Nghiên cứu đề xuất cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt

PGS. TS. Ðào Văn Ðông Trường Ðại học Công nghệ Giao thông vận tải ThS. Nguyễn Ngọc Lân Trường Ðại học Giao thông vận tải Người phản biện: PGS. TS. Nguyễn Quang Phúc PGS. TS. Nguyễn Thanh Sang

TÓM TẮT: Kết cấu mặt đường bê tông asphalt được thiết kế thành nhiều lớp bởi các vật liệu có độ cứng khác nhau và quá trình thi công kết cấu được thực hiện theo nguyên tắc phân lớp, giữa các lớp được xử lý bằng vật liệu tưới dính bám với loại và tỷ lệ hợp lý tùy thuộc vào đặc điểm bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp bê tông asphalt. Hiện nay ở Việt Nam, việc đánh giá chất lượng dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt sau khi thi công xong vẫn dựa vào đánh giá định tính thông qua mẫu khoan hiện trường. Do vậy, nghiên cứu đề xuất phương pháp đánh giá định lượng và giá trị cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt là cần thiết. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu đề xuất cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt ở 20^oC theo mô hình thí nghiệm cắt phẳng Leutner cải tiến.

TỪ KHÓA: Cường độ dính bám yêu cầu, cắt phẳng Leutner cải tiến, mô-đun độ cứng chống cắt, ứng suất cắt.

ABSTRACT: Structure of asphalt pavement are designed into multi layers by various stiffness materials and construction process is done on the principle of layering, between asphalt layers are processed by tack coat to the type and rate suitable depends on the characteristics of the contact surface between two asphalt layers. Currently, in Vietnam to assess the quality of bond between the two asphalt layers after construction process is still based on a qualitative assessmentaccording to core samples. Therefore, the research proposes test methods and quantitative assessment values ​​required bond strength between two layers of asphalt is necessary. This paper presents the results proposed research required bond strength between two asphalt layers 20^oC used the model of theLeutner shear test.

KEYWORDS: Required bond strength, modified Leutner test, shear stiffness modulus, shear stress.

1. MỞ ĐẦU

Hiện nay, kết cấu áo đường mềm được thiết kế thành nhiều lớp bởi các vật liệu có độ cứng khác nhau. Tiêu chuẩn thiết kế và thi công mặt đường bê tông asphalt ở Việt Nam chưa quan tâm nhiều đến mức độ dính bám giữa các lớp bê tông asphalt, một số giả thiết thiết kế kết cấu vẫn giả thiết các lớp dính chặt hoàn toàn và quá trình thi công các lớp chỉ quy định “Về độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt hoặc giữa lớp bê tông asphalt với lớp móng được đánh giá bằng định tính thông quan sát mẫu thử khoan hiện trường” chưa có định lượng cả về phương pháp thí nghiệm và chuẩn giới hạn dính bám giữa các lớp bê tông asphalt [1], [2]. Như vậy, chất lượng dính bám liên quan đến khả năng chống trượt của kết cấu áo đường mềm hoàn toàn được đánh giá bằng định tính. Các nghiên cứu để đưa ra một phương pháp định lượng cũng như giá trị cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt đã được thực hiện ở Mỹ và một số nước châu Âu từ những năm 90 cho đến nay [7], [8], [12], [13].

Bài báo trình bày phương pháp thí nghiệm đánh giá cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt thông qua các mẫu khoan hiện trường ở 6 dự án theo mô hình thí nghiệm cắt phẳng Leutner cải tiến. Số liệu đánh giá cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt ở 20^oC cùng với số liệu phân tích kết cấu, nghiên cứu đã bước đầu đề xuất được giá trị giới hạn cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt.

2. XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ DÍNH BÁM GIỮA HAI LỚP BÊ TÔNG ASPHALT TRONG KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

Để đánh giá mức độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt thực tế đạt được trong kết cấu áo đường mềm, 6 dự án đã được lựa chọn để đánh giá. Trong đó, dự án 1, 2, 3, 4, 5 thuộc tuyến đường Cấp II - đồng bằng đồi, dự án 6 thuộc tuyến đường cấp III - đồng bằng đồi, các dự án lấy mẫu đều thuộc khu vực miền Bắc Việt Nam. Đặc trưng kết cấu của cả 6 dự án như sau: Lớp trên là bê tông asphalt chặt kích thước hạt lớn nhất danh định bằng 12,5 (BTAC 12,5) dày 5cm, lớp dưới là lớp bê tông asphalt chặt có kích thước hạt lớn nhất danh định bằng 19 (BTAC 19) dày 7cm, loại vật liệu tưới dính bám sử dụng cho cả 6 dự án đều là nhũ tương CRS-1 với tỷ lệ 0,5 l/m². Quá trình lấy mẫu hiện trường ở 6 dự án được thực hiện tại những vị trí không bị hư hỏng nứt trượt và tuân thủ theo chỉ dẫn của TCVN 8860: 2011. Tổng số mẫu thí nghiệm được lấy ở 6 dự án là 180 mẫu. Để đánh giá cường độ dính bám giữa các lớp bê tông asphalt, mô hình thí nghiệm cắt phẳng Leutner cải tiến đã được lựa chọn. Toàn bộ quy trình thí nghiệm đánh giá được tuân thủ theo chỉ dẫn của EN 12697-48 [4], Hình 2.1 thể hiện quá trình thí nghiệm xác định cường độ cắt giữa hai lớp bê tông asphalt ở 20^oC.

Hình 2.2 thể hiện kết quả thí nghiệm cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt của 6 dự án ở 20^oC. Kết quả thí nghiệm cho thấy không có sự khác biệt lớn về cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt của các Dự án. Do đó, một giá trị giới hạn cường độ dính bám tối thiểu giữa hai lớp bê tông asphalt có thể được ứng dụng cho tất cả các dự án.

Nếu lấy giá trị cường độ dính bám tối thiểu giữa hai lớp bê tông asphalt là 1,36MPa từ những kết quả thí nghiệm riêng lẻ ở các dự án thì dự án 1 có 2 kết quả, dự án 2 có 3 kết quả, dự án 3 có 6 kết quả, dự án 4 có 5 kết quả, dự án 5 có 6 kết quả, và dự án 6 có 5 kết quả không đáp ứng được giá trị tối thiểu yêu cầu. Vì có đến 50% kết quả không đáp ứng được giá trị cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt lớn hơn mức tối thiểu này, do đó giá trị đưa ra được coi là quá cao với số liệu thí nghiệm có được từ các dự án. Do vậy, cần xem xét với giá trị giới hạn cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt thấp hơn. Giá trị giới hạn được đề nghị bởi tác giả Partl và Raab (1999) và Stocker (2001) đã loại trừ 33 - 35 % giá trị thấp hơn giá trị trung bình [8], [12]. Nếu lấy giá trị là 35% thì giá trị cường độ dính bám tối thiểu trung bình giữa hai lớp bê tông asphalt của các dự án bằng 1,22MPa. Với giá trị này, dự án 1 có 2 kết quả, dự án 2 có 2 kết quả, dự án 3 có 3 kết quả, dự án 4 có 3 kết quả, dự án 5 có 4 kết quả và dự án 6 có 4 kết quả thí nghiệm cường độ dính bám không đáp ứng được giá trị tối thiểu yêu cầu. Do vẫn có nhiều kết quả thí nghiệm ở các dự án không đáp ứng được giá trị tối thiểu này, vậy nên một giá trị giới hạn cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt thấp hơn cần được xem xét.

Hình 2.3 thể hiện biểu đồ tần suất tích lũy kết quả thí nghiệm cường độ dính bám của 6 dự án ở 20^oC. Trên biểu đồ cho thấy, nếu lấy giá trị tần suất tích lũy là 15% (xác suất đảm bảo 85%) thì giá trị cường độ dính bám là 1,00MPa. Với giá trị cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt là 1,00MPa, chỉ có 1 kết quả thí nghiệm cường độ dính bám của dự án 1, dự án 2 và dự án 3; 2 kết quả thí nghiệm ở dự án 4, 2 kết quả ở dự án 5, và 3 kết quả ở dự án 6 có cường độ dính bám không đáp ứng được giá trị tối thiểu yêu cầu tương ứng. Do vậy, có thể chấp nhận một giá trị tối thiểu cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt ở 20^oC bằng 1,00MPa.

3. PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT CẮT TRƯỢT GIỮA HAI LỚP BÊ TÔNG ASPHALT

Một số kết cấu áo đường mềm điển hình cho các tuyến quốc lộ ở Việt Nam đã được lựa chọn để tiến hành phân tích kết cấu nhằm xác định ứng suất cắt trượt lớn nhất giữa hai lớp bê tông asphalt dưới tác dụng của áp lực bánh xe, các thông số của kết cấu sử dụng cho mô hình phân tích được thể hiện ở Bảng 3.1. Trục xe tiêu chuẩn 100kN có áp lực bánh xe 690kPa được sử dụng để mô hình tải trọng cho kết cấu mặt đường đã lựa chọn. Để đánh giá tác động của tải trọng ngang trên bề mặt đường đến các lớp kết cấu, hệ số ma sát giữa lốp xe và bề mặt đường asphalt khô ráo được lấy trong khoảng từ 0,5 - 0,8 [11]. Do đó, hệ số ma sát được lấy bằng 0,7 thể hiện cho trường hợp bất lợi nhất, khi đó áp lực ngang được lấy bằng 70% giá trị của áp lực thẳng đứng khi phanh xe. Áp lực ngang do bánh xe gây ra tác dụng lên kết cấu mặt đường bằng 0,7 × áp lực thẳng đứng = 0,7 × 690 = 483kPa. Bán kính tiếp xúc vệt bánh xe tương đương lấy bằng 10,66cm.

Bảng 3.1. Các thông số vật liệu kết cấu phân tích

 

Kết cấu	Lớp	Vật liệu	Chiều dày, mm	E*, MPa	Hệ số poisson
KC	Mặt trên	BTAC 12.5	50	4.500	0,35
	Mặt dưới	BTAC 19	70	4.200	0,35
	Móng trên	ATB	150	4.000	0,35
	Móng dưới	CPĐD I	300	300	0,35
	Subgrade	Á sét		42	0,42

Giá trị ứng suất cắt trượt tại lớp tiếp xúc giữa hai lớp bê tông asphalt và giữa các lớp dưới được xác định bằng cách sử dụng phần mềm BISAR 3,0 của hãng Shell [10]. Giá trị mô-đun độ cứng chống cắt (K) được sử dụng để đặc trưng cho mức độ dính bám giữa các lớp trong kết cấu áo đường mềm và được tích hợp vào phần mềm phân tích kết cấu BISAR 3,0 với các giá trị lần lượt là 0,1, 1,0 và 10MPa/mm tại các lớp dính bám giữa các lớp bê tông asphalt của kết cấu và được ký hiệu là KC-A, KC-B, và KC-C. Hình 3.1, Hình 3.2 và Hình 3.3 thể hiện sự phân bố ứng suất nén và ứng suất cắt theo chiều sâu kết cấu được phân tích.

Kết quả phân tích cho thấy, giá trị ứng suất nén σ_z và ứng suất cắt trượt giảm dần liên tục theo chiều sâu, với ứng suất nén đạt giá trị lớn nhất ở ngay trên bề mặt và có giá trị lớn nhất bằng 1,0p_v. Sự phân bố ứng suất cắt trượt theo chiều sâu tương đối phức tạp, khác với trường hợp giả định các lớp khi giả định các lớp dính bám hoàn toàn, giá trị ứng suất cắt trượt đạt giá trị lớn nhất trong khoảng chiều sâu bằng 0,7 r) [9], ở đây giá trị ứng suất cắt trượt đều đạt cực trị ở vị trí tiếp xúc giữa hai lớp, hay nói cách khác sự giảm ứng suất cắt trượt không liên tục theo chiều sâu kết cấu mà đều có bước nhảy ứng suất ở vị trí tiếp giáp giữa các lớp, nơi được giả định có các mức độ dính bám khác nhau trong mô hình phân tích. Ngoài ra, kết quả phân tích còn cho thấy, khi mô-đun độ cứng chống cắt thay đổi từ 10MPa/mm xuống 0,1MPa/mm, ứng suất nén phân bố trong các lớp thay đổi không đáng kể. Đồng thời, kết quả phân tích cũng cho thấy, giá trị ứng suất cắt trượt giữa hai lớp bê tông asphalt tăng lên 59,4% khi mô-đun độ cứng chống cắt giảm từ 10 MPa/mm xuống 0,1MPa/mm.

 

Mô hình thí nghiệm cắt phẳng Leutner cải tiến được thực hiện không xét ứng suất nén, trong khi sự phân bố của ứng suất trong kết cấu mặt đường phân tích dưới tác dụng của áp lực bánh xe theo lý thuyết được thể hiện ở Hình 3.1, Hình 3.2 và Hình 3.3 cho thấy, ứng suất nén xuất hiện đáng kể giữa hai lớp bê tông asphalt, tức là có ảnh hưởng đến sức kháng cắt trượt giữa hai lớp bê tông asphalt. Do đó, để tương thích với mô hình thí nghiệm cắt phẳng Leutner cải tiến, ứng suất cắt trượt giữa hai lớp bê tông asphalt cần được điều chỉnh và được gọi là ứng suất cắt danh định. Kết quả nghiên cứu của Canestrari và các cộng sự (2005) cho thấy, tỷ số ứng suất nén/ứng suất cắt tăng lên, cường độ chống cắt trượt giữa hai lớp bê tông asphalt cũng tăng lên với tỷ lệ tăng tương ứng xấp xỉ từ 1,0 đến 2,7 [5].

Trong phạm vi phân tích ở đây, hệ số tăng cường độ chống cắt trượt giữa hai lớp bê tông asphalt được lựa chọn là trung bình cộng tương ứng với hệ số của tác giả Canestrari và các cộng sự (2005) đưa ra. Do vậy, các hệ số này được lấy bằng (1,0+2,7)/2 = 1,85. Khi đó phương trình của tác giả được viết lại như sau:  

τ/τ_on = (1.85×σ/τ)+1         (3-1)

Trong đó:

σ/τ - Tỷ lệ ứng suất nén với ứng suất cắt;

τ - Ứng suất cắt có xét đến ứng suất nén (MPa);

τ_on - Ứng suất cắt không xét đến ứng suất nén (MPa).

Giá trị ứng suất cắt danh định giữa hai lớp bê tông asphalt khi không xét ứng suất nén được tính từ các giá trị ứng suất nén và ứng suất cắt ở Hình 3.1, Hình 3.2 và Hình 3.3 cùng với phương trình 3-1 và kết quả của tính toán đó được thể hiện ở Hình 3.4. Kết quả Hình 3.4 cho thấy, các giá trị giới hạn của ứng suất cắt trượt danh định giữa hai lớp bê tông asphalt trong trường hợp không xét đến ứng suất nén của các kết cấu KC3-A, KC3-B và KC3-C tương ứng là 0,463Mpa, 0,381MPa và 0,220MPa.

4. NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ

Kết quả phân tích kết cấu áo đường mềm với các mức độ dính bám giữa các lớp giả định khác nhau cho giá trị ứng suất cắt trượt giữa hai lớp bê tông asphalt lớn nhất bằng 0,463MPa, giá trị này thấp hơn cường độ dính bám đặc trưng giữa hai lớp bê tông asphalt có được từ các mẫu hiện trường lấy ở các dự án điển hình. Do đó, một giá trị cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt tối thiểu bằng 1,00MPa có thể được sử dụng như một cơ sở cho việc đề xuất giới hạn cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt cho kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam.

Các tiêu chuẩn quy định giới hạn cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt đã được đề xuất tại Đức, Thụy Sỹ và Anh [7], [8], [10], [12], [13]. Chỉ tiêu giới hạn cũng như thiết bị, kích thước mẫu và điều kiện tác dụng của lực cắt sử dụng trong các thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.1.

Bảng 4.1. Giới hạn được đề xuất tại một số nước châu Âu

 

Nhóm nghiên cứu	Thí nghiệm	Đường kính mẫu, mm	Tốc độ cắt, mm/phút	Cường độ dính bám yêu cầu, MPa
Codjia [1994], Đức	Leutner	150	50	0,85
Partl và Raab [1999], Thụy Sĩ	Leutner	150	50	1,30
Stockkert [2001], Đức	Leutner	150	50	1,41
SN 640430B [2008], Thụy Sĩ	Leutner	150	50	0,85
A.C. Collop [2009], Anh	Leutner cải tiến	150 (101)	50	1,00

Có thể thấy rằng, nếu sử dụng các kết quả thí nghiệm cường độ dính bám trung bình từ các dự án ở Hình 2.3 bằng 0,85MPa, tương ứng với giá trị giới hạn cường độ dính bám được đề xuất ở Đức [6] sẽ loại bỏ khoảng 10% mẫu, tương ứng với xác suất đảm bảo 90%. Nếu sử dụng giá trị cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt bằng 1,41 MPa, thì sẽ có khoảng 50% kết quả thí nghiệm không đáp ứng được yêu cầu. So sánh với các giới hạn trong Bảng 4.1, trong nghiên cứu này cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt được đề xuất giới hạn nhỏ nhất là 1,00MPa nằm trong khoảng các giá trị từ 0,85MPa đến 1,41MPa. Nhìn chung, cùng với số liệu cường độ dính bám tham khảo đã công bố trong các tiêu chuẩn thể hiện ở Bảng 4.1 cho thấy, giới hạn cường độ dính bám tối thiểu yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt được đề xuất trong nghiên cứu này là khá tương đồng.

5. KẾT LUẬN

Từ những nội dung nghiên cứu thực nghiệm và phân tích kết cấu để xác định cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt, một số kết luận sau được rút ra:

- Phương pháp thí nghiệm cắt phẳng Leutner cải tiến hoàn toàn phù hợp để đánh giá cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt thông qua các mẫu khoan hiện trường có đường kính d = 101,6 ± 2mm;

- Cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt của 6 dự án ở 20^oC đạt trung bình 1,36MPa với xác suất đảm bảo 50% và bằng 1,0MPa với xác suất đảm bảo 85%.

- Mức độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt ảnh hưởng không đáng kể đến sự phân bố ứng suất nén trong các lớp kết cấu áo đường mềm, tuy nhiên giá trị ứng suất cắt trượt phân bố trong các lớp bị ảnh hưởng đáng kể. Cụ thể, giá trị ứng suất cắt trượt giữa hai lớp bê tông asphalt tăng lên 59,4% khi mô-đun độ cứng chống cắt giảm từ 10MPa/mm xuống 0,1MPa/mm.

- Với kết cấu phân tích, ứng suất cắt trượt giữa hai lớp bê tông asphalt đều nhỏ hơn giá trị cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt với xác suất đảm bảo 85%.

- Từ số liệu thí nghiệm đánh giá cường độ dính bám giữa hai lớp bê tông asphalt của 6 dự án điển hình và số liệu phân tích kết cấu, nghiên cứu đề xuất giá trị cường độ dính bám yêu cầu giữa hai lớp bê tông asphalt ở 20^oC bằng 1,0MPa.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ GTVT (2006), 22TCN: 211-06 - Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm.

[2]. Bộ GTVT (2011), TCVN 8819: 2011 - Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông asphalt rải nóng.

[3]. Bộ GTVT (2011), TCVN 8860: 2011 - Bê tông nhựa - Phương pháp thử.

[4]. Britsh Standards Institution (2014), British Standards Institution (2014) Concrete pavements. Part 2: Test menthod for the determination of the bond between two layers, BS EN 12697-48,London, UK.

[5]. Canestrari F et al (2005), Advanced testing and characterization of interlayer shear Resitance, Transport  Research Record No. 1929, pp. 69-78

[6]. Codjia H (1994), Erarbeitung enies bewertungshintergrundes für das prüfverfahren  ‘schichtenverbund nach leutner’ und bestimmung der präzision, Veröffentlichungen des Instituts für Straßen-und Eisenbahnwesen der Universität Karlruhe (TH), Karlruhe, Germany.

[7]. Collop AC et al (2009), Shear bond strenght between asphalt layers for laboratory prepared samples and field cores, Constrution and Building Materials.23, pp.2251- 2258.

[8]. Raad C and Partl MN (1999), Mothoden zur beurteilung des schichtenverbunds von asphaltbelegen, Eidgenossisches Department fur Umwelt, Verkhr, Energie und Kommunikation/Bundessamt fur Strassen, Foeschungsaufrag   12/94,  Eidgenossische  Materialprufungs-und Forschungsannstalt, Report Nr442, Zurich, Switzerland.

[9]. Raad C and Partl MN (2004), Interlayer Shear Performance: Experience with Different Pavement Structures, 3rd Eurasphalt & Eurobitumen Congress, Vienna.

[10]. Shell (1998), Bisar user manual Version 3.0, Bitumen Business Group, Shell International Oil Products., Amsterdam,Nertherlands.

[11]. Tran NH, Richard W and Grant J (2012), Refinement of the bond strength procedure and investigation of a specifition, NCAT.

[12]. Stokert U (2001), Schichtenverbund-Prufung and bewertungshinterground, strabe and autobahn.

[13]. VSS (2008), Walzasphalt-Konzepton,ausfuhrung and anforderungen an die eingebauten schichten, Schweizer Norm, SN 640430B, Schweizericher Verband der Strassen-und Verkehrsfachleute (VSS), Switzerland.