Nghiên cứu thực nghiệm sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt thoi dẹt trong hỗn hợp bê tông nhựa đến cường độ lớp mặt đường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG HẠT THOI DẸT TRONG HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA ĐẾN CƯỜNG ĐỘ LỚP MẶT ĐƯỜNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM

LƯỢNG HẠT THOI DẸT TRONG HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

ĐẾN CƯỜNG ĐỘ LỚP MẶT ĐƯỜNG

Chuyên ngành: XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Chánh

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại: Hội đồng chấm luận văn thạc sỹ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày…… tháng…… Năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: VÕ NHƯ BÌNH Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21/11/1975 Nơi sinh : TP.HCM

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố MSHV : 00108522

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM

LƯỢNG HẠT THOI DẸT TRONG HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

2- Nội dung luận văn:

Chương I: Tổng quan

Chương II: Cơ sở về bê tông nhựa và các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Chương III: nghiên cứu chế tạo mẫu bê tông nhựa để thí nghiệm các chỉ tiêu cơ

lý và các đặc trưng tính toán về tiêu chuẩn cường độ của lớp mặt đường bê tông nhựa

Chương IV: Nghiên cứu thực nghiệm các tính chất cơ lý và đặc trưng tính toán của bê tông nhựa để đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt thoi đến cường độ lớp mặt đường

Chương V: Kết luận và kiến nghị

III- Ngày giao nhiệm vụ: 25/01/2010

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 02/07/2010

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS NGUYỄN VĂN CHÁNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sỹ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

QL CHUYÊN NGÀNH CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Qua một thời gian theo học lớp Cao học chuyên ngành xây dựng đường ơ tơ và đường thành phố tại trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tơi đã được học tập và nghiên cứu rất nhiều những vấn

đề hữu ích phục vụ cho cơng việc sau này Những kiến thức thu nhận được đã làm cho tơi khá tự tin trong giải quyết cơng việc ở cơ quan cũng như đem kiến thức mới này để giúp đỡ bạn bè, đồng nghiệp Đây cũng là một cơ hội rất tốt giúp chúng tơi tiếp cận và học hỏi những kinh nghiệm quý giá ở các thầy cơ đi trước cũng như tiếp cận đến những tri thức khoa học mới

Nhân đây, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Nguyễn Văn Chánh đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt lại cho tơi một

số kiến thức rất bổ ích Đây chính là khởi đầu thuận lợi cho tơi trong việc học tập và nghiên cứu tiếp theo

Xin được gởi lời cảm ơn đến quý thầy cơ Bộ mơn Xây dựng Cầu đường đã nhiệt tình giảng dạy chúng tơi trong suốt thời gian qua và giúp chúng tơi thu thập thêm nhiều kiến thức, thơng tin vơ cùng quý giá phục

vụ cho cơng tác sau này

Trong thời gian thực hiện luận văn thạc sỹ, ngồi cố gắng của bản thân tơi cịn nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của ban giám đốc và các cán bộ kỹ thuật của nhà máy bê tơng Lê Phan, Nhơn Trạch, Đồng Nai;

sự đĩng gĩp ý kiến chân thành của đồng nghiệp và bạn bè khắp nơi; sự động viên và giúp đỡ về tinh thần của gia đình…đã tạo điều kiện tối đa cho tơi về thời gian để thực hiện luận văn cao học Đĩ chính là nguồn động lực to lớn giúp tơi hồn thành luận văn này

Cuối cùng, xin gởi lời chúc sức khỏe và hạnh phúc đến quý thầy

cơ, gia đình, các anh chị và bạn bè

TÓM TẮT LUẬN VĂN

I Tính cấp thiết của đề tài

Mặt đường bê tơng nhựa hiện nay ở Việt Nam mặc dù được thiết kế theo quy trình 22 TCN 211-06; thi cơng và nghiệm thu theo 22 TCN 249-98, xong trong cơng tác thi cơng và nghiệm thu mặt đường bê tơng nhựa hiện nay hầu như chưa được thực hiện việc kiểm tra chất lượng một cách nghiêm túc đúng theo quy định mà vẫn cĩ sự du di tạm chấp nhận một số chỉ tiêu kỹ thuật nào đĩ trong khung tiêu chuẩn nghiệm thu đề ra ban đầu nhằm hồn tất

hồ sơ hồn cơng quyết tốn cơng trình theo đúng quy trình xây dựng Một trong số đĩ là chỉ tiêu về hàm lượng hạt thoi dẹt của đá dăm trong hỗn hợp

bê tơng nhựa quy định khơng vượt quá 15% khối lượng đá dăm trong hỗn hợp Đây là địi hỏi rất khắc khe, vì thực tế tình hình sản xuất đá dăm chế tạo

bê tơng nhựa ở Việt Nam đa số các trạm nghiền sàng hầu như khơng thể đáp ứng được chỉ tiêu này và các đơn vị sản xuất bê tơng nhựa cũng khơng cĩ biện pháp khắc phục nguồn vật liệu đá đầu vào trước khi chế tạo vì vấn đề kinh tế và cạnh tranh hạ giá thành sản phẩm

Chính vì hàm lượng hạt dẹt khơng thể đáp ứng trong tình hình nước ta hiện nay đã gây lúng túng cho các chủ đầu tư, đơn vị tư vấn thiết kế cũng như tư vấn giám sát chất lượng cơng trình trong cơng việc nghiệm thu mặt đường theo quy định Xuất phát từ tình hình đĩ, việc " Nghiên cứu đánh giá

sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt thoi dẹt trong hỗn hợp bê tơng nhựa đến cường độ lớp mặt đường" là vấn đề thực sự cần thiết

II Mục đích nghiên cứu

Tiến hành thí nghiệm và nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt thoi dẹt trong hỗn hợp cốt liệu đá dăm làm bê tơng nhựa đến các chỉ tiêu cơ lý của bê tơng nhựa theo “quy trình cơng nghệ thi cơng và nghiệm thu mặt đường bêtơng nhựa 22 TCN 249 -98”; các đặc trưng tính tốn của

III Nhiệm vụ của đề tài

− Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo các mẫu thí nghiệm cho từng hỗn hợp

bê tông nhựa có hàm lượng hạt dẹt khác nhau:10%, 15%, 20%, 25%, 35% để phục vụ đề tài

− Thí nghiệm xác định các chỉ cơ lý của từng hỗn hợp bê tông nhựa có

hàm lượng hạt dẹt thay đổi theo quy trình 22 TCN 62 – 84 và 22 TCN

249 – 98

− Thí nghiệm xác định các đặc trưng tính toán của từng hỗn hợp bê tông

nhựa có hàm lượng hạt dẹt thay đổi theo ba tiêu chuẩn về cường độ của quy trình 22 TCN 211 – 06

− Tổng hợp số liệu, vẽ các biểu đồ so sánh

− Đưa ra nhận xét và giải thích các kết quả đạt được

− Kết luận và kiến nghị

IV Những đóng góp mới của luận văn

1 Đề xuất mới một hàm lượng hạt dẹt cao hơn và cụ thể hơn với so quy định hiện hành trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam

2 Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của luận văn có thể giúp cho các đơn vị chế tạo sản xuất bê tông nhựa kiểm soát lại chất lượng và giá thành sản phẩm của mình khi cung cấp ra bên ngoài

3 Là một tư liệu tham khảo hữu ích cho các chủ đầu tư, tư vấn thiết kế,

tư vấn giám sát trong việc xây dựng đề cương về tiêu chuẩn kỹ thuật nghiệm thu cho một cấp công trình cụ thể nào đó tại một địa phương nào đó mà điều kiện sản xuất vật liệu đá khó đạt yêu cầu theo quy định

ở nước ta hiện nay

V Bố cục của luận văn

Toàn bộ luận văn bao gồm 5 chương 70 trang thuyết minh, 25 bảng biểu,

30 hình vẽ gồm các ảnh chụp và đồ thị, 10 phụ lục, 20 tài liệu tham khảo

Phần thuyết minh

Chương I: Tổng quan

Chương II: Cơ sở về bê tông nhựa và các phương pháp ngiên cứu thực nghiệm

Chương III: nghiên cứu chế tạo mẫu bê tông nhựa để thí nghiệm các chỉ tiêu

cơ lý và các đặc trưng tính toán về tiêu chuẩn cường độ của lớp mặt đường

bê tông nhựa

Chương IV: Nghiên cứu thực nghiệm các tính chất cơ lý và đặc trưng tính toán của bê tông nhựa để đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt thoi đến cường độ lớp mặt đường

Chương V: Kết luận và kiến nghị

Phần phụ lục

Phụ lục 1: Thành phần cấp phối cỡ hạt của cốt liệu BTNC 15 chọn làm thí nghiệm và các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm chế tạo bê tông nhựa

Phụ lục 2: Các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng chế tạo bê tông nhựa

Phụ lục 3: Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa bitum chế tạo bê tông nhựa

Phụ lục 4: Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích, độ ẩm bảo hòa và hệ số trương nở của bê tông nhựa

Phụ lục 5: Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích xốp của hỗn hợp cốt liệu (đá và bột khoáng) chế tạo bê tông nhựa

Phụ lục 6: Thí nghiệm xác định độ rỗng cốt liệu và độ rỗng dư của bê tông nhựa

Phụ lục 7: Thí nghiệm mác san và các kết quả

Phụ lục 8: Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích mẫu trụ và cường độ chịu nén của bê tông nhựa

Phụ lục 9: Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bê tông nhựa

Phụ lục 10: Thí nghiệm xác định cường độ ép chẻ, cường độ kéo uốn giới hạn của bê tông nhựa

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN

1.1 Ý nghĩa của bê tông nhựa (asphalt) trong xây dựng mặt đường ô tô:

Bê tông nhựa là loại vật liệu được dùng rất phổ biến làm lớp mặt đường ôtô ở Việt Nam cũng như trên thế giới Mạng lưới đường quốc gia ở Việt Nam hiện nay trên 90% chiều dài các tuyến quốc lộ, đường đô thị chủ yếu có lớp mặt có xử lý bằng bitum, trong đó phần lớn là dùng bê tông asphalt [2] Điều này cũng phù hợp trào lưu chung của thế giới, vật liệu gia cố bitum và bê tông asphalt đã và đang là các loại vật liệu rất thông dụng làm lớp mặt của kết cấu áo đường ôtô Công nghệ thi công lớp mặt đường bằng bê tông asphalt cũng đã trở nên quen thuộc với các nhà thầu Việt Nam

Bê tông nhựa được dùng chủ yếu làm các lớp mặt hoặc các lớp móng cho kết cấu áo đường của những tuyến đường cấp cao, đường cao tốc, đường thành phố và mặt cầu Lớp mặt đường ô tô làm bằng bê tông nhựa là các lớp kết cấu chịu lực quan trọng tham gia vào việc hình thành cường độ của kết cấu áo đường mềm Lớp mặt bê tông nhựa còn là lớp ngăn chặn nước xâm nhập xuống các lớp kết cấu khác

và xuống nền Ưu điểm của lớp mặt bê tông nhựa là: ít bụi, không ồn, ít bị hao mòn, với điều kiện khô ráo có thể đảm bảo xe chạy với tốc độ cao, dễ dàng bảo dưỡng sữa chữa… trong quá trình khai thác

1.2 Đặt vấn đề nghiên cứu:

1.2.1 Tổng quan về các yêu cầu kỹ thuật của lớp mặt đường bê tông nhựa:

Do có vị trí quan trọng như đã trình bày trên, bê tông nhựa đã và đang trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu chính của khoa học xây dựng đường ô tô Việc nâng cao chất lượng và tuổi thọ lớp mặt bê tông nhựa (asphalt) của kết cấu áo đường ở nước ta sẽ góp phần nâng cao chất lượng của cả mạng lưới đường ôtô và có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật to lớn Những cố gắng nhằm nâng cao chất lượng

và tuổi thọ của lớp mặt bê tông asphalt của kết cấu áo đường có thể đi theo các hướng cơ bản sau đây:

a) Sử dụng loại kết cấu áo đường phù hợp với tải trọng giao thông (tải trọng

trục xe và lưu lượng xe) và các điều kiện môi trường Việc làm này được cân nhắc cẩn thận trong bước thiết kế cơ sở và quyết định đầu tư:

− Bề dày lớp bê tông nhựa trong kết cấu áo đường một mặt ảnh hưởng quyết định

đến khả năng làm việc, cường độ và độ bền lâu dài của mặt đường Ở nước ta, chiều dày lớp bê tông asphalt được xác định theo quy trình thiết kế áo đường mềm 22 TCN 211 – 06 Theo tài liệu này, lớp bê tông asphalt được kiểm tra theo ba tiêu chuẩn về cường độ:

+ Ứng suất kéo uốn phát sinh ở đáy lớp bê tông nhựa được khống chế để không gây nứt dẫn đến phá hoại lớp bê tông đó

+ Độ võng đàn hồi của toàn bộ kết áo đường trong đó có lớp bê tông nhựa phải nhỏ hơn độ lún đàn hồi cho phép nhằm đảm bảo hạn chế được sự phát triển của hiện tượng mỏi trong vật liệu các lớp kết cấu dưới tác dụng trùng phục của xe

cộ, do đó bảo đảm duy trì được khả năng phục vụ của cả kết cấu đến hết thời hạn thiết kế

+ Toàn bộ kết cấu áo đường phải đảm bảo để ứng suất cắt trong nền đất và các lớp vật liệu chịu cắt trượt kém phải nhỏ hơn trị số giới hạn cho phép để đảm bảo trong chúng không xảy ra biến dạng dẻo (hoặc hạn chế sự phát sinh biến dạng dẻo);

− Cũng theo quy trình 22 TCN 211 – 06, các thông số tính toán cường độ và bề

dày áo đường mềm cần phải xác định tương ứng với thời kỳ bất lợi nhất về chế

độ thuỷ nhiệt (tức là thời kỳ nền đất và cường độ vật liệu của các lớp áo đường yếu nhất) Xét đến các điều kiện nhiệt ẩm, mùa hè là thời kỳ bất lợi vì mưa nhiều và nhiệt độ tầng mặt cao Do vậy khi tính toán cường độ theo tiêu chuẩn

độ lún đàn hồi, chỉ tiêu của bê tông nhựa được lấy tương ứng với nhiệt độ tính toán là 300C Tuy nhiên, tính toán theo tiêu chuẩn chịu kéo uốn thì tình trạng bất lợi nhất đối với bê tông nhựa lại là mùa lạnh (lúc đó các vật liệu này có độ cứng lớn), do vậy lúc này lại phải lấy trị số mô đun đàn hồi tính toán của chúng tương đương với nhiệt độ 10 – 150C Khi tính toán theo điều kiện cân bằng

trượt thì nhiệt độ tính toán của bê tông nhựa nằm phía dưới vẫn lấy bằng 300C, riêng với lớp nằm trên cùng lấy bằng 600C

b) Hoàn thiện công nghệ thi công áo đường và chế tạo hỗn hợp bê tông asphalt

theo hướng hiện đại hoá thiết bị và công nghệ:

− Ở nước ta hiện nay, khi chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa thì những yêu cầu kỹ

thuật về chất lượng vật liệu; công nghệ chế tạo; các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa phải tuân thủ theo quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bêtông nhựa 22 TCN 249 – 98

− Các đặc trưng về cường độ, độ ổn định của BTN cũng phụ thuộc rất lớn vào

thành phần và tính chất của vật liệu cấu thành; vào sự phân bố đều đặn các cỡ hạt và nhựa; vào công nghệ chế tạo cũng như thi công Một chỉ tiêu cơ lý quy định cho đá dăm làm cốt liệu sản xuất bê tông nhựa rải nóng theo quy trình 22 TCN 249 – 98 là hàm lượng hạt thoi dẹt (hạt có chiều dày hoặc chiều ngang nhỏ hơn hoặc bằng 1/3 chiều dài, chỉ tính cho hạt trên sàng 4,75mm) tối đa không quá 15% khối lượng đá dăm trong hỗn hợp cấp phối đá đăm Quy trình yêu cầu hàm lượng hạt dẹt tối đa không quá 15% nếu vượt quá tỷ lệ này thì sự ảnh hưởng đến chất lượng của bê tông nhựa cũng như cường độ lớp mặt đường

là một vấn đề chưa được nghiên cứu đánh giá cụ thể Thực tế thì tỷ lệ hạt thoi dẹt phụ thuộc rất lớn vào chất lượng mỏ đá, công nghệ khai thác và sản xuất đá của các trạm nghiền sàng cung cấp đá cho các trạm trộn

1.2.2 Tổng quan về tình hình sản xuất đá để chế tạo bê tông nhựa ở Việt Nam:

a) Công nghệ khai thác và và nghiền sàng đá:

Theo được biết đa số các trạm khai thác và nghiền sàng ở phía Nam đặc biệt là khu vực miền Đông Nam Bộ thường phân bố ở các tỉnh: Đồng Nai, Bình Dương, Bình Phước, Bà Rịa – Vũng Tàu và thành phố Hồ Chí Minh đều có sơ đồ công nghệ nghiền sàng (hình 1-1) dạng hai máy nghiền má (sơ cấp) bố trí cách nhau bởi hệ thống sàng và một máy nghiền côn thông thường (thứ cấp) [18]

Hình 1-1: Sơ đồ công nghệ trạm nghiền sàng ở mỏ đá Nhơn Trạch, Đồng Nai

Nguyên lý hoạt động như sau:

− Đá sau khi khai thác bằng nổ mìn thành đá hộc được xe vận chuyển 1 chở đổ

vào phễu chứa 2 Đáy phễu có băng tấm để đưa đá vào máy nghiền má 4

− Ra khỏi máy nghiền 4 (nghiền sơ cấp) đá được băng tải 5 đưa đá vào sàng

tuyển 6, tại đây tạp chất và một phần hữu cơ sẽ được tách ra, một phần nhỏ đá lọt sàng dùng được ngay (14,15) phần còn lại là đá hộc sẽ được đưa vào máy nghiền má 8 bằng băng tải 7

− Ra khỏi máy nghiền sơ cấp 8 sản phẩm nghiền được đưa vào sàng rung 11

(9,11) có nhiệm vụ phân loại ra một phần nhỏ sản phẩm đá đã đạt kích thước cho sử dụng Phần không lọt sàng sẽ dùng máy nghiền côn 10 (nghiền thứ cấp)

− Sau khi qua máy nghiền côn 10 đá được đưa trở lại vào sàng rung 11 để tiếp

tục phân loại, kết quả nghiền sàng sẽ phân loại các nhóm hạt thông dụng (12): 0-5mm, 5-10mm, 10-15mm và 20-25mm

Hình 1-2: Trạm nghiền sàng ở mỏ đá Nhơn Trạch, Đồng Nai

b) Các loại máy nghiền và sản phẩm của máy:

Các máy nghiền sơ cấp (nghiền lần 1) thường dùng là máy nghiền má kiểu hàm nhai (hình 1-3) Nguyên lý phá đá của 2 loại máy kiểu hàm nhai (hình 1-4) là ép vỡ

đá trong 2 hàm nên sản phẩm của nó thường dẹt, sắc cạnh

Máy nghiền sơ cấp 1 Máy nghiền sơ cấp 2

Hình 1-3: Máy nghiền sơ cấp ở mỏ đá Nhơn Trạch, Đồng Nai

Hình 1-4: Sơ đồ nguyên lý máy nghiền má ở mỏ đá Nhơn Trạch, Đồng Nai

Máy nghiền thứ cấp thường là máy nghiền côn (hình 1-5) Bộ phận làm việc của máy nghiền côn là hai cắt hình côn, một là côn tĩnh 2 (gọi là côn ngoài), kia là côn động 1 (gọi là côn trong) Đá nguyên liệu đưa vào phía trên của máy gặp côn nghiền 2 quay và đảo (do có độ lệch tâm) nên đá bị phá vỡ theo nguyên tắc ép và chà nên sản phẩm đều cạnh và năng suất cao so với máy nghiền má

Hình 1-5: Máy nghiền côn thông thường ở mỏ đá Nhơn Trạch, Đồng Nai

Nếu muốn đá có chất lượng tốt hơn thì có một số trạm thay máy nghiền sơ cấp

2 bằng máy nghiền côn nhưng đầu tư một lúc hai máy nghiền côn như vậy sẽ tốn

kém vì máy nghiền côn có giá rất cao so với nghiền kiểu hàm nhai nên đa số các trạm nghiền chỉ sử dụng tối đa là 01 máy nghiền côn mà thôi

Đa số máy nghiền hiện nay đều có nguồn gốc xuất xứ từ Trung Quốc đã và đang tận dụng tối đa công suất nên cũng giảm chất lượng sản phẩm phần nào

Số liệu thống kê một số kết quả thí nghiệm chất lượng đá dăm về chỉ tiêu hàm lượng thoi dẹt của trường Đại học Giao thông vận tải cơ sở 2, thành phố Hồ Chí Minh [18] như sau:

STT Tên trạm nghiền sàng đá dăm tại mỏ đá Hàm lượng hạt

thoi dẹt (%)

1 Mỏ đá 30 tháng 4 tỉnh Đồng Nai 13,0 – 40,0

2 Mỏ đá Suối Mơ, phường Long Bình, Quận 9, TPHCM 17,9 – 24,8

3 Các mỏ ở Bình Dương, Bình Phước (đá đen) 28,0 - 31,0 Như vậy hầu như các trạm nghiền sàng đá ở miền Nam nói riêng và có thể là ở Việt Nam đều cho ra sản phẩm đá có chỉ tiêu về hàm lượng hạt thoi dẹt quá quy định theo quy trình 22 TCN 249-98 là 15%

Theo chuẩn Liên Bang Nga mới ban hành ngày 24/04/2002, tiêu chuẩn đá dăm hiện đòi hỏi rất cao về chất lượng Tiêu chuẩn GOST 8276-93 được thay đổi lần 3

đã chia đá dăm phục vụ cho việc xây dựng thành 5 nhóm sản phẩm và mọi công trình phải tuân thủ chặt chẽ chỉ tiêu chất lượng Đây là đòi hỏi bắt buộc đá dăm phải

có chất lượng hình khối hộp (đá tròn), tỷ lệ hạt dẹt khống chế rất nghiêm ngặt Năm nhóm sản phẩm tương đương như sau:

Hiện nay tiêu chuẩn đá quy định cho trạm trộn bê tông xây dựng đang ở nhóm

2, tức là tỷ lệ hạt dẹt từ 10%-15% Các máy nghiền côn thông thường không thể cho

ra sản phẩm đá dăm với tỷ lệ dẹt dưới 15% Muốn đạt được tỷ lệ này thì phải dùng

máy nghiền côn mịn trong quá trình nghiền sàng đá (để loại bỏ tỷ lệ hạt dẹt trong sản phẩm) Đây là đòi hỏi rất khắc khe, vì máy nghiền côn thông thường cho sản phẩm có tỷ lệ dẹt tới trên 25% [19] Chính vì vậy muốn đảm bảo tỷ lệ dẹt theo quy định thì các trạm trộn nên tự trang bị cho mình máy nghiền côn hạt mịn để xử lý hạt dẹt Nhưng ở Việt Nam hầu như không có trạm trộn bê tông nhựa nào tự trang bị cho mình máy nghiền côn mịn mà đa số lấy đá đã mua từ trạm nghiền sàng về theo từng loại đá có kích cỡ khác nhau rồi đưa thẳng vào máy trộn theo tỷ lệ nào đó mà không cần xử lý hạt thoi dẹt Lý do thì rất tế nhị nhưng dĩ nhiên vấn đề chính là sự cạnh tranh hạ giá thành sản phẩm giữa các doanh nghiệp

1.3 Mục tiêu nghiên cứu:

Từ những cơ sở hình thành đề tài như trên đề tài tiến hành thí nghiệm và nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của hàm lượng hạt thoi dẹt trong hỗn hợp cốt liệu đá dăm làm bê tông nhựa đến các “chỉ tiêu cơ lý” cơ bản quy định về thi công nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa; sự ảnh hưởng về “cường độ vật liệu" khi tỷ lệ thoi dẹt thay đổi Trong quá trình nghiên cứu, tác giả cố gắng đi theo nguyên tắc là các giá trị thí nghiệm về chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa bám theo quy trình 22 TCN

249 -98; các phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi, cường độ ép chẻ, cường độ kéo uốn giới hạn của bê tông nhựa cần thống nhất với lý thuyết tính toán kiểm tra theo ba tiêu chuẩn về cường độ mặt đường của quy trình thiết kế áo đường mềm 22 TCN 211 – 06

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

− Thu thập và tìm hiểu các tài liệu liên quan tới nội dung thực hiện đề tài

− Kết hợp giữa lý thuyết và thí nghiệm đo đạc trong phòng :

+ Nghiên cứu thực nghiệm chế tạo các mẫu thí nghiệm cho từng hỗn hợp bê tông nhựa có hàm lượng hạt dẹt khác nhau: 10%, 15%, 20%, 25%, 35% để phục vụ đề tài

+ Thí nghiệm xác định các chỉ cơ lý của từng hỗn hợp bê tông nhựa có hàm lượng hạt dẹt thay đổi theo quy trình 22 TCN 62 – 84 và so sánh với quy trình 22 TCN 249 – 98

+ Thí nghiệm xác định các đặc trưng tính toán của từng hỗn hợp bê tông nhựa

có hàm lượng hạt dẹt thay đổi theo ba tiêu chuẩn về cường độ của quy trình

22 TCN 211 – 06

− Tổng hợp số liệu, vẽ các biểu đồ so sánh

− Đưa ra nhận xét và giải thích các kết quả đạt được

− Kết luận và kiến nghị

1.5 Ý nghĩa và hạn chế của đề tài nghiên cứu:

− Đánh giá định tính về ảnh hưởng của hàm lượng hạt dẹt đến cường độ bê tông

nhựa trong công tác thiết kế, thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa

− Đề xuất một giới hạn mới về hàm lượng hạt dẹt khác với quy định mà vẫn chấp

nhận được trong điều kiện chế tạo bê tông nhựa ở Việt Nam

− Kết quả nghiên cứu này có thể là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đơn vị tư

vấn; quản lý và sản xuất bê tông nhựa

− Do tiến hành đo đạc thí nghiệm trong phòng nên kết quả nghiên cứu còn hạn

chế chưa kết hợp kiểm tra thử nghiệm được ở hiện trường

− Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên kết quả nghiên cứu chỉ tiến hành được

với một loại bê tông nhựa Nghiên cứu vật liệu phức tạp này đòi hỏi phải mở rộng cho các loại bê tông nhựa khác nữa

Với mục tiêu của đề tài như vậy, tác giả mong muốn góp phần vào việc nâng cao chất lượng mặt đường bê tông nhựa trong điều kiện Việt Nam

CHƯƠNG II:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

2.1 Yêu cầu về vật liệu hỗn hợp bê tông nhựa:

Bê tông nhựa hay bê tông asphalt là một hỗn hợp vật liệu bao gồm: đá, cát, bột khoáng được phối hợp theo một tỉ lệ hợp lý để tạo một cấp phối tốt nhất, được trộn nóng với nhựa theo một chế độ nhất định trong trạm trộn rồi rải nóng và lu lèn Trong đó:

+ Đá dăm và cát là bộ khung chịu lực, tăng tính ổn định của bê tông nhựa + Bột khoáng đóng vai trò lấp đầy lỗ rỗng tăng nhanh tỷ diện bề mặt các cốt liệu để đồng thời kết hợp với bitum hình thành “lưới” dính kết hỗn hợp với nhau và tăng khả năng chịu nhiệt cho bê tông nhựa

+ Bitum là chất kết dính hữu cơ có khả năng dính kết các vật liệu khoáng vật tạo một hỗn hợp chịu lực mới

2.1.1 Đá dăm:

− Đá dăm dùng để chế tạo bê tông nhựa phải là đá nghiền từ các nham thạch

cứng và chắc Đối với đá thiên nhiên thì nên chọn đá có gốc bazơ nhằm tăng khả năng dính bám với nhựa Đá dăm phải đáp ứng được yêu cầu về: cường độ, tính đồng nhất, độ hao mòn, hình dạng, độ nhám bề mặt và khả năng dính bám tốt với nhựa

− Đá dăm phải có dạng khối lập phương nhiều góc cạnh để tăng khả năng chèn

móc giữa các cốt liệu; đá sạch; đá không lẫn tạp chất; đá bị phong hóa và mềm yếu không được vượt quá 10% khối lượng; hàm lượng bụi, bùn, sét không được vượt quá 2% về khối lượng; độ ẩm nhỏ hơn 8% và hàm lượng các hạt thoi dẹt không vượt quá 15% khối lượng đá dăm trong hỗn hợp

− Phải thỏa mãn các chỉ tiêu cơ lý qui định cho đá dăm dùng trong bê tông nhựa

rải nóng theo 22TCN 249-98

2.1.2 Cát:

+ Đối với cát nhân tạo được xay từ đá thì cường độ chịu nén của đá nghiền không được nhỏ hơn cường độ chịu nén của đá dùng làm đá dăm

+ Đối với cát thiên nhiên phải có mô đun đàn độ lớn Mk ≥ 2 Trường hợp

Mk<2 thì phải trộn thêm cát hạt lớn hoặc cát nghiền được xay từ đá

− Cát phải cứng, chắc, sạch, không phong hóa, không chứa tạp chất và có cấp

phối phù hợp để tăng lực nội ma sát

2.1.3 Bột khoáng:

− Bột khoáng là vật liệu hạt mịn thường là bột đá vôi, bột đá đôlômit, cũng có thể

dùng xi măng, tro bay, bột clanhke… có tác dụng lấp đầy lỗ rỗng làm tăng độ đặc của hỗn hợp, tăng diện tích tiếp xúc Chất lượng của bột khoáng được đặc trưng bởi thành phần khoáng vật, độ mịn, độ rỗng, hệ số ưa nước

− Các vật liệu dùng để chế tạo bột khoáng phải sạch, hàm lượng bụi, sét không

vượt quá 5% Đối với bột khoáng được chế tạo từ đá thì cường độ chịu nén yêu cầu của đá không được nhỏ hơn 200KG/cm2

− Bột khoáng phải khô, tơi (không vón cục) Nếu hàm lượng bột khoáng nhiều sẽ

làm tăng tốc độ hóa già của bitum và tính dòn trong bê tông nhựa

− Bột khoáng phải thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của bột khoáng nghiền

từ đá cácbonát theo 22 TCN 249-98

2.1.4 Nhựa đường:

− Hiện nay, chúng ta thường sử dụng nhựa đặc bán cứng 60/70 gốc dầu mỏ

(bitum) để chế tạo bê tông nhựa Như vậy, không có nghĩa là các loại nhựa đặc bán cứng khác có độ kim lún như 40/60 hay 70/80 v.v bị cấm sử dụng Thực tế

có thể căn cứ vào chế độ thủy nhiệt nền - mặt đường của từng vùng khác nhau

để chọn loại nhựa thích hợp Ví dụ: Vùng lạnh cho phép chọn nhựa đặc bán cứng có độ kim lún cao hơn vùng nóng

− Yêu cầu chung: Nhựa phải sạch, không lẫn nước và tạp chất và phải thỏa mãn

tiêu chuẩn vật liệu nhựa đường đặc dùng cho đường bộ theo 22 TCN 249-98

2.2 Thiết kế thành phần bê tông nhựa: [20]

Thiết kế thành phần bê tông nhựa là sự lựa chọn bê tông nhựa hợp lý phù hợp với điều kiện làm việc, với khả năng thi công, sau đó là sự lựa chọn tỷ lệ phối hợp

để có loại bê tông nhựa đạt yêu cầu sử dụng

2.2.2 Thiết kế tỷ lệ phối hợp của cốt liệu:

− Thiết kế tỷ lệ phối hợp cốt liệu sao cho cấp phối đạt được các chỉ tiêu yêu cầu

kỹ thuật qui định Thành phần cấp phối cốt liệu của hỗn hợp có thể xác định theo “Qui trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa 22 TCN 249 – 98” của Bộ Giao thông Vận tải Với đường cấp phối này sẽ tạo ra được bộ khung chịu lực tốt nhất với dung trọng và cường độ cao nhất

− Có nhiều phương pháp để tính toán thành phần bê tông nhựa, có thể tính toán

kết hợp với thực nghiệm và thực nghiệm hoàn toàn

2.2.3 Xác định cấp nhựa bitum:

− Căn cứ vào loại mặt đường, mục đích sử dụng, tính chất xe chạy, điều kiện khí

hậu của địa phương, điều kiện thi công, mùa thi công và các tính chất, kích cỡ của cốt liệu để chọn loại và cấp của nhựa

− Đối với những nơi có nhiều xe nặng chạy và vùng khí hậu nóng thì ta phải

dùng bitm mác cao Nếu lượng bitum nhiều sẽ gây hiện tượng lượn sóng, đùn nhựa, hằn vết xe ảnh hưởng tới tới việc lưu thông xe Người ta thường chọn bitum có gốc dầu mỏ để làm chất liên kết trong xây dựng đường (Bảng 2.1) Bitum được sử dụng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật theo 22 TCN 249-

98

− Ngoài ra, độ nhớt của bitum đóng vai trò quan trọng, nó ảnh hưởng đến cấp của

vật liệu nhựa và nhiệt độ sử dụng Đối với mặt đường trộn nóng, rải nóng thì có thể dùng vật liệu nhựa đường có độ nhớt tương đối cao Đối với mặt đường trộn nóng, rải nguội thì có thể dùng vật liệu nhựa đường có độ nhớt tương đối thấp Đối với mặt đường thấm nhập nhựa có thể dùng nhựa đường có độ nhớt tương đối trung bình Nếu nhựa quá nhớt thì sẽ khó thấm vào đá, nếu nhựa quá lỏng thì nhựa dễ chảy xuống đáy mặt đường Thông thường cấp của bitum

nhựa được xác định thông qua các cấp độ kim lún

Cấp bitum theo độ kim lún 40-50 60-70 85-100 120-150 200-300 Chỉ tiêu

min max min max min Ma

− Có nhiều phương pháp khác nhau để tính toán xác định hàm lượng bitum tối ưu

như tính toán theo lý thuyết độ rỗng của hỗn hợp hay là lý thuyết bề mặt Phương pháp sử dụng phổ biến hiện nay là phương pháp Marshall nhằm xác định hàm lượng nhựa tối ưu khi thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

− Hàm lượng nhựa tối ưu là hàm lượng nhựa có các điều kiện thỏa mãn yêu cầu

về kinh tế và an toàn theo các tiêu chuẩn kỹ thuật Ta tiến hành theo các bước: + Phối hợp các cốt liệu theo một tỷ lệ thích hợp nhằm tạo ra một cấp phối tốt nhất thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của cấp phối dùng cho bê tông nhựa

+ Dựa vào biểu mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ nhớt để xác định nhiệt độ trộn và lu lèn tương ứng với loại nhựa đang sử dụng

+ Từ thành phần hạt và lượng bitum đã định trên đem chế tạo các mẫu thí nghiệm đường kính 101,6mm, chiều cao 60-65mm, gồm 1200g cốt liệu với hàm lượng nhựa thay đổi cách nhau 0,5% quanh hàm lượng nhựa tối ưu + Xác định dung trọng và độ rỗng của các mẫu

+ Xác định độ ổn định và độ dẻo của mẫu bằng thí nghiệm Marshall

2.3 Phương pháp thực nghiệm chế tạo bê tông nhựa nóng:

2.3.1 Sấy và nung vật liệu khoáng:

− Khi nung vật liệu khoáng đến nhiệt độ thi công, nó sẽ giúp cho sự liên kết giữa

bitum và bề mặt vật liệu khoáng tốt hơn Sự tương tác này xảy ra mạnh hay yếu đều có ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý và chất lượng của hỗn hợp bê tông nhựa nên nhiệt độ là một trong những yều tố quan trọng trong quá trình hấp thụ bitum của vật liệu khoáng

− Nhiệt độ nung của vật liệu khoáng phụ thuộc vào loại bitum, loại vật liệu

khoáng và điều kiện khí hậu nơi làm việc

2.3.2 Nấu bitum:

− Bitum dùng chế tạo bê tông nhựa phải khử hết nước ở nhiệt độ 105 - 1100C và nung chảy lỏng ở nhiệt độ qui định để dễ dàng trộn với hỗn hợp vật liệu khoáng

và làm tăng khả năng hấp thụ bitum của bề mặt vật liệu khoáng

− Mỗi loại bitum có nhiệt độ nung khác nhau và phụ thuộc vào độ quánh của nó

Yếu tố quan trọng khi nung bitum là thời gian và nhiệt độ khi nung Khi nung bitum ở nhiệt độ cao quá lâu sẽ ảnh hưởng tới các tính chất cơ lý của nhựa: độ kim lún, độ kéo dài giảm xuống, nhiệt độ hóa mềm tăng lên Do đó, khi nấu bitum cần chú ý đến nhiệt độ sao cho dưới tác dụng của nhiệt độ các tính chất của bitum hầu như không thay đổi Khi đó hỗn hợp bê tông nhựa tạo được sẽ tốt nhất

2.3.3 Cân đong vât liệu khoáng và bitum:

Khi cân đong vật liệu khoáng, thông thường cân khi vật liệu ở trạng thái khô sẽ

có độ chính xác hơn Vật liệu có thể đong theo trọng lượng hay theo thể tích tùy theo phương pháp tính toán

2.3.4 Trộn hỗn hợp vật liệu:

− Đây là khâu quan trọng tạo nên một hỗn hợp đồng nhất và nó có ảnh hưởng đến

các tính chất của bê tông nhựa Bê tông nhựa đạt chất lượng cao khi cấp phối hạt đồng nhất và các hạt vật liệu được nhựa bao bọc hoàn toàn

− Thông thường khi trộn bê tông nhựa, người ta tiến hành trộn hỗn hợp cấp phối

trước, sau đó mới cho bitum vào Vì khi trộn khô, các hạt vật liệu được bao bọc trước bằng một lớp bột khoáng, làm cho nó liên kết với bitum tốt hơn

− Thời gian trộn ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hỗn hợp Khi thời gian trộn

thích hợp thì bitum sẽ bao bọc đều hạt cốt liệu và nâng cao khả năng liên kết giữa các hạt cốt liệu, nâng cao chất lượng của bê tông nhựa

2.4 Phương pháp thực nghiệm xác định hàm lượng hạt thoi dẹt: [8]

2.4.1 Khái niệm hạt thoi dẹt:

− Theo tiêu chuẩn TCVN 1772-87 “Đá sỏi trong xây dựng và phương pháp thử”,

hạt thoi dẹt là hạt có chiều dày hoặc chiều ngang nhỏ hơn hoặc bằng 1/3 chiều dài

Hình 2-1: Dạng hạt thoi dẹt

− Thí nghiệm được thực hiện với các cỡ hạt có đường kính lớn hơn 4,75 mm

− Hàm lượng hạt thoi dẹt của đá dăm được xác định riêng cho từng cỡ hạt Nếu

cỡ hạt nào trong vật liệu chiếm dưới 5% khối lượng thì hàm lượng hạt thoi dẹt của cỡ hạt đó không cần xác định

2.4.2 Thiết bị thí nghiệm xác định hàm lượng thoi dẹt:

Hình 2-3: Thí nghiệm đo kích thước hạt thoi dẹt

Hình 2-4: Lựa và cân đong khối lượng hạt thoi dẹt 2.4.4 Tiến hành thử:

+ Đầu tiên quan sát chọn bằng mắt những hạt có chiều dày hay chiều ngang của nó nhỏ hơn hoặc bằng 1/3 chiều dài Khi có sự nghi ngờ ta dùng thước kẹp chuyên dụng (hình 2-3) để xác định chính xác bằng cách đặt chiều dài hòn đá vào thước kẹp để xác định khoảng cách L; sau đó cố định thước ở khoảng cách đó và cho chiều dày hoặc chiều ngang của hòn đá lọt lọt qua khe d Hạt nào lọt qua khe d thì hạt đó là hạt thoi dẹt, rồi cân các hạt còn lại + Các thông số:

2 1

+

=

m m

m

T d (2.1)

m1 : khối lượng các hạt thoi dẹt cho một cỡ hạt, g

m2 : khối lượng các hạt còn lại của cỡ hạt tương ứng, g

+ Hàm lượng hạt thoi dẹt của mẫu lấy bằng bình quân gia quyền của các kết

quả đã xác định cho từng cỡ hạt

2.4.6 Ví dụ thực nghiệm minh họa:

Xác định hàm lượng hạt thoi dẹt cho 10 Kg của hỗn hợp cốt liệu chế tạo bê

tông nhựa chặt C15 có thành phần cấp phối hạt lọt giữa đường bao cấp phối theo

Tỷ lệ lọt sàng tích lũy nằm giữa đường bao

CP theo TCN 249- 98

(%)

Tỷ lệ lọt sàng tích lũy theo TCN 249- 98

2.36 Không cần Không quan tâm Không quan tâm

+ Giả sử khối lượng hạt dẹt lựa và cân được của các cỡ sàng như sau:

Kích thước sàng,

mm

Khối lượng hạt dẹt, g (m1)

Khối lượng hạt còn lại , g (m2)

1850 250

% 69 28 2550

% 19 25 1850

% 8 22

+ +

× +

× +

×

=

Thh

d

2.5 Phương pháp thực nghiệm xác định khối lượng thể tích xốp của đá:

Xác định khối lượng thể tích của hỗn hợp đá dăm ở trạng thái tự nhiên chưa

đầm chặt

¾ Cách xác định:

− Sấy khô mẫu đến khối lượng không đổi và để nguội trong không khí Sau đó đổ

mẫu vào phễu chứa Đặt thùng đong dưới cửa quay, miệng thùng cách cửa quay 10cm theo chiều cao Xoay cửa quay cho vật liệu rơi tự do xuống thùng đong cho tới khi đầy có ngọn Dùng thanh gỗ gạt bằng tương đối mặt thùng và đem cân

− Khối lượng thể tích xốp của đá xác định theo công thức :

V

m m

VX 2 1

−

=

ρ ; g/cm3 (2.2)Trong đó:

m1 : Khối lượng thùng đong, g

m2 : Khối lượng thùng đong có mẫu vật liệu, g

V : Thể tích thùng đong, cm3

Hình 2-5: Thùng xác định khối lượng thể tích đá

2.6 Các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa và phương pháp xác định: [6]

2.6.1 Khối lượng thể tích của bê tông nhựa:

Là khối lượng của một đơn vị thể tích.Để xác định nó cần xác định 2 thông số : Khối lượng và thể tích mẫu

¾ Dụng cụ:

− Cân kỹ thuật và cân thủy tĩnh có độ chính xác tới 0,1g và các phụ kiện để cân

bằng trong nước chậu thủy tinh, hoặc chậu men

− Các dụng cụ thông thường khác

¾ Cách tiến hành:

− Cân mẫu xác định khối lượng xác tới 0,1g

− Ngâm mẫu đã cân vào nước nhiệt độ 200C ± 20C trong thời gian 30’

− Vớt mẫu ra, lau khô bề mặt, cân trong không khí, xong đem cân trong nước ở

nhiệt độ 200C ± 20C

− Tính kết quả theo công thức:

2 1

.

G G

Go n

−

= γ

γ (2.3)

γ : Khối lượng thể tích của bê tông nhựa (g/cm3)

Go : Khối lượng mẫu khô cân trong không khí (g)

G1 : Khối lượng mẫu ngâm nước cân trong không khí (g)

G2 : Khối lượng mẫu ngâm nước cân trong nước (g)

γn: Khối lượng riêng của nước ứng với nhiệt độ đã cho (g/cm3)

Hình 2-6: Ngâm và cân mẫu để xác định khối lượng thể tích

2.6.2 Độ ẩm bão hòa và hệ số trương mở của bê tông nhựa:

− Độ ẩm bảo hòa của bê tông nhựa là mức độ chứa nước trong các lỗ rỗng được

biểu thì bằng tỷ số giữa thể tích nước ngấm vào trong mẫu khi ngâm bão hòa so với thể tích ban đầu của mẫu Độ ẩm bão hòa của mẫu tính bằng phần trăm thể tích

− Sự trương nở của bê tông nhựa là sự tăng thể tích khi bão hòa nước Sự trương

nở được đánh giá bằng chỉ tiêu hệ số trương nở, biểu thị bằng tỷ số giữa sự tăng thể tích khi bão hòa và thể tích ban đầu, tính bằng phần trăm

¾ Dụng cụ:

Các dụng cụ thí nghiệm cũng tương tự như khi xác định khối lượng thể tích, ngoài ra còn có máy hút chân không (hình 2-7)

Hình 2-7: Dụng cụ hút chân không

¾ Cách làm:

− Mẫu vừa xác định khối lượng thể tích đem ngâm trong nước có nhiệt độ 200C ±

20C Mực nước ngập quá mặt mẫu 3cm

− Đưa mẫu vào trong máy hút chân không, cho máy hút hoạt động tới áp suất dư

của không khí trong buồng còn lại bằng 10 – 15mm thủy ngân Giữ áp suất đó trong 90 phút

− Cho áp lực trở lại bình thường, lưu mẫu trong nước ở nhiệt độ 200C ± 20C thêm trong 1 giờ

− Vớt mẫu ra, lau khô bề mặt đem cân trong không khí, rồi cân trong nước

− Độ ẩm bão hòa tính theo công thức:

%100)(

)(

2 1

0

G G

G G W

−

−

= (2.4)

W : Khối lượng thể tích của bê tông nhựa (g/cm3)

Go : Khối lượng mẫu khô cân trong không khí (g)

G1 : Khối lượng mẫu ngâm nước cân trong không khí xác định ở thí nghiệm tìm khối lượng thể tích (g)

G2 : Khối lượng mẫu ngâm nước cân trong nước xác định ở thí nghiệm tìm khối lượng thể tích (g)

G3 : Khối lượng cân trong không khí của mẫu đã bão hòa (g)

− Hệ số số trương nở của bê tông nhựa tính theo công thức:

% 100 )

(

) (

) (

2 1

2 1 4

G G

G G G

G H

G1, G2, G3 : có kí hiệu như trong công thức tính độ ẩm bão hòa (g)

G4 : Khối lượng cân trong nước của mẫu đã bão hòa (g)

Các kết quả lấy theo trị số trung bình của 3 mẫu Chênh lệch giữa các mẫu không quá 0,2%

2.6.3 Độ rỗng của cốt liệu và độ rỗng dư của hỗn hợp bê tông nhựa ở trạng thái đầm chặt:

− Độ rỗng của cốt liệu là phần thể tích rỗng của cốt liệu trong mẫu bê tông đã

đầm chặt (phần rỗng này bao gồm cả thể tích phần nhựa đường có trong hỗn hợp) Đây là chỉ tiêu tính toán được xác định khi biết được khối lượng thể tích

và khối lượng riêng của các cốt liệu

− Độ rỗng dư của bê tông nhựa là phần thể tích rỗng còn lại của bê tông nhựa sau

khi đầm chặt Đây cũng là chỉ tiêu tính toán từ khối lượng thể tích của bê tông

và khối lượng riêng của hỗn hợp bê tông nhựa

¾ Cách xác định:

− Độ rỗng của cốt liệu Vro xác định theo công thức sau:

%1001

γo : Khối lượng thể tích của cốt liệu trong bê tông nhựa (g/cm3)

γRo : Khối lượng riêng trung bình của cốt liệu (g/cm3)

γo được tính theo công thức:

Nq q

γ

γ (2.7)

γ: Khối lượng thể tích của bê tông nhựa (g/cm3)

qo : Hàm lượng của cốt liệu trong bê tông nhựa (%)

q : Hàm lượng của nhựa trong bê tông nhựa (%)

Trị số γro được tính theo công thức:

3

cm

g q q

q q

q q q q

rbk

bk rm

m rc

c rd d

bk m c d Ro

γ γ

γ γ

γ

+ +

+

+ + +

qd, qc, qm, qbk : Hàm lượng của đá, cát, đá mạt, bột khoáng trong hỗn hợp (%)

γrd, γrc, γrm, γrbk : Khối lượng riêng của đá, cát, đá mạt, bột khoáng (g/cm3)

− Độ rỗng dư của bê tông nhựa tính theo công thức sau:

%100

γ : Khối lượng thể tích của bê tông nhựa (g/cm3)

γRH : Khối lượng riêng của hỗn hợp bê tông nhựa (g/cm3)

3 0

0

cm

g q q

q q

RN

N Ro

N RH

γ γ

γ

+

+

= (2.10)

qo, qN : Hàm lượng của cốt liệu và nhựa đường trong BTN (%)

γRo, γRN : Khối lượng riêng trung bình của cốt liệu và nhựa đường (g/cm3)

2.6.4 Cường độ chịu nén:

− Cường độ chịu nén là chỉ tiêu biểu thị khả năng chống lại tác dụng của lực nén

đơn (nén dọc trục) tính cho 1 đơn vị diện tích xác định bằng tỷ số giữa lực tác dụng nén vỏ mẫu và diện tích mặt chịu nén, tính bằng daN/cm2. Cường độ chịu nén được xác định theo những điều kiện sau:

+ Ở nhiệt độ 200C mẫu khô

+ Ở nhiệt độ 200C mẫu bão hòa nước

+ Ở nhiệt độ 500C mẫu khô

Mẫu thí nghiệm được ngâm ở nhiệt độ tương ứng chênh lệch không quá 20C trong 1 giờ trước khi đem thí nghiệm

¾ Dụng cụ:

− Máy nén truyền động cơ học nén được 5 ÷ 10T

− Bình để ổn định nhiệt

− Mẫu thí nghiệm được chuẩn bị như đã nêu ở trên, sau khi thực hiện các thí

nghiệm xác định các chỉ tiêu vật lý thì đem thí nghiệm các chỉ tiêu cường độ

− Ngâm mẫu trong nước ở nhiệt độ quy định (chênh lệch không quá ± 20C, trong

1 giờ

− Vớt mẫu, lau khô bề mặt, đưa lên máy nén Nén với tốc độ 3±0,5mm/phút Cho

đến khi mẫu bị phá hoại

− Tùy theo khả năng chịu lực của BTN mà dùng loại đồng hồ có độ chính xác

Cường độ chịu nén (daN/cm2) Nhiệt độ, 0C

hệ số ổn định nước theo công thức:

20 20

K

BH N

R

R

K = (2.12)

KN : Hệ số ổn định nước

R 20BH : Cường độ chịu nén ở 200C mẫu bão hòa

R20K : Cường độ chịu nén ở 200C mẫu khô

− Bê tông nhựa càng rỗng thì khả năng thấm nhập của nước càng lớn Độ rỗng

của bê tông nhựa phụ thuộc vào độ đặc của cốt liệu, sự liên kết giữa bitum và cốt liệu, sự lèn ép tạo độ chặt cho hỗn hợp và khả năng thoát nước mặt của mặt đường bê tông nhựa Độ rỗng càng nhỏ thì bê tông nhựa càng ổn định với nước

− Ngoài ra, tính ổn định nước của bê tông nhựa còn phụ thuộc vào độ ẩm của vật

liệu khoáng trong lúc trộn với bitum.

Hệ số ổn định nước (%) BTN chặt loại I BTN chặt loại II 0.90 0.85

Bảng 2.3: Hệ số ổn định nước lớn nhất theo quy trình 22 TCN 249 – 98

2.6.6 Tính ổn định nhiệt độ:

Các tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi thì cường độ và khả năng lực chống biến dạng của bê tông nhựa thay đổi theo Khi nhiệt độ tăng cao, độ quánh của bitum trong bê tông nhựa giảm, khi đó lực liên kết giữa các phần tử yếu đi làm cho cường độ của bê tông nhựa giảm xuống (Bảng 2.2) Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, độ quánh của bitum trong bê tông nhựa tăng lên, cường độ của bê tông nhựa tăng lên Chính sự thay đổi nhiệt độ là nhân tố quan trọng ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ học, tình hình, và điều kiện làm việc của mặt đường bê tông nhựa Từ kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén ta xác định được hệ số ổn định nhiệt theo công thức:

20 50

K

K T

R

R

K = (2.13)

KT : Hệ số ổn định nhiệt

R20K : Cường độ chịu nén ở 200C mẫu khô

R50K : Cường độ chịu nén ở 500C mẫu khô

− Tính ổn định nhiệt của bê tông nhựa phụ thuộc vào tính chất, tỷ lệ của bitum,

loại vật liệu khoáng, tỷ lệ giữa bitum và bột khoáng Ngoài ra, tính ổn định nhiệt của bê tông nhựa còn phụ thuộc vào tác dụng tương hỗ giữa cốt liệu và bitum

− Để tăng tính ổn định nhiệt độ của bê tông nhựa có thể tăng lực dính và lực nội

ma sát Đối với việc tăng lực nội ma sát, ta có thể tăng hàm lượng hạt lớn hay hạn chế độ rỗng dư trong hỗn hợp bê tông nhựa Đối với việc tăng lực dính, ta điều chỉnh tỷ lệ giữa nhựa và cốt liệu và dùng bột khoáng có hoạt tính cao

2.6.7 Độ bền và độ dẻo của bê tông nhựa theo phương pháp Mácsan:

− Thí nghiệm được tiến hành nhằm xác định sức chống lại biến dạng dẻo của

mẫu bê tông nhựa ở nhiệt độ 600C

− Độ bền Mácsan là giá trị lực nén phá hoại loại mẫu có kích thước tiêu chuẩn thí

nghiệm theo phương pháp Mácsan (nén mẫu theo mặt bền cén cong – mẫu hình trụ đường kính 101.6mm, chiều cao 63,5mm) Độ bền mácsan tính bằng daN

− Độ dẻo của bê tông nhựa là độ lớn của mẫu bị nén dẹt lại, ứng với thời điểm

mẫu bị nén phá hoại theo thí nghiệm độ bền Mácsan của BTN Độ dẻo tính bằng đơn vị mm

− Chuẩn bị vật liệu, tạo mẫu tương tự như thông thường Mẫu thí nghiệm Mácsan

có đường kính 101,6mm và chiều cao tiêu chuẩn 63,5mm

− Mẫu đã chuẩn bị xong đem ngâm trong nước có nhiệt độ 600C ± 10C trong 60 phút ± 5 phút, mực nước ngập mặt mẫu 3cm

− Lắp đặt mẫu vào khuôn gá, lắp đồng hồ đo biến dạng

− Cho tác dụng lực nén với tốc độ 50mm/ phút

− Ghi giá trị lực lúc mẫu phá hoại và trị số biến dạng của mẫu ứng với thời điểm

mẫu phá hoại

− Quá trình thí nhiệm phải làm nhanh, để kết thúc công việc trong vòng 90 giây

kể từ khi vớt mẫu ra khỏi thùng ngâm mẫu Giá trị lực phá hoại mẫu ghi chính xác 10daN Giá trị lực phá hoại chính là độ bền Mácsan, tính chính xác tới 10daN

− Hiện nay có vài phòng thí nghiệm lớn đầu tư máy nén Mácsan điện tử Tất cả

các kết quả được xuất ra máy vi tính qua chương trình vẽ biểu đồ quan hệ giữa

lực nén và chuyển vị (mm) Thao tác rất dễ dàng và kết quả chính xác hơn (hình 2-9)

− Trường hợp mẫu bê tông nhựa có chiều cao khác chiều cao tiêu chuẩn 63,5mm

thì kết quả cuối cùng là giá trị thí nghiệm nhân với hệ số hiệu chỉnh sau:

Chiều cao mẫu

2.7.1 Mô đun đàn hồi:

− Bê tông nhựa là một loại vật liệu đàn hồi – dính dẻo, được biểu hiện qua mối

quan hệ giữa ứng suất và tính biến dạng của nó dưới tác dụng của tải trọng theo thời gian

+ Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn giới hạn đàn hồi, thì trong bê tông nhựa sinh

ra biến dạng và khi ngưng tác dụng lực thì biến dạng trở lại trạng thái, hình dạng ban đầu Hiện tượng này gọi là biến dạng đàn hồi thuần túy hay còn gọi là biến dạng đàn hồi tức thời

+ Khi tải trọng tác dụng lớn hơn giới hạn đàn hồi trong thời gian tác dụng ngắn, ngoài biến dạng tức thời còn có biến dạng đàn dính hay là biến dạng sau đàn hồi tăng chậm theo thời gian tác dụng lực Khi ngừng tác dụng lực thì biến dạng cũng mất dần theo thời gian

+ Khi tải trọng tác dụng lớn hơn giới hạn đàn hồi trong thời gian tương đối dài thì ngoài biến dạng đàn hồi và biến dạng sau đàn hồi, bê tông nhựa còn

có biến dạng dư Nghĩa là khi thôi tác dụng lực, biến dạng này không khôi phục lại được trạng thái, hình dạng ban đầu Như vậy ngoài biến dạng đàn hồi, bê tông nhựa còn có biến dạng dẻo phát triển theo thời gian

− Ngoài ra, tính đàn hồi – dính dẻo của bê tông nhựa còn được biểu hiện qua sự

thay đổi của nhiệt độ Biên độ dao động của nhiệt độ càng lớn thì tính biến dạng của bê tông nhựa càng thay đổi nhiều Khi nhiệt độ thấp, tính dẻo của bê tông nhựa hầu như mất hoàn toàn và trở nên dòn, gây ra hiện tượng nứt nẻ trên mặt đường bê tông nhựa dưới tác dụng của ứng suất nhiệt và tải trọng xe chạy Khi nhiệt độ cao, tính dẻo của mặt đường bê tông nhựa tăng và khi độ dẻo quá lớn sẽ làm cho mặt đường bị dồn đống, lượn sóng, hằn vết xe chạy, gây khó khăn cho xe cộ đi lại Độ dẻo của bê tông nhựa phụ thuộc chủ yếu vào tính chất

và hàm lượng bitum Khi tỷ lệ bitum trong bê tông nhựa ít độ dẻo thấp và khi

tỷ lệ bitum trong hỗn hợp tăng độ dẻo tăng

¾ Cách xác định:

− Chọn phương pháp xác định mô đun đàn hồi tĩnh theo quy trình thiết kế áo

đường mềm 22 TCN 211 – 06 nghĩa là thí nghiệm nén dọc trục không hạn chế

nở hông trên mẫu hình trụ có đường kính bằng chiều cao mẫu

− Mẫu bê tông nhựa hình trụ đường kính d=101,6 mm và chiều cao h=101,6mm

±2mm được nén dọc trục dưới áp lực p = 0,5 Mpa

2

4

D

P p

π

= (2.14)

P: là lực tác dụng lên bàn ép – kN

D: là đường kính mẫu (đường kính bàn ép)

− Mẫu đem ép với chế độ gia tải 1 lần Giữ áp lực p trên mẫu cho đến khi biến

dạng lún ổn định, cụ thể được xem là ổn định khi tốc độ biến dạng chỉ còn 0,01mm/phút (trong 5 phút) Sau đó dỡ tải ra và đợi biến dạng phục hồi cũng đạt được ổn định như trên thì mới đọc thiên phân kế để xác định trị số biến dạng đàn hồi L

− Mô đun đàn hồi của mẫu bê tông nhựa được tính toán căn cứ vào trị số biến

dạng đàn hồi dọc trục theo công thức:

)

(MPa L

H p

E = ×

(2.15)

Hình 2-10: Thí nghiệm xác định Mô đun đàn hồi 2.7.2 Cường độ ép chẻ, cường độ chịu kéo khi uốn:

− Cường độ chịu kéo - uốn là chỉ tiêu kỹ thuật phản ánh độ bền chống nứt của

lớp mặt bê tông nhựa ở điều kiện bất lợi về chế độ thủy nhiệt nền mặt đường

dưới tác dụng của tải trọng vận chuyển Được xác định theo công thức :

2

2

3

h b

L P

R ku = (2.16) Trong đó:

P : Tải trọng phá hoại mẫu, kN

b : Chiều rộng mẫu dầm, m

h : Chiều cao mẫu dầm, m

L : Khoảng cách giữa hai gối tựa, m

− Dưới tác động của nhiệt độ, lớp mặt đường bê tông nhựa giãn nở được thể hiện

qua tính biến dạng của nó Khi biên độ dao động của nhiệt độ càng lớn thì sự giãn nở vì nhiệt sẽ làm cho nhựa bị lão hóa, mặt đường xuất hiện vết nứt Sự phá hoại lớp mặt đường càng tăng khi có sự thấm nhập của nước

− Khi xe chạy, mặt đường bê tông nhựa sẽ chịu tác dụng của tải trọng trùng phục

Dưới tác dụng của tải trọng, mặt đường bê tông nhựa bị uốn cong và gây ra hiện tượng nứt nẻ hay gọi là phá hoại do mỏi

¾ Cách xác định:

− Chọn phương pháp ép chẻ theo 22 TCN 73 - 84 trên các mẫu trụ tròn đường

kính d và chiều cao h

− Thí nghiệm được tiến hành trên máy nén Marshall, sử dụng bộ phận kẹp mẫu là

hai thanh truyền tải có chiều rộng là 13mm trên suốt chiều cao mẫu

− Mẩu được ép với tốc độ tương ứng với loại vật liệu cần làm thí nghiệm cho tới

khi phá hoại, đọc trị số lực phá hoại trên đồng hồ đo lực

− Cường độ ép chẻ được xác định theo công thức:

) (

2

MPa h

d, h: Đường kính và chiều cao mẫu

− Cường độ kéo uốn giới hạn được tính theo biểu thức sau:

Rku = Kn.Rc (2.18)

Kn : hệ số quan hệ thực nghiệm giữa 2 loại cường độ Nếu không có số liệu kinh nghiệm tích lũy được thì tạm dùng Kn=2.0 đối với vật liệu liên kết hữu cơ

Hình 2-11: Thí nghiệm ép chẻ mẫu hình trụ

CHƯƠNG III:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẪU BÊ TÔNG NHỰA ĐỂ THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH TOÁN VỀ TIÊU CHUẨN CƯỜNG ĐỘ CỦA LỚP MẶT

ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA

3.1 Cơ sở lựa chọn chủng loại bê tông nhựa để nghiên cứu:

Mỗi nước có sự phân loại bê tông nhựa của mình Tuy có sự khác nhau về hình thức phân loại, nhưng tựu trung cũng giống nhau ở các nội dung chính trong quan điểm phân loại đó là cách phối hợp vật liệu, cách chế tạo và thi công và dùng ở đâu,

vị trí nào trong kết cấu áo đường [4] Ở nước ta, quy trình 22 TCN 249 – 98 đã đơn giản hóa phân loại bê tông nhựa như sau:

1 Theo nhiệt độ lúc rãi:

- Bê tông nhựa rãi nóng: chế tạo ở t0: 140 -1700C; rãi ở t0>1000C

- Bê tông nhựa rải ấm: chế tạo ở t0: 110 -1300C; rãi ở t0>600C

- Bê tông nhựa nguội: chế tạo ở t0: 110 -1200C; rãi ở t0 không khí

2 Theo độ rỗng còn dư:

- Bê tông nhựa chặt: độ rỗng còn dư từ 3% - 6%

- Bê tông nhựa rỗng: độ rỗng còn dư từ 6% - 10%

3 Theo kích thước của hạt lớn nhất:

- Bê tông nhựa hạt lớn: dmax=40mm

- Bê tông nhựa hạt trung: dmax=25mm

- Bê tông nhựa hạt nhỏ: dmax=15mm

- Bê tông nhựa hạt cát: dmax=5mm

4 Theo chất lượng: Bê tông nhựa loại I và loại II

Theo 22 TCN 249 – 98 bê tông nhựa rãi nóng được phân thành 4 loại căn cứ vào các cỡ hạt lớn nhất danh định, được phân thành 2 loại theo độ rỗng còn dư và được phân thành hai loại theo chất lượng của vật liệu khoáng (bảng 3-1); các chỉ tiêu cơ lý của các loại bê tông nhựa rải nóng phải thỏa mãn các yêu cầu quy định ở (bảng 3-2)

Bảng 3-1: Thành phần cấp phối cỡ hạt của hỗn hợp bê tông nhựa rải nóng (22TCN 249-98)