Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ bền marshall với hàm lượng nhựa, cấp phối đá dăm và độ rỗng của hỗn hợp bê tông nhựa dùng cho thiết kế kết cấu áo đường mềm đường cao tốc

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài nghiên cứu: “Mối quan hệ giữa độ bền Marshall với hàm lượng nhựa, cấp phối đá dăm và độ rỗng của hỗn hợp bê tông nhựa dùng cho thiết kế kết cấu áo đường

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRẦN HUỲNH CHƯƠNG

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ BỀN MARSHALL VỚI HÀM LƯỢNG NHỰA, CẤP PHỐI ĐÁ DĂM VÀ ĐỘ RỖNG CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA DÙNG CHO THIẾT KẾ KẾT CẤU

ÁO ĐƯỜNG MỀM ĐƯỜNG CAO TỐC

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU, HẦM

MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2009

Trang 2

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 : GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày 29 tháng 06 năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN HUỲNH CHƯƠNG Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 30/04/1982 Nơi sinh : AN GIANG

Chuyên ngành : Xây dựng cầu hầm

Năm trúng tuyển : 2006

1- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ BỀN MARSHALL VỚI HÀM LƯỢNG NHỰA, CẤP PHỐI

ĐÁ DĂM VÀ ĐỘ RỖNG CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA DÙNG CHO THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO

ĐƯỜNG MỀM ĐƯỜNG CAO TỐC

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Chương 1 : Mở đầu

Chương 2 : Tổng quan về bê tông nhựa trong xây dựng đường

Chương 3 : Các thí nghiệm trong phòng

Chương 4 : Mối quan hệ giữa độ bền, mô đun đàn hồi, độ rỗng với hàm lượng đá dăm,

bột khoáng và nhựa trong hỗn hợp bê tông nhựa thí nghiệm

Chương 5 : Lựa chọn thành phần bê tông nhựa và tính toán kết cấu áo đường đường cao tốc

Chương 6 : Kết luận và kiến nghị

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/02/09

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03/07/09

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ TS LÊ BÁ KHÁNH

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Khoa học theo chương trình đào tạo Thạc sĩ của Bộ Giáo dục Đào tạo

với đề tài: “Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ bền Marshall với hàm lượng nhựa,

cấp phối đá dăm và độ rỗng của hỗn hợp bê tông nhựa dùng cho thiết kế kết cấu áo đường mềm đường cao tốc” đã thực hiện tại Đại học Quốc Gia TP.HCM- Đại học

Bách Khoa

Trước hết, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đối với các Thầy-Cô thuộc bộ môn Cầu Đường, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh những người đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn Đặc biệt là GVC.TSKH Trần Quang Hạ người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn

Nhân đây tôi cũng bày tỏ lòng cảm ơn các đồng nghiệp của Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3) đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài này

TP.Hồ Chí Minh, Ngày 27 Tháng 6 Năm 2009

Trần Huỳnh Chương

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài nghiên cứu: “Mối quan hệ giữa độ bền Marshall với hàm lượng nhựa, cấp

phối đá dăm và độ rỗng của hỗn hợp bê tông nhựa dùng cho thiết kế kết cấu áo đường mềm đường cao tốc” với mục đích tìm mối quan hệ giữa độ bền và các thành phần vật

liệu trong hỗn hợp, sau đó lựa chọn hỗn hợp phù hợp có độ bền cao áp dụng xây dựng kết cấu tầng mặt đường cao tốc

Luận văn đã trình bày các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm, các vấn đề ảnh hưởng đến cường độ và độ rỗng trong hỗn hợp bê tông nhựa

Để tìm ra mối quan hệ giữa độ bền Marshall và độ rỗng với hàm lượng nhựa, cấp phối cốt liệu khoáng vật của hỗn hợp bê tông nhựa, nhiều thí nghiệm trong phòng đã được tiến hành với các thiết bị máy móc hiện đại của Trung tâm Kỹ thuật 3 Các số liệu thí nghiệm đã được kiểm toán dựa trên những mô hình toán học và mô phỏng bằng chương trình MATLAB để thành lập các phương trình thực nghiệm về bê tông nhựa Kết quả thực nghiệm cho thấy độ bền của bê tông nhựa trong nghiên cứu cao hơn so với các bê tông nhựa từ trước đến nay như có hỗn hợp có mô đun đàn hồi đạt tới E = 455 MPa

Cuối bản Luận văn đã đề nghị và kiểm toán hai hỗn hợp bê tông nhựa có cường độ cao, áp dụng cho xây dựng kết cấu áo đường Cao tốc và Cao tốc Đô thị

Trang 6

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI………… … ……… 1

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1

1.3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… ……… 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG 2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN……….……… 3

2.2 CẤU TẠO BÊN TRONG 4

2.2.1 VẬT LIỆU VÀ HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA 4

2.2.2 THÀNH PHẦN CẤP PHỐI……… ………… ……… 6

2.2.3 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BÊ TÔNG NHỰA 8

2.2.4 QUÁ TRÌNH TÁC DỤNG TƯƠNG HỖ HOÁ LÝ GIỮA NHỰA VÀ HẠT KHOÁNG CHẤT 11

2.3 ĐỘ BỀN BÊ TÔNG NHỰA……….……… 16

2.3.1 MÔ ĐUN ĐÀN HỒI BÊ TÔNG NHỰA……… ……… 16

2.3.2 CƯỜNG ĐỘ NÉN YÊU CẦU VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH CHỐNG TRƯỢT CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO………….…… 16

2.3.3 ĐỘ ỒN ĐỊNH, CHỈ SỐ DẺO MARSHALL…….……… 22

2.3.4 KHẢ NĂNG CHỊU BIẾN DẠNG CỦA MẶT ĐƯỜNG NHỰA…… 23

Trang 7

2.4 CÁC VẤN ĐỀ VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG

NHỰA……… 25

2.4.1 LÝ THUYẾT VỀ CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA……….………… 25

2.4.2 SỰ LÀM VIỆC CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA Ở ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM CAO……….………… 30

2.4.3 CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA NƯỚC……… ……… 31

CHƯƠNG 3 CÁC THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG 3.1 TÓM TẮT QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM……… ……… 34

3.2 THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA CỐT LIỆU KHOÁNG CHẤT ……… 36

3.2.1 XÁC ĐỊNH ĐỘ HAO MÒN……….…….……… 36

3.2.2 XÁC ĐỊNH ĐỘ NÉN DẬP……….……….……… 38

3.3 THÍ NGHIỆM TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA NHỰA ĐƯỜNG……… 40

3.3.1 XÁC ĐỊNH ĐỘ KIM LÚN……… ………… ……… 40

3.3.2 XÁC ĐỊNH ĐỘ KÉO DÀI CỦA NHỰA ĐƯỜNG……… ………… 42

3.3.3 XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ HÓA MỀM……… ….… 44

3.3.4 XÁC ĐỊNH LƯỢNG TỔN THẤT……… ………… 47

3.3.5 XÁC ĐỊNH KHỐI LUỢNG RIÊNG CỦA NHỰA ĐƯỜNG………… 49

3.4 CHẾ TẠO MẪU……….…… 53

3.5 XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG THỂ TÍCH BÊ TÔNG NHỰA……… 60

3.6 XÁC ĐỊNH ĐỘ ỔN ĐỊNH MARSHALL……… … 61

3.7 XÁC ĐỊNH MÔ ĐUN ĐÀN HỒI Ở 300C, LỰC NÉN Ở 500C……… … 63

Trang 8

3.8 XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA……… 64

CHƯƠNG 4 MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ BỀN, MÔ ĐUN ĐÀN HỒI, ĐỘ RỖNG VỚI HÀM LƯỢNG ĐÁ DĂM,BỘT KHOÁNG VÀ NHỰA

TRONG HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA THÍ NGHIỆM

4.1 XỬ LÝ THỐNG KÊ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM……… 66 4.1.1 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM THEO PHƯƠNG ÁN TRỰC GIAO CẤP HAI……….……… 66 4.1.2 GIẢI BÀI TOÁN QUAN HỆ GIỮA ĐỘ BỀN, ĐỘ RỖNG, MÔ ĐUN ĐÀN HỒI VỚI HÀM LƯỢNG ĐÁ DĂM, BỘT KHOÁNG VÀ HÀM LUỢNG NHỰA TRONG MẪU BÊ TÔNG NHỰA THÍ NGHIỆM……… 72 4.2 QUAN HỆ GIỮA ĐỘ BỀN, MÔ ĐUN ĐÀN HỒI, ĐỘ RỖNG VỚI THÀNH PHẦN CẤP PHỐI, HÀM LƯỢNG BITUM TRONG HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA……… 75

CHƯƠNG 5 LỰA CHỌN THÀNH PHẦN VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA VÀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG ĐƯỜNG CAO TỐC

5.1 LỰA CHỌN THÀNH PHẦN VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA………… 87 5.2 TÍNH TOÁN KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA XÂY DỰNG ĐƯỜNG CAO TỐC BẰNG VẬT LIỆU TRONG THÍ NGHIỆM……… 89

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

6.1 KẾT LUẬN……….…… 100 6.2 KIẾN NGHỊ……….…… 101 PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Trang 9

Luận văn cao học 1

- GVHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVTH: TRẦN HUỲNH CHƯƠNG

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU 1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Tầng mặt của kết cấu áo đường phải chịu đựng trực tiếp tác dụng phá hoại của xe cộ

và các yếu tố bất lợi về thời tiết, khí hậu Do đó, tầng mặt phải đảm bảo về mặt cường

độ nhằm chịu đựng sự phá hoại trực tiếp của xe cộ cũng như phải có tính ổn định nhiệt,

ổn định nước để chống chọi với sự thay đổi của thời tiết

Trong một vài năm trở lại đây, song song với sự tăng trưởng của lưu lượng xe và tải trọng xe là sự phát triển của kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Trong đó lĩnh vực vật liệu xây dựng chiếm một vị trí không nhỏ Việc nghiên cứu sử dụng hợp lý các

loại vật liệu để tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa (BTN) làm áo đường đảm bảo yêu cầu

kỹ thuật là cần thiết Điều này không những có ý nghĩa về mặt kỹ thuật mà còn có ý nghĩa về mặt kinh tế, do giá thành về vật liệu chiếm hơn 50% giá trị cả công trình

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Tìm ra mối quan hệ giữa độ bền Marshall, độ dẻo Marshall, cường độ nén, mô đun đàn hồi và độ rỗng của BTN với hàm lượng đá dăm (cỡ hạt > 4 mm), bột khoáng (cỡ hạt < 0.075 mm) và nhựa đường 60/70

Rút ra các quy luật làm thay đổi cường độ của BTN

Đề xuất hỗn hợp vật liệu hợp lý để chế tạo BTN có cường độ cao, ứng dụng vào tính toán kết cấu mặt đường mềm của đường cao tốc

1.3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu tổng quan về bê tông nhựa

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về cường độ của BTN

Trang 10

Đi sâu nghiên cứu mối tương quan giữa cường độ của BTN hạt trung (Dmax=20mm) với hàm lượng các thành phần của nó (đá dăm, bột khoáng và nhựa đường) Phạm vi khảo sát:

• Đá dăm: 30 ÷ 70 %

• Bột khoáng: 2 ÷ 12 %

• Nhựa đường 60/70: 3 ÷ 8 % (hàm lượng nhựa theo cốt liệu)

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Cụ thể:

• Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

• Tiến hành lấy vật liệu từ mỏ vật liệu hiện đang được sử dụng phổ biến

• Thử nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu

• Chế tạo mẫu trong phòng thí nghiệm

• Thực hiện các thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu Marshall, mô đun đàn hồi, cường độ nén và độ rỗng

• Ghi chép và xử lý số liệu theo bài toán quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp hai

ba yếu tố

• Rút ra các phương trình tương quan

Trang 11

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA TRONG

XÂY DỰNG ĐƯỜNG 2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm cốt liệu thô, cốt liệu mịn, bột khoáng và nhựa đường ngoài ra có thể có phụ gia trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất định

Tùy theo tính chất đặc trưng của bản thân hỗn hợp bê tông nhựa hoặc công nghệ sản xuất, phương pháp thi công mà chúng được phân chia ra các loại khác nhau:

• Theo phương pháp thi công: bê tông nhựa cần lu lèn và bê tông nhựa không cần

lu lèn

• Theo hàm lượng đá dăm có trong hỗn hợp bê tông nhựa: bê tông nhựa nhiều đá

dăm (50÷60% khối lượng hỗn hợp); bê tông nhựa vừa đá dăm (35÷50% khối

lượng hỗn hợp) và bê tông nhựa ít đá dăm (20÷35% khối lượng hỗn hợp)

• Theo nhiệt độ khi trộn và rải:

- Bê tông nhựa nguội - được chế tạo ở nhiệt độ 100÷1200C;

- Bê tông nhựa ấm - được chế tạo ở nhiệt độ 110÷1300C;

- Bê tông nhựa nóng - được chế tạo ở nhiệt độ 140÷1700C;

Trong một vài năm gần đây do có những điều kiện thuận lợi về máy móc thiết bị sản xuất và thi công cùng với những ưu điểm vượt trội nên bê tông nhựa nóng được dùng phổ biến hơn so với các loại khác

• Theo cỡ hạt lớn nhất danh định của cấp phối đá : hỗn hợp bê tông nhựa được

phân ra 4 loại:

- Bê tông nhựa hạt mịn (dmax=15 mm);

- Bê tông nhựa hạt trung (dmax=25 mm);

Trang 12

- Bê tông nhựa hạt lớn (dmax=40 mm);

- Bê tông nhựa hạt cát (dmax=5 mm)

• Theo độ rỗng còn dư bê tông nhựa được phân ra hai loại:

- Bê tông nhựa chặt có độ rỗng còn dư từ 3% đến 6% thể tích;

- Bê tông nhựa rỗng có độ rỗng còn dư từ 6% đến 10% thể tích và chỉ được dùng làm lớp dưới của mặt đường bê tông nhựa hai lớp hoặc làm lớp móng

• Theo chất lượng của vật liệu khoáng vật để chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa, bê

tông nhựa được phân ra hai loại: loại I, loại II

Ngoài ra, người ta còn dùng các loại phụ gia để cải thiện hoặc tăng cường các tính năng của bê tông nhựa hoặc đưa các cốt liệu dạng bột nghiền, dạng sợi vào hỗn hợp để tạo ra các loại bê tông nhựa đặc biệt Ví dụ như: bê tông nhựa ổn định nhiệt, bê tông nhựa chịu dầu-mỡ, bê tông nhựa chịu va đập và chịu mài mòn cao (được sử dụng cho mặt đường sân bay, làm lớp tạo nhám mặt đường hay những lớp tăng cường mặt đường

bê tông nhựa, bê tông xi măng cũ)

Phạm vi của đề tài chỉ nghiên cứu loại bê tông nhựa nóng hạt trung, là loại bê tông nhựa được dùng phổ biến hiện nay để làm lớp dưới của kết cấu áo đường

2.2 CẤU TẠO BÊN TRONG

2.2.1 VẬT LIỆU VÀ HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

Chất lượng của hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc rất nhiều vào các thành phần vật liệu cấu thành và cấu trúc của nó Mỗi thành phần trong hỗn hợp đóng một vai trò quan trọng nhất định và có liên hệ chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có

đủ cường độ và đủ các tính chất cần thiết trong khi sử dụng Thành phần vật liệu để tạo chế hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm: cốt liệu thô hay còn gọi là đá dăm (≥ 4 mm); cốt liệu mịn (<4 mm); nhựa đường; bột khoáng (≤0,075mm) và phụ gia (có thể có hoặc không)

Trang 13

• Đá dăm: đóng vai trò như cái sườn (khung cốt) chủ yếu, tạo cho hỗn hợp chịu tác dụng của ngoại lực và tạo độ nhám cần thiết trên bề mặt của mặt đường Do vậy bản thân đá dăm phải có đủ cường độ và độ bền cần thiết

• Cốt liệu mịn: có vai trò lấp các lỗ rỗng giữa các hạt của sườn đá dăm, làm tăng độ

ổn định của sườn và cùng với đá dăm làm thành cốt liệu khoáng vật của bê tông nhựa Ngoài ra, cốt liệu mịn trong hỗn hợp bê tông nhựa còn có tác dụng làm giảm bớt lượng nhựa và bột khoáng cần thiết để lấp đầy lỗ rỗng, đây là những vật liệu đắt tiền

• Nhựa đường: là chất liên kết chủ yếu dùng để kết dính các cốt liệu khoáng vật lại

với nhau thành một khối Tỷ lệ và tính chất của nhựa ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng ổn định nhiệt của hỗn hợp bê tông nhựa

• Bột khoáng: có tỷ diện rất lớn, vào khoảng 200m2÷300m2/kg, nó có ái lực mạnh với nhựa, biến nhựa vốn ở trạng thái khối, giọt thành trạng thái màng mỏng, bao bọc các hạt khoáng vật Bột khoáng có tác dụng như một chất phụ gia làm cho nhựa tăng thêm độ nhớt, thêm khả năng dính kết, tăng tính ổn định nhiệt

Bảng 2-1 : Một số chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa chặt trong nghiên cứu và thí nghiệm

Bê tông nhựa loại

Trang 14

-

GVHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVTH: TRẦN HUỲNH CHƯƠNG

6 - Hệ số ổn định nước ≥0,90 ≥0,85

7 - Hệ số ổn định nước, khi cho ngậm nước trong 15 ngày đêm ≥0,85 ≥0,75

8 - Độ nở (% thể tích) khi cho ngậm nước trong 15 ngày đêm ≤1,5 ≤1,8

B Thí nghiệm theo phương pháp Marshall

1 - Độ ổn định ở 600C (kN) ≥8,0 ≥7,5

2 - Chỉ số dẻo quy ước ứng với S=8kN, (mm) ≤4 ≤4

3 - Thương số Marshall 2,0-5,0 1,8-5,0

4

- Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu ở

600C, trong 24giờ so với độ ổn định ban

5 - Độ rỗng bê tông nhựa 3-6 3-6

6 - Độ rỗng cốt liệu 14-18 14-20

Phạm vi nghiên cứu của đề tài: chỉ tiêu cường độ Marshall, chuyển vị Marshall, mô

đun đàn hồi, lực nén ở 50 0 C và độ rỗng của bê tông nhựa, nghiên cứu mối tương quan

của các chỉ tiêu này với hàm lượng đá dăm, bột khoáng và nhựa đường, qua đó đề xuất

tỷ lệ hợp lý phục vụ cho việc chế tạo hỗn hợp BTN cũng như tính toán kết cấu áo

đường cho mặt đường đường cao tốc

2.2.2 THÀNH PHẦN CẤP PHỐI

Khoáng chất của hỗn hợp bê tông nhựa trong đó đường kính của mỗi cỡ hạt nên tuần

tự giảm đi 2 lần và hệ số khối lượng giảm dần lấy từ 0,65÷0,90 Đường cong cấp phối

của hỗn hợp có độ chặt tốt nhất có dạng:

1

)1.(

Trang 15

k – hệ số khối lượng giảm dần;

n – số cỡ hạt trong hỗn hợp có kích thước giảm dần theo tỉ lệ 1:2;

ax=a.kx-1 – khối lượng của mỗi cỡ hạt tiếp theo

Đối với một số nước phương Tây, phương pháp thịnh hành để chọn cấp phối cho bê tông nhựa là dùng đường cong có dạng:

n D

d P

n – hệ số, thông thường lấy từ 0,3÷0,5

Các nhà nghiên cứu ở Anh khi nghiên cứu về thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông nhựa thì cho rằng, để mặt đường bê tông nhựa được lâu bền, điều quan trọng là mặt đường bê tông nhựa phải không thấm nước Vì thế xu hướng ở Anh khi chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa là có xu hướng dùng cấp phối chứa ít lượng hạt lớn

Việc lựa chọn thành phần cấp phối không nằm ngoài mục tiêu đảm bảo cho bê tông nhựa vẫn ổn định dưới tác dụng trùng phùng của bánh xe Thành phần cấp phối đề tài nghiên cứu cũng nhằm tạo ra hỗn hợp BTN có độ bền lớn nhất

Trang 16

2.2.3 CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BÊ TÔNG NHỰA

Về mặt cấu trúc bê tông nhựa là một vật liệu xây dựng có cấu trúc thuộc loại cuội kết nhân tạo, trong đó các cốt liệu khoáng vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết Tuy nhiên quan niệm về cấu trúc bê tông nhựa cũng khác nhau: nếu theo mô hình đơn giản thì có thể xem như gồm hai pha cơ bản, pha rắn là cốt liệu khoáng vật gồm cốt liệu thô, cốt liệu mịn và bột khoáng, còn pha lỏng là nhựa (hay gọi là bi tum) Có quan niệm khác lại cho rằng bê tông nhựa như là một vật liệu gồm hai thành phần cấu trúc một là cái khung sườn vật liệu khoáng vật gồm cốt liệu thô và cốt liệu mịn, hai là chất liên kết atphan tạo thành từ nhựa và bột khoáng Ngoài ra để có sự thuận lợi trong việc nghiên cứu điều chỉnh cấu trúc của bê tông nhựa theo yêu cầu sử dụng có quan niệm lại xem bê tông nhựa là một hệ thống gồm ba cấu tử, một là cấu trúc vi mô (tế vi) gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết atphan, hai là cấu trúc trung gian gồm cốt liệu mịn và chất liên kết atphan tạo thành vữa atphan, ba là cấu trúc vĩ mô gồm đá dăm

và vữa atphan tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa

• Xét cấu trúc tế vi của bê tông nhựa ta sẽ thấy rõ các quan hệ số lượng, sự bố trí và

tương tác giữa nhựa và bột khoáng - thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa Cường độ của bê tông nhựa biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào hàm lượng bột khoáng, vào tỷ số nhựa bitum đối với bột khoáng Khi lượng nhựa nhiều, bột khoáng ít, các hạt bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc với nhau, cấu trúc tế vi này ở dạng bazan cường độ nhỏ Trường hợp này được thể hiện ở khu vực I ở hình 2-1 Khi tăng lượng bột khoáng lên, tỉ lệ nhựa trên bột khoáng giảm đến lúc lượng nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng màng nhựa mỏng Các hạt này sẽ tiếp xúc với nhau trực tiếp qua một màng mỏng bitum

có định hướng (dày khoảng 0,25µm), lúc này cấu trúc tế vi có cường độ cao nhất thể hiện ở khu vực II Nếu tiếp tục tăng lượng bột khoáng lên nữa, nhựa sẽ không

Trang 17

đủ để tạo màng bọc khắp các hạt, cấu trúc tế vi sẽ tăng lỗ rỗng, các hạt không liên kết được với nhau, cường độ sẽ giảm nhanh thể hiện ở khu vực III

Hình 2-1 : Ảnh hưởng của tỷ lệ [Bitum/Bột khoáng] đến cường độ nén của bê tông nhựa

• Xét về cấu trúc trung gian của bê tông nhựa thì thấy rằng khi đưa cố liệu mịn

vào chất liên kết atphan để tạo thành vữa atphan thì sẽ làm giảm cường độ của hệ thống vì cố liệu mịn đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp Cấu trúc trung gian cũng ảnh hưởng khá lớn đến cường độ, độ biến dạng, độ chặt và các tính chất khác của bê tông nhựa

• Xét cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa các viên đá là một yếu tố cơ bản để tạo

thành cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa Cấu trúc này được xác định bằng quan hệ

số lượng vị trí tương hỗ, độ lớn đá dăm Đá dăm liên kết với nhau thành một khối sườn không gian trong vữa atphan Đồng thời cấu trúc này cũng được xác định bằng tính chất của các quá trình tương tác ở mặt phân giới nhựa - đá

Vai trò cấu trúc hóa của đá dăm cũng như của cốt liệu mịn, khác nhiều với vai trò của bột khoáng Vai trò chính của đá dăm là làm thành một sườn không gian bảo

Trang 18

đảm cường độ cho bê tông nhựa Với lượng đá dăm quá ít, chúng chỉ như các hạt trơ bên trong vữa atphan Các hạt đá dăm nằm cách xa nhau bởi các lớp vữa atphan dày Người ta thấy rằng nếu hàm lượng đá dăm chỉ chiếm khoảng 10÷20% thì còn làm cho cường độ của bê tông nhựa giảm đi so với vữa atphan vì số đá ấy

đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp Cũng thấy rằng trong trường hợp này kích cỡ, tính chất bề mặt của đá dăm, hình dạng của chúng cũng có ảnh hưởng lớn đến tính chất của bê tông nhựa

Khi tăng lượng đá dăm lên, sẽ làm tăng tiếp xúc trực tiếp giữa các viên đá qua một màng mỏng bitum có định hướng Khi hàm lượng đá dăm lên đến 60-65% thì trong hỗn hợp bê tông nhựa sẽ lập thành một sườn không gian, các hạt đá dăm sẽ tiếp xúc với nhau trực tiếp qua một màng bitum rất mỏng có tính rắn Giữa các hạt

đá dăm này sẽ được vữa atphan lấp đầy Đó là cấu trúc dạng rỗng của bê tông nhựa Nếu ta thêm đá dăm vào nữa thì sẽ thành cấu trúc tiếp xúc, độ rỗng tăng lên nhiều, lớn hơn thể tích vữa atphan, làm cho bê tông nhựa giảm cường độ

Chính vì cấu trúc của ba cấu tử như trên đã phân tích có tương quan với nhau chặt chẽ nên khi thiết kế một hỗn hợp bê tông nhựa nhất định Để đạt chất lượng đã định trước cho một dạng bê tông nhựa, cần phải phối hợp cho đạt được một tương quan hợp

lý về mặt số lượng giữa các cấu trúc vĩ mô, trung gian và tế vi và giữ các tương quan

ấy trong suốt quá trình chế tạo bê tông nhựa Có nghĩa là mỗi cấu trúc vĩ mô đã chọn chỉ tương quan với một số cấu trúc tế vi nhất định nào đó để tạo thành một loại bê tông nhựa có các chỉ tiêu cơ lý cao Khi nghiên cứu về cường độ của bê tông nhựa ta tiến hành thay đổi hàm lượng của đá dăm, bột khoáng và nhựa Tức thay đổi các dạng cấu trúc, nhằm tìm ra dạng cấu trúc phù hợp

Trang 19

2.2.4 QUÁ TRÌNH TÁC DỤNG TƯƠNG HỖ HOÁ LÝ GIỮA NHỰA VÀ HẠT KHOÁNG CHẤT

Trong hỗn hợp đá nhựa, hạt khoáng chất phải có một màng nhựa mỏng phân bố đều

và dính bám bền chắc trên khắp bề mặt của hạt khoáng Màng nhựa này phải chịu được tác dụng của nước, nhiệt, thời gian và tải trọng của xe cộ

Chất lượng của màng nhựa mỏng bọc xung quanh và dính bám vào hạt khoáng chất

là do các tính chất của nhựa, của vật liệu khoáng chất và quá trình tương tác giữa chúng quyết định

Đặc tính và mức độ tương tác giữa nhựa (đã nấu chảy thành thể lỏng) và đá (thể rắn) phụ thuộc vào các tính chất hóa - lý của chúng, nhất là vào năng lượng bề mặt tự do

Do trên bề mặt của hạt khoáng chất và nhựa có những hạt cơ bản chưa cân bằng, nên

có thể xem như trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt của chúng có một trị số năng lượng tự

do nhất định nào đó, nó bằng công tiêu hao để tạo thành bề mặt, và gọi là năng lượng

bề mặt tự do hay lực căng bề mặt (σ )

2

/,erg cm S

W

=

σ (2 3) Trong đó:

W - công tiêu hao để tạo thành lớp bề mặt;

Trang 20

θ

31σ32

σ

σ12

Hình 2-2 : Sự thấm ướt hệ thống ba pha: Nước; Khơng khí và Hạt khống chất

Sự thấm ướt trong hệ thống ba pha gồm nước (pha 1), khơng khí (pha 2) và hạt khống chất (pha 3) tiếp xúc với nhau là một quá trình tự phát; quá trình đĩ ở vào một nhiệt độ nhất định sẽ diễn ra sự giảm năng lượng bề mặt tự do của hệ thống

Mức độ thấm ướt biểu thị bằng cosin của gĩc biên (θ tạo thành giữa bề mặt của vật )rắn với tiếp tuyến của bề mặt hạt nước kể từ điểm tiếp xúc của hạt nước với bề mặt của vật rắn Cosin liên hệ với ba lực căng σ , 12 σ , 31 σ ở các mặt phân cách giữa nước 32với khơng khí, giữa chất rắn với nước, giữa chất rắn với khơng khí Điều kiện cân bằng của các lực ấy là:

0cos

12 31

σ

12

31 32

cos

σ

σσ

θ = −

Nếu θ =1800, tức cosθ = − 1 thì bề mặt sẽ khơng bị thấm ướt; khi θ =00, tức

1

cosθ = + thì xảy ra hiện tượng bề mặt bị thấm ướt hồn tồn

Khi bề mặt chất rắn dễ bị nước thấm ướt hơn là chất lỏng hydrơcacbua (nhựa) thì bề mặt chất rắn gọi là háo nước, khi ấy θ <900, tức là 0 < cosθ < + 1 Khi bề mặt chất rắn

dễ bị chất lỏng hydrơcacbua (nhựa) thấm ướt hơn là nước, tức θ >900, tức là

1

cos

0 > θ > − và σ31 >σ32, thì bề mặt chất rắn gọi là ghét nước hay háo nhựa

Trang 21

12σ

θ

Hình 2-3 : Sơ đồ tiếp xúc giữa hai vật thể nhựa và hạt khoáng chất

Khi có hai vật thể tiếp xúc nhau, ví dụ nhựa đã nấu lỏng và hạt khoáng chất, thì công tiêu hao cho việc tác dụng tương hỗ giữa chúng được đặc trưng bằng công dính bám

Wa Giá trị của Wa có thể xác định từ phương trình Duprê – yâng :

)cos1(

12 31 12

Nếu θ = 0, thì W a =2σ12 =W k nghĩa là công dính bám giữa nhựa và chất rắn bằng năng lượng bên trong Wk (năng lượng kết dính) của nhựa và cả trường hợp khi công dính bám Wa lớn hơn năng lượng kết dính Wk thì góc thấm ướt cũng sẽ bằng không

Bề mặt khô ráo của vật thể rắn được nhựa thấm ướt tốt chưa phải là dính bám tốt Trong hai chất lỏng thấm ướt tốt như nhau với vật thể rắn thì chất lỏng nào có trị số

)

cos

(σ θ lớn hơn sẽ dính bám tốt hơn với vật thể rắn

Trang 22

Màng nhựa mỏng dính bám vào hạt khoáng chất có thể bị nước tác dụng làm bóc dần đi Đây là một hiện tượng thường gặp Trên một hạt khoáng chất đã được bọc nhựa, vì một lý do nào đó có một vài chỗ hở không có nhựa, khi viên đá này bị nước xâm nhập thì sẽ có sự tiếp xúc của hệ thống ba pha: nhựa; nước và hạt khoáng chất

32

σ

θ

31σ

σ12

Hình 2-4 : Sự xâm nhập của nước vào hạt khoáng chất bọc nhựa

Từ điều kiện cân bằng của hệ thống ba pha này ta có thể rút ra:

12

31 32

cos

σ

σσ

θ = − (2 6) Trong đó:

σ - lực căng ở mặt phân cách giữa nhựa và nước

Vì lực căng ở mặt phân cách giữa nước và hạt khoáng chất σ bao giờ cũng rất bé 32nên cosθ có giá trị âm, góc θ >900; như vậy màng nhựa bọc viên đá lúc này có xu hướng co dần lại thành hình dạng một giọt nhựa, và giọt nhựa này sẽ bị nước cuốn đi Tuy nhiên hiện tượng trên xảy ra hay không, hoặc xảy ra nhanh hay chậm còn tùy thuộc vào độ nhớt và tính chất của nhựa, tính chất của đá, vào tác dụng cơ lý và hóa

Trang 23

học giữa nhựa và hạt khoáng chất, vào quá trình hấp thụ của hạt khoáng chất đối với nhựa

Khả năng thấm ướt và dính bám của nhựa với bề mặt các hạt khoáng vật bị ẩm ướt phụ thuộc vào sự hấp phụ có chọn lọc các thành phần riêng rẽ của nhựa và khả năng giảm bớt năng lượng bề mặt tự do của hệ thống Tính chất của lớp hấp phụ này phụ thuộc vào các chất được hấp phụ, vào tính chất và năng lượng tác dụng tương hỗ của chất ấy với vật thể rắn Lớp hấp phụ nhất là khi hấp phụ thật đầy đủ, có tính chất cơ lý cao và trở thành một màng mỏng cứng rắn Do sự hấp phụ có chọn lọc các phân tử có hoạt tính bề mặt mà bề mặt háo nước của vật thể rắn trở thành ghét nước

Đa số trường hợp tác dụng tương hỗ của chất lỏng với vật rắn chủ yếu diễn ra dưới tác dụng của các lực phân tử, tuy nhiên có nhiều trường hợp đồng thời với tác dụng của các lực phân tử có thể xuất hiện cả tác dụng của các lực hóa học Hấp phụ do tác dụng của các lực phân tử gọi là hấp phụ lý học, còn hấp phụ do tác dụng của các lực hóa học, gọi là hấp phụ hóa học Hấp phụ hóa học bền hơn hấp phụ lý học nên sự dính bám giữa nhựa và đá do tác dụng của hấp phụ hóa học sẽ ổn định hơn dưới tác dụng của nước, nhiệt độ

Để điều chỉnh quá trình tác dụng tương hỗ giữa nhựa và các hạt khoáng vật làm cho

sự dính bám tốt và bền, nâng cao các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của hỗn hợp đá nhựa, thường người ta dùng biện pháp sau: Làm thay đổi các tính chất hóa lý của vật liệu khoáng chất như làm cho bề mặt của vật liệu khoáng chất trở nên ghét nước bằng những chất phụ gia có hoạt tính bề mặt cao, hoặc làm kích động bề mặt của vật liệu khoáng chất bằng các dung dịch điện phân của các loại muối khoáng, bằng vôi, xi măng hoặc rang nóng các vật liệu khoáng chất lên nhiệt độ cao; hoặc thêm vào một ít nhựa, hắc ín khi rang nóng các vật liệu ấy

Trang 24

2.3 ĐỘ BỀN BÊ TÔNG NHỰA

2.3.1 MÔ ĐUN ĐÀN HỒI BÊ TÔNG NHỰA

Khi nghiên cứu về mô đun đàn hồi của bê tông nhựa ta giả thiết:

• Mẫu bê tông nhựa trong thử nghiệm chịu sự tác dụng của tải trọng ứng suất phẳng Tải trọng tác dụng thẳng đứng và ở dạng phân bố đều

• Vật liệu bê tông nhựa đẳng hướng, đồng nhất và đàn hồi tuyến tính

• Hệ số nở hông của bê tông nhựa là hằng số

Theo các giả thiết trên, các điều kiện ứng suất trong thử nghiệm sẽ được xác định theo các công thức của lý thuyết đàn hồi

Mô đun đàn hồi của bê tông nhựa sẽ được xác định theo công thức:

)273.0( +µ

E - mô đun đàn hồi của bê tông nhựa, MPa

Trang 25

Dưới tác dụng của lực thẳng đứng và lực nằm ngang trong lớp mặt đường sẽ phát sinh ra các ứng suất thẳng đứng và ứng suất nằm ngang, làm cho mặt đường có thể sinh

ra các biến dạng trượt, làn sóng, nhất là vào mùa nóng khi đó nhiệt độ mặt đường nhựa lên cao Trong trường hợp lực dính giữa lớp mặt và lớp móng quá nhỏ thì các biến dạng trượt, làn sóng sinh ra chủ yếu do lớp mặt bị trượt trên lớp móng Nếu lực dính giữa lớp mặt và lớp móng đủ thì các biến dạng trượt và làn sóng phát sinh chủ yếu là

do hiện tượng trượt của bản thân khối vật liệu trong lớp mặt đường

Qw

(c) - hiện tượng trượt của bản thân khối vật liệu trong lớp mặt đường

Để đơn giản hóa trạng thái ứng suất phức tạp trong lớp mặt đường dưới tác dụng đồng thời của lực thẳng đứng và lực nằm ngang, thay thế hệ thống các lực nằm ngang bằng lực thẳng đứng tương đương, gây lên các ứng suất tương tự trong lớp mặt đường, nghĩa là thay thế hệ thống gồm lực thẳng đứng và nằm ngang bằng một lực thẳng đứng nhân với một hệ số (k1)

Trang 26

Dưới tác dụng trùng phục của tải trọng bánh xe, làm tăng biến dạng mặt đường nhiều hơn so với tác dụng tải trọng tĩnh, đưa vào hệ số (k2) trong công thức tính toán Tính dẻo của từng loại hỗn hợp vật liệu khoáng chất và nhựa khác nhau trong mặt đường nhựa hệ số (k3) được đưa vào công thức tính toán

Như vậy khi xe chạy áp lực thẳng đứng tương đương tính toán tác dụng lên mặt đường sẽ bằng p.k1.k2.k3

Cường độ kháng ép (q) của mặt đường có chiều dày (h) dưới tác dụng của tải trọng phân bố đều trên diện tích hình tròn có đường kính D tương đương với vệt bánh xe, có thể viết một cách gần đúng:

D

q (2 8) với điều kiện không nhỏ hơn 5

Để mặt đường nhựa không phát sinh làn sóng, trượt, áp lực thẳng đứng tính toán không được lớn hơn sức kháng ép (q) của mặt đường, có kể đến tác dụng của lực ngang, thời gian tác dụng, sự trùng phục của lực và tính dẻo của loại hỗn hợp dùng làm mặt đường nhựa Như vậy phải thỏa mãn điều kiện sau:

q ≥ p.k1.k2.k3 (2 9) Theo Morơ cường độ nén R của mẫu phụ thuộc vào hệ số ma sát và lực dính (C) của hỗn hợp

R 0 (2 10)

Dựa vào quan hệ giữa sức kháng ép (q) của mặt đường xác định theo công thức (2.10) và cường độ nén (R) theo Morơ của mẫu hình trụ trong phòng thí nghiệm công thức (2.12), để thỏa mãn được điều kiện (2.11), cường độ nén yêu cầu của mẫu hỗn hợp vật liệu khoáng chất và nhựa ở nhiệt độ cao (50÷600C) phải là:

Trang 27

.

ϕ

Dtg

k k k h p R

k1 - hệ số kể đến ảnh hưởng của lực ngang, bằng 1,5÷4;

k2 - hệ số kể đến thời gian tác dụng và sự trùng phục của lực so với thời gian nén mẫu ở máy nén thủy lực, bằng 1,5÷4;

k3 - hệ số kể đến ảnh hưởng do tính dẻo của hỗn hợp, k3 = 0,5÷0,6 đối với hỗn hợp cứng (khi chỉ số dẻo m = 0,10÷0,15), và bằng 1,5÷1,6 đối với hỗn hợp dẻo (khi chỉ số dẻo m = 0,25÷0,36)

Tích số k=k1.k2.k3 có thể bằng từ 3÷6 trên đường trường và 12÷18 đối với chỗ đậu

xe hay trên đoạn đường dốc Lấy trị số k nhỏ khi mật độ xe trung bình, và lớn khi mật

độ xe lớn

Công thức (2.11 hay 2.12) cho phép ta phỏng định cường độ nén yêu cầu của mẫu làm bằng hỗn hợp vật liệu khoáng chất và nhựa trong phòng thí nghiệm nén tiêu chuẩn (tốc độ chuyển động của thớt máy nén bằng 3mm/phút) Tính cường độ chịu nén yêu cầu theo công thức trên có ưu điểm là đã chú ý đến ảnh hưởng của các yếu tố về điều kiện khai thác đường như mật độ và thành phần xe, chiều dày lớp mặt, nhiệt độ lớn nhất của mặt đường, vị trí của đoạn đường và tính dẻo của từng loại hỗn hợp để tùy theo từng trường hợp cụ thể mà chọn loại hỗn hợp đá nhựa cho thích hợp

Trang 28

Độ ổn định chống trượt của hỗn hợp ở nhiệt độ cao bằng phương pháp nén một trục như trong thí nghiệm tiêu chuẩn thật ra chưa phản ánh được những đặc tính của mặt đường nhựa trong quá trình sử dụng

Vì thế đề nghị trực tiếp đánh giá cường độ và sự ổn định chịu trượt của hỗn hợp bằng thí nghiệm về trượt

Để mặt đường nhựa bảo đảm điều kiện ổn định trượt, cần thỏa mãn điều kiện sau:

2 1

75 ,

C

tgϕ+ 1 ≥0,75− 2 (2 13) Trong đó:

Trong bảng dưới cho các giá trị của C1, C2 và tùy theo từng loại hỗn hợp Có thể dựa vào số liệu của bảng này để tính khả năng chịu trượt của mặt đường nhựa rồi so

Trang 29

-

GVHD: GVC.TSKH TRẦN QUANG HẠ HVTH: TRẦN HUỲNH CHƯƠNG

sánh với lực trượt lớn nhất trong mặt đường do tải trọng ô tô gây ra, từ đó chọn và thiết

kế các thành phần của hỗn hợp đá nhựa cho thích hợp

Bảng 2-2 : Các chỉ tiêu về lực dính và góc ma sát trong của hỗn hợp vật liệu khoáng

chất trộn nhựa đã được lu lèn chặt

Loại hỗn hợp

(kG/cm2) (kG/cm2) (độ)

Bê tông nhựa cát 0,10-0,15 0,40 28-30

Bê tông nhựa hạt nhỏ (0÷15mm) 0,25-0,30 0,35 32

Bê tông nhựa hạt trung (<20mm) 0,60 0,30 35

Bê tông nhựa hạt lớn(<40mm) 0,65 0,25 38-40

Bê tông nhựa nguội chế tạo bằng đá được xay vỡ 0,25 0,25 40-45

Ngoài ra, kết quả nghiên cứu khác đã đề nghị dùng công thức có dạng hàm số mũ để

xác định cường độ cắt yêu cầu của mặt đường bê tông nhựa, có kể đến tính chất của

hỗn hợp đã dùng, tổng thời gian tác dụng của lực trượt và tác dụng trùng phục của tải

trọng ở nhiệt độ tính toán (600C) của mặt đường bê tông nhựa

n ph t ph

t. = AT.

τ (2 14) Trong đó:

ph

t.

τ - lực kháng cắt của mặt đường bê tông nhựa khi chịu tác dụng trùng phục của

lực trượt;

A - thông số, phụ thuộc vào tính chất của từng loại hỗn hợp;

Tt.ph - tổng số thời gian của các lần tác dụng trùng phục của lực trượt;

n - chỉ số đặc trưng cho tính dẻo và mức độ mỏi của bê tông dưới tác dụng tải trọng

trùng phục, n biểu thị mức độ giảm sức kháng cắt của từng loại hỗn hợp bê tông nhựa

(tùy tính dẻo) khi chịu tác dụng trùng phục của lực nằm ngang

Trang 30

P - độ ổn định (lực phá hoại mẫu), kN;

l – chỉ số dẻo, mm

Độ ổn định theo phương pháp Marshall là một chỉ tiêu quan trọng của hỗn hợp bê tông nhựa nhằm đánh giá mức độ ổn định của hỗn hợp bê tông nhựa dưới các điều kiện bất lợi từ môi trường trong quá trình khai thác như nhiệt độ và độ ẩm

Độ ổn định của bê tông nhựa là năng lực chống lại tác dụng phong hóa và hao mòn của bản thân lớp vật liệu Biểu hiện của sự phong hóa và hao mòn:

• Trong quá trình gia công (ví dụ đun nóng và trộn với cốt liệu) và sử dụng, nhựa bị hóa già hoặc hóa cứng, chất lượng trở nên giòn và dễ xuất hiện đường nứt

• Dưới tác dụng của bánh xe cốt liệu bị ép vỡ hoặc bị vụn nát, bị hao mòn và cấp phối bị thoái hóa

• Dưới tác dụng của nước, sự dính bám giữa nhựa và cốt liệu bị giảm và xuất hiện

sự bóc tách màng nhựa khỏi mặt đá

Hỗn hợp bê tông nhựa có độ ổn định thấp thì dễ xuất hiện đường nứt, rời rạc và hao mòn làm giảm niên hạn sử dụng của mặt đường Để tăng độ ổn định của hỗn hợp thì ngoài việc chọn hỗn hợp bê tông nhựa có độ ổn định tốt, khống chế đúng nhiệt độ trộn

Trang 31

hỗn hợp ra, còn phải giảm nhỏ độ rỗng của hỗn hợp làm cho hỗn hợp không thấm hoặc

ít thấm nước, khí và hơi nước

Thí nghiệm xác độ ổn định (cường độ Marshall) của hỗn hợp bê tông nhựa là đánh giá chất lượng về mặt cường độ cũng như khả năng chống biến dạng của hỗn hợp trong quá trình khai thác Thí nghiệm này là một trong những nội dung mà đề tài nghiên cứu

2.3.4 KHẢ NĂNG CHỊU BIẾN DẠNG CỦA MẶT ĐƯỜNG NHỰA

Dưới tác dụng của tải trọng ô tô mặt đường nhựa làm việc ở trạng thái chịu uốn Ứng suất kéo lớn nhất xuất hiện ở phần dưới của lớp mặt đường nhựa Trị số của ứng suất kéo này phụ thuộc vào chiều dày của lớp vật liệu, vào tỉ số mô đun đàn hồi của lớp mặt và tầng móng Vào mùa mưa nền đường bị ẩm ướt, mô đun đàn hồi của lớp đất dưới tầng móng bị giảm xuống nhiều, do đó độ biến dạng uốn của mặt đường nhựa tăng lên và đến lúc độ giãn dài tương đối của mặt đường vượt quá trị số cho phép ứng với nhiệt độ và loại hỗn hợp đã dùng thì lớp vật liệu sẽ bị rạn nứt

Ngoài ra, khi nhiệt độ thay đổi quá nhiều thì trong mặt đường nhựa có thể sinh ra ứng suất khá lớn vì lớp mặt đường không co rút tự do được khi nhiệt độ hạ, hoặc mặt đường không thể tự do uốn vồng khi nhiệt độ ở trên mặt và ở dưới lớp mặt đường nhựa khác nhau nhiều

Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời, nhiệt độ, nước còn làm cho nhựa trong mặt đường bị hóa già, do đó khả năng chịu biến dạng của mặt đường nhựa kém đi, cũng là một nguyên nhân quan trọng làm cho mặt đường dễ bị rạn nứt

Đối với các nước vùng ôn đới và hàn đới một nguyên nhân chủ yếu làm cho mặt đường nứt nẻ là hiện tượng đông cứng không đồng đều của lớp đất móng dưới mặt đường

Trang 32

Vì thế nhiều nhà nghiên cứu đề nghị dùng độ giãn tương đối của mẫu khi chịu uốn

để làm chỉ tiêu đánh giá khả năng chịu biến dạng của hỗn hợp vật liệu đá nhựa Độ giãn dài tương đối cho phép của mặt đường nhựa khi biến dạng uốn phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất của từng loại hỗn hợp đã dùng Đối với bê tông nhựa nóng hạt trung độ giãn dài tương đối ở 200C là 0,0015÷0,0040 và ở 00C là 0,006÷0,003; đối với

bê tông nhựa cát ở 200C là 0,008÷0,003 và ở 00C là 0,005÷0,0025 Trị số bé tương ứng với loại hỗn hợp hạt nhỏ và loại ít ổn định nhiệt; trị số lớn tương ứng với loại hỗn hợp hạt lớn, hàm lượng nhựa ít và loại nhựa ổn định nhiệt tốt hơn

Kể đến tính lưu biến của mặt đường nhựa và tính đến việc dùng các đặc trưng độc lập với tốc độ biến dạng trong khi thí nghiệm, nhiều nhà nghiên cứu đề nghị dùng các hằng số lưu biến để đánh giá khả năng chịu biến dạng của hỗn hợp đá nhựa V.V.Mikhailop và V.Gilman đề nghị dùng mô đun đàn hồi chậm; N.V.Garelưsep đề nghị dùng tốc độ từ biến của mẫu khi chịu kéo dưới tác dụng của tải trọng không đổi; I.K.Iaxevich đề nghị dùng độ nhớt khi cấu trúc của hỗn hợp vật liệu nhựa chưa bị phá hoại của mẫu trong thí nghiệm uốn để đánh giá khả năng chịu biến dạng của vật liệu đá nhựa và mặt đường nhựa

Để cho mặt đường nhựa không nứt nẻ trong thiết kế cần đảm bảo:

• Thiết kế mặt đường sao cho ứng suất kéo hay độ giãn dài tương đối của lớp mặt đường chịu tác dụng của mật độ và thành phần xe tính toán trong mùa bất lợi nhất không vượt quá giới hạn qui định;

• Xây dựng nền đường đảm bảo chất lượng tốt: đất phải đồng nhất, đầm nén đạt yêu cầu, đặc biệt là đối với lớp đất móng của kết cấu mặt đường Không để lớp đất này quá ẩm ướt khi làm các lớp của mặt đường lên trên;

• Không nên dùng các vật liệu cấp phối chứa nhiều lượng bụi sét để làm các lớp nằm trực tiếp dưới lớp mặt và lớp trên của tầng móng;

Trang 33

• Có những biện pháp đặc biệt để điều hòa được chế độ thủy nhiệt của nền đường, đặc biệt là lớp móng đất trực tiếp dưới mặt đường, nhất là ở những vùng có chế

độ ẩm bất lợi;

• Riêng về bản thân hỗn hợp vật liệu đá nhựa thì phải thiết kế, điều chỉnh để đảm bảo đạt được các tính chất cơ học - cấu trúc thích hợp như: độ giãn dài tương đối đạt được trị số gần với giới hạn trên để còn dự phòng nhựa bị hóa già làm cho độ cứng tăng thêm trong quá trình sử dụng; độ nở của hỗn hợp khi mẫu ngâm nước không được vượt quá 0,5% thể tích Để tăng thêm khả năng chịu biến dạng của mặt đường nhựa cần phải chọn loại nhựa có khả năng chịu biến dạng và ít hóa già Tuy nhiên cũng phải chú ý đến khả năng chống trượt để mặt đường không bị biến dạng, làn sóng trong mùa nóng

2.4 CÁC VẤN ĐỀ VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA

2.4.1 LÝ THUYẾT VỀ CƯỜNG ĐỘ VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA

Tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc cấu trúc của nó; cấu trúc này phụ thuộc vào tính chất và hàm lượng của các thành phần cấu thành, vào sự phân bố đều đặn các cỡ hạt và nhựa, vào chất lượng kỹ thuật trong quá trình chế tạo hỗn hợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ chặt của hỗn hợp

Những qui luật và quan hệ về định lượng giữa các cấu trúc thành phần trong bê tông nhựa với các tính chất cơ học của nó đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Giáo sư I.A Rưbep cho rằng cường độ, độ dẻo và một số tính chất khác của hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc vào các tính chất cơ học của chất liên kết atphan (nhựa + bột khoáng), vào lực dính bám ở mặt tiếp xúc của các pha và vào độ rỗng của hỗn hợp Giáo sư I.A.Rưbep đề nghị công thức để xác định cường độ của bê tông nhựa (nén, cắt, kéo) như sau:

Trang 34

m x

X P P

R k R

lg

lg max

* 1

N – hàm lượng nhựa trong bê tông nhựa;

N* – hàm lượng nhựa trong chất liên kết atphan có cường độ R*;

k1 – hệ số độ rỗng của bê tông nhựa

Giáo sư N.N.Ivanôp dựa trên các kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm, cho rằng cường độ của bê tông nhựa phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố: lực ma sát của cốt liệu khoáng vật và lực dính do sự có mặt của nhựa và các hạt keo trong cốt liệu khoáng vật

Lực ma sát của hỗn hợp bê tông nhựa chủ yếu là do độ lớn, độ đồng đều và độ sắc cạnh của các cốt liệu khoáng vật quyết định Lực ma sát càng lớn khi các hạt càng đồng đều, sắc cạnh; lực ma sát ít thay đổi theo nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng, nhưng thay đổi nhiều theo hàm lượng nhựa trong hỗn hợp

Trang 35

Lực dính đóng vai trò quan trọng trong hỗn hợp đá nhựa Lực dính C gồm hai thành phần C1 và C2: C1 là thành phần lực dính do sự móc vướng giữa các hạt, phụ thuộc vào

độ lớn và độ sắc cạnh của hạt C1 có giảm đi một ít khi chịu tác dụng của tải trọng trùng phục và khi hỗn hợp không chặt, nhưng không thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ biến dạng; C2 là thành phần lực dính phân tử, nó là lực dính do tác dụng dính bám tương hỗ giữa nhựa và đá do lực dính bên trong của bản thân nhựa Lực dính bên trong C2 của nhựa phụ thuộc vào cấu trúc và độ nhớt của nhựa, chịu ảnh hưởng nhiều của nhiệt độ và tốc độ biến dạng Quá trình hóa già làm thay đổi cấu trúc và độ nhớt của nhựa nên cũng làm ảnh hưởng đến lực dính bên trong của nhựa, đặc biệt là khi màng nhựa bọc xung quanh cốt liệu càng mỏng Lực dính bám của nhựa lên bề mặt các hạt khoáng vật phụ thuộc vào tỉ diện của cốt liệu khoáng vật, vào tính chất hấp thụ của

đá đối với nhựa

(a): theo tốc độ biến dạng

(b): theo nhiệt độ thí nghiệm

φ- góc nội ma sát của vật liệu

C - lực dính

Trang 36

υ – tốc độ biến dạng

Nói tóm lại, lực dính C2 trong hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: trước nhất là phụ thuộc vào độ nhớt của nhựa, nó thay đổi theo nhiệt độ (t) và ảnh hưởng lớn đến tính dính bám và tính kết dính của nhựa; phụ thuộc vào tỉ diện của cốt liệu khoáng vật; vào ái lực phân tử của nhựa và khoáng vật; vào khả năng trao đổi hóa học; vào mức độ ổn định của các tính chất liên kết tự nhiên của cốt liệu khoáng vật; vào sự biến đổi độ nhớt ban đầu của nhựa do các chất nhẹ trong nhựa bay hơi và do sự hấp phụ có chọn lọc cốt liệu khoáng vật; vào chiều dày của màng nhựa; vào tốc độ biến dạng của hệ thống và vào hệ số dẻo (m) của hỗn hợp

Thực nghiệm cho thấy rằng, lực dính trong những điều kiện khác nhau thì cũng không giống nhau, tăng lên khi tốc độ biến dạng và độ nhớt tăng Độ nhớt lại thay đổi nhiều theo nhiệt độ nên khi thay đổi nhiệt độ thì lực dính cũng thay đổi Lực dính có thể thay đổi từ 2÷3 kG/cm2 ở +500C lên đến 20 kG/cm2 ở 00C; trị số càng khác nhau nhiều khi hỗn hợp có hàm lượng nhựa lớn và khi tốc độ biến dạng nhỏ

Sự thay đổi lực dính theo tốc độ biến dạng phụ thuộc vào tính dẻo của hỗn hợp Hỗn hợp càng dẻo sự thay đổi của lực dính theo tốc độ biến dạng càng lớn Theo kết quả thí nghiệm của Giáo sư N.N.Ivanôp và cộng sự của ông thì ở một nhiệt độ nhất định, sự biến đổi của lực dính theo tốc độ biến dạng có thể biểu diễn theo dưới dạng sau:

m m

T

T v

v C

1 2 2

1

2 (2 17) Trong đó:

1

2

C – thành phần thứ hai của lực dính, tương ứng với tốc độ biến dạng (v1) hoặc tương ứng với thời gian tác dụng của tải trọng T1;

Trang 37

độ xe lớn cần chọn loại hỗn hợp có chỉ số dẻo m nhỏ để mặt đường ổn định trong mùa nóng

Biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ hỗn hợp bê tông nhựa vào cấu trúc, chiều dày trung bình của màng nhựa bọc ngoài mặt cốt liệu khoáng vật, nhiệt độ và tốc độ biến dạng, Giáo sư Rưbep đã đề nghị công thức tổng quát có dạng sau:

P m n

t

t R

R = ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞

2

1 1

2 2

1 1

υδ

δ (2 18) Trong đó:

R1, R2 - cường độ của hỗn hợp bê tông nhựa tương ứng với tốc độ biến dạng υ1,υ2với nhiệt độ thí nghiệm t1, t2 (theo độ Kelvin), với chiều dày trung bình của màng nhựa

P - chỉ số mũ, đặc trưng mức độ thay đổi cường độ khi nhiệt độ biến đổi 10;

n - chỉ số mũ, đặc trưng chất lượng của hỗn hợp cốt liệu khoáng vật (độ chặt và tính dính bám)

Trang 38

Như vậy tính chất cũng như cường độ của hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc cấu trúc của nó; cấu trúc này phụ thuộc vào tính chất và hàm lượng của các thành phần cấu thành, vào sự phân bố các cỡ hạt và nhựa, vào chất lượng kỹ thuật trong quá trình chế

tạo hỗn hợp, đặc biệt là chế độ nhiệt và độ chặt của hỗn hợp

2.4.2 SỰ LÀM VIỆC CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA Ở ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM CAO

Khi làm việc ở nhiệt độ cao, bê tông nhựa bị nung nóng nên lớp mặt sẽ phát sinh các hiện tượng:

• Giảm khả năng chống biến dạng hay nói một khác là do nhiệt độ tăng cao làm mô đun đàn hồi của bê tông nhựa giảm Quan hệ giữa mô đun đàn hồi (E) của bê tông nhựa với nhiệt độ hỗn hợp (t0C) đã được nhiều tác giả nước ngoài nghiên cứu, cụ thể:

Theo L.I Goreski (Nga) có quan hệ:

C t e

E=28100 −0 , 04460 (2 19)

Trong dó

t0C - nhiệt độ của hỗn hợp bê tông nhựa

Theo L.B Ghezensvây (Nga) đưa ra công thức:

55

(t t E k

E= − − (2 20) Trong đó

k - hệ số góc của đường thẳng E=f(t0C);

E55 và t55 - mô đun đàn hồi và nhiệt độ của bê tông nhựa ở 550C

Qua các công trình thực tế M.Rafiloiu (Rumani) đã lập công thức biểu thị quan hệ của mô đun đàn hồi của bê tông nhựa với nhiệt độ như sau:

Trang 39

h03,01(E

Trong đó

h - chiều dày lớp mặt cm;

t – nhiệt tính toán, 0C ;

Ef=60.000kG/cm2 (mô đun đàn hồi)

ϕ (độ)

C (MPa)

τ (MPa)

ϕ (độ)

C (MPa)

τ (MPa) 1- Hạt nhỏ nhiều đá dăm 39,0 0,340 0,800 3,84 0,180 0,675 2- Hạt nhỏ vừa đá dăm 38,3 0,390 0,850 3,80 0,220 0,675 3- Hạt nhỏ ít đá dăm 32,3 0,720 1,050 3,20 0,310 0,660 4- Bê tông nhựa cát 30,0 0,600 0,930 2,90 0,270 0,600

• Một điều bất lợi nhất của mặt đường bê tông nhựa thường xảy ra là trong khi cường độ chống trượt của mặt đường bị giảm do phải làm việc ở nhiệt độ cao, mặt đường lại còn phải chịu tác dụng của lực ngang khi xe hãm phanh, khởi hành

Trang 40

màng nhựa khỏi viên đá, phá hoại lực dính bám giữa nhựa và bề mặt viên đá, đặc biệt

là khi giữa nhựa và đá không có sự hấp thụ hóa học Ngoài ra, nước có thể mang đi các hợp chất dễ hòa tan của nhựa Nước thấm vào mặt đường nhựa dễ làm cho mặt đường rời rạc, mất tính liên kết toàn khối, nhất là dưới tác dụng trùng phục của xe cộ, và cũng

do đó làm giảm phần nào hệ số ma sát trong

Sự thay đổi cấu trúc của mặt đường nhựa càng nhanh khi sự khuếch tán của nước trong mặt đường nhựa càng mạnh Sự khuếch tán của nước càng mạnh khi nước tiếp xúc với hỗn hợp vật liệu đá nhựa trong mặt đường càng lâu và khi nhiệt độ cao Ngoài

ra, mức độ khuếch tán của nước, tác dụng phá hoại của nước còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác như: thành phần nhựa, tính chất của bột khoáng, độ đậm đặc của bột khoáng trong hỗn hợp, độ rỗng cốt liệu, độ rỗng còn dư của hỗn hợp, nguồn gốc của các hạt khoáng vật, hàm lượng đá dăm, lực dính và tính chất dính bám của đá và nhựa

Do nước có tác dụng xấu đến mặt đường nhựa, và tùy thuộc vào tính chất của từng loại hỗn hợp đá nhựa mà tính chất cơ lý của nó giảm đi nhiều hay ít, do đó phải qui định các chỉ tiêu về độ ổn định đối với tác dụng của nước cho từng loại hỗn hợp đá nhựa để bảo đảm cho mặt đường làm việc được lâu bền Trong qui trình chế tạo hỗn hợp vật liệu khoáng chất và nhựa của các nước đều có qui định các chỉ tiêu về ổn định đối với nước, như độ rỗng, độ ngậm nước, độ nở, cường độ nén yêu cầu của mẫu ngậm nước, hệ số ổn định nước

Cường độ nén yêu cầu của mẫu ngậm nước được thí nghiệm ở một nhiệt độ trung bình qui định nào đó mà mặt đường thường phải chịu đựng trong những thời kỳ bị nước tác dụng nhiều nhất Ví dụ lấy nhiệt độ thí nghiệm mẫu nước là +200C, ở Pháp là +180C Tỉ số cường độ nén của mẫu ngậm nước và của mẫu không ngậm nước là hệ số

ổn định nước của hỗn hợp đá nhựa ở nhiệt độ thí nghiệm qui định, nó cho biết mức độ chịu đựng tác dụng của nước lên loại hỗn hợp đã chế tạo Tùy theo loại hỗn hợp và nơi

Định dạng
Số trang	133
Dung lượng	1,86 MB