Nghiên cứu vật liệu chế tạo và thành phần, tính chất của bê tông asphalt nóng ở nước CHDCND lào

Trên cơ sở đối chiếu lý thuyết và thực tiễn để lựa chọn đề xuất phương pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt hợp lý sử dụng cho các công trình trên đường ô tô ở Lào.Thí nghiệm xác địn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

====000====

THONGĐA SINGHANINH

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG Ở NƯỚC CHDCND LÀO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

====000====

THONGĐA SINGHANINH

NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU CHẾ TẠO VÀ THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG Ở NƯỚC CHDCND LÀO

Chuyên ngành: xây dựng đường ôtô và đường thành phố

Mã số: 62.58.02.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: GS.TS PHẠM DUY HỮU

PGS.TS ĐÀO VĂN ĐÔNG

HÀ NỘI, 2017

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn Bộ giáo dục và Đào tạo Việt Nam, Bộ giáo dục và thế thao Lào Các cơ quan đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Trường Đại Học Giao Thông Vận tải Việt Nam; Trường Đại học Chămpasack Lào

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến các thầy hướng dẫn là GS TS PHẠM DUY HỮU và PGS TS ĐÀO VĂN ĐÔNG đã hết sức tân tình góp ý và định hướng khoa học có giá trị cho nội dung nghiên cứu của luận án Xin cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Công trình, Bộ môn đừơng bộ, Bộ môn Vật liệu xây dựng và Viện Khoa học Công nghệ xây dụng Giao thông - Trừơng Đại học Giao Thông Vận tải đã động viên, nhiệt tình giúp đỡ và cung cấp các tài liệu quý báu để tác giả hòan thành luận án này

Tác giả

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Tác giả

Thongđa SINGHANINH

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG ASPHALT Ở LÀO VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG TẠI CHDCND LÀO 4

1.1 Khái niệm chung bê tông Asphalt 4

1.2 Phân loại bê tông Asphalt 4

1.3 Cấu trúc của bê tông Asphalt 5

1.3.1 Khái quát 5

1.3.2 Cấu trúc bê tông Asphalt 6

1.3.3 Cấu trúc của bitum trong bê tông Asphalt 7

1.4 Tính chất của bê tông Asphalt 9

1.4.1 Mở đầu 9

1.4.2 Các tính chất cơ học của bê tông Asphalt 11

1.4.3 Phương pháp xác định các tính chất cơ học 12

1.4.4 Các chỉ tiêu cơ học phục vụ thiết kế kết cấu mặt đường 15

1.4.5 Thí nghiệm mỏi 21

1.4.6 Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp bê tông Asphalt rải mặt đường 22

1.5 Các phương pháp sản xuất bê tông Asphalt 25

1.5.1 Trộn bê tông Asphalt 25

1.5.2 Trạm trộn chu kỳ sấy nóng gián tiếp 26

1.6 Thiết kế thành phần bê tông Asphalt nóng 30

1.6.1 Phân loại bê tông nhựa 30

1.6.1.1 Phân loại theo cỡ hạt danh định lớn nhất của cốt liệu theo tiêu chuẩn của Viện Asphalt Hoa kỳ 31

1.6.1.3 Phân loại theo độ rỗng dư 31

1.6.1.4 Phân loại theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường 31

1.6.2 Nguyên tắc thiết kế thành phần bê tông Asphalt 32

1.6.3 Phương pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt 35

1.7 Đặc điểm điều kiện địa hình và khí hậu ở Lào 35

1.8 Hệ thống đường ô tô ở Lào và vị trí đặc điểm các đường có lốp mặt bằng bê tông Asphalt 37

1.8.1 Giai đoạn trước năm 1975 37

1.8.2 Giai đoạn các năm 1975-1985 38

1.8.3 Giai đoạn các năm 1985-2000 39

1.8.4 Giai đọan năm 2000-2015 39

1.9 Thành phần và một số các tính chất cơ bản của bê tông Asphalt nóng sử dụng tại Lào 46

1.9.1 Hỗn hợp vật liệu khoáng bê tông Asphalt nóng (HMA) tại Lào 46

- Mở đầu 46

Tiêu chuẩn kỹ thuật 46

1.9.2 Phân tích HMA tại Lào 46

Kết luận của chương 1 50

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG ASPHALT TẠI LÀO 52

2.1 Yêu cầu cốt liệu cho bê tông Asphalt 52

2.1.1 Phân loại 52

2.1.2 Cốt liệu lớn 52

2.1.3 Cốt liệu nhỏ 53

2.1.4 Bột khoáng, xi măng 54

2.2 Chất kết dính bitum 55

2.2.1 Phân loại 55

2.2.2 Thành phần hoá học của bitum dầu mỏ 56

2.2.3 Các tính chất của bitum quánh xây dựng đường 56

2.3 Phần tích đặc điểm vật liệu chế tạo bê tông Asphalt nóng tại Lào 66

2.3.1 Thí nghiệm vật liệu chế tạo 66

Kết luận của chương 2 67

CHƯƠNG 3 68

ĐỂ XUẤT THÀNH PHẦN CẤP PHỐI VẬT LIỆU KHOÁNG, CÁC CHỈ TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT, RẢI NÓNG CHO CHDCND LÀO 68

3.1 Lựa chọn cấp phối vật liệu khoáng hợp lý cho Lào 68

3.1.1 Thành phần bê tông Asphalt theo các theo chuẩn 68

3.1.2 Phân tích độ lệch từng cỡ sàng Max, Min theo các tiêu chuẩn 72

3.1.3 Lựa chọn cấp phối hợp lý HMA tại Lào 77

3.2 Các chỉ tiêu cho bê tông Asphalt đặc, rải nóng tại Lào 77

để nghị với chỉ tiêu ghi ở bảng 3.4 77

3.3 Thiết kế hỗn hợp bê tông Asphalt theo Marshall và Tiêu chuẩn Việt Nam 78

3.3.1 Mục đích của thiết kế 78

3.3.2 Phạm vi áp dụng của phương pháp Marshall 79

3.3.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật quy định theo Marshall 79

3.3.4 Phân tích đánh giá phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nóng, tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu bê tông nhựa nóng của Trung Quốc 82

3.4 Thiết kế thành phần theo SUPERPAVE 83

3.4.1 Phương pháp thiết kế thành phần PUPERPAVE 84

3.4.2 Các bước trong thủ tục thiết kế hỗn hợp 84

3.5 Tiêu chuẩn bê tông nhựa của Malaysia 86

3.6 Hướng dẫn thết kế HMA cho Lào 88

3.6.1 Giai đoạn thiết kế sơbộ (Giai đoạn 1) 88

Phương pháp đồ thị 90

3.6.2 Giai đoạn thiết kế hoàn chính (Giai đoạn 2) 100

3.6.3 Giai đoạn phê duyệt công thức chế tạo HMA (Giai đoạn 3) 101

3.7 Lựa chọn thiết kế cuối cùng 103

3.8 Tính toán thành phần cốt liệu của HMA theo các tiêu chuẩn thiết kế 105

Trên có số vật liệu tại Lào được ghi ở bảng 3.17 105

3.9 Thiết kế theo tiêu chuẩn VN 106

3.10 Thiết kế theo tiêu chuẩn Nga 9128-2009 107

3.11 Thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản (Japan) D RA2006 108

3.12 Thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ A.D3515 108

3.13 Phân tích thành phần vật liệu khoáng thiết kế theo các tiêu chuẩn 109

Kết luận chương 3 111

CHƯƠNG 4 112

THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO BÊ TÔNG ASPHALT VỚI VẬT LIỆU TẠI LÀO VÀ ẢNH HƯỞNG LƯỢNG XI MĂNG 112

4.1 Tổng quát 112

4.2 Lựa chọn hỗn hợp vật liệu khoáng 112

4.3 Thí nghiệm xác định tính năng cơ học và hàm lượng bitum 114

4.4 Phân tích ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến tính năng HMA 123

Kết luận chương 4 125

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tỷ lê diện tích bề mặt điển hình [53] 8

Bảng 1.2: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall 14

Bảng 1.3: Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông Asphalt chặt 15

Bảng 1.4: Thống kê đường bộ toàn quốc năm 2013 40

Bảng 1.5 Số lượng xe tại Lào 2013 (xe/ngày đêm) 40

Bảng 1.6: Mạng lưới giao thông đường bộ ở Lào 41

Bảng 1.7: Các tuyến đường đã xây dựng bằng bê tông Asphalt tại Thủ đô Viêng Chăn 41

Bảng 1.8: Thống kê mạng lưới đường toàn Quốc (km) 44

Bảng 1.8.1: thống kê mạng lưới đường toàn Quốc (tiếp) 45

Bảng 1.9: Thành phần cấp phối bê tông Asphalt dự án HMA tại Lào 46

Bảng 1.10: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA1) 48

Bảng 1.11: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA2) 48

Bảng 1.12: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA3) 49

Bảng 1.13: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA4) 49

Bảng 1.14: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall (DA5) 49

Bảng 2.1: Cấp phối thành phần hạt cốt liệu nghiền nhà máy Nông Hai 52

Bảng 2.2: Cốt liệu nghiền nhà máy Sakai 53

Bảng 2.3: Thành phần của cát xay và cát sông Mêkong 53

Bang 2.4: Kết quả thí nghiệm độ kim lún 60-70 (SHELL) AASHTOT149-BS200 57

Bảng 2.5: Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm bitum 60-70 57

Bảng 2.6: Khối lượng riêng: 1.030 g/cm3 AASHTO T53 58

Bảng 2.7: Các tính chất vật liệu và các tác động bên ngoài ảnh hưởng đến

dính bám giữa bitum với cốt liệu 60

Bảng 2.8: Phân cấp dính bám giữa bitum và vật liệu khoáng 61

Bảng 2.9: Bitum, yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử (TCVN 7493-2005) 63

Bảng 2.10: Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đặc theo AASHTO - M20 ASTM D946 65

Bảng 2.11: Chỉ tiêu kỹ thuật đối với các loại bitum phân loại theo độ kim lún (Theo BS 3690 - Anh) 66

Bảng 2.12: Tổng hợp tiêu chuẩn cho thí nghiệm vật liệu 66

Bảng 3.1: Thành phần hạt cốt liệu theo các tiêu chuẩn Quốc gia 68

Bảng 3.2: Độ lệch theo từng sàng Ri 76

Bảng 3.3: Thành phần cấp phối hạt kiến nghị cho Lào 77

Bảng 3.4: Sử dụng tiêu chuẩn AASHTO 46

Bảng 3.5: Sử dụng tiêu chuẩn ASTM và tiêu chuẩn TQ 46

Bảng 3.6: Tiêu chuẩn kỹ thuật của hỗn hợp HMA 46

Bảng 3.7: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Lào 77

Bảng 3.8: Yêu cầu kỹ thuật của HMA theo Viện Asphalt hoa kỳ 80

Bảng 3.9: Độ rỗng cốt liệu nhỏ nhất 81

Bảng 3.10: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Việt Nam 82

Bảng 3.11: Các loại hỗn hợp nhựa rải nóng (theo JTGF40.2004) 83

Bảng 3.12 Chỉ tiêu VMA 86

Bảng 3.13 Chỉ tiêu VFA 86

Bảng 3.14: Thí nghiệm vệt hằn bánh xe Nhật Bản và Malaysia 87

Bảng 3.15: Thành phần cấp phối hạt kiến nghị 88

Bảng 3.16: Chỉ tiêu HMA theo tiêu chuẩn Lào (dự kiến) 88

Bảng 3.17: Vật liệu chế tạo HMA tại Lào 105

Bảng 3.18: Kết quả thiết kế theo dự kiến Lào 105

Bảng 3.19: Vật liệu chế tạo HMA 106

Bảng 3.20: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam 106

Bảng 3.21: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nga 107

Bảng 3.22: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản 108

Bảng 3.23: Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ 108

Bảng 3.24: Thành phần cốt liệu thiết kế theo các tiêu chuẩn 109

Bảng 3.25: Thành phần cấp phối thiết kế theo các tiêu chuấn 109

Bảng 4.1: Xác định thành phần khoáng 3 hỗn hợp vật liệu khoáng 112

Bảng 4.2: Thành phần hạt cốt liệu 113

Bảng 4.3: Xi măng 5%+ cốt liệu lớn 60% + cốt liệu nhỏ 35% =100% HMA1 113

Bảng 4.4: Xi măng 3.5%cốt liệu lớn 60% + cốt liệu nhỏ 31.5% =100% HMA2 113

Bảng 4.5: Xi măng 2% + 65 cốt liệu + 33 cốt liệu = 100% HMA3 114

Bảng 4.6: hàm lượng bitum 115

Bảng 4.7: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phương pháp Marshall 5% xi măng (M/X1) 116

Bảng 4.8: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phương pháp Marshall 3.5% xi măng (M/X2) 117

Bảng 4.9: Thí nghiêm và tính toán hỗn hợp bê tông Asphalt nóng theo phương pháp Marshall 3.5% xi măng (M/X3) 118

Bảng 4.10: Kết của thí ghiệm tính năng của HMA 119

Bảng 4.11: Tính năng của các loại HMA (A, B, C) 123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc của bê tông Asphalt 7

Hình 1.2: Thí nghiệm xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall 13

Hình 1.3: Mô hình thí nghiệm cắt tĩnh xác định c, 17

Hình 1.4: Mô hình thí nghiệm cường độ kéo uốn 17

Hình 1.5: Mô hình thí nghiệm ép chẻ 18

Hình 1.6: Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ 19

Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm vệt hằn bánh xe trên thiết bị APA 20

Hình 1.8: Bộ phận gia tải của thiết bị APA 21

Hình 1.9: Mẫu sau khi thí nghiệm vệt hằn bánh xe dùng thiết bị APA 21

Hình 1.10 Mô hình thí nghiệm mỏi 21

Hình 1.11: Bộ phận gia tải thí nghiệm mỏi trên thiết bị APA 22

Hình 1.12: Mẫu sau khi thí nghiệm mỏi trên thiết bị APA 22

Hình 1.13: Các định nghĩa về các loại tỷ trọng 23

Hình 1.14: Các loại thể tích trong mẫu bê tông Asphalt sau khi đã được đầm lèn 24

Hình 1.15: Trạm trộn chu kỳ sấy nóng gián tiếp 27

Hình 1.16: Sơ đồ cấu tạo trạm trộn chu kỳ sấy nóng gián tiếp 27

Hình 1.17: Trạm trộn đuợc lắp đặt để phục vụ xây dựng sân bay 28

Hình 1.18: Một trạm trộn thùng quay 29

Hình 1.19: Sơ đồ trạm trộn liên tục theo công nghệ Turbin 30

Hình 1.20: Cấp phối hạt của cốt liệu 33

Hình 1.21: Nhiệt độ trong năm 36

Hình1.22 Lượng mưa trong năm 37

Hình 1.23: Bản đồ mạng lưới đường Bộ của nước Lào 43

Hình 1.24: Biểu đồ ảnh hưởng cấp phối hạt 47

Hình 2.1: Cấp phối của đá 53

Hình 2.2: Kiểm tra cấp phối của cát theo AASHTO M29 54

Hình 2.3: Kiểm tra bột khoáng của xi măng theo AASHTO M17 55

Hình 2.4: Thử nghiệm màng mỏng bitum quay trong lò 59

Hình 2.5: Nhiết kế 63

Hình 3.1:Lƣợng lọt sang trung bình các tiêu chuẩn Quốc gia 70

Hình 3.2 Các tiêu chuẩn Quốc gia 71

Hình 3.3a Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=0.075mm theo 5 tiêu chuẩn 72

Hình 3.3b Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=0.15mm theo 5 tiêu chuẩn 73

Hình 3.3c Biến đối lƣợng lọt sàng tại đ=0.30mm theo 5 tiêu chuẩn 73

Hình 3.3d Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=0.60mm theo 5 tiêu chuẩn 73

Hình 3.3e Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=1.18mm theo 5 tiêu chuẩn 74

Hình 3.3f Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=2.63mm theo 5 tiêu chuẩn 74

Hình 3.3g Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=4.75mm theo 5 tiêu chuẩn 74

Hình 3.3h Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=9.50mm theo 5 tiêu chuẩn 75

Hình 3.3i Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=12.50mm theo 5 tiêu chuẩn 75

Hình 3.3i Biến đổi lƣợng lọt sàng tại đ=0.30mm theo 5 tiêu chuẩn 75

Hình 3.4: Biểu đồ độ lệch trung bình theo 5 tiêu chuẩn 76

Hình 3.5: Cấp phối BTN 12.5 sử dụng ở Malaysia 87

Hình 3.6: Biểu đồ kiểm tra thành phần hạt HMA 106

Hình 3.7 Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam 107

Hình 3.8 Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nga 107

Hình 3.9 Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản 108

Hình 3.10 Kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ 109

Hình 3.11: Cấp phối cốt liệu các loại bê tông Asphalt tính theo các tiêu chuẩn 110

Hình 3.12: Kết quả kiểm tra cho thấy hỗn hợp với yêu cầu của dự án và các tiêu chuẩn 110

Hinh 4.1: Cấp phối của HMA 2%, 3.5%, 5% 114

Hình 4.2: Kết quả thí nghiệm HMA 5% xi măng (M/X1) 120

Hình 4.3: Kết quả thí nghiệm HMA 3.5% xi măng(M/X2) 121

Hình 4.4: Kết quả thí nghiệm HMA 2% xi măng(M/X3) 122

Hình 4.5: Quan hệ độ ổn định Marshall 123

Hình 4.6: Quan hệ tỷ lƣợng xi măng và độ dẻo 123

Hình 4.7: Quan hệ lƣợng xi măng và rỗng hỗn hợp vật liệu khoáng 124

Hình 4.8: Quan hệ lƣợng xi măng và VMA 124

Hình 4.9: Quan hệ lƣợng xi măng và VFA 124

Hình 4.10: Quan hệ lƣợng xi măng và Air Void 125

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AASHTO: Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước Mỹ AC: Bê tông nhựa chặt

AM: Hỗn hợp nhựa

ASTM: Hiệp hội về thí nghiệm và vật liệu Mỹ

ATB: Móng gia cố nhựa

ATPB: Móng gia cố nhựa thoát nước

BTAF: Bê tông Asphalt

BTN: Bê tông nhựa

BTNC: Bê tông nhựa chặt

BTXM: Bê tông xi măng

CHDCND: Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào

HMA: Bê tông Asphalt nóng

OFGC: Lớp hao mòn nhám cấp phối

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào, có truyền thống lịch sử dựng nước và giữ nước lâu đời Sau Khi giải phóng và thành lập nước CHDCND Lào vào ngày 2/12/1975, đi đôi với việc khắc phục hậu qủa chiến tranh và phát triển kinh tế - xã hội trong toàn quốc, Đảng và Nhà nước Lào đã chủ trương phát triển giao thông đường bộ, lấy giao thông đường bộ đi trước một bước

Trong quá trình chuyển sang kinh tế thị trường và mở rộng hợp tác bên ngoài, Đảng và Nhà nước Lào lấy giao thông đường bộ làm mũi nhọn cho sự phát triển của nền kinh tế quốc dân, coi việc khôi phục và phát triển giao thông đường bộ là một trong các biện pháp cơ bản nhằm nối liền giữa sản xuất với tiêu thụ, tạo điều kiện cho sản xuất hàng hoá phát triển, mở rộng thị trường trong và ngoài nước

Nhìn lại hiện trạng mạng lưới giao thông đường bộ của Lào tuy có phát triển nhưng còn chậm, cả về cơ sở vất chất kỹ thuật và trình độ quản lý Ở CHDCND Lào hiện nay chưa có đường sắt, không có đường biển, đường sông chỉ hoạt động vào mùa mưa là chủ yếu, đường hàng không cũng chưa phát triển Khối lượng hành khách được vận chuyển chủ yếu bằng đường bộ, trong khi đó chưa có một hệ thống mạng lưới đường bộ hoàn chỉnh, thông suốt, nối liền từ Bắc đến Nam Trong thực tế, hệ thống giao thông đường bộ chưa phù hơp với sự phát triển kinh tế - xã hội cả trong nước cũng như với các nước lân cận trong vùng

Nước CHDCND Lào cũng tương tự như Việt Nam, đang đẩy mạnh công cuộc phát triển kinh tế để xây dựng một xã hội phồn vinh Giao thông vận tải, trong đó có ngành xây dựng đường ô tô được ưu tiên phát triển Để xây dựng các con đường có chất lượng và tuổi thọ cao đòi hỏi phải giải quyết hàng loạt các vấn đề kỹ thuật Một trong những vấn đề chính là vật liệu chế

tạo và thành phần, tính chất của bê tông Asphalt nóng ở Nước CHDCND Lào

Hiện nay ở Lào mặt đường bê tông Asphalt là loại mặt đường đang được Bộ Giao thông Vận tải Lào quan tâm và áp dụng rất phổ biến Nhưng công tác thiết kế, thi công và công tác quản lý chất lượng mặt đường bê tông Asphalt chưa được tốt, cho nên nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng công trình khi đưa vào sử dụng như: có hiện tượng nứt, hiện tượng lún, bong tróc lớp mặt Vì vậy, rất cần thiết phải có biện pháp thiết kế, thi công và công tác quản lý chất lượng mặt đường bê tông Asphalt hợp lý, góp phần để đường bê tông Asphalt phát triển Chính vì vậy, Nhà Nước CHDCND Lào cử tác giả

Việt Nam sang đây làm nghiên cứu sinh với đề tài: “Nghiên cứu vật liệu chế

tạo và thành phần, tính chất của bê tông Asphalt nóng ở Nước CHDCND Lào’’

2 Mục đích nghiên cứu

Luận án nghiên cứu và phân tích các hiện trạng của các công trình mặt đườngbê tông Asphalt tại Lào thông qua khảo sát và tìm hiểu tại các cơ quan quản lý đường trung ương, địa phương và tìm hiểu các vấn đề lý thuyết về tính toán thiết kế các công trình bê tông Asphalt để đề nghị phương pháp thiết

kế mặt đường bê tông Asphalt cho Lào

Trên cơ sở đối chiếu lý thuyết và thực tiễn để lựa chọn đề xuất phương pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt hợp lý sử dụng cho các công trình trên đường ô tô ở Lào.Thí nghiệm xác định các thành phần chất lượng bê tông Asphalt chuyên đề sử dụng xi măng thay thế bọt khoáng trong bê tông Asphalt

3.Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu hiện trạng đường bê tông Asphalt ở Lào

- Nghiên cứu thí nghiệm các tính chất cơ lý của bê tông Asphalt

- Nghiên cứu phương pháp thiết kế theo AASHTO, thí nghiệm tại Lào

4 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của kết quá nghiên cứu là khẳng định với các vật liệu hiện có ở nước CHDCND Lào hoàn toàn có thể chế tạo được bê tông Asphalt dùng trong xây dựng đường ô tô đồng thời đã thiết kế thử nghiệm thành công loại bê tông Asphalt chắt rải nóng dùng trong xây dựng đường ô tô ở nước CHDCND Lào dựa theo TCVN 8820:2011

Kết quá nghiên cứu của luận án có thể coi là tài liệu tham khảo tốt cho việc ứng dùng vật liệu bê tông Asphalt nóng ở nước CHDCND Lào, cần thiết cho sự phát triển hệ thống đường ở Lào

Chương 1: Tổng quan về vật liệu bê tông Asphalt và tình hình sử dụng bê

tong Asphalt nóng tại CHDCND Lào

Chương 2:Lựa chọn vật liệu chế tạo bê tông Asphalt tại Lào

Chương 3: Để xuất thành phần cấp phối vật liệu khoáng, các chỉ tiêu và

phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông Asphalt chặt, rải nóng cho CHDCND Lào

Chương 4:Thực nghiệm chế tạo bê tông Asphalt với vật liệu tại Lào và ảnh

hưởng hàm lượng xi măng

Kết luận và kiến nghị

Các công trình khoa học đã được công bố

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG ASPHALT Ở LÀO VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT NÓNG TẠI CHDCND LÀO

1.1 Khái niệm chung bê tông Asphalt

Bê tông Asphalt hoặc bê tông nhựa là một loại sản phẩm quan trọng của bitum và cốt liệu, bột khoáng được sử dụng nhiều nhất làm vật liệu xây dựng mặt đường ở trên thế giới Bê tông Asphalt được chế tạo bằng phương pháp nhào trộn bitum với các hỗn hợp cốt liệu như đá dăm, cát, bột khoáng có kích thước khác nhau tùy theo yêu cầu của từng loại sản phẩm bê tông Asphalt được sử dụng chủ yếu làm kết cấu mặt đường mềm.[20], [21], [15]

Thành phần bê tông cần tương ứng với điều kiện làm việc (vùng khí hậu, đặc tính chịu tải), với loại vật liệu khoáng, loại và lượng bitum tối ưu, với tỷ lệ giữa các thành phần thỏa mãn với các yêu cầu quy định trong tiêu chuẩn kỹ thuật dự án Có nhiều phương pháp thiết kế thành phần bê tông Asphalt Song phổ biến nhất, cho kết quả tin cậy là phương pháp tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết về đường cong độ đặc hợp lý của hỗn hợp vật liệu khoáng và thí nghiệm đó là phương pháp tính toán kết hợp với thực nghiệm (tiêu chuẩn Nga, Mỹ và Việt Nam)

Trình tự thiết kế thành phần bê tông Asphalt như sau: lựa chọn và kiểm tra vật liệu, xác định tỷ lệ của các vật liệu theo thành phần cấp phối hạt, lựa chọn thành phần bitum tối ưu và thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật trên các mẫu thử

Khi lựa chọn thành phần vật liệu khoáng để chế tạo bê tông Asphalt,vật liệu sử dụng phải phù hợp với loại, dạng bê tông và đạt các yêu cầu về tính chất cơ học, tính ổn định nhiệt và tính chống ăn mòn, đồng thời phải phù hợp với yêu cầu củacác tiêu chuẩn mà dự án quy định (Quốc gia, Quốc tế)

1.2 Phân loại bê tông Asphalt

Bê tông Asphalt là vật liệu khoáng - bitum có chất lượng cao Ngoài ra còn có các loại hỗn hợp khác như: vật liệu đá nhựa macadam, đá nhựa cấp phối đặc, đá nhựa cường độ cao, đá nhựa hạt mịn (vữa Asphalt), hỗn hợp tạo nhám, đá nhựa thấm nước Sự khác nhau cơ bản giữa hỗn hợp bê tôngAsphalt

và đá nhựa là cấp phối của hỗn hợp Cấp phối cốt liệu trongbê tôngAsphalt thường bao gồm cốt liệu lớn, cốt liệu mịn và bột đá Trong các hỗn hợp đá nhựa thường ít sử dụng bột đá Các hỗn hợp tạo nhám và đá nhựa thấm nước

thường sử dụng các cấp phối gián đoạn [15]

Bê tông Asphalt còn có thể được chế tạo từ các loại bitum polyme hoặc các loại nhũ tương bitum

Bê tông Asphalt có thể được phân loại như sau:

Theo đường kính danh dịnh D, D lớn <40mm, D trung bình<20mm D nhỏ và cát<5mm

Theo độ đặc: Bê tông Asphalt đặc, rỗng và rất rỗng

Hỗn hợp nóng được rải và bắt đầu làm đặc khi nhiệt độ không nhỏ hơn

120oC Hỗn hợp này thường dùng bi tum có độ quánh 40/60, 60/70 và 70/100 Hỗn hợp ấm được rải và bắt đầu làm đặc khi nhiệt độ không nhỏ hơn 1000C Hỗn hợp nguội dùng bitum lỏng có độ nhớt 70/130 được rải ở nhiệt độ không khí không nhỏ hơn 5oC và được giữ ở nhiệt độ thường

Theo độ rỗng dư của bê tông Asphalt: Bê tông Asphalt còn chia ra loại

sau: đặc có độ rỗng 3-6%, có độ rỗng, 6-12%, rất rỗng có độ rỗng 12-18% theo thể tích

Theo nhiệt độ rải, nhiệt độ rải> 120oC, ấm >100oC và nguội >5oC

Trong nghiên cứu này chủ yếu là nghiên cứu thành phần, thiết kế bê tông Asphalt nóng, đặc, Dmax = 19mm phù hợp điều kiện vật liệu tại Lào và khảo sát tính năng bê tông Asphalt tại Lào

1.3 Cấu trúc của bê tông Asphalt [14]

1.3.1 Khái quát

Tính chất vật lý, cơ học của bê tông Asphalt phụ thuộc vào chất lượng,

tỷ lệ thành phần các vật liệu chế tạo và cấu trúc của bê tông Cấu trúc của bê tông Asphalt thể hiện mối tương tác giữa các yếu tố cấu tạo, sự phối hợp giữa chúng Tập hợp của các yếu tố này được thể hiện bằng mối quan hệ giữa đặc tính của vật liệu với độ đặc và độ rỗng của vật liệu khoáng, cấu trúc và đặc tính của bitum, sự liên kết với vật liệu khoáng và độ lấp đầy lỗ rỗng vật liệu khoáng của bitum Cấu trúc của bê tông Asphalt bao gồm cấu trúc của hỗn hợp vật liệu khoáng và cấu trúc của bitum trong bê tông Asphalt

1.3.2 Cấu trúc bê tông Asphalt

Cấu trúc bê tông Asphalt được chia làm 3 loại: có khung, bán khung và không có khung (Hình 1.1.) Tuỳ theo tỷ lệ và khối lượng của đá dăm, cát, bột khoáng có thể tạo ra một trong 3 loại cấu trúc trên Tỷ lệ phần trăm của đá thường từ 20-65%, cát từ 20-40%, bột khoáng từ 14-4% Độ rỗng của vật liệu khoáng thường từ 15-22%, độ rỗng còn lại của bê tông Asphalt từ 2-7%[21]

Cấu trúc có khung là cấu trúc mà độ rỗng của hỗn hợp được lấp đầy hoàn toàn bằng vữa Asphalt (Hình 1.1a) Thể tích của vữa Asphalt bao gồm hỗn hợp của cát, bột khoáng và bitum không vượt quá thể tích rỗng của đá dăm, độ lớn của các hạt cát không lớn hơn kích thước của các lỗ rỗng trong

bộ khung đá dăm Như vậy, các hạt cốt liệu không dễ chuyển động trong vữa Asphalt và tiếp xúc với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua lớp màng cứng bitum tạo cấu trúc Sự có mặt các khung cứng không gian làm tăng độ

ổn định động của lớp phủ mặt đường Cấu trúc khung quen thuộc thường chứa lượng bột khoáng từ 4 - 10%, lượng bi tum từ 5 - 6%, lượng đá từ 50-60%

Cấu trúc bán khung (Hình 1.1b) của vật liệu khoáng là cấu trúc có các phần cục bộ của hạt đá dăm tập trung lớn hơn thể tích của vữa Asphalt

Cấu trúc không có khung (Hình 1.1c) là cấu trúc trong đó các hạt đá dăm dễ di chuyển do lượng thừa của chất kết dính Asphalt (hệ số lấp đầy lỗ rỗng lớn hơn 1) Cường độ và độ dính kết của cấu trúc này giảm khi chịu nhiệt làm cho lớp phủ mặt đường bị biến dạng dẻo

Cấu trúc khung của hỗn hợp vật liệu khoáng có thể tạo ra đặc tính chịu chuyển động lớn và nó tỷ lệ thuận với hàm lượng đá dăm trong bê tông Asphalt Về mặt thành phần hạt các loại hỗn hợp này có thể không dùng những hạt có đường kính từ 5-0.63mm

Hàm lượng đá dăm, bột khoáng và tỷ lệ của chúng không chỉ xác định cấu trúc của hỗn hợp, mà còn ảnh hưởng đến tính chất của bê tông Asphalt Khi lượng đá Đ=65%, lượng bột khoáng B=4%, thì độ rỗng của hỗn hợp vật liệu khoáng khoảng 15% Nếu lượng bột khoáng B=5%, thì độ rỗng dư là khoảng 6%, khi đó bê tông Asphalt có độ ổn định cao Khi lượng đá Đ=20%,

lượng bột khoáng B=14%, thì độ rỗng của hỗn hợp vật liệu khoáng đạt đến 22% Khi dùng lượng bitum đến 7%, thì độ ổn định và chống nứt đều thấp

a) b) c)

Hình 1.1: Cấu trúc của bê tông Asphalt

a) cấu trúc có khung; b) cấu trúc bán khung; c) cấu trúc không có khung

1.3.3 Cấu trúc của bitum trong bê tông Asphalt

Khi trộn vật liệu khoáng với bitum trên bề mặt của hạt đá dăm, cát và bột khoáng được phủ một lớp mỏng bitum Cấu trúc và tính chất của lớp phủ

đó ảnh hưởng đến tính chất và chất lượng của bê tông Asphalt Sự liên kết giữa vật liệu khoáng và lớp màng mỏng của bitum được hình thành nhờ các quá trình vật lý và hoá học phức tạp Các nghiên cứu trong nhiều năm của các nhà khoa học về kỹ thuật dầu lửa, kỹ thuật đường ôtô trên thế giới đã tạo nên các lý thuyết cơ bản về mối quan hệ giữa vật liệu khoáng với các chất kết dính hữu cơ nói chung và bitum nói riêng Sự dính bám của bitum với vật liệu khoáng được giải thích là có phụ thuộc nhiều vào tổng diện tích bề mặt của các hạt Bề mặt riêng của đá lớn hơn 10cm2/g, cát 100-200cm2/g, bột đá 2000-3000cm2/g Ví dụ: trong 100g hỗn hợp có 50% đá dăm, 40% cát và 10% bột khoáng có kích thước nhỏ hơn 0.071mm, thì diện tích bề mặt của đá dăm sẽ là 500cm2, cát 8000 cm2 và bột khoáng là 30000cm2 Như vậy bột khoáng có tỷ diện tích bề mặt lớn nhất và chiếm tới 80%, nên lực dính bám trên bề mặt bột khoáng sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của bê tông Asphalt.[35], [27]

Có thể tính toán bề mặt của cốt liệu được bao bọc bằng bitum khi chấp nhận một dạng xác định của hạt cốt liệu Hveem đã tính toán các chỉ số tỷ diện tích bề mặt của các cỡ hạt với giả thiết hạt cốt liệu có dạng hình cầu và

có khối lượng riêng là 2.65 như ở Bảng 1.1

Bảng 1.1: Tỷ lê diện tích bề mặt điển hình [53]

Cỡ hạt (mm) Tỷ diện tích bề mặt (m2/kg) 0.075

0.150 0.300 0.600 1.180 2.360

>4.750

32.77 12.29 6.14 2.87 1.64 0.82 0.41

Độ dày của màng mỏng bitum khi đó được tính theo công thức lý thuyết sau:

Trong đó: T- độ dày của màng bitum, mm;

B - khối lượng riêng của bitum, kg/m3; SAF - tỷ diện tích bề mặt của cốt liệu, m2/kg;

b - hàm lượng bitum, %

Diện tích bề mặt của cốt liệu đựơc tính bằng cách nhân tổng phần trăm lượng lọt qua lỗ sàng với tỷ diện bề mặt tương ứng Khi cốt liệu gồm các kích

cỡ hạt khác nhau thì có thể tính riêng cho từng cỡ hạt

Về cấu trúc của bitum trong lớp mỏng trên bề mặt của hạt và bột đá được giải thích theo nhiều lý thuyết khác nhau Theo tác giả I.A Rưbev cho rằng có một lực dính bám của lớp mỏng này với bề mặt của đá Theo tác giả Karolev lớp bitum này gồm có lớp bitum tự do, lớp bitum cứng và ở giữa là lớp bitum được trộn với bột đá (chất liên kết Asphalt) Theo các tác giả ở Mỹ cho rằng lớp bitum ở trên bề mặt khoáng bao gồm 2 vùng, một vùng để thấm vào vật liệu đá và một vùng hiệu quả để tạo nên lực liên kết với đá

Cường độ, khối lượng riêng và độ dẻo của bitum trong lớp phủ trên bề mặt của vật liệu khoáng sẽ tạo nên khả năng dính bám với bề mặt của hạt Chiều dày lớp phủ bitum phụ thuộc vào độ lớn của các hạt Theo I.B Karolev trên các hạt có đường kính nhỏ hơn 0.071mm chiều dày của màng bitum khoảng 0.2 m, còn trên các hạt đá dăm chiều dày của màng bitum từ 10-

SAF

1ρ

1b100

bT

b

20 m Trên bề mặt của vật liệu khoáng có tác động đầm lèn thì chiều dày của màng bitum thường nhỏ hơn 10 m

Thành phần bột đá phân tán mạnh có thể làm thay đổi cấu trúc bitum trong lớp mỏng bằng cách sử dụng thêm các phụ gia ở dạng keo Các vật liệu phải sạch, khô và không có bụi bám Lực dính bám phụ thuộc vào độ nhớt của bitum Khi độ nhớt của bitum càng cao, thì thời gian làm ướt cốt liệu càng lâu Sự dính kết đó bị suy yếu do sự can thiệp của nước Khi có tác động của nước sẽ gây hiện tượng không kết dính khi có nước Nếu cốt liệu là các đá axít ưa nước, nước có tác dụng làm giảm lực dính kết và có khả năng thâm nhập vào giữa màng bitum và cốt liệu, làm tách bitum ra khỏi cốt liệu

1.4 Tính chất của bê tông Asphalt.[14]

1.4.1 Mở đầu

Các tính chất của hỗn hợp bê tông Asphalt và bê tông Asphalt đã đầm nén làm mặt đường bao gồm tính chất liên quan đến đặc tính thể tích và tính chất cơ học Chất lượng (độ ổn định) của bê tông Asphalt phụ thuộc vào cường độ nén, khả năng chịu uốn và mức độ đầm chặt khi thi công

Độ an toàn là rất quan trọng đảm bảo cho xe cộ di chuyển an toàn trên bề mặt Điều này được xác định khả năng chống trượt và thoát nước bề mặt

Yêu cầu độ bền của bê tông Asphalt phải đảm bảo độ ổn định và cường

độ chống trượt trong suốt thời gian thiết kế, khai thác

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

Để xác định các chỉ tiêu đặc tính thể tích của bê tông Asphalt, cần thiết phải thí nghiệm và tính toán các chỉ tiêu sau:

- Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của vật liệu thành phần: tỷ trọng của cốt liệu thô (đá dăm), tỷ trọng của cốt liệu mịn (cát thiên nhiên, cát xay từ đá), tỷ trọng của bitum, tỷ trọng của bột khoáng

- Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của hỗn hợp bê tông Asphalt: tỷ trọng biểu kiến của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông Asphalt, tỷ trọng khối của hỗn hợp bê tông Asphalt ở trạng thái rời (chưa đầm), tỷ trọng khối của hỗn hợp bê tông Asphalt khi đã được đầm nén, tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bê tông Asphalt ở trạng thái rời (chưa đầm)

Các tính chất cơ học của bê tông Asphalt: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến cường độ của hỗn hợp bê tông Asphalt sau khi đầm nén nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp bê tông Asphalt có đủ cường độ và độ bền sau khi xây dựng và trong quá trình khai thác dưới tác động của tải trọng xe chạy và các yếu tố môi trường

Khi tải trọng bánh xe tác dụng xuống mặt đường, có hai ứng suất được truyền tới mặt đường bê tông Asphalt: ứng suất thẳng đứng và ứng suất nằm ngang Với ứng suất thẳng đứng sinh ra biến dạng lún của kết cấu mặt đường

và gây ra ứng suất kéo lớn nhất dưới đáy lớp vật liệu bê tông Asphalt Hỗn hợp bê tông Asphalt vì vậy cần phải bền chắc và đủ khả năng đàn hồi để chống lại ứng suất nén và ngăn không cho xuất hiện biến dạng vĩnh cửu

Bê tông Asphalt phải có đủ cường độ kéo để chống lại các ứng suất kéo sinh ra ở đáy lớp bê tông Asphalt và có đủ độ đàn hồi để chống lại các tác động của tải trọng mà không sinh ra hiện tượng nứt mỏi

Cùng với các tác động của tải trọng và môi trường, mặt đường bê tông Asphalt sẽ dần dần bị hư hỏng theo bốn hình thức chính dưới đây phụ thuộc vào cơ chế chịu tải trọng xe chạy và điều kiện môi trường, đó là:

- Biến dạng vĩnh cửu;

- Nứt mỏi;

- Nứt ở nhiệt độ thấp

- Chảy Asphalt lên bề mặt

Để xác định các tính chất cơ học của bê tông Asphalt, trên thế giới tùy theo truyền thống, tùy theo phương pháp thiết kế bê tông Asphalt và tùy theo điều kiện phát triển của từng nước, mà có nhiều phương pháp thí nghiệm khác nhau được áp dụng cho mỗi nước Trong quá trình phát triển, nhiều phương pháp thí nghiệm cơ học của bê tông Asphalt được bổ sung cho phù hợp với điều kiện làm việc của mặt đường bê tông Asphalt, và cũng có không ít

phương pháp được loại bỏ do ít được áp dụng Nhìn chung các phương pháp thí nghiệm cơ học của bê tông Asphalt hiện nay thường sử dụng mô hình tải trọng trùng phục, nhằm mô phỏng các tác động do tải trọng và yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) gây ra trên lớp mặt đường bê tông Asphalt

Các tính chất cơ học của bê tông có thể phân theo các nhóm sau:

- Các tính chất cơ học phục vụ cho thiết kế hỗn hợp bê tông Asphalt: được tiến hành phục vụ việc thiết kế lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp bê tông Asphalt Mẫu bê tông Asphalt thiết kế vừa phải thoả mãn các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích, vừa phải thoả mãn các tính chất cơ học được quy định tương ứng với phương pháp đó

- Các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông Asphalt tại Lào chủ yếu sử dụng chỉ tiêu theo AASHTO, Việt Nam, Trung quốc cho từng dự án Chương 2 trình

bày các chỉ tiêu cho bê tông tại Lào

1.4.2 Các tính chất cơ học của bê tông Asphalt

phục vụ cho tính toán kết cấu: tuỳ thuộc các phương pháp tính toán thiết kế kết cấu mặt đường khác nhau, trong đó quy định các chỉ tiêu cơ học của bê tông Asphalt cần thiết phục vụ tính toán xác định chiều dày cần thiết của lớp bê tông Asphalt mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và các yếu tố môi trường

Phân nhóm các phương pháp thí nghiệm cơ học của bê tông Asphalt theo phương của lực tác dụng trên mẫu thì có các loại:

- Thí nghiệm với lực tác động theo phương đường kính của mẫu hình trụ tròn;

- Thí nghiệm với lực tác động dọc trục mẫu hình trụ tròn;

- Thí nghiệm với lực tác động 3 trục trên mẫu hình trụ tròn;

- Thí nghiệm cắt;

- Thí nghiệm kéo;

- Thí nghiệm kéo uốn trên mẫu hình dầm

Phân nhóm các phương pháp thí nghiệm cơ học theo kiểu tác dụng của lực thì có các loại:

- Thí nghiệm với lực gia tải tĩnh;

- Thí nghiệm với lực gia tải động, nhiều chu kỳ gia tải

Dưới đây trình bày một số tính chất cơ học của bê tông Asphalt và các phương pháp thí nghiệm liên quan được sử dụng khá phổ biến trên thế giới và

ở Việt Nam, Lào hiện nay và định hướng cho tương lai Tại Việt Nam, Lào,

Mỹ sử dụng độ ổn định Marshall, độ dẻo Marshall Các đặc tính thể tích Ở Nga sử dụng chỉ tiêu chường độ nén, kháng cát và độ ổn định nước, nhiệt độ, quan niệm và tính năng khác biệt cơ bản

Thí nghiệm Marshall được thực hiện trên mẫu bê tông Asphalt hình trụ tròn có đường kính D = 101,6mm; chiều cao H = 63mm, được chế tạo tại

phòng thí nghiệm hoặc mẫu khoan từ mặt đường

Mẫu bê tông Asphalt được trộn ở nhiệt độ quy định, được tạo mẫu trong khuôn Marsahll với số chày đầm và nhiệt độ quy định Sau khi ngâm mẫu trong nước có nhiệt độ 60oC trong khoảng thời gian 30 - 40 phút, mẫu được lấy ra và đặt vào thiết bị Marshall để thí nghiệm (Hình 1.2) Lực nén có tốc độ 50,8mm/phút tác dụng dọc theo phương đường sinh cho tới khi mẫu bị phá hoại

Trong trường hợp mẫu thí nghiệm có chiều cao khác với chiều cao tiêu chuẩn, độ ổn định Marshall bằng độ lớn của lực phá hoại mẫu nhân thêm với

hệ số hiệu chỉnh chiều cao

Hình 1.2: Thí nghiệm xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall

Độ ổn định, độ dẻo Marshall cũng có thể đƣợc sử dụng để xác định giá trị thông số Marshall của bê tông Asphalt theo công thức thực nghiệm của Nijboer nhƣ sau:

) / ( 16

0 60

F

S x E

Bảng 1.2: Độ ổn định, độ dẻo với bê tông Asphalt thiết kế theo Marshall

Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu

cầu của hỗn hợp bê tông

Asphalt theo Marshall

Giao thông nhẹ Giao thông vừa Giao thông nặng

Lào Lớp mặt &

Móng trên

Lớp mặt &

Móng trên

Lớp mặt &

Móng trên

Tính chất cường độ chịu nén, tính ổn định nước và tính ổn định nhiệt của bê tông Asphalt được đánh giá thông qua các chỉ tiêu:

hệ số ổn định nước và hệ số ổn định nhiệt, và được xác định theo các công thức sau:

- Hệ số ổn định nước được tính theo công thức: Kn = Rnbh20/ Rnk20

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

Theo 22 TCNVN 249-98, hỗn hợp bê tông atphalt chặt khi thiết kế phải thảo mãn các yêu cầu về đặc tính thể tích (độ rỗng dư) và các tính chất cơ học Bảng 1.3, ГОСТ9128-2009 (Nga) [32]

Bảng 1.3: Yêu cầu về các chỉ tiêu cơ lý của bê tông Asphalt chặt

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

1.4.3.4 Cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ), cường độ chịu cắt (các chỉ tiêu

cơ học từ các tính chất này phục vụ cho phương pháp thiết kế Super Pave)

Theo phương pháp Super Pave (Mỹ), các chỉ tiêu cơ học phục vụ cho thiết kế hỗn hợp bê tông Asphalt bao gồm các chỉ tiêu cường độ của hỗn hợp

bê tông Asphalt và dự báo khả năng làm việc thực tế của mặt đường bê tông Asphalt trên cơ sở kết quả của các chỉ tiêu cơ học sau:

- Kéo gián tiếp (IDT) để xác định mô đun đàn hồi và hệ số poát xông (22TCN 274-01, ASTM D4123, AASHTO TP31);

- Cắt (SST), được sử dụng để xác định đặc tính biến dạng vĩnh cửu (vệt hằn lún bánh xe) và nứt do mỏi

1.4.4 Các chỉ tiêu cơ học phục vụ thiết kế kết cấu mặt đường [14]

1.4.4.1 Mô đun đàn hồi (22TCN211-2006)

Mô đun đàn hồi của bê tông Asphalt được xác định bằng thí nghiệm trên mẫu hình trụ tròn có chiều cao bằng một nửa hoặc bằng đường kính (thường sử dụng mẫu có kích thước D = H = 10cm) theo mô hình nén dọc trục

nở hông tự do, gia tải bằng tải trọng tĩnh và bảo dưỡng mẫu ở các điều kiện khác nhau tuỳ theo yêu cầu thí nghiệm, cụ thể:

- Ở 300C khi tính cường độ theo tiêu chuẩn độ lún đàn hồi

- Ở 100C (với lớp bê tông Asphalt có chiều dầy dưới 6cm), 150C (với lớp bê tông Asphalt có chiều dầy từ 7-12cm) khi dùng để tính toán cường độ theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn

- Ở 600C khi dùng để tính theo điều kiện trượt

Mẫu được nén với chế độ gia tải một lần với áp lực p = 5daN/cm2 và được giữ nguyên cho tới khi biến dạng ổn định (khi tốc độ biến dạng chỉ còn 0.01mm/phút) Sau đó dỡ tải và đợi biến dạng hồi phục cũng đạt được ổn định như trên thì đọc đồng hồ đo biến dạng để xác định trị số biến dạng đàn hồi

Mô đun đàn hồi (Eđh) được xác định theo công thức (1-2):

(1-2) Trong đó:

áp lực thẳng đứng (p) khác nhau (tải trọng lớn nhất không vượt quá ứng suất

có thể xảy ra trong kết cấu mặt đường)

Ứng với mỗi giá trị áp lực p ta sẽ thu được một giá trị cường độ chống cắt ( ), từ đó ta xác định được trị số lực dính đơn vị (c) và góc nội ma sát ( ) theo phương trình sau:

Trong đó:

: Sức chống cắt giới hạn (daN/cm2) ;

)8.6()

/(

l D pH

E dh

p: Áp lực thẳng đứng khi thí nghiệm cắt phẳng (daN/cm2)

Hình 1.3: Mô hình thí nghiệm cắt tĩnh xác định c,

1.4.4.3 Cường độ kéo uốn giới hạn (22TCN 211-06)

Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu dầm có kích cỡ không nhỏ hơn 4x4x16 (cm), chế tạo trong phòng bằng cách gia tải trọng tĩnh có độ lớn 300daN/cm2 hoặc cắt mẫu dầm từ mặt đường (Hình 1.4)

Hình 1.4: Mô hình thí nghiệm cường độ kéo uốn

Độ lớn của tải trọng tại thời điểm mẫu bị phá hoại được sử dụng để tính cường độ kéo uốn giới hạn (Rku) theo công thức (1.4):

(1-4)Trong đó:

P: Tải trọng phá hoại mẫu (daN)

L: Khoảng cách giữa hai gối tựa (cm)

b, h: Chiều rộng và chiều cao mẫu (cm)

1.4.4.4 Cường độ ép chẻ (22TCN 211-93, ASTM D4123, Tiêu chuẩn Trung Quốc, Tiêu chuẩn Liên Bang Nga)

)10.6()

/(2

bh PL

R ku

Thí nghiệm này phục vụ cho tính toán cường độ chịu kéo uốn giới hạn của bê tông Asphalt theo công thức Rku = K Rech (với K là hệ số tương quan thực nghiệm) phục vụ thiết kế kết cấu mặt đường theo 22TCN 211-06

Hiện nay, quy trình tính toán thiết kế kết cấu mặt đường mềm của Trung Quốc-JTJ 014-97, của Liên Bang Nga cũng sử dụng cường độ ép chẻ thay cho cường độ kéo uốn giới hạn

Theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06, thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ

10oC hoặc 15oC; theo tiêu chuẩn ASTM D4123, thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm kéo gián tiếp tải trọng trùng phục xác định mô đun đàn hồi và hệ số poisson (5o

P: Lực phá hoại mẫu (daN);

d, h: Đường kính và chiều cao mẫu (cm);

Hình 1.5: Mô hình thí nghiệm ép chẻ

)11.6()

/(

cm daN dh

P

R ech

TÊm gia t¶i

TÊm gia t¶i MÉu thÝ nghiÖm

P

P

Hình 1.6: Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ

1.4.4.5 Xác định biến dạng vĩnh cửu- vệt hằn lún bánh xe

Các thí nghiệm mô phỏng được sử dụng để thí nghiệm các đặc trưng biến dạng vĩnh cửu (vệt hằn bánh xe), nứt mỏi và nứt do nhiệt độ thấp của vật liệu bê tông Asphalt

Các thiết bị thí nghiệm mô phỏng thường có kiểu mô phỏng vệt bánh

xe LWT (Loaded wheel tester), và hiện nay trên thế giới có nhiều loại thiết bị thí nghiệm mô phỏng, các loại thiết bị này được phân thành 2 nhóm:

- Thí nghiệm trong phòng;

- Thí nghiệm tại hiện trường

Trong đó, các thí nghiệm mô phỏng ngoài hiện trường tương đối phức tạp, đòi hỏi phải xây dựng những đoạn đường thí nghiệm tốn kém, thời gian thí nghiệm lâu hơn so với các thí nghiệm mô phỏng trong phòng Do vậy trong thực tế hiện nay thường sử dụng các thí nghiệm mô phỏng trong phòng

Trên thế giới hiện nay thường sử dụng các loại thiết bị thí nghiệm mô phỏng trong phòng chủ yếu sau:

- Thiết bị Asphalt Pavement Analyzer (APA);

- Thiết bị Hamburg Wheel Tracking Device (HWTD);

- Thiết bị French Rutting Tester (FRT)

Nhìn chung, nguyên lý làm việc và thí nghiệm để xác định vệt hằn lún bánh xe của 3 thiết bị nêu trên là tương đương Thiết bị APA được áp dụng

phổ biến hiện nay ở Mỹ Sau đây nêu chi tiết về thiết bị và phương pháp thí nghiệm của APA

Thí nghiệm vệt hằn bánh xe (AASHTO TP63)

Thí nghiệm được thực hiện ở điều kiện:

- Tải trọng tác dụng của bánh xe thí nghiệm là 578N; áp lực trong ống cao su là 896kPa

- Nhiệt độ thí nghiệm lấy tương ứng với cấp nhựa sử dụng (theo tiêu chuẩn phân loại nhựa của Superpave)

Thí nghiệm được thực hiện trên 6 mẫu hình trụ có đường kính D=150mm, chiều cao H=75 2mm hoặc mẫu có đường kính D=150mm, chiều cao H=115 2mm hoặc trên 3 mẫu hình dầm có chiều rộng B=125mm, chiều cao H=75 2mm, chiều dài L=300mm Nếu là mẫu hình trụ khoan ở hiện trường, yêu cầu chiều cao tối thiểu H=50mm

Đối với mẫu hình trụ chế tạo trong phòng, có thể đầm nén bằng thiết bị đầm xoay SGC (Superpave Gyratory Compactor) hoặc thiết bị đầm rung (Vibratory Compactor), mẫu chế bị phải đạt độ rỗng dư bằng 4.0 0.5%

Đối với mẫu hình dầm chế bị trong phòng, đầm nén bằng thiết bị đầm rung (Vibratory Compactor), mẫu chế bị phải đạt độ rỗng dư bằng 5.0 0.5%

Trước khi thí nghiệm, mẫu được đặt trong tủ nhiệt ở nhiệt độ thí nghiệm trong khoảng thời gian 6 giờ Sau đó đặt mẫu vào vị trí thí nghiệm, và cho thiết bị hoạt động với số chu kỳ bánh xe tác dụng lên mẫu là 8000 Sau khi kết thúc quá trình thí nghiệm, thiết bị sẽ tự động đo xác định chiều sâu vệt hằn bánh xe (xem hình 1.7,1.8,1.9)

Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm vệt hằn bánh xe trên thiết bị APA

Lùc t¸c dông

MÉu thÝ nghiÖm

èng cao su

¸p lùc cao

Hình 1.8: Bộ phận gia tải của thiết bị APA

Hình 1.9: Mẫu sau khi thí nghiệm vệt hằn bánh xe dùng thiết bị APA 1.4.5 Thí nghiệm mỏi

Thí nghiệm được thực hiện với tải trọng bánh xe tác dụng là 1113N Trong thí nghiệm này, các bánh xe tác dụng trực tiếp lên mẫu (không sử dụng các ống cao su)

Kết quả thí nghiệm là số chu kỳ tác dụng của bánh xe làm cho mẫu bị phá hoại sẽ được sử dụng để thiết kế kết cấu mặt đường hoặc tính toán tuổi thọ mỏi của bê tông Asphalt (xem các hình 1.10,1.11,1.12)

Hình 1.10 Mô hình thí nghiệm mỏi

MÉu thÝ nghiÖm

1113 N

Hình 1.11: Bộ phận gia tải thí nghiệm mỏi trên thiết bị APA

Hình 1.12: Mẫu sau khi thí nghiệm mỏi trên thiết bị APA

1.4.6 Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp bê tông Asphalt rải mặt đường

1.4.6.1 Các định nghĩa

Cốt liệu khoáng có chứa các lỗ nhỏ li ti và có khả năng thấm nước cũng như thấm bitum với các mức độ khác nhau Tỷ lệ phần trăm về độ thấm nước/

độ thấm của bitum vào cốt liệu đá là khác nhau đối với từng loại cốt liệu Có

3 phương pháp xác định tỷ trọng của cốt liệu được quan tâm đó là: tỷ trọng khối ASTM, tỷ trọng biểu kiến ASTM và tỷ trọng có hiệu Sự khác nhau giữa các tỷ trọng này xuất phát từ những định nghĩa khác nhau về thể tích cốt liệu

Lç rçng cã kh¶ n¨ng thÊm n-íc nh-ng kh«ng ®-îc lÊp ®Çy bëi nhùa (PhÇn cèt liÖu cña tû träng cèt liÖu)

Lç rçng cã kh¶ n¨ng thÊm n-íc (PhÇn cèt liÖu cña tû träng khèi, kh«ng cña tû träng biÓu kiÕn)

Lç rçng cã kh¶ n¨ng thÊm nhùa (hÊp phô nhùa)

Nhùa cã hiÖu

Cèt liÖu

§é rçng

d-Hình 1.13: Các định nghĩa về các loại tỷ trọng

Các định nghĩa về các loại tỷ trọng như sau:

- Tỷ trọng khối ( Sb) là tỷ lệ giữa khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích cốt liệu có tính thấm nước (gồm cả các lỗ rỗng có tính thấm nước và các lỗ rỗng không có tính thấm nước) ở một nhiệt độ xác định chia cho khối lượng cân trong không khí có cùng mật độ của một thể tích tương đương nước cất không có bọt khí ở một nhiệt độ xác định

- Tỷ trọng biểu kiến ( Sa) là tỷ lệ giữa khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích cốt liệu không có tính thấm nước ở một nhiệt độ xác định chia cho khối lượng cân trong không khí có cùng mật độ của một thể tích tương đương nước cất không có bọt khí ở một nhiệt độ xác định

- Tỷ trọng có hiệu ( Se) là tỷ lệ giữa khối lượng cân trong không khí của một đơn vị thể tích cốt liệu có tính thấm nước (loại trừ các lỗ rỗng có tính thấm bitum) ở một nhiệt độ xác định chia cho khối lượng cân trong không khí có cùng mật độ của một thể tích tương đương với nước cất không có bọt khí ở một nhiệt độ xác định

Các định nghĩa về độ rỗng cốt liệu, hàm lượng bitum có hiệu, độ rỗng

dư và lượng bitum lấp chỗ rỗng như sau:

- Độ rỗng cốt liệu (VMA) là thể tích các khe rỗng tại giữa các hạt cốt liệu trong hỗn hợp, nó bao gồm độ rỗng dư và hàm lượng bitum có hiệu, được xác định theo % của tổng thể tích mẫu

- Hàm lượng bitum có hiệu (Pbe) là tổng hàm lượng bitum có trong hỗn hợp trừ đi phần bitum bị mất đi do thấm vào cốt liệu

- Độ rỗng dƣ (Va) là tổng thể tích của các túi khí nhỏ nằm giữa các cốt liệu đã đƣợc bao bọc bitum có trong hỗn hợp sau khi đã lu lèn, xác định theo

- Vba- thể tích bitum thấm nhập vào cốt liệu ;

- Vsb- thể tích cốt liệu khoáng (theo tỷ trọng khối) ;

- Vsc- thể tích cốt liệu khoáng (theo tỷ trọng có hiệu)

Viện bê tông Asphalt khuyên rằng trị số VMA nên tính theo tỷ trọng khối của cốt liệu và tỷ trọng có hiệu sẽ là cơ sở để tính độ rỗng dƣ trong hỗn hợp

Độ rỗng cốt liệu và độ rỗng dƣ đƣợc tính theo % của hỗn hợp Hàm lƣợng bitum lấp lỗ rỗng là phần trăm của độ rỗng cốt liệu đƣợc lấp đầy bởi bitum có hiệu Tuỳ theo hàm lƣợng bitum là bao nhiêu mà nó có thể đƣợc tính

là phần trăm của khối lƣợng bitum so với tổng khối lƣợng của hỗn hợp hay là

phần trăm của khối lượng bitum so với tổng khối lượng của cốt liệu có trong hỗn hợp

Vì độ rỗng dư và độ rỗng cốt liệu thể hiện theo thể tích, chúng không thể xác định được bằng cách cân, do đó hỗn hợp bê tông Asphalt phải được thiết kế hoặc phân tích dựa trên cơ sở thể tích

1.4.6.2 Phân tích hỗn hợp bê tông Asphalt sau khi đầm nén

1.4.6.2.1 Các chỉ tiêu xác định qua thí nghiệm

1 Xác định tỷ trọng của cốt liệu thô (AASHTO T85 hoặc ASTM C127) và của cốt liệu mịn (AASHTO T84 hoặc ASTM C128)

2 Xác định tỷ trọng của bitum (AASHTO T228 hoặc ASTM D70) và của bột khoáng (AASHTO T100 hoặc ASTM D854)

3 Tính toán tỷ trọng biểu kiến của cốt liệu trong hỗn hợp

4 Xác định tỷ trọng khối của hỗn hợp ở trạng thái rời

5 Xác định tỷ trọng khối của hỗn hợp khi đã được lu lèn (theo ASTM hoặc ASTM D2726)

1.4.6.2.2 Các chỉ tiêu xác định qua tính toán

1 Tính toán tỷ trọng có hiệu của hỗn hợp cốt liệu với các hàm lượng bitum

2 Tính toán tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp ở các hàm lượng bitum khác nhau

3 Tính toán khả năng hấp thụ bitum của cốt liệu

4 Tính toán hàm lượng bitum có hiệu trong hỗn hợp

5 Tính toán độ rỗng trong vật liệu khoáng

6 Tính toán % độ rỗng dư trong hỗn hợp sau khi lu lèn

7 Tính toán độ rỗng lấp đầy bitum

Tỷ trọng (biểu kiến) của cốt liệu AASHTO T85

1.5 Các phương pháp sản xuất bê tông Asphalt[14]

1.5.1 Trộn bê tông Asphalt

1.5.1.1 Phân loại trạm trộn

Theo tính năng sản xuất có thể có 3 dạng trạm trộn:

- Trạm trộn chu kỳ (theo từng mẻ) sấy nóng gián tiếp;

- Trạm trộn chu kỳ sấy nóng trực tiếp;

- Trạm trộn liên tục sấy nóng trực tiếp