CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA, YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG BÊ TÔNG NHỰA MẶT ĐƯỜNG 1. Khái niệm bê tông nhựa (BTN): Bê tông nhựa (Asphalt) là hỗn hợp cấp phối gồm: đá, cát, bột khoáng và nhựa đường, được sử dụng chủ yếu làm kết cấu mặt đường mềm. Phân loại bê tông nhựa: 2. Theo độ rỗng dư, bê tông nhựa được phân ra 2 loại: - Bê tông nhựa chặt (BTNC): Có độ rỗng dư từ 3% đến 6%, dùng làm lớp mặt trên và lớp mặt dưới.
Trong thành phần hỗn hợp bắt buộc phải có bột khoáng. - Bê tông nhựa rỗng (BTNR): Có độ rỗng dư từ 7% đến 12% và chỉ dùng làm lớp móng. Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định của bê tông nhựa chặt, được phân ra 4 loại: - Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 12,5 mm), viết tắt là BTNC 9,5. - Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 19 mm), viết tắt là BTNC 12,5.
- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 25 mm), viết tắt là BTNC 19. - Bê tông nhựa cát, có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 9,5 mm), viết tắt là BTNC. Các đặc tính cơ bản của bê tông nhựa: Các tính chất của BTN thay đổi đáng kể theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ bình thường chúng có tính đàn hồi - dẻo, khi nhiệt độ tăng có tính chảy dẻo, khi nhiệt độ giảm BTN trở nên giòn.
Các tính chất của BTN là cường độ, độ bền, độ dẻo, độ ổn định nhiệt, độ ổn định nước, độ hao mòn, độ rỗng, tính dễ tạo hình. Cường độ: Tính chất cơ học của BTN phụ thuộc vào khả năng chịu lực và độ ổn định của BTN ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau * Cường độ chịu nén - Cường độ chịu nén là cường độ giới hạn khi nén mẫu chuẩn trong điều kiện nhiệt độ và đặt tải theo quy định. Cường độ chịu nén của BTN được xác định tại nhiệt độ 50oC, 20oC, 0oC. Cường độ ở 50oC là cường độ tiêu chuẩn, cường độ này biểu thị tính ổn định động của vật liệu làm bê tông, còn ở 0oC - tính chống nứt của BTN.
- Kích thước mẫu chuẩn có đường kính bằng chiều cao d = h = 101mm hoặc 71,4mm hoặc 50,5mm tùy theo độ lớn của vật liệu khoáng. - Hỗn hợp cho mẫu bê tông nhựa nóng từ 140 oC - 160oC; ấm từ 90oC - 130oC, nguội từ 80oC - 100oC. Mẫu nóng và ấm có hàm lượng đá dăm > 35% được làm đặc từ tải trọng rung 0,3 MPa và được đầm nén ở tải trọng 20 MPa, BTN nguội và hàm lượng đá dăm < 35% thì đầm nén với tải trọng 40 MPa. Ở 20oC cường độ giới hạn khi nén của BTN tối thiểu phải đạt từ 2 - 2,5 MPa; ở 50oC cường độ giới hạn khi nén của BTN tối thiểu phải đạt từ 0,8 - 1,0 Mpa.
- Cường độ chịu nén được xác định trên máy nén thủy lực có công suất tới 10 tấn, tốc độ chuyển dịch của pít tông 3±0,5mm/phút. Cường độ chịu nén được tính theo công thức: Rn = P/F (MPa). Trong đó: P là tải trọng phá hoại (N). F là diện tích mặt cắt ngang mẫu thử (mm).
* Cường độ chịu kéo - Một trong những đặc tính quan trọng của BTN làm đường là cường độ chịu kéo, cường độ chịu kéo cao cho phép BTN có độ chống nứt cao khi khai thác. Cường độ chịu kéo của BTN thường được xác định bằng thí nghiệm ép chẻ mẫu bê tông nhựa, gọi là cường độ chịu kéo khi ép chẻ (hay cường độ kéo gián tiếp). Theo thí nghiệm này, khả năng chịu kéo của mẫu 5 vật liệu khi có một lực nén tác dụng đều dọc theo đường sinh của mẫu thử hình trụ, nằm trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua đường kính của hai đáy mẫu thử. Khi lực nén đạt đến trị số tối đa, mẫu thử hình trụ sẽ bị phá hủy theo mặt phẳng thẳng đứng do ứng suất kéo phát sinh vượt quá khả năng chịu kéo của vật liệu mẫu thử.
Cường độ kéo khi ép chẻ thường lớn hơn cường độ kéo dọc trục và nhỏ hơn cường độ kéo khi uốn của mẫu vật liệu. - Đường kính đáy mẫu hình trụ bằng 101 mm (với hỗn hợp có đường kính lớn nhất danh định của cốt liệu là 19mm), chiều cao (dài) tối thiểu là 50mm. Hoặc đường kính đáy mẫu hình trụ bằng 152 mm (với hỗn hợp có đường kính lớn nhất danh định của cốt liệu lớn hơn 19mm), chiều cao (dài) tối thiểu là 75mm. Mẫu thử hình trụ phải được bảo dưỡng trong bể nước ổn nhiệt (hoặc tủ không khí ổn nhiệt) ở nhiệt độ xác định, trong thời gian quy định của yêu cầu thử nghiệm trước khi đưa vào máy nén để ép chẻ.
Một tổ mẫu gồm có ít nhất 3 viên mẫu. - Cường độ chịu kéo khi ép chẻ Rkc được tính theo công thức sau: Rkc .1) Trong đó: Rkc: Cường độ kéo khi ép chẻ, MPa. P : Tải trọng khi phá hủy mẫu hình trụ, N. H : Chiều cao của mẫu hình trụ (chiều dài đường sinh), mm.
D : Đường kính đáy mẫu hình trụ, mm. Cường độ BTN phụ thuộc vào tỷ lệ thành phần vật liệu chế tạo, đặc biệt là sự thay đổi lượng bitum, lượng bột khoáng làm thay đổi đáng kể giá trị cường độ. Ngoài ra, cường độ còn phụ thuộc vào công nghệ làm đặc bê tông, nhiệt độ và tốc độ biến dạng. Khi lượng bi tum không hợp lý thì đều làm giảm khả năng liên kết của bi tum với vật liệu khoáng và tạo nên cấu trúc không hợp lý, vì vậy làm giảm cường độ.
Cường độ BTN phát triển tỷ lệ với 6 độ quánh của bitum. Độ ổn định (độ bền), độ dẻo và cường độ cứng quy ước của bê tông nhựa theo phương pháp Marshall: - Phương pháp Marshall do ông Bruce Marshall, một kỹ sư người Mỹ, đề xuất vào năm 1948. Tiêu chuẩn Việt Nam hiện nay dùng phương pháp Marshall để xác định đặc tính cơ học của BTN. - Độ bền theo Marshall là độ lớn của lực khi phá hoại mẫu kích thước tiêu chuẩn, nếu mẫu có kích thước khác thì được điều chỉnh theo bảng tra.
- Độ dẻo Marshall tính theo đơn vị 0,1mm là độ biến dạng của mẫu bị phá hoại, đọc trực tiếp trên đồng hồ đo biến dạng ở thời điểm mẫu bị phá hoại. - Độ cứng quy ước (tỷ số Marshall) được tính theo công thức: A = 10P/L Trong đó: P: Độ bền Marshall (tải trọng phá hoại), daN. - Độ ổn định, độ dẻo Marshall của BTN là giá trị trung bình của tối thiểu 3 mẫu thí nghiệm đối với mẫu đúc, của tối thiểu 2 mẫu thí nghiệm đối với mẫu khoan, Độ sai lệch giữa các lần thí nghiệm không vượt quá 10%. “TCVN 8819 – 2011, Về mặt đường bê tông nhựa nóng - Yêu cầu thi công và nghiệm thu” Quy định với BTN chặt, độ ổn định 8kN; Độ dẻo Marshall từ 2 - 4 mm.
Tính biến dạng của của bê tông nhựa: - Bê tông nhựa là vật liệu đàn hồi - dẻo nhớt. Tùy theo trạng thái và điều kiện biến dạng có thể xuất hiện tính chất đàn hồi hoặc tính chất dẻo nhớt. Về trạng thái ứng suất - biến dạng, BTN có những tính chất tổng hợp phức tạp: đàn hồi, dẻo nhớt. - Sự xuất hiện tính chất đàn hồi hay tính chất dẻo phụ thuộc vào tỷ lệ giữa thời gian đặt tải và biến dạng.
- Bê tông nhựa cần có độ đàn hồi cao để đảm bảo ổn định khi khai 7 thác. Nếu biến dạng lớn, lớp phủ mặt đường sẽ gây ra các hiện tượng: trượt, lượn sóng, dồn đống, hằn lún vệt bánh xe. Các hiện tượng biến dạng đó xuất hiện và phát triển nhiều ở các vùng nóng trong những ngày hè. Độ dẻo được xác định bằng độ dãn dài tương đối khi kéo ở nhiệt độ thấp nhất và cao nhất khi khai thác.
Khi tải trọng tác dụng thường xuyên sự phát triển của biến dạng phục thuộc vào trị số ứng suất. - Khi tải trọng P nhỏ hơn giới hạn đàn hồi Pk, có hai dạng biến dạng. Biến dạng đàn hồi thuần túy εo có quan hệ bậc nhất với ứng suất, xuất hiện nhanh khi đặt tải trọng, với tốc độ âm thanh và biến dạng cũng mất đi rất nhanh khi bỏ tải trọng. - Biến dạng đàn hồi chậm xuất hiện sau khi đặt tải và phát triển chậm theo thời gian t1.
Khi bỏ tải trọng (P=0) biến dạng mất đi chậm. + Khi P vượt qua giới hạn đàn hồi và nhỏ hơn tải trọng phá hoại P m (Pk<P<Pm), biến dạng dẻo xuất hiện. Khi bỏ tải (P =0) biến dạng không mất đi hoàn toàn mà vẫn còn biến dạng dư (εd). + Đặc trưng biến dạng của BTN được thể hiện qua hai chỉ tiêu: mô dun đàn hồi và độ nhớt.
* Mô đun đàn hồi: Ứng với hai trạng thái giới hạn đàn hồi có thể xác định hai trị số mô đun đàn hồi: - Mô đun đàn hồi ban đầu: E1 = P/ εo. - Mô đun đàn hồi sau: E2 = P/ εs. Trong đó: εo và εs là biến dạng đàn hồi ban đầu và biến dạng đàn hồi chậm. - Biến dạng dư được tính theo công thức: εd = εm – εo – εs Trong đó: εm là biến dạng tổng cộng ứng với thời gian đặt tải.
* Độ nhớt: Độ nhớt của BTN không có giá trị nhất định, tùy thuộc loại chất dính kết, điều kiện thí nghiệm và tốc độ biến dạng ε’ (ε’ = dε/dt). Có thể xác định một số độ nhớt sau: + Độ nhớt giới hạn lớn nhất ηo xuất hiện ở vùng thực tế cấu trúc không bị phá hoại. + Độ nhớt nhỏ nhất ηmin - đối với vùng phá hoại kết cấu. 8 + Độ nhớt hiệu quả: (1.3) Trong đó: Pk : Giới hạn chảy, daN/cm2.
Biến dạng tổng cộng: (1.4) Các chỉ tiêu môđun đàn hồi, độ nhớt và giới hạn chảy ứng với nhiệt độkhai thác bê tông nhựa là rất quan trọng khi kiểm tra chất lượng của chúng. Ưu, nhược điểm chủ yếu của mặt đường bê tông nhựa: 2.1 Những ưu điểm của mặt đường bê tông nhựa: Bê tông nhựa được sử dụng phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới để làm lớp mặt đường ô tô và đường sân bay là do có những ưu điểm chủ yếu sau đây: - Công nghệ chế tạo và thi công đơn giản, thuận lợi cho việc áp dụng cơ giới hoá do đó có tốc độ thi công nhanh, dễ đảm bảo chất lượng cao.