Chương 1: Tổng quan Chương 2: Về đặc trưng kháng cắt của BTN Chương 3: Lựa chọn phương pháp thí nghiệm xác định các đặc trưng kháng cắt của BTN trong điều kiện Việt Nam Chương 4: Chế tạo thiết bị thí nghiệm và áp dụng khảo sát đặc trưng kháng cắt của BTN Kết luận. TỔNG QUAN Mục tiêu của luận án là tìm hiểu được vai trò và tầm quan trọng của đặc trưng kháng cắt của bê tông nhựa sử dụng trong kết cấu mặt đường mềm; lựa chọn được các chỉ tiêu cơ lý đại diện cho đặc trưng kháng cắt (sau đây gọi là đặc trưng kháng cắt) của bê tông nhựa; đề xuất được phương pháp xác định các đặc trưng kháng cắt; áp dụng xác định được đặc trưng kháng cắt cho một số loại bê tông nhựa điển hình tại Việt Nam. Do vậy, nghiên cứu tổng quan sẽ gồm các nội dung chính sau: - Giới thiệu sơ bộ về kết cấu mặt đường; - Tổng quan về bê tông nhựa; - Tổng quan về các đặc trưng cơ lý điển hình của bê tông nhựa; - Về các phương pháp thiết kế thành phần bê tông nhựa.1 Tổng quan về kết cấu mặt đường và vật liệu bê tông nhựa 1.1 Kết cấu mặt đường 1.1 Cấu tạo chung Trên thế giới cũng như ở Việt Nam [17], [24], [76], áo đường là công trình được xây dựng trên nền đường bằng nhiều lớp vật liệu có độ cứng và cường độ lớn hơn so với đất nền để phục vụ cho xe chạy, trực tiếp chịu tác dụng phá hoại thường xuyên của các phương tiện giao thông và của các nhân tố thiên nhiên (mưa gió, sự biến đổi nhiệt độ).1 Cấu tạo các tầng, lớp trong kết cấu áo đường Kết cấu áo đường nói chung thường được bố trí gồm nhiều tầng, lớp có nhiệm vụ khác nhau như hình 1. Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu là kết cấu áo đường mềm hoặc nửa cứng, có tầng mặt cấp cao A1 bằng bê tông nhựa, tuân thủ các quy định hiện hành [17][24].2 Yêu cầu về cấu tạo đối với tầng mặt cấp cao A1 Các lớp thuộc tầng mặt trong kết cấu áo đường cùng với tầng móng và khu vực tác dụng của nền đất làm việc đồng thời, tạo ra cường độ chung của kết cấu nền áo đường.
Về phương diện chịu lực, các lớp thuộc tầng mặt chịu tác dụng trực tiếp của các điều kiện thời tiết khí hậu và tải trọng bánh xe theo phương thẳng đứng và theo phương ngang. Chi tiết về nội dung này cũng như các loại hình hư hỏng của mặt đường sẽ được trình bày chi tiết trong chương 2 của luận án. Về cấu tạo, các lớp thuộc tầng mặt cấp cao A1 đều phải bằng các hỗn hợp vật liệu hạt có sử dụng nhựa đường và lớp trên cùng phải bằng bê tông nhựa chặt loại I trộn nóng. Các lớp phía dưới có thể làm bằng bê tông nhựa loại II, bê tông nhựa rỗng, đá dăm đen, bê tông nhựa nguội (trộn nhựa láng hoặc nhũ tương nhựa) và cả thấm nhập nhựa.
9 Trường hợp đường cao tốc, đường cấp I, cấp II hoặc đường cấp III có quy mô giao thông lớn thì tầng mặt cấp cao A1 có thể bố trí thành 3 lớp hoặc 2 lớp. Trường hợp bố trí thành 3 lớp thì có thể bố trí lớp bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ ở trên cùng với bề dày từ 3,0 - 4,0cm rồi đến 4,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt trung và 5,0 – 6,0cm bê tông nhựa hạt lớn. Hoặc cũng có thể bố trí trên cùng là lớp bê tông nhựa chặt loại I hạt trung dày 4,0 – 5,0cm rồi đến 2 lớp bê tông nhựa hạt lớn dày 5,0 – 6,0cm và 6,0 – 8,0cm ở dưới. Trường hợp bố trí thành 2 lớp thì có thể bố trí trên cùng là lớp bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ dày 3,0 – 4,0cm rồi đến 4,0 -5,0cm bê tông nhựa hạt trung hoặc trên cùng là 4,0 – 5,0cm bê tông nhựa chặt loại I hạt trung rồi đến 6,0-8,0 cm bê tông nhựa hạt lớn.
Trường hợp đường cấp III có quy mô giao thông vừa phải và đường cấp IV đồng bằng thì có thể bố trí tầng mặt gồm 2 lớp hoặc chỉ gồm 1 lớp bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ hoặc hạt trung. Dù bố trí thành 2 lớp hoặc 1 lớp thì tổng bề dày tầng mặt nhựa (là tổng bề dày các lớp mặt có sử dụng nhựa) trong trường hợp này không được dưới 6cm và cũng không nên quá 8 cm. Nếu bố trí thành 2 lớp thì trong trường hợp này lớp dưới không nhất thiết phải bằng bê tông nhựa nóng mà có thể bằng các loại đã đề cập ở điểm 1 nêu trên nhưng lớp trên thì phải bằng bê tông nhựa chặt loại I hạt nhỏ hoặc hạt trung. Nếu dùng lớp thấm nhập nhựa làm lớp mặt dưới thì không cần tưới lớp nhựa chèn đá mạt phía trên.2 Vật liệu bê tông nhựa 1.1 Khái niệm về bê tông nhựa Bê tông nhựa hay còn gọi là bê tông asphalt là hỗn hợp vật liệu khoáng – bitum sử dụng trong xây dựng đường, được hình thành sau quá trình làm hóa cứng hỗn hợp BTN.
Hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm cốt liệu thô, cốt liệu mịn, bột khoáng, bitum dầu mỏ, phụ gia. 10 Hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng, bitum và phụ gia đuợc lựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn và gia công thành một hỗn hợp đồng nhất. Cốt liệu thô đóng vai trò làm tăng thể tích và khối lượng hỗn hợp, làm giảm giá thành, tăng cường độ và độ ổn định của bê tông nhựa. Cốt liệu mịn khi trộn với bitum tạo thành vữa asphalt có tác dụng liên kết cốt liệu lớn, lấp đầy các lỗ rỗng mà cốt liệu lớn để lại, làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, ảnh hưởng lớn tới khả năng làm việc và phạm vi ứng dụng của bê tông nhựa.
Bột khoáng làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ, làm cốt liệu đặc hơn và tăng tỷ lệ bề mặt cốt liệu. Chất lượng của bê tông nhựa phụ thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ nhớt của bitum.2 Cấu trúc của Bê tông nhựa [1][2] Bê tông nhựa là vật liệu có cấu trúc thuộc loại cuội kết nhân tạo, trong đó các cốt liệu khoáng vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết asphalt. Tuy nhiên, quan niệm về cấu trúc của bê tông nhựa cũng có khác nhau: Nếu theo một mô hình đơn giản có thể xem như gồm hai pha cơ bản: pha rắn là cốt liệu khoáng vật gồm đá, cát và bộ khoáng, còn pha lỏng là nhựa. Có người cho rằng xem bê tông nhựa như một vật liệu gồm hai thành phần cấu trúc: một là khung sườn vật liệu khoáng vật gồm đá và cát, hai là chất liên kết asphalt gồm bitum và bột khoáng Có tác giả [2] đề nghị xem bê tông nhựa là một hệ thống gồm ba cấu tử: - Một là cấu trúc vi mô (tế vi) gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết asphalt; - Hai là cấu trúc trung gian gồm cát và chất liên kết ashpalt tạo thành vữa asphalt; - Ba là cấu trúc vĩ mô gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa.
Xét cấu trúc tế vi, ta sẽ thấy rõ các quan hệ số lượng, sự bố trí và tương tác giữa bitum và bột khoáng-thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa. Cường độ của bê tông nhựa biến đổi rất nhiều phụ thuộc vào hàm lượng bột khoáng, vào tỷ 11 số nhựa bitum đối với bột khoáng (B/BK). Khi lượng nhựa nhiều, bột khoáng ít, các hạt bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc trực tiếp với nhau, cấu trúc tế vi này ở dạng bazan, cường độ sẽ nhỏ (thể hiện ở khu vực I trên hình 1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ [bitum/bột khoáng] đến cường độ nén của bê tông nhựa Khi tăng lượng bột khoáng lên, tỷ lệ bitum trên bột khoáng giảm, đến lúc lượng nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng. Các hạt này sẽ tiếp xúc với nhau trực tiếp qua một màng mỏng bitume có định hướng (khoảng 0,25 µm); lúc này, cấu trúc tế vi có cường độ cao nhất, thể hiện ở vùng II trong hình 1.
Nếu tiếp tục tăng lượng bột khoáng lên nữa, bitum sẽ không đủ để tạo màng bọc khắp các hạt; cấu trúc tế vi sẽ tăng lỗ rỗng, các hạt không liên kết được với nhau, cường độ sẽ giảm nhanh, thể hiện ở khu vực III. Xét về cấu trúc trung gian của bê tông nhựa thì thấy rằng khi đưa cát vào chất liên kết asphalt để tạo thành vữa asphalt thì sẽ làm giảm cường độ của hệ thống vì cát đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp. Cấu trúc trung gian cũng ảnh hưởng khá lớn đến cường độ, độ biến dạng, độ chặt và các tính chất khác của bê tông nhựa. Xét cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa: các viên đá là một yếu tố cơ bản để làm thành cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa.
Cấu trúc này được xác định bằng quan hệ số 12 lượng, vị trí tương hỗ, độ lớn của đá dăm. Đá dăm được liên kết với nhau thành một khối sườn không gian trong vữa asphalt. Đồng thời cấu trúc này cũng được xác định bằng tính chất của các quá trình tương tác ở mặt phân giới bitum-đá. Vai trò cấu trúc hóa của đá dăm cũng như của cát, khác nhiều so với vai trò của bột khoáng, vai trò chính của đá dăm là làm thành một sườn không gian bảo đảm cường độ cho bê tông nhựa.
Với lượng đá dăm quá ít, chúng chỉ như các hạt trơ bơi trong vữa asphalt. Các hạt đá dăm nằm cách xa nhau bởi các lớp vữa asphalt dày. Người ta thấy rằng nếu hàm lượng đá dăm chỉ độ 10 – 20% thì còn làm cho cường độ của bê tông nhựa giảm đi so với vữa asphalt vì số đá đó đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp, trong trường hợp này kích cỡ, tính chất bề mặt của đá, tính chất bề mặt của đá dăm chẳng có ảnh hưởng gì lớn đến chất lượng bê tông nhựa. Khi tăng lượng đá dăm lên, sẽ làm tăng các tiếp xúc trực tiếp giữa các viên đá qua một màng mỏng bi tum có định hướng.
Khi đá dăm lên đến 60 – 65% thì trong hỗn hợp bê tông nhựa sẽ lập thành một sườn không gian, các hạt đá dăm sẽ tiếp xúc với nhau trực tiếp qua một màng bi tum rất mỏng có tính rắn. Nếu ta thêm đá dăm và nữa thì sẽ thành cấu trúc tiếp xúc, độ rỗng tăng lên nhiều, lớn hơn thể tích vữa asphalt, làm cho bê tông nhựa giảm cường độ (hình 1.