CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG TÍNH CHẤT CỦA BITUM ĐẾN MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA Bê tông nhựa (BTN) được hình thành bởi sự liên kết cốt liệu – bitum nên các tính chất của vật liệu khoáng hay chất kết dính (bitum) đều có ảnh hưởng tới tính chất của vật liệu BTN. Mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong thành phần của hỗn hợp BTN (khoảng 4% - 6% theo tổng trọng lượng hỗn hợp), nhưng tính chất của loại bitum sử dụng mà đặc trưng bởi giá trị mô đun cắt động (|G*| và góc pha (δ) lại có ảnh hưởng rất lớn tới đặc tính của vật liệu BTN mà cụ thể là giá trị mô đun động (Dynamic modulus |E*|). Hiểu rõ được ảnh hưởng tính chất của loại bitum (|G*|) tới mô đun động của BTN (|E*|) sẽ lựa chọn được loại bitum phù hợp trong thiết kế BTN, dự báo được giá trị |E*| căn cứ vào tính chất của loại bitum sử dụng và các thông số khác như (thành phần hạt, các đặc tính thể tích…) phục vụ việc thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm (phương pháp “ME”) của Hoa Kỳ để nâng cao chất lượng công trình. Các tính chất của bitum (mô đun cắt động |G*|, góc pha δ) cùng với mô đun động của bê tông nhựa là các thông số đầu vào rất quan trọng được sử dụng để phân tích kết cấu mặt đường theo phương pháp (ME) của Hoa Kỳ [32], [65].1 Bitum và tính chất của bitum 1.1 Bitum Bitum (nhựa đường) là vật liệu xây dựng có tính đàn nhớt, ứng xử phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng.
Bitum có trạng thái rắn đàn hồi ở nhiệt độ thấp (<0oC), có trạng thái nhớt lỏng khi ở nhiệt độ cao (>100oC) và có tính lưu biến phức tạp khi ở nhiệt độ trung gian [63]. Bitum cũng có nhiều tên gọi khác nhau trên thế giới, hầu hết các quốc gia Châu Âu, dùng thuật ngữ bitum hoặc bitum lọc dầu (refined bitumen) là chủ yếu trong khi đó ở Hoa Kỳ được gọi là asphalt hoặc chất kết dính asphalt (asphalt cement). Ngoài Hoa Kỳ thì thuật ngữ asphalt thường được dùng để mô tả hỗn hợp của bitum với cốt liệu [63]. Theo tiêu chuẩn ngành 22TCN 279-01 [12], thì khái niệm của bitum (nhựa đường) được định nghĩa “nhựa đường đặc dùng cho đường bộ là sản phẩm thu được từ công nghệ lọc dầu mỏ; bao gồm các hợp chất hydrocacbon cao phân tử như CnH2n+2, CnH2n, 8 hydrocacbua thơm mạch vòng (CnH2n-6) và một số dị vòng có chứa oxy, nitơ, lưu huỳnh; ở trạng thái tự nhiên có dạng đặc quánh màu đen”.
Để cải thiện các tính chất của vật liệu bitum, người ta cho thêm các chất phụ gia polymer hữu cơ vào bitum để có vật liệu bitum polymer cải tiến nhằm cải thiện chất lượng bitum như tăng khả năng kháng hằn lún vệt bán, cải thiện khả năng kết dính với cốt liệu, tăng độ bền mỏi ….1 minh họa ứng xử của bitum dưới tác dụng của tải trọng ở các giai đoạn khác nhau.1: Các giai đoạn biến dạng của bitum phụ thuộc vào tải trọng tác dụng [56]. Trong đó: εT – Tổng biến dạng, εrecoverable – biến dạng phục hồi. εe – Biến dạng đàn hồi, có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian. εp – Biến dạng dẻo, không có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian.
εve – Biến dạng đàn nhớt, có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian. εvp – Biến dạng nhớt, không có khả năng phục hồi và phụ thuộc vào thời gian. Như vậy ứng xử của bitum là ứng xử đàn nhớt phụ thuộc vào thời gian tác dụng của tải trọng.2 Các tính chất của bitum Do bitum có tính đàn nhớt và ứng xử phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng [56], [63] nên các tính chất của bitum gồm các chỉ tiêu vật lý (độ kim lún, điểm hóa mềm, ….) và các chỉ tiêu cơ học (mô đun độ cứng, mô đun cắt động của bitum |G*|). 9 Các chỉ tiêu vật lý và các chỉ tiêu cơ học được sử dụng để đánh giá chất lượng và phân loại bitum trong xây dựng đường bộ hiện nay.2 Mô đun cắt động (Dynamic shear modulus) của bitum (|G*|) 1.1 Mô đun cắt động của bitum Mô đun cắt động của bitum (|G*|) là giá trị tuyệt đối của mô đun cắt phức của bitum, (complex shear modulus), (G*).
Về bản chất là độ cứng của bitum hay khả năng chống lại biến dạng của bitum dưới tác dụng của tải trọng động hình sin, là tỷ số của giá trị tuyệt đối của ứng suất cắt lớn nhất (τmax) và biến dạng cắt lớn nhất (γmax) [57], [72], [76]. Giá trị mô đun động |G*|, góc pha và độ nhớt của bitum được sử dụng để phân loại bitum theo tiêu chuẩn của Hoa Kỳ [70] và dự báo |E*| của BTN theo các phương trình tương quan thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm [39]. Do vậy, trong phạm vi luận án sẽ tập trung nghiên cứu các chỉ tiêu này của bitum.2 Phương pháp xác định mô đun cắt độngcủa bitum Mô đun cắt động của bitum (|G*|) được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Hiện nay trên thế giới sử dụng hai loại thiết bị thí nghiệm để xác định |G*| là thiết bị cắt động lưu biến DSR (Dynamic shear Rheometer) hoặc thiết bị phân tích cơ học động DMA “Dynamic Mechanical Analyzer” [15], [72], [76].1 Xác định |G*| bằng thiết bị DSR Khi thí nghiệm |G*| bằng thiết bị DSR, mẫu bitum được chuẩn bị tới nhiệt độ cần thí nghiệm và đặt giữa hai đĩa song song, một đĩa cố định và một đĩa có thể quay quanh trục thẳng đứng đi qua tâm đĩa, dưới tác dụng của ứng suất tác dụng hình sin, =o.sin(ωt) sẽ sinh ra biến dạng hình sin nhưng bị trễ pha so với ứng suất một góc pha (δ) do tính đàn nhớt của vật liệu bitum, γ=γo.
Giá trị của |G*| sẽ được xác định bằng tỷ số của ứng suất cắt lớn nhất và biến dạng cắt lớn nhất trong thí nghiệm, tức là, |G*|=o/γo. Tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm DSR lấy theo tiêu chuẩn AASHTO T 315-12 [72] (10 ±0. Đây là giá trị tần số phù hợp với ứng xử của vật liệu mặt đường dưới tác dụng tải trọng xe chạy phổ biến theo nghiên cứu thực nghiệm. Theo Javed Bari và Matthew W.
Witcza [39], giá trị 10 tần số góc 10rad/s được cho là tương ứng với tần số tác dụng của tải trọng bánh xe xuống mặt đường là 10Hz và giá trị này cũng là giá trị được áp dụng phổ biến trong thí ngiệm xác định hư hỏng mỏi trong thí nghiệm uốn dầm mẫu BTN theo ASTM D7460. Trong trường hợp sử dụng tần số khác để thực hiện thí nghiệm thì yêu cầu tần số sử dụng phải đạt độ chính xác với sai số ±1% [72].2 nêu nguyên lý thí nghiệm của thiết bị DSR và Hình 1.3 minh họa sự trễ pha giữa ứng suất tác dụng và biến dạng trong thí nghiệm DSR. Giá trị của |G*| trong thí nghiệm DSR xác định theo phương trình 1.1 và (|G*|) có thể được phân tích thành hai thành phần (Hình 1.4) gồm mô đun tổn thất G” (thành phần nhớt) và mô đun dự trữ G’ (thành phần đàn hồi).2: Nguyên Lý thí nghiệm cắt động Hình 1.3: Sự trễ pha giữa ứng suất và biến lưu biến (DSR), [76]. dạng trong thí nghiệm DSR [47] G” |G*| G” =|G |.4: Hai thành phần của mô đun cắt động |G*| của bitum [76] τ max |G * |= (1.2) 11 τmax – Giá trị tuyệt đối của ứng suất cắt lớn nhất, (MPa).3) γmax – Giá trị tuyệt đối biến dạng cắt lớn nhất, (%).
h Tmax – Mô men xoắn lớn nhất (N-mm); r – Bán kính đĩa mẫu (mm); θmax – Góc biến dạng lớn nhất, (rad). h - Chiều cao mẫu (mm). |G*| - Mô đun cắt động của bitum, (MPa).2 Xác định |G*| bằng thiết bị DMA Thiết bị thí nghiệm gồm các bộ phận chính là Máy nén DMA, buồng ổn nhiệt để duy trì mẫu ở nhiệt độ thí nghiệm mong muốn và máy tính để điều chỉnh lực tác dụng vào mẫu và ghi lại kết quả thí nghiệm trong quá trình thực hiện. Chi tiết các bộ phận chính của thiết bị DMA như Hình 1.5: Thiết bị thí nghiệm MetraviB tại IFSTTAR [15] Máy nén DMA (Dynamic Mechanical Analyzer) của hãng MetraviB với khả năng của đầu đo lực tác dụng lên đến 450 N (khả năng đo lực tác dụng trong khoảng tần số từ 1 Hz đến 200 Hz), và đầu đo chuyển vị lên đến 500 µm.
Theo tiêu chuẩn của pháp XP-T-66-065 [15], việc thí nghiệm xác định |G*| của vật liệu bitum được thực hiện theo hai hình thức tác dụng lực khác nhau tùy theo phạm vi nhiệt độ thí nghiệm, trong đó: Khi xác định |G*| bằng thiết bị DMA sẽ có hai mô hình tác dụng lực vào mẫu bitum tùy theo khoảng nhiệt độ thí nghiệm. Trong đó, mô hình tác dụng lực theo kiểu kéo- nén (K/N) áp dụng cho việc thí nghiệm mẫu ở các nhiệt độ ≤20oC (Hình 1.6) và mô hình tác dụng lực theo kiểu cắt góc (C/G) áp dụng cho việc thí nghiệm mẫu ở phạm vi các nhiệt 12 độ ≥20oC (hình 1.6: Nguyên lý thí nghiệm mẫu Hình 1.7: Nguyên lý thí nghiệm mẫu bitum dạng kéo-nén [15] Bitum dạng cắt góc [15] Khi tác dụng lực theo mô hình kéo nén (Hình 1.6) thì giá trị mô đun động của bitum (|E*b|) được xác định theo phương trình (1.4) và mô đun cắt động của bitum được xác định theo giá trị mô đun động (|E*b|) theo phương trình quan hệ tương quan gần đúng (phương trình 1.5) với giả thiết ở nhiệt độ cao bitum trở thành vật liệu không chịu nén có hệ số poát xông của bitum xấp xỉ bằng 0. Trong mô hình (C/G) giá trị |G*| được xác định theo phương trình 1. cos b ; E'' E ' tg b ; Fs 2 và | Eb *| E '2 E "2 Se S 1 2 e S1 |Eb*|≈ 2|G*|.6) G'cos b ; G '' sin b ; và | G* | G '2 G "2 R ln r Trong phương trình (1.
|Eb*|: Mô đun động của bitum, (Pa) và |G*| mô đun cắt động của bitum, (Pa). |K|: Mô đun độ cứng của bitum (N/m); δb: Độ trễ pha của ứng suất so với biến dạng, (o) H và D lần lượt là chiều cao mẫu và đường kính mẫu, (m) Se: Diện tích mẫu chịu tác dụng của lực trong thí nghiệm (m2). 𝑆𝑒 = 𝜋𝐷 2 /4 S1: Diện tích xung quanh của mặt ngoài mẫu (m2). 𝑆1 = 𝜋DH và 13 Fs: Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào kích thước mẫu Trong phương trình 1.6 (mô hình C/G): |K| và δb có ý nghĩa như phương trình 1.
