Nghiên cứu mô-đun phức động của nhựa đường 60/70 sử dụng tại Việt Nam bằng thí nghiệm trên máy DMA

TS. Nguyễn Mai Lân Viện Giao thông Pháp (IFSTTAR, LCPC cũ) TS. Nguyễn Quang Tuấn TS. Hoàng Thị Thanh Nhàn Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: GS. TS. Bùi Xuân Cậy                       PGS. TS. Trần Thị Kim Đăng

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu thí nghiệm trên máy Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) của hãng MetraviB nhằm nghiên cứu các đặc tính cơ học của nhựa đường. Thiết bị, phương pháp cũng như kết quả thí nghiệm đo mô-đun phức động của nhựa 60/70 đang được sử dụng chủ yếu trong sản xuất bê tông nhựa (BTN) xây dựng đường tại Việt Nam được trình bày. Đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên về thí nghiệm đo giá trị mô-đun phức động của nhựa 60/70 sử dụng tại Việt Nam.

Từ khóa: Nhựa đường, mô-đun phức động, bê tông nhựa.

Abstract: This article introduces the Dynamic Mechanical Analyzers (DMA) test used to study mechanical behaviors of asphalt binder. Equipment and experimental procedure as well as complex modulus test results on the 60/70 asphalt binder mainly used in fabrication of asphalt mixtures for pavement construction in Viet Nam are presented. This is one of first investigation on complex modulus of asphalt binder 60/70 used in Vietnam.

Keywords: Asphalt binder, complex mo-dulus, asphalt mixture.

1. Đặt vấn đề

Ở Việt Nam hiện nay, trong số các loại vật liệu xây dựng đường, vật liệu có chất kết dính nhựa chiếm phần lớn. Có thể kể đến như nhũ tương dùng xử lý bề mặt, các loại BTN dùng làm lớp mặt và lớp móng kết cấu áo đường.

Các dạng hư hỏng của kết cấu áo đường có nguyên nhân chính là những tác động tổng hợp của tải trọng lặp do xe chạy và sự thay đổi liên tục của thời tiết. Do đó, việc nghiên cứu các đặc tính cơ nhiệt của BTN là hết sức cần thiết nhằm cải tiến các phương pháp và công thức tạo ra các loại BTN có khả năng tốt hơn chống lại những tác động nói trên. Để thực hiện công việc đó, ngoài các phương pháp kiểm tra lựa chọn loại đá, loại nhựa phù hợp [1] hay tối ưu hóa cấp phối đá dùng trong hỗn hợp BTN [2] thì hiện nay, hướng nghiên cứu đi tìm mối quan hệ giữa các đặc tính cơ học của nhựa đường và của BTN đang được quan tâm rất lớn. Việc làm này không những cho phép có những hiểu biết sâu hơn về các đặc tính của BTN thông qua các kết quả nghiên cứu trên loại nhựa sử dụng cho BTN đó, mà còn cho phép giảm thiểu số lượng các thí nghiệm tốn nhiều công sức đang được áp dụng hiện nay trên BTN, như thí nghiệm mỏi chẳng hạn. Hiện nay, đã có một vài phương pháp đưa ra mô hình cho phép dự đoán mô-đun phức động của BTN từ kết quả trên nhựa và ngược lại [3] [4], hay một phần ứng xử do mỏi trên BTN cũng có thể được dự đoán từ các kết quả nghiên cứu trên nhựa [5].

Một trong những đặc tính cơ bản của nhựa đường, cũng như các vật liệu có chất kết dính nhựa đường, đó là mô-đun phức động. Việc đo mô-đun phức động được thực hiện trong miền biến dạng nhỏ để ứng xử của nhựa đường nằm trong giai đoạn đàn nhớt.

Do tính chất của nhựa đường thay đổi rất lớn theo nhiệt độ nên dạng tải trọng tác dụng cũng như hình dạng của mẫu thí nghiệm cần phải được thay đổi cho phù hợp với nhiệt độ thí nghiệm. Trên thế giới có một vài dạng máy cho phép thực hiện thí nghiệm đo mô-đun phức động của nhựa đường.

Thí nghiệm sử dụng máy đo cắt động lưu biến Dynamic Shear Rheometer (DSR) dạng hai đĩa phẳng theo Tiêu chuẩn của Mỹ AASHTO T315/ASTM D7175 và châu Âu EN 14770 là dạng thí nghiệm được sử dụng rộng rãi nhất. Mẫu có hình trụ được đặt giữa hai đĩa phẳng song song nhau. Dịch chuyển của đĩa phía trên được khống chế dưới dạng ứng suất hoặc biến dạng. Đường kính của các đĩa và khe hở giữa hai đĩa thay đổi theo khoảng đo mô-đun cắt phức động (G^*).

Thí nghiệm DSR dạng hai đĩa phẳng được sử dụng để đo các đặc tính tiêu chuẩn nằm trong giới hạn ứng xử tuyến tính. Khi việc đo đạc được thực hiện trong miền phi tuyến, thí nghiệm DSR dạng đĩa hình côn - đĩa phẳng được áp dụng.

Theo Tiêu chuẩn của Pháp XP-T-66-065, thí nghiệm đo mô-đun phức động được thực hiện dưới hai dạng tác dụng lực:

- Dạng kéo/nén (K/N) ở những nhiệt độ dưới 30ºC. Mẫu có dạng hình trụ tròn.

- Dạng cắt góc (CG) ở những nhiệt độ lớn hơn, mẫu có dạng hình trụ rỗng nằm giữa hai trụ đồng trục.

Các nghiên cứu trong bài báo sử dụng máy MetraviB theo tiêu chuẩn của Pháp để thí nghiệm đo mô-đun phức động. Bài báo sẽ trình bày các kết quả thí nghiệm, phân tích và nhận xét trên nhựa 60/70 đang được sử dụng phổ biến hiện nay tại Việt Nam. Nghiên cứu này được thực hiện tại “Phòng thí nghiệm vật liệu cho kết cấu hạ tầng giao thông” thuộc Viện Giao thông Pháp (IFSTTAR, trước đây là Phòng Thí nghiệm Cầu đường LCPC) trụ sở tại TP. Nantes, Cộng hòa Pháp.

2. Thiết bị và nguyên tắc thí nghiệm đo mô-đun phức động bằng máy MetraviB

2.1. Thiết bị MetraviB

Thiết bị thí nghiệm bao gồm (Hình 2.1)

- Máy nén DMA của hãng MetraviB. Máy trang bị đầu đo lực tác dụng lên đến 450N (với khả năng đo lực tác dụng trong khoảng tần số từ 1Hz đến 200Hz) và đầu đo chuyển vị lên đến 500µm.

- Bộ phận cho phép điều chỉnh nhiệt độ trong buồng ổn nhiệt chứa mẫu thí nghiệm.

- Máy tính cho phép thực hiện các lệnh điều khiển tác dụng lực thông qua phần mềm điều khiển cũng như ghi lại các kết quả thí nghiệm.

Ngoài ra, còn có bình chứa Azote lỏng cho phép thực hiện thí nghiệm ở nhiệt độ thấp (từ -10ºC trở xuống).

Hình 2.1: Máy thí nghiệm MetraviB tại LCPC

Tùy vào nhiệt độ thí nghiệm, có các bộ gá tương thích để tác dụng lực trên các mẫu tương ứng theo dạng CG hay K/N (Hình 2.2a và 2.2b).

Hình 2.2: Thiết bị sử dụng khi làm thí nghiệm dạng cắt góc (a) hoặc kéo/nén                                         (b) bằng máy MetraviB

2.2. Nguyên tắc thí nghiệm đo mô-đun phức động bằng máy MetraviB

Quá trình thí nghiệm đo mô-đun phức động của nhựa đường trên máy MetraviB được thực hiện qua hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Ở các nhiệt độ cao (từ trên 20ºC lên 60ºC hoặc cao hơn), thí nghiệm được tiến hành dưới dạng CG trên mẫu hình trụ rỗng có chiều cao chịu cắt H_c = 5mm, đường kính trong D_t = 8mm và đường kính ngoài D_n = 10mm (Hình 2.3).

- Giai đoạn 2: Ở các nhiệt độ thấp (từ 20ºC xuống -20ºC hoặc thấp hơn), thí nghiệm được tiến hành dưới dạng K/N trên mẫu hình trụ có chiều cao H = 18mm và đường kính D = 9mm (Hình 2.4).

Hình 2.3: Nguyên tắc hoạt động của thí nghiệm dạng cắt góc (CG) trên máy MetraviB

Các công thức (1) đến (4)  được áp dụng cho thí nghiệm dạng cắt góc.

 

 

 

 

 

 

Trong đó:

|K|- Mô-đun độ cứng (N/m);

d - Góc lệch pha (º);

2r - Đường kính pit-tông (m);

2R - Đường kính trong của măng sông (m);

H_c - Chiều cao chịu cắt (m).

Nếu áp dụng giả thiết ở nhiệt độ cao nhựa trở thành vật liệu không chịu nén, hệ số Poát xông của nhựa là µ = 0,5, thì có thể chuyển đổi từ G^* sang E^* theo công thức (5). Giả thiết này cho phép thiết lập kết quả ở tất cả các nhiệt độ thí nghiệm (cả ở dạng CG và K/N) theo cùng thông số E*.                        

 

 

Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của thí nghiệm dạng kéo/nén (K/N) trên máy MetraviB

 

Các công thức (6) đến (9) được áp dụng cho thí nghiệm dạng kéo/nén

 

 

 

 

 

 

Trong đó:

|K| - Mô-đun độ cứng (N/m);

d - Góc lệch pha (º);

H - Chiều cao mẫu (m);

D - Đường kính mẫu (m);

S_e - Diện tích bị tác dụng lực của mẫu (m²) = `Pi` D²/4;

S₁ - Diện tích hông của mẫu (m²); = `Pi` DH;

F_f - Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào kích thước của mẫu.

Thí nghiệm đo mô-đun phức động, đối với cả hai dạng CG và K/N, được thực hiện bằng cách tác dụng chuyển vị d = d₀sin`omega` t trong miền biến dạng nhỏ theo chu kỳ dạng hình sin lên mẫu ở các tần số và nhiệt độ khác nhau. Lực F = F₀sin(`omega` t + d) đo được cũng có dạng hình sin, nhưng với một góc lệch pha d. Thí nghiệm được thực hiện ở 7 tần số (từ 1 đến 80 Hz) và 9 nhiệt độ (từ -19,9ºC đến 50ºC). Hình 2.5 thể hiện một ví dụ về các giá trị chuyển vị và lực đo được trên mẫu hình trụ tròn trong thí nghiệm dạng K/N với d₀ = 36µm tại f = 5Hz và T = 10ºC.

Hình 2.5: Ví dụ về chuyển vị và lực đo được trong thí nghiệm với d0 = 36µm tại f = 5Hz và T = 10ºC

 

3. Phân tích kết quả thí nghiệm

3.1. Mô-đun phức động

Thông qua thí nghiệm, 63 giá trị độ lớn mô-đun phức động và góc lệch pha được xác định tại các cặp tần số nhiệt độ khác nhau. Kết quả thí nghiệm đo mô-đun phức động thường được biểu diễn trên hai biểu đồ cơ bản.

- Biểu đồ (hay mặt) Cole-Cole: Hai phần thực (E’) và phần ảo (E”) của mô-đun phức động được biểu diễn theo hai trục tọa độ (Hình 3.1a). Biểu đồ này phù hợp với việc tìm hiểu ứng xử của vật liệu ở nhiệt độ thấp. Các giá trị ở nhiệt độ cao, nằm ở sát gốc tọa độ, hầu như không quan sát được. Biểu đồ có dạng hình cung xuất phát từ gốc tọa độ và có xu hướng khép lại tại một giá trị mô-đun tối đa (E₀ » 2,1GPa) khi nhiệt độ rất thấp và tần số rất cao.

- Biểu đồ trong không gian Black: Độ lớn của mô-đun phức động |E*| được biểu diễn dưới dạng tọa độ logarit theo các giá trị của góc lệch pha d (Hình 3.1b). Biểu đồ này cho phép quan sát ứng xử của vật liệu ở tất cả các nhiệt độ thí nghiệm. Nhiệt độ càng cao thì độ lớn của mô-đun phức động càng giảm, còn góc lệch pha giữa tải trọng tác dụng (ở đây là chuyển vị) và lực đo được càng tăng. Đường cong của nhựa 60/70 trong không gian Black không hoàn toàn đồng nhất (bắt đầu thấy rõ từ 10ºC trở lên), là biểu hiện của vật liệu bị ôxi hóa (hoặc polymer hóa) một phần.

Các biểu đồ Cole-Cole và Black cho phép kiểm tra xem “nguyên tắc tương quan tần số nhiệt độ”, sẽ trình bày dưới đây, có đúng với vật liệu này hay không.

3.2. Tương quan tần số nhiệt độ

Kết quả đo mô-đun phức động cũng thường được biểu diễn trên biểu đồ các đường đẳng nhiệt: Độ lớn và góc lệch pha được biểu diễn theo các tần số ứng với mỗi nhiệt độ thí nghiệm (Hình 3.2). Độ lớn của mô-đun phức động của nhựa tăng khi tần số tăng và nhiệt độ giảm. Các đường đẳng nhiệt còn cho thấy một giá trị mô-đun phức động có thể có được ứng với nhiều cặp tần số - nhiệt độ khác nhau.

Hình 3.1: Mô-đun phức động của nhựa 60/70 thể hiện trên biểu đồ Cole-Cole (a) và không gian Black (b)

 

Khi trên các biểu đồ Cole-Cole và Black chỉ có một đường cong duy nhất như trong hình 3.1a và 3.1b, “nguyên tắc tương quan tần số nhiệt độ” được kiểm tra là đúng cho vật liệu thí nghiệm, ở đây là nhựa đường 60/70. Đây là nguyên tắc được áp dụng phổ biến cho vật liệu có chất kết dính nhựa đường nhằm dự đoán các tính chất của vật liệu ở các cặp tần số - nhiệt độ khác nhau [6] [7]. Điều này cho phép giảm thiểu số lượng thí nghiệm và như thế đơn giản hóa chương trình nghiên cứu trên các vật liệu này.

Đường đặc trưng độ lớn và góc lệch pha của mô-đun phức động được thiết lập bằng cách dịch chuyển các đường đẳng nhiệt với hệ số dịch chuyển a_T tương ứng (Hình 3.2). Khi ấy, độ lớn và góc lệch pha của mô-đun phức động được biểu diễn theo tần số tương đương f_t tính theo công thức (3.1).

f _t = a_T (T,T_R) . f       (3.1)

Trong đó:

f_t  - Tần số tương đương;

a_T - Hệ số dịch chuyển;

T_R - Nhiệt độ quy chiếu;

f - Tần số tác dụng lực ở nhiệt độ T.

Hình 3.2: Các đường đẳng nhiệt của độ lớn mô-đun phức động và góc lệch pha theo các tần số ứng với mỗi nhiệt độ thí nghiệm cùng với các đường đặc trưng tương ứng tại 20ºC

 

4. Kết luận

Bài báo đã trình bày chi tiết về thiết bị thí nghiệm, phương pháp tiến hành cũng như kết quả đo mô-đun phức động của nhựa đường 60/70 của Việt Nam trên máy DMA của hãng MetraviB. Các thí nghiệm được thực hiện tại Viện Giao thông Pháp (IFSTTAR). Đây là dạng thí nghiệm được áp dụng phổ biến để nghiên cứu các tính chất của nhựa dùng trong xây dựng đường. Trong khi các loại máy DSR thường được dùng nghiên cứu nhựa đường ở các mức nhiệt độ trung bình và cao, thiết bị DMA của hãng MetraviB cho phép thí nghiệm ở cả các mức nhiệt độ thấp, trung bình và cao. Việc lựa chọn loại máy thí nghiệm cần được thực hiện sao cho phù hợp với mục đích nghiên cứu và ứng dụng.

Thông qua kết quả thí nghiệm, 63 giá trị độ lớn mô-đun phức động và góc lệch pha của nhựa đã được xác định tại các cặp tần số nhiệt độ khác nhau. Đây là một trong các kết quả đo đạc mô-đun phức động đầu tiên cho nhựa đường 60/70 sử dụng tại Việt Nam. Các số liệu có giá trị tham khảo cao.

Nguyên tắc tương quan tần số nhiệt độ được chứng tỏ bằng thực nghiệm có thể áp dụng cho loại nhựa 60/70 của Việt Nam. Với nguyên tắc này, cho phép xác định các tính chất của nhựa ở ngoài khoảng các tần số nhiệt độ đo đạc cũng như dự báo các tính chất của nhựa ở tần số nhiệt độ bất kì.

Đường cong của nhựa 60/70 trong không gian Black không liên tục hoàn toàn (bắt đầu thấy rõ từ 10ºC trở lên), thể hiện vật liệu bị ô-xy hóa (hoặc polymer hóa) một phần.

Các giá trị mô-đun phức động của nhựa nhận được (độ lớn và góc lệch pha) có thể sử dụng để đánh giá các đặc tính mỏi, lún của vật liệu. Từ kết quả thí nghiệm trên nhựa đường, có thể tìm ra quy luật ứng xử trên BTN bằng các mô hình tính toán, đồng thời so sánh với kết quả đo đạc trực tiếp trên BTN và ngược lại.

Tài liệu tham khảo

[1]. NCHRP 673 (2011), A Manual for Design of Hot Mix Asphalt with Commentary.

[2]. Olard F., Perraton D. (2010), On the Optimization of the Aggregate Packing Characteristics for the Design of High-Performance Asphalt Concretes, Road Materials and Pavement Design, 11-sup1, pp. 145-169.

[3]. Christensen D. W., Pellinen T. K., Bonaquist R. F. (2003), Hirsch model for estimating the modulus of asphalt concrete, Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 72, pp. 97-121.

[4]. Di Benedetto H., Olard F., Sauzéat C., Delaporte B., Linear viscoelastic behavior of bi-tuminous materials: from binders to mixes, Road Materials and Pavement Design, 5-sup1, pp. 163-202.

[5]. Deacon J.A., Harvey J.T., Tayebali A., Monismith C.L. (1997), Influence of binder loss modulus on the fatigue performance of asphalt concrete pavements, Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 66, pp. 633-685.

[6]. Nguyen M. L., Sauzéat C., Di Benedetto H., Tapsoba N. (2013), Validation of the time-temperature superposition principle for crack propagation in bituminous mixtures, Materials and Structures, 46(7), pp. 1075-1087.

[7]. Nguyen Q. T., Di Benedetto H., Sauzéat C., Tapsoba N. (2013), Time Temperature Superposition Principle Validation for Bituminous Mixes in the Linear and Nonlinear Domains, Journal of Materials in Civil Engineering, 25(9), pp. 1181-1188.