1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Mặt đường bê tông asphalt chiếm tỷ trọng lớn trong mạng lưới đường ô tô trên thế giới và ở Việt Nam do những ưu điểm về: chất lượng khai thác, giá thành và mức độ thuận lợi trong thi công. Theo số liệu thống kê, hơn 70% tổng số chiều dài đường cao tốc trên thế giới, 72% tổng chiều dài đường cao tốc ở Đức và hơn 80% tổng chiều dài mạng lưới đường ở Việt Nam sử dụng kết cấu mặt đường bê tông asphalt [18]. Các tiêu chuẩn của thế giới và tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định về đặc tính của bê tông asphalt làm mặt đường. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng, hai vấn đề cần bổ sung và xem xét: khả năng chống lún và chịu mỏi của bê tông asphalt. Thông qua thí nghiệm lún vệt bánh xe, chiều sâu lún tương quan với số lượt tác dụng của tải trọng được xác định. Thông qua thí nghiệm mỏi, tuổi thọ mỏi và các đường đặc tính mỏi của vật liệu được xác định. Từ những kết quả thí nghiệm đó có thể đánh giá khả năng chống lún và chống mỏi của vật liệu làm mặt đường ô tô, phục vụ cho quá trình thiết kế và thi công. Để nâng cao chất lượng bê tông asphalt, hiện nay trên thế giới thường đi theo ba hướng:
+ Sử dụng bitum cải tiến + Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lượng cao + Cải tiến thành phần hỗn hợp bê tông asphalt bằng vật liệu gia cường
Các loại sợi gia cường trong bê tông asphalt rất đa dạng, như: sợi Cellulose, sợi cácbon, sợi thủy tinh, sợi Polypropylene, sợi khoáng, v.v… Nghiên cứu của Luận án tập trung vào việc xem xét ảnh hưởng sợi thủy tinh đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt. Trên thế giới, từ những năm 60 của thế kỷ trước bê tông asphalt gia cường sợi đã bắt đầu được nghiên cứu [51], đến nay nghiên cứu tương đối toàn diện và kết quả thấy rằng vật liệu này làm việc tốt trong điều kiện các nước ôn đới và hàn đới. Vấn đề đặt ra là cốt sợi thủy tinh có cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún cho vật liệu bê tông asphalt nóng trong điều kiện Việt Nam hay không? Cần phải được nghiên cứu, thực nghiệm để có câu trả lời. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ bản đặc tính chống lún vệt bánh xe, đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt chặt rải
nóng (HMA);
- Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấu tạo của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (G-FRAC)
để cải thiện đặc tính chịu mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt;
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe của G-FRAC,
ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh gia cường tới khả năng chống lún vệt bánh xe;
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của G-FRAC, ảnh hưởng của
hàm lượng sợi thủy tinh gia cường đến đặc tính này.
3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tập trung các vấn đề sau:
- Khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán (G-
FRAC);
- Khả năng chống mỏi của G-FRAC;
4. Cấu trúc của luận án
Gồm phần mở đầu, tiếp theo là bốn chương, phần kết luận, kiến nghị, dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu tham khảo. Cụ thể như sau : Đặt vấn đề nghiên cứu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Sợi thủy tinh và khả năng gia cường sợi thủy tinh trong bê tông asphalt Chương 3: Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh Chương 4: Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh Kết luận, kiến nghị và dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo. Tài liệu tham khảo
2
5. Những đóng góp của đề tài l
- Phân tích được ảnh hưởng của cốt sợi thủy tinh phân tán cải thiện đặc tính chống mỏi và chống lún
vệt bánh của bê tông asphalt chặt nóng;
- Phân tích và lựa chọn được mô hình thí nghiệm mỏi và lún vệt bánh xe của bê tông asphalt. Đã lựa
chọn loại cốt sợi thủy tinh phù hợp để gia cường bê tông asphalt;
- Đề xuất công thức hỗn hợp bê tông asphalt chặt nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán với hàm lượng sợi tốt nhất 0,3%, sử dụng bitum PMBIII và bitum 40-50. Đã đưa ra định lượng hiệu quả cải thiện khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh của bê tông asphalt cốt sợi thủy tinh phân tán với bê tông asphalt đối chứng với 2 loại bitum PMBIII và 40-50;
- Đã xây dựng được 4 đường đặc tính mỏi của bê tông asphalt PMBIII và 4 đường đặc tính mỏi của bê tông asphalt 40/50 tùy thuộc vào hàm lượng sợi thủy tinh 0%; 0.1%; 0.3%; 0.5% từ thí nghiệm uốn mỏi theo phương pháp khống chế ứng suất.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Tổng quan đặc tính kháng lún vệt bánh xe và kháng mỏi của bê tông asphalt trong xây dựng
Bê tông asphalt rải nóng là vật liệu chính để xây dựng lớp mặt đường ô tô. Trong quá trình khai thác dài hạn, lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt đường có thể bị phá hoại do mỏi và xuất hiện các biến dạng không hồi phục (lún vệt bánh xe). Các vấn đề này ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ và an toàn khai thác. Vì vậy, để tăng cường hai tính chất trên có thể sử dụng biện pháp cải tiến chất lượng bê tông asphalt trong đó có hướng nghiên cứu sử dụng cốt sợi phân tán. Một số nghiên cứu trên thế giới đã thí nghiệm đặc tính của bê tông asphalt khi sử dụng sợi các bon, sợi polyester, sợi amiang và sợi thủy tinh theo các chỉ tiêu kỹ thuật thu được các kết quả tốt. uận án có ngh a khoa học và thực tiễn, có tính mới, lần đầu tiên triển khai nghiên cứu về bê tông asphalt sử dụng sợi thủy tinh gia cường, về bê tông asphalt sử dụng nhựa đường 40/50 liên quan đến mỏi và biến dạng không hồi phục. Luận án đã xác định được hàm lượng sợi thủy tinh phân tán cho bê tông asphalt chặt rải nóng sử dụng bitum 40/50 và bitum polymer với hàm mục tiêu là chu kỳ mỏi khi khống chế ứng suất và chiều sâu vệ lún bánh xe. Luận án góp phần làm rõ hơn vai trò của cốt sợi thủy tinh phân tán với hàm lượng từ 0,1% đến 0,5% trong bê tông asphalt rải nóng. Luận án làm phong phú thêm các kiến thức lý thuyết và thực nghiệm về cơ chế gia cường cốt sợi phân tán trong bê tông asphalt rải nóng và là tài liệu tham khảo tốt cho những nhà nghiên cứu về vấn đề trên. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 mặt đƣờng ô tô 1.1.1 Các vấn đề chung 1.1.1.1 ịch sử phát triển của bê tông asphalt 1.1.1.2 Khái niệm và phân loại bê tông asphalt 1.1.2 Đặc tính kháng lún vệt bánh xe của bê tông asphalt 1.1.2.1 Giới thiệu chung Lún vệt bánh xe hay được gọi là biến dạng không hồi phục là một hiện tượng của mặt đường bê tông asphalt. Nguyên nhân của nó là:
- Sự giảm thể tích của bê tông asphalt do tác dụng đầm nén của bánh xe; - Ứng suất cắt sinh ra dưới tác dụng lặp đi lặp lại của tải trọng bánh xe, đây là nhân tố cơ bản. Cơ chế hình thành phát triển của hiện tượng lún vệt bánh xe có thể được chia thành hai trường hợp [14] :
- Trường hợp thứ nhất, lún vệt bánh xe xuất hiện chỉ trong lớp vật liệu bê tông asphalt, ứng suất cắt
trượt xuất hiện trong lớp vật liệu bê tông asphalt lớn hơn cường độ chịu cắt trượt của vật liệu.
- Trường hợp thứ hai, biến dạng gây ra lún vệt bánh xe chủ yếu xảy ra trong lớp nền và lớp móng hơn
là xảy ra trong lớp bê tông asphalt.
Để đánh giá đặc tính này của bê tông asphalt, người ta có thể sử dụng các dạng thí nghiệm mô phỏng khả năng chịu lún của mẫu vật liệu dưới tác động của tải trọng bánh xe ngoài thực tế. Có nhiều tiêu chuẩn như: AASHTO T324; BS EN 12697-22:2004. 1.1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính kháng lún vệt bánh xe:
- Cốt liệu
3
- Bitum - Bột khoáng - Tải trọng - Nhiệt độ cao
Ở ngưỡng nhiệt độ cao, thay đổi từ 46oC đến 82oC [2], mặt đường HMA thường xuất hiện tình trạng trồi lún. Tại Hà nội, trong 10 năm gần đây, nhiệt độ không khí cao nhất trong năm theo thống kê của Trung tâm tư liệu khí tượng thủy văn luôn đạt ở ngưỡng cao và rất cao, dao động xung quanh mốc 39oC. Ta có biểu đồ nhiệt độ tại mặt đường (chiều sâu 20mm dưới lớp bê tông asphalt) như Hình 1-1.
Hình 1-1 Nhiệt độ môi trường và nhiệt độ mặt đường Asphalt tại Hà nội trong 10 năm gần đây
- Nước
1.1.3 Đặc tính kháng mỏi của bê tông asphalt 1.1.3.1 Giới thiệu chung Bản chất hiện tượng mỏi là sự suy giảm độ bền của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng trùng phục. Dưới tác dụng của tải trọng ban đầu các vết nứt vi mô xuất hiện trong vật liệu. Dần dần, các vết nứt vi mô phát triển, liên kết và hình thành vết nứt lớn gây suy giảm cường độ, phá hoại mặt đường. Để đánh giá đặc tính mỏi của bê tông asphalt người ta tiến hành hai nhóm thí nghiệm chính: nhóm thực nghiệm hiện trường và nhóm thí nghiệm trong phòng. Nhóm thí nghiệm hiện trường Nhóm trong phòng thí nghiệm có thể chia làm 3 loại lớn:
- Thí nghiệm uốn (hai, ba, bốn điểm); - Thí nghiệm kéo nén (trực tiếp hoặc gián tiếp); - Thí nghiệm trượt.
Hai dạng thí nghiệm được sử dụng:
- Thí nghiệm khống chế biến dạng; - Thí nghiệm khống chế ứng suất.
1.1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt
Thí nghiệm khống chế ứng suất
Nhiệt độ -
Với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất, nhiều nghiên cứu thấy rằng tuổi thọ mỏi giảm đi khi nhiệt độ tăng lên [65]. Trong một vài nghiên cứu, phân tích những thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất chỉ ra rằng, khi thể hiện tuổi thọ mỏi theo sự thay đổi của biến dạng ban đầu, đường đặc tính mỏi là duy nhất không bị ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ khi nhiệt độ thí nghiệm trong khoảng từ -10oC đến 20oC. [80] (Hình 1-2).
Hình 1-2. Đường đặc tính mỏi ở các nhiệt độ khác nhau với thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất [80]
4
iên quan đến ảnh hưởng của nhiệt độ tới vị trí phá hủy trong thí nghiệm mỏi, Kim đã làm các thí nghiệm mỏi khống chế ứng suất, ép theo phương đường kính của mẫu trụ tròn [52]. Kết quả chỉ ra rằng ở 0°C, vị trí vết phá hủy nằm ở màng bitum hoặc thậm chí là cốt liệu đá, trừ những trường hợp vật liệu kém dính. Còn ở 20°C, vị trí nứt mỏi nằm ở bề mặt tiếp xúc của đá và bitum.
- Nhiệt độ thấp
Bê tông asphalt là một loại vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp từ - 10oC đến - 46oC [2], bitum trong hỗn hợp bê tông asphalt bị hóa cứng khiến cho cốt liệu dễ bị bong bật khỏi chất kết dính asphalt. Gây nên hiện tượng gẫy vỡ của lớp bê tông asphalt mặt đường. Biểu đồ nhiệt độ thấp nhất của mặt đường thể hiện trên Hình 1-3. Đây có thể lấy làm cơ sở ngưỡng nhiệt độ thấp để nghiên cứu tuổi thọ mỏi của mặt đường bê tông asphalt. Theo phân vùng khí hậu của Việt Nam, các khu vực khác nhau có thể có ngưỡng nhiệt độ thấp hơn (như vùng núi phía Bắc) hoặc cao hơn (như vùng miền Nam Trung Bộ và Nam Bộ).
Hình 1-3 Nhiệt độ mặt đường thấp nhất 6 năm ở Hà nội
Tần số tác dụng lực
Yếu tố tần số tác dụng lực ít được nghiên cứu hơn so với nhiệt độ. Nghiên cứu của Doan chỉ ra rằng khi tần số tác dụng lực tăng, tuổi thọ mỏi giảm với thí nghiệm khống chế biến dạng và tăng với thí nghiệm khống chế ứng suất [80]
Hình dạng mẫu Thời gian nghỉ tác dụng lực
Hai dạng sơ đồ tác dụng tải thường được sử dụng trong các thí nghiệm có thời gian chờ:
- Tác dụng nhiều chu kì tải liên tục sau đó là thời gian nghỉ chờ dài; - Tác dụng như xung lực, sau mỗi chu kì đều có khoảng nghỉ và lặp lại nhiều lần.
Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy rằng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt tăng lên khi có thời gian nghỉ chờ trong các thí nghiệm mỏi [28], [80]. Tuy nhiên thời gian nghỉ chờ cũng có giới hạn hiệu quả. Vượt qua khoảng giới hạn này, tăng thời gian nghỉ không làm tăng tuổi thọ mỏi của vật liệu. Thời gian nghỉ chờ gấp 10 lần thời gian tác dụng lực được lấy là ngưỡng thí nghiệm đánh giá tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt [21].
Bitum
Nhìn chung, sử dụng các loại bitum polyme, bitum cải tiến sẽ làm tăng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt.
Cốt liệu và bột khoáng
Các nghiên cứu về biện pháp cải thiện đặc tính kháng lún vệt bánh xe và đặc tính chịu mỏi của
Kết quả nghiên cứu của một số tác giả [27] cho rằng hình dạng cốt liệu ảnh hưởng ít đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt. Kim chỉ ra rằng tính dính bám của bitum và cốt liệu có ảnh hưởng đến đặc tính mỏi của bê tông asphalt [52]. Mặt khác bê tông asphalt sử dụng cấp phối gián đoạn có tuổi thọ mỏi kém hơn so với bê tông asphalt sử dụng cấp phối liên tục [60] Cũng giống như hàm lương bitum, bê tông asphalt cũng tồn tại một hàm lượng bột khoáng thiết kế cho sức kháng mỏi [83]. Hàm lượng này khoảng từ 7-9% đối với hỗn hợp đá bitum sử dụng làm lớp móng (GB - Grave Bitume) ở Pháp. 1.2 bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam Để cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và đặc tính mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng, hiện nay thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đã và đang sử dụng theo ba hướng:
- Điều chỉnh cấp phối phù hợp với mục đích sử dụng và sử dụng cốt liệu chất lượng cao;
5
- Cải tiến thành phần hỗn hợp bằng vật liệu gia cường; - Sử dụng bitum cải tiến.
Luận án tập trung hướng cải tiến bằng vật liệu gia cường và sử dụng bitum cải tiến. 1.2.1 Sử dụng sợi gia cƣờng Trên thế giới, một trong những biện pháp cải tiến thành phần chế tạo hữu hiệu nhất để nâng cao chất lượng của bê tông asphalt là biện pháp gia cường sợi trong bê tông asphalt. Phương pháp này đã được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước [51] và đã được nghiên cứu sử dụng ở nhiều nước như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc v.v…
- Bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (Glass fiber) - Bê tông asphalt gia cường sợi cacbon - Bê tông asphalt gia cường sợi polypropylen - Bê tông asphalt sử dụng sợi Cellulose phân tán - Bê tông asphalt gia cường sợi polypropylen - Bê tông asphalt gia cường sợi polyester
1.2.2 Sử dụng bitum cải tiến Bitum là chất kết dính tạo tính đàn - nhớt cho bê tông asphalt. Một số phương pháp cải tiến bitum được trình bày sau đây:
- Bitum polime - Bium cải tiến bằng cách cho thêm lưu huỳnh - Bitum cải tiến bằng cách cho thêm cao su - Bitum cải tiến bằng cách cho thêm cao su dẻo nhiệt
Xác định vấn đề nghiên cứu
1.3 Các biện pháp cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và đặc tính mỏi của bê tông asphalt đã được phân tích và đánh giá ở phần 1.2. Nhìn chung biện pháp gia cường sợi phân tán là một trong những biện pháp hữu hiệu để cải thiện khả năng làm việc của bê tông asphalt. Việc nghiên cứu mới chỉ ở giai đoạn bước đầu, các nghiên cứu về bê tông asphalt chặt rải nóng sử dụng cốt sợi thủy tinh còn hạn chế, khả năng cải thiện đặc tính chống lún vệt bánh xe chưa được đề cập đầy đủ. Chưa có nghiên cứu nào về khả năng cải thiện đặc tính chịu mỏi của bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh và chưa đề cập đến ảnh hưởng của điều kiện nhiệt đới ở Việt Nam. Do đó luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết và có tính thời sự. 1.4 Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định thành phần cấu tạo của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy tinh G-FRAC sử
dụng hàm lượng sợi 0%; 0,1%; 0,3%; 0,5%;
- Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy
tinh phân tán;
- Nghiên cứu khả năng chống mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi thủy tinh phân tán; - Phân tích đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng sợi thủy tinh, bitum polymer PMBIII và bitum thường mác 40-50 đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống mỏi của bê tông asphalt chặt rải nóng. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
1.5
- Nghiên cứu lý thuyết về bản chất và các đặc tính sợi thủy tinh và G-FRAC; vai trò của sợi thủy tinh
khi gia cường bê tông asphalt;
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định công thức thành phần của G-FRAC trong phòng thí nghiệm ở Việt
Nam;
- Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe và khả năng chống mỏi của G-
FRAC trong điều kiện của Việt Nam.
6
CHƢƠNG 2. SỢI THỦY TINH VÀ KHẢ NĂNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH TRONG BÊ
TÔNG ASPHALT
Các nghiên cứu cơ bản về sợi thủy tinh và ứng dụng của sợi thủy tinh để gia cƣờng bê tông
2.1 asphalt 2.1.1 Khái niệm và phân loại sợi thủy tinh 2.1.1.1 Khái niệm Sợi thủy tinh là một trong những vật liệu được ứng dụng nhiều trong công nghệ mới ở những ngành công nghiệp khác nhau, được sản xuất từ một nguồn nguyên liệu sẵn có. Tất cả các loại sợi thủy tinh đều có nguồn gốc từ silica. 2.1.1.2 Quá trình hình thành sợi Đây là một cách tạo sợi điển hình, ngoài ra còn một số cách tạo sợi khác bằng bi quay ly tâm với thủy tinh đã nóng chảy. 2.1.1.3 Phân loại sợi thủy tinh Theo phân loại của [23] sợi thủy tinh được chia như Bảng 2-1:
Dẫn điện kém Độ bền cơ học cao Ổn định với các chất hóa học Độ cứng cao Hàm lượng alkali lớn Cách điện bền vững
Bảng 2-1 Phân loại sợi thủy tinh Đặc tính cơ bản
Loại sợi E - Glass S - Glass C - Glass M - Glass A - Glass D - Glass
Sợi thủy tinh thông thường chủ yếu là loại E – Glass, C-Glass được ứng dụng nhiều trong công nghệ lọc, cách nhiệt, gia cường trong vải công nghiệp v.v… (xem Hình 2-1)
.
Hình 2-1 Sợi Thủy tinh loại C-Glass Sợi thủy tinh đặc biệt được chia thành một số loại điển hình như S - Glass, D - Glass, A- Glass, ECR – Glass, sợi siêu tinh khiết silic, sợi rỗng và sợi trilobal. Các loại sợi thủy tinh đặc biệt này được lựa chọn sử dụng cho những mục đích đặc biệt có xét đến hiệu quả kinh tế. 2.1.2 Các đặc điểm và tính chất cơ bản của sợi thủy tinh để ứng dụng trong xây dựng công trình giao thông Như vậy yêu cầu của sợi gia cường trong bê tông asphalt là loại sợi có khả năng ổn định về mặt hóa học và lý học trong môi trường chất kết dính asphalt và bê tông asphalt, có độ dãn nở vì nhiệt thấp, khả năng bám dính cao trong cả giai đoạn đầu cũng như suốt thời gian khai thác công trình dưới tác động của môi trường bên ngoài. 2.1.3 Đề xuất loại sợi thủy tinh sử dụng trong nghiên cứu Trong khuôn khổ luận án, sợi thủy tinh thông thường loại C-Glass được lựa chọn nghiên cứu.
7
Vai trò sợi thủy tinh trong bê tông asphalt theo một số nghiên cứu trên thế giới
2.2 2.2.1 Vai trò sợi thủy tinh 2.2.1.1 Về mặt hóa học Nhìn chung các loại sợi thủy tinh rất ổn định với các chất hóa học. Trong khuôn khổ luận án, sợi thủy tinh sử dụng là loại C-Glass, sợi thủy tinh có độ ổn định hóa học rất cao, khi gia cường trong bê tông asphalt không làm thay đổi tính chất hóa học của bitum [23]. 2.2.1.2 Về mặt lý học Khi gia cường sợi có cường độ chịu kéo cao sẽ làm tăng cường độ của hỗn hợp bê tông asphalt. Về lý thuyết, ứng suất sẽ truyền sang sợi cường độ cao, làm giảm ứng suất lên phần có cường độ yếu hơn là chất liên kết asphalt [59]. Năm 2005 Najd tiếp tục nghiên cứu vai trò của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt. Độ bền Marshall và độ bền mỏi của G-FRAC tăng đáng kể khi gia cường sợi thủy tinh với hàm lượng từ 0,175% – 0,375% theo khối lượng hỗn hợp HMA [58]. Sợi thủy tinh có khả năng giữ ổn định cho chất kết dính asphalt, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ cao và lưu lượng giao thông lớn. Hơn nữa sợi có cấu trúc mạng lưới ba chiều trong hỗn hợp asphalt nên nó gia cường cho bộ khung giúp chống lại lực cắt và giảm khả năng bị chảy của hỗn hợp asphalt [49][55].
Hình 2-2 Đặc tính mỏi của G-FRAC ở các hàm lượng sợi thủy tinh khác nhau [49] Những ưu điểm trên thể hiện rõ rệt khi hàm lượng sợi thủy tinh tăng lên. Nhưng khi tỷ lệ sợi vượt quá 0,3% thì các giá trị này lại giảm xuống. Nghiên cứu này [55] cho thấy rằng hàm lượng sợi thủy tinh gia cường hợp l là 0,3% trong bê tông asphalt gia cường sợi.
Hình 2-3: Quan hệ giữa hàm lượng sợi thủy tinh và mô đun đàn hồi, [55] Hình 2-4: Quan hệ giữa độ bền chịu mỏi và tỷ lệ sợi, [55]
Sợi khi gia cường trong bê tông asphalt được coi là pha gián đoạn trong khi chất liên kết asphalt là pha nền. Sợi sẽ có khả năng chịu một phần ứng suất trong hỗn hợp composite mà pha nền là asphalt. Sợi trong pha nền asphalt được mô tả theo dạng “ Slippage” (trượt) như Hình 2-5. Hejazi đưa ra hệ số λ đánh giá tỷ lệ sợi bị trượt khi làm việc với pha nền asphalt trong HMA. Hệ số λ càng lớn thì phần sợi không tham gia làm việc càng lớn. Trong nghiên cứu này, ứng xử trong bê tông asphalt của bốn loại sợi khác nhau có cùng chiều dài 12mm đã được mô hình hóa theo dạng “Slippage”: sợi thủy tinh, sợi nylon, sợi polypropylene và sợi polyester. Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi thủy tinh cho hiệu quả gia cường bê tông asphalt là cao nhất.
8
Hình 2-5 Sợi trong pha nền asphalt dưới tác dụng lực P [44] Mặt khác, hệ thống sợi phân tán tạo nên mạng lưới cấu trúc ba chiều trong bê tông asphalt [35], nâng cao độ ổn định của pha asphalt và đặc biệt hình thành nên bộ khung tăng cường cho các hạt cốt liệu chống lại lực cắt, hạn chế dịch chuyển các hạt cốt liệu, từ đó giảm khả năng biến dạng của bê tông asphalt dưới tác dụng lực bánh xe, cải thiện sự suy giảm mô đun độ cứng do đó cải thiện đặc tính mỏi của bê tông asphalt. 2.2.2 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến vai trò của sợi thủy tinh 2.2.2.1 Mức độ phân tán 2.2.2.2 Đường kính và chiều dài sợi Chiều dài sợi gia cường phụ thuộc vào đường kính lớn nhất của cốt liệu [59]. Chiều dài sợi sử dụng trong gia cường bê tông asphalt thay đổi trong một khoảng rất lớn từ cỡ 10-2 mm đến vài chục mm [35], [44], [49], [55]. Trong luận án này, sợi thủy tinh được trộn thử theo phương pháp trộn khô với ba chiều dài sợi khác nhau là 10mm, 20mm, 30mm. Hỗn hợp vật liệu sử dụng sợi thủy tinh chiều dài 30mm xuất hiện một số búi sợi (xem Hình 2-6, Hình 2-7, và Hình 2-8).
Hình 2-8 Sợi 30mm Hình 2-6 Sợi 10mm
Nghiên cứu thực nghiệm tính chất của sợi thủy tinh dự kiến sử dụng trong nghiên cứu
Đường kính sợi thủy tinh
Hình 2-7 Sợi 20mm Như đã phân tích, theo Fu đánh giá, tỷ lệ chiều dài sợi trên đường kính sợi lớn cho hiệu quả mạng lưới của sợi phân tán trong bê tông asphalt càng cao [42]. Tuy nhiên chiều dài sợi bị khống chế bởi khả năng được trộn đều trong hốn hợp vật liệu. Do đó chiều dài sợi thủy tinh 20mm được lựa chọn để gia cường bê tông asphalt trong các mẫu thử của luận án. 2.3 2.3.1 Tính chất lý học của sợi thủy tinh Thí nghiệm đo đường kính sợi và đếm số sợi trong một tao sợi thủy tinh được nghiên cứu sinh thực hiện ở Viện Dệt may da giầy và Trung tâm Thí nghiệm vật liệu Dệt may da giầy trường đại học Bách khoa Hà nội.Thí nghiệm phân tích các thành phần nguyên tố có trong sợi thủy tinh được nghiên cứu sinh thực hiện ở Phòng Thí nghiệm Siêu cấu trúc công nghệ nano y sinh thuộc Viện Vệ sinh Dịch tễ TW số 1 Yersin Hà nội. -
Đường kính sợi (mm)
Mẫu sợi thủy tinh Hình 2-9 Đo đường kính sợi thủy tinh Bảng 2-2 Kết quả đo đường kính sợi thủy tinh Mẫu 2 0.015 Mẫu 3 0.02 Mẫu 1 0.02 Mẫu 4 0.018 Mẫu 5 0.02 TB 0.018
9
2.3.2 Tính chất cơ học của sợi thủy tinh Thí nghiệm xác định lực kéo đứt, độ giãn đứt của sợi thủy tinh theo tiêu chuẩn ASTM D 2256-02 [24], nghiên cứu sinh thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Dệt may, Trường Đại học Bách khoa Hà nội.
Bảng 2-3 Kết quả đo độ bền kéo đứt, độ giãn đứt và mô đun đàn hồi của sợi thủy tinh
Lực kéo đứt 1 tao sợi (F)
Độ giãn đứt (e)
Độ giãn tương đối
Mô đun đàn hồi
Mẫu sợi thủy tinh
Đơn vị N mm % MPa Tổ mẫu 1 21, 7 2,00 0,80 30.431 Tổ mẫu 2 23, 6 2,23 0,89 29.571 Tổ mẫu 3 18, 8 1,95 0,78 25.349 Trung bình 21,4 2,06 0,83 28.450
2.3.3 Hình thái sợi thủy tinh Hình thái bề mặt của sợi thủy tinh và thành phần hóa học chủ yếu được xác định theo phương pháp chụp bằng máy quang phổ EDX (Energy-dispersive X-ray).
Hình 2-10: Hình thái bề mặt sợi thủy tinh theo phương pháp EDX với tỷ lê phóng ×500 (trái) và ×2000 (phải)
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG
ASPHALT CHẶT RẢI NÓNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH (G-FRAC)
Thiết kế thành phần G-FRAC
3.1 3.1.1 Trình tự thiết kế Các loại bê tông asphalt sử dụng trong nghiên cứu sẽ được gia cường sợi thủy tinh với hàm lượng: 0% ; 0,1% ; 0,3% ; 0,5% theo khối lượng hỗn hợp vật liệu và được chia thành 2 nhóm : Nhóm thứ nhất: bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (Glass Fiber reinforced asphalt concrete G-FRAC) sử dụng bitum polyme PMBIII: G-FRAC PMBIII Nhóm thứ hai: bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh sử dụng bitum thường mác 40-50: G-FRAC 40-50
STT
Bảng 3-1: Bảng k hiệu các loại G-FRAC tương ứng với loại bitum, tỷ lệ sợi.
G-FRAC PMBIII
PMBIII
G-FRAC 40-50
Bitum 40-50
Nhóm bê tông Loại bitum Ký hiệu G-FRAC
1 2 3 4 5 6 7 8 Hàm lượng sợi thủy tinh (%) 0% 0,1% 0,3% 0,5% 0% 0,1% 0,3% 0,5% B0PMB B1PMB B3PMB B5PMB B0TT B1TT B3TT B5TT
3.1.2 Lựa chọn vật liệu thành phần 3.1.2.1 Cốt liệu lớn Các yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu lớn hay gọi là đá dăm sau khi kiểm tra chất lượng, đã thỏa mãn các yêu cầu của tiêu chuẩn 22TCN 356-06 [5] dùng cho G-FRAC PMBIII và TCVN 8819-2011 [9] dùng cho G-FRAC 40-50 3.1.2.2 Cốt liệu nhỏ Các yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu nhỏ hay gọi là cát sau khi kiểm tra chất lượng đã thỏa mãn theo 22TCN 356-06 dùng cho G-FRAC PMBIII, TCVN 8819-2011 dùng cho G-FRAC 40-50
10
3.1.2.3 Bột khoáng Bột khoáng sử dụng trong nghiên cứu có nguồn gốc đá vôi được khai thác ở Phủ Lý-Hà Nam. Các yêu cầu kỹ thuật của bột khoáng sau khi kiểm tra chất lượng đã thỏa mãn theo 22TCN 356-06 dùng cho G-FRAC PMBIII và TCVN 8819-2011 dùng cho G-FRAC 40-50. Chi tiết kết quả xem Phụ lục1-Kết quả thí nghiệm các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu chế tạo 3.1.2.4 Chất kết dính Bitum polyme PMBIII: Bitum polyme PMBIII sử dụng sau khi kiểm tra chất lượng đã thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật của Tiêu chuẩn bitum polymer 22 TCN 319-04 [6]. Bitum 40-50: Loại bitum thứ hai được sử dụng là bitum thường mác 40-50. Loại bitum này mặc dù được khuyến nghị áp dụng tại TCVN 8819:2011 nhưng vì nhiều lý do khác nhau nên hầu như chưa được nghiên cứu áp dụng nhiều ở nước ta hiện nay. Việc lựa chọn loại bitum 40-50 để nghiên cứu có tính thời sự, nhằm đưa ra được các thông tin về hiệu quả sử dụng loại bitum 40-50 này thông qua kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe, thí nghiệm mỏi của bê tông asphalt không có và có gia cường sợi thủy tinh phân. 3.1.2.5 Sợi
Sợi thủy tinh sử dụng trong nghiên cứu là loại sợi thủy tinh thường C-Glass, chiều dài sợi là 20mm, được cắt từ cuộn sợi lớn. Một số chỉ tiêu cơ l chủ yếu của sợi thủy tinh được thí nghiệm tại Viện Dệt may Đại học Bách Khoa theo tiêu chuẩn [24], được thống kê trong Bảng 3-2.
Bảng 3-2 Đặc tính kỹ thuật sợi thủy tinh loại C
Đường kính sợi (mm)
Chiều dài sợi (mm)
Tỷ lệ chiều dài/đường kính sợi
Mô đun đàn hồi (MPa)
Nhiệt độ nóng chảy(độ C)
Đặc tính Sợi Thủy tinh
0,018 20 20/0,018 25000 >1000
3.1.3 Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt 3.1.3.1 Thiết kế tỷ lệ phối trộn cốt liệu Tỷ lệ phối trộn các cốt liệu thành phần được tính toán và kiểm tra theo 22TCN 356-06 và TCVN 8819-2011. Trên Hình 3-1, đường cong cấp phối thiết kế nằm phía cận dưới của đường bao tiêu chuẩn. ượng lọt qua sàng ứng với các cỡ hạt thỏa mãn tiêu chuẩn 22TCN 356-06 cho nhóm bê tông polime G-FRAC PMBIII và TCVN 8819-2011cho nhóm bê tông thường G-FRAC 40-50.
Hình 3-1: Đường cong cấp phối của hỗn hợp vật liệu khoáng sau khi phối trộn
3.1.3.2 Đầm mẫu Marshall Thiết bị đầm mẫu Marshall, dụng cụ thí nghiệm, trình tự đầm mẫu theo quy định tại tiêu chuẩn TCVN 8820-2011. 3.1.3.3 Thí nghiệm và tính toán các chỉ tiêu kỹ thuật của G-FRAC: Thí nghiệm và tính toán các chỉ tiêu đặc tính thể tích Thí nghiệm các đặc trƣng cơ học Marshall:
11
3.1.3.4 Thiết lập đồ thị quan hệ giữa hàm lượng bitum và các chỉ tiêu liên quan Trên cơ sở các kết quả thí nghiệm, tính toán đã xác định ở trên, vẽ các đồ thị quan hệ sau, trong đó trục hoành biểu thị các hàm lượng bitum (5 hàm lượng bitum đã chọn); trục tung biểu thị các giá trị tương ứng:
+ Độ ổn định Marshall - Hàm lượng bitum; + Độ dẻo - Hàm lượng bitum; + Độ rỗng dư - Hàm lượng bitum; + Độ rỗng cốt liệu - Hàm lượng bitum; + Độ rỗng lấp đầy bitum - Hàm lượng bitum; + Khối lượng thể tích của G-FRAC - Hàm lượng bitum.
3.1.3.5 Lựa chọn hàm lượng bitum Hàm lượng bitum được chọn sao cho thoả mãn tất cả các chỉ tiêu yêu cầu của hỗn hợp 3.1.3.6 Kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật sau khi đã thiết kế thành phần hỗn hợp Sau khi thiết kế hàm lượng bitum sơ bộ cho 8 loại G-FRAC, nghiên cứu sinh tiến hành chế bị tám tổ mẫu tương ứng với 8 loại G-FRAC, mỗi tổ ba mẫu để kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật theo 22 TCN 356-06 cho G- FRAC PMBIII và theo TCVN 8819-2011 cho G-FRAC 40-50. 3.1.4 Nghiên cứu thực nghiệm 3.1.4.1 Kế hoạch thực nghiệm Kế hoạch thực nghiệm xác định khoảng hàm lượng bitum hợp lý như Bảng 3-3.
G-FRAC PMBIII
40-50
G-FRAC 40-50
Bảng 3-3 Kế hoạch đúc mẫu thực nghiệm xác định hàm lượng bitum thiết kế Loại bê tông Chỉ tiêu thí nghiệm Ghi chú Số lượng mẫu Loại bitum PMBIII 3
3
G-FRAC PMBIII và G-FRAC 40-50
3
60
G-FRAC PMBIII
PMBIII
xác định tỷ trọng của bitum xác định tỷ trọng của bitum xác định tỷ trọng của cốt liệu xác định tỷ trọng lớn nhất của G-FRAC ở trạng thái rời xác định tỷ trọng khối (khối lượng thể tích) của mẫu G-FRAC đã đầm Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall
60
60
40-50
60
G-FRAC 40-50
xác định tỷ trọng lớn nhất của G-FRAC ở trạng thái rời xác định tỷ trọng khối (khối lượng thể tích) của mẫu G-FRAC đã đầm Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall
60
3 mẫu (1 tổ mẫu) x 4 công thức bê tông x 5 hàm lượng bitum (4% ; 4,5% ; 5% ; 5,5% ; 6%) 3 mẫu x 4 công thức bê tông x 5 hàm lượng bitum(4% ; 4,5% ; 5% ; 5,5% ; 6%) 3 mẫu x 4 công thức bê tông x 5 hàm lượng bitum(4% ; 4,5% ; 5% ; 5,5% ; 6%) 3 mẫu (1 tổ mẫu) x 4 công thức bê tông x 5 hàm lượng bitum (4% ; 4,5% ; 5% ; 5,5% ; 6%) 3 mẫu x 4 công thức bê tông x 5 hàm lượng bitum(4% ; 4,5% ; 5% ; 5,5% ; 6%) 3 mẫu x 4 công thức bê tông x 5 hàm lượng bitum(4% ; 4,5% ; 5% ; 5,5% ; 6%)
Tổng số mẫu
60
369
Kế hoạch thực nghiệm để kiểm tra yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC được thể hiện ở Bảng 3-4
Bảng 3-4 Kế hoạch đúc mẫu thực nghiệm kiểm tra yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC
Loại bê tông Chỉ tiêu thí nghiệm Ghi chú Loại bitum Số lượng mẫu
12
Loại bê tông Chỉ tiêu thí nghiệm Ghi chú Loại bitum Số lượng mẫu
3 mẫu x 4 công thức bê tông x 1 hàm lượng bitum thiết kế
12
3 mẫu x 4 công thức bê tông x 1 hàm lượng bitum thiết kế
PMBIII
G-FRAC PMBIII
12
12
12
3 mẫu x 4 công thức bê tông x 1 hàm lượng bitum thiết kế 3 mẫu x 4 công thức bê tông x 1 hàm lượng bitum thiết kế 3 mẫu x 4 công thức bê tông x 1 hàm lượng bitum thiết kế
12
3 mẫu x 4 công thức bê tông x 1 hàm lượng bitum thiết kế
G-FRAC 40-50
40-50
12
xác định tỷ trọng lớn nhất của G-FRAC ở trạng thái rời xác định tỷ trọng khối (khối lượng thể tích) của mẫu G- FRAC đã đầm Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall Xác định độ ổn định còn lại xác định tỷ trọng lớn nhất của G-FRAC ở trạng thái rời xác định tỷ trọng khối (khối lượng thể tích) của mẫu G- FRAC đã đầm Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall
Xác định độ ổn định còn lại
12
3 mẫu x 4 công thức bê tông x 1 hàm lượng bitum thiết kế 3 mẫu x 4 công thức bê tông x 1 hàm lượng bitum thiết kế
Tổng số mẫu
12
96
3.1.4.2 Kết quả thí nghiệm
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm lựa chọn hàm lƣợng bitum cho G-FRAC
Sau đây là tổng hợp kết quả thí nghiệm. Kết quả lựa chọn hàm lượng bitum cho từng loại G-FRAC được tổng kết trong Bảng 3-5
Bảng 3-5 Kết quả lựa chọn hàm lượng bitum
G-FRAC PMBIII
G-FRAC 40-50
Hàm lượng sợi, % Loại bê tông Ký hiệu G-FRAC
0,0 0,1 0,3 0,5 0,0 0,1 0,3 0,5 B0PMB B1PMB B3PMB B5PMB B0TT B1TT B3TT B5TT Hàm lượng bitum lựa chọn Blc, % 4,8 4,9 5,0 5,2 4,8 4,9 5,0 5,2
Kết quả kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật sau khi đã thiết kế thành phần hỗn hợp
Sau đây là tổng hợp kết quả thí nghiệm kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC. Kết quả thí nghiệm kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật với nhóm G-FRAC PMBIII được thể hiện trên Bảng 3-6 Bảng 3-6 Bảng kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC PMBIII
Độ rỗng dư, %
Loại bê tông
Đánh giá
Kết quả TN
22 TCN 356-06
Kết quả TN
Hàm lượng sợi, %
Hàm lượng bitum, %
Kết quả TN
Độ ổn định Marshall, kN 22 TCN 356- 06 ≥12
Độ dẻo Marshall, mm Kết 22 quả TCN TN 356- 06 3-6
3-6
Độ rỗng hỗn hợpVLK, % 22 TCN 356- 06 ≥14
B0PMB B1PMB B3PMB B5PMB
4,8 4,9 5,0 5,2
0,0 0,1 0,3 0,5
15,13 15,06 14,93 15,29
Đạt Đạt Đạt Đạt
3,83 3,86 4,33 4,37
14,41 15,32 16,37 18,17
3,44 3,50 3,67 4,04
13
Kết quả thí nghiệm với nhóm G-FRAC 40-50 được thể hiện trên Bảng 3-7
Độ rỗng dư, %
Độ ổn định Marshall, kN
Độ rỗng hỗn hợpVLK, %
Loại bê tông
Đánh giá
Hàm lượng sợi, %
Kết quả TN
Kết quả TN
Hàm lượng bitum, %
TCVN 8819:20 11 2-4
TCVN 8819:20 11 3-6
TCVN 8819:20 11 ≥8
TCVN 8819: 2011 ≥14
0,0 0,1 0,3 0,5
B0TT B1TT B3TT B5TT
4,8 4,9 5,0 5,2
11,52 11,68 12,57 10,34
Kết quả TN 3,18 3,15 3,67 3,26
Kết quả TN 3,45 3,54 3,56 3,91
14,56 14,81 14,89 15,76
Đạt Đạt Đạt Đạt
Bảng 3-7 Kết quả kiểm tra yêu cầu kỹ thuật của G-FRAC 40-50 Độ dẻo Marshall, mm
3.1.5 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 3.1.5.1 Hàm lượng bitum lựa chọn (Blc)
Kết quả thí nghiệm cho thấy tăng dần theo hàm lượng sợi đưa vào HMA (xem Hình 3-2). Đó là do hiện tượng hấp thụ bitum vào sợi [47]. Hơn nữa, sự có mặt của sợi thủy tinh làm tăng tỷ diện bề mặt của hỗn hợp, dẫn đến cần thêm lượng bitum nhất định để bao phủ bề mặt sợi [67].
Hình 3-2. Quan hệ giữa hàm lượng bitum lựa chọn và hàm lượng sợi của G-FRAC
3.1.5.2 Độ rỗng dư (VA) Kết quả thí nghiệm cho thấy độ rỗng dư VA của cả hai nhóm G-FRAC sử dụng PMBIII và bitum 40-50 đều tăng khi cho sợi vào hỗn hợp và xu hướng tăng tiếp tục diễn ra khi hàm lượng sợi tăng (hình 3-3 và hình 3- 4). Sợi đóng vai trò như một loại cốt liệu mịn trong hỗn hợp và đã hạn chế các hạt cốt liệu lớn hơn tiếp xúc nhau, tác dụng này được gọi là hiệu ứng “làm lỏng” (loosening effect). Mặt khác do Blc của các G-FRAC khác nhau cũng là nguyên nhân gây ra VA khác nhau. Độ rỗng dư nếu lớn quá sẽ gây nứt do không đủ chất kết dính asphalt bọc cốt liệu, ngược lại, giá trị này nhỏ quá có thể làm tăng độ dẻo và chảy bitum.
Hình 3-3 Quan hệ giữa độ rỗng dư và hàm lượng sợi của G-FRAC
Hình 3-4 Quan hệ giữa độ ổn định Marshall và hàm lượn sợi của G-FRAC
3.1.5.3 Độ ổn định Marshall (MS) và độ dẻo Marshall (FV) Kết quả thí nghiệm cho thấy độ ổn định Marshall (MS) của cả hai nhóm G-FRAC đều tăng khi gia cường hàm lượng sợi (Error! Reference source not found.). Độ dẻo Marshall (FV) của hỗn hợp cũng tăng sau khi có sợi. Sự tăng lên của MS và FV sẽ cải thiện tính dẻo dai và khả năng chịu tải trọng của G-FRAC. Sợi hình thành cơ chế “bắc cầu” qua vết nứt xuất hiện trong bê tông, do đó nó làm tăng độ bền hỗn hợp, giảm sự hình thành và phát triển của vết nứt. Cơ chế này được gọi là “khâu vết nứt” (bridging cracking effects) [53]. Ngoài ra, sợi còn tạo nên hiệu ứng mạng lưới làm ổn định
14
Nghiên cứu khả năng chống lún vệt bánh xe của G-FRAC
và tăng độ bền HMAC nhờ các phân tích SEM (Scannning Electron Microscopy) [34]. Hơn nữa, nhờ tính hấp thụ asphalt [67], sợi có thể cải thiện tính nhớt và tính dính của asphalt [47]. 3.2 3.2.1 Thí nghiệm lún vệt bánh xe (Wheel Tracking Test) 3.2.1.1 Phương pháp thí nghiệm Trong nghiên cứu này, phương pháp B được sử dụng để xác định chiều sâu lún vệt bánh xe. 3.2.1.2 Mục đích thí nghiệm:
- Xác định chiều sâu lún vệt bánh xe theo số lượt tác dụng của bánh xe - Xác định xu hướng chiều sâu lún vệt bánh xe tăng theo thời gian dưới tác dụng của chu kỳ bánh xe
(mm/h)
3.2.1.3 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm Tiêu chuẩn thí nghiệm Lún vệt bánh xe BS EN 12697-22-2004[31]. Luận án sử dụng thiết bị thí nghiệm Wheel-Tracking - Cooper trong buồng khí hậu. Các thông số đầu vào của thí nghiệm như sau:
- Số lượt tác dụng tải trọng lớn nhất: 60.000 lượt (30.000 chu kỳ); - Tốc độ lăn của bánh xe: 26,5±1,0 vòng/60s. - Tải trọng bánh xe: 700±10N - Nhiệt độ thí nghiệm: 60oC
3.2.1.4 Quá trình thí nghiệm : Đúc mẫu theo tám công thức bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh kích thước 300mm×300mm×50mm bằng máy đầm lăn. Trình tự đúc mẫu như sau: Tiến hành thí nghiệm Thí nghiệm xác định vệt hằn lún bánh xe bằng thiết bị Wheel tracking, loại nhỏ model A trong buồng khí hậu như Hình 3-5 với số lượt tác dụng là 60.000 lượt
Hình 3-5: Thiết bị thí nghiệm vệt lún bánh xe mẫu vuông 300mm×300mm×50mm Độ sâu vệt lún là chênh lệch chuyển vị theo chiều đứng từ giá trị ban đầu r0 đến số đọc r30000. 3.2.1.5 Nghiên cứu thực nghiệm
Loại bê tông asphalt thí nghiệm
Tám loại G-FRAC chia thành 2 nhóm, chi tiết xem Bảng 3-1 Nhóm G-FRAC PMBIII : B0PMB, B1PMB, B3PMB, B5PMB, Nhóm G-FRAC 40-50 : B0TT, B1TT, B3TT, B5TT
Kế hoạch thí nghiệm
Nghiên cứu sinh đã tiến hành thí nghiệm Lún vệt bánh xe trên 24 mẫu G-FRAC theo tiêu chuẩn BS EN 12697-22-2004. Mỗi loại G-FRAC, làm thí nghiệm 3 mẫu và lấy kết quả trung bình của 3 mẫu. Kế hoạch thực nghiệm thể hiện trên Bảng 3-8
G-FRAC PMBIII
2 lượt = 1 chu kỳ
xác định chiều sâu vệt lún tới 60.000 lượt (30.000 chu kỳ)
G-FRAC 40-
B0PMB B1PMB B3PMB B5PMB B0TT
Bảng 3-8 Kế hoạch thực nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe Loại bê tông Ký hiệu Bê tông Chỉ tiêu thí nghiệm Ghi chú
Số lượng mẫu 3 3 3 3 3
15
50
B1TT B3TT B5TT Kết quả thí nghiệm
3 3 3
B0PMB
STT Hàm lượng sợi Hệ số biến sai (%) Loại Bê tông Loại bitum Bảng 3-9 Kết quả thí nghiệm lún vệt bánh xe sâu Chiều lún ở 60.000 lượt (mm) sâu Chiều lún ở 40.000 lượt (mm) sâu Chiều lún ở 15.000 lượt (mm)
PMBIII
Hướng dẫn thiết kế VicRoads 2012 ≤ 6mm 0% 0,1%
B1PMB B3PMB 0,3% B5PMB
B0TT
40-50
≤ 9mm
B1TT B3TT B5TT
2,29 1,96 1,71 1,8 6,53 5,36 4,17 4,96 1,83 1,42 1,32 1,36 4,35 3,92 3,39 3,67 0,5% 0% 0,1% 0,3% 0,5% 2,54 2,27 1,9 2,03 7,94 6,48 4,81 5,93 7% 3% 7% 4% 5% 4% 7% 4%
1 2 3 4 5 6 7 8 3.2.2 Phân tích đánh giá khả năng chống lún vệt bánh xe 3.2.2.1 Chiều sâu lún vệt bánh xe Kết quả là giá trị trung bình của 3 mẫu thử trong 1 tổ mẫu tương ứng.
Hình 3-6 Quan hệ giữa chiều sâu lún vệt bánh xe và hàm lượng sợi của G-FRAC PMBIII Hình 3-7 Quan hệ giữa chiều sâu lún vệt bánh xe và hàm lượng sợi của G-FRAC 40-50
Theo Hướng dẫn thiết kế của VicRoad, chiều sâu lún vệt bánh xe lớn nhất cho phép của bê tông asphalt sử dụng bitum có độ kim lún 40-50 và bitum cải tiến lần lượt là 9mm và 6mm [43]. Như vậy, tất cả các mẫu thử nghiệm đều có chiều sâu lún nhỏ hơn giá trị quy định trong tiêu chuẩn này. Ở tỷ lệ gia cường sợi thủy tinh 0,3% theo khối lượng hỗn hợp HMA, chiều sâu lún vệt bánh xe là nhỏ nhất: 4,81mm; 1,9mm bằng 53%; 32% so với chuẩn chiều sâu lún được khống chế trong hướng dẫn thiết kế bê tông asphalt của Úc. Theo các nghiên cứu trên thế giới, khả năng cải thiện chiều sâu lún vệt bánh xe của bê tông asphalt gia cường sợi phân tán nằm trong khoảng từ 7,4-37,2%. Bê tông SMA gia cường sợi thủy tinh hàm lượng 0,3% đã cải thiện được 20% so với mẫu đối chứng không sợi [55]. Bê tông asphalt chặt rải nóng gia cường sợi cellulose, sợi polyester, sợi mineral đã cải thiện lần lượt là 12%, 14%, 24% so với mẫu đối chứng không sợi [74]. Theo nghiên cứu của Bruce năm 2003, chiều sâu lún vệt bánh xe của bê tông asphalt rải nóng gia cường sợi cacbon phân tán được cải thiện từ 7,4-37,2% [29]. Kết quả nghiên cứu của nghiên cứu sinh, bê tông asphalt gia cường 0,3% sợi thủy tinh cho chiều sâu lún bánh xe nhỏ nhất, khả năng cải thiện lớn nhất là 39,4%. 3.2.2.2 Xu hướng lún vệt bánh xe Xu hướng phát triển chiều sâu lún vệt bánh xe theo số chu kỳ tác dụng tải trọng của G-FRAC PMBIII và G- FRAC 40-50 được thể hiện trên Hình 3-8.
16
Hình 3-8 Xu hướng lún của G-FRAC PMBIII và G-FRAC 40-50
Ta thấy rõ xu hướng lún vệt bánh xe được chia thành 2 giai đoạn.
- Giai đoạn 1
Các đường cong cho thấy chiều sâu vệt lún tăng rất nhanh trong phần đầu tiên của giai đoạn 1 (5000 chu kỳ tác dụng đầu tiên). Theo [31], mẫu thí nghiệm được chế tạo với độ rỗng dư là 7% ± 2%, trong nghiên cứu này, các mẫu thí nghiệm được đúc với độ rỗng dư là 5%, tương ứng với độ rỗng dư thực tế của mặt đường ngay sau khi lu lèn. Độ lún tăng nhanh trong giai đoạn 1(0-5.000 chu kỳ) có thể giải thích một phần do hỗn hợp chặt lại dưới tác dụng của áp lực thẳng đứng của bánh xe so với độ rỗng dư ban đầu. Hơn nữa, bê tông asphalt có tính dẻo nhớt, biến dạng thay đổi nhanh trong khoảng thời gian đầu của sự thay đổi tải trọng.
- Giai đoạn 2
(3.1)
Từ sau 5.000 chu kỳ trở đi, tốc độ tăng RD giảm đi rõ rệt. Độ dốc của đường lún thể hiện mức độ tăng chiều sâu lún và độ ổn định của hỗn hợp vật liệu: độ dốc càng lớn thì độ ổn định của vật liệu dưới tác dụng tải trọng càng thấp. Đây được coi như giai đoạn 2 của quá trình lún vệt bánh xe. 3.2.2.3 Ảnh hưởng của sợi thủy tinh đến chiều sâu lún vệt bánh xe Có thể nhận xét rằng, khi chiều sâu lún càng nhỏ tức là khả năng chống lún vệt bánh xe của G-FRAC càng lớn. Để có thể lượng hóa khả năng chống biến dạng v nh cửu – chống lún vệt bánh xe ta gọi hệ số kKLi – hệ số kháng lún vệt bánh xe, được tính bằng phần trăm giảm chiều sâu lún của các mẫu G-FRAC gia cường sợi với mẫu đối chứng. Hệ số kKLi được xác định cho từng G-FRAC khác nhau (0,1%; 0,3%; 0,5%) như sau : kKli =
Trong đó : RDBo : chiều sâu lún vệt bánh của mẫu đối chứng, mm; RDBi : chiều sâu lún vệt bánh của mẫu bê tông có gia cường sợi, mm; i : hàm lượng sợi, %.
Hình 3-9 Quan hệ giữa hệ số kháng lún kKLi với hàm lượng sợi Hình 3-9 cho thấy ứng với hàm lượng sợi thủy tinh gia cường là 0,3%, hệ số cải thiện lún vệt bánh xe là cao nhất. Các kết quả cho thấy RD giảm khi hàm lượng sợi tăng từ 0 đến 0,3% - khả năng chống vệt hằn lún bánh xe tăng. Nhưng khi tiếp tục bổ sung sợi đến 0,5% thì khả năng chống vệt hằn lún bánh xe lại giảm -giá trị RD tăng.
17
Để phân tích về xu hướng này có thể đưa ra một số lập luận về ưu và nhược điểm của sợi: RD giảm (khả năng chống lún tăng) khi sợi tăng từ 0 đến 0,3%, ưu điểm của sợi thủy tinh là:
+ Sợi nằm trong pha asphalt sẽ hút các chất bão hòa – có khối lượng phân tử nhỏ - trong asphalt do đặc tính hấp thụ bề mặt của sợi; qua đó cải thiện tính dính bám bề mặt của asphalt, tăng cường tính ổn định dưới tác dụng của nhiệt, vì vậy làm tăng độ bền liên kết giữa asphalt và các hạt cốt liệu [36]. + Hệ thống sợi tạo nên mạng lưới cấu trúc ba chiều trong bê tông asphalt, nâng cao độ ổn định của pha asphalt và đặc biệt hình thành nên bộ khung tăng cường cho các hạt cốt liệu chống lại lực cắt, hạn chế dịch chuyển các hạt cốt liệu.
RD tăng (khả năng chống lún giảm) khi sợi tăng từ 0,3 đến 0,5%, nhược điểm của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt là:
+ Liên quan đến độ rỗng dư. khi hàm lượng sợi tăng thì Va cũng tăng; độ rỗng dư lớn là nguyên nhân đầu tiên ảnh hưởng rõ rệt tới sự tăng RD đặc biệt trong giai đoạn 1. Zhao và các cộng sự [79] cũng đã thiết lập phương trình giữa RD và độ rỗng tổng thể (VTM) của bê tông asphalt trong đó RD và VTM là quan hệ bậc 1 tuyến tính.
Do hàm lượng bitum thiết kế là nguyên nhân thứ hai.
+ Bảng 3-5 cho thấy, OAC tăng khi lượng sợi gia cường tăng. Trên thực tế, hàm lượng bitum sẽ làm tăng tính biến dạng dẻo của HMA ở nhiệt độ cao. ượng bitum thừa trong hỗn hợp có thể làm giảm nội ma sát giữa các hạt cốt liệu và dẫn tới tăng biến dạng v nh cửu – RD của AC dưới tác dụng của bánh xe và nhiệt độ.
3.2.2.4 Ảnh hưởng của bitum đến chiều sâu lún vệt bánh xe Nhìn trên Hình 3-8, đối với nhóm G-FRAC 40-50, tốc độ tăng RD có giảm đi so với giai đoạn 1 nhưng so với nhóm G-FRAC PMB III, độ dốc lớn hơn hẳn, xu hướng này càng rõ rệt ở những chu kỳ tác dụng tải lớn sau 15.000 chu kỳ. Điều này chứng tỏ G-FRAC PMB III có độ ổn định tốt hơn và có khả năng chống biến dạng v nh cửu tốt hơn G-FRAC 40-50 đặc biệt khi số lượt tải trọng tác dụng lớn. Phân tích điều này như sau: PMB III là một loại bitum cải tiến, trong thành phần có bổ sung chất polyme để tăng tính đàn hồi và ổn định nhiệt của bitum. Nhiệt độ hóa mềm của PMB III là 87oC cao hơn hẳn của bitum 40-50 chỉ là 52,5oC Do đó HMA sử dụng PMB III sẽ ổn định với nhiệt độ hơn và chiều sâu vệt lún ít hơn so với HMA sử dụng bitum 40-50 trong mọi trường hợp có sợi hay không có sợi.
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG MỎI CỦA BÊ TÔNG ASPHALT CHẶT RẢI
NÓNG GIA CƢỜNG SỢI THỦY TINH (G-FRAC )
Thí nghiệm mỏi
4.1 4.1.1 Mô hình thí nghiệm
- Thí nghiệm khống chế ứng suất;
Hình 4-1. Những sơ đồ tác dụng tải sử dụng trong thí nghiệm mỏi [38]
Trong nghiên cứu này, thí nghiệm được thực hiện theo dạng tác dụng lực hay cố định ứng suất.
Nguyên tắc thí nghiệm
Nguyên tắc thí nghiệm mỏi là tác dụng tải trọng hình sin liên tục lên mẫu dầm. Cần lưu rằng, biên độ của tải trọng trùng phục trong thí nghiệm mỏi phải nhỏ hơn cường độ phá hủy của vật liệu. Nếu không, thí nghiệm sẽ không còn là mỏi thực sự mà thiên về thí nghiệm phá hủy.
18
4.1.2 Mục đích thí nghiệm
- Xác định tuổi thọ mỏi của từng loại vật liệu; - Xác định mô đun phức động; - Xác định độ lệch pha giữa ứng suất và biến dạng.
4.1.3 Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm
Tiêu chuẩn thí nghiệm:
Luận án sử dụng Tiêu chuẩn thí nghiệm mỏi của Anh năm 2004: BS EN 12697-24-2004 [30].
Thiết bị thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, thí nghiệm đánh giá khả năng cải thiện đặc tính mỏi của G-FRAC được thực hiện trên thiết bị uốn mỏi bốn điểm Cooper CRT-SA4PT-BB (Stand Alone Four Point Bending Beam Machine).
Thông số đầu vào của thí nghiệm
Mức suy giảm mô đun để xác định tuổi thọ mỏi (j %) Nhiệt độ (oC) Tần số (Hz)
Bảng 4-1 Các thông số đầu vào của thí nghiệm mỏi Mô đun ban đầu
Xác định sau 100 chu kỳ 50 10 10 1,2MPa; 1,4MPa; 1,6MPa
Ứng suất khống chế 4.1.4 Quá trình thí nghiệm
Chế bị mẫu hình tấm kích thước 400mm × 300mm × 50mm; Nén mẫu tấm bằng thiết bị đầm lăn);
Cắt mẫu dầm kích thước 400mm × 50mm × 50mm từ mẫu tấm; Thí nghiệm mỏi (xem Hình 4-2 và Hình 4-4) được thực hiện theo quá trình sau:
- - - -
Hình 4-2 Mô hình thí nghiệm mỏi [30]
5: Độ võng dầm (Deflection)
1: Lực tác dụng (Applied load) 4: Kẹp mẫu (Specimen clamp) 2: Phản lực (Reaction) 3: Mẫu dầm (Beam specimen) 6: Về vị trí ban đầu (Return to original position) Mẫu dầm, hai kẹp mẫu ngoài và hai kẹp mẫu trong được đặt trên bộ truyền lực. Mẫu dầm sẽ được chuyển động dạng hình sin với tần số lựa chọn f = 10Hz. Lực tác dụng thông qua hai kẹp mẫu bên trong (vị trí 1 trong mô hình thí nghiệm mỏi Hình 4-2). Chế độ gia tải là không chế ứng suất sẽ được đảm bảo bởi thiết bị theo dõi khống chế lực. Ứng suất, biến dạng và độ chễ pha giữa ứng suất và biến dạng sẽ được đo sau 100 chu kỳ tác dụng tải và sẽ đo tiếp sau n=100 chu kỳ. Độ cứng ban đầu được xác định ở chu kỳ thứ 100, tuổi thọ mỏi Nf được xác định khi độ cứng giảm đi một nửa so với độ cứng ban đầu.
Hình 4-3 Mẫu dầm 400mmx50mmx50mm Hình 4-4 Thí nghiệm uốn mỏi bốn điểm
19
4.1.5 Nghiên cứu thực nghiệm 4.1.5.1 Kế hoạch thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm 72 mẫu G-FRAC ứng với ba mức ứng suất ở nhiệt độ 10oC, tần số 10Hz theo tiêu chuẩn BS EN 12697-24 [30]. Mỗi loại G-FRAC, làm thí nghiệm 3 mẫu và lấy kết quả trung bình của 3 mẫu. Kế hoạch thực nghiệm như Bảng 4-2
B0PMB
B1PMB
G-FRAC PMBIII
3 mẫu (1 tổ mẫu) x 3 mức ứng suất
B3PMB
Bảng 4-2 Kế hoạch thí nghiệm uốn mỏi Loại bê tông Ký hiệu Bê tông Chỉ tiêu thí nghiệm Ghi chú
B5PMB
B0TT
B1TT
G-FRAC 40-50
3 mẫu (1 tổ mẫu) x 3 mức ứng suất
B3TT
xác định tuổi thọ mỏi
B5TT
xác định tuổi thọ mỏi Số lượng mẫu 9 9 9 9 9 9 9 9
Kết quả thí nghiệm
Bảng 4-3 thống kê kết quả tuổi thọ mỏi của tám loại G-FRAC tại ba mức ứng suất :
Bảng 4-3 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC
B0PMB
B1PMB
G-FRAC-PMBIII
B3PMB
B5PMB
B0TT
B1TT
G-FRAC 40-50
B3TT
Loại Bê tông Loại bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh Hàm lượng sợi (%) Tuổi thọ mỏi (Nf) tại mức ứng suất 1,2 Mpa
0% 0,1% 0,3% 0,5% 0% 0,1% 0,3% 0,5% 158.000 235.000 1.362.500 4.304.000 32.500 96.000 245.500 291.000 Tuổi thọ mỏi (Nf) tại mức ứng suất 1,4 Mpa 117.000 151.000 239.000 3.587.000 24.000 46.500 54.000 73.000 Tuổi thọ mỏi (Nf) tại mức ứng suất 1,6 Mpa 35.500 50.500 192.500 1.535.500 17.000 35.000 45.500 47.500
Phân tích đánh giá khả năng chống mỏi của G-FRAC
B5TT 4.2 4.2.1 Tuổi thọ mỏi Hiện nay để đánh giá sức kháng mỏi của vật liệu có rất nhiều phương pháp. Trong nghiên cứu này, hai phương pháp được lựa chọn sử dụng để xác định tuổi thọ mỏi là phương pháp cổ điển và phương pháp năng lượng. Kết quả trên hình 4-5 và hình 4-6 là tuổi thọ mỏi được xác định theo phương pháp cổ điển.
Hình 4-6 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC 40-50 theo phương pháp cổ điển Hình 4-5 Tuổi thọ mỏi của G-FRAC PMBIII theo phương pháp cổ điển
20
Theo kết quả thí nghiệm, khi hàm lượng sợi thủy tinh gia cường ít nhất trong ba hàm lượng sợi gia cường (0,1%) thì tác dụng của sợi đến tuổi thọ mỏi không đáng kể (1,2 – 2,1lần). Tuy nhiên, khi tỷ lệ này tăng lên 0,3% và 0,5%, khả năng chịu mỏi của G-FRAC cải thiện lên rõ rệt so với mẫu đối chứng (2,0 - 43 lần). Xu hướng này đúng với cả hai nhóm bê tông asphalt polyme G-FRAC PMBIII và bê tông asphalt thường G- FRAC 40-50. Điều này được giải thích bởi vai trò của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt: + Sợi có khả năng làm tăng độ bền liên kết giữa chất kết dính asphalt và các hạt cốt liệu. Hệ thống sợi tạo nên mạng lưới cấu trúc ba chiều trong bê tông asphalt giúp giữ ổn định cho các hạt cốt liệu dưới tác dụng của loại lực. + Ngoài ra, mạng lưới sợi có vai trò như bộ khung cùng tham gia chịu lực với HMA theo cơ chế: phân bố đều ứng suất tập trung xuất hiện tại đỉnh vết nứt trong pha asphalt và truyền ứng suất sang các sợi. Vì vậy, ứng suất tập trung tại các vết nứt giảm đi đáng kể dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài. Những đặc tính trên của sợi có thể hạn chế sự xuất hiện các vết nứt ban đầu và cũng như làm chậm sự lan truyền vết nứt do bê tông bị mất năng lượng, suy giảm mô đun dưới tác dụng của tải trọng trùng phục. 4.2.2
Mô đun phức động và sự suy giảm độ cứng
Có thể nhận thấy rõ rằng độ lớn của mô đun phực động giảm dần theo số chu kì tải tác dụng. Ba giai đoạn của thí nghiệm mỏi được phân biệt rõ ràng trong thí nghiệm này.
Hình 4-7. Sự giảm độ cứng trong thí nghiệm mỏi B1TT-II Trong thí nghiệm mỏi, mô đun phức động của vật liệu |E*| giảm dần theo số lần tác dụng tải lên mẫu N. Giá trị mô đun phức động được xác định như sau:
(4.1)
Trong đó: |E*|: mô đun phức động của vật liệu σ0: biên độ ứng suất ban đầu ɛ0: biên độ biến dạng ban đầu Dù tác dụng tải theo lực hay chuyển vị, sự giảm độ cứng của vật liệu có thể chia làm ba giai đoạn (Hình 4-7):
- Giai đoạn 1 (giai đoạn ban đầu): Độ cứng của vật liệu giảm nhanh. Theo Benedetto và các cộng sự, trong giai đoạn này, mô đun của vật liệu giảm không chỉ do tác dụng mỏi của tải trọng trùng phục mà nguyên nhân chính là các hiện tượng phụ: hiện tượng xúc biến, phi tuyến và tự nóng lên của vật liệu... [40]. Các vết nứt vi mô bắt đầu xuất hiện trong giai đoạn này.
- Giai đoạn 2 (giai đoạn mỏi): Tốc độ giảm mô đun theo số chu kì tải tác dụng tương đối đồng đều.
Trong giai đoạn này, các vết nứt vi mô phát triển trong toàn bộ vùng tác dụng tải của mẫu.
- Giai đoạn 3 (giai đoạn phá hủy): Các vết nứt vi mô phát triển và tập hợp lại tạo thành vết nứt lớn hơn. Sự tập trung ứng suất tại các vùng bị phá hoại và sự xuất hiện các vết nứt lớn gây nên sự giảm nhanh độ cứng và phá hủy mẫu.
21
Giá trị mô đun phức động thay đổi từ 4320 đến 9700 MPa.
B0PMB
B1PMB
B3PMB
B5PMB
B0TT
B1TT
B3TT
Bảng 4-4. Mô đun phức động của các loại G-FRAC thí nghiệm (10°C, 10Hz) Vật liệu
B5TT
Mô đun phức động (MPa) 6145 5767 4320 9685 6489 5488 5304 8795 Hệ số biến sai (%) 3% 9% 7% 9% 4% 14% 7% 13%
Tuổi thọ mỏi theo phương pháp truyền thống được xác định là số lần tải trọng tác dụng ứng với 50% độ giảm của độ cứng ban đầu E0 của mẫu, kí hiệu là Nf50. 4.2.3 Độ lệch pha ứng suất biến dạng Độ lệch pha ứng suất biến dạng cùng với độ lớn mô đun phức động là hai đại lượng đặc trưng cho tính đàn nhớt tuyến tính của vật liệu bê tông asphalt. Sự thay đổi giá trị trong thí nghiệm mỏi được thể hiện trên Hình 4-8. Giá trị có thể thấy có xu hướng tăng trong thí nghiệm mỏi.
Hình 4-8. Sự thay đổi của trong quá trình thí nghiệm mỏi B1TT-II Bảng 4-5. Độ lệch pha ứng suất biến dạng của các loại G-FRAC thí nghiệm (10°C, 10Hz)
B0PMB
B1PMB
G-FRAC-PMBIII
B3PMB
B5PMB
B0TT
B1TT
G-FRAC 40-50
B3TT
Vật liệu Loại G-FRAC Độ lệch chuẩn (độ)
B5TT
Độ lệch pha ứng suất biến dạng (độ) 17,3 17,2 15,2 18,8 15,5 14,9 12,4 9,5 ±0,9 ±1,9 ±1,1 ±1,2 ±1,1 ±0,7 ±0,8 ±0,3
Hiện nay, các giá trị mô đun đàn hồi phức động và độ lệch pha của bê tông asphalt còn khá ít (do thí nghiệm) ở Việt Nam. Các giá trị tìm được thông qua thí nghiệm uốn mỏi có giá trị tham khảo lớn. Đặc biệt có thể dùng trong một vài tính toán kết cấu mặt đường mềm có tính đến độ đàn nhớt của vật liệu HMA. 4.2.4 Đặc tính mỏi của vật liệu Đường đặc tính mỏi có dạng đường thẳng trong hệ tọa độ logarit có dạng
N = A (-B). (4.2)
A và B là các thông số của vật liệu. Hình 4-9 và hình 4-10 là tổng hợp các đường đặc tính mỏi của các vật liệu HMA thí nghiệm trong nghiên cứu. Các đường đặc tính được xác định đều có giá trị R2 khá cao (từ 0,85 trở lên).
22
Hình 4-9. Các đường đặc tính mỏi của bê tông asphalt sử dụng bitum 40-50
Hình 4-10. Các đường đặc tính mỏi của bê tông asphalt sử dụng bitum polyme PMB III
Như đã trình bày trong các phần trước, đường đặc tính mỏi có dạng N = A (-B) là đường thẳng trong hệ tọa độ logarit với A và B là các thông số của vật liệu.
B0TT B1TT B3TT B5TT B0PMB B1PMB B3PMB B5PMB
Loại vật liệu
R2 0,9939 0,9583 0,8556 0,9372 0,8668 0,9227 0,8616 0,8494 B 2,245 3,538 5,961 6,369 4,121 5,282 6,917 3,521 STT 1 2 3 4 5 6 7 8
Bảng 4-6 Các hệ số đường đặc tính mỏi của các G-FRAC thí nghiệm (10oC, 10Hz) A 49611 172858 602596 818412 372427 692570 4E+06 9E+06 Giá trị độ dốc của đường đặc tính mỏi B thể hiện độ nhạy cảm mỏi của vật liệu. Giá trị này càng lớn thì khi thay đổi ứng suất, tuổi thọ mỏi của vật liệu thay đổi càng nhiều.
Hình 4-12. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến tuổi thọ mỏi của G-FRAC- 40-50 Hình 4-11. Sự thay đổi độ nhạy cảm mỏi theo hàm lượng sợi
- Tại một mức ứng suất σ1 (tương ứng với tải trọng tác dụng P1) xác định được giá trị tuổi thọ mỏi Nf1 - Tại một mức ứng suất σ2 (tương ứng với tải trọng tác dụng P2) xác định được giá trị tuổi thọ mỏi
Nhìn trên Hình 4-11 và Hình 4-12, dựa trên đường đặc tính mỏi của một loại bê tông asphalt nhất định nào đó ta có thể:
Nf2
4.2.5 Ảnh hƣởng của sợi thủy tinh đến tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt thí nghiệm Có thể nhận thấy rằng, khi tăng hàm lượng sợi thì đều làm tăng tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt tại tất cả 3 mức ứng suất thí nghiệm và cho cả hai loại sử dụng bitum thường và sử dụng bitum polyme. Tuy nhiên, mức độ tăng cho hai loại bitum là khác nhau. Với G-FRAC 40-50, khi hàm lượng sợi tăng từ 0 đến 0,3% tuổi thọ mỏi tăng nhanh, khi tiếp tục tăng sợi đến 0,5%, mức độ tăng tuổi thọ mỏi chậm dần. Như vậy, với nhóm G-FRAC 40-50, trong khoảng hàm lượng sợi khảo sát, 0,3% là hàm lượng sợi thủy tinh gia cường
23
0,3% là hiệu quả nhất. Còn đối với G-FRAC-PMBIII thì ngược lại, tuổi thọ mỏi càng tăng nhanh khi hàm lượng sợi tăng cao.
Hình 4-13. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi đến tuổi thọ mỏi của G-FRAC- PMBIII Hình 4-14. Ảnh hưởng của loại bitum đến tuổi thọ mỏi của bê tông asphalt
4.2.6 Ảnh hƣởng của loại bitum đến tuổi thọ mỏi Tỉ số giữa tuổi thọ mỏi của G-FRAC-PMBIII với G-FRAC 40-50 tại cùng một mức ứng suất và một mức hàm lượng sợi sử dụng trong hỗn hợp, tỉ số này luôn lớn hơn 1 chứng tỏ G-FRAC-PMBIII có ưu thế vượt trội hơn về mỏi so với G-FRAC 40-50.
