Ảnh hưởng của cốt liệu mịn và bột khoáng đến cường độ kéo uốn của thành phần vữa nhựa trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng

ThS. Ðỗ Vương Vinh PGS. TS. Trần Thị Kim Ðăng Trường Ðại học Giao thông vận tải Người phản biện: PGS. TS. Nguyễn Quang Phúc TS. Lê Vĩnh An

TÓM TẮT: Vữa nhựa trong hỗn hợp bê tông nhựa gồm các hạt cốt liệu mịn (d≤2,36mm), bột khoáng và nhựa đường là thành phần cơ bản quyết định ứng xử cơ học của hỗn hợp bê tông nhựa trong điều kiện khai thác cụ thể. Tính chất cơ học của vữa nhựa có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của hỗn hợp bê tông nhựa, trong đó có khả năng chịu kéo uốn. Cường độ chịu kéo uốn ngoài việc phụ thuộc vào loại và hàm lượng chất dính kết, còn phụ thuộc vào loại bột khoáng và loại cốt liệu mịn. Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm trong phòng xác định cường độ chịu kéo uốn của vữa nhựa có thành phần bột khoáng và cốt liệu mịn khác nhau nhằm tìm ra loại bột khoáng, loại cốt liệu mịn có thể tạo ra vữa nhựa cũng như bê tông nhựa có cường độ kéo uốn cao.

TỪ KHÓA: Vữa nhựa, bê tông nhựa nóng, cường độ kéo uốn, bột khoáng, cốt liệu mịn.

Abstract: The asphalt mortar (fine aggregate matrix) consists of the fine  aggregate (d≤2,36mm), mineral filler and binder is considered as a major component which impacts mostly to mechanic behavior of the hot asphalt mixtures in particular operation conditions. The asphalt mortar performance has a great influence on asphalt mixture’s performances especially the flexural strength. Beside with binder type and binder content, the flexural strength of the asphalt mortar depends on the type of the filler and the fine aggregate. This article presents effects of the filler and the fine aggregate on the flexural strength of the asphalt mortar in order to identify the type of the filler and the fine aggregate that can creat the asphalt mortar as well as the asphalt mixture with the high flexural strength.

Keywords: Asphalt mortar (fine aggregate mixture), hot asphalt mixture, flexural strength, filler, fine aggregate.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm cốt liệu đá dăm, cốt liệu mịn có cấp phối nhất định, bột khoáng và nhựa đường. Chất lượng của hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc vào chất lượng của các vật liệu thành phần và tỉ lệ phối trộn giữa chúng. Xét về cấu trúc vĩ mô, bê tông nhựa có thể được xem gồm 2 thành phần cơ bản là khung cốt liệu lớn (bao gồm các cốt liệu có kích thước d>2,36mm) và vữa nhựa (Hình 1.1). Vữa nhựa gồm cốt liệu mịn (d≤2,36mm), bột khoáng và nhựa đường [5]. Tỉ lệ phối hợp giữa cốt liệu lớn với vữa nhựa sẽ tạo ra bê tông nhựa có cấu trúc khung, cấu trúc bán khung hoặc cấu trúc không có khung [3]. Dù theo loại cấu trúc nào thì tính chất cơ lý của vữa nhựa cũng có ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ lý của hỗn hợp bê tông nhựa trong đó khả năng chịu kéo uốn [4],[7],[8].

Hình 1.1: Thành phần vữa nhựa và cốt liệu thô trong hỗn hợp bê tông nhựa

Ngoài loại và hàm lượng chất dính kết, khả năng chịu kéo khi uốn của vữa nhựa còn phụ thuộc vào tính chất, chất lượng của bột khoáng và cốt liệu mịn. Việc nghiên cứu về loại bột khoáng và loại cốt liệu mịn có khả năng tạo ra vữa nhựa có cường độ chịu kéo cao là có ý nghĩa và cần thiết.

Với mục đích so sánh để xác định được loại bột khoáng, loại cốt liệu mịn có thể tạo loại bê tông nhựa có cường độ kéo uốn cao thì việc nghiên cứu cường độ kéo uốn ở cấp độ vữa nhựa có ưu điểm hơn so với khi nghiên cứu ở cấp độ bê tông nhựa do tiếp cận cơ chế nứt của hỗn hợp bê tông nhựa theo thực tế là vết nứt xuất hiện ở vùng vật liệu vữa bao quanh cốt liệu lớn.

Hình 1.2: Cơ chế xuất hiện nứt từ vùng vật liệu vữa nhựa bao quanh cốt liệu lớn

2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ KÉO UỐN CỦA VỮA NHỰA VỚI BỘT KHOÁNG VÀ CỐT LIỆU MỊN KHÁC NHAU

2.1. Vật liệu thí nghiệm

Các loại vật liệu sử dụng trong nghiên cứu đều là những vật liệu đáp ứng các tiêu chuẩn của Việt Nam để làm bê tông nhựa, cụ thể:

- Nhựa đường Petrolimex có độ kim lún 60/70;

- Bột khoáng sử dụng 3 loại: 1/bột khoáng đạt chuẩn (BKĐC) là bột khoáng được nghiên từ đá vôi của doanh nghiệp Vận tải Hồng Lạc (Hải Dương); 2/ bột khoáng sử dụng 20% vôi thủy hóa thay thế một phần bột khoáng đạt chuẩn; 3/ bột khoáng sử dụng 30% vôi thủy hóa thay thế một phần bột khoáng đạt chuẩn.

- Cốt liệu mịn sử dụng 2 loại cốt liệu mịn thường được sử dụng để làm bê tông nhựa ở miền Bắc gồm: Đá mạt 0x5mm được nghiền từ đá vôi của mỏ đá Thống Nhất (Hải Dương) và cát vàng Sông Lô, Việt Trì, Phú Thọ.

2.2. Thiết kế thành phần vữa nhựa

Bỏ qua sự khác nhau về khả năng hấp phụ nhựa đường của loại cốt liệu mịn và bột khoáng, các loại vữa nhựa đều được chế tạo với hàm lượng nhựa giống nhau. Thành phần cấp phối và hàm lượng nhựa của vữa nhựa được xác định căn cứ vào thành phần của một hỗn hợp BTNC 12,5 có cốt liệu mịn là đá mạt và bột khoáng là bột khoáng đạt chuẩn sử dụng trong nghiên cứu này. Hỗn hợp BTN C12,5 này được thiết kế thành phần theo phương pháp Marshall và phù hợp với Quyết đinh 858/QĐ-BGTVT [2] của Bộ GTVT. Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp bê tông nhựa C12,5 được thể hiện trong Bảng 3.1. Hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp bê tông nhựa C12,5 là 4,6 % theo khối lượng của hỗn hợp với hàm lượng nhựa hấp phụ là 0,26%.

Vữa nhựa được chế tạo gồm các hạt lọt qua sàng 2,36 có trong hỗn hợp bê tông nhựa C12,5 và hàm lượng nhựa được tính như sau [6]:

Hàm lượng nhựa để chế tạo vữa nhựa = hàm lượng nhựa tối ưu - (hàm lượng nhựa hấp phụ vào cốt liệu lớn + Hàm lượng nhựa dính bám vào bề mặt các viên cốt liệu lớn).

Sau khi tính toán xác định được hàm lượng nhựa để chế tạo vữa nhựa là 4,22% tính theo tổng khối lượng của hỗn hợp bê BTNC 12,5, từ đó tính được hàm lượng nhựa của vữa nhựa là 13,6% theo khối lượng hỗn hợp và thành phần hạt như ở Bảng 2.1.

Bảng 2.1.Thành phần cấp phối hỗn hợp thiết kế BTNC12,5 và của vữa nhựa

2.3. Thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn của vữa nhựa

Mẫu thử là mẫu dầm có kích thước 40 x 40 x 160mm được chế tạo bằng cách đúc trong các khuôn thép. Trước khi thí nghiệm, các mẫu đều được ngâm trong bể ổn nhiệt ở nhiệt độ thí nghiệm ít nhất là 2,5h. Các thông số thí nghiệm: Nhiệt độ thí nghiệm là 10^oC [1], tốc độ gia tải là 9,00mm/phút, khoảng cách giữa 2 gối tựa là 100mm. Hình 2.1 thể hiện thí nghiệm kéo uốn mẫu vữa nhựa.

Hình 2.1: Thí nghiệm kéo uốn mẫu vữa nhựa Cường độ kéo uốn σku của mẫu thử được xác định theo công thức sau [1]:

 

 

 

 

Trong đó: P - Tải trọng phá hoại mẫu (N);              

l - Khoảng cách giữa hai gối tựa (mm);

b, h - Chiều rộng và chiều cao mẫu  (mm);

3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

Kết quả thí nghiêm kéo uốn của các loại vữa nhựa được thể hiện trong Bảng 3.1 và Hình 3.1

Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm kéo uốn của các loại vữa nhựa

Hình 3.1: Cường độ kéo uốn của vữa nhựa với các loại cát và bột khoáng khác nhau

Từ kết quả này có một số nhận xét như sau:

- Cường độ kéo cuốn của vữa nhựa sử dụng đá mạt cao hơn đáng kể (khoảng 50%) so với cường độ kéo uốn của vữa nhựa sử dụng cát tự nhiên ở cả ba tỉ lệ sử dụng vôi thay thế một phần bột khoáng. Điều này có thể giải thích là do dính bám giữa nhựa đường với đá mạt được nghiền từ đá vôi tốt hơn sơ với cát vàng sông Lô.

- Vữa nhựa sử dụng cát nghiền, khi sử dụng bột khoáng là vôi thủy hóa thay thế 20% và 30% bột khoáng đạt chuẩn thì cường độ kéo uốn của vữa nhựa tăng 0,89 MPa, 1,53 MPa tương ứng 17,66% và 30,36%. Vữa nhựa sử dụng cát tự nhiên, khi sử dụng bột khoáng vôi thủy hóa thay thế 20% và 30% bột khoáng đạt chuẩn thì cường độ kéo uốn của vữa nhựa tăng 0,41MPa, 0,84MPa tương ứng 12,39% và 25,38%. Điều này cũng có thể giải thích là vôi thủy hóa cải thiện khả năng dính bám giữa nhựa đường với cốt liệu mịn.

5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

- Sử dụng vôi thủy hóa thay thế 20% và 30% bột khoáng đạt chuẩn có thể làm tăng cường độ kéo uốn của vữa nhựa so với vữa nhựa chỉ dùng bột khoáng đạt chuẩn.

- Vữa nhựa sử dụng đá mạt được nghiền từ đá vôi có cường độ chịu kéo cao hơn đáng kể so với vữa nhựa sử dụng cát vàng.

- Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của loại cốt liệu mịn và bột khoáng có sử dụng vôi thủy hóa thay thế một phần bột khoáng đạt chuẩn đến khả năng chống cắt trượt của hỗn hợp vữa nhựa.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ GTVT (1998), Áo đường mềm  - Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế 22TCN 211-06. Hà Nội.

[2]. Bộ GTVT (2014), Quyết định 858/QĐ-BGTVT ngày 26/03/2014. Hà Nội.

[3]. GS. TS. Phạm Duy Hữu và các cộng sự (2010), Bê tông asphalt và hỗn hợp asphalt, NXB. GTVT, Hà Nội.

[4]. GS. TS. Nguyễn Đình Bửu, GS. TS. Dương Học Hải (2006), Giáo trình Xây dựng mặt đường ô tô tập II, NXB. Giáo dục, Hà Nội.

[5]. Brown, E.R, J.E. Haddock and C. Crawford, Investigation of Stone Matrix Asphalt Mortars., Transportation Research Record 1530, Transportation Research Board, National Research Council, Washington, DC, 1996; pp. 95-102.

[6]. Castelo Branco VTF (2008), A unified method for the analysis of nonlinear viscoelasticity and fatigue cracking of asphalt mixtures using the dynamic mechanical analyzer, Ph.D. Dissertation, Texas A&M University, College Station, TX.

[7]. P.M. Muraya (2007), Permanent Deformation of Asphalt Mixtures, Ph.D. Dissertation. Delft University of Technology. The Netherlands.

[8]. Underwood, B. S. (2015), Multiscale modeling approach for asphalt concrete and its implications on oxidative aging, Advances in Asphalt Materials: Road and Pavement Construction. (pp. 273-302). Elsevier Inc.. DOI: 10.1016/B978-0-08-100269-8.00009-X.