Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế Việt Nam trong thế kỉ 21 làm cho Việt Nam đạt được nhiều thành tựu lớn về dân sinh và xã hội, nhưng đi kèm theo nó là đô thị hóa đang tăng nhanh với tốc độ chóng mặt. Đi đôi với nhu cầu phát triển kinh tế, nhu cầu về giao thông đi lại, chủ yếu là giao thông đường bộ, cũng tăng nhanh đột biến, dẫn đến các công trình đường giao thông trở nên quá tải, xuống cấp nghiêm trọng. Từ đầu năm nay, nhà nước đẩy nhanh tiến độ những dự án xây dựng đường và lập nên những dự án mới nhằm đàm bảo nhu cầu phát triển của xã hội. Nhưng bên cạnh đó, vấn đề về chất lượng của những công trình đã và đang xây dựng luôn là vấn đề mà toàn xã hội quan tâm. Do đó, việc nghiên cứu để nâng cao chất lượng các công trình đường giao thông, nhằm giảm thiểu các chi phí sửa chữa và bảo dưỡng, nâng cao hiệu quả sử dụng là cần thiết trong thời điểm hiện nay. Bài viết đưa ra những phân tích dựa trên thực nghiệm kết hợp với lý thuyết, về ứng xử của vật liệu bitum – được sử dụng rộng rãi trong các công trình đường giao thông trên thế giới – dưới tác dụng của tải trọng lặp. Bên cạnh đó, bài viết cũng đề cập đến những nhân tố chủ yếu gây phá hoại kết cấu của các công trình đường giao thông.

1. I.Vật liệu bitum trong xây dựng công trình đường giao thông

Những thành phần khoáng vật bao gồm cát, sỏi nhỏ và đá nghiền chiếm khoảng 95% khối lượng (80-85% thể tích) của vật liệu bitum trong công trình đường giao thông, chính những thành phần chiếm tỉ trọng lớn trong vật liệu bitum này sẽ quyết định trực tiếp những đặc trưng cơ học và hiệu quả sử dụng của hỗn hợp bitum. Chất kết dính hữu cơ (bitum) và phụ gia chiếm 5-7% khối lượng trong hỗn hợp, những hợp chất này đóng vai trò liên kết các thành phần trong hỗn hợp, trong khi khả năng chịu lực của vật liệu được đảm bảo bởi những thành phần khoáng vật.

Chúng ta giới hạn ở đây rằng những thành phần sỏi đá tự nhiên này chỉ chịu những biến đổi về mặt cơ học và được sử dụng trong sản xuất hỗn hợp bitum để trải lên bề mặt các công trình đường giao thông. Những sản phẩm khác, thường được sản xuất trong công nghiệp, được dùng làm vật liệu thay thế như chất thải, xỉ, cặn tái chế trong sản xuất công nghiệp …

Hình 1 : Vật liệu bitum

1. II.Tính chất cơ học và cơ nhiệt học của vật liệu bitum

Những tải trọng chính tác dụng lên kết cấu mặt đường được gây ra bởi sự lưu thông của các phương tiện giao thông (hiệu ứng giao thông) và sự thay đổi thời tiết, cụ thể là sự biến thiên nhiệt độ (hiệu ứng nhiệt). Những dạng tải trọng này gây ra những phá hoại chủ yếu cho công trình đường giao thông so với những tác động khác như tác động của nước hay sự thoái hóa của vật liệu.

II.1. Hiệu ứng giao thông

Hiệu ứng giao thông sinh ra từ sự lưu thông của các phương tiện trên mặt đường, những phương tiện này gây ra một loại tải trọng dưới dạng tải trọng lặp lại trên bề mặt. Biên độ của những tải trọng này nhỏ, gây ra những biến dạng ở bậc 10^-3. Việc tính toán nội lực và biến dạng được thực hiện bởi một mô hình đàn hồi tuyến tính đẳng hướng. Mô hình này mô phỏng một cách gần đúng các dạng làm việc của từng lớp theo chiều sâu trong kết cấu.

Hình 2 : Tải trọng gây bởi hiệu ứng giao thông

               Dưới tác dụng của tải trọng lặp của các phương tiện giao thông, mặt dưới của các lớp kết cấu chịu một lực kéo lặp lại mà có thể gây ra những thoái biến nhỏ, dẫn tới phá hoại lớp kết cấu đó. Hiện tượng mỏi có thể gây ra những vết nứt xuyên qua mặt đường. Cùng lúc đó, mỗi lớp kết cấu chịu một lực nén lặp, gây ra những biến dạng dưới lốp bánh xe trên mặt đường.

Hình 3 : Nứt trên mặt đường và biến dạng dưới lốp xe

II.2. Hiệu ứng nhiệt

Khác với những tải trọng cơ học, mặt đường còn chịu những tải trọng liên tục do sự thay đổi của nhiệt độ. Ở nhiệt độ thấp, vật liệu bitum trở nên cứng và dòn hơn trong khi ở nhiệt độ cao, vật liệu chảy và tính giãn tăng lên.

Hình 4 : Hiệu ứng nhiệt độ

Nhiệt độ còn gây ra ứng suất và biến dạng trong lòng vật liệu do hiện tượng co giãn nhiệt. Hiện tượng này đặc biệt quan trọng vì nó gây ra vết nứt trong những chu kỳ nhiệt ở nhiệt độ thấp hoặc phá hoại trên bề mặt giữa những lớp trong kết cấu.

1. III.Mô đun phức (Module complexe)
2. 1.Khái niệm

Nếu ta đặt một vật liệu nhớt đàn hồi tuyến tính (viscoélastique linéaire) dưới tác dụng của một ứng suất thay đổi theo quy luật đường sin :

thì biến dạng tương ứng sẽ có dạng :

Hoặc ngược lại.

Biến dạng sẽ lệch pha so với ứng suất một góc pha s φ_E

Ta xét đến khái niệm số phức i (i² = -1) thì những giá trị đo được có thể viết dưới dạng :

 

 

Mô đun đàn hồi phức Young được viết dưới dạng :

|E*| được gọi là mô đun của độ cứng

φ_E được gọi là góc lệch pha của vật liệu, đóng vai trò quan trọng trong việc tính năng lượng hao phí trong mỗi chu kỳ.

Mô đun phức E* còn được viết dưới dạng sau :

E* = E₁ + i.E₂                                                                                                                                        [1.16]

E₁ là mô đun đàn hồi

E₂ là mô đun hao phí

1. IV.Nghiên cứu thực nghiệm

IV.1. Giới thiệu

Thí nghiệm kéo-nén được sử dụng chủ yếu để xác định mô đun phức và những phá hoại đối với vật liệu bitum. Tuy nhiên, nghiên cứu về mặt cơ-nhiệt của thí nghiệm này vẫn còn nhiều giới hạn. Trong khuôn khổ bài viết, những tính chất nhiệt của vật liệu được đề cập đến như một phần mới trong thí nghiệm kéo-nén lặp. 

Các tính chất nhiệt của vật liệu như suất dẫn nhiệt, khuếch tán nhiệt, và nhiệt dung riêng đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả. Bằng cách sử dụng những thí nghiệm về vật lý nhiệt truyền thống, những nhà nghiên cứu đã xác định được các tính chất nhiệt, các tác động của nhiệt độ, hàm lượng bitum trong vật liệu, cấp phối hạt, độ đặc chắc của vật liệu ...

Nghiên cứu này mô tả nhiều chuỗi những thí nghiệm trên mẫu thử hình trụ. Sự biến đổi của nhiệt độ mẫu thử trong quá trình gia tải được đo bằng những máy đo nhiệt độ, được đặt ở 2 vị trí : bề mặt mẫu thử và trong lòng mẫu thử. Từ những kết quả thực nghiệm, các tính chất nhiệt sau của mẫu được xác định :

-         Suất dẫn nhiệt k : phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng bitum, cấp phối hạt, độ nén của vật liệu. Trong thí nghiệm, k được xác định trong giai đoạn nhiệt độ là không đổi.

-         Hệ số đối lưu nhiệt h : được xác định trong giai đoạn nhiệt độ là không đổi, chỉ ra khả năng trao đổi nhiệt giữa bề mặt mẫu thí nghiệm và không gian trong buồng nhiệt, phụ thuộc vào hiệu suất buồng nhiệt.

-         Nhiệt dung riêng C : được xác định trong giai đoạn nhiệt độ thay tăng dần, tính chất này dao động mạnh theo cấp phối hạt nhưng ít phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp của vật liệu.

-         Độ khuếch tán nhiệt α : được tính toán từ suất dẫn nhiệt k và nhiệt dung riêng C.

Trong phần cuối của bài viết, sự suy giảm của mô đun đàn hồi |E*| được phân tích bởi những nguyên nhân sau :

-         Sự làm nóng lên của vật liệu : năng lượng hao phí sinh ra làm nóng lên mẫu thử. Do độ nhạy nhiệt của vật liệu bitum nên mô đun giảm xuống.

-         Hiện tượng xúc biến : là một hiện tượng thuận nghịch, phụ thuộc vào biên độ tải trọng tác dụng và nhiệt độ.

-         Hiện tượng mỏi : là một hiện tượng không thuận nghịch, làm phá hoại vật liệu.

IV.2. Vật liệu thí nghiệm

1. BBSG (Béton Bitumineux Semi Grenu) : là một loại bê tông bitum, mẫu thử được sản xuất ở phòng thí nghiệm của trường École des Ponts ParisTech theo tiêu chuẩn châu Âu NF EN 12697-33.

2. RILEM (Réunion Internationale des Laboratoires d’Essais et de Recherche sur les Matériaux) : mẫu thử của hiệp hội quốc tế những phòng thí nghiệm và nghiên cứu vật liệu.

3. Orthochape^® : là một loại bitum polime.

V.3. Thiết bị

Thí nghiệm được tiến hành ở một tần số cố định là 10Hz và ở những nhiệt độ khác nhau.

Mẫu thí nghiệm hình trụ cao 120mm, đường kính 75mm.

V.1. Máy nén

Hình 5 : Máy nén INSTRON 1273

Máy nén INSTRON 1273 có lực nén cực đại 10 kN, có thể gia tải cho mẫu thử dưới dạng ứng suất và biến dạng.

IV.2. Buồng nhiệt

Buồng nhiệt điều chỉnh nhiệt độ của không gian trong buồng trong suốt quá trình thí nghiệm. Nhiệt độ trong buồng có thể điều chỉnh trong khoảng từ -60°C đến 80°C với độ chính xác 0,1°C

IV.3. Hệ thống đo chuyển vị và nhiệt độ

 

• Hệ thống đo chuyển vị bao gồm:

-         Hệ thống cố định thiết bị đo chuyển vị dọc trục bao gồm 2 vành và 3 thanh căng, mỗi vành được cố định ở những cao độ khác nhau của mẫu thử bởi 3 thanh căng bố trí cách đều nhau 120° xung quanh mẫu. Điểm liên kết giữa mỗi thanh căng và mẫu là một cái vít được cố định ở đầu thanh, đầu kia liên kết với 1 mũ được dán vào mẫu thí nghiệm.

-         Chuyển vị dọc trục được đo nhờ vào 3 thiết bị đo INSTRON có chiều dài 70mm, chuyển vị đo được là chuyển vị tương đối giữa hai nhánh của thiết bị đo. Kết quả đo được chia cho chiều dài của thiết bị đo để tìm ra được biến dạng dọc trục

Những thiết bị đo này được gắn vào mẫu bởi 6 lò so bố trí xung quanh mẫu thử cách đều nhau 120° ( 3 lò so ở trên, 3 lò so ở dưới)

• Hệ thống đo nhiệt độ :

-         Thiết bị đo nhiệt độ của buồng nhiệt cho ta nhiệt độ T₀, nhiệt độ này được giữ là hằng số trong suốt mỗi thí nghiệm.

-         Thiết bị đo nhiệt độ bề mặt mẫu thử PT100

-         Thiết bị đo nhiệt độ trong lòng mẫu thử Thermocouple, thermocouple là một thanh kim loại dẫn nhiệt tốt có đường kính 0,5mm, được đặt sâu vào trong mẫu thử 25mm. Thermocouple được cố định trong mẫu thử bằng bitum.

Hình 6 : Thiết bị đo chuyển vị và nhiệt độ

Hình 7 : Mẫu thí nghiệm sau khi lắp đặt các thiết bị đo trong buồng nhiệt

I.       Các quá trình thí nghiệm

IV. Kết quả thí nghiệm

V. Kết luận

Dựa trên những kết quả thực nghiệm, kết hợp với nghiên cứu lý thuyết, những kết luận sau được rút ra sau quá trình nghiên cứu về vật liệu bitum sử dụng trong công trình đường giao thông :

- Từ những kết quả thí nghiệm, các thông số về nhiệt của vật liệu đã hoàn toàn được xác định.

- Sự tăng nhiệt độ tỉ lệ với năng lượng hao phí trong quá trình gia tải, đây là nền tảng để tính toán nhiệt dung riêng của vật liệu khi kết hợp với giả thiết quá trình trao đổi nhiệt ở giai đoạn đầu thí nghiệm là đẳng nhiệt.

- Hiện tượng nhiệt và xúc biến là thuận nghịch, hiện tượng mỏi là không thuận nghịch.

- Hiện tượng xúc biến là một quá trình thuận nghịch, được giải thích dưới góc nhìn phân tử : khi tải trọng tác dụng, các phân tử của vật liệu sẽ sắp xếp lại, do đó làm giảm mô đun của vật liệu, và hiện tượng này biến mất sau một giai đoạn nghỉ dài.

- Nhiệt độ tăng lên tỉ lệ với bình phương của biến dạng.

Những kết quả trên đây mới chỉ đưa những tác động cơ nhiệt đối với vật liệu bitum nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu sản xuất ra vật liệu làm đường phù hợp với điều kiện thời tiết nhiệt đới nóng ẩm và với lưu lượng giao của Việt Nam. Bên cạnh đó, cần phải nghiên cứu những biện pháp cải thiện chất lượng thi công và quản lý công trình nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và sử dụng của các công trình đường giao thông, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phát triển của xã hội.

Tài liệu tham khảo :

DI BENEDETTO, Hervé, et J.F. CORTE. Matériaux routiers bitumineux. Hermes Lavoiriser, 2004.

—. Matériaux routiers bitumineux, Tome1, Tome2. Hermes Lavoiriser, 2004.

Di Benedetto, Hervé, Quang Tuan Nguyen, et Cédric Sauzéat. Nonlinearity, Heating, Fatigue and Thixotropy during cyclic loading of Asphalt Mixtures. Road Materials and Pavement Design, 31 pages, 2010.

François, OLARD. Comportement thermomécanique des enrobés bitumineux à basses température. Thèse, l'INSA de Lyon, 2003.

Lemaitre, J., et J. L.Chaboche. Mécanique des matériaux solides. Paris, 1985.

NGUYEN, Mai Lan. Etude de la fissuration et de la fatigue des enrobés bitumineux. Thèse, Lyon : Laboratoire DGCB, ENTPE, 2009.

NGUYEN, Quang Tuan. «Mémoire du Master "Comportement des bitumes et mastics en fatigue".» 2007.

Nguyen, Quang Tuan, Cédric Sauzéat, et Hervé Di Benedetto. «Determination of Thermal properties of Asphalt mixtures as an other output from cyclic Tension-Compression Test.» 2010.

POUGET, Simon, Cédric Sauzéat, Hervé Di Benedetto, et François Orlard. «From the Behavior of Constituent Materials to the Calculation and Design - Road Materials and Pavement Design, EATA 2010, pages 111 to 114.» Article scientifique.

Salençon, Jean. Viscoélasticité. Paris, 1983.

TRAN. Comportement en fatigue des enrobés bitumineux. Mémoire du master, Laboratoire LGM, ENTPE, 2006.