Nghiên cứu thực nghiệm độ bền mỏi bêtông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam

ThS. NCS. TRẦN THIỆN LƯU PGS. TS. LÃ VĂN CHĂM GS. TS. NGUYỄN XUÂN ĐÀO

Trường Đại học Giao thông vận tải

Người phản biện: TS. Nguyễn Quang Phúc

                               TS. Nguyễn Thanh Sang

Từ khóa: Độ bền mỏi, nứt mỏi, bê tông asphalt, mặt đường mềm, bi tum.

Abstract: This paper intends to present a number of results of experimental studies on fatigue life of dense graded hot mix asphalt (HMA) belonging to two categories of aggregate nominal maximum size: 12,5 mm and 19 mm by means of four point flexural beam fatigue test device. The set of tested sample was produced at a highway construction site to ensure the quality of tested HMA material which has actually been used in Vietnam.

Keywords: Fatigue life, fatigue cracks, hot mix asphalt, flexible paverment, bitumen.

1. Giới thiệu chung

Chuẩn bị cho nghiên cứu thực nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt, nhóm nghiên cứu đã xây dựng lộ trình tạo mẫu đảm bảo giống với thực tế. Nhóm nghiên cứu đặt hàng từ khâu sản xuất bê tông asphalt tại trạm trộn cho đến khâu vận chuyển, rải và lu lèn theo đúng quy trình hiện hành. Mẫu được cắt và gia công theo đúng yêu cầu của thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt. Thí nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu Xây dựng, thuộc Viện Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học GTVT.

2. Thông số thí nghiệm

Trên thế giới có nhiều mô hình và cách kiểm soát thí nghiệm đánh giá độ bền mỏi bê tông asphalt (như đã được nêu trong Tổng quan về nghiên cứu độ bền mỏi của lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm [1]). Trong đó, mô hình uốn dầm được xem là cách mô phỏng gần nhất với điều kiện làm việc của lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm. Nhóm nghiên cứu chọn thiết bị uốn bốn điểm (four point bending – 4PB) của Trường Đại học GTVT để làm thí nghiệm.

Như đã phân tích tại [1], nhóm nghiên cứu chọn chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng. Căn cứ theo BS EN 12697-24 [4], ASTM D7460-10 [5], khi thí nghiệm trên các mẫu thử, 3 mức biến dạng (e) được đề xuất là: 100 microstrain (m), 200me, 400me. Thí nghiệm được thực hiện ở 2 mức nhiệt độ 10º và 20º, sử dụng dạng tải tác dụng hình sin liên tục với 2 tần số 5Hz và 10Hz. Hai loại bê tông asphalt được dùng trong nghiên cứu là loại BTNC 12,5 và BTNC 19 theo quy định TCVN 8819-2011 [2].

3. Chế tạo mẫu và thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt

3.1. Thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt

Hỗn hợp bê tông asphalt được thiết kế theo phương pháp Marshall [3]. Nguồn vật liệu được lấy từ trạm trộn bê tông asphalt Đông Sung thuộc Công ty CP Công trình Giao thông Bà Rịa – Vũng Tàu.

3.1.1. Cốt liệu, bột khoáng

Đá, cát, bột khoáng đảm bảo theo [2]. Thành phần hạt bê tông asphalt loại BTNC 12,5 và BTNC 19 thể hiện tại Hình 3.1, Hình 3.2.

Hình 3.1: Cấp phối hạt BTNC 12,5

Hình 3.2: Cấp phối hạt BTNC 19

3.1.2. Bitum

Nghiên cứu sử dụng loại bi tum 60/70.

3.2. Chế tạo mẫu tại hiện trường

3.2.1. Trộn bê tông asphalt

Bê tông asphalt được trộn tại trạm trộn Đông Sung, Công ty cổ phần CTGT Bà Rịa – Vũng Tàu, sau đó vận chuyển đến công trường thi công.

3.2.2. Thi công tại công trường

Địa điểm thi công công trình cải tạo, nâng cấp tuyến quốc lộ 51B (đoạn cuối). Mặt bằng là lớp bê tông asphalt hạt thô (Hình 3.3). Phương pháp thi công cơ giới: Ô tô vận chuyển, máy rải, lu nhẹ 6T (bánh lốp + bánh cứng), lu nặng bánh lốp 14 tấn, 1 lu bánh cứng 12 tấn.

Hình 3.3: Chế tạo mẫu tại hiện trường

Quá trình thi công tuân thủ chặt chẽ các yêu cầu của [2].

3.3. Cắt mẫu

- Cắt mẫu thô kích thước 42cm×50cm tại hiện trường (Hình 3.4).

- Gia công mẫu tại xưởng bằng máy cắt đá hoa cương với chế độ điều khiển tự động, đảm bảo độ chính xác cao (Hình 3.5).

Hình 3.4: Cắt mẫu tại hiện trường

Kích thước mẫu thí nghiệm theo quy định [5], thể hiện tại Hình 3.5b.

Hình 3.5: Mẫu dầm thí nghiệm 380×50×63 (mm3)

Một số chỉ tiêu quan trọng của bê tông asphalt sau khi thi công thể hiện tại Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm bê tông asphalt

3.4. Thí nghiệm

3.4.1. Lưu trữ mẫu

Thời gian tối thiểu ổn định nhiệt cho mẫu trước khi làm thí nghiệm thể hiện tại Bảng 3.2.

Bảng 3.2. Thời gian ổn định nhiệt tối thiểu [4]

Với mẫu thí nghiệm ở 10º, thời gian ổn nhiệt không nhỏ hơn 1,5 giờ.

3.4.2. Mô tả thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm mỏi dầm chịu uốn bốn điểm (4PB) có 2 kẹp bên trong và 2 kẹp bên ngoài đặt đối xứng (Hình 3.6). Dầm được uốn cố định tại 4 điểm, điểm uốn dịch chuyển tự do. Uốn dầm được thực hiện bằng cách đặt tải tại hai kẹp bên trong theo hướng thẳng đứng, vuông góc với trục dầm. Các kẹp bên ngoài được giữ cố định.

Theo [5], trị số mô đun độ cứng ban đầu (S_o) được lấy từ giá trị đo sau khi dầm đã chịu 100 chu kỳ tải tác dụng (N = 100). Thí nghiệm tiếp tục cho đến khi mô đun độ cứng (S) giảm xuống còn 50% giá trị ban đầu (S_o).

Hình 3.6: Mô hình thí nghiệm uốn dầm 4 điểm

Thiết bị thí nghiệm mỏi dầm chịu uốn bốn điểm được thể hiện tại Hình 3.7.

Hình 3.7: Thiết bị thí nghiệm mỏi 4PB – Cooper

4. Đánh giá độ bền mỏi bê tông asphalt

4.1. Bê tông asphalt loại BTNC 12,5

Tổng hợp kết quả thí nghiệm ở các điều kiện khác nhau được thể hiện tại Bảng 4.1.

Bảng 4.1. Tổng hợp kết quả thí nghiệm mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5

Trong đó: e_t – Biến dạng (microstrain, viết tắt me); S_o – Mô đun độ cứng ban đầu (MPa); P_o – Lực tác dụng ban đầu (N); N_f50 – Số chu kỳ của tải trọng lặp làm suy giảm mô đun độ cứng xuống còn 50% giá trị mô đun độ cứng ban đầu.

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy:

Với cùng mức giá trị biến dạng thí nghiệm thì độ bền mỏi (N_f50) ở nhiệt độ cao (20º) và tần số thấp (5Hz) là cao nhất (N_f50 = 2.562.450 chu kỳ); ở nhiệt độ thấp (10º) và tần số cao (10Hz) thì độ bền mỏi là thấp nhất (N_f50 = 46.000 chu kỳ).

Mức biến dạng ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mỏi. Biến dạng lớn làm suy giảm rất nhanh độ bền mỏi. Điều kiện 10º, 10Hz với mức biến dạng 100me thì N_f50 đạt đến 1.590.000 chu kỳ, trong khi đó với 400me thì N_f50 chỉ đạt được 46.000 chu kỳ.

So sánh này được thể hiện rõ hơn tại Hình 4.1.

Hình 4.1: Biểu đồ so sánh độ bền mỏi (Nf50) của BTNC 12,5ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau

4.2. Bê tông asphalt loại BTNC 19

Kết quả thí nghiệm độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 19 ở điều kiện 10º, tần số 10Hz thể hiện tại Bảng 4.2.

Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm mỏi bê tông asphalt loại BTNC 19 ở 10º, 10Hz

Ở cùng điều kiện thí nghiệm, độ bền mỏi BTNC 19 thấp hơn nhiều so với BTNC 12,5. Tại điều kiện thí nghiệm 10º, 10Hz, mức biến dạng 200me thì BTNC 19 có N_f50 = 109.000 chu kỳ nhưng với loại BTNC 12,5 thì N_f50 đạt đến 595.000 chu kỳ tải trọng lặp.

5. Xây dựng đường đặc trưng độ bền mỏi

Dạng phương trình độ bền mỏi cho chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng như sau:

(1 )

Trong đó:

ε – Biến dạng;0

k₁, k₂ - Hệ số hồi qui thực nghiệm.

Hệ số k1, k2 được xác định bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất. Tuyến tính hóa dữ liệu thí nghiệm ta được hàm tuyến tính:

(2)

Kết quả xác định hệ số hồi qui thực nghiệm cho phương trình độ bền mỏi bê tông asphalt được trình bày sau đây.

5.1. Bê tông asphalt loại BTNC 12,5

Đồ thị giữa log(e) với log(N_f50) của loại BTNC 12,5 được thể hiện tại Hình 5.1.

Hình 5.1: Đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5

Từ đồ thị rút ra các phương trình độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 12,5 như sau:

- Điều kiện thí nghiệm 20º, 5Hz

      (3)

- Điều kiện thí nghiệm 20º, 10Hz

 

           (4)

- Điều kiện thí nghiệm 10º, 5Hz

                    (5)

- Điều kiện thí nghiệm 10º, 10Hz

             (6)

Độ dốc đường đặc trưng mỏi tăng dần theo các mức giảm của nhiệt độ và mức tăng của tần số. Ở nhiệt độ thấp (10º), tốc độ suy giảm độ bền mỏi giữa tần số 5Hz với 10Hz là nhanh hơn khi ở nhiệt độ thí nghiệm cao (20º). Ở 10º, độ dốc này giảm từ 2,5503 (10Hz) xuống 2,2733 (5Hz) so với ở 20º thì độ dốc này giảm từ 2,1852 (10Hz) xuống 2,1531 (5Hz).

5.2. Bê tông asphalt loại BTNC 19

Đường đặc trưng độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 19 được thể hiện tại Hình 5.2.

Hình 5.2: Đường đặc trưng mỏi BTNC 19

Phương trình độ bền mỏi bê tông asphalt loại BTNC 19 ở điều kiện thí nghiệm 10º, 10Hz như sau:

  (7)

Ở điều kiện thí nghiệm 10º, 10Hz bê tông asphalt loại BTNC 19 có độ bền mỏi kém hơn hẳn so với loại BTNC 12,5. So sánh 2 phương trình (6) với (7) dễ nhận thấy điều đó, độ dốc của đường đặc trưng mỏi BTNC 12,5 là 2,5503, trong khi đó loại BTNC 19 là 3,022.

6. Kết luận

Trong điều kiện vật liệu, chế tạo và thí nghiệm như nghiên cứu, một số kết luận được rút ra như sau:

Mức biến dạng khi thí nghiệm mỏi theo mô hình uốn bốn điểm ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ suy giảm độ bền mỏi bê tông asphalt. Điều này đồng nghĩa với việc tăng tải trọng trục xe chạy sẽ làm suy giảm nhanh chóng độ bền mỏi cho lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường.

Độ bền mỏi của bê tông asphalt loại BTNC 12,5 tốt hơn loại BTNC 19.

Xây dựng được các phương trình độ bền mỏi của bê tông asphalt loại BTNC 12,5 và loại BTNC 19.

Kết quả này hy vọng là những đóng góp hữu ích cho việc hoàn thiện quy trình thiết kế kết cấu áo đường mềm trong kiểm toán đánh giá độ bền mỏi của bê tông asphalt.

Tài liệu tham khảo

[1]. Trần Thiện Lưu, Tổng quan về nghiên cứu độ bền mỏi của lớp bê tông asphalt trong kết cấu áo đường mềm, Tạp chí GTVT, số 3/2012, tr33-37.

[2]. Bộ khoa học và Công nghệ, TCVN 8819-2011 (2011), Mặt đường bê tông nhựa nóng – yêu cầu thi công và nghiệm thu.

[3]. Bộ khoa học và Công nghệ, TCVN 8820-2011 (2011), Hỗn hợp bê tông nhựa nóng – thiết kế theo phương pháp Marshall.

[4]. BS EN 12697-24 (2007), Bituminous mixtures – Test methods for hot mix asphalt, Part 24: Resistance to fatigue.

[5]. ASTM D7460-10 (2010), Standard Test Method for Determining Fatigue Failure of Compacted Asphalt Concrete Subjected to Repeated Flexural Bending, United States.