Trên cơ sở kết quả thí nghiệm nén ép chẻ của BTN dưới tác dụng tải trọng lặp và kết quả mô phỏng thực nghiệm, bài báo đánh giá khả năng kháng mỏi của BTN lưu huỳnh, làm cơ sở cho việc ứng dụng rộng rãi trong xây dựng mặt đường mềm ở Việt Nam hiện nay.
Trang 1-557-
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KHÁNG MỎI CỦA BÊ TÔNG
NHỰA LƯU HUỲNH Nguyễn Văn Hùng 1 , Lê Văn Phúc 1
1Phân hiệu tại Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Giao thông vận tải, 450-451 Lê Văn Việt, Phường Tăng Nhơn Phú A, Quận 9, Tp Hồ Chí Minh
*Tác giả liên hệ: phuclv_ph@utc.edu.vn
Tóm tắt Việc sử dụng lưu huỳnh thay thế một phần nhựa đường truyền thống trong
sản xuất bê tông nhựa (BTN) đã được thử nghiệm trên thế giới từ những năm 1970 của của thế kỷ 20 Nhiều kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng BTN lưu huỳnh làm tăng khả năng kháng lún, giảm chí các chi phí sản xuất, thi công hỗn hợp BTN Tuy nhiên, một trong những nguyên nhân BTN lưu huỳnh chưa được sử dụng rộng rãi bởi nó có thể làm giảm khả năng kháng mỏi của loại vật liệu này ở những nước có khí hậu ôn đới, hàn đới Trên cơ sở kết quả thí nghiệm nén ép chẻ của BTN dưới tác dụng tải trọng lặp và kết quả mô phỏng thực nghiệm, bài báo đánh giá khả năng kháng mỏi của BTN lưu huỳnh, làm cơ sở cho việc ứng dụng rộng rãi trong xây dựng mặt đường mềm ở Việt Nam hiện nay
Từ khóa: Bê tông nhựa lưu huỳnh, khả năng kháng mỏi, mặt đường mềm
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Vết nứt hình thành trong lớp bê tông nhựa là một trong những dạng hư hỏng phổ biến nhất và làm giảm tuổi thọ của kết cấu áo đường mềm Các vết nứt được hình thành
và phát triển theo thời gian dưới tác động của tải trọng lặp Các vết nứt hình thành sẽ kéo theo mô đun độ cứng của lớp bê tông nhựa giảm, làm giảm khả năng chịu tải của kết
cấu áo đường dẫn đến phá hoại kết cấu mặt đường Do vậy, nghiên cứu đánh giá khả năng kháng mỏi vật liệu BTN trong xây dựng mặt đường ô tô dưới tác dụng tải trọng
trùng phục lớn trong điều kiện khí hậu và tải trọng Việt Nam là hết sức cần thiết
Việc sử dụng lưu huỳnh thay thế một phần nhựa đường truyền thống sẽ giúp hỗn hợp BTN – lưu huỳnh có tính linh động cao hơn, nhiệt độ lu lèn thấp hơn, công lu lèn nhỏ hơn so với BTN không sử dụng lưu huỳnh Ngoài ra hỗn hợp BTN lưu huỳnh còn
có khả năng kháng lún cao hơn BTN thông thường [1] [2] Mặc dù có ưu điểm như vậy những BTN lưu huỳnh vẫn chưa sử dụng rộng rãi bởi sử dụng nhựa lưu huỳnh làm tăng khả năng kháng lún những có khả năng làm giảm khả năng kháng mỏi, một chỉ tiêu làm việc quan trọng đặc biệt ở những nước có khí hậu ôn đới, hàn đới Do đó cần thiết có các đánh giá khả năng kháng mỏi của BTN lưu huỳnh trong điều kiện tải trọng trục tích lũy lớn ở Việt Nam hiện nay Thông qua việc thí nghiệm nén ép chẻ dưới tác dụng tải trọng lặp trong phòng và kết quả mô phỏng thực nghiệm, nhóm tác giả tiến
Trang 2hành nghiên cứu, đánh giá vấn đề nêu trên
3 THÍ NGHIỆM KHẢ NĂNG KHÁNG MỎI VẬT LIỆU BTN
Thí nghiệm độ bền mỏi của bê tông nhựa được thực hiện trong nghiên cứu này theo tiêu chuẩn EN 12697-24 [3] Đây là thí nghiệm nén ép chẻ dưới tác dụng tải trọng lặp trong phòng trên mẫu lăng trụ kích thước 100x64mm Thực hiện thí nghiệm trên
cơ sở là kiểm soát ứng suất trong quá trình gia tải Mẫu thí nghiệm được xem là bị phá hoại khi mô-đun độ cứng giảm còn một nữa mô-đun độ cứng ban đầu
Tải trọng tác dụng lên mẫu có dạng dải, bề rộng 1cm Mẫu thử được đặt trong buồng điều nhiệt và tiếp xúc với nhiệt độ thí nghiệm ít nhất là 4 giờ trước khi tiến hành thí nghiệm Các mẫu thử phải được thí nghiệm ở ba cấp độ ứng suất khác nhau, với ít nhất ba mẫu thử ở mỗi cấp độ
Đối với mẫu hình lăng trụ trong thí nghiệm, ứng suất, biến dạng kéo gián tiếp tại
vị trí tâm của mẫu, và mô-đun đàn hồi được tính theo các biểu thức sau:
t
F
2
− +
+
=
4
3 1 )
2
( )
3 1
a
Trong đó,
là ứng suất kéo ngang tại tâm của mẫu, MPa;
F là lực tác động, N;
t là chiều dày của mẫu, mm;
là đường kính mẫu, mm;
là biến dạng ngang tại tâm của mẫu, ;
là chuyển vị ngang, ;
là giá trị ứng suất kéo lớn nhất trong tải trọng xung, MPa;
là biên độ ứng suất kéo của tải trọng tuần hoàn, MPa;
là giá trị biến dạng ngang đàn hồi giữa các tải trọng xung, ;
là biên độ biến dạng kéo của tải trọng tuần hoàn, ;
Smix là mô-đun độ cứng, MPa
Khả năng kháng mỏi của bê tông nhựa ứng với một cấp tải trọng, hoặc một cấp biến dạng kéo , nào đó sẽ là Nf tương ứng với mô- đun độ cứng giảm 50% so với mô-đun độ cứng ban đầu Từ đó, sử dụng phương trình hồi qui để xác định mối liên hệ
Trang 3-559-
giữa số lần lặp của tải trọng mà mẫu đã chịu đến khi phá hoại Nf và biến dạng kéo thể hiện công thức (5) hoặc (6)
) log(
)
n
o
f k
Trong đó,
f
N là số tải trọng lặp;
k, n là các hằng số vật liệu;
là giá trị biến dạng ngang tại tâm của mẫu,
Kết quả nghiên cứu ở [4] cho thấy trong môi trường không khí, các mẫu hỗn hợp BTN sử dụng 30% lưu huỳnh thay thế nhựa 60/70 cải thiện rõ rệt về độ ổn định, cường
độ nén ép chẻ và khả năng kháng lún so với nhựa 60/70 thông thường và gần tương đương với nhựa 40/50 Do vậy, trong nghiên cứu này để đánh giá khả năng kháng nứt của BTN lưu huỳnh dưới tác dụng tải trọng trùng phục, nhóm tác giả tiến hành chế tạo mẫu mashall với hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp BTNC 12.5 thông thường và BTN
sử dụng 30% lưu huỳnh thay thế nhựa tương ứng là 4.7% và 5.5% Đường cong cấp phối được sử dụng để thiết kế hỗn hợp BTNC 12.5 trong nghiên cứu này như hình 1
Hình 1 Đường cong cấp phối hỗn hợp BTN sử dụng nghiên cứu
3 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Thí nghiệm xác định độ bền mỏi của vật liệu bê tông nhựa chặt thông thường, bê tông nhựa C12,5, được thực hiện trên máy DTS-30 Nhiệt độ thí nghiệm là 20oC Trong nghiên cứu này, ba cấp ứng suất sử dụng là 200 kPa, 250 kPa, và 300 kPa Tải trọng lặp dạng haversine với thời gian gia tải là 0,1s và thời gian nghỉ giữa hai lần gia tải liên tiếp nhau là 0,4s Kết quả thí nghiệm thể hiện đường cong mối quan hệ giữa độ giảm mô-đun độ cứng của mẫu tương ứng với số lần lặp của tải trọng thể hiện như hình 2 Kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy khả năng kháng mỏi của BTN lưu
Trang 4huỳnh cao hơn so với BTN truyền thống Cụ thể, ở các cấp tải khác nhau 200 kPa, 250 kPa, 300 kPa thì số lần lặp tải trọng khi mô đun độ cứng giảm 50% của BTN lưu huỳnh cao hơn so với BTN truyền thống tương ứng là 36%, 60%, 33%
Hình 2 Đường cong mối quan hệ giữa độ giảm mô đun độ cứng và số lần lặp của tải
trọng: (a): =300 kPa, (b): =250 kPa, (c): =200 kPa Hình 3 thể hiện kết quả hồi qui cho mối quan hệ giữa số lần lặp tải trọng, Nf và biến dạng ngang ban đầu, của BTN thông thường và BTN lưu huỳnh
Trang 5-561-
Hình 3 Đường cong mối quan hệ giữa Nf và biến dạng ngang ban đầu
Trên cơ sở phân tích kết quả thí nghiệm, bước đầu xây dựng phương trình dự đoán khả năng kháng mỏi của vật liệu bê tông nhựa thông thường C12.5 và BTN lưu huỳnh có thể được diễn tả tương ứng bằng biểu thức (7) và (8)
- BTNC12.5 truyền thông: 5 1015(1)5.305
o f
N
= (7)
- BTNC12.5 sử dụng lưu huỳnh: 3 1016(1)5.658
o f
N
= (8) Trong đó:
f
N là số lần tải trọng lặp tác dụng lên mẫu thử khi mô đun độ cứng giảm 50% so với ban đầu;
là giá trị biến dạng ngang tại tâm của mẫu,
4 KẾT QUẢ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
Dựa trên các đặc tính của hỗn hợp BTN – lưu huỳnh đã được thí nghiệm, nhóm tác giả đã tiến hành mô phỏng bằng phần mềm cơ học thực nghiệm MEPDG [5] để đánh giá khả năng kháng nứt do mỏi vật liệu của hỗn hợp BTN – lưu huỳnh trong các lớp kết cấu áo đường khác nhau Các kết cấu áo đường này được tính toán với cùng một loại tải trọng, cùng lưu lượng, khí hậu Ba kết cấu mặt đường ô tô điển hình được
sử dụng trong nghiên cứu này như Hình 4
Hình 4 Mô tả các lớp kết cấu áo đường
Các kết cấu trên có chỉ tiêu kỹ thuật đạt theo tiêu chuẩn 22TCN211-06 6: Eyc
≥179 MPa
Các thông số đầu vào phục vụ tính toán bằng phần mềm thực nghiệm bao gồm:
− Tải trọng tiêu chuẩn Ptc = 100 kN;
Trang 6− Số trục xe tính toán 545 trục/làn, tương ứng với 2.08 triệu ESAL;
− Tốc độ dòng xe: Vtk = 60 Km/h;
− Điều kiện khí hậu Tp.HCM thu thập trong 25 năm
Các thông số vật liệu của BTN 60/70 và BTN lưu huỳnh để khai báo phần mềm MEPDG được xác định theo kết quả thí nghiệm từ phòng thí nghiệm trọng điểm-LASXD 1256 của Đại học GTVT với kết quả Bảng 1 Các thông số khác theo một số thông số về nhiệt theo mức 2 và mặc định của chương trình
Bảng 1 Thông số thí nghiệm DSR
Lưu huỳnh)
(Pa)
Phase angle (deg)
Binder G*
(Pa)
Phase angle (deg)
Kết quả mô phỏng phương pháp cơ học thực nghiệm của ba kết cấu về khả năng kháng nứt mỏi trong lớp BTN được thể hiện trong Hình 5
Hình 5 So sánh tuổi thọ về nứt của hai kết cấu KC1, KC2 và KC3
Từ hình 5 cho thấy, thời gian để các kết cấu KC1, KC2, KC3 đạt đến giới hạn nứt
Trang 7-563-
là 7,4 năm cho KC1 và 8,6 năm cho KC2 và KC3 Như vậy nếu xét tuổi thọ về nứt trong lớp BTN thì KC1 thấp hơn so với KC2 và KC3 là 1.2 năm
5 KẾT LUẬN
Trong bài báo này bước đầu đã đánh giá khả năng chịu tải trọng lặp của bê tông nhựa chặt thông thường và BTN lưu huỳnh ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu cho thấy BTN lưu huỳnh cho khả năng kháng mỏi tốt hơn so với BTN truyền thống Ngoài ra, một biểu thức xác định khả năng độ bền mỏi của vật liệu bê tông nhựa thông thường
và BTN lưu huỳnh được thuyết lập trên cở sở phân tích kết quả thí nghiệm nén ép chẻ dưới tác dụng tải trọng lặp trong phòng Kết quả mô phỏng thực nghiệm cho thấy tuổi thọ về nứt trong lớp BTN sử dụng lưu huỳnh cao hơn so với BTN nhựa truyền thống Tuy nhiên, để có kết quả mô hình dự báo chính xác, trong thời gian tới nhóm nghiên cứu sẽ thực hiện thêm nhiều thí nghiệm khác để có được biểu thức độ bền mỏi chính xác hơn cho vật liệu bê tông nhựa C12,5 và BTN lưu huỳnh
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Report No FHWA-RD-78-95, Extention and replacement of asphalt cement with sulphur, 2005
[2] Vahid Rezvani, Hassan Saghi, Characteristics and Preparation Method of Sulfur Extended Asphalt Mixtures, 2015
[3] EN 12697-24, Bituminous mixtures - Test methods for hot mix asphalt – Part 24: Resistance to fatigue, European Standard, 2012
[4] Nguyễn Văn Hùng, Lê Văn Phúc, Nguyễn Thanh Phong, Đánh giá hiệu quả sử dụng bê tông nhựa lưu huỳnh ở Việt Nam Tập chí Giao thông Vận tải tháng, 59(2018) 91-95
[5] Phần mềm AASHTOWare® Pavement ME Design™
về quản lý chất lượng vật liệu nhựa đường sử dụng trong công trình giao thông