KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Só 06/2021
Nghiên cúu xác định hệ số nhớt của bê tông nhựa trong điều kiện Việt Nam
■ ThS. VŨ TRUNG HIẾU
Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải
■ GS.TS. PHẠM CAO THĂNG Học viện Kỹ thuật Quân sự
■ PGS.TS. NGUYỄN QUANG PHÚC Trường Đại học Giao thông vận tải
TÓM TĂT: Nội dung bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu về hệ số nhớt của bê tông nhựa (BTN) đang đuợc sủ dụng phổ biến tại Việt Nam, bao gồm các nội dung nghiên cứu về phương pháp chế tạo mẫu, phương pháp thí nghiệm và xử lý kết quả thí nghiệm khi xác định hệ số nhớt của vật liệu BTN tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu bước đầu cung cấp thêm một số liệu làm căn cứ tính toán, lựa chọn loại BTN đáp ứng khả năng chống hằn lún vệt bánh xe khi xây dựng mặt đường ô tô và sân bay trong điều kiện Việt Nam.
TỬ KHÓA: Hệ số nhớt, hằn lún vệt bánh xe.
ABSTRACT: The article introduces some research results; including research content on sample manufacturing methods, testing methods and experimental results processing when determining the viscosity coefficient of asphalt concrete; that are commonly used in Viet Nam. The results of the study initially provide additional data as a basis for selecting the type of asphalt to meet the resistance of wheel rutting when building the road surface of cars and airports in Viet Nam.
KEYWORDS: Viscosity coefficient, rutting depth.
1 .ĐẶTVẤNĐỂ
Những năm gần đây, do lưu lượng xe lưu thông trên đường gia tăng nhanh, kết hợp với lưu hành nhiều trục xe có tải trọng lớn, nên trên hầu hết các tuyến quốc lộ của Việt Nam, hiện tượng hằn lún lớp BTN mặt đường xuất hiện khá phổ biến và có chiều sâu hằn lún lớn, gây mất an toàn cho các phương tiện xe lưu hành trên đường, gây hư hỏng kết cấu mặt đường. Các nhà khoa học đã có nhiều nghiên cứu nhằm giải quyết vấn để trên, trong đó hướng nghiên cứu
về tính toán dự báo biến dạng hằn lún để lựa chọn loại BTN có cường độ kháng hằn lún phù hợp với yêu cẩu khai thác của mặt đường là một hướng nghiên cứu nhận được nhiều sự quan tâm. Trong tính toán hằn vệt bánh xe thường áp dụng các phương pháp tính theo phương pháp tính toán lý thuyết, các phương pháp thực nghiệm [3] hoặc phương pháp cơ học thực nghiệm [2], Theo các phương pháp tính toán lý thuyết, sử dụng các thông số đặc trưng sức kháng cắt trượt của vật liệu BTN là góc nội ma sát (<p), lực dính (C), năng lượng kích hoạt biến dạng nhớt dẻo (U), hệ số dẻo (m) của BTN nếu tính toán theo nguyên lý cơ học môi trường rời hoặc theo thông số hệ số nhớt (q) của BTN nếu tính theo nguyên lý cơ học môi trường liên tục.
Trong bài báo này, nhóm tác giả giới thiệu một số kết quả nghiên cứu bước đầu về xác định giá trị hệ số nhớt của vật liệu BTN được sửdụng phổ biến ỞViệt Nam là BTNC12.5 sử dụng nhựa 60/70 thiết kế thành phần theo TCVN 8819:2011 [1 ]. Các nghiên cứu thử nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Công nghệ GTVT.
2 . PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
Hệ số nhớt của BTN là đại lượng được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu của Liên bang Nga, Trung Quốc.
Các nhà khoa học Nga đã đưa ra một số phương pháp thí nghiệm xác định hệ số nhớt như sau:
2.1. Phương pháp thí nghiệm trực tiếp [4]
Quy trình thí nghiệm trực tiếp xác định hệ số nhớt của BTN sử dụng phương pháp thí nghiệm không phá hủy, mô tả đúng đặc tính nhớt của BTN trong điểu kiện làm việc thực tế, trong đó xuất hiện biến dạng dẻo dẫn đến sự hình thành những hư hỏng như: hằn lún vệt bánh xe, lượn sóng, trượt...
Bản chất của phương pháp xác định độ nhớt của BTN là việc xác định biến dạng dẻo trong mẫu dạng trụ khi nén dọc trục dưới tác dụng của tải trọng cố định, các bước chuẩn bị cho thực hiện thử nghiệm như sau:
- Chế tạo mẫu hình trụ có chiểu cao và đường kính 100 mm số lượng không quá 3 mẫu. Trước khi thực hiện thử nghiệm, các mẫu này được giữ ở nhiệt độ 50±2°C trong vòng 1h.
- Mẫu được lấy từ thiết bị ổn định nhiệt và gắn vào thiết bị thí nghiệm như sau: Sử dụng tấm ép cứng có
55
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Só 06/2021
đường kính 25 - 50 mm được bố trí cố định dọc theo trục của mẫu, xác định chiều cao ban đầu của mẫu: gia tải thông qua tấm ép kim loại với áp suất 2 MPa trong vòng 10 phút và duy trì nhiệt độ mẫu trong suốt quá trình gia tải, xác định giá trị biến dạng dọc trục của mẫu sau 1 phút dỡ tải. Tùy thuộc vào độ nhớt của mẫu và giá trị biến dạng sau thời gian thử nghiệm, có thể điểu chỉnh lực gia tải lên mẫu lớn hơn hoặc nhỏ hơn 2 MPa sao cho giá trị biến dạng dọc trục sau thời gian thử nghiệm không nhỏ hơn 1 mm và không quá 5 mm. Hệ số nhớt của BTN khi đó được xác định theo công thức:
k.F.t
riv. - ----77-.- ,—7-7- , MPa .s ,,' 50 3.7T.</4.(r2-V) (1) Trong đó:
F - Tải trọng gia tải, N;
t-Thời gian gia tải, s;
d - Đường kính tấm ép cứng, mm;
h0 - Chiểu cao ban đầu của mẫu, mm;
h - Chiều cao mẫu sau khi nén, mm.
k - Hệ số phụ thuộc vào kích thước mẫu, khuôn gia tải và điểu kiện biến dạng. Theo quy trình N° OC-556-p OT 24.06.2002 [4], khi sử dụng mẫu trụ tiêu chuẩn có chiều cao mẫu H bằng với đường kính D và bằng 50 mm, khuôn gia tải cũng có đường kính 50 mm và thí nghiệm ở nhiệt độ 50°C, hệ số k lấy bằng 32.
Hệ số nhớt của BTN là giá trị trung bình thu được theo kết quả của 3 lần thí nghiệm độc lập trên 3 mẫu.
Ưu điểm: Phương pháp thí nghiệm mô tả đúng điểu kiện làm việc thực tế của BTN, có thể áp dụng thực hiện với tất cả các loại BTN do sử dụng mẫu D71,4mm và phương pháp thí nghiệm là phương pháp trực tiếp.
Nhược điểm: Phải xác định hệ số k ứng với từng loại mẫu, khuôn gia tải và nhiệt độ thí nghiệm cụ thể. Ngoài ra, để xác định được hệ số nhớt của vật liệu BTN ở nhiệt độ thấp cẩn có thiết bị có khả năng gia tải lớn, là thiết bị gia tải chuyên dụng.
2.2. Phương pháp thí nghiệm gián tiếp [5,7]
Theo Gorelyshev N.v, hệ số nhớt của vật liệu BTN cũng có thể xác định bám theo Quy định tại GOST 12801-98 [3]:
Thí nghiệm xác định tải trọng phá hoại mẫu và biến dạng tương ứng của mẫu lãng trụ tiêu chuẩn có chiều cao mẫu H bằng với đường kính D và bằng 71,4 mm (chiểu cao của mẫu cho phép là 71,4 mm ± 1,5 mm) với trạng thái ứng suất biến dạng nén dọc trục. Thử nghiệm được tiến hành ở các mức nhiệt độ khác nhau (ngâm mẫu trong bể ổn nhiệt 60 phút). Gia tải sao cho mẫu bị phá hoại, đọc giá trị gia tải lớn nhất khi mẫu bị phá hoại (Rn). Hệ số nhớt có thể tính như sau:
n = (Rn/a)3, MPa.s, (2)
Trong đó:
Rn - Cường độ phá hoại khi nén mẫu BTN, phụ thuộc vào nhiệt độ tính toán, MPa;
a - Hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào loại BTN và nhiệt độ tính toán. Với BTNC có đường kính danh định D từ 10 đến 15 mm chiếm 40 - 50%, với nhựa bitum 60/70, theo [5,7], a được xác định theo công thức:
aT = 0^0001065.T2 + 0,00245.T + 0,0473, (3)
Với: T - Nhiệt độ tính toán trong phạm vi từ (5 - 70)°C Ưu điểm: Phương pháp thí nghiệm không cần thiết bị gia tải có lực gia tải lớn, có thể thực hiện trong điểu kiện trang thiết bị thí nghiệm tại Việt Nam.
Nhược điểm: Độ nhớt được xác định theo phương pháp phá hủy thường cho giá trị thấp hơn giá trị độ nhớt khi thí nghiệm bằng phương pháp không phá hủy do biến dạng dẻo tích lũy trong quá trình thí nghiệm.
Căn cứ ưu, nhược điểm của các phương pháp thí nghiệm, các tài liệu liên quan và điều kiện phương tiện thí nghiệm hiện có tại cơ sở nghiên cứu, nhóm tác giả lựa chọn phương án thí nghiệm gián tiếp theo Gorelyshev.
3. THÀNH PHÁN VẬT LIỆU
Thiết kế hỗn hợp BTNC12.5 là lựa chọn được cấp phối cốt liệu hợp lý và hàm lượng bitum tối ưu vể mặt kinh tế mà vẫn thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật. Hàm lượng bitum tối ưu được xác định thông qua các chỉ tiêu vé độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu, độ ổn định Marshall, độ dẻo...
Cốt liệu và bột khoáng sử dụng trong thử nghiệm là cốt liệu nghiền có nguồn gốc từ mỏ đá Sunway (Phú Mãn - Quốc Oai - Hà Nội), cường độ đá gốc là 105 MPa. Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu đáp ứng các tiêu chuẩn của Việt Nam TCVN 8819:2011 [1 ] và được trình bày được trình bày ở Bảng 3.1.
Bảng 3.7. Các chi tiêu cơ lý của cốt liệu Chỉ tiêu thí
nghiệm Đơn vị
Kết quả
Đá 10x20 Đá 5x10 Đá 0x5 Bột khoáng Hàm lượng
bụi, bùn, sét % 0,32 0,57 0,67 -
Hàm lượng
hạt thoi dẹt % 8,75 8,97 - -
Độ hao mòn
Los Angeles % 16,03 16,17 - -
Hàm lượng hạt mém yếu phong hóa
% 0,45 1,05 - -
Tỷ trọng khối g/cm3 2,875 2,86 2,847 2,806
Độ hút nước % 0,53 0,84 1,40 -
Đối tượng nghiên cứu được lựa chọn là hỗn hợp BTNC12,5 có kích cỡ hạt lớn nhất danh định bằng 12,5 mm.
Tiêu chuẩn về cấp phối cốt liệu được lựa chọn thiết kế theo TCVN 8819:2011 [1 ]. Các giá trị cụ thể của thành phẩn cấp phối được thể hiện ở Bảng 3.2. Kết quả thiết kế thành phẩn hỗn hợp vật liệu khoáng được thể hiện ở Hình 3.1.
Bảng 3.2. Thành phẩn cấp phối lụa chọn để thiết kế hỗn họp BTNC12.5
Loại cốt liệu Tỷ lệ
Hàm lượng lọt sàng
19 12,5 9,54,75 2,36 1,18 0,6 0,3 0,15 0,075
Bin 1 Dmax 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Bin 2 Dmax 12.5 17 17 11 3 0 0 0 0 0 0 0
Bin 3 Dmax9.5 25 25 25 24 3 1 0 0 0 0 0
Bin 4 Dmax 4.75 53 53 53 53 51 32 22 14 8 5 3
Bột khoáng 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 4
56
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Só 06/2021
Loại cốt liệu Tỷ lệ
Hàm lượng lọt sàng
19 12,5 9,5 4,75 2,36 1,18 0,6 0,3 0,15 0,075 Cấp phối hỗn
hợp 100 100 93 86 59 38 27 19 13 10 7 TCVN
8819:2011 C12.S
Trên 100 100 89 71 55 40 31 22 15 10
Dưới 100 90 74 48 30 21 15 11 8 6
6 7,84 5,16 3,80 2,01 1,20 1,02 0,83 Cường độ nén trung bình
(Mpa) 8,17 4,96 3,09 1,99 1,36 1,0 0,78 Độ lệch chuẩn, s 0,55 0,32 0,45 0,16 0,13 0,09 0,07 Hệ số biến sai đạt được, Cv
(%) ’ 4,50 4,00 9,50 6,50 6,50 6,50 6,00
Trong thử nghiệm này, tác giả sử dụng bitum 60/70 do Công ty TNHH Nhựa đường Petrolimex. Hàm lượng nhựa tối ưu là 4,5%.
4. PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 4.1. Chê' tạo mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm được thiết kế bám theo quy trình thí nghiệm tại GOST12801 -98: Sử dụng mẫu thí nghiệm dạng lăng trụ tiêu chuẩn có chiều cao mẫu H bằng với đường kính D và bằng 71,4 mm (chiểu cao của mẫu cho phép là 71,4-1,5 mm).
Do tại Việt Nam không có khuôn đúc mẫu với kích thước theo Tiêu chuẩn GOST12801-98 [6], sửdụng phương pháp khoan rút lõi để chế tạo mẫu như sau:
- Đúc mẫu kích thước (300x300x71,4) mm sử dụng khuôn của mẫu thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe.
- Sử dụng khoan rút lõi đường kính 70 mm để khoan mẫu.
- Số lượng mẫu: Với 7 chế độ nhiệt, mỗi chế độ nhiệt thí nghiệm 6 mẫu, tổng 42 mẫu.
4.2. Quy trình thực hiện thí nghiêm
- Đưa mẫu về nhiệt độ thí nghiệm: Ngâm mẫu trong thời gian 60 phút trong bể ổn định nhiệt sau khi đưa nhiệt độ của bể vể nhiệt độ thí nghiệm.
- Lắp đặt mẫu vào thiết bị nén, sử dụng thiết bị thí nghiệm Marshall của hãng Daiwa Kenko - Nhật Bản.
- Cho thiết bị nén mẫu xác định lực khi mẫu bị phá hoại.
- Ghi chép kết quả thí nghiệm.
Các kết quả thí nghiệm được thể hiện ở Bảng 4.1.
Bảng 4.1. kết quả thửnghiẹm
Mẫu thí nghiêm
cường độ nén mẫu, Mpa 10°C 20°C 30ứC 40°C 50°C 60°C 65°c 1 8,16 4,74 3,45 2,01 1,42 1,04 0,72 2 8,67 5,14 2,97 1,95 1,28 0,86 0,70 3 7,25 4,68 2,94 2,28 1,47 1,12 0,75 4 8,48 4,66 2,73 1,79 1,26 1,04 0,86 5 8,62 5,43 2,65 1,90 1,53 0,96 0,86
Từ kết quả thu thập được, qua quá trình xử lý số liệu theo phần mềm Minitab 19, nhóm tác giả đã xây dựng được phương trình quan hệ tối ưu giữa cường độ phá hoại mẫu và nhiệt độ thí nghiệm tương ứng như sau:
Rn = 12,82 - 0,5544 T + 0,009308 T2 - 0,000056 T3 (4) Trong đó: R - Cường độ phá hoại mẫu BTN, Mpa;
T - Nhiệt độ tính toán từ 10 - 65°c.
Hàm quan hệ có Hệ số xác định R2 = 98,7% tương ứng với tỷ số Se/Sy = 0,116 < 0,35 chứng tỏ phản ánh chính xác mối quan hệ giữa cường độ phá hoại mẫu (MPa) và nhiệt độ làm việc của mẫu (°C).
Hình 4.1: Quan hệ giũa cường độ nén và nhiệt độ
Từ công thức (2) ta cũng có thể xây dựng hàm số thể hiện mối quan hệ giữa hệ số nhớt (r|) và nhiệt độ (T) như sau:
- f 12,82 - 0,5544T + 0,0Ũ9308.T2 - 0,000056T3 V 0,0473 + 0,00245.7+ 0.0001065.7’2 J í5) Kết quả tính toán hệ số nhớt BTN theo công thức (5) thể hiện trên Bảng 4.2.
Bảng 4.2. Hệ số nhớt phụ thuộc nhiệt độ Nhiệt độ
(°C)
Hệ số nhớt cùa BTN (MPa.s)
10 966114,8
20 46846,6
30 2798,9
40 236,6
50 31,0
60 4,7
65 1,3
So sánh hệ số nhớt của loại BTNC12,5 theo TCVN 8819:2011, tính theo công thức (5) và Bảng 4.2, có giá trị tương tự với hệ số nhớt của BTN của Nga trong [4,5,7], Theo [4,5,7], với BTN có hàm lượng cốt liệu thô có D lớn hơn 4,75, chiếm từ 40 - 50%, sử dụng nhựa đường 60/70, cho hệ số nhớt ở 50°C, có giá trị từ 30 - 55 MPa.s, giá trị cụ thể phụ thuộc hàm lượng cốt liệu thô.
57
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ SóOó/2021
5. KẾT LUẬN - KIÊN NGHỊ
Qua kết quả nghiên cứu bước đầu về hệ số nhớt của BTNC12.5 sử dụng tại Việt Nam cho thấy:
Trong điểu kiện các phòng thí nghiệm hiện có của Việt Nam, hoàn toàn có thể thực hiện thí nghiệm xác định hệ số nhớt của các loại BTN phục vụ tính toán biến dạng hằn lún lớp BTN mặt đường.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng đã xác định được quan hệ giữa hệ số nhớt của loại BTNC12.5 theo TCVN 8819:2011 phụ thuộc nhiệt độ. Có thể ứng dụng kết quà xác định hệ số nhớt theo công thức (5) trong tính toán xác định chiểu sâu vệt hằn lún lớp BTNC12.5 mặt đường trong điều kiện của Việt nam bằng phương pháp tính toán lý thuyết theo nguyên lý cơ học môi trường liên tục.
Tài liệu tham khảo
[1], Bọ Khoa học và Công nghệ, TCVN 8819:2011, Mặt đường BTN nóng - yêu cầu thi công và nghiệm thu.
[2], Guide for Mechanistic, Empirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures, 2004.
[3], Rajib B. Mallick and Tahar El- Korchi, Pavement engineering - Principles and Practice.
[4], N° OC-556-p OT 24.06.2002, PeKOMendapuu no BbineneHUK) uycmpaneHUK) KOfieu Ha He>KecmKuxdopo>KHbix odexsdax- M 2002.
[5] . ropenbiweB H.B. (1998), PẽKOMeHỜaưuu no noebiLueHUK) domoeenHocmu SopoMHbix acrpanbmoôemoHHbix noKpbimuũ 6 omHOLueHuu oõpasoeaHUH nfiacmuuecKux decpopMapuú, HayKa n TexHMKa B flopo>KHOíí 0Tpacnn», Ne2.
[6] . GOST 12801-98, Mamepuanbi Ha ocHoee opeaHunecKux BfVKymux Ỗ/1ĨÌ dopoìKHoeo u aopodpoMHoeo cmpoume/ibcmea.
[7] , PyqeHCKTữ A.B., floporKHbie accpanbmoôemoHHbie floKpbimua, M1992.
Ngày nhận bài: 02/4/2021 Ngày chấp nhận đăng: 21/5/2021 Người phản biện: TS. Phạm Đức Phong
TS.Trần Nam Hưng
