Đề cương ôn thi độ bền kết cấu và tuổi thọ kết cấu BT nhựa

Đề cương ôn thi ,độ bền kết cấu,tuổi thọ kết cấu BT nhựa

Câu 1

Các loại hình hư hỏng cơ bản của mặt đường BTN và các nguyên nhân có thể của mỗi loại hình hư hỏng đó mà có liên quan đến tính chất hỗn hợp cũng như công tác thiết kế thành phần hỗn hợp BTN chặt làm mặt đường ô tô.

Có nhiều dạng nứt mặt đường như nứt ngang, nứt dọc, nứt lưới, nứt hình parabol …

và do nhiều nguyên nhân khác nhau

* Nứt do mỏi:

Nứt mỏi xãy ra trong mặt đường BTN khi các tải trọng tác dụng gây ra ứng suất vượtquá ứng suất kháng trong các thành phần vật liệu và làm xuất hiện các vết nứt Một dấu hiệusớm của hiện tượng nứt mỏi là xuất hiện các vết nứt dài không liên tục trên vệt bánh xe Cácvết nứt sau đó được phát triển dần lên bởi vì ở một vài điểm các vết nứt bên trong sẽ nối lạivới nhau, đó chính là nguyên nhân hình thành các vùng nứt lớn Mặt đường sẽ tiếp tục bị hưhỏng nặng hơn khi xuất hiện các ổ gà do xe cộ đi qua làm bong bật lớp mặt BTN

Hiện tượng nứt mỏi xãy ra do các nguyên nhân sau:

- Kết cấu mặt đường có bề dày nhỏ hoặc do các lớp phía dưới yếu dẫn đến xuất hiệncác độ võng lớn dưới mặt đường khi có các tải trọng lớn tác dụng Độ võng mặt đường lớnlàm tăng các ứng suất kéo ở phía đáy của lớp BTN và dẫn đến hình thành vết nứt

- Chất lượng thiết kế hoặc xây dựng kém, do khả năng thoát nước yếu cũng lànguyên nhân xuất hiện các vết nứt

Thông thường hiện tượng nứt mỏi là một dấu hiệu báo mặt đường đã chịu tới sốlượng tải trọng trục thiết kế tính toán Nó thường xãy ra vào cuối thời kỳ thiết kế Nếu quansát thấy các vết nứt xuất hiện sớm hơn so với chu kỳ thiết kế thì có thể đó là dấu hiệu tảitrọng giao thông được đánh giá không đúng mức

Biện pháp tốt nhất để khắc phục hiện tượng hứt mỏi là:

- Tính toán hợp lý số lượng tải trọng nặng trong chu kỳ thiết kế

- Giữ cho nền đường luôn khô ráo

- Sử dụng lớp kết cấu mặt đường dày hơn

- Sử dụng hợp lý vật liệu cho lớp mặt để có khả năng không làm yếu lớp mặt đườngkhi bị ẩm ướt

- Sử dụng hỗn hợp BTN nóng có đủ độ đàn hồi để chống lại độ võng trên mặt đường.Hỗn hợp BTN nhựa nóng phải có đủ cường độ kéo để chống lại các ứng suất kéo gây

ra tại đáy lớp BTN và có sự đàn hồi để chống lại sự tác động của tải trọng trùng phục màkhông gây ra các vết nứt Do vậy hỗn hợp BTN nóng được thiết kế sao cho có khả nănggiống như một vật liệu đàn hồi khi chịu tải trọng trạng thái bị kéo mà vẫn khắc phục đượchiện tượng nứt mỏi

* Nứt do nhiệt (nứt tại nhiệt độ thấp):

Nứt do ứng suất nhiệt xuất hiện trên mặt đường BTN thường là các vết nứt ngangcách đều nhau Vết nứt xuất hiện thường khi nhiệt độ bề mặt đường xuống thấp đủ để tạo ra

1 ứng suất kéo do nhiệt lơn hơn cường độ chịu kéo uốn của vật liệu BTN

Các vết nứt do nhiệt được tạo thành khi các lớp mặt đường bị co ngót lại khi nhiệt độxuống thấp (thời tiết giá lạnh), Khi hiện tượng co ngót mặt đường xuất hiện thì đồng thờicũng sinh ra các ứng suất kéo ở trong lớp BTN Tại 1 vài điểm dọc theo đường, các ứng suấtkéo vượt quá cường độ kháng kéo trong lớp BTN và dẩn tới hiện tượng nứt

* Nứt dọc:

Thường có nguyên nhân từ việc cạp nền - mặt đường, làm cho biến dạng không đềugiữa phần đường mới và đường cũ Nứt dọc theo vệt lún bánh xe do ứng suất kéo, do tảitrọng xe gây ra vượt quá cường độ chịu kéo của vật liệu.

* Nứt lưới lớn:

Là loại hình hư hỏng phát triển từ các vết nứt ngang và nứt dọc, nguyên nhân thường

là do nhiệt kết hợp với hiện tượng lão hóa, đặc biệt là lão hóa trong quá trình thi công khôngđược kiểm soát Loại hình vết nứt này cũng thường xuất hiện trên các khu vực rải BTN bềmặt lớn như sân, bãi Nếu tại các vị trí này có xuất hiện hiện tượng nứt lưới thì sẽ là hiệntượng hư hỏng nghiêm trọng, vì nó liên quan đến chiều dày vật liệu rải mỏng so với yêu cầuhoặc do dính bám không tốt

* Nứt phản ảnh: có thể do các nguyên nhân sau:

- Nứt từ khe nối của mặt đường BTXM phía dưới

- Truyền từ vết nứt do nhiệt của mặt đường BTN cũ

- Truyền từ vết nứt lưới của mặt đường phía dưới

- Truyền từ vết nứt dọc của mặt đường phía dưới

- Truyền từ vết nứt do mỏi của mặt đường phía dưới

* Nứt trượt (nứt hình parabol):

Nứt trượt thường do dính bám giữa lớp mặt và lớp dưới kém hoặc hỗn hợp BTN chấtlượng kém (cấp phối kém, nhựa đường không phù hợp, hàm lượng nhựa quá lớn …), kếthợp với ảnh hưởng của lực ngang do xe hãm, rẽ, quay đầu … Hiện tượng này thường xãy

ra ở các trạm thu phí, bến xe, các vị trí xuống dốc lớn … Sửa chữa cho loại hình này cũngrất phức tạp và tốn kém, nhất thiết phải bóc bỏ toàn bộ phần hỗn hợp hư hỏng

2 Hư hỏng biến dạng:

* Lún vệt bánh xe:

Thường xuất hiện dọc theo vệt bánh xe chạy và có xu hướng phát triển ra phía lềđường, được hình thành do các nguyên nhân:

- Sự giảm thể tích của BTN do tác dụng đầm nén của vệt bánh xe

- Ứng suất cắt lặp đi lặp lại do tác dụng của bánh xe (đây là nhân tố cơ bản)

Các nhân tố ảnh hưởng đến vệt hằn lún bánh xe bao gồm:

- Cốt liệu: thành phần cấp phối, độ nhám bề mặt của cốt liệu, hình dạng hạt và cỡ hạt

- Loại nhựa sử dụng

- Hỗn hợp BTN: hàm lượng nhựa, độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu

- Điều kiện tải trọng: độ lớn của áp lực tác dụng, số lần tác dụng của tải trọng

- Điều kiện môi trường: nhiệt độ, độ ẩm

Có 2 loại vệt lún bánh xe, thứ nhất là các biến dạng gây ra vệt hằn bánh xe chủ yếuxãy ra trong lớp nền và lớp móng hơn là xãy ra trong lớp BTN Thứ 2 là vệt hằn bánh xe do

sự biến dạng của lớp BTN chủ yếu liên quan tới quá trình thiết kế hỗn hợp BTN Các kếtquả của vệt hằn này là do hỗn hợp BTN không đủ cường độ chịu cắt để chống lại các tảitrọng trùng phục lớn

* Lượn sóng và trồi lún:

Là hiện tượng hư hỏng do biến dạng cắt trượt trong lớp kết cấu bề mặt, có nguyênnhân chủ yếu từ độ ổn định của hỗn hợp BTN mặt đường Chất lượng hỗn hợp kém (cốt liệucấp phối không đảm bảo, hạt tròn cạnh, loại nhựa đường không thích hợp, hàm lượng nhựalớn …) là nguyên nhân chính của hiện tượng này Nguyên nhân kết hợp là do tải trọngngang của bánh xe trên mặt đường Vì vậy hiện tượng này thường xãy ra gần các trạm thuphí, bến xe, nút giao thông, các đường cong nằm kết hợp với dốc dọc

3 Mất mát vật liệu mặt đường:

Đó là các hiện tượng bong bật, bong tróc, ổ gà… Các hiện tượng này có thể do cácnguyên nhân sau:

- Hàm lượng nhựa không đủ

- Dính bám kém giữa cốt liệu và nhựa đường

- Chất lượng cốt liệu: độ ẩm, độ sạch

- Chất lượng nhựa đường: lão hóa.

Trả lời:

Các chỉ tiêu thể tích của hỗn hợp BTN bao gồm: độ rỗng dư (VTM), độ rỗng cốt liệu(VMA) và độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) và hàm lượng bi tum hữu ích thể hiện khả năngphục vụ của mặt đường Các giá trị này phải nằm trong giới hạn quy định đảm bảo lớp BTN

có khả năng chống lại biến dạng, chống chảy nhựa dưới tác động của tải trọng xe và yếu tốnhiệt độ môi trường, hạn chế sự xâm nhập của nước vào hỗn hợp trong quá trình khai thác

* Độ rỗng cốt liệu (VMA):

Là thể tích của các khoảng trống của các hạt cốt liệu trong hỗn hợp đã đầm nén baogồm cả độ rỗng không khí (độ rỗng dư) và thể tích của nhựa đường không bị hấp thụ vàotrong cốt liệu

x100

V

V V VMA

G

P G VMA 100  * (%)

Trong đó:

Vv: thể tích lỗ rỗng không khí

VEAC: thể tích lượng nhựa có hiệu

VT: tổng thể tích mẫu BTN đầm nén

Gmb: tỷ trọng khối của hỗn hợp BT asphalt

Gsb: tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu

Ps: hàm lượng cốt liệu % của tổng trọng lượng hỗn hợp

Độ rỗng của cốt liệu ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề kinh tế của hỗn hợp Trong hỗnhợp cốt liệu cần phải có một độ rỗng nhất định Nói chung, nếu độ rỗng càng lớn thì cầnnhiều chất kết dính asphalt vào bề mặt cũng như lấp đầy bớt lỗ rỗng của hỗn hợp cốt liệu,dẫn đến cần hàm lượng asphalt nhiều hơn Ngoài ra cốt liệu có lỗ rỗng (xốp) sẽ gây ra hiệntượng “thấm hút chọn lọc” Khi thấm hút chọn lọc chỉ có “thành phần chọn lọc” trongasphalt thấm vào, để lại những phần thừa rắn lên trên bề mặt của cốt liệu Điều này có thểgây ra hiện tượng tách rời chất kết dính asphalt khỏi cốt liệu

Vì vậy trong thiết kế hốn hợp BTN, việc lựa chọn chính xác thành phần vật liệukhoáng là yếu tố quan trọng Cần tìm kiếm bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết để tạo ra thànhphần vật liệu khoáng tối ưu (tỷ lệ tốt nhất) Có nhiều phwuwong pháp để tính toán thànhphần, xong mục tiêu của tất cả các phương pháp đó là tìm kiếm tỷ lệ phối hợp hợp lý hỗnhợp vật liệu khoáng với thể tích lỗ rỗng là nhỏ nhất, đáp ứng được yêu cầu của BTN mặtđường

Độ rỗng dư có ảnh hưởng rất lớn đến đặc trưng khai thác của mặt đường Nếu VTMnhỏ hơn 3%, hỗn hợp BTN mặt đường có nguy cơ xuất hiện vệt lún bánh xe do biến dạngdẻo chảy Nếu độ rỗng quá lớn, sẽ thúc đẩy quá trình lão hóa của BTN làm giảm độ bền(chịu mỏi) của mặt đường

Độ rỗng dư còn có xu hướng giảm do tác dụng đàm nén thứ cấp của mặt đường Một

số kết quả nghiên cứu về mối quan hệ giữa độ rỗng dư và khả năng xuất hiện vệt lún vàchiều sâu vệt lún xuất hiện và độ rỗng dư sau khi chịu đầm nén thứ cấp của tải trọng giaothông

Đầm nén thứ cấp là tác dụng của tải trọng giao thông sau khi mặt đường thi côngxong, nếu đầm nén thực hiện kém, độ rỗng dư sau khi đầm nén có thể đạt 10  12%, trongkhi theo thiết kế nhựa chặt là 3  5% Thông thường đối với mặt đường BTN có chiều dàylớn, sẽ hay xuất hiện hiện tượng lún vệt bánh do đầm nén thứ cấp của tải trọng giao thôngtrong thời kỳ đầu khai thác

* Độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA):

Là % thể tích của VMA được lấp đầy bằng nhựa đường

x100

V V

V VFA

V EAC

Chỉ tiêu này có liên hệ chặt chẽ với độ rỗng dư và như vậy, cũng có mối liên hệ chặtchẽ với đặc trưng khai thác của mặt đường Chỉ tiêu này cho BTN thông thường là 50 70% Nếu giá trị này cao quá, lên đến 80  85% thì hỗn hợp sẽ có khả năng mất ổn định vàxãy ra hiện tượng vệt lún bánh

* Hàm lượng bi tum có hiệu (P be ):

Là tổng hàm lượng bi tum có trong hỗn hợp trừ đi phần bi tum bị mất do thấm vàocốt liệu Nó là một phần của hàm lượng bi tum tạo nên lớp phủ bên ngoài của các hạt cốtliệu và nó là lượng bi tum chi phối các đặc tính cơ lý của hỗn hợp BT asphalt

100

* s

ba b be

P P P

Trong đó:

- Pb: hàm lượng bi tum xác định theo % trọng lượng hỗn hợp

- Pba: hàm lượng bi tum hấp thụ xác định theo % trọng lượng cốt liệu

- Ps: hàm lượng cốt liệu xác định theo % trọng lượng hỗn hợp

Vì độ rỗng dư và độ rỗng cốt liệu thể hiện theo thể tích, chúng không thể xác địnhđược bằng cách cân, do đó hỗn hợp BT asphalt phải được thiết kế hoặc phân tích dựa trên

cơ sở thể tích

* Kiểm soát các chỉ tiêu thể tích trong quá trình thiết kế hỗn hợp BTN:

Ta xác định các chỉ tiêu độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu, độ rỗng lấp đầy nhựa vfa hàmlượng bitum có hiệu thông qua các chỉ tiêu sau:

* Tỷ trọng biểu kiến của cốt liệu:

n n

n sb

G

P G

P G

P G P

P P

P P G

2 1 1

3 2 1

Trong đó:

- P1, P2, Pn: phần trăm của các loại cốt liệu, tính theo khối lượng

- G1, G2, …Gn: tỷ trọng của các loại cốt liệu có trong cốt liệu tổng hợp

* Tỷ trọng có hiệu của cốt liệu:

b

b mn mn

b mn se

G

P G P

P P G







Trong đó:

- Pmn: phần trăm theo khối lượng của hỗn hợp ở trạng thái rời

- Pb: hàm lượng bi tum tính bằng % theo tổng khối lượng hỗn hợp

- Gb: tỷ trọng của bi tum

* Tỷ trọng lớn nhất (ứng với các hàm lượng bitum khác nhau):

Trong thiết kế hỗn hợp BT asphalt với các cốt liệu biết trước thì việc xác định tỷtrọng lớn nhất Gmn ứng với các hàm lượng bi tum khác nhau là cần thiết để xác định độ rỗng

dư ứng với từng hàm lượng bi tum đó

b

b se s

mn mn

G

P G P

P G

Trả lời:

1 Ảnh hưởng các tính chất của cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp BTN đến độ bền khai thác của mặt đường BTN:

Hỗn hợp BT Asphalt đã đầm nén bao gồm các thành phần: cốt liệu, chất kết dính, các

lỗ rỗng Mỗi thành phần trong hỗn hợp BT asphalt đóng một vai trò nhất và có liên quanchặt chẽ đến nhau trong việc tạo nên 1 khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệulàm lớp mặt đường

Cốt liệu sử dụng cho xây dựng đường ô tô thường có nguồn gốc từ các loại đá tựnhiên, hoặc có thể là vật liệu nhân tạo (thường là vật liệu nhẹ như sỉ lò cao)

Cốt liệu bao gồm cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt mịn với chức năng tạo bộ khung chịulực cho hỗn hợp, đóng một vai trò rất quan trọng trong hỗn hợp BT asphalt Nó chiếmkhoảng 92 96% tổng khối lượng trong BT asphalt và chiếm khoảng trên 30% giá thànhcủa kết cấu mặt đường, vì vậy nó ảnh hưởng khá nhiều đến giá thành của kết cấu mặtđường

Cốt liệu lý tưởng cho hỗn hợp BT asphalt phải có cấp phối hợp lý, cường độ, khảnăng chịu hao mòn lớn và hình dạng góc cạnh Những tính chất khác bao gồm độ rỗng thấp,

bề mặt xù xì, không bị bẩn và có tính ghét nước Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải đảmbảo thoả mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn được quy định cho mỗi loại BT Asphalt khácnhau với mục đích tạo khung chịu lực bền vững mà vẫn đảm bảo màng chất dính kết đủ baobọc và kết dính các hạt cốt liệu Với BT asphalt chặt, thành phần cỡ hạt của cốt liệu theophương trình họ đường cong Fuller: p=100(d/D)n

Với: - n = 0,45

- d: phần trăm lọt sàng tích luỹ tại cỡ sàng d

- D: cỡ sàng lớn nhất của hỗn hợp cốt liệu

a Các tính chất khoáng vật học và hóa học của cốt liệu:

Lựa chọn loại cốt liệu với tính chất khoáng vật học và hóa học cho hỗn hợp BTNđóng vai trò quan trọng trong đặc tính sử dụng và độ bền khai thác của mặt đường BTN.Các tính chất cơ lý cơ bản như dung trọng, độ rỗng, cường độ và tính chất hóa học/hóa – lý

học như khả năng hút ẩm, tính dính bám với nhựa đường là những hàm số phụ thuộc vàocác tính chất khoáng vật học và hóa học của cốt liệu.

* Tính chất khoáng vật học của cốt liệu:

Các khoáng vật thông thường có trong thành phần của cốt liệu là khoáng vật silíc,khoáng chất fen fat, sắt từ, cacbonnát và các khoáng vật sét Tuỳ thuộc mỗi loại cốt liệu, cácthành phần khoáng vật này có thể khác nhau Các tính chất của cốt liệu như cường độ, độbền, độ ổn định với các hoá chất, đặc tính bề mặt và hàm lượng các chất có hại … cũng phụthuộc vào các thành phần khoáng vật này

- Độ cứng (đặc tính mài mòn của cốt liệu) ảnh hưởng đến lực chống trượt của BTNlàm mặt đường

- Một yếu tố quan trọng đối với cốt liệu ảnh hưởng đến đặc tính khai thác của BTNmặt đường có liên quan đến thành phần khoáng vật của cốt liệu đó là thành phần khoáng vậtcủa lớp bao quanh cốt liệu và các chất có hại trong cốt liệu Các chất này bao gồm: sét, sétphiến, bụi thạch cao, chất hòa tan trong nước … làm ảnh hưởng đến khả năng dính bámgiữa cốt liệu và nhựa đường

* Các tính chất hóa học của cốt liệu:

Tính chất hóa học của cốt liệu phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó Tính chấthóa học của cốt liệu không ảnh hưởng quá lớn đến đặc tính khai thác của mặt đường BTN,ngoại trừ việc ảnh hưởng đến khả năng dính bám giữa cốt liệu với nhựa đường, mà có liênquan đến loại hình hư hỏng bong tróc của mặt đường

Nhựa đường khi được trộn với cốt liệu tạo hỗn hợp BTN cần phải theo quá trình: làm

ẩm bề mặt cốt liệu, tạo màng nhựa đều đặc dính bám vào bề mặt cốt liệu và giữ được cơ chếdính bám đó khi có tác dụng của nước Như vậy, đặc tính hoá học của bề mặt cốt liệu đóngvai trò quan trọng trong cơ chế dính bám này

b Các tính chất vật lý của cốt liệu:

Cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp BTN được phân loại theo kích cỡ là cốt liệu hạt thô

và cốt liệu hạt mịn bao gồm cả bột khoáng Theo tiêu chuẩn ASTM, cốt liệu hạt thô là cốtliệu sót trên sàng số 4 (4,75mm), cốt liệu mịn là cốt liệu lọt qua sàng số 4 và bột khoáng lọtqua sàng số 200 (75m) Viện Asphalt có ranh giới phân loại khác giữa cốt liệu hạt thô vàhạt mịn là sàng số 8 (2,36mm), giống như phân loại theo sàng vuông ở Việt Nam

Cốt liệu sử dụng cho hỗn hợp BTN mặt đường cần phải cứng, bền chắc và được phốihợp theo thành phần cỡ hạt hợp lý, chúng phải bao gồm các hạt hình khối với độ xốp rỗngnhỏ, sạch, bề mặt thô nhám và ghét nước Chất lượng của cốt liệu được đánh giá qua 1 sốchỉ tiêu sau:

* 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 nhiểm ẩm và khô) hoặc do ảnh hưởng của đóng và tan băng và các ảnh hưởngkhác trong quá trình phong hóa.Thí nghiệm độ bền sun fat (tiêu chuẩn ASTM C66 hoặcAASHTO T103) dùng để đánh giá tính chất này của cốt liệu

* Hình dạng và cấu trúc bề mặt của cốt liệu:

Hình dạng cốt liệu có góc cạnh để tạo lực ma sát và chèn móc lớn trong khung cốtliệu sẽ tạo được hỗn hợp có độ bền cơ học hơn khi sử dụng các hạt tròn cạnh Các hỗn hợp

sử dụng hạt tròn cạnh có khả năng linh động và dể đầm nén trong thi công, nhưng cũng dểtạo vệt lún bánh xe do độ rỗng còn dư nhỏ và khả năng biến dạng dẻo lớn

Độ thô ráp bề mặt hạt cốt liệu cũng tương tự như hình dạng cốt liệu có ảnh hưởngđến độ linh động khi thi công và cường độ hỗn hợp

Hình dạng và cấu trúc bề mặt thể hiện qua số mặt vỡ của hạt cốt liệu thể hiện khảnăng chống lại sự xuất hiện vệt lún bánh xe Hình dạng và số mặt vỡ cúa hạt cốt liệu chính

là cơ sở để nghiên cứu cho ổn định của hỗn hợp BTN kể cả cấp phối chặt và cấp phối hở

* Độ sạch và hàm lượng các chất có hại:

Độ sạch và hàm lượng các chất có hại (chủ yếu trên bề mặt của hạt cốt liệu nhưlượng bụi, sét và các chất hữu cơ) và lượng các hạt sét, hạt bở có ảnh hưởng đến cường độchung của hỗn hợp và khả năng dính bám giữa cốt liệu với nhựa đường

Chất lượng này của cốt liệu được đánh giá nhờ 2 TN:

- TN xác định hàm lượng hạt sét và hạt bở (ASTM C142), áp dụng cho cốt liệu hạtthô

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

Các tiêu chuẩn thông thường cho hỗn hợp BTN mặt đường hạn chế hàm lượng sét

và hạt bở trong cốt liệu thô dưới 1% và đương lượng cát cho cốt liệu mịn là 25-35

2 Các thông số kiểm soát chất lượng của cốt liệu sử dụng chế tạo BTN mặt đường:

* Đá:

- Thành phần cấp phối

- Cường độ, độ ép nát

- Độ hao mòn Log Angeles

- Lượng đá dăm mềm yếu và hạt thoi dẹt

- Loại đá chế tạo bột khoáng

- Lượng bụi, bùn, sét trong đá chế tạo bột khoáng

- Khả năng hút nhựa của bột khoáng

- Độ ẩm

- Thành phần cỡ hạt

Câu 4

So sánh cách phân loại nhựa đường đặc cũ (theo độ kim lún) và theo Superpave,

và nêu các thí nghiệm xác định cho mỗi cách phân loại.

Trả lời:

Hiện nay có 3 cách phân loại nhựa đường, trong đó có 2 phương pháp truyền thống

đã được áp dụng rỗng rãi trên thế giới:

- Phân loại theo độ kim lún (AASHTO M20)

- Phân loại theo độ nhớt (AASHTO M226)

Và một phương pháp mới được xem là phù hợp với tình hình phát triển cộng nghệ với cácloại nhựa đường mới - cải tiến, đó là phân loại theo Superpave

1/ Phân loại theo phương pháp truyền thống:

- Phân loại theo độ kim lún trong xây dựng đường ô tô dựa trên cơ sở TN độ kim lún củamẫu nhựa đường gốc (chưa hóa già) được thể hiện ở bảng sau:

40 - 50 60 - 70 85 - 100

1 Độ kim lún, 250C, 1/10mm 40 - 50 60 - 70 85 - 100

4 Hàm lượng nhựa hoà tan trong

5 TN sau khi làm TN màng mỏng ở

1630C, 5 giờ:

5.2 - Độ kim lún, % so với nhựa gốc 58 min 54 min 50 min

- Phân loại nhựa đường theo độ nhớt trong xây dựng đường ô tô dựa trên cơ sở TN độ nhớtcủa mẫu nhựa đường nguyên thuỷ và các thí nghiệm khác, được thể hiện ở bảng sau:

TT Các chỉ tiêu TN Trị số tiêu chuẩn theo độ nhớt

Theo các chuyên gia về đường ôtô trên TG nhận thấy 1 thực tế là: nhiều phươngpháp TN để đánh giá chất lượng nhựa đường hiện nay còn dựa chủ yếu vào kinh nghiệm,chưa thực sự phản ánh đúng tình trạng làm việc của nhựa đường trong hỗn hợp đá-nhựađường (nhất là trong BTN) Khi sử dụng làm các lớp mặt đường dưới tác dụng đồng thờicủa tải trọng, lưu lượng xe cộng thêm với các yếu tố thay đổi môi trường như nhiệt độ, độẩm…

Với tính chất phân loại nhựa đường hiện nay, có thể xãy ra trường hợp một số loạinhựa đường khác nhau có thể được gộp chung vào 1 nhóm, trong khi thực tế chúng cónhững đặc tính rất khác nhau với ảnh hưởng của nhiệt độ

Ngoài ra tính chất phân loại nhựa đường và phương pháp TN truyền thống có 1 hạnchế là chưa xem xét tới khả năng làm việc của nhựa đường khi được sử dụng trong các hỗnhợp dưới sự tác động của nhiệt độ và tải trọng, cụ thể:

- Tính chất của nhựa đường ảnh hưởng đến vệt lún của bánh xe

- Tính chất của nhựa đường ảnh hưởng đến vệt nứt của kết cấu

- Tính chất của nhựa đường ảnh hưởng đến vết nứt do nhiệt độ

2/ Phân loại theo phương pháp Superpave:

Chương trình nghiên cứu chiến lược đường bộ SHRP được thực hiện vào năm 1987 –

1992, đầu tư cho việc nghiên cứu này nhằm mục đích xây dựng 1 tiêu chuẩn TN và phânloại mới cho nhựa đường, đề xuất 1 phương pháp thiết kế hỗn hợp BTN mới có xét tới quan

hệ chặt chẽ giữa các TN trong phòng và điều kiện làm việc của kết cấu BTn ở hiện trườngđược gọi tên là Superpave

SHRP cho rằng mô đun độ cứng của các loại nhựa đường khác nhau có thể thay đổikhá nhiều, phụ thuộc vào các nhiệt độ làm việc của mặt đường và điều kiện tác dụng củalực

Chương trình Superpave nghiên cứu các cơ chế gây ảnh hưởng tới chất lượng củamặt đường BTN:

- Hiện tượng phát triển của vệt hằn bánh xe của phần trên của lớp mặt đường nhựa dotác dụng của tải trọng bánh xe ô tô

- Hiện tượng mỏi của vật liệu nhựa trong mặt đường do tác dụng trùng phục của xevới lưu lượng lớn

- Hiện tượng nứt vì nhiệt, phát sinh khi mặt đường ở nhiệt độ thấp

- Hiện tượng lão hóa sớm của nhựa trong mặt đường

Việc phát sinh các vệt hằn bánh xe (ở nhiệt độ cao), hiện tượng mỏi của nhựa (ởnhiệt độ trung bình của mặt đường) và hiện tượng nứt ở nhiệt độ thấp của mặt đường phụthuộc nhiều vào tỷ lệ tương đối của các thành phần đàn hồi và thành phần nhớt của mô đun

độ cứng của nhựa đường, đặc trưng qua góc lệch  (giữa ứng suất tác dụng và biến dạngphát sinh) Ở nhiệt độ trung bình và thấp thì sức kháng biến dạng là do ảnh hưởng của thànhphần đàn hồi của mô đun độ cứng Chính vì thế những đặc trưng: mô đun độ cứng và góclệch  phải được xét đến trong việc xác định các tiêu chuẩn chất lượng của nhựa đường ởcác điều kiện nhiệt độ khác nhau Với những đặc trưng trên tính chất lưu biến của nhựađường đã được xét đến

Trên cơ sở các nghiên cứu trên, Superpave đã đề xuất các phương pháp thử nghiệmsau để đánh giá thuộc tính của nhựa đường phục vụ cho phân loại nhựa đường:

- TN độ nhớt Brookfield – RS

- TN gia nhiệt màng mỏng bi tum trên thiết bị xoáy – RTFOT

- TN hoá cứng bi tum bằng bình áp lực – PAV

Theo Superpave, nhựa đường được chia làm 7 loại (mac): PG46; PG52; PG58;PG64; PG70; PG76; PG82

Trọng tâm của tiêu chuẩn kỹ thuật cho nhựa đường theo Superpave đó là độ tin cậycủa TN nhựa đường ở các điều kiện mô phỏng theo 3 giới hạn trong quá trình lão hóa củanhựa đường

- Giới hạn 1 đặc trưng cho công tác vận chuyển, lưu kho và bán hàng bao gồm các

TN thực hiện trên mẫu nhựa đường gốc

- Giới hạn 2 đặc trưng cho quá trình trộn và thi công, quá trình hóa già này được môphỏng bằng lò quay màng mỏng RTFOT

- Giới hạn 3 mô phỏng quá trình hóa già dài hạn của nhựa đường giống như sự làmviệc của lớp BTN trong kết cấu mặt đường Bước này được mô phỏng trong chỉ tiêu kỹthuật bằng TN hóa già của nhựa đường sử dụng bình áp lực PAV.

Câu 5

Trình bày về phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp theo phương pháp Marshall và theo Superpave: sự giống và khác nhau cơ bản, các chỉ tiêu và thí nghiệm tương ứng để thiết kế thành phần hỗn hợp.

- Yếu tố đặc tính thể tích: bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng dư (Va), độ rỗng cốt liệu(VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) của hỗn hợp BTN Các giá trị này nằm trong giới hạnquy định đảm bảo lớp BTN có khả năng chống biến dạng, chống chảy nhựa dưới tác độngcủa tải trọng xe và yếu tố nhiệt độ môi trường, hạn chế sự xâm nhập của nước vào hỗn hợptrong quá trình khai thác

- Yếu tố về đặc tính cơ học: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất lượng cốt liệu vàcác chỉ tiêu liên quan đến cường độ của hỗn hợp BTN sau khi đầm nén (độ ổn định, độ dẻo)nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp BTN có đủ cường độ sau khi xây dựng

Cấp phối hỗn hợp cốt liệu chế tạo BTN: sử dụng cấp phối hỗn hợp cốt liệu liên tục,tuân theo công thức Fuller p=(d/D)n (với n=0,45) Đường bao của hỗn hợp cốt liệu đượckhuyến nghị dùng theo ASTM D3515 và tuỳ theo từng địa phương để hiệu chỉnh cho phùhợp

* Phương pháp Superpave:

Tuân theo nguyên tắc sau: sử dụng các vật liệu hợp lý để chế tạo ra 1 hỗn hợp BTNđạt được một mức độ nào đó về các khả năng làm việc của mặt đường BTN phù hợp với cácyêu cầu về mức độ giao thông, môi trường, kết cấu mặt đường và độ tin cây Hỗn hợp BTNđược thiết kế (đưa ra hàm lượng nhựa tốt nhất) phải thoả mãn 2 yếu tố cơ bản sau:

- Yếu tố về đặc tính thể tích: bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng dư (Va), độ rỗng cốt liệu(VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) của hỗn hợp BTN Các giá trị này phải nằm trong giớihạn quy định

- Yếu tố về đặc tính cơ học: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất lượng cốt liệu,các chỉ tiêu cường độ (khả năng làm việc) của hỗn hợp BTN và dự báo khả năng làm việcthực tế của mặt đường BTN trên cơ sở kết quả TN cắt (SST) và TN kéo gián tiếp (IDT)

Việc lựa chọn loại nhựa đường: dựa trên tiêu chuẩn phân loại nhựa đường theo cấpđặc tính theo Superpave

Cấp phối hỗn hợp cốt liệu chế tạo BTN: sử dụng cấp phối hỗn hợp cốt liệu liên tục,tuân theo công thức Fuller p=(d/D)n (với n=0,45)

Phương pháp thiết kế này phân thành các bước riêng biệt cho công tác lựa chọn nhựa,lựa chọn cốt liệu và các quá trình thiết kế hỗn hợp Quá trình lựa chọn vật liệu và thiết kếhỗn hợp BTN dựa trên các số liệu về giao thông, thời tiết của vùng lập dự án.

Các TN về khả năng làm việc của hỗn hợp BTN và các dự báo khả năng làm việccủa mặt đường BTN trong quá trình khai thác là một trong những tính ưu việt nỗi bật trongphương pháp thiết kế theo Superpave Các kết quả dữ liệu từ các TN này được sử dụng đểlập ra các dự đoán chi tiết các điều kiện làm việc thực tế của mặt đường và ước tính đượctuổi thọ làm việc của hỗn hợp BTN trong tương lai tương ứng với các tải trọng trục đơntương ứng (ESAL) Phương pháp TN mẫu BTN trên thiết bị cắt (SST) và kéo gián tiếp(IDT) là 2 TN cơ bản để ước tính và dự báo các khả năng làm việc thực tế của mặt đường

Chuẩn bị mẫu thí nghiệm: tối thiểu là 6 tổ mẫu (18 mẫu).

- Cốt liệu được làm sạch, sấy khô ở nhiệt độ 110 ± 50C, khối lượng và thành phần cởhạt theo yêu cầu

- Xác định nhiệt độ trộn và nhiệt độ sấy để độ nhớt của bi tum đạt 280 ± 30 cSt.+ Chuẩn bị hỗn hợp:

- Sàng từng cỡ hạt và cân riêng theo khối lượng tính toán để phối trộn theo cấp phối

đã lựa chọn Cân lượng bitum đủ cho 1 mẫu thí nghiệm và đưa vào tủ sấy ở nhiệt độ trộn,sau đó trộn đều với cốt liệu, đưa vào khuôn và tiến hành đầm với số lượng đầm 50 hoặc 75lần/1 mặt mẫu

+ Bảo dưỡng mẫu và sau đó dùng kích đưa mẫu ra khỏi khuôn, thực hiện việc bảo ônmẫu rồi sau đó tiến hành các thí nghiệm khác để xác định các chỉ tiêu

Xác định các chỉ tiêu vật lý:

- Cân mẫu, đo chiều cao hoặc cân mẫu trong nước để xác định thể tích mẫu

- Tính toán các chỉ tiêu: khối lượng thể tích, độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu, phần trămthể tích lỗ rỗng cốt liệu được lấp đầy bằng nhựa (thực hiện với toàn bộ số mẫu)

Nén xác định độ ổn định và độ dẻo Marshall.

Xác định hàm lượng nhưa tối ưu:

Vẽ các đồ thị quan hệ giữa các hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu vật lý và chỉ tiêuMarshall Các quan hệ được sử dụng để xác định hàm lượng nhựa tối ưu bao gồm:

- Độ ổn định Marshall – Hàm lượng nhựa

- Độ dẻo Marshall – Hàm lượng nhựa

- Dung trọng thể tích – Hàm lượng nhựa

- Độ rỗng dư – Hàm lượng nhựa

- Độ rỗng cốt liệu – Hàm lượng nhựa

+ Xác định hàm lượng nhựa đối với cấp phối đã lựa chọn:

Trên cở sở các mối quan hệ giữa các chỉ tiêu được tính toán với các hàm lượng nhựathay đổi, việc xác định hàm lượng nhựa tối ưu được thực hiên theo các phương pháp sau:

Phương pháp 1: Chọn hàm lượng nhựa tương ứng với độ rỗng dư yêu cầu trung bình

(4%) Kiểm tra các chỉ tiêu khác ứng với độ rỗng 4%, so sánh các chỉ tiêu được xác định vớiphạm vi yêu cầu Nếu đảm bảo, hàm lượng nhựa tối ưu là hàm lượng cho độ rỗng dư bằng4% Nếu có chỉ tiêu nào đó nằm ngoài phạm vi yêu cầu thì hỗn hợp cần phải thiết kế lại

Phương pháp 2: Chọn hàm lượng nhựa cho tỷ trọng hỗn hợp đã đầm nén lớn nhất, độ

ổn định Marshall lớn nhất và độ rỗng dư 4% Lấy số trung bình cộng của các giá trị trên Sosánh giá trị xác định được với các phạm vi yêu cầu của các chỉ tiêu còn lại Nếu đảm bảo,giá trị trung bình xác định được đó sẽ là hàm lượng nhựa tối ưu lựa chọn

b Ưu nhược điểm của phương pháp:

* Ưu điểm:

- Phương pháp đã chú ý đến các đặc tính độ chặt và độ rỗng của hỗn hợp BTN Cácphân tích này đảm bảo cho các thành phần thể tích của các vật liệu trong hỗn hợp đạt tớimột độ bền của hỗn hợp BTN nóng

- Phương pháp thí nghiệm đơn giản, không đòi hỏi nhiều thí nghiệm

- Các yêu cầu về thiết bị thí nghiệm đơn giản và gọn nhẹ, do đó giá thành các trangthiết bị thí nghiệm khá hợp lý và rất cơ động, phù hợp với các phòng thí nghiệm hiệntrường

* Nhược điểm:

- Quá trình đầm nén mẫu không mô phỏng hết được quá trình ltruwowngfthuwcj tếngoài hiện trường Vì vậy độ ổn định Marrshall không thể hiện đầy đủ cường độ chịu cắtcủa hỗn hợp BTN và nó khó đảm bảo được khả năng chống lại vệt hằn bánh cho mặt đườngBTN

- Trong phương pháp Marshall, các khả năng làm việc của mặt đường BTN chưađược xem xét chặt chẽ, do đó mặt đường BTN được thiết kế theo phương pháp này chưakhắc phục được 3 hư hỏng chính: biến dạng vĩnh cữu, nứt do mỏi và nứt ở nhiệt độ thấp

* Phương phápSuperpave:

Hệ thống thiết kế hỗn hợp BTN theo Superpave bao gồm 3 mức độ thiết kế riêng biệttương ứng với lượng giao thông thiết kế (tải trọng trục đơn tương đương 80kN- ESALstrong toàn bộ tuổi thọ phục vụ của mặt đường) như được quy định theo bảng sau:

Lượng giao thông thiết kế ứng với các mức thiết kế:

Mức thiết kế Lượng giao thông thiết kế (ESAL)

+ Thiết kế hỗn hợp BTN theo mức thiết kế 1: Gồm các nội dung chủ yếu sau:

(1) Lựa chọn các vật liệu để thiết kế hỗn hợp BTN

(2) Lựa chọn 1 cấp phối để thiết kế

(3) Chế bị mẫu thí nghiệm và đầm nén mẫu trong phòng

(4) Phân tích số liệu và đưa ra các kết quả

(5) Lựa chọn 1 hàm lượng nhựa thiết kế

+ Thiết kế hỗn hợp BTN theo mức thiết kế 2: Gồm các nội dung chủ yếu sau:

(1) Thực hiện các bước thiết kế đặc tính thể tích của hỗn hợp BTN theo mức TK 1.(2) Lựa chọn 3 hàm lượng nhựa bao gồm cả hàm lượng nhựa theo TK ở mức 1.(3) Đánh giá các kiểu hư hỏng của mặt đường theo quy định kỹ thuật

(4) Xác định các dữ liệu của nhiệt độ mặt đường trong vùng lập dự án

(5) Tiến hành các thí nghiệm về khả năng làm việc của mặt đường

(6) Tính toán các nhiệt độ ảnh hưởng tới điều kiện làm việc của mặt đường

(7) Đánh giá các số liệu thí nghiệm để tính toán các tính chất của vật liệu

(8) Đánh giá các dự báo theo mức độ giao thông

(9) Đánh giá các thông số về kết cấu mặt đường.

(10) Dự báo các khả năng làm việc của mặt đường

+ Thiết kế hỗn hợp BTN theo mức thiết kế 3:

Được thực hiện giống như mức 2, ngoại trừ quá trình thiết kế đó là 1 quá trình phântích hoàn thiện khả năng làm việc của hỗn hợp BTN và các cách thức sử dụng để dự báo nứtmỏi và biến dạng vĩnh cửu được thực hiện 1 cách hoàn thiện hơn so với mức 2

Hệ thống thiết kế hỗn hợp BTN theo Superpave đưa ra khả năng linh hoạt đối vớimột, hai hoặc 3 kiểu hư hỏng mặt đường Ví dụ như tại một vùng nào đó có khí hậu nóng,

có thể chỉ thiết kế tập trung vào biến dạng vĩnh cửu hoặc cả biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi.Còn đối với vùng khí hậu lạnh, có thể thiết kế tập trung vào những hư hỏng do nhiệt độ thấp

mà không quan tâm tới các hư hỏng khác Trong 1 vùng khí hậu nào đó bao gồm cả khí hậulạnh và nóng, vùng dự án có thể được chọn sử dụng mức thiết kế 3 cho phân tích biến dạngvĩnh cửu còn hư hỏng do nứt mỏi và nứt do nhiệt độ thấp được chọn ở mức thiết kế 2

Ưu nhược điểm của phương pháp:

* Ưu điểm:

- Đã đưa ra một hệ thống thiết kế BTN phản ánh được sư tác động của tải trọng vàmôi trường tới điều kiện làm việc của mặt đường trong kết cấu

- Có khả năng linh hoạt trong thiết kế hỗn hợp BTN cho các vùng khí hậu khác nhau

- Đã xem xét đến điều kiện làm việc của mặt đường (thông qua lượng giao thôngESAL) để quy định giá trị các chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu

- Hệ thống thiết bị thí nghiệm hiện đại nên cho số liệu, kết quả thí nghiệm có độchính xác cao, dể đạt được độ tin cậy

- Việc quy định: độ rỗng dư thiết kế là 4%; đầm nén mẫu với 3 mức tương ứng với sốlượng vòng xoay quy định; độ chặt của mẫu BTN ứng với số vòng xoay là cơ sở tạo nênmột hỗn hợp BTN có đặc tính làm việc cao

- Phương pháp thiết kế này có thể được sử dụng để thiết kế hỗn hợp BTN cho quátrình xây dựng mới lớp mặt, lớp dưới và các lớp móng cững như khi làm lớp phủ tăngcường

- Cần phải thu thập rất nhiều dữ liệu quan trắc về nhiệt độ, môi trường, tải trọng

- Cần phải chuyển đổi hệ thống thí nghiệm và tiêu chuẩn nhựa đường theoSuperpave

Câu 6

Phân tích mối quan hệ giữa thành phần khoáng vật học, thành phần hóa học và các tính lý học của cốt liệu với vấn đề độ bền khai thác của mặt đường BTN.

Trả lời:

Cốt liệu trong 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)

1/ Các tính chất khoáng vật học và hóa học của cốt liệu:

Lựa chọn loại cốt liệu với tính chất khoáng vật học và hóa học cho hỗn hợp BTNđóng vai trò quan trọng trong đặc tính sử dụng và độ bền khai thác của mặt đường BTN.Các tính chất cơ lý cơ bản như dung trọng, độ rỗng, cường độ và tính chất hóa học/hóa – lý

học như khả năng hút ẩm, tính dính bám với nhựa đường là những hàm số phụ thuộc vàocác tính chất khoáng vật học và hóa học của cốt liệu.

* Tính chất khoáng vật học của cốt liệu:

Các khoáng vật thông thường có trong thành phần của cốt liệu là khoáng vật silíc,khoáng chất fen fat, sắt từ, cacbonnát và các khoáng vật sét Tuỳ thuộc mỗi loại cốt liệu, cácthành phần khoáng vật này có thể khác nhau Các tính chất của cốt liệu như cường độ, độbền, độ ổn định với các hoá chất, đặc tính bề mặt và hàm lượng các chất có hại … cũng phụthuộc vào các thành phần khoáng vật này Tuy nhiên, cho dù cốt liệu được hình thành từ cácloại thành phần khoáng vật nhưng tính chất của cốt liệu có thể bị thay đổi do quá trình ôxyhoá, thủy hoá, phong hóa… nên chỉ thành phần khoáng vật không thể quyết định được hoàntoàn tính chất của cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp BTN

- Độ cứng (đặc tính mài mòn của cốt liệu) ảnh hưởng đến lực chống trượt của BTNlàm mặt đường

- Một yếu tố quan trọng đối với cốt liệu ảnh hưởng đến đặc tính khai thác của BTNmặt đường có liên quan đến thành phần khoáng vật của cốt liệu đó là thành phần khoáng vậtcủa lớp bao quanh cốt liệu và các chất có hại trong cốt liệu Các chất này bao gồm: sét, sétphiến, bụi thạch cao, chất hòa tan trong nước … làm ảnh hưởng đến khả năng dính bámgiữa cốt liệu và nhựa đường

* Các tính chất hóa học của cốt liệu:

Tính chất hóa học của cốt liệu phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó Tính chấthóa học của cốt liệu không ảnh hưởng quá lớn đến đặc tính khai thác của mặt đường BTN,ngoại trừ việc ảnh hưởng đến khả năng dính bám giữa cốt liệu với nhựa đường, mà có liênquan đến loại hình hư hỏng bong tróc của mặt đường

Nhựa đường khi được trộn với cốt liệu tạo hỗn hợp BTN cần phải theo quá trình: làm

ẩm bề mặt cốt liệu, tạo màng nhựa đều đặc dính bám vào bề mặt cốt liệu và giữ được cơ chếdính bám đó khi có tác dụng của nước Như vậy, đặc tính hoá học của bề mặt cốt liệu đóngvai trò quan trọng trong cơ chế dính bám này

Có 2 loại cốt liệu cơ bản khác nhau về đặc tính hóa học:

- Cốt liệu ưa nước, loại này 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 bong tách khichịu tác dụng của nước Chúng được gọi là cốt liệu thích nước và có xu hướng hóa học làgốc a xít Chúng là các loại đá cát kết, thạch anh và sỏi silíc

- Loại cốt liệu có khả năng hấp thụ nhựa đường tốt hơn nước, gọi là cốt liệu ghétnước, thường có xu hướng hóa học là gốc ba zơ Đó là các loại cốt liệu từ đá vôi hoặc cóchứa đá vôi

- Ngoài ra có nhiều loại cốt liệu mà bề mặt của nó bao gồm cả khoáng vật si líc và cảkhoáng vật ba zơ Các loại cốt liệu dạng này điển hình gồm: đá tráp, đá bazan, đá Pocfia, đávôi silíc

2/ Các tính chất vật lý của cốt liệu:

Cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp BTN được phân loại theo kích cỡ là cốt liệu hạt thô

và cốt liệu hạt mịn bao gồm cả bột khoáng Theo tiêu chuẩn ASTM, cốt liệu hạt thô là cốtliệu sót trên sàng số 4 (4,75mm), cốt liệu mịn là cốt liệu lọt qua sàng số 4 và bột khoáng lọtqua sàng số 200 (75m) Viện Asphalt có ranh giới phân loại khác giữa cốt liệu hạt thô vàhạt mịn là sàng số 8 (2,36mm), giống như phân loại theo sàng vuông ở Việt Nam

Cốt liệu sử dụng cho hỗn hợp BTN mặt đường cần phải cứng, bền chắc và được phốihợp theo thành phần cỡ hạt hợp lý, chúng phải bao gồm các hạt hình khối với độ xốp rỗngnhỏ, sạch, bề mặt thô nhám và ghét nước Chất lượng của cốt liệu được đánh giá qua 1 sốchỉ tiêu sau:

* 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 nhiểm ẩm và khô) hoặc do ảnh hưởng của đóng và tan băng và các ảnh hưởngkhác trong quá trình phong hóa

Thí nghiệm độ bền sun fat (tiêu chuẩn ASTM C66 hoặc AASHTO T103) dùng đểđánh giá tính chất này của cốt liệu Cốt liệu được ngâm trong dung dịch sun fat – natri vàsun fat – mazê bảo hòa Trong quá trình ngâm, các tinh thể muối thạch anh thoát ra từ các lỗrỗng của cốt liệu, làm cho các hạt có khả năng bị phân rã 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 cốt liệu:

Hình dạng cốt liệu có góc cạnh để tạo lực ma sát và chèn móc lớn trong khung cốtliệu sẽ tạo được hỗn hợp có độ bền cơ học hơn khi sử dụng các hạt tròn cạnh Các hỗn hợp

sử dụng hạt tròn cạnh có khả năng linh động và dể đầm nén trong thi công, nhưng cũng dểtạo vệt lún bánh xe do độ rỗng còn dư nhỏ và khả năng biến dạng dẻo lớn

Độ thô ráp bề mặt hạt cốt liệu cũng tương tự như hình dạng cốt liệu có ảnh hưởng đến độlinh động khi thi công và cường độ hỗn hợp

TN để đánh giá tính chất này là TN xác định chỉ số hạt cốt liệu (tiêu chuẩn ASTMD3398) TN được tiến hành đơn giản bằng cách đầm cốt liệu trong các cối đầm, thanh đầmtiêu chuẩn phù hợp với mỗi loại cốt liệu, sử dụng công đầm tiêu chuẩn Khối lượng riêngcủa các cốt liệu đã đầm nén và độ rỗng cốt liệu tương úng đã được xác định, chỉ số hạt đượcxác định bằng phương trình:

Ia = 1,25*V10 – 0,25*V50 - 32

- V10 là % độ rỗng cốt liệu đầm nén với 10 lần đầm cho 1 lớp

- V50 là % độ rỗng cốt liệu đầm nén với 50 lần đầm cho 1 lớp

Hình dạng và cấu trúc bề mặt thể hiện qua số mặt vỡ của hạt cốt liệu thể hiện khảnăng chống lại sự xuất hiện vệt lún bánh xe Hình dạng và số mặt vỡ cúa hạt cốt liệu chính

là cơ sở để nghiên cứu cho ổn định của hỗn hợp BTN kể cả cấp phối chặt và cấp phối hở

* Độ sạch và hàm lượng các chất có hại:

Độ sạch và hàm lượng các chất có hại (chủ yếu trên bề mặt của hạt cốt liệu nhưlượng bụi, sét và các chất hữu cơ) và lượng các hạt sét, hạt bở có ảnh hưởng đến cường độchung của hỗn hợp và khả năng dính bám giữa cốt liệu với nhựa đường

Chất lượng này của cốt liệu được đánh giá nhờ 2 TN:

- TN xác định hàm lượng hạt sét và hạt bở (ASTM C142), áp dụng cho cốt liệu hạtthô

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

Các tiêu chuẩn thông thường cho hỗn hợp BTN mặt đường hạn chế hàm lượng sét

và hạt bở trong cốt liệu thô dưới 1% và đương lượng cát cho cốt liệu mịn là 25-35

Câu 7

Trình bày các thí nghiệm cần thiết để thiết kế một loại hỗn hợp BTN nóng làm mặt đường theo phương pháp Marshall.

Trả lời:

Phương pháp Marshall đầu tiên được phát triển năm 1939, do kỹ sư Bruce Marshall

và được cải tiến năm 1943và trở thành một phương pháp rất phổ biến để lựa chọn hàmlượng nhựa tối ưu đối với 1 hỗn hợp cốt liệu cho trước

1/ Nguyên tắc thiết kế:

Tuân thủ theo nguyên tắc sau: hỗn hợp BTN được thiết kế (đưa ra hàm lượng nhựatốt nhất) nhằm tạo nên một mặt đường có đủ cường độ, ổn định trong quá trình khai thác,thoả mãn 2 yêu cầu sau:

- Yếu tố đặc tính thể tích: bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng dư (Va), độ rỗng cốt liệu(VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) của hỗn hợp BTN Các giá trị này nằm trong giới hạnquy định đảm bảo lớp BTN có khả năng chống biến dạng, chống chảy nhựa dưới tác độngcủa tải trọng xe và yếu tố nhiệt độ môi trường, hạn chế sự xâm nhập của nước vào hỗn hợptrong quá trình khai thác

- Yếu tố về đặc tính cơ học: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất lượng cốt liệu vàcác chỉ tiêu liên quan đến cường độ của hỗn hợp BTN sau khi đầm nén (độ ổn định, độ dẻo)nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp BTN có đủ cường độ sau khi xây dựng

Cấp phối hỗn hợp cốt liệu chế tạo BTN: sử dụng cấp phối hỗn hợp cốt liệu liên tục,tuân theo công thức Fuller p=(d/D)n (với n=0,45) Đường bao của hỗn hợp cốt liệu đượckhuyến nghị dùng theo ASTM D3515 và tuỳ theo từng địa phương để hiệu chỉnh cho phùhợp

2/ Trình tự thực hiện:

Thí nghiệm Marshall:

a/ Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm:

Máy nén Marshall điện tử; khuôn mẫu; búa đầm và khung dẫn búa đầm; kích lấymẫu; tủ sấy; máy trộn hoặc bếp đun và các dụng cụ trộn; bình bảo ôn mẫu ở nhiệt độ 600C;cân 5kg độ chính xác 1g và 2kg độ chính xác 0,1g; các dụng cụ phụ trợ: hộp đựng mẫu, cốcđựng bitum, nhiệt kế; găng tay cao su; bút sáp ghi số hiệu mẫu

b/ Chuẩn bị mẫu thí nghiệm:

Số lượng mẫu tối thiểu là 3 mẫu cho mỗi một hàm lượng nhựa (hàm lượng nhựa lựachọn trong phạm vi quy định của quy trình, sai khác nhau 0,5% cho mỗi tổ hợp mẫu, tổngcộng 18 mẫu tất cả

- Cốt liệu được làm sạch, sấy khô ở nhiệt độ 110 ± 50C, khối lượng và thành phần cởhạt theo yêu cầu

- Xác định nhiệt độ trộn và nhiệt độ sấy để độ nhớt của bi tum đặc đạt 280 ± 30 cSt.+ Chuẩn bị hỗn hợp:

- Sàng từng cỡ hạt và cân riêng theo khối lượng tính toán để phối trộn theo cấp phối

đã lựa chọn Tổng khối lượng cốt liệu cho 1 mẫu là 1200g Mỗi hỗn hợp cốt liệu cho mộtmẫu được đưa vào tủ sấy ở nhiệt độ trộn theo như đã xác định

- Cân lượng bitum đủ cho 1 mẫu thí nghiệm vào các cốc, đưa vào tủ sấy ở nhiệt độtrọn