làm việc thực tế của vật liệu làm mặt đ-ờng

ở Việt Nam, tiến tới xác định đ-ợc trị số tin t-ởng của thông số vật liệu này sử dụng cho n-ớc ta

2 Thông số cơ bản của vật liệu để tính toán kết cấu áo đ-ờng là mô đun

đàn hồi và hệ số Poisson Hệ số Poisson của bê tông asphalt trong các tiêu chuẩn tính toán t-ơng đối thống nhất và nó đ-ợc cho là không ảnh h-ởng nhiều đến kết quả tính toán kết cấu mặt đ-ờng [20] Mô đun đàn hồi của bê tông asphalt thì ng-ợc lại, các trị số quy định rất khác nhau trong các tiêu chuẩn tính toán, phụ thuộc vào trạng thái giới hạn tính toán và nhiệt độ tính toán Việc nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt, về bản chất của nó trong điều kiện chịu tải trọng xe chạy thực tế là cần thiết

3 Vật liệu bê tông asphalt có bản chất thay đổi tuỳ thuộc điều kiện chịu tải trọng và nhiệt độ, đó là đàn hồi - nhớt trong điều kiện nhiệt độ thấp

và tải trọng tác dụng tức thời và đàn hồi - dẻo trong điều kiện nhiệt độ cao và tải trọng tác dụng dài Khi nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt, phải đặc biệt chú ý đến tính chất này

4 Có nhiều khái niệm về mô đun đàn hồi của vật liệu đàn hồi - nhớt - dẻo nh- bê tông asphalt và t-ơng ứng là các thí nghiệm xác định Phổ biến trong các tiêu chuẩn tính toán kết cấu áo đ-ờng là dùng mô đun đàn hồi với tải trọng tác dụng lặp lại Trong luận án này, tác giả tập trung nghiên cứu mô đun đàn hồi này của bê tông asphalt

5 Để nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông asphalt, cần phải mô hình hoá vật liệu, điều kiện tải trọng xe chạy nh- thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy trên đ-ờng, tần số tác dụng của tải trọng, số lần tác dụng lặp, và điều kiện nhiệt độ thực tế Các thông số của thiết bị thí nghiệm đ-ợc thiết kế và lắp dựng phục vụ cho nghiên cứu cần bao trùm các vấn đề này

Ch-ơng II :

nghiên cứu xác định mô đun đàn hồi trong phòng

của bê tông asphalt làm mặt đ-ờng ôtô

2.1 Cơ sở lựa chọn mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm hợp lý để xác định một đặc tr-ng cơ học của một loại vật liệu là mô hình có thể mô tả đặc tính cơ bản của vật liệu, mô phỏng gần đúng với điều kiện chịu lực thực tế, phù hợp với ph-ơng pháp tính toán, có khả năng thực hiện và có tính phổ biến, có thể sử dụng đ-ợc với loại mẫu thông dụng, dễ chế tạo hoặc dễ lấy từ hiện tr-ờng

Trong kết cấu áo đ-ờng ôtô, khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy, trong lớp mặt bê tông asphalt thông th-ờng xuất hiện ứng suất nén và ứng suất kéo, ứng suất cắt xuất hiện trong tr-ờng hợp lớp mặt chịu tải trọng lực ngang lớn, là khi tốc độ xe thay đổi, phanh hãm, dừng xe hay khởi động xe Trạng thái phá hoại th-ờng thấy của lớp mặt bê tông asphalt liên quan đến ứng suất kéo khi uốn và ứng suất cắt khi tr-ợt Các tính chất cơ bản của bê tông asphalt

là bản chất vật liệu thay đổi phụ thuộc nhiệt độ, thời gian gia tải và độ lớn của ứng suất tác dụng, tính chất từ biến và đàn hồi chậm Mô hình thí nghiệm mô

đun đàn hồi cần phải có các thông số thí nghiệm đ-ợc xác định căn cứ vào

điều kiện dòng giao thông và điều kiện môi tr-ờng Các thông số thí nghiệm trên cơ sở đó đ-ợc lựa chọn là nhiệt độ mẫu khi thí nghiệm, thời gian và chu

kỳ tác dụng lực

2.1.1 Đề xuất áp dụng mô hình thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi

Có nhiều mô hình thí nghiệm để xác định mô đun đàn hồi của bê tông asphalt Có thí nghiệm đơn giản với mức độ mô phỏng kém trạng thái ứng suất khi chịu tải trọng giao thông của mặt đ-ờng nh- thí nghiệm nén dọc trục tải trọng tĩnh mẫu hình trụ trong phòng thí nghiệm Có thí nghiệm phức tạp với mức độ mô phỏng gần đúng hơn cả nh- thí nghiệm nén ba trục tải trọng lặp

Thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp là mô hình thí nghiệm thể hiện

đ-ợc một phần trạng thái ứng suất trong lớp mặt đ-ờng bằng bê tông asphalt khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe Mẫu vật liệu trong thí nghiệm chịu

kéo do tải trọng nén Trạng thái phá hoại do ứng suất kéo (gây ra các hiện t-ợng nứt trên mặt đ-ờng) là trạng thái phá hoại th-ờng thấy đối với lớp bê tông asphalt mặt đ-ờng Tải trọng lặp tác dụng trong thời gian ngắn cho phép chúng ta mô phỏng đ-ợc đặc điểm tác dụng tức thời và lặp lại của tải trọng xe chạy Thí nghiệm có thể tiến hành với mẫu Marshall, là mẫu đúc theo ph-ơng pháp thông dụng và mẫu khoan mặt đ-ờng với các chiều cao khác nhau

Thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp cũng là mô hình thí nghiệm đ-ợc

đề nghị để xác định mô đun đàn hồi và từ đó có hệ số lớp của bê tông asphalt, một thông số vật liệu cơ bản trong h-ớng dẫn thiết kế mặt đ-ờng mềm của AASHTO Việc sử dụng mô hình thí nghiệm có sẵn, với các giá trị thông số

đặc tr-ng cũng là một thuận lợi cho việc nghiên cứu, vì có thể kiểm chứng các giá trị thí nghiệm với các giá trị của thông số đã cho

Với các lý do đã trình bày, thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp đ-ợc

đề xuất để áp dụng trong nghiên cứu mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm, xét đến điều kiện tác dụng của tải trọng xe chạy

2.1.2 Thời gian tác dụng lực

Tải trọng xe đ-ợc tác dụng lên mặt đ-ờng qua bánh xe quay tròn Tác dụng của tải trọng xe lên vệt tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đ-ờng chỉ trong một khoảng thời gian rất ngắn phụ thuộc vào tốc độ xe chạy Khoảng thời gian này có thể tính đ-ợc từ chiều dài vệt tiếp xúc theo h-ớng xe chạy của bánh xe với mặt đ-ờng và tốc độ xe chạy Nếu xem nh- chiều dài vệt tiếp xúc bằng

đ-ờng kính t-ơng đ-ơng của vệt bánh xe trên mặt đ-ờng là 33 cm thì có thể tính thời gian tác dụng của bánh xe lên mặt đ-ờng theo công thức gần đúng:

V

với V là tốc độ xe chạy (km/h )

t là thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy trên mặt đ-ờng (s)

Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đ-ờng trong các tr-ờng hợp chính ở trên đ-ờng là: [38]

Trên đ-ờng xe chạy liên tục với tốc độ cao : 0.01s - 0.1 s

Trên đ-ờng xe chạy không liên tục (có tăng, giảm tốc hay hãm phanh): 0.1s - 1s

Thời gian xung t t-ơng ứng với thời gian dao động nửa hình sin xác định 

Khi xe chạy với tốc độ chậm sẽ không gây nên những dao động lớn và không làm tăng đáng kể áp lực phụ thêm so với áp lực của bánh xe tĩnh lên mặt đ-ờng Nh-ng khi xe chạy với tốc độ cao, tần số dao động của bánh xe và

áp lực phụ thêm do lực xung kích đều tăng lên, phụ thuộc vào độ bằng phẳng của mặt đ-ờng Thời gian tiếp xúc của tải trọng bánh xe nhỏ đi và gần với thời gian va chạm Khi đó các sóng ứng suất sẽ xuất hiện trong kết cấu mặt đ-ờng Kết quả đo độ võng động mặt đ-ờng ch-a xuất hiện vệt nứt theo kết quả nghiên cứu [38] đ-ợc thể hiện trên hình 2.1

Trong hình vẽ 2.1, P1 là tải trọng bánh xe tr-ớc và P2 là tải trọng bánh xe sau; các chậu võng 1; 2; 3; 4 lần l-ợt ứng với tác dụng của xe chạy với tốc độ

là 37.9 km/h; 30 km/h; 11.1 km/h; 5.5 km/h, và đ-ờng cong số 5 là chậu võng ứng với tải trọng tĩnh Quan sát kết quả trong hình, có thể thấy khi tốc độ xe

Hình 2.1: Kết quả đo độ võng động mặt đ-ờng

Tải trọng bánh tr-ớc P1=1.7T Tải trọng bánh sau P2 = 4.1 T

chạy lớn thì thời gian tác dụng của tải trọng giảm và đồng thời phạm vi truyền ứng suất nhỏ Bán kính chậu võng mặt đ-ờng khi chịu tác dụng của tải trọng tĩnh lớn hơn tải trọng động (tải trọng khi xe chạy) Nhánh thứ hai của chậu võng (nhánh dỡ tải) có bán kính cong gần với đ-ờng tải trọng tĩnh hơn Có thể thấy đ-ợc độ võng của mặt đ-ờng d-ới tác dụng của tải trọng xe chạy thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào tốc độ xe chạy, và trọng l-ợng của xe

Trạng thái ứng suất toàn phần của kết cấu áo đ-ờng khi chịu tác dụng của tải trọng xe chạy đ-ợc hợp thành bởi tổng của trạng thái ứng suất tĩnh và trạng thái ứng suất động (dạng sóng) Trạng thái ứng suất tĩnh đ-ợc tạo nên do

sự thay đổi vị trí liên tục nh-ng không rời khỏi mặt đ-ờng của bánh xe trên bề mặt của kết cấu áo đ-ờng Thành phần ứng suất và biến dạng của trạng thái này giảm đi khi tốc độ xe chạy tăng lên Trạng thái ứng suất động xuất hiện

do sự va đập của bánh xe trên bề mặt không bằng phẳng của áo đ-ờng hoặc là tạo bởi xung lực áp lực bánh xe khi xe dao động Thành phần này của trạng thái ứng suất tăng nhanh khi tốc độ xe chạy tăng [38]

Thiết bị thí nghiệm gia tải lặp, với thời gian tác dụng tức thời và có khoảng thời gian nghỉ, theo quan điểm đ-ợc đề cập ở trên, thì có thể mô phỏng đ-ợc trạng thái ứng suất do sự thay đổi liên tục vị trí nh-ng không rời khỏi mặt đ-ờng của bánh xe gia tải Việc điều tra các số liệu dòng giao thông thực tế trên đ-ờng nh- tốc độ xe, l-u l-ợng xe, tải trọng trục và khoảng thời gian giữa các lần tác dụng của tải trọng trục xe sẽ cho các cơ sở để thiết lập mô hình thí nghiệm mô phỏng đ-ợc thành phần trạng thái ứng suất này

Phụ lục 1 thể hiện kết quả điều tra giao thông trên tuyến quốc lộ 1,

đoạn Quảng Ngãi - Nha Trang bao gồm số liệu đếm xe, thời điểm mỗi trục xe

đi qua vị trí đếm, tải trọng trục xe, tốc độ xe chạy đ-ợc tự động tính toán thông qua khoảng cách giữa các trục và thời gian Tổng hợp các số liệu điều tra, chúng ta có kết quả về tốc độ xe chạy trên đ-ờng thể hiện trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Tốc độ xe chạy theo số liệu điều tra giao thông trên quốc lộ 1

Nhỏ nhất Lớn nhất Trung bình

Sử dụng công thức (2.1) để tính thời gian tác dụng của tải trọng lên mặt

đ-ờng đ-a vào bảng 2.2 nh- sau:

Bảng 2.2: Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy trên mặt đ-ờng

Tốc độ xe chạy (km/h) Thời gian tác dụng của tải trọng xe chạy (s)

Bảng 2.3: Khoảng cách thời gian giữa các lần tác dụng của tải trọng xe chạy lên mặt đ-ờng

lần tác dụng của tải trọng(s) Khoảng thời gian trung bình giữa các xe

Khoảng thời gian trung bình giữa các trục xe

30

1 Chu kỳ tác dụng của tải trọng lặp đ-ợc lựa chọn theo kết quả bảng 2.3

và để khảo sát sự thay đổi của mô đun đàn hồi thí nghiệm và thời gian chu kỳ

là 1 giây, 5 giây, 10 giây, và 30 giây

2.1.4 Nhiệt độ thí nghiệm

Nhiệt độ thí nghiệm đ-ợc chọn căn cứ vào nhiệt độ của lớp mặt bê tông asphalt trong điều kiện chịu tải trọng thực tế Nhiệt độ của lớp mặt đ-ờng bê tông asphalt có thể dự đoán theo phân bố nhiệt trong kết cấu áo đ-ờng đ-ợc xác định bằng lý thuyết hoặc từ các mối quan hệ thực nghiệm giữa các yếu tố khí hậu và các thông số về nhiệt của vật liệu Phân bố nhiệt trong kết cấu áo

đ-ờng theo lý thuyết có thể đ-ợc thiết lập trên một số giả thiết nh- nhiệt độ mặt đ-ờng theo ph-ơng ngang là phân bố đều, kết cấu áo đ-ờng là một hệ

đồng nhất bán vô hạn và nhiệt độ hữu hiệu đặc tr-ng cho hiệu ứng nhiệt do tác dụng tổng hợp của nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời gây nên trên bề mặt áo

đ-ờng biến đổi có tính chu kỳ theo thời gian d-ới dạng hình sin [13], hay là giả thiết điều kiện nhiệt l-ợng t-ơng đ-ơng [5] Các mối quan hệ thực nghiệm

đ-ợc thiết lập trên cơ sở các số liệu đo trực tiếp nhiệt độ trong mặt đ-ờng ở các chiều sâu khác nhau tại các thời điểm có điều kiện nhiệt độ không khí và các đặc điểm khí hậu khác nhau Số liệu thu thập đ-ợc phân tích để lập quan

hệ thực nghiệm của nhiệt độ trong mặt đ-ờng với các yếu tố khí hậu Ph-ơng pháp này đ-ợc áp dụng trong nhiều nghiên cứu [5], [11] và kết quả là các công thức hay các biểu đồ có thể áp dụng t-ơng ứng với điều kiện biên cụ thể phụ thuộc vào mỗi nghiên cứu

Căn cứ số liệu điều kiện khí hậu đ-ợc lấy theo [12], áp dụng công thức thực nghiệm cho trong [21] kết hợp với tra biểu đồ theo [33] và đối chiếu với kết quả đo trực tiếp nhiệt độ lớp bê tông asphalt mặt đ-ờng ở Hà Nội [5] và một số tỉnh phía Nam [11], có thể thấy nhiệt độ lớp bê tông asphalt mặt đ-ờng trong điều kiện khí hậu Việt Nam tồn tại ở mức cao nh- trong bảng 2.4 ở d-ới

đây

Bảng 2.4: Nhiệt độ trung bình của bê tông asphalt làm lớp mặt đ-ờng ôtô trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Vùng khí hậu

Nhiệt độ trung bình của bê tông asphalt làm lớp mặt

đ-ờng dày 5 cm trong điều kiện khí hậu Việt Nam ( 0 C) Tính theo công

thức trong [21]

Tra biểu đồ trong

[33]

Số liệu đo thực tế theo

đun đàn hồi, cụ thể là 150C; 300C và 500C Để khảo sát sự thay đổi của mô đun

đàn hồi với nhiệt độ và để có cơ sở so sánh các số liệu thí nghiệm đ-ợc với các kết quả nghiên cứu khác với mô hình thí nghiệm t-ơng tự ở n-ớc ngoài, tác giả chọn thêm hai mức nhiệt độ nữa để thí nghiệm là 50C và 200C

2.1.5 Độ lớn lực tác dụng

Độ lớn của lực tác dụng đ-ợc lấy theo % c-ờng độ của mẫu, với điều kiện đảm bảo mẫu làm việc xem nh- trong giai đoạn đàn hồi Với thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng lặp, mức tải trọng th-ờng đ-ợc áp dụng để ứng suất gây

ra trong mẫu bằng 5% đến 15% của c-ờng độ chịu kéo [25] Vì vậy, tác giả đề nghị mức tải trọng tác dụng tối đa t-ơng đ-ơng với 15% của c-ờng độ phá hoại của mẫu theo mô hình thí nghiệm t-ơng tự, tức là c-ờng độ ép chẻ mẫu

Để hạn chế số l-ợng mẫu bị phá huỷ, thí nghiệm xác định c-ờng độ ép chẻ

đ-ợc tiến hành ở một điều kiện nhiệt độ 50C Các độ lớn của lực tác dụng trong thí nghiệm mô đun đàn hồi ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau sẽ đ-ợc xác định theo giá trị c-ờng độ ép chẻ xác định đ-ợc Độ lớn lực áp dụng cho thí nghiệm mô đun đàn hồi t-ơng ứng với 50C, 150C, 200C, 300C, và 50/600C

là 15%, 9%, 7%, 5% và 2% của c-ờng độ ép chẻ xác định ở nhiệt độ 50C

Kết quả thí nghiệm c-ờng độ ép chẻ và tính toán độ lớn lực tác dụng trong thí nghiệm mô đun đàn hồi với các mẫu chế tạo trong phòng cho trong bảng 2.5

2P

St =   t D với St: c-ờng độ ép chẻ

P: lực phá hoại t: chiều cao mẫu D: đ-ờng kính mẫu

Hình 2.2: Mô hình thí nghiệm c-ờng độ ép chẻ

Bảng 2.5: Kết quả c-ờng độ ép chẻ tại 50C và mức tải trọng tác dụng áp dụng trong thí nghiệm mô đun đàn hồi đối với mẫu thí nghiệm chế tạo trong phòng

Đ-ờng kính mẫu (mm)

C-ờng

độ ép chẻ ở

50C (kPa)

Mức lực (N) cho thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tại nhiệt độ (0C)

- Thiết bị thí nghiệm sử dụng hình thức gia tải thông qua máy nén khí,

độ lớn của lực có thể tính đ-ợc từ áp lực khí trong pitton đ-ợc thể hiện qua đồng hồ điều chỉnh Mức lực tác dụng đ-ợc điều chỉnh thủ công bằng đồng hồ áp lực, nên chỉ có thể điều chỉnh lực trong một khoảng nhất định mà không điều chỉnh đ-ợc chính xác một trị số

- Nếu xem vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi thì sai khác không

lớn giữa các độ lớn lực sẽ không ảnh h-ởng nhiều đến kết quả mô đun

đàn hồi tính toán

Với mẫu khoan mặt đ-ờng, do có các mẫu có chiều cao khác nhau nên lực tác dụng lên mẫu sẽ khác nhau, phụ thuộc vào chiều cao mẫu và đ-ợc tính bằng % của c-ờng độ ép chẻ tại 50C, t-ơng ứng nh- đối với mẫu chế tạo trong phòng Kết quả thí nghiệm c-ờng độ ép chẻ đ-ợc cho trong bảng 2.6

Bảng 2.6: Kết quả thí nghiệm c-ờng độ ép chẻ của mẫu khoan mặt đ-ờng ở

50C

Loại hỗn hợp Số hiệu

mẫu

Lực phá hoại (N) (5độC) t(mm) D(mm) St(kPa)

Lực tác dụng trong thí nghiệm mô đun đàn hồi với mẫu khoan mặt

đ-ờng ở nhiệt độ 200C đ-ợc tính bằng 7% so với c-ờng độ ép chẻ xác định ở trên, phụ thuộc vào chiều cao của mỗi mẫu Kết quả tính toán chi tiết nh- trong bảng 2.7

Bảng 2.7: Kết quả tính toán mức lực tác dụng cho thí nghiệm mô đun đàn hồi với mẫu khoan hiện tr-ờng

Đặc điểm mẫu

Chiếu cao mẫu đo

Trung bình

Mức lực tính toán (KN)

Số hiệu mẫu

Mẫu hiện tr-ờng -

Đ-ờng Láng -

Hoà Lạc - Bê tông

asphalt hạt mịn

TH-1 58.3 58 57.8 58.03 0.7435 TH-2 53.4 52.8 53.4 53.20 0.6816 TH-4 43.8 44.1 43.6 43.83 0.5616 TH-5 53.4 52.4 53.3 53.03 0.6795 TH-6 51.2 50 51.3 50.83 0.6513 TH-7 49.8 50.3 49.6 49.90 0.6393 TH-8 30.1 30.1 30.1 30.10 0.3856 TH-9 49.1 50.2 49.1 49.47 0.6338 TH-10 46.6 46.5 47.3 46.80 0.5996

Để thuận lợi khi thực hiện thí nghiệm, và căn cứ vào kết quả tính toán ở trên, tác giả chọn mức tải trọng cho thí nghiệm mô đun đàn hồi với mẫu khoan mặt đ-ờng tại 200C là 0.5KN

2.1.6 Loại mẫu và kích th-ớc mẫu

Có hai loại mẫu thí nghiệm: mẫu bê tông asphalt chế tạo trong phòng với các loại hỗn hợp đ-ợc sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay và mẫu khoan từ mặt đ-ờng Mẫu chế tạo trong phòng thí nghiệm sẽ bao gồm các loại hỗn hợp hạt thô, hạt trung và hạt mịn sử dụng cho các lớp mặt của kết cấu áo

đ-ờng ôtô Mẫu hình trụ có kích th-ớc D x h = 101.6 mm x 63.5 mm Chiều cao của mẫu có thể thay đổi xung quanh giá trị 63.5 mm và đ-ợc đo chính xác

bằng th-ớc theo giá trị trung bình của 3 lần đo tại 3 vị trí của mẫu tạo với nhau góc 1200 Mẫu đ-ợc chế tạo theo ph-ơng pháp Marshall với 75 lần đầm trên một mặt mẫu Đây là tiêu chuẩn đầm nén cho đ-ờng ôtô có l-u l-ợng xe lớn Mẫu khoan hiện tr-ờng sẽ đ-ợc lấy tại đoạn đ-ờng đã qua thời gian sử dụng nhất định và mặt đ-ờng vẫn ch-a xuất hiện h- hỏng Mẫu đ-ợc lấy bao gồm cả lớp trên và lớp d-ới của mặt đ-ờng Kích th-ớc mẫu khoan D x h = 100

mm x h với chiều cao h (tính bằng mm) của mẫu theo thực tế

2.2 Thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm đ-ợc thiết lập có các thông số nh- trong bảng 2.8

Bảng 2.8 - Tổng hợp các đặc điểm của thiết bị và các thông số thí nghiệm Thông số Thiết bị và hình thức tiến hành

Thiết bị gia

tải

Thiết bị gia tải có thể tác dụng một lực xung trong một phạm

vi tần số, thời gian tác dụng lực và độ lớn của lực - Sử dụng máy nén khí

Thiết bị đo

chuyển vị

Thiết bị điện tử đo chuyển vị theo chiều đứng đặt tiếp xúc với tấm gia tải gồm hai đầu đo gắn hai bên Chuyển vị là trung bình cộng của hai giá trị nhận đ-ợc từ hai đầu đo

Theo AASHTO T283-89 Giá trị c-ờng độ ép chẻ của một

loại mẫu là trung bình cộng của các mẫu thí nghiệm

Tải trọng đề

nghị cho thí

nghiệm và khi

chuẩn bị mẫu

P1 = (2.8-3.0) KN ứng với nhiệt độ thí nghiệm là 50C;

P2 = (1.0 - 1.5) KN với nhiệt độ thí nghiệm 150C đến 300C;

P3 = (0.3 - 0.4) KN với nhiệt độ thí nghiệm 500C

P4= 0.5KN với mẫu khoan mặt đ-ờng, nhiệt độ 200C Trục gia tải Theo đ-ờng kính mẫu

M1 : Thời gian gia tải 0.1s, thời gian chu kỳ 1s

M2 : Thời gian gia tải 0.02 s, thời gian chu kỳ 1s

M3 : Thời gian gia tải 0.02 s, thời gian chu kỳ 10s

M4 : Thời gian gia tải 0.02 s, thời gian chu kỳ 30s

M5 : Thời gian gia tải 0.05 s, thời gian chu kỳ 5s

Thiết bị thí nghiệm ( xem hình 2.3) bao gồm: bộ khung thiết bị (1), bộ

khung gá mẫu (2), thiết bị gia tải và điều khiển tải trọng lặp (3), thiết bị đo và ghi tải trọng (4), thiết bị đo và ghi chuyển vị (5), buồng ổn nhiệt (6), máy tính với các ch-ơng trình điều khiển, thu nhận và xử lý số liệu

Bộ khung thiết bị (xem hình 2.4) đ-ợc thiết kế và gia công cơ khí chính

xác, bao gồm đế khung (1), thanh dẫn có tiện ren (2), tấm gá đầu đo lực và đỡ pitton gia tải (3) Đế khung và tấm gá đầu đo lực bằng thép tấm dày đảm bảo các thiết bị đo không bị rung khi gia tải, đ-ợc bắt chặt xuống đáy buồng gia tải bằng bu lông làm chân đế Kích th-ớc của các chi tiết của khung thiết bị

đ-ợc cho trong phụ lục 2 - Bản vẽ chi tiết khung thiết bị và bộ phận gá mẫu

Hình 2.3 : Thiết bị thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi trong phòng

Bộ phận gá mẫu (xem hình 2.4) gồm có tấm truyền tải trên (4) và tấm

đệm d-ới (5) đ-ợc gắn với nhau tạo khung gá mẫu bởi hai thanh dẫn (6) và khung gắn đầu đo chuyển vị ngang (7) Mặt tiếp xúc với mẫu của tấm truyền tải trên và tấm đỡ d-ới có chiều rộng là 13mm Tấm truyền tải trên có thể tr-ợt trên thanh dẫn Thanh dẫn bằng thép và lỗ ghép trên tấm truyền tải đ-ợc gia công nhẵn để đảm bảo ma sát giữa thanh dẫn và tấm truyền tải rất nhỏ không ảnh h-ởng đến lực tác dụng lên mẫu Khung gá mẫu đ-ợc bắt chặt với

đế khung thiết bị bằng bu lông Bản vẽ thiết kế chi tiết của khung gá mẫu

đ-ợc thể hiện trong phụ lục 2

Thiết bị gia tải (xem hình 2.5) bao gồm một máy nén khí cung cấp khí

nén qua hệ thống ống dẫn (1) với áp lực nén đ-ợc điều chỉnh bằng áp kế (2), van festo (3) đóng mở theo chu kỳ lập sẵn, và bộ xi lanh, piston (4) Máy nén khí cung cấp khí cho xi lanh qua bộ phận van đóng mở theo chu kỳ xác lập nhờ ch-ơng trình điều khiển đ-ợc lập sẵn Nhờ vậy, piston chuyển động tác dụng lực lên mẫu qua thanh truyền tải theo chu kỳ ứng với thời gian tác dụng của tải trọng và thời gian chu kỳ theo các giá trị mong muốn Mức tải trọng tác dụng lên mẫu sẽ t-ơng ứng với áp lực khí với tiết diện xi lanh Mức tải

bộ gá mẫu

tín hiệu số của lực, tính đổi về giá trị lực, điều chỉnh đồng hồ áp lực và chạy thử vài lần để xác định mức áp lực khí t-ơng ứng cần cung cấp

Thiết bị đo và ghi lực (xem hình 2.6) là thiết bị đo lực của máy nén

Marshall điện tử (1) có thang đo đến 25kN với độ chính xác là 0.001 kN Tín hiệu điện từ đầu đo đ-ợc khuyếch đại qua bộ khuếch đại SDA (2) để đ-a vào

bộ chuyển đổi ADC (3) thành tín hiệu số đ-a vào máy tính (4)

Hệ

Hệ số quan hệ giữa tín hiệu điện của đầu đo tính bằng vôn (V) và lực đo

đ-ợc sẽ đ-ợc xác định bằng ph-ơng pháp hiệu chuẩn chính xác (xem hình 2.7) với đầu đo lực (1), vòng ứng lực (2), chuyển vị kế (3) thực hiện trên máy

Hình 2.5 : Thiết bị điều khiển lực

nén 3 trục (4) Đầu đo lực đ-ợc nối với bộ khuyếch đại (5) để xác định số vôn hiển thị của tín hiệu điện Kết quả hiệu chuẩn đ-ợc cho trong bảng 2.9

Bảng 2.9: Kết quả hiệu chuẩn đầu đo lực 25 kN của máy Marshall điện tử Các thông số đặt: Hệ số khuyếch đại: 4400;Khoảng đo: 5V

Thiết bị đo và ghi chuyển vị (xem hình 2.6) gồm hai đầu đo điện tử (5)

có thang đo đến 12.5 mm và độ chính xác đến 0.001 mm Tín hiệu điện từ đầu

đo đ-ợc khuyếch đại qua bộ khuếch đại SDA (2) để đ-a vào bộ chuyển đổi ADC (3) thành tín hiệu số đ-a vào máy tính (4)

T-ơng tự đối với tín hiệu điện của đầu đo chuyển vị, hệ số quan hệ cũng

sẽ đ-ợc xác định bằng ph-ơng pháp hiệu chuẩn chính xác (xem hình 2.8) với

đầu đo chuyển vị (1), chuyển vị kế (2) thực hiện trên máy nén 3 trục (3) Đầu