Nghiên cứu xác định hệ số điều chỉnh ảnh hưởng của chiều cao mẫu bê tông nhựa đến độ dẻo Marshall

ª PGS. TS. Nguyễn Văn Hùng ª TS. Nguyễn Quang Phúc ª ThS. Lương Xuân Chiểu Trường Đại học Giao thông vận tải ª KS. Nguyễn Thanh Phong Công ty Cổ phần UTC2 Người phản biện: GS. TS. Bùi Xuân Cậy TS. Nguyễn Quang Tuấn

Tóm tắt: Phương pháp Marshall thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa (BTN) có ưu điểm là thí nghiệm đơn giản nên được áp dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Độ ổn định và độ dẻo Marshall là 2 chỉ tiêu rất quan trọng để đánh giá chất lượng BTN, là cơ sở để thiết kế, thi công nghiệm thu mặt đường BTN. Bài báo phân tích ảnh hưởng của chiều cao mẫu đến độ dẻo khi thí nghiệm Marshall và đề xuất hệ số điều chỉnh.

Từ khóa: Độ dẻo, độ ổn định, Marshall, bê tông nhựa, hệ số điều chỉnh.

Abstract: The advantage of designing asphalt mixture components Marshall method is the test simplicity thus it should be applied widely in the world as well as Viet Nam. The stability and flow of Marshall are two crucial criterias in evalutating the quality of asphalt, which is the basis of designing, constructing and acceptance of asphalt pavement. This article analyze the influence of the sample’s height to the flow in Marshall test and the suggestion of adjustment coefficient.

Keywords: Flow, stability, Marshall, asphalt, adjustment coefficient.

1. Đặt vấn đề

Phương pháp Marshall thiết kế thành phần hỗn hợp BTN đã đánh giá được các đặc trưng về thể tích và cơ học của hỗn hợp BTN và là phương pháp thí nghiệm đơn giản, nên đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam. Các tiêu chuẩn mới nhất được cập nhật để xác định chính xác hơn kết quả thí nghiệm Marshall [2, 3, 1, 4].

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm Marshall, trong đó quan trọng nhất phải kể đến là chiều cao mẫu. Độ ổn định Marshall của các mẫu có chiều cao khác nhau được quy đổi về chiều cao chuẩn 63,5mm qua hệ số ổn định. Tuy nhiên, đối với độ dẻo vẫn chưa có đánh giá ảnh hưởng của chiều cao mẫu khi thí nghiệm. Bài báo phân tích ảnh hưởng của chiều cao mẫu đến độ dẻo và bước đầu đề xuất hệ số điều chỉnh ảnh hưởng của chiều cao mẫu khi xác định độ dẻo Marshall.

2. Cách xác định độ ổn định và độ dẻo khi thí nghiệm Marshall theo tiêu chuẩn Việt Nam và nước ngoài

Hiện nay, theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8860-1:2011 “Bê tông nhựa - phương pháp thử. Phần 1: Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall”[1], độ ổn định là giá trị lực nén lớn nhất đạt được khi thử nghiệm mẫu BTN chuẩn trên máy nén Marshall; độ dẻo là biến dạng của mẫu BTN trên máy nén Marshall tại thời điểm xác định độ ổn định Marshall.

Đối với tiêu chuẩn của Mỹ ASTM và AASHTO [2, 3], độ ổn định và độ dẻo được xác định cho 2 trường hợp: Có điểm cực trị rõ ràng (Hình 2.1) và không có điểm cực trị (Hình 2.2).

 

Hình 2.3: Xác định độ dẻo Marshall theo tiêu chuẩn châu Âu EN 12697-34

 

Tiêu chuẩn của châu Âu EN12697-34 [4] cũng quy định, xác định độ dẻo và độ ổn định như Tiêu chuẩn ASTM D6927-2006 (Hình 2.3). Trong các tiêu chuẩn này, độ dẻo không lấy từ gốc “0” mà lấy từ giao giữa đường tiếp tuyến và trục hoành (trừ đi đoạn tiếp xúc). 

Như vậy, theo các tiêu chuẩn trên, phải vẽ biểu đồ quan hệ giữa độ ổn định và biến dạng để xác định độ dẻo và độ dẻo phải được trừ đi giai đoạn đầu tiếp xúc lực nén. Nghiên cứu được thực hiện trên máy nén Marshall điện tử hiện đại tự động vẽ được đường cong xác định chính xác được độ dẻo và độ ổn định.

3. Phân tích các kết quả nghiên cứu thực nghiệm

Trên cơ sở các phân tích trên, tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm tại 2 Phòng Thí nghiệm trọng điểm Cienco 4 - Trường Đại học GTVT (Hà Nội) (Las-xd 1256) và Phòng Thí nghiệm trọng điểm Đường bộ, Môi trường và An toàn giao thông - Trường Đại học GTVT (Cơ sở 2, TP. Hồ Chí Minh) (Las-xd 1398). Thí nghiệm trên các máy Marshall Humboltd điện tử hiện đại, vẽ được biểu đồ quan hệ lực và biến dạng. Khoảng tin cậy nghiên cứu 95%. Sử dụng phần mềm MiniTAB 16 phân tích thống kê.

3.1. Ảnh hưởng của chiều cao mẫu đến độ ổn định và độ dẻo Marshall

3.1.1. Mẫu chế bị trong phòng bằng đầm xoay

Để đảm bảo tiến hành chính xác, với mẫu chế bị trong phòng, mỗi cấp phối thực hiện được chế bị các tổ mẫu với cùng chiều cao, khối lượng thể tích và hàm lượng nhựa. Sau đó, dùng máy cắt gia công (cắt) để được các tổ mẫu có chiều cao khác nhau và đưa vào thí nghiệm. Phương pháp chế bị: Đầm xoay, số lượng mẫu: 59 mẫu.

Hình 3.1: Ảnh hưởng của chiều cao mẫu đúc bằng đầm xoay cho các mẫu BTNC12.5

Hình 3.2: Ảnh hưởng của chiều cao mẫu khoan hiện trường đến độ dẻo

 

Hình 3.1, Hình 3.2 là kết quả phân tích ảnh hưởng của chiều cao mẫu đến độ ổn định và độ dẻo Marshall với BTNC12.5 và BTNC19. Hệ số p <0,05 thì sự sai khác giá trị trung bình có ý nghĩa thống kê và p>0,05 không có ý nghĩa thống kê.

Kết quả thống kê cho thấy, khi chiều cao mẫu thay đổi thì độ ổn định sau khi đã nhân với hệ số điều chỉnh không khác biệt (mức ý nghĩa 5%) nhưng độ dẻo vì không có hệ số điều chỉnh nên đã có khác biệt lớn, chiều cao mẫu càng tăng thì độ dẻo càng tăng.

3.1.2. Mẫu chế bị trong phòng bằng đầm lăn

Mẫu BTN được chế bị bằng đầm lăn đảm bảo các mẫu có cùng cấp phối, hàm lượng nhựa, chiều cao, độ rỗng và khối lượng thể tích. Sau đó, dùng máy cắt gia công (khoan, cắt) để được các tổ mẫu có chiều cao khác nhau và thí nghiệm.

Hình 3.3: Ảnh hưởng của chiều cao mẫu BTNC19 đúc bằng đầm lăn

 Hình 3.3 là kết quả phân tích ảnh hưởng của chiều cao mẫu đúc bằng đầm lăn của BTNC19 đến độ dẻo. Cũng như kết quả thí nghiệm với mẫu chế bị bằng đầm xoay, khi chiều cao mẫu tăng thì độ dẻo cũng tăng lên với hệ số p<0,05.

3.1.3. Mẫu khoan hiện trường

Nghiên cứu tập hợp 43 mẫu khoan hiện trường từ các dự án: Công trình: QL1 - tuyến tránh TP. Biên Hòa, Dự án cầu Đồng Nai mới - HM 4 nút giao, nâng cấp  QL20… Kết quả thể hiện trên biểu đồ Hình 3.4a.

Hình 3.4: Ảnh hưởng của chiều cao mẫu khoan hiện trường đến độ dẻo

Nghiên cứu cũng tiến hành khoan 9 mẫu hiện trường dự án đường Nguyễn Duy Trinh và Xa lộ Hà Nội (TP. Hồ Chí Minh), nhóm 3 mẫu tại cùng vị trí có điều kiện tương đồng và thí nghiệm Marshall mẫu hiện trường kết quả độ dẻo như Hình 3.4b.

Phân tích kết quả thí nghiệm hiện trường cũng cho thấy, khi chiều cao mẫu tăng thì độ dẻo cũng tăng.

4. Nghiên cứu đề xuất hệ số điều chỉnh độ dẻo Marshall

Nghiên cứu được thực hiện trong Phòng Thí nghiệm trọng điểm Đường bộ, Môi trường và ATGT - Trường Đại học GTVT (Cơ sở 2, TP. Hồ Chí Minh) (Las-xd 1398).

Đá dăm: Đá mỏ Hòn Giốc Mơ (Khánh Hòa); bột khoáng: Bột khoáng Hà Nam; nhựa đường: Nhựa 60/70; cấp phối sử dụng: Cấp phối BTNC C12.5 theo QĐ 858/QĐ-BGTVVT (Hình 4.1), được sử dụng trong dự án Dự án Đầu tư xây dựng công trình mở rộng QL1 đoạn Km1374+525 - Km1392 và Km1405 - Km1425, tỉnh Khánh Hòa; BTN được trộn tại trạm trộn, đảm bảo sai số theo công thức thiết kế. Hỗn hợp BTN sau đó được đem về phòng thí nghiệm và tiến hành đúc mẫu. Hỗn hợp BTN được trộn sao cho có độ đồng đều nhau ở mức cao nhất về các điều kiện như cốt liệu, cấp phối, thời gian trộn, nhiệt độ trộn…

Hỗn hợp BTN được đúc thành mẫu Marshall với chiều cao xấp xỉ chiều cao tiêu chuẩn H = 63,5mm, để đảm bảo công đầm, độ chặt các mẫu là tương đương nhau. Mẫu BTN được đầm theo TCVN 8860-1:2011.

Các mẫu Marshall sau đó được cắt thành các chiều cao khác nhau đảm bảo chiều cao mẫu dải đều từ 25mm - 63,5mm và tiến hành thí nghiệm xác định độ dẻo. Tổng số kết quả sau khi tính toán độ chụm là 67 mẫu.

Sử dụng phần mềm Minitab 16 để chọn các dạng phương trình hồi quy (Hình 4.3) giữa độ dẻo và chiều cao mẫu, cho thấy phương trình tương quan bậc 2 cho hệ số xác định R² lớn nhất.

 

Phương trình hồi quy

Phương trình hồi quy giữa độ dẻo Y (mm) theo chiều cao mẫu x (mm) là:

Y = 5,141 - 0,1174 x + 0,001589 x² với hệ số R² =74,32%.

Dùng phương trình tương quan, tính độ dẻo lý thuyết cho các chiều cao trong bảng hệ số độ ổn định.

Tương tự hệ số độ ổn định K, tại chiều cao chuẩn H = 63,5mm chọn hệ số điều chỉnh độ dẻo K_F = 1, từ đó tính hệ số điều chỉnh độ dẻo cho các chiều cao khác theo công thức:

 K_F = F / F_63.5

Trong đó:

- K_F - Hệ số điều chỉnh độ dẻo;

- F - Độ dẻo tại các chiều cao H khác nhau;

- F_63.5 - Độ dẻo tại chiều cao H = 63,5mm.

Kết quả tính toán hệ số hiệu chỉnh độ dẻo được liệt kê chi tiết trong Bảng 4.1.

Bảng 4.1. Hệ số điều chỉnh độ dẻo K_F

 

5. Kết luận - kiến nghị

5.1. Kết luận

Từ các kết quả thí nghiệm cho thấy: Chiều cao mẫu có ảnh hưởng rõ rệt đến độ dẻo Marshall. Đường cong biểu diễn quan hệ giữa độ dẻo và chiều cao có dạng đường cong bậc 2 cho độ tin cậy lớn nhất.

Nghiên cứu bước đầu đưa ra được phương trình hồi quy giữa độ dẻo và chiều cao mẫu. Bước đầu đưa ra được hệ số điều chỉnh độ dẻo Marshall theo chiều cao mẫu.

5.2. Kiến nghị

- Thống nhất sử dụng định nghĩa và cách xác định độ ổn định và độ dẻo Marshall theo ASTM D6927-15 khi thí nghiệm;

- Phải sử dụng máy nén Marshall hiện đại vẽ được biểu đồ quan hệ lực - biến dạng mới xác định được chính xác độ ổn định và độ dẻo;

- Đề nghị Bộ GTVT bổ sung hệ số hiệu chỉnh độ dẻo đối với các mẫu có chiều cao khác chiều cao chuẩn 63,5mm.

- Tiếp tục nghiên cứu với nhiều cấp phối, nhiều nguồn vật liệu khác nhau để dần có được hệ số K_F chính xác hơn.

Tài liệu tham khảo

[1]. TCVN 8860-1:2011 (2011), Bê tông nhựa - Phương pháp thử - Phần 1: Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall.

[2]. ASTM D6927 - 15 và ASTM D6927-06, Standard Test Method for Marshall Stability and Flow of Asphalt Mixtures.

[3]. AASHTO T245-13 (2013), Standard Method of Test for Resistance to Plastic Flow of Asphalt Mixtures Using Marshall Apparatus.

[4]. EN 12697-34 (2004), Bituminous  mixtures  - Test methods for hot mix asphalt - Marshall test.

[5]. Hồ sơ thiết kế, Hồ sơ kiểm định các công trình QL1, QL18, QL14, QL20…

[6]. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định và độ dẻo Marshall của bê tông nhựa, Tạp chí GTVT, 7/2015.