Ảnh hưởng của điều kiện hóa già đến sức kháng nứt của bê tông asphalt

Tác giả: ThS. TRƯƠNG VĂN QUYẾT
              TS. NGUYỄN NGỌC LÂN
              ThS. PHẠM MINH TRANG
              Trường Đại học Giao thông vận tải

Hỗn hợp được hóa già trong tủ sấy

Trong nghiên cứu này, sức kháng nứt của bê tông asphalt được đánh giá thông qua thí nghiệm kéo gián tiếp để xác định chỉ số kháng nứt (Cracking Tolerance Index - CTIndex) theo Tiêu chuẩn ASTM D8225-19 khi xét đến điều kiện hóa già ngắn hạn và hóa già dài hạn. Hóa già ngắn hạn được thực hiện theo hướng dẫn của AASHTO R30. Đối với phương pháp hóa già dài hạn, sau khi đã hóa già ngắn hạn 4h ở 1350C, các mẫu tiếp tục được hóa già ở 950C trong tủ sấy 8 ngày trước khi đầm mẫu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, hỗn hợp được hóa già dài hạn có chỉ số CTIndex giảm lần lượt 62,4% và 86,9% so với hỗn hợp được hóa già ngắn hạn tương ứng với hai hỗn hợp sử dụng bitum 60/70 và bitum biến tính PMB3. Trong điều kiện hóa già dài hạn, chỉ số CTIndex của hai hỗn hợp asphalt đều giảm đáng kể và mức độ giảm chỉ số CTIndex của hỗn hợp sử dụng bitum 60/70 là thấp hơn so với hỗn hợp sử dụng bitum PMB3.

Bitum là thành phần quan trọng của hỗn hợp asphalt, một số dạng hư hỏng ở lớp bê tông asphalt xảy ra do tính chất của bitum thay đổi. Các dạng hư hỏng như nứt mỏi và biến dạng không hồi phục (lún vệt hằn bánh xe) có thể xảy ra do mất liên kết giữa cốt liệu với bitum. Trong nhiều trường hợp, sự suy giảm liên kết này là do bitum bị hóa già và do đó lớp bê tông asphalt bị nứt dọc [1]. Sự hóa già từ lâu đã được chứng minh là một nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm độ bền khai thác và tuổi thọ mặt đường bê tông asphalt [2]. Quá trình hóa già làm cho vật liệu asphalt trở nên cứng lại và trở giòn hơn, dẫn đến khả năng bị nứt cao [3,4]. Vì vậy, sự hóa già của bitum trở thành mối quan tâm chính hiện nay khi muốn nâng cao tuổi thọ của mặt đường bê tông asphalt.

Cơ chế của quá trình hóa già xảy ra do hàm lượng nhóm chất dầu nhẹ giảm đi trong quá trình sản xuất, vận chuyển và thi công hỗn hợp asphalt, sự hóa già này được mô tả là quá trình hóa già ngắn hạn (short-term aging). Hóa già dài hạn (long-term aging) xảy ra do bitum bị oxy hóa trong quá trình khai thác (thông thường lớn hơn 5 năm) [4]. Kết quả là độ nhớt và điểm hóa mềm của bitum tăng lên, do đó bitum trở nên cứng hơn. Ngoài ra, sự hóa già của bitum làm giảm hàm lượng nhóm chất nhựa và nhóm chất dầu, nhóm chất quyết định đến tính chất đàn hồi của bitum. Điều này dẫn đến hỗn hợp mất ứng xử đàn hồi (độ dẻo) và trở nên dễ bị nứt [5]. Vì vậy, điều quan trọng là phải xét đến những thay đổi về đặc tính của hỗn hợp asphalt do hóa già theo thời gian khi khai thác để kiểm tra tính năng lâu dài. Nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của sự hóa già bitum đến các đặc tính của bê tông asphalt đã được thực hiện trong cả phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường để dự báo tuổi thọ của mặt đường bao gồm cả hóa già ngắn hạn và dài hạn [6-12]. Trong số các đặc tính của bê tông asphalt được nghiên cứu nhiều nhất khi xét đến các điều kiện hóa già đó chính là đặc tính nứt.

Hiện nay ở Mỹ, để đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp bê tông asphalt, có thể áp dụng các phương pháp thí nghiệm sau để đánh giá bao gồm các thí nghiệm Disk Shaped Compact Tension (ASTM D 7313), Overlay Test (Tex-248-F), Semi-Circular Bend Test (SCB, ASTM D8044-16), Indirect Tensile (ASTM D6931-17), Bending Beam Fatigue (ASMT D7460-10) và Indirect Tensile Asphalt Cracking Test (IDEAL, ASTM D8225-19). Ở Việt Nam, một số nghiên cứu đánh giá sức kháng nứt của bê tông asphalt theo mô hình thí nghiệm SCB và IDEAL đã được thực hiện [13-17].

Trong phạm vi nghiên cứu ở đây, phương pháp thí nghiệm kéo gián tiếp Indirect Tensile Asphalt Cracking Test (IDEAL) để xác định chỉ số CTIndex đã được sử dụng để đánh giá sức kháng nứt của hỗn hợp asphalt sử dụng bitum quánh mác 60/70 và bitum biến tính PMB3. Điều kiện hóa già ngắn hạn và hóa già dài hạn đã được áp dụng trong quá chình chế tạo mẫu thí nghiệm. Hóa già ngắn hạn được thực hiện theo hướng dẫn của Tiêu chuẩn AASHTO R30 [18]. Hóa già dài hạn được thực hiện theo hướng dẫn từ báo cáo của NCHRP 871 [9]. Trên cơ sở kết quả thí nghiệm chỉ số kháng nứt CTindex ứng với các điều kiện hóa già khác nhau, nghiên cứu đưa ra được các kết luận ảnh hưởng của điều kiện hóa già đến sức kháng nứt của hỗn hợp bê tông asphalt.

Mời độc giả xem nội dung đầy đủ bài khoa học tại đây