Các yếu tố ảnh hưởng tới mô-đun phức động của bê tông nhựa

ThS. Nguyễn Như Hải CDM Smith Consultant Người phản biện: TS. Nguyễn Quang Phúc

TÓM TẮT: Mô-đun phức động của bê tông nhựa (BTN) là thông số đầu vào rất quan trọng trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm. Giá trị của mô-đun phức động của BTN phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như loại vật liệu cấu thành (nhựa đường, cốt liệu, phụ gia), tỷ lệ phối hợp giữa các loại vật liệu trong hỗn hợp và hàm lượng nhựa, nhiệt độ, tần số tác dụng của tải trọng... Việc xác định/dự báo giá trị của mô-đun phức động của BTN với độ chính xác cao sẽ giúp kỹ sư mặt đường chọn được giải pháp kết cấu phù hợp, giúp giảm thiểu các hư hỏng trong khai thác, mang lại lợi ích kinh tế kỹ thuật trong thực tiễn.

TỪ KHÓA: Mô-đun phức động, bê tông nhựa.

Abstract: Complexdynamic modulus of Asphalt Concrete is a very important input that is used for design and ananysis flexible pavement structures according to Mechanicstic-Empirical Design. Dynamic modulus of asphalt concrete depends on many factors as (source and type of bitumen, aggregates, admixture), proportion of each type of aggregate in mix and bitumen content, temperature, frequency of loading,…. Determination/estimate values of complexdynamic modulus of asphalt concrete with high accuracy shall help the pavement engineer to select a suitable pavement structure, therefore, it will minimize defect/damange of pavement structrure during operation, bringing economic and social benefits.

Keywords: Complex Dynamic modulus, Asphalt concrete.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Mô-đun phức động của BTN là thông số đầu vào rất quan trọng được sử dụng cho phương pháp thiết kế mặt đường theo cơ học thực nghiệm. Việc sử dụng mô-đun phức động để thiết kế kết cấu mặt đường là phù hợp vì thực tế mặt đường phần lớn chịu tải trọng động, ngoại trừ một số rất ít các trường hợp đặc thù như các bãi đỗ xe công cộng hay các vị trí xe ô tô cần phải đỗ lại trong thời gian ngắn.

Bài báo phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới giá trị mô-đun phức động của BTN cũng như đánh giá sự phù hợp khi sử dụng một số mô hình dự báo liên quan tới mô-đun phức động của Hoa Kỳ vào điều kiện cụ thể thực hiện ở Việt Nam. Trong phạm vi bài báo, chỉ xét tới loại BTN nóng và là loại BTN chặt, loại được sử dụng nhiều nhất trong các công trình giao thông đường bộ hiện nay.

2. MỘT SỐ MÔ HÌNH DỰ BÁO MÔ-ĐUN PHỨC ĐỘNG CỦA BTN Ở HOA KỲ

Mô-đun phức động của BTN được xác định bằng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn như AASHTO TP-62, AASHTO TP79, AASHTO T-342, ASTM D3497, EN 12697-26. Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm, Hoa Kỳ đã đưa ra một số mô hình dự báo mô-đun phức động của BTN phụ thuộc vào các thông số đầu vào của thiết kế hỗn hợp BTN và các chỉ tiêu cơ lý của nhựa (phần trăm lọt sàng tại một số cỡ sàng nhất định, tần số tác dụng của tải trọng trong thí nghiệm, loại nhựa sử dụng (|G*| hoặc độ nhớt η), hàm lượng nhựa thiết kế, tỷ trọng lớn nhất lý thuyết của BTN (Gmm) và các đặc tính thể tích)… Dưới đây là một số mô hình phổ biến dự báo mô-đun phức động của Hoa Kỳ được xây dựng trên cơ sở các dữ liệu thực nghiệm. Trong đó, mô hình Witczak (phương trình 1) hiện đang được sử dụng trong phần mềm thiết kế mặt đường mềm theo cơ học thực nghiệm AAHTOWare® Pavement ME Design™ v.2.3.

2.1. Mô hình Witczak truyền thống (Traditional Witczak) [5], [10]

 

 

2.2. Mô hình Witczak cải tiến (Modified Witczak) [5], [10]

 

 

 

 

2.3. Mô hình Hirsch (Hirsch Model)[5], [10]

 

 

 

 

Ngoài các mô hình này, còn có một số mô hình khác cũng được nghiên cứu ở Hoa Kỳ, ví dụ mô hình Idaho,mô hình Al-khateeb Model... [5], [10], [12].

Trong đó:

|E*| - Mô-đun phức động của BTN, (psi);

P200 - Phần trăm hạt lọt qua sàng 0,075mm (sàng số 200);  P₄ - Phần trăm hạt giữ lại trên sàng 4,75mm (số 4).

P_3/8  - Phần trăm hạt giữ lại trên sàng 3/8 (in), 9,5mm.

P_3/4  - Phần trăm hạt giữ lại trên sàng 3/4 (in), 19mm; Va - Độ rỗng dư của hỗn hợp BTN (% theo thể tích); Vbe - Phần trăm hàm lượng nhựa có hiệu của BTN theo thể tích (%);

f  - Tần số tác dụng của tải trọng, (Hz);

η - Độ nhớt của nhựa tại nhiệt độ tính toán (10⁶ Poise);

|G*| - Mô-đun cắt phức của nhựa, (psi);

δ - Góc trễ pha của nhựa, (độ);

Pc - Hệ số tiếp xúc cốt liệu, VFA - Độ rỗng lấp đầy nhựa, (%); VMA - Độ rỗng cốt liệu, (%).

3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI MÔ-ĐUN PHỨC ĐỘNG CỦA BTN

Qua các mô hình dự báo mô-đun phức động ở trên và một số nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới thì giá trị của mô-đun phức động phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố như cấp phối thiết kế, loại cốt liệu, kích cỡ hạt của cốt liệu, nhiệt độ, tần số tác dụng của tải trọng, loại nhựa sử dụng, hàm lượng nhựa, loại phụ gia, các đặc tính thể tích của hỗn hợp thiết kế… Đã có nhiều nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới giá trị mô-đun phức động của BTN:

3.1. Bột khoáng: Bột khoáng có khả năng làm tăng giá trị của mô-đun phức động của BTN, do bột khoáng có tác dụng làm tăng độ cứng của nhựa, tuy nhiên tỷ lệ bột khoáng không nên quá nhiều sẽ làm yếu hỗn hợp BTN do hàm lượng nhựa phải tăng lên theo [7].

3.2. Vôi thủy hóa: Vôi thủy hóa có tác dụng tăng giá trị của mô-đun phức động, ngoài ra còn có khả năng giảm độ ẩm có trong cốt liệu và tăng liên kết đá - nhựa [2].

3.3. Ảnh hưởng của thành phần hạt, hình dạng hạt và độ góc cạnh của cốt liệu tới mô-đun phức động của BTN:Nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, giá trị mô-đun phức động của BTN phụ thuộc vào tỷ lệ cốt liệu thô trong hỗn hợp và với cùng các thông số đầu vào trong thiết kế BTN thì cốt liệu có độ góc cạnh càng cao thì giá trị mô-đun càng lớn [13]. Trong một nghiên cứu khác ở bang Washington của Hoa Kỳ, xu hướng ảnh hưởng của thành phần hạt tới giá trị mô-đun phức động không rõ ràng đối với cả hai trường hợp thí nghiệm ở nhiệt độ cao - tần số thấp và ở nhiệt độ thấp - tần số cao[10].

3.4. Ảnh hưởng của giá trị độ rỗng dư (Va):Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, giá trị mô-đun phức động bị ảnh hưởng nhiều bởi giá trị của độ rỗng dư. Độ rỗng dư càng lớn thì mô-đun phức động càng nhỏ và ngược lại. Điều này cho thấy, việc kiểm soát chất lượng thi công BTN chặt tại hiện trường rất quan trọng, vì nếu thiết kế hỗn hợp BTN không phù hợp, đầm nén không tốt làm cho BTN có độ rỗng dư cao, mặt đường sẽ sớm hư hỏng [9].

3.5. Ảnh hưởng của loại nhựa sử dụng:Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong hỗn hợp BTN nhưng loại nhựa sử dụng có ảnh hưởng nhiều tới giá trị của mô-đun phức động của BTN, đặc biệt là ở trường hợp nhiệt độ cao, tần số thấp. Trường hợp ngược lại (nhiệt độ thấp, tần số cao) thì ảnh hưởng của loại nhựa sử dụng tới giá trị của mô-đun phức động không nhiều [1],[10] (Hình 3.1 và 3.2).

3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số tác dụng của tải trọng

Trong nghiên cứu được thực hiện bởi Phòng Dịch vụ nghiên cứu giao thông ở bang Minnesota của Hoa Kỳ  (Minnesota Department of Transportation Office of Research Services) cho thấy, trong điều kiện tần số tác dụng của tải trọng không đổi, khi nhiệt độ tăng, giá trị mô-đun phức động của BTN giảm và góc trễ pha tăng trong phạm vi nhiệt độ từ -20^oC tới 20^oC. Tuy nhiên, trong phạm vi nhiệt độ từ 40^oC tới 54^oC thì góc trễ pha lại giảm. Còn với điều kiện nhiệt độ thí nghiệm không đổi thì giá trị mô-đun phức động tăng khi tần số tác dụng của tải trọng tăng trong khi giá trị của góc trễ pha nói chung có xu hướng ngược lại [4].

3.7. Ảnh hưởng của kiểu hỗn hợp, nguồn cốt liệu và loại nhựa

Nghiên cứu được thực hiện ở bang Oklahoma của Hoa Kỳ, với hai kiểu hỗn hợp S3 và S4 có đường cỡ hạt danh định lớn nhất 19mm và 12,5mm và 3 loại nhựa gồm PG64-22, PG70-28 và PG76-28. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy, nguồn nhựa, loại nhựa và hàm lượng nhựa có ảnh hưởng tới giá trị của mô-đun phức động, nguồn cốt liệu và thành phần hạt với cùng phân loại của NCDOT Superpave dường như không có dấu hiệu ảnh hưởng tới giá trị của mô-đun phức động [6], [10].

4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ MÔ-ĐUN PHỨC ĐỘNG CỦA BTN

Nghiên cứu thực nghiệm về mô-đun phức động của BTN được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học GTVT, với hai loại nhựa khác nhau là nhựa 35/50 và nhựa 60/70. Kết quả nghiên cứu giá trị mô-đun phức động của hai loại BTN ở các nhiệt độ và tần số khác nhau ở Hình 4.1 với các thông tin về cấp phối thiết kế và hàm lượng nhựa tối ưu như Bảng 4.1:

5. ĐÁNH GIÁ SỰ PHÙ HỢP CỦA VIỆC ÁP DỤNG MÔ HÌNH DỰ BÁO MÔ-ĐUN PHỨC ĐỘNG CỦA BTN Ở HOA KỲ VÀO VIỆT NAM

5.1. Các dữ liệu sử dụng để dự báo mô-đun phức động của BTN

Trong phạm vi bài báo chỉ thực hiện các đánh giá dự báo mô-đun phức động của BTN sử dụng loại nhựa 60/70 theo 3 mô hình đã nêu ở mục 2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm mô-đun phức động của BTN trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học GTVT như Bảng 5.1:

Bảng 5.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm giá trị mô-đun phức động của BTN

 

5.2. Đánh giá kết quả

Trong phạm vi bài báo, do dữ liệu còn ít nên chỉ so sánh mức độ của các mô hình dự báo khác nhau theo các giá trị của hệ số xác định điều chỉnh R²_adj (adjusted coefficient of determination).

Sử dụng phần mềm phân tích thống kê Minitab17 đánh giá sự phù hợp của các mô hình. Kết quả so sánh sự khác nhau giữa các mô hình như Hình 5.1 và các trình hồi quy, hệ số xác định điều chỉnh R²_adj như Bảng 5.2.

Bảng 5.2. Phân tích sự phù hợp các mô hình E*

 

R²_adj là giá trị điều chỉnh của hệ số xác định R²_, (%). R²_adj>90 là rất tốt; trong phạm vi (70-89) là tốt; (40-69) là khá; (20-39) là kém và

Hình 5.1: Sự khác nhau giữa giá trị thực nghiệm của E*  giá trị dự báo của các mô hình

Nhận xét thấy mô hình Hirsch cho kết quả phù hợp nhất với giá trị thí nghiệm. Kết quả này cũng phù hợp với một nghiên cứu được thực hiện ở Đại học Auburn “Auburn University” Hoa Kỳ năm 2009 [8].

6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Qua các kết quả thực nghiệm cũng như kết quả của các hệ số tương quan R² của các mô hình nghiên cứu ở trên, rút ra một số kết luận sau:

- Ở nhiệt độ càng cao, tần số càng thấp thì giá trị mô-đun phức động của BTN (E*) càng giảm và ngược lại.

- BTN sử dụng loại nhựa có độ quánh cao (nhựa 35/50) có giá trị mô-đun phức động cao hơn so với BTN sử dụng nhựa có độ quánh thấp hơn trong cùng điều kiện thiết kế mẫu và thí nghiệm. 

- Sơ bộ có thể kết luận rằng có thể áp dụng các mô hình dự báo mô-đun phức động ở Hoa Kỳ để dự báo giá trị mô-đun phức động của BTN ở Việt Nam theo một trong 3 mô hình ở trên.

- Dựa trên các nghiên cứu ban đầu có thể sơ bộ kết luận mô hình Hirsh cho kết quả dự báo phù hợp nhất so với thực nghiệm. Để có thể khẳng định rõ mô hình nào có khả năng phù hợp nhất theo điều kiện cụ thể của Việt Nam, các hệ số thực nghiệm trong các mô hình có cần phải điều chỉnh hay không và như thế nào thì cần phải tiến hành làm thêm nhiều thí nghiệm khác để đánh giá. Điều này cũng phù hợp với nhận xét trong nghiên cứu của một số quốc gia khác như Hàn Quốc [3], Úc [11].

- Giá trị mô-đun phức động của BTN là thông số đầu vào rất quan trong của vật liệu BTN sử dụng để thiết kế kết cấu mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm. Việc đánh giá và hiệu chỉnh các hệ số thực nghiệm của mô hình dự báo để chọn ra mô hình dự báo phù hợp theo điều kiện Việt Nam sẽ có ý nghĩa thực tiễn cao, giúp cho các kỹ sư thiết kế có thể sử dụng các mô hình để dự báo giá trị của mô-đun phức động E* của BTN. Những nghiên cứu thực hiện tiếp theo trên tập mẫu đủ lớn làm cơ sở để xác định rõ mô hình nào có khả năng dự báo phù hợp nhất theo điều kiện cụ thể ở Việt Nam cũng như điều chỉnh lại một số hệ số thực nghiệm trong mô hình.

Tài liệu tham khảo

[1]. Nguyễn Mai Lân, Nguyễn Quang Tuấn, Hoàng Thị Thanh Nhàn (11/2015), Nghiên cứu mô-đun phứcđộng củanhựađường 60/70 sửdụng tại Việt Nam bằng thínghiệm trênmáyDMA (Dynamic Mechanical Analyzer), Tạp chí GTVT, số 11.

[2]. Javed Bari and Matthew W. Witczak (2005), Evaluation of the Effect of Lime Modification on the Dynamic Modulus Stiffness of Hot-Mix Asphalt, Use with the New Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide.

[3]. Yoon-Ho Cho, Dae-Wook Park, Sung-Do Hwang (2009), A predictive equation for dynamic modulus of asphalt mixtures used in Korea, Elsevier Ltd.

[4]. Timothy R. Clyne, Xinjun Li, Mihai O. Marasteanu, Eugene L.Skok (2003), Dynamic and Resilient Modulus of Mn/DOT Asphalt Mixture, Report No, MN/RC - 2003-09 [21].

[5]. Y. Richard Kim, B. Under wood, M. Sakhaei Far, N. Jackson, and J. Puccinelli (2011), LTPP Computed Parameter: Dynamic Modulus.

[6]. SUMESH KC (2007), Evaluation of Dynamic Modulus Values of OKLAHOMA Mixes.

[7]. A.F. Nikolaides (2015), Bituminous Mixtures & Pavements VI, CRC Press, Taylor & Francis Group.

[8]. Mary Marjorie Robbins (2009), An Investigation into Dynamic Modulus of Hot- Mix Asphalt and Its contributing factors.  

[9]. Youngguk Seo, Omar El-Haggan, Mark King, S. Joon Lee, P.E. and Y. Richard Kim, P.E. (2007), Air Void Models for the Dynamic Modulus, Fatigue Cracking, and Rutting of Asphalt Concrete.

[10]. Shihui Shen, Huanan Yu (2012), An Investigation Of Dynamic Modulus And Flow Number Properties Of Asphalt Mixtures In Washington State.

[11]. Saeed Yousefdoost et al (2013), Evaluation of Dynamic Modulus Predictive Models                    for Typical Australian Asphalt Mixes, 15th AAPA International Flexible Pavement Conference.

[12]. Md. Yusoff, N. I., Monieur, D., Airey, G. D (2010), The 2S2P1D: An Excellent Linear Viscoelastic Model, UNIMAS e-Journal of Civil Engineering.

[13]. Huanan Yu, Shihui Shen (2011), Impact of aggregate packing on dynamic modulus of hot mix asphalt mixtures using three-dimensional discrete element method.