Nghiên cứu các phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp Bê tông nhựa

Những cố gắng nhằm nâng cao chất lợng và tuổi thọ của lớp mặt bê tôngnhựa của kết cấu áo đờng có thể đi theo các hớng cơ bản sau đây: - Nghiên cứu sử dụng các loại bê tông nhựa có cấu tr

chơng 1 - Đặt vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu

1.1 Đặt vấn đề và đặt nhiệm vụ nghiên cứu

Bê tông nhựa là vật liệu chủ yếu để xây dựng đờng ô tô và đợc sử dụng rộngrãi trên thế giới cũng nh ở Việt Nam Mạng lới đờng quốc gia ở Việt Namhiện nay có khoảng trên 80% có lớp mặt có xử lý bằng bitum, trong đó phầnlớn là dùng bê tông nhựa Điều này cũng phù hợp trào lu chung của thế giới,vật liệu gia cố bitum và bê tông nhựa đã và đang là loại vật liệu rất thôngdụng làm lớp mặt của kết cấu áo đờng ôtô Công nghệ thi công lớp mặt đờngbằng bê tông nhựa cũng đã quen thuộc với các nhà thầu Việt Nam

Việc nâng cao chất lợng và tuổi thọ lớp mặt bê tông nhựa ở nớc ta sẽ góp phầnnâng cao chất lợng của cả mạng lới đờng ôtô và có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật tolớn Những cố gắng nhằm nâng cao chất lợng và tuổi thọ của lớp mặt bê tôngnhựa của kết cấu áo đờng có thể đi theo các hớng cơ bản sau đây:

- Nghiên cứu sử dụng các loại bê tông nhựa có cấu trúc khác với các loại bêtông nhựa thông thờng, có cờng độ và tuổi thọ cao, chịu đợc tác dụng củatải trọng nặng, có những đặc tính phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới

- Sử dụng kết cấu áo đờng phù hợp với tải trọng giao thông (tải trọng trục xe

và lu lợng xe) và các điều kiện môi trờng

- Hoàn thiện công nghệ thi công áo đờng và chế tạo hỗn hợp bê tông nhựatheo hớng hiện đại hoá thiết bị và công nghệ: từ thiết kế thành phần hỗnhợp, thí nghiệm đánh giá và kiểm tra chất lợng

- Hoàn thiện phơng pháp và cải tiến tổ chức để công tác duy tu sửa chữa kếtcấu áo đờng đạt hiệu quả ngày càng cao hơn, đặc biệt trong lĩnh vực tái tạo

độ nhám và phòng ngừa h hỏng

Việc xây dựng các lớp kết cấu mặt đờng bê tông nhựa đảm bảo chất lợng cao,kéo dài tuổi thọ, chịu đợc tác động của xe chạy và các yếu tố môi trờng là mộtnhiệm vụ quan trọng của chuyên ngành đờng ô tô trên thế giới cũng nh ở ViệtNam

Để đáp ứng những yêu cầu chất lợng nêu trên, lớp bê tông nhựa đợc thiết kế,xây dựng phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Chống nứt gãy do nhiệt độ thấp

- Dễ thi công với các thiết bị hiện có

- Bền lâu và chống mài mòn do tác động của các phơng tiện giao thông, điềukiện khí hậu môi trờng cũng nh của con ngời

- Đóng góp vào cờng độ chung của kết cấu áo đờng

- Dễ duy tu bảo dỡng và quan trọng nhất là phải hiệu quả về mặt kinh tế

- Bảo đảm độ nhám bề mặt trong mọi điều kiện thời tiết

- Có hệ số sức cản lăn trong phạm vi chấp nhận đợc

- Hạn chế độ ồn trong phạm vi cho phép

Để đáp ứng đợc các yêu cầu trên, cần phải thực hiện đồng bộ ở tất cả các khâu(nh thiết kế, thi công, giám sát, duy tu bảo dỡng, …), trong đó quan trọng nhất), trong đó quan trọng nhất

là phải lựa chọn đợc phơng pháp thiết kế và các phơng pháp thí nghiệm xác

định các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa đáng tin cậy, phản ánh gần đúngnhất bản chất, điều kiện làm việc thực tế của bê tông nhựa

Trên thế giới đã và đang sử dụng nhiều phơng pháp thiết kế, nhiều phơng phápthí nghiệm hiện đại để đánh giá các chỉ tiêu cơ học của bê tông nhựa phản ánhgần đúng điều kiện làm việc thực tế của mặt đờng bê tông nhựa; trong khi đóViệt Nam hiện vẫn đang sử dụng một số phơng pháp truyền thống đơn giản đểthiết kế, kiểm tra, đánh giá chất lợng bê tông nhựa.

Hiện nay, trên thế giới có các phơng pháp chính thiết kế thành phần hỗn hợp

bê tông nhựa nóng (Hot Mix Asphalt-HMA) nh sau:

- Phơng pháp cờng độ của Liên Xô (cũ)

sử dụng nó bộc lộ nhiều nhợc điểm và đến đầu những năm 1990 một số nớc

nh Mỹ, Anh, Đức, bắt đầu nghiên cứu sử dụng các phơng pháp khác màSuperPave là phơng pháp đợc lựa chọn nhiều nhất ở những nớc phát triển này.Những nghiên cứu mới gần đây ở Việt Nam cũng chỉ ra những tồn tại của ph-

ơng pháp Marshall và kiến nghị sử dụng phơng pháp thiết kế mới áp dụng đợctrong những điều kiện thực tế Việt Nam Do vậy, cần thiết phải có một nghiêncứu đầy đủ và toàn diện về các phơng pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bêtông nhựa, trên cơ sở đó đa ra định hớng sử dụng ở Việt Nam

Nh vậy đề tài : “Nghiên cứu các phơng pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê

tông nhựa và đề xuất khả năng áp dụng trong điều kiện thực tế Việt Nam hiện nay” là cần thiết và có tính thời sự.

1.2 Phơng hớng giải quyết đề tài

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về các phơng pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tôngnhựa, phân tích các u, nhợc điểm của từng phơng pháp và đề xuất khả năng ápdụng trong điều kiện thực tế Việt Nam hiện nay

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về các loại bê tông nhựa, phân tích u nhợc điểmcủa các loại BTN

- Nghiên cứu các phơng pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa

đợc sử dụng phổ biến hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam Trong đó đisâu nghiên cứu về phơng pháp hiện hành – Marshall và phơng pháptiên tiến SuperPave

- Nghiên cứu thực trạng sử dụng bê tông nhựa làm đờng ô tô và công tácthiết kế thành phần hiện nay ở Việt Nam

pháp thiết kế thành phần đồng thời nêu đợc các khó khăn và giải phápthực tế khi áp dụng

1.2.3 Phơng pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu về lý thuyết bê tông nhựa, thành phần và phơng pháp thiết

- Bớc đầu tiến hành các thí nghiệm trong phòng để đề xuất phơng phápthiết kế thành phần BTN áp dụng.

- Đánh giá, kết luận

1.2.4 ý nghĩa khoa học của đề tài

- Về lý thuyết : Đề tài là một nghiên cứu tổng hợp: Nêu đợc tổng quancác loại BTN, thành phần, tính chất của BTN, phân tích, đánh giá cácphơng pháp thiết kế thành phần của bê tông nhựa hiện đang đợc sửdụng ở Việt Nam và trên thế giới và những định hớng áp dụng ở ViệtNam hiện nay

- Về thực nghiệm: Bớc đầu dựa trên các kết quả thí nghiệm để phân tích

đánh giá u nhợc điểm của các phơng pháp thiết kế thành phần BTN vànhững kiến nghị cho việc áp dụng

1.3 Nội dung đề tài :

Đề tài đợc thực hiện tại Trờng Đại học GTVT , phần thí nghiệm đợc thực hiệntại phòng thí nghiệm Công ty cổ phần t vấn Thăng Long Nội dung của đề tàibao gồm 5 chơng, 132 trang

Chơng 1: Đặt vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu

Chơng 2: Tổng quan về bê tông nhựa làm đờng ô tô

-Nhựa đờng: Là chất liên kết, kết dính các hạt cốt liệu khoáng lại với nhauthành một khối và góp phần lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu

2.1.2 Ưu, nhợc điểm chủ yếu của bê tông nhựa

a) Những u điểm chủ yếu của bê tông nhựa

Bê tông nhựa đợc sử dụng phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới để xây dựng

đờng ô tô và đờng sân bay là do có những u điểm chủ yếu sau đây:

 Công nghệ chế tạo và thi công đơn giản, thuận lợi cho việc áp dụng cơ giớihoá do đó có tốc độ thi công nhanh, dễ đảm bảo chất lợng cao

 Công tác kiểm tra chất lợng trớc, trong và sau khi thi công dễ thực hiện và

đã đợc chuẩn hoá

 Cho phép khai thác sử dụng ngay sau khi thi công

 Mặt đờng có tính toàn khối, bằng phẳng, êm thuận

 ít bụi, không ồn, ít bị bào mòn

 Có tuổi thọ tơng đối dài

 Dễ dàng bảo dỡng, sửa chữa trong quá trình khai thác

 Cho phép tái phục hồi chất lợng nhờ công nghệ tái sinh mặt đờng sau thờigian khai thác nhất định

b) Những nhợc điểm chủ yếu của bê tông nhựa

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

 ở nhiệt độ thấp, bê tông nhựa thể hiện tính giòn, khả năng chịu kéokém, mặt đờng dễ bị nứt nẻ

 Hiện tợng lão hoá theo thời gian: Do sự bay hơi của các thành phần dầunhẹ, quá trình ô xy hoá và trùng hợp của các hợp chất cao phân tử có trongthành phần nhựa đờng

ướt lớn hay ngập nước

- Cường độ mặt đường bị giảm dần theo thời gian do hiện tượng lóo hoỏ củanhựa

- Cỏc loại xe bỏnh xớch, bỏnh sắt đi lại trờn mặt đường BTN thường hay đểlại những dấu vết làm hư hỏng lớp trờn mặt, nờn thường khụng làm mặt

- Hệ số bỏm sẽ giảm đi khi mặt đường ẩm ướt nờn xe dễ bị trượt Khắc phụcbằng cỏch thảm lờn bề mặt lớp vật liệu tạo nhỏm.

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

và chi chi phớ duy tu, bảo dưỡng và vận tải mà mặt đường BTN đem lại sovới cỏc loại mặt đường khỏc thỡ chưa chắc đõy đó là nhược điểm

c) Những dạng h hỏng chính của mặt đờng bê tông nhựa

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

đờng bê tông nhựa thờng xuất hiện một số dạng h hỏng sau:

d) Phạm vi ỏp dụng: do những ưu, nhược điểm trờn nờn mặt đường bờ tụng

nhựa thường được sử dụng làm lớp mặt của:

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

- Làm mặt sõn bay, quảng trường

- Lớp thảm trờn mặt cầu bờ tụng xi măng

2.1.3 Cấu trúc của bê tông nhựa

Để nghiên cứu các phơng pháp thiết kế thành phần của bê tông nhựa, trớc hếtcần phải nghiên cứu cấu trúc của loại vật liệu này

Về mặt cấu trúc, bê tông nhựa là một vật liệu xây dựng có cấu trúc thuộc loạicuội kết nhân tạo, trong đó các cốt liệu khoáng vật đợc dính kết với nhau nhờchất liên kết asphalt Tuy nhiên cũng còn một vài quan điểm về cấu trúc củahỗn hợp:

-Quan điểm theo mô hình đơn giản xem bê tông nhựa gồm hai pha cơ bản:pha rắn là cốt liệu khoáng vật gồm đá, cát và bột khoáng, còn pha lỏng lànhựa

trúc: một là khung sờn vật liệu khoáng vật gồm đá và cát, hai là chất liênkết asphalt gồm bitum và bột khoáng

-Quan điểm xem bê tông nhựa là một hệ thống gồm ba cấu tử để thuận lợitrong việc nghiên cứu điều chỉnh cấu trúc của bê tông nhựa theo các yêucầu sử dụng

 Một là cấu trúc vi mô (tế vi) gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chấtliên kết asphalt

 Hai là cấu trúc trung gian gồm cát và chất liên kết asphalt tạo thành vữaasphalt

 Ba là cấu trúc vĩ mô gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bêtông nhựa

* Xét cấu trúc tế vi sẽ thấy rõ các quan hệ số lợng, sự bó trí và tơng tácgiữa bi tum và bột khoáng – thành phần phân tán hoạt động nhất của bêtông nhựa Cờng độ của bê tông nhựa biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào hàmlợng bột khoáng, vào tỷ số nhựa bi tum đối với bột khoáng (B/BK) Khi l-ợng nhựa nhiều bột khoáng ít, các hạt bột khoáng bọc màng nhựa dày,không tiếp xúc trực tiếp với nhau, cấu trúc tế vi này ở dạng bazan-cờng độ

sẽ nhỏ, trờng hợp này thể hiện ở khu vực I trên hình 2.1

Hình 2.1 ảnh hởng của tỷ lệ [bitum/bột khoáng] đến cờng độ nén của bê tông nhựa

Khi tăng lợng bột khoáng lên, tỷ lệ bitum trên bột khoáng giảm, đến lúc ợng nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng

l-không đủ để tạo màng bọc khắp các hạt; cấu trúc tế vi sẽ tăng lỗ rỗng, cáchạt không liên kết đợc với nhau, cờng độ sẽ giảm nhanh thể hiện ở khu vựcIII.

* Xét về cấu trúc trung gian của bê tông nhựa thì thấy rằng khi đa cát vàochất liên kết asphalt để tạo thành vữa asphalt thì sẽ làm giảm cờng độ của

hệ thống vì cát đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp Cấu trúc trunggian cũng ảnh hởng khá lớn đến cờng độ, độ biến dạng, độ chặt và các tínhchất khác của bê tông nhựa

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

để làm thành cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa Cấu trúc này đợc xác địnhbằng quan hệ số lợng, vị trí tơng hỗ, độ lớn của đá dăm Đá dăm đợc liênkết với nhau tạo thành một khối sờn không gian trong vữa asphalt Đồngthời cấu trúc này cũng đợc xác định bằng tính chất của các quá trình tơngtác ở mặt phân giới bitum-đá

Vai trò cấu trúc hóa của đá dăm cũng nh của cát, khác nhiều so với bộtkhoáng Vai trò chính của đá dăm là làm thành một sờn không gian đảmbảo cờng độ cho bê tông nhựa Với lợng đá dăm quá ít, chúng chỉ nh cáchạt trơ bơi trong vữa asphalt, các hạt đá dăm nằm cách xa nhau bởi các lớpvữa asphalt dày Ngời ta thấy rằng nếu hàm lợng đá chỉ độ 10-20% thì cònlàm cho cờng độ của lớp bê tông nhựa giảm đi so với vữa asphalt vì số đá

đó đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp Cũng thấy rằng, trong trờnghợp này, kích cỡ, tính chất bề mặt của đá dăm, hình dạng của chúng chẳng

có ảnh hởng gì lớn đến tính chất của bê tông nhựa

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

đá qua một màng mỏng bitum có định hớng Khi đá dăm tăng lên đến 65% thì trong hỗn hợp bê tông nhựa sẽ lập thành một sờn không gian, cáchạt đá dăm sẽ tiếp xúc với nhau trực tiếp qua một màng bitum rất mỏng cótính rắn, giữa các hạt đá dăm này sẽ đợc vữa asphalt lấp đầy, đó là cấu trúc

60-dạng rỗng của bê tông nhựa Nếu ta thêm đá dăm vào nữa thì sẽ thành cấu

trúc tiếp xúc, độ rỗng tăng lên nhiều, lớn hơn thể tích vữa asphalt, làm cho

bê tông nhựa giảm cờng độ (hình 2.2)

Hình 2.2 ảnh hởng của hàm lợng đá dăm đến cờng độ nén của bê tông nhựa

Cấu trúc của ba cấu tử đó có tơng quan với nhau chặt trẽ khi thiết kế mộthỗn hợp bê tông nhựa nhất định

Để đạt chất lợng đã định trớc cho một dạng bê tông nhựa, cần phải phốihợp cho đạt đợc một tơng quan hợp lý về măt số lợng giữa cấu trúc vĩ mô,trung gian va tế vi và giữ tơng quan đó trong suốt quá trình chế tạo bê tôngnhựa.

Có nghĩa là với mỗi cấu trúc vĩ mô đã chọn chỉ tơng ứng với một số cấutrúc tế vi nhất định nào đó để có các chỉ tiêu cơ lý cao

Hình 2.3 là mô hình tơng quan phối hợp giữa các cấu trúc vi mô, trunggian và tế vi của bê tông nhựa

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

bê tông nhựa

Theo mô hình tơng quan này, tỷ số giữa lợng bitum trên lợng bột khoáng

đối với mỗi dạng cấu trúc của bê tông nhựa (dạng cấu trúc vĩ mô) có thểlấy nh sau:

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

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

- Khi bê tông nhựa có cấu trúc dạng “rỗng” và “rỗng-tiếp xúc” thì[B/BK]=0,9-1,1

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

2.2 Các tính chất cơ bản của bê tông nhựa

Tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào cấu trúc của nó; cấu trúc này phụthuộc vào tính chất và hàm lợng của các thành phần cấu thành, vào sự phân bố

đều đặn các cỡ hạt và nhựa đờng, vào chất lợng kỹ thuật trong quá trình chếtạo hỗn hợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ chặt chặt của bê tông nhựa

Với các tính chất của vật liệu thành phần, đặc biệt là của nhựa đờng, bê tôngnhựa có tính chất phức tạp là đàn-nhớt-dẻo

Khi lực tác dụng nhanh và giá trị ứng suất nhỏ, nhiệt độ hỗn hợp không cao,vật liệu có tính đàn-nhớt là chủ yếu.

Các đặc điểm của tải trọng là độ lớn, thời gian và tần suất tác dụng

Trong số các điều kiện tự nhiên, nhiệt độ là yếu tố quyết định Nhiệt độ thay

đổi làm thay đổi bản chất vật lý của nhựa đờng và vật liệu bê tông nhựa

3 Tính chảy-dẻo

Tính chảy-dẻo của bê tông nhựa đợc thể hiện ở tính lu biến (quá trình biếndạng theo thời gian) Đặc tính biến dạng của bê tông nhựa có quan hệ chặt chẽvới thời gian tác dụng của tải trọng và tốc độ gia tải

Cùng với tính chất lu biến là tính chất phát triển đàn hồi chậm (biến dạng đànhồi không phát sinh liền ngay khi có tác dụng của tải trọng mà có một khoảngthời gian để phát triển)

Với tính lu biến và tính phát triển đàn hồi chậm, thời gian tác dụng của tảitrọng là một nhân tố quan trọng ảnh hởng đến các đặc trng cơ học của vật liệu

bê tông nhựa

2.3 Lý thuyết cơ bản về cờng độ và độ ổn định của bê tông nhựa

Nh đã trình bày ở trên, tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc vào cấutrúc của nó; cấu trúc này phụ thuộc vào tính chất và hàm lợng của các thànhphần cấu thành, vào sự phân bố đều đặn các cỡ hạt và nhựa, vào chất l ợng kỹthuật trong quá trình chế tạo hỗn hợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ chặt củahỗn hợp

Những quy luật và quan hệ về định lợng giữa các cấu trúc và thành phần trong

bê tông nhựa với các tính chất cơ học của nó đã đợc nghiên cứu ở nhiều nớc

1 Theo GS Rwbep L.A thì cờng độ, độ dẻo và một số tính chất khác của hỗnhợp bê tông nhựa phụ thuộc vào các tính chất cơ học của chất liên kết asphalt(nhựa+bột khoáng), vào lực dính bám ở mặt tiếp xúc của các pha và vào độrỗng của hỗn hợp theo quan hệ sau:

* 1 max

lg lg

m x

k R R

p X p

to với nhau.

Lực ma sát này ít thay đổi theo nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng,nhng thay đổi the hàm lợng nhựa trong hỗn hợp

Lực dính C gồm hai thành phần: C1 là do sự móc vớng giữa các hạt, khôngthay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ biến dạng, chỉ giảm một ít khi chịu tácdụng của tải trọng trùng phục; C2 là thành phần lực dính phân tử, do tác dụngdính bám tơng hỗ giữa nhựa và đá và do lực dính kết bên trong của bản thânnhựa Thành phần lực C2 này phụ thuộc nhiều vào yếu tố độ nhớt của nhựabitum , nhiệt độ t, tỷ diện của cốt liệu khoáng vật , ái lực phân tử giữa nhựa

và khoáng vật 1, khả năng trao đổi hóa học 2, mức độ ổn định của các tínhchất liên kết tự nhiên của cốt liệu khoáng vật 3, sự biến đổi độ nhớt ban đầucủa nhựa 4, chiều dày của màng nhựa , tốc độ biến dạng v của hệ thống và

-R1, R2 : cờng độ của hỗn hợp bê tông nhựa tơng ứng với tốc độ biến dạng

v1, v2 với nhiệt độ thí nghiệm t1, t2 (theo độ Kelvin), với chiều dày trungbình của màng nhựa 1, 2

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

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

bê tông nhựa có liên hệ rất chặt trẽ đến thời gian tác dụng của tải trọng, tốc độ

đặt tải trọng; còn trị số ứng suất thì phụ thuộc vào tốc độ biến dạng và trị sốbiến dạng

Khi nghiên cứu tính lu biến của bê tông nhựa có thể xác định các hằng số lubiến sau đây để đặc trng cho các tính chất cơ học và cấu trúc của nó: mô đun

đàn hồi, độ nhớt, giới hạn chảy dẻo, thời gian chậm trễ của biến dạng đàn hồi,thời gian chùng ứng suất Và trên cơ sở các hằng số lu biến ấy có thể xác định

đợc các yêu cầu cụ thể đối với hỗn hợp bê tông nhựa

Bê tông nhựa có quy luật chung về biến dạng phụ thuộc vào trị số của ứng suấtthể hiện trên đờng cong lu biến (hình 2.4) Mỗi đoạn của đờng cong lu biến

đặc trng cho các tính chất lu biến của vật liệu làm việc trong từng giai đoạn,phụ thuộc vào trị số của ứng suất

Góc nghiêng của đoạn thẳng thứ nhất của đờng cong lu biến đặc trng cho độnhớt lớn nhất  của vật liệu khi cấu trúc cha bị phá hoại, tơng ứng với giai

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

0

P d dt







Đoạn cong AB của đờng cong lu biến tơng ứng với giai đoạn mà cấu trúc ban

đầu của vật liệu đã bị phá hoại phần nào, độ nhớt của vật liệu đã giảm đi ítnhiều vì ứng suất đã tăng lên dần dần cho đến gần giá trị Pk và gọi là trị số giớihạn chảy dẻo

Hình 2.4 Đờng cong lu biến

Khi ứng suất vợt quá giới hạn chảy dẻo Pk thì tốc độ biến dạng tăng nhanh vàtrở lại tỷ lệ với sự tăng của ứng suất, mức độ phá hoại cấu trúc của vật liệutăng lên nhiều Giai đoạn làm việc này của vật liệu thể hiện ở đoạn thẳng thứ 2của đờng cong lu biến và tơng ứng với giai đoạn này trị số độ nhớt của vật liệubằng độ nhớt ở giai đoạn chảy dẻo d có thể tính bằng công thức:

k d

Trong đó 0 là tốc độ biến dạng ứng với điểm B trên đờng cong lu biến

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

với ứng suất cắt (P) trong điều kiện chảy ổn định

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

và khi đã ở giới hạn hoàn toàn bị phá hỏng thì độ nhớt đã giảm đến trị số bénhất m Trị số m không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào trị số của ứng suấtnữa Hình 2.5 biểu thị quan hệ giữa trị số độ nhớt của vật liệu và mức dộ pháhoại cấu trúc của vật liệu với ứng suất cắt trong điều kiện chảy ổn định,

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

để xác định các nội lực, ứng suất và biến dạng trong khối vật liệu bê tôngnhựa, ngời ta đã dùng các mô hình lu biến khác nhau tùy theo tính chất và giai

đoạn làm việc của bê tông nhựa

2.4.1 Mô hình Maxvel

Khi làm việc ở nhiệt độ thấp, mặt đờng bê tông nhựa có thể dùng mô hìnhMaxvel thể hiện tính đàn-nhớt của bê tông nhựa:

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

E1 ghép nối tiếp với một vật cản đựng chất lỏng có độ nhớt 1

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

Khi lực tác dụng lò xo phát sinh gây biến dạng đàn hồi và biến dạng nhớt ởvật cản tiếp tục phát triển trong suốt cả thời gian tác dụng của lực Vì thế ởmỗi thời điểm, biến dạng tổng thể ch sẽ là:

ch = 1 + 2

Trong đó:

- 1 : Biến dạng đàn hồi của lò xo

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

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

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

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

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

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

ph-ơng trình sẽ có phph-ơng trình từ biến của vật thể đàn hồi-nhớt (hình 2.8):

t E

2.4.2 Mô hình Kelvin-Foigơtơ

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

nó gồm một lò xo đàn hồi có mô đun E2 (vật thể Hook) ghép song song với vậtcản có chứa chất lỏng độ nhớt là 2 (vật thể Niutơn) (hình 2.9) Trong mô hìnhnày ứng duất tổng cộng  bằng tổng số các ứng suất 1, 2 phát sinh trong lò

xo và trong vật cản, còn trị số biến dạng tơng đối  trong cả hai yếu tố ấy đềubằng nhau

với 0 là biến dạng ban đầu khi t=0

Nếu ứng suất =0=const tác dụng lên vật thể không bị biến dạng ban đầu,nghĩa là  =0 thì từ phơng trình sẽ tìm đợc quy luật phát triển của biến dạng

1

2

1 t ch tr e E

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

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

hồi-chậm theo thời gian theo mô hình

Kelvin-Foigơtơ

Thực tế sử dụng mặt đờng bằng hỗn hợp bê tông nhựa cho thấy tính chất biếndạng của nó còn phức tạp hơn nhiều; nó bao gồm cả biến dạng đàn hồi, biếndạng nhớt, biến dạng đàn hồi chậm, biến dạng dẻo tùy theo điều kiện thời tiết,nhất là nhiệt độ và loại bê tông nhựa

2.4.3 Mô hình Burger

Mô hình Burger bao gồm mô hình Maxvel ghép nối tiếp với mô hình Kelvin(hình 2.11) Biến dạng tổng thể của vật thể Burger bằng tổng cộng biến dạngcủa hệ thống Maxvel và biến dạng của hệ thống Kelvin Nh vậy trong suốt cảthời gian tác dụng lực, tổng số biến dạng  bao

- t : thời gian tác dụng của lực

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

Kelvin

Quan hệ của biến dạng theo thời gian trong

mô hình Burger (hình 2.12) cho thấy rằng sau

khi bắt đầu biến dạng ở thời điểm t1 thì biến

dạng đàn hồi thực tế đạt đợc ngay giá trị

AB=/E1 Tiếp theo biến dạng nhớt của vật cản có độ nhớt 1 sẽ phát triển dầntheo thời gian đồng thời lúc ấy biến dạng đàn hồi của lò xo có mô đun E2 cũngbắt đầu phát triển, nhng biến dạng đàn hồi này bị vật cản có độ nhớt 2 làmchậm lại.

Đến thời điểm ứng với điểm C thì biến dạng đàn hồi của lò xo E2 đã phát triểnxong Tiếp theo là biến dạng nhớt phát triển, biểu diễn bằng đoạn thẳng CDcho đến khi bắt đầu dỡ tải (ở điểm D) Kéo dài đoạn DC và gặp AB kéo dài tại

L Đoạn BL biểu thị giá trị của biến dạng đàn hồi-chậm trong hệ thống KelvinBL=/E2, còn đoạn CC’ là bằng giá trị của biến dạng nhớt (của vật cản có độnhớt 1) cho đến lúc biến dạng đàn hồi chậm của hệ thống Kelvin đã pháttriển xong

Điểm K ứng với thời điểm mẫu ngừng phục hồi biến dạng, tung độ của điểm

K biểu thị tổng giá trị của biến dạng nhớt, và do đó tung độ của điểm K sẽbằng đoạn DM

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

2.4 Phân loại bê tông nhựa trong xây dựng đờng

Mỗi nớc có sự phân loại bê tông nhựa của mình, tuy có sự khác nhau về hìnhthức phân loại nhng nói chung cũng giống nhau ở những nội dung chính trongquan điểm phân loại đó là: cách phối hợp vật liệu, cách chế tạo và thi công,phạm vi áp dụng,

2.4.1 Phân loại bê tông nhựa ở Việt Nam

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

1 Theo nhiệt độ khi rải:

+ Bê tông nhựa rải nóng: được chế tạo ở 140 - 1700C, nhiệt độ lúc rải khôngđược dưới 100 - 1200C Thường dùng nhựa đặc chế tạo từ dầu mỏ có độ kimlún 40/60, 60/90 hoặc 90/130 để chế tạo loại này Cường độ của BTN rảinóng hình thành rất nhanh Sau khi lu lèn xong, mặt đường nguội xuống bằngnhiệt độ không khí là xem như cơ bản đã hình thành

+ Bê tông nhựa rải ấm: được chế tạo ở nhiệt độ 110 - 1300C, nhiệt độ lúc rảikhông dưới 60 - 800C Thường dùng nhựa đặc chế tạo từ dầu mỏ có độ kimlún 200/300, 130/200 hoặc nhựa lỏng có tốc độ đông đặc trung bình với độnhớt C605 là 130/200 Tốc độ hình thành cường độ của BTN ấm có thể thayđổi từ vài giờ đến 15-20 ngày đêm, tuỳ thuộc vào loại nhựa và bột khoáng sửdụng, vào điều kiện thời tiết, nhiệt độ hỗn hợp lúc rải và thành phần, mật độ

xe chạy trên đường Tuy nhiên BTN rải ấm có ưu điểm là có thể thi côngtrong lúc thời tiết lạnh, cự ly chuyên chở xa hơn BTN rải nóng

+ Bê tông nhựa rải nguội: chế tạo ở nhiệt độ 110 - 1200C Thường dùng nhựalỏng có tốc độ tốc độ đông đặc trung bình với độ nhớt C605 là 70/130 haynhựa đặc pha dầu Nhiệt độ lức rải của loại này bằng nhiệt độ không khí,khoảng 250C Có thể cất giữ BTN nguội ở kho bãi từ 4 - 8 tháng Thời gianhình thành cường độ của mặt đường BTN rải nguội rất chậm, có thể từ 20 - 40ngày đêm tuỳ thuộc vào loại nhựa và bột khoáng sử dụng, vào điều kiện thờitiết và thành phần, mật độ xe chạy trên đường

* Do sử dụng nhựa đặc, có độ kim lún thấp nên độ dính bám của nhựa với đálớn Do vậy BTN rải nóng có cường độ cao nhất, tiếp đến là BTN rải ấm vàcuối cùng là BTN rải nguội BTN rải nóng được sử dụng làm lớp mặt trên haydưới của mặt đường cấp cao

BTN rải nguội, ấm chỉ được sử dụng làm lớp dưới trong tầng mặt của các loạimặt đường cấp cao hay làm lớp mặt trên trong của mặt đường đường cấp thấphơn BTN nguội thường hay sử dụng hơn cả trong việc duy tu, sửa chữa mặtđường nhựa

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

+ BTN chặt: có độ rỗng còn dư từ 3 - 6% thể tích Trong thành phần bắt buộcphải có bột khoáng

+ BTN rỗng: có độ rỗng còn dư từ >6% đến 10% thể tích Trong thành phầncủa hỗn hợp thường không có bột khoáng hoặc bột khoáng chỉ chiếm dưới4% Loại BTN rỗng chỉ dùng cho lớp dưới của mặt đường BTN hai lớp hoặclàm lớp móng

3 Theo hàm lượng đá dăm: đá dăm là những viên đá có d > 5 mm

* Theo qui trình 22 TCN 22-90: BTN được phân ra các loại:

+ Bê tông nhựa nhiều đá dăm (ký hiệu BTN loại A): khi hàm lượng đá dămchiếm từ 50-65% khối lượng đá dăm.

+ Bê tông nhựa vừa đá dăm (ký hiệu B): khi hàm lượng đá dăm chiếm từ 35 50% khối lượng

+ Bê tông nhựa ít đá dăm (ký hiệu C): khi hàm lượng đá dăm chiếm từ 20 35% khối lượng

-+ Bê tông nhựa cát xay (ký hiệu D): khi cỡ hạt 1.25 - 5 mm chiếm không dưới33% khối lượng

+ Bê tông nhựa cát thiên nhiên: khi cỡ hạt 1.25 - 5 mm chiếm không dưới14% khối lượng

ở vùng khí hậu nóng, ít mưa và khi có nhiều xe nặng chạy nên dùng BTNnhiều đá dăm Trái lại, ở vùng nhiều mưa nên dùng loại ít đá dăm

* Theo qui trình 22 TCN 249-98: tất cả các loại BTN được dùng đều là loại nhiều đá dăm nên không phân loại theo tiêu chuẩn hàm này.

4 Theo chất lượng của vật liệu khoáng chất và các chỉ tiêu cơ lý của BTN:

* Theo qui trình 22 TCN 22-90: BTN được phân ra 4 loại:

+ BTN loại I

+ BTN loại II

+ BTN loại III

+ BTN loại IV

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

60 trở xuống hay làm móng đường cấp cao hơn

* Theo qui trình 22 TCN 249-98: Chỉ phân làm hai loại

+ BTN loại I

+ BTN loại II

Trong đó BTN loại II chỉ được sử dụng làm lớp mặt cho đường cấp 60 trởxuống hay làm móng đường cấp cao hơn

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

tròn tiêu chuẩn mà cỡ sàng nhỏ hơn ngay sát dưới nó có lượng sót tích luỹ lớnhơn 5%), BTN phân làm 4 loại:

+ BTN hạt lớn: cỡ hạt lớn nhất danh định 40 mm hoặc 31.5 mm

+ BTN hạt trung: cỡ hạt lớn nhất danh định 25 mm hoặc 20 mm

+ BTN hạt mịn: cỡ hạt lớn nhất danh định 15 mm hoặc 10 mm

Theo thứ tự trên xuống, thì BTN hạt thô có cường độ lớn nhất, tiếp đến làBTN hạt trung, cuối cùng là BTN hạt mịn Bởi vì khi cấp phối có cốt liệu chủyếu to thì hệ số ma sát sẽ tăng lên, do vậy mô đuyn đàn hồi càng cao.

BTN hạt thô thường là BTN rỗng, không có hoặc có rất ít bột khoáng, dùng ítnhựa nên giá thành hạ và bề mặt có đủ độ gồ ghề để dính bám với lớp rải trên

nó Còn BTN hạt mịn là loại BTN chặt nên có bề mặt kín, chặt chẽ nhất,chống hao mòn tốt hơn hai loại hạt thô và hạt trung Do vậy thường dùngBTN mịn làm lớp mặt trên cùng, BTN thô dùng làm lớp dưới trong mặtđường BTN hai lớp gồm BTN hạt thô và BTN hạt mịn

BTN hạt trung có thể là loại BTN chặt hay BTN rỗng Nó có tính chất trunggian giữa hai loại trên nên có thể làm lớp mặt trên hay lớp dưới của lớp BTNmịn

6 Theo biện pháp thi công: 2 loại

+ Bê tông nhựa không cấn lu lèn: bê tông nhựa đúc (gussasphalt, masticasphalt) đây là loại vật liệu đang được nghiên cứu áp dụng ở nước ta, nó có

ưu điểm là có cường độ cao, không cần phải lu lèn, nhưng có nhược điểm làgiá thành đắt và công nghệ chế tạo, thi công còn mới mẻ Loại vật liệu này rấtphổ biến ở Đức, Pháp, Anh, Hà Lan, Đài Loan,

+ Bê tông nhựa thông thường cần phải lu lèn chặt: là các loại bê tông nhựacần lu lèn (Hot mix asphalt)

+ Bê tông nhựa cho mặt đường ít xe chạy: Thường dùng cho những đường cólượng giao thông <300xe/nđ.làn với đặc điểm chính là chất lượng cốt liệu yêucầu thấp hơn một cấp, thường sử dụng cấp phối nhiều cát

+ Bê tông nhựa sân bay: Yêu cầu chủ yếu là tính không thấm nước, lâu bị hoágià và ổn định dưới tác dụng của tải trọng lớn

+ Bê tông nhựa cải tiến: Thường cho thêm các phụ gia với tỷ lệ thấp vào hỗnhợp bê tông nhựa, các phụ gia này tác động với nhựa hoặc với cốt liệu và cảithiện các đặc trưng của nhựa từ đó làm tăng một hoặc nhiều các đặc trưngnhư: cường độ mỏi, cường độ kháng cắt, cường độ từ biến, làm tăng tuổi thọcủa BTN (Polime, EVA, SBS, cao su, latex, lưu huỳnh )

+ Bê tông nhựa thoát nước: Lớp thảm thoát nước thường dày khoảng 4cm, có

độ rỗng sau khi lu lèn lớn, có thể đến 20% cho phép thoát nước thẳng đứng và

nằm ngang Thường dựng hỗn hợp BTN cú cấp phối giỏn đoạn dựng ớt cỏt đểtạo ra cỏc lỗ rỗng thoỏt nước.

2.4.2 Phân loại bê tông nhựa của Mỹ

Bê tông nhựa của Mỹ, theo định nghĩa của AI, là một hỗn hợp vật liệu đá, cát,bột khoáng có chất lợng cao, phối hợp theo một cấp phối tốt nhất, trộn nóngvới nhựa theo một chế độ quy định chặt chẽ, đem ra rải thành lớp và đầm nénthành một lớp chặt chẽ đồng nhất (Asphalt concrete A.C)

Hỗn hợp bê tông nhựa dùng ở Mỹ có thành phần cấp phối thay đổi rất rộngtuỳ theo mục đích sử dụng và vị trí của từng lớp trong áo đờng

Viện Asphalt của Mỹ đã phân bê tông nhựa nóng ra các loại, dựa trên hàm ợng đá thô, cỡ hạt mịn và bột khoáng cũng nh hàm lợng nhựa trong hỗn hợp(Bảng 2.1)

l-Nhìn vào bảng phân loại bê tông Asphalt của Mỹ ta thấy hỗn hợp IIIa, IIIb,IIIc, IIId và IIIe giống nh loại hỗn hợp bê tông nhựa nhiều đá dăm (loại A)Hỗn hợp IVb, IVc, IVd thì tơng tự nh loại bê tông nhựa có vừa đá dăm (loại B)

và hỗn hợp Va, Vb giống nh loại bê tông nhựa ít đá dăm (loại C), trong quytrình thi công và nghiệm thu mặt đờng bê tông nhựa của Việt nam ban hànhnăm 1990.Trớc đây, các nớc có xu hớng chung là dùng loại bê tông nhựa chặt,hàm lợng đá dăm ít, chỉ vào khoảng 20-25%, nhiều nhất là 50% Về sau, đặt

ra nhiệm vụ cho bê tông nhựa là phải thoả mãn điều kiện tăng độ bám vớibánh xe, ổn định nhiệt, ít lợng nhựa tự do, vì thế cấp phối bê tông nhựa chặtphải có hàm lợng đá dăm cao, thờng là từ 50% đến 60-65%

Bảng 2.1 Các loại hỗn hợp bê tông Asphalt của Mỹ

tỉ lệ nhựa cao và dùng thêm một lợng phụ gia để cải thiện tính chất của lợngnhựa tự do, mặt khác còn làm tăng các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa theo h-

Những loại bê tông nhựa chủ yếu dùng để làm lớp trên và lớp dới của mặt ờng bao gồm:

đ-1 Các lớp mặt đờng chặt, rải nóng:

- Bê tông nhựa chặt, bê tông nhựa nougât : Là loại bê tông nhựa có hàm

l-ợng đá dăm nhỏ, ll-ợng cát lớn, dễ rải, dễ đầm nhng không chịu đợc lu ll-ợng

xe lớn và tải trọng nặng vì để lại những vệt hằn bánh xe

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

trên và mặt dới Lợng hạt nhỏ hơn 0,08mm từ 5-9% cho lớp trên và 4-8%cho lớp dới, chọn chính xác phải dựa vào thí nghiệm Với mỗi hàm lợnghạt nhỏ hơn 0,08mm cần pahir làm thí nghiệm với 4 lợng nhựa khác nhau

để tìm tối u, với chỉ dẫn chung quanh lợng nhựa tham khảo là 6% (cho cỡ0/10) và 5,4% (cho cỡ 0/14) Thông thờng ở Pháp dùng loại vừa đá dăm, vìdùng loại nhiều đá dăm rất khó thi công: chỉ cần có một sự phân tầng nhỏthì đã xuất hiện những vùng có quá nhiều đá dăm làm cho việc đầm chặt

bê tông nhựa rất khó khăn

- Bê tông nhựa 0/10 để ấn đá con lên trên mặt tạo nhám: Là dùng một lớp

bê tông nhựa cỡ hạt 0/10 dày khoảng 5cm rải lên lớp dới hoặc trên mặt ờng cũ, sau đó dùng các viên đá dăm cứng (cờng độ lớn và ít bị bào mòn)

đ-cỡ 10/14 hoặc 12/14 hoặc 14/16 đợc gia công trớc với nhựa, rải một lợt lêntrên và dùng lu ấn xuống Lợng đá con này cần khoảng 6kg cho 1m2 Mặt

sẽ trở lên nhám, có thể không cho nớc tạo thành mảng mỏng làm trơn trợtkhi xe chạy

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

nhám và chống thấm nớc: Thờng dùng loại cỡ 0/6 rải lớp dày 3cm, trên đó

rải đá con cỡ 0/14 gia công trớc với nhựa sẽ có một lớp có độ nhám cao vàkhông thấm nớc

- Bê tông nhựa hạt mịn: Bê tông nhựa cát cỡ 0/4 hay 0/6, dùng cát sông, cát

xay hàm lợng nhựa khoảng 7% loại nhựa đặc 60/70 hoặc 80/100 Thờngdùng cho đờng xe đạp, đờng ít xe trong khu phố với bề dày lớp rải có thểrất mỏng 1,5-2cm, loại này ít nhám và không kín nớc

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

đến 20% và hơn nữa, dùng bitum thông thờng hoặc tốt hơn là dùng loạibitum polyme Lớp bê tông nhựa này dùng cỡ 0/10 hay 0/14 rải dàykhoảng 4cm Nớc ma thoát rất nhanh ở ngay lỗ hổng bên trong của lớpnhất là khi có áp lực của bánh xe chạy qua Tuy nhiên chỉ nên dùng loạinày khi đã có một lớp dới thật kín nớc Lớp này có cờng độ yếu, thờng chỉdùng ở những đoạn khó thoát nớc ở bề mặt đờng, đoạn chuyển tiếp siêucao có độ dốc ngang nhỏ

3 Bê tông nhựa đúc: rải ở nhiệt độ rất cao

4 Bê tông nhựa dạng vữa

5 Bê tông nhựa dùng cho đờng băng sân bay

6 Bê tông nhựa rải nguội

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

polyme, copolyme,

2.4.4 Bê tông nhựa không cần lu lèn: Bê tông nhựa đúc

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

lỗ rỗng, về mặt lịch sử có thể xem BTNĐ có ngay từ đầu khi ngời ta dùng

nhựa để xây dựng đờng, nhng xét về kỹ thuật thì BTNĐ chỉ đợc dùng chonhững mặt đờng cao cấp, loại mặt đờng này vợt qua tất cả những loại mặt đ-ờng khác về mặt tuổi thọ khi chịu lợng giao thông lớn.

Xuất xứ của BTNĐ ngày nay là từ Béc-lin, đợc P Héc-man phát triển đầu tiênvào những năm 1920-1930 Từ cuối năm 1950, ở CHLB Đức ngời ta đã ápdụng BTNĐ vào xây dựng đờng ô tô cao tốc, đờng đô thị và đặc biệt là những

đờng chịu tải trọng nặng

Hiện nay bê tông nhựa đúc đợc nghiên cứu phát triển và sử dụng ở hầu khắpcác nớc tiên tiến nh Anh, Mỹ, Đức, Pháp, Hà Lan, Đài Loan, Thành phần,tính chất, công nghệ chế tạo, công nghệ thi công và tên gọi của BTNĐ cũng

có khác biệt nh : Đức, Đài Loan “Guss asphalt (guasfalt)”; Hà Lan

“Gietasfalt”; Anh “Mastic asphalt”; hoặc “Poured Asphalt”,

Trên cơ sở các nghiên cứu, phát triển của BTNĐ trên thế giới có thể tóm tắtnhững đặc tính, u nhợc điểm và phạm vi áp dụng của loại vật liệu này nh sau:

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

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

lỗ rỗng của bộ khung cốt liệu, nh vậy có thể thi công bằng đúc nóng, khôngcần lu lèn

Đặc điểm đặc biệt của BTNĐ là sử dụng thừa chất liên kết: ở BTNĐ những lỗrỗng còn lại của cốt liệu đá luôn luôn đợc chèn đầy bằng chất liên kết(Overfilled mixes) và ở trạng thái nóng quan sát thấy rất rõ rệt lợng chất liênkết thừa, có nghĩa là tất cả các hạt khoáng chất “bơi chậm chạp” trong chấtliên kết

BTNĐ nóng có tính dẻo hay có sự di động rất cao, nó không cần phải đầm nénsau khi rải nhng cần phải san trên lớp móng để đạt đợc chiều dày mong muốn

và sau khi nguội thì mặt đờng hoàn toàn dùng đợc

Hỗn hợp ít rỗng đợc xem là hệ thống ba pha (vật liệu khoáng, chất liên kết vàkhông khí) mà phần không khí tạo nên do cấu trúc hạt, khi đầm nén thì giảm

đến trị số tối thiểu Ngợc lại với hỗn hợp ít rỗng, BTNĐ chỉ có hệ thống haipha, lập nên từ vật liệu khoáng và chất liên kết, không khí hoàn toàn biến mất(chỉ đôi khi xuất hiện các bọt khí rất nhỏ) Loại vật liệu này đặc biệt thích hợp

để làm lớp chống thấm

BTNĐ mặc dù thừa chất liên kết nhng không gây ra các biến dạng lớn khichịu lực, vì chất liên kết của BTNĐ có chứa rất nhiều các hạt rất nhỏ (bộtkhoáng) có nghĩa là chúng rất ổn định Hỗn hợp vật liệu khoáng để chế tạoBTNĐ theo quy định ít nhất phải chứa 20% bột đá theo trọng lợng (hạt cód<0.09 mm), thông thờng dùng bột đá với tỷ lệ 20-25% trọng lợng (khi hàm l-ợng nhựa trung bình từ 7-7.5% TL thì trong chất liên kết bột đá-nhựa đờng bột

đá chiếm gấp 3 lần) Một chất liên kết có tính dính nh vậy thì một lợng chấtliên kết nhỏ thừa ra cũng hoàn toàn không gây tác hại gì, nhng phải khống chếchất liên kết thừa đến mức nhỏ nhất, nếu không BTNĐ ở mùa nóng nó sẽ trởnên mềm Nhựa để chế tạo bê tông nhựa đúc là loại nhựa đặc, thờng là loại có

độ kim lún từ 25-45

BTNĐ có thể rải thành lớp rất mỏng từ 2-5cm, nhiệt độ hỗn hợp khi chế tạo vàrải >2000C (từ 200-2300C), trộn hỗn hợp trong trạm trộn, rải bằng loại máyrải có bộ phận làm nóng, chạy trên ray Vận chuyển bằng loại ô tô có thùngchứa và thiết bị quấy

trên BTNĐ dính bám với lớp dới tốt hơn so với BTN đầm chặt bằng lu và khảnăng chống nứt cũng cao hơn.

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

áo đờng, lớp phủ sàn công nghiệp, lớp phòng nớc cho hầm,

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

Đặc biệt hay gặp phải hiện tợng thừa chất liên kết trên bề mặt của BTNĐ khirải và trong quá trình BTNĐ nguội đi (bởi vì chất liên kết nhẹ hơn vật liệukhoáng)

Khi rải BTNĐ phải té thêm đá cỡ hạt 2-5mm bởi vì bề mặt đờng đợc tạo nênchủ yếu bằng chất liên kết và bột đá khi ẩm rất dễ gây trợt Vật liệu đá té ra đ-ờng thờng đợc lu bằng lu nhẹ Khi những viên đá nhỏ đợc ấn vào hỗn hợp sẽtạo nên lớp tạo nhám, đặc biệt ở lớp mặt các đờng cao tốc

Vấn đề cần quan tâm của BTNĐ là việc hình thành vệt lợn sóng do khi rải gặpmóng đờng quá ẩm, móng đờng ẩm khi bị BTNĐ phủ lên sẽ xuất hiện các túihơi nớc, các túi này đội lớp BTNĐ lên và gây hiện tợng lợn sóng

2.5 yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa

Về các chỉ tiêu cơ lý quy định cho bê tông nhựa làm đờng thì đợc bổ sung dầndần và điều chỉnh Cho đến nay những yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bêtông nhựa ở Mỹ, Nga, Pháp càng xích lại gần nhau Các nhà khoa học đều cóchung một quan điểm nh sau :

- Bê tông nhựa phải có đủ độ bền (độ ổn định) ở nhiệt độ 50o-60oC hoặcbằng phơng pháp Masshall-Field, Hveem, hoặc bằng phơng pháp nén nở tự

do ở 50oC (ở Nga, ở Pháp, ở Việt nam), vì đó là một chỉ tiêu đặc trng mộtcách gián tiếp sự ổn định (độ bền) chống cắt của bê tông nhạ, khi ở nhiệt

độ cao

- Bê tông nhựa phải đủ cờng độ nén ở nhiệt độ bình thờng (ở Mỹ là 25oC, ởPháp là 18oC, ở Nga và Việt nam là 20oC) nó biểu thị khả năng làm việctrong đa số thời gian chịu đựng tải trọng xe của mặt đờng

- Bê tông nhựa phải có một độ rỗng còn đủ tối thiểu và không quá một độrỗng còn đủ tối đa (ở tất cả các nớc đều quy định, và các trị số đều xấp xỉ

nh nhau) Độ rỗng còn đủ của bê tông nhựa đặc trng cho độ chặt cuối cùngcủa bê tông nhựa, nó là dấu hiệu chứng tỏ việc chọn lựa cấp phối vật liệukhoáng có đúng không, hàm lợng nhựa đã tối u cha, độ lu lèn đã đúng mức

độ cha Độ rỗng còn đủ của bê tông nhựa nóng không thể bằng không đợcvì các nguyên nhân khác nhau : Do độ rỗng của cốt liệu, do thể tích khôngkhí lẫn vào trong hỗn hợp khi trộn và không thể thoát ra hết đợc khi lu

đầm, và do khi hỗn hợp bê tông nhựa nguội lại thì lợng nhựa tự do lấp các

lỗ rỗng của hỗn hợp bị co rút mà để lại các lỗ rỗng Hơn nữa bê tông nhựanóng phải có một tỉ lệ lỗ rỗng nào đó (mịn) để nhựa có thể nở ra mà khôngtrồi lên mặt khi mặt đờng làm việc trong thời tiết nắng nóng

- Độ ngâm nớc của bê tông nhựa ở phơng pháp Hubbard-Field, ở Nga, Việtnam, Pháp đều có quy định, vì rằng qua chỉ tiêu này có thể kiểm tra giántiếp độ rỗng của cốt liệu và hàm lợng nhựa của hỗn hợp bê tông nhựa Nếuthành phần cấp phối hạt đã khống chế (độ rỗng của cốt liệu đã khống chế)trong xí nghiệp sản xuất bê tông nhựa, thì qua chỉ tiêu độ ngâm nớc có thểkiểm tra hàm lợng nhựa đã dùng thực tế là nhiều hay ít

- Độ trơng nở trong phơng pháp Hveem, cũng đợc quy định ở Nga, Việtnam, Pháp dới hình thức thí nghiệm khác Chỉ tiêu này đòi hỏi bê tôngnhựa không những chỉ đợc có một số độ rỗng nhất định, hút một lợng nớckhông quá quy định mà còn đòi hỏi tính hút ẩm (tính nở) của bột khoáng,tính hút nớc của loại nhựa sử dụng phải nằm trong phạm vi cho phép Độtrơng nở càng lớn càng kém ổn định nớc và băng giá.

Sau đây là các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa của một số nớc

2.5.1 ở Việt Nam

Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa đợc thể hiện ở các bảng sau:

Bảng 2.2 Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa chặt (BTNC)

TT Các chỉ tiêu Yêu cầu đối với bê tông nhựa loại Phơng pháp

a) Thí nghiệm theo mẫu nên hình trụ

1 Độ rỗng cốt liệu khoáng chất, % thể tích 15-19 15-21

3 Thơng số Marshall (Marshall Quotient)

Độ ổn định (Stability) kN min 2,0 min 1,8 AASHTO-T245

4 Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu ở

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

lớn hơn

ASTM-D1 559-95

6 Độ rỗng cốt liệu (Voids in mineral

aggregate)

c) Chỉ tiêu khác

TT Các chỉ tiêu Yêu cầu đối với bê tông nhựa loại Phơng pháp

ờng 22TCN 84 Ghi chú: Có thể sử dụng một trong hai phơng pháp thí nghiệm a hoặc b.

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

TT Các chỉ tiêu Trị số quy định Phơng pháp thí nghiệm

1 Độ rỗng của cốt liệu khoáng chất, % thể tích

Bảng 2.4 Yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa Polyme (22TCN356 -06)

- Cỡ hạt danh định lớn nhất 19 mm min 13

7 Độ sâu vệt hằn bánh xe, mm (cha bắt buộc) (1 trong các phơng pháp thử sau)

- Thiết bị APA -Asphalt Pavement

Analizer (8000 chu kỳ, 0,7 Mpa, 60

- Thiết bị FRT- French Rutting

Tester (30000 chu kỳ, 0,7 Mpa, 60

0 C )

max 10

2.5.2 ở Mỹ

Bảng 2.5 Yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa ở Mỹ

Phơng pháp thiết kế hỗn Cờng độ xe lớn Cờng độ xe trung

A/ Masshall

+ Số cú đập vào mỗi đầu

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

khoáng vật, % mà lấy theo đồ thị quy định

Nh vậy, để lớp mặt bê tông nhựa có chất lợng tốt, đủ cờng độ, ổn định, đápứng đợc yêu cầu sử dụng dới tác dụng của tải trọng xe và các điều kiện khíhậu môi trờng, yêu cầu hỗn hợp bê tông nhựa và kết cấu mặt đờng phải đợcthiết kế hợp lý dựa trên các đặc tính cơ học của bê tông nhựa

Hiện có nhiều phơng pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tôngnhựa, trong đó hầu hết các thí nghiệm dựa trên các mô hình cơ học mang tính

lý thuyết, số còn lại có tính chất kinh nghiệm xác định các chỉ tiêu mang tínhmặc định không theo mô hình tính toán lý thuyết nào

Có nhiều cách phân loại các phơng pháp thí nghiệm khác nhau dựa trên nhữngtiêu chí khác nhau, trong đó phải kể đến một số cách phân loại chủ yếu sau:

Theo cách phân loại này, các phơng pháp thí nghiệm đợc phân thành cácnhóm theo mục đích sử dụng:

1 Các phơng pháp thí nghiệm sử dụng trong thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

Mục đích của việc thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa là lựa chọn tỷ lệ phối hợpcác loại cốt liệu và nhựa đờng hợp lý để tạo ra bê tông nhựa có các chỉ tiêu kỹthuật thoả mãn yêu cầu, nhằm tạo nên một kết cấu mặt đờng có đủ cờng độ,

ổn định trong quá trình khai thác

Hỗn hợp bê tông nhựa đợc thiết kế phải thoả mãn 2 yếu tố cơ bản sau:

- Yếu tố về đặc tính thể tích: Bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng d, độ rỗng cốt

liệu, độ rỗng lấp đầy nhựa của hỗn hợp bê tông nhựa Các giá trị này phảinằm trong giới hạn quy định đảm bảo lớp bê tông nhựa có khả năng chốngbiến dạng, chống chảy nhựa dới tác động của tải trọng xe và yếu tố nhiệt

độ môi trờng, hạn chế sự xâm nhập của nớc vào hỗn hợp trong quá trìnhkhai thác

- Yếu tố về đặc tính cơ học : Bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất lợng

cốt liệu và các chỉ tiêu liên quan đến cờng độ của hỗn hợp bê tông nhựasau khi đầm nén nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp bê tông nhựa có đủ cờng

độ sau khi xây dựng

Trên thế giới hiện nay có nhiều phơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa, cóthể kể đến là:

- Phơng pháp cờng độ của Liên Xô (cũ).

a) Theo phơng pháp cờng độ của Liên Xô (cũ)

Theo phơng pháp này, cần phải thực hiện các thí nghiệm sau:

 Thí nghiệm xác định cờng độ chịu nén của mẫu hình trụ ở nhiệt độ 20oC và

50oC

 Thí nghiệm xác định hệ số ổn định nớc

 Thí nghiệm xác định hệ số ổn định nhiệt

Theo quy định, bê tông nhựa phải có cờng độ chịu nén, hệ số ổn định nớc, hệ

số ổn định nhiệt lớn hơn giá trị yêu cầu

b) Theo phơng pháp Hveem

Theo phơng pháp này, cần phải thực hiện các thí nghiệm sau:

 Thí nghiệm xác định độ ổn định Hveem

 Thí nghiệm xác định độ ổn định Marshall còn lại.

 Thí nghiệm xác định độ dẻo Marshall

Theo quy định, bê tông nhựa phải có độ ổn định Marshall, độ ổn địnhMarshall còn lại lớn hơn giá trị yêu cầu; độ dẻo nằm trong phạm vi cho phép

Độ ổn Marshall, độ ổn định Marshall còn lại, độ dẻo Marshall đợc sử dụng đểxác định hàm lợng nhựa tối u trong hỗn hợp bê tông nhựa

-Mức 3: ứng với lợng giao thông thiết kế ESAL >107

Nội dung thiết kế ở mức 1: Bao gồm việc lựa chọn vật liệu và tính toán tỷ lệphối hợp các loại vật liệu để hỗn hợp sau khi đầm nén thoả mãn các đặc tínhthể tích

Nội dung thiết kế ở mức 2: Sau khi hoàn tất các nội dung đã thực hiện nh ởmức 1, tiến hành các thí nghiệm trên mẫu bê tông nhựa để ớc tính và dự báokhả năng làm việc thực tế của mặt đờng Các phơng pháp thí nghiệm xác địnhcác đặc tính cơ học của bê tông nhựa cần thực hiện ở mức 2 bao gồm:

 Thí nghiệm cắt tải trọng trùng phục với tỷ lệ ứng suất không đổi

 Thí nghiệm cắt tải trọng trùng phục ở chiều cao không đổi

 Thí nghiệm cắt đơn giản ở chiều cao không đổi

Nội dung thiết kế ở mức 3: Sau khi hoàn tất các nội dung đã thực hiện nh ởmức 1, tiến hành các thí nghiệm trên mẫu bê tông nhựa để ớc tính và dự báokhả năng làm việc thực tế của mặt đờng Các phơng pháp thí nghiệm xác địnhcác đặc tính cơ học của bê tông nhựa cần thực hiện ở mức 3 bao gồm:

 Thí nghiệm cắt tải trọng trùng phục với tỷ lệ ứng suất không đổi

 Thí nghiệm cắt tải trọng trùng phục ở chiều cao không đổi

 Thí nghiệm cắt đơn giản ở chiều cao không đổi

 Thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng trùng phục

 Thí nghiệm biến dạng một trục

a) Theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06

Tiêu chuẩn 22TCN 211-06 tính toán kết cấu mặt đờng bê tông nhựa trên cơ sở

lý thuyết đàn hồi theo 3 điều kiện giới hạn:

 Tính toán cờng độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi

 Tính toán cờng độ theo điều kiện trợt trong nền đất và trong các lớp vậtliệu kém dính

 Tính toán cờng độ theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn trong các lớp vật liệu liềnkhối

Để thiết kế kết cấu mặt đờng bê tông nhựa theo 22TCN 211-06, đối với vậtliệu bê tông nhựa, cần phải thực hiện các thí nghiệm sau:

 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi sử dụng tải trọng tĩnh trên mẫu hìnhtrụ ở các nhiệt độ:

 300C khi tính theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi

 600C khi tính theo điều kiện trợt

 150C khi tính theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn

 Thí nghiệm xác định cờng độ kéo uốn giới hạn trên mẫu hình dầm ở nhiệt

độ 1015oC

 Thí nghiệm cắt mẫu hình trụ tròn xác định lực dính đơn vị

b) Theo tiêu chuẩn AASHTO (22TCN 274-01)

Phơng pháp thiết kế kết cấu mặt đờng bê tông nhựa theo tiêu chuẩn AASHTO

đã đợc việt hoá cho phù hợp với điều kiện Việt Nam (theo 22TCN 274-01),hiện nay, tiêu chuẩn này đang đợc áp dụng thử nghiệm

Để thiết kế kết cấu mặt đờng bê tông nhựa theo AASHTO (22TCN 274-01),

đối với vật liệu bê tông nhựa, cần phải thực hiện thí nghiệm kéo gián tiếp tảitrọng trùng phục để xác định mô đun đàn hồi

c) Theo nguyên lý cơ học-thực nghiệm

Với sự tài trợ của hiệp hội AASHTO và Cục Đờng bộ liên bang Mỹ FHWA,

dự án nghiên cứu NCHRP (National Cooperative Highway Research Program)

đã đợc triển khai và đã ban hành báo cáo cuối cùng vào tháng 3/2004 trên cơ

sở xây dựng hoàn chỉnh một hớng dẫn thiết kế cho kết cấu mặt đờng xây dựngmới và xây dựng nâng cấp cải tạo theo nguyên lý cơ học-thực nghiệm

Ngoài Mỹ và các nớc phơng Tây, Nga và Trung Quốc trớc đây đã từng sửdụng những lý thuyết, quan điểm riêng trong tính toán thiết kế kết cấu mặt đ-ờng cũng nh trong công nghệ xây dựng đờng bộ, cũng đã cập nhật và hội nhậpnhiều với thế giới trong lĩnh vực này, trong đó các đặc tính về biến dạng vĩnhcửu và nứt mỏi cũng đã đợc đề cập và bổ sung vào trong phơng pháp thiết kếmặt đờng và phơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

Trong phơng pháp thiết kế theo nguyên lý cơ học-thực nghiệm có sử dụngnhững tơng quan thực nghiệm của đặc tính biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi dựatrên những kết quả thí nghiệm các đặc tính biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi của

bê tông nhựa

Theo phơng pháp này, cần thực hiện những thí nghiệm sau:

 Thí nghiệm xác định đặc tính biến dạng vĩnh cửu:

- Thí nghiệm từ biến một trục và thí nghiệm từ biến 3 trục

- Thí nghiệm tải trọng trùng phục một trục và 3 trục.

- Thí nghiệm theo phơng đờng kính

- Thí nghiệm cắt xoắn trên mẫu hình trụ lõi rỗng

- Các thí nghiệm mô phỏng

 Thí nghiệm xác định đặc tính mỏi:

- Thí nghiệm theo phơng dọc trục

- Thí nghiệm 3 trục

- Thí nghiệm theo phơng đờng kính

- Thí nghiệm uốn dầm giản đơn

- Thí nghiệm uốn dầm trên bệ đỡ

- Các thí nghiệm mô phỏng

 Thí nghiệm xác định đặc tính nứt do nhiệt độ thấp:

- Thí nghiệm kéo trực tiếp với tốc độ không đổi

- Thí nghiệm kéo từ biến

- Thí nghiệm theo phơng đờng kính

- Thí nghiệm uốn dầm

- Thí nghiệm hạn chế ứng suất nhiệt

- Thí nghiệm xác định hệ số giãn nở nhiệt

2.6.2 Phân loại theo hình dạng mẫu thí nghiệm

Theo cách phân loại này, các phơng pháp thí nghiệm đợc phân thành cácnhóm:

- Thí nghiệm trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm trên mẫu hình dầm

- Thí nghiệm mô phỏng

2.6.3 Phân loại theo tải trọng thí nghiệm

Theo cách phân loại này, các phơng pháp thí nghiệm đợc phân thành cácnhóm:

- Thí nghiệm sử dụng tải trọng tĩnh

- Thí nghiệm sử dụng tải trọng trùng phục

2.6.4 Phân loại theo mô hình thí nghiệm

- Thí nghiệm theo một mô hình cơ học nào đó.

- Thí nghiệm mang tính kinh nghiệm

Nhận xét về u, nhợc điểm của các cách phân loại:

Cách phân loại theo mục đích sử dụng có u điểm là phân chia các phơng phápthí nghiệm theo từng mục đích sử dụng Tuy nhiên, theo cách phân loại này,

có nhiều phơng pháp thí nghiệm lặp đi lặp lại trong những mục đích sử dụngkhác nhau và có một số phơng pháp thí nghiệm không đợc xếp vào một nhómnào

Cách phân loại theo hình dạng mẫu thí nghiệm, phân loại theo tải trọng thínghiệm và phân loại theo mô hình thí nghiệm là các cách phân loại tổng quan,các phơng pháp thí nghiệm đợc phân thành những nhóm lớn gồm nhiều phơngpháp khác nhau

Nh vậy, các cách phân loại trên mặc dù có những u điểm riêng nhng vẫn cónhững tồn tại do chỉ dựa trên một tiêu chí cụ thể

điều kiện làm việc thực tế của mặt đờng bê tông nhựa

Cờng độ của bê tông nhựa đợc hình thành trên cơ sở nguyên lý hình thành ờng độ của hỗn hợp vật liệu theo nguyên tắc cấp phối với chất kết dính là nhựa

c-đờng và phụ thuộc vào cấu trúc của bê tông nhựa; cấu trúc này phụ thuộc vàotính chất và hàm lợng của các thành phần cấu thành, vào sự phân bố đều đặncác cỡ hạt và nhựa đờng, vào chất lợng kỹ thuật trong quá trình chế tạo hỗnhợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ chặt chặt của bê tông nhựa

Có nhiều phơng pháp thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học của bê tôngnhựa và đợc phân loại dựa theo nhiều tiêu chí khác nhau Trong luận án này,

đề xuất phân loại các phơng pháp thí nghiệm thành các nhóm sau:

- Thí nghiệm theo phơng đờng kính trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm dọc trục trên mẫu hình trụ tròn

- Thí nghiệm 3 trục trên mẫu hình trụ tròn

kế thành phần hỗn hợp thích hợp nhất ở Việt Nam hiện nay là rất cần thiết

chơng 3 Các ph– Tổng quan về bê tông nhựa ơng pháp thiết kế thành phần hỗn

hợp bê tông nhựa

3.1 Cơ sở lý thuyết chung của các phơng pháp thiết kế

Mục đích của việc thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa là lựa chọn tỷ lệ phối hợpcác loại cốt liệu và nhựa đờng hợp lý để tạo ra bê tông nhựa có các chỉ tiêu kỹthuật thoả mãn yêu cầu, nhằm tạo nên một kết cấu mặt đờng có đủ cờng độ,

ổn định trong quá trình khai thác

Thiết kế thành phần bê tông nhựa thực chất là thiết kế thành phần cấp phốihạt và xác định hàm lợng nhựa của bê tông nhựa sao cho đáp ứng đợc các yêucầu sử dụng Cấp phối của hỗn hợp càng chặt thì càng có nhiều diện tiếp xúcgiữa các hạt, do đó lực nội ma sát và lực dính càng lớn Ngoài ra cấp phối hạtcàng chặt thì càng tốn ít nhựa, giảm đợc lợng nhựa tự do

Nguyên tắc thiết kế thành phần bê tông nhựa: phải đảm bảo sao cho cấp phốicủa cốt liệu khoáng vật đạt đợc độ chặt lớn nhất và hỗn hợp bê tông nhựa có

độ rỗng còn d đạt đợc theo qui định

Hỗn hợp bê tông nhựa đợc thiết kế phải thoả mãn 2 yếu tố cơ bản sau:

- Yếu tố về đặc tính thể tích: Bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng d, độ rỗng cốt

liệu, độ rỗng lấp đầy nhựa của hỗn hợp bê tông nhựa Các giá trị này phảinằm trong giới hạn quy định đảm bảo lớp bê tông nhựa có khả năng chốngbiến dạng, chống chảy nhựa dới tác động của tải trọng xe và yếu tố nhiệt

độ môi trờng, hạn chế sự xâm nhập của nớc vào hỗn hợp trong quá trìnhkhai thác

- Yếu tố về đặc tính cơ học : Bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất lợng

cốt liệu và các chỉ tiêu liên quan đến cờng độ của hỗn hợp bê tông nhựasau khi đầm nén nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp bê tông nhựa có đủ cờng

độ sau khi xây dựng

Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa gồm ba bớc:

o Xác định chất lợng của các vật liệu cấu thành bê tông nhựa gồm đá các cỡ,cát, bột khoáng và nhựa, sao cho phù hợp với các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu củamỗi loại

o Xác định nên chọn loại bê tông nhựa nào cho phù hợp với điều kiện xechạy (lu lợng, thành phần xe), điều kiện khí hậu địa phơng, vị trí của lớp bêtông nhựa trong kết cấu áo đờng,

o Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa gồm tính toán các thành phần hạt; sơ bộchọn lợng nhựa theo bảng tham khảo; làm các mẫu xác định các chỉ tiêutrong phòng thí nghiệm Với những lợng nhựa khác nhau cho cùng một cấpphối hỗn hợp đã chọn, tính toán, thí nghiệm để xác định hàm lợng nhựa tốiu

3.1.1 Cấp phối thành phần hạt khoáng chất:

Nh đã trình bày ở chơng 2 về cấu trúc của bê tông nhựa, có những kết luận rút

vật và lấp đầy các lỗ rỗng thì lợng asphalt còn thừa sẽ đẩy các viên đá dăm ra

xa nhau, làm cho bê tông nhựa có độ dẻo lớn và tính chịu cắt kém đi

Hàm lợng đá dăm (cỡ hạt lớn hơn 5 mm) trong thành phần cốt liệu cũng có

ảnh hởng rất quan trọng Hàm lợng đá dăm nhiều sẽ đảm bảo cho bê tôngnhựa có khả năng dính bám tốt của bánh xe với mặt đờng, đồng thời đảm bảocho mặt đờng bê tông nhựa ổn định với nhiệt độ hơn ở nhiệt độ cao, giảm tínhdẻo khi nhiệt độ tăng lên do vậy tăng đợc cờng độ chống cắt của bê tông nhựa.Với bê tông nhựa ít đá dăm thì tính chống thấm nớc của bê tông nhựa sẽ tốthơn Nhng bê tông nhựa ít đá dăm lại dễ bị chảy dẻo khi nhiệt độ tăng cao vàtính nhám bề mặt kém

ở Việt Nam, thời tiết ma nhiều, nắng nóng với nhiệt độ cao Do vậy cần phảicân nhắc để chọn đợc hỗn hợp cấp phối thảo mãn cả hai yêu cầu trên Nhngvẫn thiên về yêu cầu ổn định với nhiệt độ cao, có độ nhám tốt hơn cả Có thểdùng cấp phối liên tục hoặc cấp phối gián đoạn để chế tạo bê tông nhựa, nhngcần chú ý khi dùng cấp phối gián đoạn không để bê tông nhựa bị phân tầng

3.1.2 Thiết kế hàm lợng nhựa trong hỗn hợp:

Việc xác định lợng nhựa tiêu chuẩn cho hỗn hợp bê tông nhựa để đạt đợcnhững chỉ tiêu cơ lý tốt nhất là vấn đề rất quan trọng, bởi vì:

- Nếu thừa nhựa sẽ làm giảm cờng độ, giảm khả năng chống trợt của mặt ờng bê tông nhựa, dễ làm xuất hiện các biến dạng trợt, lợn sóng, lún, chảynhựa trên mặt đờng khi nhiệt độ tăng cao

đ Nhng thiếu nhựa cũng làm giảm cờng độ của hỗn hợp, giảm khả năng ổn

định với nớc và giảm tính chịu ăn mòn của mặt đờng bê tông nhựa

Có nhiều lý thuyết làm cơ sở cho việc chọn lợng nhựa tiêu chuẩn, nhng có thểqui làm hai phơng pháp:

a) Định hàm lợng nhựa tiêu chuẩn trên cở sở lý thuyết độ rỗng của hỗn hợp b) Định hàm lợng nhựa tiêu chuẩn trên cơ sở lý thuyết bề mặt của các cốt liệu trong hỗn hợp.

Theo phơng pháp (a) thì hàm lợng nhựa tối u đợc xác định dựa vào độ rỗngthực tế của cốt liệu khoáng trong các mẫu đợc chế bị tại phòng thí nghiệm vàdựa vào tiêu chuẩn độ rỗng còn d của bê tông nhựa đợc quy định trong quytrình

Còn theo phơng pháp (b) thì cho rằng khi trộn vật liệu khoáng với nhựa, cáchạt khoáng vật đều phải đợc bọc một màng nhựa mỏng Nếu biết đợc tổngdiện tích các hạt vật liệu khoáng trong hỗn hợp và chọn đợc bề dày của màngmỏng nhựa một cách thích hợp (tùy theo điều kiện xe chạy và khí hậu) thì cóthể xác định đợc hàm lợng nhựa tốt nhất của hỗn hợp bê tông nhựa

Phơng pháp (a) thì đơn giản hơn nhng có chỗ còn cha hợp lý vì độ rỗng củahỗn hợp không phải là cố định mà thay đổi nhiều tùy theo mật độ đầm lèn vàhàm lợng bột khoáng trong hỗn hợp Mặt khác khi hỗn hợp chứa nhiều bộtkhoáng thì độ rỗng của cốt liệu khoáng vật sẽ giảm xuống và theo lý thuyếtnày thì chỉ cần một lợng nhựa ít để đủ lấp các lỗ rỗng đến mức quy định, nhng

sẽ xảy ra hiện tợng nhựa không đủ để bọc ngoài mặt tất cả lợng bột khoáng vàcốt liệu khoáng vật khác; hỗn hợp sẽ không đủ nhựa Vì vậy còn phải quy

định thêm tỷ số của lợng nhựa bitum đối với lợng bột khoáng

1 Phơng pháp (a) đợc Nga, Việt Nam (trớc đây) và một số nớc áp dụng Theophơng pháp này hàm lợng bitum (B) trong hỗn hợp bê tông nhựa đợc tính theocông thức sau:

o

n n

a – khối lợng thể tích (độ chặt) của mẫu bê tông nhựa; g/cm3

qo – hàm lợng của cốt liệu khoáng vật trong mẫu bê tông nhựa (không

có bitum), % theo khối lợng – lấy bằng 100%

qB – hàm lợng bitum trong bê tông nhựa, % khối lợng

q1, q2, q3, ,qn – hàm lợng của từng loại cốt liệu trong mẫu bê tôngnhựa, % khối lợng của cốt liệu khoáng vật

1, 2, 3, , n – tỷ trọng của từng loại cốt liệu khoáng vật trong mẫu

bê tông nhựa (đá dăm, cuội xay, cát, bột khoáng), g/cm3

với

o N a

Sau khi tính đợc hàm lợng bitum theo công thức , chuẩn bị chế tạo một mẻhỗn hợp bê tông nhựa để kiểm tra, từ đó chế bị 3 mẫu rồi xác định độ rỗng còn

Trờng hợp độ rỗng còn d thực tế Vr của 3 mẫu chế tạo từ mẻ kiểm tra khôngphù hợp với độ rỗng còn d quy định Vrq thì lai phải tính lại lợng nhựa B theocông thức , trong đó độ rỗng của cốt liệu khoáng vật o

r

hỗn hợp kiểm tra, và sau đó lại chuẩn bị một mẻ nữa để chế bị các mẫu, xác

định các chỉ tiêu cơ lý

Trờng hợp với hàm lợng bitum B đã tính thỏa mãn đợc quy định về độ rỗngcòn d Vr, nhng một vài chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa lại không đạt theo tiêuchuẩn quy định, thì lúc đó phải thay đổi thành phần cấp phối (tỷ lệ các cỡ hạt)của cốt liệu khoáng vật (chỉ cần thay đổi hàm lợng bột khoáng trong phạm viquy định); rồi tính toán lại hàm lợng nhựa cần theo

Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa xem nh kết thúc khi đã chọn đợc cấp phối hỗnhợp và hàm lợng nhựa đảm bảo cho độ rỗng của cốt liệu khoáng vật V r o, độrỗng còn d Vr nằm trong phạm vi cho phép và tất cả các chỉ tiêu cơ lý khácthỏa mãn với các tiêu chuẩn quy định

Hình 3.1 Đồ thị chọn hàm lợng nhựa thích hợp cho bê tông nhựa

2 Hàm lợng bitum B tính theo phơng pháp (b) đợc xác định theo công thứccủa Viện thí nghiệm cầu đờng Pháp:

B K S 

trong đó:

S – tỷ diện quy ớc của cốt liệu khoáng vật, m2/kg

K - môđun hàm lợng nhựa lấy từ 3,45; 3,60; 3,70; 3,75; 3,90 tùy theo

l-u lợng xe, loại mặt đờng, vị trí lớp trong mặt đờng

 - hệ số điều chỉnh, khi tỷ trọng của cốt liệu khoáng vật o khác vớigiá trị 2,65g/cm3

Hàm lợng bitum B đợc chọn để thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa sẽ đợc xác định

từ các kết quả của các thí nghiệm trong phòng Cứ ứng với mỗi hàm lợng bộtkhoáng (<0,08mm) thì sơ bộ chọn 4 hàm lợng nhựa bitum thay đổi xungquanh trị số tính theo công thức ở trên

Công thức của Kreamer xác định hàm lợng nhựa:

1

100100

n

i i i

qi - hàm lợng loại hạt có kích cỡ i, % theo khối lợng

vi: tỉ lợng nhựa của loại hạt có kích cỡ i, cm3/100g, lấy theo bảng sau

18.7 10 9.4 7.4 6.3 5.2 4.5 4.1 3.6

19.2 10.4 9.5 8.4 7.0 5.9 4.7 4.2 3.5

24.3 14.1 11.8 10.5 9.1 7.5 6.3 4.9 4.1

18.7 8.4 6.8 5.2 3.9 3.5 3.3 3.0 2.8

3.2 Tổng quan về các phơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

Trên thế giới hiện nay có nhiều phơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa, cóthể kể đến là:

- Phơng pháp cờng độ của Liên Xô (cũ).

3.2.1 Phơng pháp cờng độ của Liên Xô (cũ)

Phơng pháp này chủ yếu dùng với thí nghiệm nén mẫu hình trụ, phơng pháp

Theo phơng pháp này, cần phải thực hiện các thí nghiệm sau:

 Thí nghiệm xác định cờng độ chịu nén của mẫu hình trụ ở nhiệt độ 20oC và

Một lực nén có tốc độ 3  0.5mm/phút tác dụng dọc trục mẫu cho tới khi mẫu

bị phá hoại, độ lớn của lực phá hoại mẫu đợc sử dụng để tính cờng độ chịunén giới hạn

Cờng độ chịu nén giới hạn của bê tông nhựa (Rn) đợc tính theo công thức:

P - Tải trọng phá hoại mẫu (daN)

F - Diện tích mặt cắt ngang mẫu (cm2)

Căn cứ vào cờng độ chịu nén giới hạn ở ba trạng thái khác nhau để đánh giá

độ ổn định nớc và độ ổn định nhiệt của bê tông nhựa thông qua hệ số ổn địnhnớc và hệ số ổn định nhiệt đợc xác định theo các công thức sau :

- Hệ số ổn định nớc đợc tính theo công thức: Kn = Rnbh20/ Rnk20

- Hệ số ổn định nhiệt đợc tính theo công thức: Kt = Rnk50/ Rnk20

Theo quy định, bê tông nhựa phải có cờng độ chịu nén, hệ số ổn định nớc, hệ

số ổn định nhiệt lớn hơn giá trị yêu cầu

P Tấm gia tải

P Tấm gia tảiMẫu thí nghiệm

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm cờng độ chịu nén giới hạn

Đây là thí nghiệm đơn giản, dễ thực hiện; tuy nhiên hiện nay ít đợc sử dụngdo:

 Việc tạo mẫu và thí nghiệm sử dụng lực tĩnh, không phù hợp với điều kiệnlàm việc thực tế của mặt đờng bê tông nhựa

 Hiện nay ít phòng thí nghiệm có thiết bị nén tạo áp lực tĩnh 300 daN/cm2

để chế bị mẫu bê tông nhựa

3.2.2 Phơng pháp Hubbard-Field

Phơng pháp đợc Hubbard và Field (Mỹ) phát triển từ những năm 1920 và đợc

sử dụng ở một vài bang cho đến năm 1950, với sự phổ biến của phơng phápMarshall, phơng pháp này hầu nh không đợc sử dụng

Mẫu thí nghiệm cao 1 inche, đờng kính 2 inches đợc đem ép cắt trên máyHubbard-Field (hình 3.3) ở nhiệt độ 140F (60oC)

Mẫu đợc ép cắt qua 1 lỗ d = 1,75 in, tốc độ ép cắt 2,4 in/phút Tải trọng pháhoại khi ép cắt mẫu là độ bền (độ ổn định) của bê tông nhựa Về sau này, ngời

ta mở rộng thí nghiệm, dùng cho mẫu có đờng kính lớn hơn, d = 6 inches vàcách đầm nén chế bị mẫu cứng có cải tiến Đổ hỗn hợp vào khuôn, đầm 30 lầnbằng đầm nhỏ, đờng kính bằng 1,875 in Tiếp theo đầm 30 lần nữa bằng đầmlớn có đờng kính 5,75 in, và quay ngợc mẫu lại đầm nh ở đầu kia, rồi để mẫulên máy ép với lực 10 000 lbs

Để mẫu nguội trong nớc lã, lẫy mẫu ra bảo dỡng trong 12 giờ ; để mẫu vào

n-ớc nóng ở 60oC trong 1 giờ rồi đem lên máy thí nghiệm ép cắt

Hình 3.3 Thiết bị thí nghiệm theo phơng pháp Hubbard-Field

3.2.3 Phơng pháp Hveem

Francis Hveem, một kỹ s ở California-Mỹ, đã phát triển các thí nghiệm đánhgiá hỗn hợp bê tông nhựa từ cuối những năm 1920, đến năm 1959 thiết bị độbền “Stabilometer” của Hveem đợc sử dụng trong phơng pháp thiết kế thànhphần bê tông nhựa một vài bang miền Tây nớc Mỹ Hiện nay phơng pháp nàycũng ít đợc sử dụng

Theo phơng pháp này, cần phải thực hiện các thí nghiệm sau:

 Thí nghiệm xác định độ kết dính Hveem

Thí nghiệm xác định độ trơng nở Hveem và độ rỗng Hveem