Nghiên cứu các đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa dùng làm tầng mặt cho kết cấu áo đường ô tô

Ngô Lâm NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA DÙNG LÀM TẦNG MẶT CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Ô TÔChuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố Mã số: 9580205-2 LUẬN ÁN TIẾN

Ngô Lâm NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA DÙNG LÀM TẦNG MẶT CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Ô TÔ

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

Mã số: 9580205-2

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội - Năm 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA DÙNG LÀM TẦNG MẶT CHO KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG Ô TÔ

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả luận án

Ngô Lâm

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Hoàng Tùng, PGS.TS Bùi Phú Doanh đã tận tình hướng dẫn, cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học cho tác giả Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô Bộ môn Đường ô tô và đường đô thị trường Đại Học Xây dựng đã có nhiều giúp đỡ, góp ý xác đáng và quý báu cho tác giả trong quá trình hoàn thiện luận án; cảm

ơn Phòng thí nghiệm LAS-XD1256, LAS-XD1498, Khoa Cầu Đường, Khoa Đào tạoSau đại học nơi tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án Cuối cùng tác giả bày tỏ lòngbiết ơn những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ, chia sẻ những khó khănvới tác giả trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả luận án

Ngô Lâm

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 7

1.1 Tổng quan về kết cấu mặt đường và vật liệu bê tông nhựa 7

1.1.1 Kết cấu mặt đường 7

1.1.2 Vật liệu bê tông nhựa 9

1.1.3 Cấp phối cốt liệu của bê tông nhựa 18

1.2 Tổng quan về cường độ chống cắt của bê tông nhựa 21

1.2.1 Tiêu chuẩn phá hoại Mohr Coulomb 21

1.2.2 Phương trình cường độ chống cắt của Coulomb [15] 23

1.3 Về ảnh hưởng của các đặc trưng kháng cắt tới lún vệt bánh xe của mặt đường bê tông nhựa 25

1.3.1 Lún vệt bánh xe 25

1.3.2 Nguyên nhân chính của hiện tượng hằn lún vệt bánh xe và đẩy trồi vật liệu 26

1.4 Thực trạng áp dụng đặc trưng kháng cắt và các phương pháp thí nghiệm tương ứng trong thiết kế thành phần bê tông nhựa 27

1.5 Các nghiên cứu có liên quan tới luận án 29

1.5.1 Nghiên cứu tại Việt Nam 30

1.5.2 Nghiên cứu trên thế giới 32

1.6 Nhận xét chương 1 32

Chương 2 VỀ ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA 34

2.1 Mở đầu 34

2.2 Trạng thái ứng suất và phân bố ứng suất cắt trong kết cấu mặt đường BTN 34 2.2.1 Áp lực lốp xe và trạng thái ứng suất trong kết cấu áo đường mềm 34

2.2.2 Về phân phối nhiệt độ trong mặt đường nhựa 37

2.2.3 Phân phối ứng suất cắt và biến dạng do trượt, hằn lún trong bê tông nhựa 38

2.2.4 Về sự thay đổi kích thước của phân tố khi chịu cắt trượt 40

2.3 Về lý thuyết xác định các đặc trưng kháng cắt của vật liệu 41

2.4 Về đặc trưng kháng cắt của một số loại bê tông nhựa 42

2.4.1 Tổng hợp các kết quả nghiên cứu hiện hành 42

2.4.2 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng kháng cắt của BTN 46

2.5 Một số giải pháp nâng cao sức kháng cắt của vật liệu và mặt đường BTN 54 2.5.1 Về nhóm giải pháp cho vật liệu chế tạo bê tông nhựa 55

2.5.2 Nhóm giải pháp cho thiết kế, thi công và khai thác kết cấu mặt đường ô tô 57

2.6 Nhận xét chương 2 64

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 66

3.1 Mở đầu 66

3.2 Phân tích, đánh giá các phương pháp thí nghiệm xác định đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa 66

3.2.1 Các thí nghiệm theo hướng thứ nhất 67

3.2.2 Các thí nghiệm theo hướng thứ hai 83

3.3 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm 90

3.3.1 Tiêu chí lựa chọn 90

3.3.2 Kết quả lựa chọn phương pháp thí nghiệm 93

3.4 Nhận xét chương 3 94

Chương 4 CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ ÁP DỤNG KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT CỦA BTN 95

4.1 Mở đầu 95

4.2 Chế tạo các thiết bị thí nghiệm 95

4.2.1 Thiết bị thí nghiệm theo phương pháp IDT-UCS 95

4.2.2 Chế tạo thiết bị theo phương pháp của Nga 96

4.2.3 Chế tạo thiết bị thí nghiệm theo phương pháp của Romanoschi 99

4.3 Áp dụng khảo sát đặc trưng kháng cắt của một số loại bê tông nhựa trong điều kiện Việt Nam 112

4.3.1 Mục tiêu, phạm vi khảo sát 112

4.3.2 Sơ bộ quy hoạch thực nghiệm 114

4.3.3 Kết quả thí nghiệm theo phương pháp IDT-UCS 120

4.3.4 Kết quả thí nghiệmvới thiết bị AST1 và Marshall, Wheel Tracking 121

4.3.5 Kết quả thí nghiệm với thiết bị AST2 và Wheel Tracking 125

4.3.6 Về tương quan giữa kết quả thí nghiệm theo AST2 và AST1 134

4.4 Nhận xét chương 4 136

KẾT LUẬN 137

Kết luận 137

Các hạn chế của luận án 138

Kiến nghị 138

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 140

ĐĂNG KÝ SỞ HỮU TRÍ TUỆ ĐỐI VỚI THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH

ĐẶC TRƯNG CHỐNG CẮT CỦA BÊ TÔNG NHỰA (AST2) 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 PHỤ LỤC PL1

PHỤ LỤC 1 THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG NHỰA PL1 PHỤ LỤC 2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN

BẰNG AST1 PL16 PHỤ LỤC 3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐẶC TRƯNG KHÁNG CẮT CỦA BTN

BẰNG AST2 PL20

PHỤ LỤC 4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỆT HẰN BÁNH XE PL32

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

AST1 Asphalt Mixture Shear Test 1- Thiết bị thí nghiệm đặc trưng kháng cắt 1AST2 Asphalt Mixture Shear Test 2- Thiết bị thí nghiệm đặc trưng kháng cắt 2

BT

BTNC Bê tông nhựa chặt

DST Duplicate Shear Tester

FST Field Shear Test

IDT Indirect Tensil Strength

LPDS Layer Parallel Direct Shear

SST Superpave Shear Test

UCS Unconfied Compression Strength

UPT Uni Penestration Test

UST Uniaxial Shear Tester

QĐ858 Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ Giao thông vận tải

về việc ban hành hướng dẫn áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiệnhành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường

bê tông nhựa nóng đối với các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Cấu tạo các tầng, lớp trong kết cấu áo đường 8

Hình 1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ [bitum/bột khoáng] đến cường độ nén của bê tông nhựa 11

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng đá dăm đến cường độ nén của bê tông nhựa [2] 12

Hình 1.4 “Mô hình” tương quan phối hợp giữa các cấu trúc vĩ mô, trung gian, tế vi của bê tông nhựa 13

Hình 1.5 So sánh BTNC 12,5 theo QĐ858 [26] và theo TCVN 8819:2011 [19] 20

Hình 1.6 Phân tố và các ứng suất gây phá hoại [15] 22

Hình 1.7 Các vòng Morh lúc phá hoại xác định đường bao phá hoại Mohr .22

Hình 1.8 Điều kiện ứng suất trong phân tố khi phá hoại ở mặt phẳng f 23

Hình 1.9 Ví dụ về lún vệt hằn bánh xe 25

Hình 1.10 Hiện tượng xô dồn vật liệu mặt đường bê tông nhựa 26

Hình 1.11 Cơ chế hình thành lún vệt bánh xe trong lớp BTN 26

Hình 2.1 Kết cấu mặt đường bê tông asphalt khi chịu tác dụng của tải trọng [39] 35

Hình 2.2 Phân bố ứng suất [39] 36

Hình 2.3 Sơ đồ phân bố ƯS trong MĐ mềm dưới tác dụng của tải trọng bánh xe [39] 36

Hình 2.4 Phân phối áp lực của lốp xe lên mặt đường [46] 37

Hình 2.5 Diễn biến nhiệt độ trong mặt đường bê tông nhựa tại Brazil [46] 37

Hình 2.6 Ứng suất cắt lớn nhất theo áp lực lốp và nhiệt độ [46] 38

Hình 2.7 Phân bố ứng suất cắt trong tầng mặt bê tông nhựa [41] 38

Hình 2.8 Mặt cắt ngang mặt đường khu vực bị vệt hằn bánh xe [42] 39

Hình 2.9 Dịch chuyển của các thành phần hạt trong Bê tông nhựa khi chịu cắt [29] 40

Hình 2.10 Đồ thị tương quan về cường độ Coulomb 42

Hình 2.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ thí nghiệm tới các đặc trưng kháng cắt của Bê tông nhựa [46],[73] 51

Hình 2.12 Ảnh hưởng của hàm lượng nhựa đến lực dính và góc nội ma sát [42],[69],[71] 53

Hình 2.13 Sử dụng lực dính để lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu [74] 54

Hình 2.14 Ảnh hưởng của độ nhớt của nhựa đường đến khả năng kháng cắt [74] 54

Hình 3.1 Sơ đồ và thiết bị thí nghiệm SST [32] 67

Hình 3.2 Sơ đồ cắt bê tông nhựa theo SST [32] 67

Hình 3.3 Sơ đồ thí nghiệm DST [29] 70

Hình 3.4 Nguyên lý và khuôn cắt mẫu trong thí nghiệm cắt theo FST [52] 71

Hình 3.5 Mô hình và thiết bị Leutner [40],[52][55][58] 72

Hình 3.6 Thiết bị cắt NCAT [55][56][57] 73

Hình 3.7 Sơ đồ và nguyên lý của thiết bị LPDS [40] 74

Hình 3.8 Mô hình thí nghiệm cắt lớp dính bám giữa các lớp bê tông nhựa [48][59] 75

Hình 3.9 Sơ đồ cắt mẫu bê tông nhựa theo Romanoschi [48][59] 75

Hình 3.10 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm nén 3 trục [43][45] 78

Hình 3.11 Mẫu thí nghiệm nén 3 trục [43][45] 78

Hình 3.12 Sơ đồ thí nghiệm theo UST [68] 80

Hình 3.13 Hệ thống thiết bị phục vụ thí nghiệm UST [68] 80

Hình 3.14 Sơ đồ thí nghiệm UPT [69] 82

Hình 3.15 Thí nghiệm xác định đặc trưng ổn định cắt trượt của bê tông nhựa [77],[78] 84

Hình 3.16 Bộ khuôn và đầm đúc mẫu bê tông nhựa (Kích thước tính bằng milimét) [21] 91

Hình 3.17 Máy nén Marshall [21] 92

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí mẫu để ép chẻ [23] 95

Hình 4.2 Hệ thống thiết bị thí nghiệm AST1 96

Hình 4.3 Cấu tạo khuôn cắt AST1 97

Hình 4.4 Quá trình chuẩn bị mẫu 98

Hình 4.5 Một số hình ảnh về mẫu bị phá hoại sau khi thí nghiệm 99

Hình 4.6 Lược đồ thiết bị thí nghiệm 101

Hình 4.7 Khuôn cắt và đĩa đệm 103

Hình 4.8 Tổng thể hệ thống thiết bị và khuôn cắt 105

Hình 4.9 Cấu tạo cụm khuôn cắt 106

Hình 4.10 Cấu tạo các vòng cắt 107

Hình 4.11 Cấu tạo bánh lăn 108

Hình 4.12 Một trong các bộ khuôn cắt sau khi được chế tạo 110

Hình 4.13 Các bộ khuôn và thiết bị đi kèm 110

Hình 4.14 Biểu đồ đường cong cấp phối thiết kế của hỗn hợp S12,5 và C12,5a 115

Hình 4.15 Biểu đồ đường cong cấp phối thiết kế của hỗn hợp C12,5b 115

Hình 4.16 Cấp phối bê tông nhựa BTNC 9,5 theo QĐ858 117

Hình 4.17 Cấp phối BTNC 12,5 theo QĐ858 117

Hình 4.18 Cấp phối BTNC 12,5 theo TCVN 8819:2011 117

Hình 4.19 Cấp phối BTNC 19 theo QĐ858 118

Hình 4.20 Cơ chế ép chẻ và hình thành ứng suất trong mẫu [31],[63] 120

Hình 4.21 Thực trạng biến dạng của mẫu trong thí nghiệm IDT-UCS 121

Hình 4.22c Hình dạng mẫu khi phá hoại 127

Hình 4.23 Ứng suất cắt trên mặt phá hoại ở các góc cắt khác nhau 130

Hình 4.24 Tỷ lệ của c và fftg trong tổng ứng suất cắt ff 131

Hình 4.25 Giá trị tg và c cho các loại BTN 132

Hình 4.26 Tương quan giữa kết quả thí nghiệm về tg 135

Hình 4.27 Tương quan giữa kết quả thí nghiệm về lực dính 135

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt [19] 17

Bảng 1.2 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa rỗng [19] 18

Bảng 1.3 Cấp phối BTNC theo Quyết định 858 [26] 20

Bảng 1.4 Khống chế cỡ hạt mịn trong thành phần cấp phối cốt liệu BTNC đểtạo ra BTNC thô [26] 21

Bảng 1.5 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt [19] 27

Bảng 1.6 Kết quả xác định c, của các hỗn hợp bê tông asphalt ở điều kiện thínghiệm nhiệt độ 60oC, tốc độ gia tải 7,5mm/phút 30

Bảng 1.7 Kết quả thí nghiệm c, của hỗn hợp AC19_CP1_N1 ở các nhiệt độthí nghiệm khác nhau 30

Bảng 1.8 Giá trị trung bình tg và C của mẫu BTN thử nghiệm [8] 31

Bảng 1.9 Lực dính của một số loại bê tông nhựa ở 60oC 32

Bảng 2.1 Một số kết quả về đặc trưng kháng cắt của BTN tại Mĩ [28],[29],[52] 43

Bảng 2.2 Kết quả thí nghiệm xác định c, cho một số loại bê tông nhựa ở Trung

Quốc [43],[45] 44Bảng 2.3 Kết quả nghiên cứu về đặc trưng kháng cắt của BTN tại Singapo [73] 45Bảng 2.4 Kết quả nghiên cứu về đặc trưng kháng cắt của BTN tại Hàn Quốc [72] 45

Bảng 2.5 Tổng hợp các giá trị về sức kháng cắt của bê tông nhựa 46

Bảng 2.6 Tổng hợp các giá trị về sức kháng cắt ở điều kiện nhiệt độ 600C 49Bảng 2.7 Ảnh hưởng của điều kiện mẫu (khô-ướt) tới đặc trưng kháng cắt [72] 50Bảng 2.8 Lực dính và góc nội ma sát của hỗn hợp SMA13 có cấp phối thô nhiều

và cấp phối ít thô (fine) trong nghiên cứu [42],[69],[71] 52

Bảng 3.1 Hệ số hiệu chỉnh độ ổn định Marshall [21] 87

Bảng 3.2 Tổng hợp đánh giá các phương pháp thí nghiệm 93

Bảng 4.1 Thống kê vật tư chế tạo (cho 01 bộ) thiết bị thí nghiệm 109

Bảng 4.2 Tổng hợp số lượng mẫu thí nghiệm theo AST1 116

Bảng 4.3 Ký hiệu các loại bê tông nhựa đưa vào thí nghiệm 118

Bảng 4.4 Tổng hợp số lượng mẫu sử dụng cho thí nghiệm với AST2 và hằn lún vệt bánh xe 119

Bảng 4.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm với AST1 122

Bảng 4.6 Phân tích độ chụm của lực nén ở thời điểm phá hoại mẫu 122

Bảng 4.7 Phân tích độ chụm của biến dạng ở thời điểm phá hoại mẫu 123

Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu Marshall và lún vệt hằn bánh xe 124

Bảng 4.9 Kết quả thí nghiệm xác định các đặc trưng kháng cắt theo AST2 và thí nghiệm vệt hằn bánh xe 128

Bảng 4.10 Ký hiệu các loại bê tông nhựa 128

Bảng 4.11 Kết quả phân tích độ chụm cho kết quả thí nghiệm đối với BTN 9,5 129

Bảng 4.12 Kết quả phân tích độ chụm cho kết quả thí nghiệm đối với BTN 12,5

129

Bảng 4.13 Kết quả phân tích độ chụm cho kết quả thí nghiệm đối với BTN 12,5

129

độ sâu lún vệt bánh xe của các mẫu BTN được đánh giá bằng phương pháp thử theoAASHTO T324-04 Sau khi TCVN 8819:2011 ban hành và được áp dụng để thiết kếhỗn hợp BTN trên các quốc lộ 1, cao tốc Nội Bài – Lào Cai, cao tốc Hà Nội – TháiNguyên….thì xảy ra hiện tượng lún vệt bánh xe dạng đẩy trồi (Instability

Rutting) xuất hiện sớm ngay vào mùa nóng đầu tiên (thậm chí ở Lào Cai, Ninh Bìnhxảy ra ngay trong vài tuần đầu tiên sau khi đưa đường vào khai thác (có thể dẫn cácbáo cáo của tổ chuyên gia Hội đồng nghiệm thu nhà nước về lún vệt bánh ở đường

Hà Nội – Thái Nguyên và đường Nội Bài – Lào Cai)

Ở đường Nội Bài – Lào Cai sau khi kết thúc thời gian bảo hành 2 năm (9/2016)trên 42% tổng chiều dài các làn xe xảy ra lún vệt bánh từ trung bình đến nặng.Trước tình hình đó ngày 26/3/2014 Bộ GTVT đã ban hành QĐ858 để điều chỉnhviệc thiết kế thành phần cấp phối của hỗn hợp BTN theo hướng tăng sức chống cắttrượt cho BTN ở nhiệt độ cao thông qua việc tăng hệ số ma sát của các cốt liệu bằngcách khống chế chọn cấp phối thô và tăng lực dính giữa nhựa và cốt liệu thông quaviệc khuyến khích dùng nhựa mác 40/50 và tăng độ dính bám giữa đá và nhựa.Trên thế giới, nhiều học giả như Bonaquist J.R, Christensen D W đã nghiêncứu đưa ra rất nhiều phương pháp thí nghiệm để xác định khả năng kháng cắt của bê

tông nhựa, trong đó có các đặc trưng kháng cắt là lực dính c và góc nội ma sát

Riêng tại Nga, đã đưa ra ngưỡng yêu cầu Cyêu cầu và yêu cầu của BTN dùng làm tầngmặt kết cấu áo đường ô tô [78] Điều này cũng dễ hiểu vì phương pháp tính toán

thiết kế kết cấu mặt đường của CHLB Nga có yêu cầu kiểm toán điều kiện cắt trượt của tầng mặt BTN tức là kiểm toán điều kiện:

≤ [ ] = tg + C

Với các trị số và tính được ở các lớp BTN tầng mặt có thể suy ra được c và , yêu cầu vật liệu BTN phải có để đủ khả năng chịu cắt trượt do tải trọng bánh xe

thiết kế truyền xuống

Các cách sử dụng c và là một trong chỉ tiêu yêu cầu để thiết kế hỗn hợp BTN

nói trên (đặc biệt là phương pháp của CHLB Nga) là cách có cơ sở lý thuyết, trongkhi cách dựa vào thí nghiệm Wheel tracking hoàn toàn dựa vào thực nghiệm – kinhnghiệm Ngoài ra, cách của CHLB Nga đòi hỏi thiết bị đơn giản, rẻ tiền, dễ làm, tuynhiên kích thước mẫu, cách chế bị mẫu lại khác với kích thước và cách chế bị mẫu

theo phương pháp Marshall Đây cũng là một trở ngại nếu muốn đưa chỉ tiêu c yêu cầu ,

của CHLB Nga ứng dụng vào việc thiết kế hỗn hợp BTN ở nước ta hiện nay

Chính vì vậy, việc lựa chọn đề tài là có đủ cơ sở khoa học và thực tiễn, nhằm tìm ra được phương pháp thí nghiệm xác định sức chống cắt của bê tông nhựa trong điều kiện Việt Nam, từ đó khảo sát, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới đặc trưng kháng cắt này và xa hơn là xác định ngưỡng giá trị yêu cầu của chúng cho từng loại bê tông nhựa.

Luận án được xây dựng nhằm đạt được các mục đích sau:

- Rà soát, đánh giá được thực trạng các nghiên cứu trong và ngoài nước cũngnhư thực tế sử dụng các đặc trưng kháng cắt trong thiết kế, chế tạo thành phần bê tôngnhựa làm các lớp mặt đường mềm;

- Đề xuất được phương pháp thí nghiệm xác định , c trong điều kiện Việt Nam;

- Khảo sát được , c cho một số loại bê tông nhựa thông dụng tại Việt Nam và

phân tích các yếu tố ảnh hưởng;

yêu cầu

tương tự cho một số loại bê

nghiệm đã đề xuất

với các ngưỡng của Nga đối với , c để tìm ra ngưỡng

tông nhựa của Việt Nam khi áp dụng phương pháp thí

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Nội dung của luận án được giới hạn ở phạm vi hẹp, với đối tượng là một số loại

bê tông nhựa hiện hành tại Việt Nam Nội dung thí nghiệm được thực hiện tại cácphòng thí nghiệm LAS-XD1256 và LAS-XD1498 với hệ thống thiết bị thí nghiệmchính được chế tạo và lắp ráp tại Xưởng Kỹ thuật Cơ khí – Đại học Xây dựng

Các thiết bị thí nghiệm (đề xuất) mặc dù đã được chấp nhận đơn xin cấp bằng sởhữu trí tuệ, nhưng chưa được định chuẩn theo tiêu chuẩn và quy định hiện hành Dovậy, kết quả thí nghiệm còn sai số, kết quả nghiên cứu chưa thể áp dụng ngoài thực tế

Nghiên cứu thực nghiệm là nghiên cứu chính, kết hợp với nghiên cứu lý thuyết

Trong nội dung nghiên cứu lý thuyết, vai trò của , c được tổng hợp từ các

nghiên cứu hiện hành đối với vật liệu và mặt đường bê tông nhựa Cũng theo đó,phương pháp thí nghiệm xác định hai thông số này đã được đề xuất theo hướng phùhợp với điều kiện Việt Nam

Từ phương pháp thí nghiệm đề xuất, một số thiết bị thí nghiệm đã được thiết

kế, chế tạo và áp dụng để khảo sát giá trị và các thông số ảnh hưởng tới , c của một

số loại bê tông nhựa thông dụng ở Việt Nam, trong điều kiện phòng thí nghiệm

5 Cơ sở khoa học của đề tài

Hiện nay, trên thế giới, về cơ bản đều dựa trên lý thuyết của Mohr-Coulomb

để xác định , c.

Theo [12],[15],[28] khi vật liệu bị phá hoại do ứng suất cắt, các thành phần ứngsuất và đặc trưng kháng cắt trên mặt phá hoại quan hệ với nhau theo tiêu chuẩn cường

độ Coulomb [15] (một số tài liệu gọi là lý thuyết về đường bao phá hoại

- , c lần lượt là góc nội ma sát và lực dính của bê tông nhựa.

Dựa trên tiêu chuẩn về cường độ của Mohr-Coulomb, có thể phát triển cácphương pháp thí nghiệm để trực tiếp, hoặc gián tiếp xác định các đặc trưng khángcắt theo một trong hai cách sau:

Cách 1.

Với mỗi thí nghiệm, xác định được một cặp ứng suất ( , ) theo quan hệ (1).

Với 2 cặp giá trị ứng suất ( 1 , 1), ( 2 , 2) thiết lập hệ phương trình:

Ứng với các trạng thái ứng suất (ở thời điểm vật liệu bị phá hoại) khác nhau, ta

có các cặp giá trị ( , ) Biểu diễn các giá trị này trên cùng một đồ thị, vẽ đường

tương quan giữa hai đại lượng Đường tương quan chính là đồ thị mô tả đường baocường độ Mohr – Coulomb, cho phép xác định góc nội ma sát và lực dính:

Nhiều phương pháp thí nghiệm đã được đề xuất trên thế giới, nhưng chưa

được Việt Nam hóa Do vậy, với phương pháp thí nghiệm cũng như giá trị , c tìm

được, cho phép thực hiện các công việc sau:

- Đề xuất được phương pháp thí nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam;

- So sánh khả năng kháng cắt của các loại bê tông nhựa khác nhau;

- Bổ sung , c vào hệ thống chỉ tiêu phục vụ thiết kế nghiệm thu bê tông nhựa,

hướng tới một sản phẩm có khả năng kháng cắt, chống hằn lún vệt bánh xe tốt;

- Đề xuất được ngưỡng giá trị cho , c.

Do vậy, đề tài nghiên cứu của luận án có đủ căn cứ lý thuyết và thực tiễn.

- Tổng hợp được cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu có liên quan tới sức kháng cắt và các đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa

- Chế bị bộ khuôn đúc mẫu và tiến hành loại thí nghiệm AST1 theo phươngpháp của CHLB Nga đối với một số loại BTN có cỡ hạt trung bình, có thành phầncấp phối, có loại nhựa và hàm lượng nhựa thường được sử dụng ở nước ta hiện nay

để xác định c và tương ứng Qua đó đánh giá được ưu, nhược điểm của phương

pháp thí nghiệm này, đánh giá sơ bộ các loại hỗn hợp BTN thường dùng ở nước ta

liệu có đạt được c và yêu cầu như tiêu chuẩn GOST 9128-2013 [78] hay không.

- Thiết kế chế tạo bộ thiết bị AST2 phù hợp với điều kiện Việt Nam, cho phép

xác định được các trị số c và của các loại BTN khác nhau như khi thí nghiệm với

AST1 và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới các đặc trưng kháng cắt vừa nêu

- Sơ bộ lập tương quan giữa c vàxác định bởi thiết bị AST2 và c và xác

định theo phương pháp của CHLB Nga, làm cơ sở để hướng tới việc xây dựng ngưỡng giá trị cho các đặc trưng kháng cắt này

Nội dung nghiên cứu về lực dính và góc nội ma sát của luận án sẽ là cơ sởkhoa học quan trọng để phát triển các nghiên cứu tiếp theo với mục tiêu đưa các đặctrưng kháng cắt này trở thành một trong những chỉ tiêu áp dụng cho quá trình thiết

kế hỗn hợp BTN (tương tự như với chỉ tiêu khống chế độ lún vệt bánh xe theo thínghiệm Wheel tracking), nhất là trong khi việc thiết kế hỗn hợp BTN ở nước ta hiệnnay vẫn đang sử dụng phương pháp Marshall Từ đó, có thể nâng cao khả năng

kháng cắt của BTN, thông qua việc điều chỉnh các yếu tố có liên quan tới c và như

thành phần và đặc tính cơ lý của cấp phối, chất kết dính… Kết quả là có thể thiết kế

và chế tạo được loại BTN có khả năng chống hằn lún vệt bánh xe tốt hơn, phù hợpvới điều kiện khai thác trong thực tế

Chương 2: Về đặc trưng kháng cắt của BTN

Chương 3: Lựa chọn phương pháp thí nghiệm xác định các đặc trưng kháng cắt của BTN trong điều kiện Việt Nam

Chương 4: Chế tạo thiết bị thí nghiệm và áp dụng khảo sát đặc trưng kháng cắt của BTN

Kết luận.

Chương 1 TỔNG QUAN

Mục tiêu của luận án là tìm hiểu được vai trò và tầm quan trọng của đặc trưngkháng cắt của bê tông nhựa sử dụng trong kết cấu mặt đường mềm; lựa chọn đượccác chỉ tiêu cơ lý đại diện cho đặc trưng kháng cắt (sau đây gọi là đặc trưng khángcắt) của bê tông nhựa; đề xuất được phương pháp xác định các đặc trưng kháng cắt;

áp dụng xác định được đặc trưng kháng cắt cho một số loại bê tông nhựa điển hìnhtại Việt Nam

Do vậy, nghiên cứu tổng quan sẽ gồm các nội dung chính sau:

- Giới thiệu sơ bộ về kết cấu mặt đường;

- Tổng quan về bê tông nhựa;

- Tổng quan về các đặc trưng cơ lý điển hình của bê tông nhựa;

- Về các phương pháp thiết kế thành phần bê tông nhựa

1.1 Tổng quan về kết cấu mặt đường và vật liệu bê tông nhựa

1.1.1 Kết cấu mặt đường

1.1.1.1 Cấu tạo chung

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam [17], [24], [76], áo đường là công trìnhđược xây dựng trên nền đường bằng nhiều lớp vật liệu có độ cứng và cường độ lớnhơn so với đất nền để phục vụ cho xe chạy, trực tiếp chịu tác dụng phá hoại thườngxuyên của các phương tiện giao thông và của các nhân tố thiên nhiên (mưa gió, sựbiến đổi nhiệt độ)

Hình 1.1 Cấu tạo các tầng, lớp trong kết cấu áo đườngKết cấu áo đường nói chung thường được bố trí gồm nhiều tầng, lớp có nhiệm

vụ khác nhau như hình 1.1 Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu là kết cấu áođường mềm hoặc nửa cứng, có tầng mặt cấp cao A1 bằng bê tông nhựa, tuân thủ cácquy định hiện hành [17][24]

1.1.1.2 Yêu cầu về cấu tạo đối với tầng mặt cấp cao A1

Các lớp thuộc tầng mặt trong kết cấu áo đường cùng với tầng móng và khuvực tác dụng của nền đất làm việc đồng thời, tạo ra cường độ chung của kết cấu nền

áo đường

Về phương diện chịu lực, các lớp thuộc tầng mặt chịu tác dụng trực tiếp củacác điều kiện thời tiết khí hậu và tải trọng bánh xe theo phương thẳng đứng và theophương ngang Chi tiết về nội dung này cũng như các loại hình hư hỏng của mặtđường sẽ được trình bày chi tiết trong chương 2 của luận án

Về cấu tạo, các lớp thuộc tầng mặt cấp cao A1 đều phải bằng các hỗn hợp vậtliệu hạt có sử dụng nhựa đường và lớp trên cùng phải bằng bê tông nhựa chặt loại Itrộn nóng Các lớp phía dưới có thể làm bằng bê tông nhựa loại II, bê tông nhựarỗng, đá dăm đen, bê tông nhựa nguội (trộn nhựa láng hoặc nhũ tương nhựa) và cảthấm nhập nhựa

Trường hợp đường cao tốc, đường cấp I, cấp II hoặc đường cấp III có quy môgiao thông lớn thì tầng mặt cấp cao A1 có thể bố trí thành 3 lớp hoặc 2 lớp

Trường hợp bố trí thành 3 lớp thì có thể bố trí lớp bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ

ở trên cùng với bề dày từ 3,0 - 4,0cm rồi đến 4,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt trung và 5,0– 6,0cm bê tông nhựa hạt lớn Hoặc cũng có thể bố trí trên cùng là lớp bê tông nhựachặt loại I hạt trung dày 4,0 – 5,0cm rồi đến 2 lớp bê tông nhựa hạt lớn dày 5,0

– 6,0cm và 6,0 – 8,0cm ở dưới

Trường hợp bố trí thành 2 lớp thì có thể bố trí trên cùng là lớp bê tông nhựachặt loại I hạt nhỏ dày 3,0 – 4,0cm rồi đến 4,0 -5,0cm bê tông nhựa hạt trung hoặctrên cùng là 4,0 – 5,0cm bê tông nhựa chặt loại I hạt trung rồi đến 6,0-8,0 cm bêtông nhựa hạt lớn.(Các lớp dưới có thể dùng bê tông nhựa rỗng hoặc loại II, nhất làđối với lớp dưới cùng)

Trường hợp đường cấp III có quy mô giao thông vừa phải và đường cấp IV đồngbằng thì có thể bố trí tầng mặt gồm 2 lớp hoặc chỉ gồm 1 lớp bê tông nhựa chặt loại

I hạt nhỏ hoặc hạt trung Dù bố trí thành 2 lớp hoặc 1 lớp thì tổng bề dày tầng mặt nhựa(là tổng bề dày các lớp mặt có sử dụng nhựa) trong trường hợp này không được

dưới 6cm và cũng không nên quá 8 cm Nếu bố trí thành 2 lớp thì trong trường hợpnày lớp dưới không nhất thiết phải bằng bê tông nhựa nóng mà có thể bằng các loại

đã đề cập ở điểm 1 nêu trên nhưng lớp trên thì phải bằng bê tông nhựa chặt loại I hạtnhỏ hoặc hạt trung Nếu dùng lớp thấm nhập nhựa làm lớp mặt dưới thì không cầntưới lớp nhựa chèn đá mạt phía trên

1.1.2 Vật liệu bê tông nhựa

1.1.2.1 Khái niệm về bê tông nhựa

Bê tông nhựa hay còn gọi là bê tông asphalt là hỗn hợp vật liệu khoáng –bitum sử dụng trong xây dựng đường, được hình thành sau quá trình làm hóa cứnghỗn hợp BTN Hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm cốt liệu thô, cốt liệu mịn, bộtkhoáng, bitum dầu mỏ, phụ gia

Hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng, bitum và phụ gia đuợclựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn và gia công thành một hỗn hợp đồng nhất Cốtliệu thô đóng vai trò làm tăng thể tích và khối lượng hỗn hợp, làm giảm giá thành, tăngcường độ và độ ổn định của bê tông nhựa Cốt liệu mịn khi trộn với bitum tạo thànhvữa asphalt có tác dụng liên kết cốt liệu lớn, lấp đầy các lỗ rỗng mà cốt liệu lớn để lại,làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, ảnh hưởng lớn tới khả năng làm việc và phạm

vi ứng dụng của bê tông nhựa Bột khoáng làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ, làm cốtliệu đặc hơn và tăng tỷ lệ bề mặt cốt liệu Chất lượng của bê tông nhựa phụ thuộc vàonguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ nhớt của bitum

1.1.2.2 Cấu trúc của Bê tông nhựa [1][2]

Bê tông nhựa là vật liệu có cấu trúc thuộc loại cuội kết nhân tạo, trong đó cáccốt liệu khoáng vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết asphalt Tuy nhiên,quan niệm về cấu trúc của bê tông nhựa cũng có khác nhau:

Nếu theo một mô hình đơn giản có thể xem như gồm hai pha cơ bản: pha rắn

là cốt liệu khoáng vật gồm đá, cát và bộ khoáng, còn pha lỏng là nhựa

Có người cho rằng xem bê tông nhựa như một vật liệu gồm hai thành phần cấutrúc: một là khung sườn vật liệu khoáng vật gồm đá và cát, hai là chất liên kếtasphalt gồm bitum và bột khoáng

Có tác giả [2] đề nghị 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 asphalt;

- Hai là cấu trúc trung gian gồm cát và chất liên kết ashpalt tạo thành vữa asphalt;

- Ba là cấu trúc vĩ mô gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bê tôngnhựa

Xét cấu trúc tế vi, ta sẽ thấy rõ các quan hệ số lượng, sự bố trí và tương tác giữabitum và bột khoáng-thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa Cường độcủa bê tông nhựa biến đổi rất nhiều phụ thuộc vào hàm lượng bột khoáng, vào tỷ

số nhựa bitum đối với bột khoáng (B/BK) Khi lượng nhựa nhiều, bột khoáng ít, cáchạt bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc trực tiếp với nhau, cấu trúc tế vinày ở dạng bazan, cường độ sẽ nhỏ (thể hiện ở khu vực I trên hình 1.2)

Hình 1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ [bitum/bột khoáng] đến cường độ nén của bê tông nhựaKhi tăng lượng bột khoáng lên, tỷ lệ bitum trên bột khoáng giảm, đến lúclượng nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng Các hạtnày sẽ tiếp xúc với nhau trực tiếp qua một màng mỏng bitume có định hướng(khoảng 0,25 µm); lúc này, cấu trúc tế vi có cường độ cao nhất, thể hiện ở vùng IItrong hình 1.2 Nếu tiếp tục tăng lượng bột khoáng lên nữa, bitum sẽ không đủ đểtạo màng bọc khắp các hạt; cấu trúc tế vi sẽ tăng lỗ rỗng, các hạt không liên kếtđược với nhau, cường độ sẽ giảm nhanh, thể hiện ở khu vực III

Xét về cấu trúc trung gian của bê tông nhựa thì thấy rằng khi đưa cát vào chấtliên kết asphalt để tạo thành vữa asphalt thì sẽ làm giảm cường độ của hệ thống vìcát đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp Cấu trúc trung gian cũng ảnh hưởngkhá 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 làmthành 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 của đá dăm Đá dăm được liên kết với nhau thành mộtkhối sườn không gian trong vữa asphalt Đồng thời cấu trúc này cũng được xác địnhbằng tính chất của các quá trình tương tác ở mặt phân giới bitum-đá.

Vai trò cấu trúc hóa của đá dăm cũng như của cát, khác nhiều so với vai tròcủa bột khoáng, vai trò chính của đá dăm là làm thành một sườn không gian bảođảm cường độ cho bê tông nhựa Với lượng đá dăm quá ít, chúng chỉ như các hạt trơbơi trong vữa asphalt Các hạt đá dăm nằm cách xa nhau bởi các lớp vữa asphaltdày Người ta thấy rằng nếu hàm lượng đá dăm chỉ độ 10 – 20% thì còn làm chocường độ của bê tông nhựa giảm đi so với vữa asphalt vì số đá đó đã làm giảm tínhđồng nhất của hỗn hợp, trong trường hợp này kích cỡ, tính chất bề mặt của đá, tínhchất bề mặt của đá dăm chẳng có ảnh hưởng gì lớn đến chất lượng bê tông nhựa.Khi tăng lượng đá dăm lên, sẽ làm tăng các tiếp xúc trực tiếp giữa các viên đáqua một màng mỏng bi tum có định hướng Khi đá dăm lên đến 60 – 65% thì tronghỗn hợp bê tông nhựa sẽ lập thành một sườn không gian, các hạt đá dăm sẽ tiếp xúcvới nhau trực tiếp qua một màng bi tum rất mỏng có tính rắn Nếu ta thêm đá dăm

và nữa thì sẽ thành cấu trúc tiếp xúc, độ rỗng tăng lên nhiều, lớn hơn thể tích vữaasphalt, làm cho bê tông nhựa giảm cường độ (hình 1.3)

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng đá dăm đến cường độ nén của bê tông nhựa [2]

có các chỉ tiêu cơ lý cao.

Ví dụ cấu trúc vĩ mô ở trạng dạng “bazan” (nhỏ hơn 35% đá dăm) thì cần phốihợp với cấu trúc trung gian ở dạng “rỗng-tiếp xúc” và phối hợp với cấu trúc tế vi ởdạng rỗng

Hoặc nếu cấu trúc vĩ mô ở dạng rỗng (đá dăm 50%-60%) thì cần phối hợp vớicấu trúc trung gian ở dạng “bazan rỗng” và phối hợp với cấu trúc tế vi ở dạng

“bazan rỗng”

Hoặc nếu cấu trúc vĩ mô ở dạng tiếp xúc (đá dăm chiếm 65%) thì cần phối hợpvới cấu trúc trung gian ở dạng “bazan”, và phối hợp với cấu trúc tế vi ở dạng “bazan”

Mô hình phối hợp giới thiệu ở hình 1.4

Hình 1.4 “Mô hình” tương quan phối hợp giữa các cấu trúc vĩ mô, trung

gian, tế vi của bê tông nhựa

Theo mô hình trên, tỷ số lượng bitum trên lượng bột khoáng đối với mỗi dạng cấutrúc của bê tông nhựa (dạng của cấu trúc vĩ mô) có thể tham khảo số liệu sau [2]:

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

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

- Khi bê tông nhựa có dạng cấu trúc “rỗng” và “rỗng-tiếp xúc” thì

[B/BK]=0,9-1,1; Tỷ số [B/BK] nói trên sẽ tăng khi độ quánh “nhớt” của nhựa tăng lên

1.1.2.3 Lý thuyết cơ bản về cường độ và độ ổn định của bê tông nhựa

Theo giáo sư Rưbep L.A, cường độ, độ dẻo và một số tính chất khác của hỗnhợp bê tông nhựa phụ thuộc vào các tính chất cơ học của chất liên kết asphalt (nhựa

và bột khoáng), vào lực dính bám ở mặt tiếp xúc của các pha và vào độ rỗng củahỗn hợp, và đưa ra quan hệ sau [2]:

R – Cường độ của bê tông nhựa (nén, cắt, kéo);

R* - Cường độ của chất liên kết asphalt (bi tum + bột khoáng);

X – Tỷ số của trị số B/BK trong bê tông nhựa, đối với trị số B*/BK trong chất liên kết asphalt có cường độ R*;

B – Hàm lượng nhựa trong bê tông nhựa;

B* - Hàm lượng nhựa (bi tum) trong chất liên kết asphalt có cường độ R*;

BK – Hàm lượng bột khoáng;

m – Chỉ số lũy thừa, đặc trưng tính chất dính bám ở mặt phân giới giữa chất

liên kết và bề mặt hạt khoáng vật;

Pmax – Độ chặt lớn nhất có thể đạt được của cốt liệu khoáng vật của thành phầnhạt đã cho;

Px – Độ chặt thực tế của hỗn hợp cốt liệu khoáng

vật; k1 – Hệ số độ rỗng của bê tông nhựa

Theo giáo sư Ivanov N.N thì cho rằng [2]: Cường độ của bê tông nhựa phụthuộc chủ yếu vào hai yếu tố: Lực ma sát do cốt liệu khoáng vật và lực dính do sự

có mặt của bột khoáng, do có mặt và các tính chất của bitum và do sự vướng mắccác hạt to với nhau

Lực dính C gồm hai thành phần: C1 là thành phần lực dính do sự vướng mócgiữa các hạt, không thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ biến dạng, chỉ giảm một

ít khi chịu tải trọng trùng phục; C2 là thành phần lực dính phân tử, do tác dụng dínhbám tương hỗ giữa nhựa và đá và do lực dính kết bên trong của bản thân nhựa.Thành phần lực C2 này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: độ nhớt của bi tum, nhiệt độ,thành phần và tính chất bề mặt của cốt liệu, chiều dày lớp bi tum

- Lực ma sát phụ thuộc chủ yếu vào của độ lớn, độ đồng đều, góc cạnh vàcường độ (độ cứng) của cốt liệu khoáng Lực ma sát càng lớn khi các hạt càng đồngđều, sắc cạnh và đá gốc có cường độ cao Lực ma sát thay đổi tương đối ít theonhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng Hàm lượng nhựa trong hỗn hợp cũng cótác động tới giá trị lực ma sát này

- Lực dính bị ảnh hưởng bởi tác dụng trùng phục của tải trọng, nhiệt độ môitrường, tốc độ biến dạng Lực dính phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc và độ nhớt củanhựa, đồng thời chịu ảnh hưởng của độ dính bám với bề mặt của cốt liệu và tínhchất hấp phụ của đá với nhựa

1.1.2.4 Phân loại bê tông nhựa

Theo TCVN 8819:2011 [19], bê tông nhựa được phân loại như sau:

a Phân loại theo độ rỗng còn dư

Bê tông nhựa chặt có độ rỗng dư từ 3% đến 6%, dùng làm lớp mặt trên và lớpmặt dưới; trong thành phần hỗn hợp bắt buộc phải có bột khoáng Bê tông nhựarỗng có độ rỗng dư từ 7% đến 12% và chỉ dùng làm lớp móng

Theo cách phân loại này còn một số điểm bất cập về khái niệm bê tông nhựarỗng, thực chất theo các tiêu chuẩn của nước ngoài với độ rỗng dư 7~12% chỉ đượccoi là bê tông nhựa nửa rỗng Độ rỗng dư từ 12~20% mới được coi là bê tông nhựarỗng Như vậy nếu theo [19] thì khái niệm bê tông nhựa rỗng sẽ ảnh hưởng đến việcthiết kế kết cấu mặt đường khi tính toán

b Phân loại theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định của bê tông nhựa chặt

Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất

là 12,5 mm), viết tắt là BTNC 9,5 Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định

là 12,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 19 mm), viết tắt là BTNC 12,5 Bê tông nhựa chặt

có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 25 mm), viết tắt làBTNC 19 Bê tông nhựa cát, có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm (và cỡ hạt lớnnhất là 9,5 mm), viết tắt là BTNC 4,75

Giới hạn về thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu và phạm vi áp dụng của cácloại bê tông nhựa quy định tại bảng 1.1

khối lượng hỗn hợp bê

tông nhựa

nhựa hợp lý (sau khi lu

lèn), cm

5 Phạm vi nên áp dụng Lớp mặt trên Lớp mặt trên Lớp mặt dưới Vỉa hè, làn

Bê tông nhựa rỗng có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là

25 mm), viết tắt là BTNR 19 Bê tông nhựa rỗng có cỡ hạt lớn nhất danh định là 25 mm(và cỡ hạt lớn nhất là 31,5 mm), viết tắt là BTNR 25 Bê tông nhựa rỗng có cỡ hạt lớnnhất danh định là 37,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 50 mm), viết tắt là BTNR 37,5

Giới hạn về thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu và phạm vi áp dụng của cácloại BTNR quy định tại bảng 1.2

Bảng 1.2 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa rỗng [19]

-3 Hàm lượng nhựa đường tham khảo, 4,0 ÷ 5,0 3,5 ÷ 4,5 3,0 ÷ 4,0

% khối lượng hỗn hợp bê tông nhựa

4 Chiều dày lớp bê tông nhựa hợp lý 8÷10 10÷12 12÷16 (sau khi lu lèn), cm

5 Phạm vi nên áp dụng Lớp móng trên Lớp móng Lớp móng

1.1.3 Cấp phối cốt liệu của bê tông nhựa

Cấp phối cốt liệu là một nội dung quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến các đặctính cơ bản của bê tông nhựa: độ cứng, độ ổn định, độ bền, độ thấm nước, khả năngchịu mỏi và đặc biệt là khả năng chịu cắt [4][9][11]

Vai trò của cốt liệu nhỏ trong hỗn hợp bê tông nhựa là chèn vào kẽ hở giữa cáchạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc cho hỗn hợp cốt liệu Cốt liệu nhỏ để chế tạo BTNchỉ dùng loại hạt lớn với mô đun độ lớn Mđl ≥2,5.

Ngoài ra, trong BTN có bột khoáng là những hạt lọt qua sàng 0,075 mm Nhựađường đóng vai trò là chất liên kết (hữu cơ) trong hỗn hợp bê tông nhựa

1.1.3.3 Độ thô, mịn của cấp phối

Hình 1.5 giới thiệu một ví dụ về so sánh các đường bao cấp phối của BTNC12,5 theo QĐ858 [26] và theo TCVN 8819:2011 [19] (đường cong Fuller, số mũ0,45) Theo quy luật, đường cấp phối cận dưới càng nằm dưới đường Fuller thì càngthô; ngược lại đường cấp phối cận trên càng nằm trên đường Fuller thì càng mịn

SO SÁNH BTNC 12,5 THEO TCVN 8819 VÀ QĐ 858

Kích cỡ sàng (^0,45)

Hình 1.5 So sánh BTNC 12,5 theo QĐ858 [26] và theo TCVN 8819:2011 [19].QĐ858 [26] đưa ra khái niệm mới gọi là bê tông nhựa chặt cấp phối thô Theo

đó, một cấp phối thô là cấp phối có các tỷ lệ phù hợp với nội dung của bảng 1.3 và

Bảng 1.4 Khống chế cỡ hạt mịn trong thành phần cấp phối cốt liệu BTNC để

1.2 Tổng quan về cường độ chống cắt của bê tông nhựa

1.2.1 Tiêu chuẩn phá hoại Mohr Coulomb

Theo [15], vật liệu phá hoại khi ứng suất cắt trên mặt phẳng phá hoại lúc pháhoại đạt phần nào hàm duy nhất của ứng suất pháp trên mặt phẳng đó, hay

= ( )

Trong đó là ứng suất tiếp còn là ứng suất pháp trên mặt phẳng phá hoại tại thời

điểm phá hoại (ff: failure plane, at falure) Đó là tiêu chuẩn phá hoại

Morh-Coulomb và ff được gọi là cường độ hay độ bền chống cắt (shear strength) của vậtliệu Vì sự phá hoại này xảy ra trên một mặt phẳng xác định, nên cần lưu ý, trongtrường hợp này, cường độ chống cắt là cho một mặt phẳng định trước (và đươngnhiên, ứng với một trạng thái ứng suất nhất định)

Hình 1.6 đây mô tả một phân tố trong vật liệu lúc phá hoại với các ứng suấtchính gây ra phá hoại và ứng suất phát và cắt sinh ra trên mặt phá hoại:

a Tiêu chuẩn phá hoại Mohr; b Phân tố lúc phá hoại cho thấy các ứng

suất chính và ứng suất trên mặt phá hoại

Hình 1.6 Phân tố và các ứng suất gây phá hoại [15]

Đối với mỗi vật liệu, tiến hành nhiều thí nghiệm phá hoại, đo ứng suất pháhoại trong một vài phân tố lúc phá hoại sẽ cho phép xây dựng các vòng Mohr chomỗi phân tố phá hoại (hình 1.7) Các vòng Mohr được xác định lúc phá hoại nên cóthể vẽ đường bao giới hạn hay phá hoại của ứng suất cắt, còn gọi là đường bao pháhoại Mohr (Mohr failure envelope) – biểu thị quan hệ hàm số:

= ( )

Vòng Mohr nào nằm dưới đường bao phá hoại Mohr (như vòng A trong hìnhdưới đây) biểu thị điều kiện ổn định Phá hoại chỉ xảy ra khi ứng suất cắt và ứngsuất pháp kết hợp sao cho vòng Mohr tiếp tuyến đường bao phá hoại Không tồn tạivòng Mohr nằm trên đường bao phá hoại (như điểm B trong hình 1.7)

Hình 1.7 Các vòng Morh lúc phá hoại xác định đường bao phá hoại Mohr

Vật liệu phá hoại ttrước khi đạt trạng thái ứng suất này Nếu đường bao này làduy nhất cho vật liệu đã cho thì điểm tiếp tuyến của đường bao phá hoại cho Mohrđặc trưng cho các điều kiện ứng suất lúc phá hoại, cho phép xác định độ nghiêngcủa mặt phá hoại.

Cũng chính vì tính duy nhất của đường bao phá hoại nên rõ ràng các hệ số trong hàm số mô tả tương quan giữa ff và ff là bất biến Nội dung này rất quan trọng, cho phép kết hợp với đặc điểm của phương trình cường độ chống cắt của Coulomb dưới đây để xác định các đặc trưng kháng cắt của vật liệu.

1.2.2 Phương trình cường độ chống cắt của Coulomb [15]

Về đặc trưng ma sát chống trượt của các vật liệu khác nhau, qua các thínghiệm của mình, Coulomb đã quan sát thấy có một thành phần độc lập và mộtthành phần phụ thuộc vào ứng suất Thành phần phụ thuộc vào ứng suất tương tựnhư ma sát chống trượt trong vật rắn, có liên quan tới góc ma sát trong (angle of

internal friction) ; thành phần độc lập còn lại liên quan tới lực dính (cohesion) c phụ

thuộc vào bản chất của vật liệu

Kết hợp phương trình Coulomb và tiêu chuẩn phá hoại Mohr (đã trình bày ởtrên), ta có được tiêu chuẩn cường độ Mohr-Coulomb:

=+

Hình 1.8 Điều kiện ứng suất trong phân tố khi phá hoại ở mặt phẳng f

Phân tố bị phá hoại theo mặt ff trình bày trong hình 1.6 có các trạng thái ứng suất

mô tả trong hình 1.8 Điểm A trên vòng Mohr phản ánh các giá trị ứng suất pháp ff

và ứng suất cắt có thể có trên mặt phá hoại (ở trạng thái phá hoại) là ff ; theo [15], ff

còn được gọi là cường độ hay độ bền chống cắt

Điểm B ứng với trường hợp ứng suất cắt đạt giá trị đại max trên mặt phẳngnghiêng góc 450 (so với phương của ứng suất chính 3f) Theo hình 1.8, max có giá trịbằng đường kính vòng Mohr, và do đó:

=

1 −

3

2

Điểm C trên đường bao phá hoại Mohr ứng với trạng thái phá hoại của phân tố

mà ở đó ứng suất pháp là hoành độ của điểm C (trên biểu đồ hình 1.8):

=

1 +

3

2

Và ứng suất tiếp là tung độ của C Do C ở phía trên của B nên tung độ của C

có giá trị lớn hơn tung độ của B, đồng nghĩa với việc ứng suất cắt cực đại trên mặtnghiêng góc 450 vẫn chưa gây ra phá hoại phân tố theo mặt nghiêng này Do đó, cóhai kết luận quan trọng là:

- Ứng suất cắt cực đại trên mỗi mặt phẳng chưa đặc trưng cho khả năng khángcắt của vật liệu;

- Ứng suất cắt có thể có ở mỗi trạng thái phá hoại chỉ đặc trưng cho riêng trạngthái đó, không đặc trưng cho sức kháng cắt của vật liệu

Từ hai kết luận này, kết hợp với tính bất biến của lực dính c và góc nội ma sát

cho thấy: Khó xác định được các giá trị của ứng suất cắt đặc trưng cho khả năng kháng cắt cho vật liệu; thay vào đó, nên xác định các đặc trưng kháng cắt

là lực dính c và góc nội ma sát