Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình đầm nén mặt đường

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.51 MB, 36 trang )

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

MỞ ĐẦU
LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẶT ĐƯỜNG HMA VÀ CÔNG TÁC ĐẦM
NÉN MẶT ĐƯỜNG.................................................................................................4
I. Khái niệm mặt đường HMA.........................................................................4
1. Tầng mặt.......................................................................................................4
2. Lớp móng trên...............................................................................................4
3. Lớp móng dưới..............................................................................................4
II. Cấu trúc cơ bản của mặt đường HMA........................................................5
1. Tầng mặt.......................................................................................................6
2. Lớp móng trên...............................................................................................7
3. Lớp móng dưới..............................................................................................8
III. Tổng quan về quá trình đầm nén mặt đường..........................................9
1. Sơ lược về quá trình đầm nén.......................................................................9
2. Mục đích của công tác đầm nén.................................................................10
CHƯƠNG II. ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẦM NÉN TỚI
TÍNH CHẤT HMA..................................................................................................11
I. Giới thiệu.......................................................................................................11
II. Các thí nghiệm trong phòng........................................................................11
1. Cấp phối cốt liệu.........................................................................................11
2. Lựa chọn bitum...........................................................................................13
trang 1

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

3. Tiêu chuẩn về cốt liệu.................................................................................14
4. Nhiệt độ đầm nén sử dụng trong thí nghiệm...............................................14
III. Kết quả và phân tích....................................................................................15

1. Phân tích về khối lượng riêng.....................................................................15
2. Phân tích phần trăm tỷ lệ khí......................................................................15
3. Phân tích hàm lượng khí lấp đầy trong hỗn hợp........................................16
4. Phân tích tính độ bền..................................................................................17
5. Phân tích về dòng........................................................................................17
6. Kết luận.......................................................................................................18
CHƯƠNG III :CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ TÍNH CHẤT NHIỆT TRONG
SUỐT QUÁ TRÌNH ĐẦM NÉN MẶT ĐƯỜNG HMA.........................................19
I. Một số tính chất vật lý của hỗn hợp HMA................................................19
II. Tính chất nhiệt của vật liệu làm mặt đường..............................................20
III. Phân tích độ nhạy.........................................................................................21
IV. Mô hình máy tính.........................................................................................21
V. Các phương pháp thử nghiệm nhiệt...........................................................23
VI. Thiết kế hỗn hợp..........................................................................................24
TỔNG KẾT.............................................................................................................34
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................35

trang 2

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công tác xây dựng các tuyến đường hiện nay, thường phải trải qua
rất nhiều giai đoạn phức tạp. Điều này đòi hỏi các công việc được thực hiện một
cách cẩn thận và chính xác trong thiết kế cũng như thi công. Các phương án kết
cấu lớp áo đường vì thế cũng hết sức đa dạng và phong phú. Ngày nay, với
những ưu điểm nổi bật, mặt đường HMA (Hot Mix Asphalt) ngày càng được sư
dụng rộng rãi, trong đó đặc biệt tại các quốc gia Phương Tây và Mĩ . Bên cạnh

những điểm mạnh mà phương án đem lại, trong quá trình xây dựng mặt đường
HMA cũng gặp không ít những khó khăn. Một trong số những khó khăn đó là
công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường. Trong điều
kiện thời tiết bất lợi dẫn đến nhiệt độ trong hỗn hợp mặt đường thay đổi đáng
kể, do việc thi công kéo dài. Các tính chất vật lý của hỗn hợp biến đổi rõ rệt so
với tính toán lý thuyết chính là nguyên nhân gây ra chất lượng công trình không
đảm bảo sau khi đưa vào sư dụng và khai thác. Vì thế công tác quản lý nhiệt độ
khi đầm nén cần hết sức được quan tâm nhằm khắc phục các rủi ro khi thi công.
Để theo dõi và quản lý chất lượng đầm nén và xây dựng mặt đường HMA,
nhóm sinh viên nghiên cứu khoa học chúng tôi đề xuất phương án nhằm phân
tích các yếu tố ảnh hưởng tới nhiệt độ đầm nén cũng như chương trình kiểm
soát nhiệt độ trong quá trình thi công đầm nén mặt đường HMA. Hy vọng rằng
báo cáo nghiên cứu này sẽ góp phần giải quyết triệt để các vấn đề đang tồn tại
khi thi công mặt đường Asphalt liên quan tới nhiệt độ. Ngoài ra, nâng cao chất
lượng công trình, giảm bớt các rủi ro khi đưa vào sư dụng.
Trong quá trình thực hiện để tài này, Nhóm nghiên cứu khoa học sinh
viên chúng tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Phạm Duy Hữu cùng các thầy, cô
trong bộ môn Vật liệu xây dựng đã hướng dẫn hết sức tận tình trong suốt quá
trình thực hiện đề tài “Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ
trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA” . Mặc dù nhóm nghiên cứu đã
dành nhiều tâm huyết cho đề tài này, tuy nhiên sự sai xót do kiến thức hạn chế là
điều không tránh khỏi. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý quý báu của quý
thầy, cô cùng các bạn sinh viên quan tâm để chúng tôi có thể hoàn thiện hơn
nữa.

trang 3

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẶT ĐƯỜNG HMA VÀ CÔNG TÁC ĐẦM
NÉN MẶT ĐƯỜNG

I.

Khái niệm mặt đường HMA

Mặt đường HMA là một loại của mặt đường mềm do cấu trúc tổng quan về biến
dạng kết cấu dưới tác dụng của tải trọng. Cấu trúc áo đường mềm điển hình bao
gồm một số lớp, trong đó mỗi lớp tiếp nhận những tải trọng đến từ các lớp trên nó
truyền xuống. Vì thế càng ở các lớp bên dưới thì những lớp này càng chịu những
tải trọng nhỏ hơn. Với những mặt đường khác được phủ bởi các vật liệu asphalt
như gia cố bề mặt bitum cũng được coi như mặt đường mềm.
Trong mặt đường mềm, các lớp vật liệu thường được sắp xếp theo sức chịu
tải giảm dần theo vật liệu có sức chịu tải lớn nhất và giá thành cao nhất ở bên trên
và tương tự với vật liệu rẻ tiền nhất ở dưới cùng. Các lớp của một áo đường mềm
điển hình được mô tả như sau:
1. Tầng mặt
Là bộ phận nằm trên cùng và chịu tải trọng trực tiếp từ các phương tiện giao
thông truyền xuống. Tầng mặt có thể được cấu thành từ một hoặc một số lớp
HMA khác nhau.
2. Lớp móng trên
Lớp móng trên là lớp ngay dưới tầng mặt được tạo nên từ các cốt liêụ hoặc
HMA.
3. Lớp móng dưới
Nằm ngay dưới lớp móng trên, trong cấu tạo của môt số loại mặt đường có
thể không cần lớp móng dưới .

trang 4

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Hình 1: Tải trọng tác dụng tại các lớp mặt đường

II.

Cấu trúc cơ bản của mặt đường HMA

Một kết cấu mặt đường mềm điển hình như hình vẽ 2 bao gồm tầng mặt tiếp đó
là lớp móng trên và móng dưới. Tầng mặt (thường một lớp HMA) là bộ phận đặc
chắc nhất ( theo tính toán mô đun đàn hồi ) và đóng góp lớn nhất cho cường độ của
mặt đường. Mặc dù các lớp thấp hơn về sự đặc chắc nhưng rất quan trọng về các
thông số cường độ,và vấn đề thoát nước mặt đường. Việc thiết kế một kết cấu điển
hình dẫn đến hình thành các lớp theo thứ tự giảm dần về chất lượng theo chiều sâu,
từ trên xuống dưới.

trang 5

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Hình 2: Cấu trúc mặt đường mềm cơ bản
1. Tầng mặt
Tầng mặt là lớp tiếp xúc với tải trọng giao thông và được tạo thành từ các
vật liệu có chất lượng cao nhất so với các lớp còn lại của mặt đường. Lớp này cung
cấp những yếu tố liên quan như ma sát bề mặt, độ nhẵn, kiểm soát tiếng ồn khi lưu
thông, các ổ gà có thể hình thành và chế độ thoát nước trên bề mặt. Thêm vào đó
tầng mặt cũng góp phần ngăn cản nước bề mặt tấn công xuống các lớp móng trên,
móng dưới và lớp nền. Lớp kết cấu vật liệu này được chia thành hai loại sau:

 Lớp phủ mặt đường: là lớp tiếp xúc trực tiếp với các phương tiện giao thông
trong lưu thông. Bộ phận này được thiết kế nhằm ngăn cản sự bào mòn có
thể dẫn tới phá hoại mặt đường. Một chương trình bảo toàn được thiết kế
phù hợp để có thể xác định sự cố bề mặt áo đường trong khi vẫn tiếp xúc với
lớp phủ mặt đường. Theo cách này, lớp phủ mặt đường có thể được cải tạo ,
tu bổ trước khi những sự cố này lan truyền xuống lớp kết dính (binder coure)
 Lớp kết dính: đóng góp đáng kể trong kết cấu HMA. Nhiệm vụ cơ bản của
lớp này là nhằm phân phối tải trọng.

2. Lớp móng trên

trang 6

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Lớp móng trên là bộ phận tiếp giáp ngay dưới tầng mặt và hỗ trợ cho phân
phối tải trọng, đồng thời đóng góp cho hệ thống thoát nước mặt và chịu tải
trọng do băng giá có thể tác dụng. Lớp móng trên thường được cấu tạo như
sau:
 Cốt liệu: lớp móng trên được xây dựng chủ yếu từ các cốt liệu bền như trên
hình 3, vì thế sẽ không bị phá hủy bởi độ ẩm hoặc băng giá. Phụ thuộc vào
từng trường hợp mà các hạt cốt liệu có thể được gia cố hoặc không.
 HMA: Ở trong những hoàn cảnh nhất định mức độ bền vững cao phải được
thỏa mãn, lớp móng trên sư dụng các hỗn hợp HMA khác nhau. Liên quan

tới hỗn hợp HMA tại tầng mặt , hỗn hợp tại lớp móng trên thường bao gồm
cỡ hạt tối đa cao hơn.
Hình 3

trang 7

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

3. Lớp móng dưới
Lớp móng dưới là phần nằm giữa lớp móng trên và nền đường bên dưới. Ngoài
chức năng giữ sự ổn định cho toàn kết cấu lớp kết cấu này còn có một số vai trò
quan trọng như:
 Giảm thiểu sự xâm nhập, trộn lẫn của các hạt lớp nền vào các lớp của kết
cấu mặt đường.
 Nâng cao khả năng thoát nước.
 Hạn chế khả năng phá hoại do băng giá gây ra.
Lớp móng dưới bao gồm các vật liệu có chất lượng kém hơn lớp móng trên và
cao hơn lớp nền bên dưới. Trong thiết kế mặt đường không phải lúc nào lớp móng
dưới cũng cần thiết hoặc được sư dụng. Chẳng hạn, mặt đường được xây dựng trên
một nền tốt khi đó lớp móng dưới có thể không thực sự cần thiết cho kết cấu mặt
đường. Tuy nhiên, mặt đường được thiết kế trên nền đất yếu như sét, bùn và chịu
tác dụng của nhiều loại tải trọng thì trong trường hợp đó lớp móng dưới thực sự
cần thiết, với trường hợp này lớp móng dưới cần vật liệu đắp tốt dùng để khắc
phục lớp nền yếu bên dưới.
 Phân loại mặt đường HMA
Hiện nay, mặt đường HMA có thể chia thành khá nhiều loại khác nhau. Tuy vậy
người ta chủ yếu phân thành 3 hình thức chủ yếu sau:
 Mặt đường HMA cấp phối đặc ( Dense-graded HMA ) : là loại mặt đường
sư dụng khá rộng rãi và đa chức năng, trong công nghệ xây dựng mặt đường
này được phân tích và nghiên cứu rất kĩ ở Mĩ.
 SMA ( stone matrix asphalt ) : Trong khi mặt đường cấp phối đặc rất phổ
biến thì SMA lại ít sư dụng rỗng rãi trên thế giới đặc biệt tại Mĩ. Tuy vậy,
một số quốc gia Châu Âu đã sư dụng như là phương án cho thời điểm mặt

đường phải làm việc với tải trọng lớn.
 Mặt đường HMA cấp phối hở (open – graded HMA) : bao gồm cả lớp ma
sát và vật liệu thấm nhựa gia cố asphalt. Hỗn hợp cấp phối hở thường được
dùng như lớp phủ bề mặt hoặc lớp thoát nước bên dưới do những ưu điểm
đặc biệt tạo nên bởi độ rỗng của hỗn hợp.

trang 8

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Hình 4 : Các loại hỗn hợp HMA

III. Tổng quan về quá trình đầm nén mặt đường
1. Sơ lược về quá trình đầm nén.
Đầm nén là một khâu quan trọng trong công nghệ thi công mặt và móng đường.
Hầu hết tất cả các mặt đường đều trải qua quá trình đầm nén.
Tầm quan trọng của công tác đầm nén:
 Chất lượng đầm nén có ảnh hưởng quyết định tới chất lượng sư dụng của
được sư dụng của các tầng lớp áo đường. Bất kì một vật liệu nào, được xây
dựng theo nguyên lý nào đi chăng nữa thì chỉ sau khi đầm nén trong nội bộ
vật liệu mới hình thành được cấu trúc và đảm bảo cường độ cũng như độ ổn
định cần thiết. Điều này được hiểu là chỉ sau đầm nén lớp mặt đường mới có
được một cấu trúc hơn hẳn cấu trúc ban đầu.
 Như chúng ta biết rằng, quá trình đầm nén là khâu đỏi hỏi nhiều công sức
nhất , kỹ thuật phức tạp nhất trong công nghệ thi công các lớp mặt đường.
Quyết định đến tốc độ dây chuyền và là khâu kết thúc quá trình công nghệ
nên phải tập trung chỉ đạo và kiểm tra.
2. Mục đích của công tác đầm nén
trang 9

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Quá trình đầm nén ảnh hưởng lớn tới cường độ và độ bền của nền đường bê
tông asphalt rải nóng. Mục đích chính của việc đầm nén là nhằm đạt được độ chặt
tối ưu cần thiết. Ngoài ra, công việc này cũng góp phần đảm bảo lớp áo đường có
được sức chịu tải cần thiết để hỗ trợ cho tải trọng do quá trình lưu thông đã được
dự báo từ trước và độ bền để chống lại quá trình phong hóa khi đưa vào sư dụng.
Vật liệu làm mặt đường là một hỗn hợp gồm ba pha : rắn, lỏng và khí. Khi hỗn
hợp mới được san rải, thể tích pha khí trong vật liệu thường rất lớn, vật liệu rời rạc,
cấu trúc lỏng lẻo. Vì thế đầm nén mặt đường nhằm mục đích làm tăng độ chặt của
vật liệu bằng cách đẩy không khí ra ngoài( làm giảm thể tích pha khí).
Ngoài ra do vật liệu có độ chặt lớn nên:
 Tăng được số lượng liên kết và tiếp xúc trong một đơn vị thể tích.
 Các chất liên kết nhờ đó phát huy được tác dụng, nội bộ vật liệu hình thành
được cấu trúc mới.
 Lực dính, góc ma sát trong, tính nhớt của vật liệu đều tăng lên.
 Tính thấm hơi, thấm nước của vật liệu giảm đi.

Vì vậy, lớp vật liệu sau khi đầm nén và bảo dưỡng có đủ cường độ, ổn định
cường độ dưới tác dụng của xe cộ và các yếu tố khí quyển trong suốt quá trình
phục vụ này. Mục đích của công tác đầm nén được biểu thị rõ bên ở hình 5

Hình 5: Mô tả mục đích của công tác đầm nén

trang 10

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

CHƯƠNG II. ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẦM NÉN TỚI
TÍNH CHẤT HMA
Tổng quát: HMA(Hot Mix Asphalt) được sư dụng khá rộng rãi không chỉ
các quốc gia Phương Tây mà còn tại Châu Á đặc biệt tai Iran. Do đó, việc quản lý
chất lượng (QC) của các tuyến đường được thi công với HMA được quan tâm kỹ
lưỡng bởi các nhà khoa học. Quản lí chất lượng (QC) trong các công trình được
xây dựng bằng phương pháp này thường được thực hiện bởi công tác đo đạc các
thông số thể tích của mẫu thư Marshall dùng cho HMA. Một trong những thông số
quan trọng có ảnh hưởng lớn tới chất lượng của mặt đường đó là “ nhiệt độ đầm
nén”. Điều này được thể hiện rõ qua thông số thể tích của mẫu Marshall được thí
nghiệm và sản phẩm được xây dựng sau đó cho thấy sự thay đổi đáng kể về các
tính chất. Theo báo cáo này, sự cần thiết để xét đến việc bảo toàn của nhiệt độ đầm
nén trong quá trình thi công, ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ ở HMA được
đánh giá chi tiết. Thêm vào đó để đánh giá ảnh hưởng của thông số này và các cấp
phối khác. Hai cấp phối khác nhau được sư dụng và đầm trong 5 mức giá trị nhiệt
độ khác nhau.
I.

Giới thiệu
Một trong những chất kết dính asphalt thường được xây dựng nhất ở đất nước
Nam Á Iran đó là HMA. Do tính bền cao, sản phẩm đặc chắc, kiểm soát nhiệt độ,
độ ẩm và quá trình thi công nhanh chóng cho phương tiện giao thông qua lại, do
vậy đã rất nhiều đơn vị lựa chọn để thực hiện. Xác định thông số nhiệt độ của mẫu
HMA có vai trò hết sức to lớn tới công tác quản lý chất lượng( QC) của tuyến
đường. Quá trình thí nghiệm và nghiên cứu cho thấy nhiệt độ đầm nén là một trong
các yếu tố có thể làm thay đổi lớn về các thông số thể tích của HMA. Theo ASTM
D 6926, nhiệt độ đầm nén là nhiệt độ nơi mà bitum nên được làm nóng để sinh ra
nhớt đạt từ 0.28 0.03 pa.s . Nhiệt độ đầm nén là một trong những vấn đề chính
trong HMA và cũng là tiêu chí hết sức quan trọng trong quá trình để sản xuất HMA

có chất lượng tốt. Cũng do đó nhiệt độ là nhân tố chìa khóa trong việc quản lí độ
nhớt của bitum. Nó ảnh hưởng đến chất lượng để bao phủ và cung cấp đầy đủ chất
bôi trơn cho cốt liệu và sự trượt lên nhau giữa chúng.

II.

Các thí nghiệm trong phòng

1.

Cấp phối cốt liệu
Trong báo phạm vi báo cáo này, hai hỗn hợp thiết kế được sư dụng và giới
hạn cỡ hạt cho cốt liệu được trình bày ở bảng 1 và biểu đồ biểu thị ở hình vẽ 1, 2 :

trang 11

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

trang 12

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

2.

Lựa chọn bitum
Từ thực tế cho thấy rằng loại bitum được sư dụng ở Iran là loại 60-70, theo
báo cáo này loại bitum này được nghiên cứu và hình vẽ 3 trình bày nhiệt độ và độ
nhớt. Bảng II biểu thị kết quả của thí nghiệm xi măng asphalt :

trang 13

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

3. Tiêu chuẩn về cốt liệu
Trên bảng số liệu III và IV , kết quả thí nghiệm của cốt liệu được trình bày

4. Nhiệt độ đầm nén sử dụng trong thí nghiệm
Theo bộ sách cẩm nang Viện Asphalt số 2 (Asphalt Institude Manual), nhiệt độ
của xi măng asphalt trong khuôn suốt quá trình đang trộn cốt liệu ở trạm trộn của
nhà máy với cấp phối liên tục sau đó được dỡ tải và vận chuyển từ xưởng trộn tới
xe chuyên chở không được vượt quá 163 .

III.

Kết quả và phân tích
1. Phân tích về khối lượng riêng
Hình vẽ 4 trình bày kết quả đã được thí nghiệm như sau:
 Khối lượng riêng chất kết dính lớn hơn lớp phủ trên cùng.
 Khối lương riêng chất kết dính và lớp phủ trên cùng tăng đồng thời khi nhiệt
độ tăng , điều này là kết quả của tính nhớt xi măng asphalt do nhiệt độ tăng
lên xảy ra sau đó, điều kiện của vì trí đó là chặt hơn các vật liệu bên cạnh.
 Khối lượng riêng lớn nhất của chất kết dính và lớp phủ trên cùng xảy ra khi
nhiệt độ vượt quá 145.
 Sự tương quan lẫn nhau của chất kết dính và lớp phủ trên cùng cho thấy rằng
sự quan hệ giữa khối lượng riêng và nhiệt độ đầm nén. (Cho số liệu cốt liệu
lớp phủ trên cùng =0.938 và cốt liệu lớp dính kết =0.951).
trang 14

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

2. Phân tích phần trăm tỷ lệ khí
Phần trăm hàm lượng khí của cốt liệu lớp kết dính lớn hơn khi so với số liệu cốt
liệu tại lớp phủ bề mặt. Hơn nữa, giá trị lớn ở lớp kết dính và lớp phủ là dấu hiệu
cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa tỷ lệ khí và nhiệt độ đầm nén.( Cho số liệu cốt
liệu tại lớp kết dính và lớp phủ lần lượt là: và ). Nhiệt độ đầm nén cao hơn là
nguyên nhân gây lên việc gia tăng tính nhớt xi măng asphalt và sự khuếch tán xi

măng asphalt ở bề mặt, đồng thời điều này cũng dẫnđến khiến một màng mỏng
của bitum trở thành lớp phủ trên cốt liệu. Qua đây cũng rút ra
nhận xét rằng, nhiệt độ càng tăng kéo theo tỷ lệ khí cũng tăng theo.
3. Phân tích hàm lượng khí lấp đầy trong hỗn hợp
Hình 6 trình bày VFA tăng đồng thời khi nhiệt độ đầm nén tăng lên. Lượng
VFA trong lớp kết dính lớn hơn trong lớp phủ trên cùng, điều này gây ra bởi hàm
lượng asphalt tối ưu nhiều hơn ở lớp phủ so với lớp kết dính. Tuy nhiên, do thiếu
cân bằng của phần trăm tỷ lệ khí của lớp phủ so với lớp kết dính ở các nhiệt độ
khác nhau. Lượng VFA tại hai lớp phủ trên cùng và lớp kết dính là không hoàn
toàn bằng nhau. Cũng trong hình vẽ về hai lớp trên trình bày việc thay đổi của VFA
là tỉ lệ nghịch với sự thay đổi nhiệt độ. Hình vẽ cũng cho thấy mối quan hệ giữa
VFA và nhiệt độ đầm nén( do sự tương tác cao của lớp phủ bên trên và lớp kết
dính). Theo tiêu chuẩn mặt đường đường bộ Iran số 234 , giới hạn VFA cho phép
của lớp phủ mặt đường phải nằm trong miền 112 (VFA=65) tới 163 (VFA) và với
lớp kết dính ở nhiêt độ từ 129 (VFA) =65 tới 189 (VFA=75).

trang 15

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

4. Phân tích tính độ bền
Như số liệu trong hình vẽ 7, độ bền của cả hỗn hợp thiết kế (lớp phủ và dính
kết) đều tăng khi nhiệt độ đầm nén tăng, tuy nhiên nó tăng chậm khi nhiệt độ vượt
quá 145.
Hình vẽ trên cũng cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa độ bền và nhiệt độ đầm
nén(do giá trị cao ở hai lớp phủ và dính kết). Bởi vì kích cỡ hạt cốt liệu của lớp
dính kết lớn hơn lớp phủ điều này dẫn đến độ bền ở lớp dính kết cao hơn lớp phủ.
Biểu đồ thể hiện sự biến thiên độ bền theo nhiệt độ đầm nén cho thấy tốc độ
tăng cực đại xảy ra khi nhiệt độ đạt 115 -130 và 130-145, trong khi nó là không
đáng kể trong miền từ 145-160.

trang 16

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

5. Phân tích về dòng

trang 17

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Số lượng dòng marshall ở lớp phủ trên cùng và lớp kết dính tăng đồng thời khi
nhiệt độ đầm nén tăng lên. Hình vẽ 9 biểu thị tốc độ thay đổi giữa dòng của lớp

phủ và lớp dính kết có xu hướng tăng lên theo nhiệt độ .Hình vẽ 9 cũng cho thấy
mối quan hệ chặt chẽ giữa dòng (flow) và nhiệt độ đầm nén (do giá trị cao lần lượt

đạt 0.966 và 0.989 tại hai lớp kết dính và lớp phủ) Theo như đã đề cập số lượng
cho phép lớn nhất và nhỏ nhất ở MS-2 (2-3.5 mm), theo như hình 9 thấy rằng tất cả
số dòng đạt được tại hai lớp này đều nằm trong giới hạn
6. Kết luận
Báo cáo chỉ ra rằng nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của HMA. Từ
các giá trị tương quan cao (R2 vượt quá 0.9) như minh họa ở trên chúng ta có
thể thấy rằng sự phụ thuộc lẫn nhau giữa các thông số trong mẫu Marshall và
nhiệt độ đầm nén. Vì thế, việc kiểm soát nhiệt độ đầm nén trong suất quá trình
làm việc của HMA có thể giúp tránh những thay đổi xấu về chất lượng của
HMA.
Nhiệt độ đầm nén tăng cao cũng làm cho khối lượng riêng tăng lên, tuy nhiên
có một giới hạn khi tăng và khối lượng riêng sau đó sẽ giảm khi tiếp tục tăng
nhiệt độ. (theo báo cáo khi nhiêt độ đạt 145)
Tham khảo giá trị và VFA ở MS2 đã đề cập và các tài liệu khác,chúng ta
thấy rằng nhiệt độ cho phép song song với nó có thể được đạt tới 145

trang 18

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Nhiệt độ vàng đã được tìm ra cho hỗn hợp asphalt tiêu chuẩn trong mẫu
Marshall làm việc tốt nhất. Theo khảo sát nhiệt độ vào khoảng 145, ở mức nhiệt
độ này độ nhớt của bitum đạt được là 280 centistokes, Cst).
CHƯƠNG III :CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ TÍNH CHẤT NHIỆT TRONG
SUỐT QUÁ TRÌNH ĐẦM NÉN MẶT ĐƯỜNG HMA
Nhằm quản lý và đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong suốt quá trình
đầm nén, một chương trình máy tính đã được thiết kế tại đại học Minnesota nhằm
mục đích dự báo thời gian nguội của bê tông asphalt trong quá trình xây dựng các
công trình giao thông với điều kiện nhiệt độ không ổn định. Sản phẩm được thực

hiện để xác định những tính chất nhiệt nào ảnh hưởng đáng kể tới thời gian nguội
của mặt đường khi rải.
I.

Một số tính chất vật lý của hỗn hợp HMA

Với chất kết dính, độ nhớt của nó thay đổi theo nhiệt độ. Nghiên cứu chỉ ra
rằng độ nhớt tăng 1000 lần khi nhiệt độ giảm từ 135˚C xuống còn 57˚C, đồng thời
việc nhiệt độ giảm từ 135˚C xuống 63˚C cũng làm tăng sức kháng của mặt đường
lên 10 lần hoàn toàn do tính nhớt của chất kết dính gây ra. Công tác theo dõi quá
trình đầm nén đặc biệt quan trọng trong điều kiện thời tiết lạnh, khi độ rỗng không
khí trong hỗn hợp sau khi đầm nén có thể đạt 16%. Mặt đường với độ rỗng này là
dấu hiệu dẫn đến việc hư hỏng công trình sau hai năm đưa vào khai thác.
Việc điều chỉnh nhiệt độ là một trong những công việc ban đầu làm cơ sở
cho việc tiến hành công tác đầm nén. Trong khi đầm nén, sự điều chỉnh thời gian
trễ giữa công tác rải nhựa và đầm là một công cụ hữu ích để kiểm soát nhiệt độ.
Tuy nhiên, giới hạn về lượng thời gian trễ có thể được cắt giảm. Năm 1971, những
đơn vị thi công ở Mỹ đã xác định rằng 10 phút là khoảng thời gian đầm nén cho
phép nhỏ nhất cần thiết với những thiết bị hiện có. Khí lạnh và nhiệt độ nền có thể
làm giảm thời gian trễ khi chiều dày đã cho được nâng tới điểm mà hỗn hợp không
thể được đầm nén hoàn toàn. Sự bất lợi này có thể được khắc phục bởi việc tăng
chiều dày và cho phép hỗn hợp giữ nhiệt trong thời gian dài hơn. Một vấn đề khác,
trong suốt thời gian mùa đông, mật độ giao thông giảm nhiều. Vì thế mặt đường
xây dựng vào cuối mùa đông nên được đầm lăn chặt đến mức có thể để đạt tới
100% độ chặt đã được thí nghiệm.

trang 19

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Độ chặt giả thiết ảnh hưởng lớn đến tính chất nhiệt của mặt đường, mô hình
làm nguội mặt đường yêu cầu thông tin làm thế nào để độ chặt và bề dày lớp hỗn
hợp asphalt rải nóng thay đổi với mỗi lượt lăn qua bề mặt. Hai nhà khoa học
Tegeler và Dempsey đã chỉ ra rằng, sự thay đổi độ chặt ở trong hỗn hợp asphalt rải
nóng có ảnh hưởng tới khả năng dẫn nhiệt của hỗn hợp nhiều hơn so với sự thay
đổi nhiệt. Một hỗn hợp mặt đường được rải với độ chặt đạt 75 tới 80 % so với
trong phòng thí nghiệm sẽ khiến cho các tính chất về nhiệt thay đổi rõ rệt. Tegeler
và Dempsey dự đoán rằng, phạm vi giá trị dẫn nhiệt thay đổi từ 1.04 bên dưới máy
rải tới 1.56W/mK sau khi quá trình đầm nén kết thúc.
II.

Tính chất nhiệt của vật liệu làm mặt đường.

Một mối quan hệ toán học nhằm giải thích cho trạng thái làm mát của hỗn
hợp HMA được yêu cầu để dự báo tốc độ làm mát của hỗn hợp. Làm mát xảy ra
dưới ba hình thức: truyền nhiệt, đối lưu, bức xạ. Mặc dù sự đối lưu và bức xạ là
yếu tố quan trọng cho mô hình làm mát nền đường, nhưng nó không cần thiết cho
tính toán liên quan tới tính chất nhiệt trong báo cáo này. Lý thuyết dẫn nhiệt miêu
tả sự truyền nhiệt trong một khối đặc và là cơ sở của tính chất nhiệt yêu cầu cho
mô hình làm mát hỗn hợp mặt đường. Sự truyền nhiệt được mô tả bởi định luật
Fourier trong đó dòng nhiệt tại một hướng nhất định tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt
độ theo hướng đó. Hằng số tỷ lệ theo mối quan hệ trên được gọi là độ dẫn nhiệt. Sự
dẫn nhiệt ở trạng thái ổn định một chiều được trình bày theo phương trình sau:
= (1)
Trong đó = dòng nhiệt theo phương thẳng đứng z, W/
k = hệ số dẫn nhiệt,W/mK
T= nhiệt độ,K
z= khoảng cách thẳng đứng,m
Việc mô tả dòng nhiệt chuyển tiếp cần ít nhất thông số của hai tính chất nhiệt.

Nhiệt dung riêng để đo nhiệt yêu cầu nhằm tăng nhiệt độ của khối lên 1. Ngoài ra
độ khuyết tán nhiệt có thể tính toán thông qua việc xác định tốc độ lan truyền nhiệt
trong vật liệu đang xét . Hai tính chất này cùng với khối lượng riêng quan hệ với
nhau theo phương trình sau:
α=
Trong đó:

(2)

α = độ khuyết tán nhiệt, /s
trang 20

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

= khối lượng riêng, kg/
= nhiệt dung riêng, J/kg
Dòng nhiệt chuyển tiếp được trình bày bằng mối quan hệ như phương trình dưới và
tuân theo phương trình khuyếch tán sau:

=

(3)

Trong đó:
t = thời gian, s
Mặc dù, tính dẫn nhiệt là tính chất đặc trưng về nhiệt của asphalt thường
được xem xét nhiều nhất , nhưng độ khuyết tán nhiệt cũng được yêu cầu nhằm
mục đích dự báo tốc độ làm mát của mặt đường. Trong trường hợp giá trị độ
khuyết tán nhiệt không có sẵn thì tính dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và khối lượng

riêng được dùng để dự đoán thời gian làm mát.
III.

Phân tích độ nhạy

Phân tích độ nhạy được kiểm soát bằng việc lập bảng tính trên máy tính cá
nhân. Tính dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và độ khuyếch tán nhiệt thay đổi theo vùng,
nơi mà việc xác định dựa trên thuật toán sai khác hữu hạn tuyệt đối được thực hiện
theo phương pháp Corlew và Dickson. Mô hình tính toán dự đoán sự khác nhau
đáng kể trong thời gian làm mát cho mặt đường HMA vượt quá vùng của tính chất
nhiệt báo cáo trong lý thuyết. Ví dụ: thời gian dự tính làm mát từ 135 xuống 80 lớp
60mm cần 10 phút, do đó giá trị độ dẫn nhiệt và độ khuyếch tán nhiệt càng thấp
thì thời gian cần cho làm mát càng cao. Ảnh hưởng của nhiệt dung riêng là không
đáng kể so với hai tính chất trên. Kết quả này cho thấy sự cần thiết của phân tích
xa hơn của tính chất nhiệt bê tông asphalt, đặc biêt tính dẫn nhiệt và độ khuyếch
tán nhiệt.
IV.

Mô hình máy tính

Phiên bản cuối cùng khi sư dụng công cụ máy tính sẽ bao gồm một giao diện
người sư dụng, mô hình làm mát mặt đường, hệ thống chuyên gia (hình1). Trong
đó, giao diện người sư dụng bao gồm bàn phím hoặc bao gồm thiết bị con trỏ như
chuột. Mô hình làm mát mặt đường được dựa trên thí thuyết dòng nhiệt dịch

trang 21

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

chuyển sư dụng giản đồ phần tư hữu hạn ẩn. Hệ thống chuyên gia được lập trình sư
dụng shell hệ thống chuyên gia có sẵn.
Mô hình làm mát mặt đường yêu cầu thông tin về khối lượng riêng và các
tính chất nhiệt của lớp mặt đường đồng thời các điều kiện môi trường. Jordan and
Thomas đã kiến nghị một số thông số sau:
 Khối lượng riêng của các lớp mặt đường
 Giá trị độ dẫn nhiệt
 Nhiệt dung riêng
 Nhiệt độ môi trường xung quanh
 Tốc độ gió
 Hệ số đối lưu
 Giá trị bức xạ mặt trời chiếu tới
 Hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của bề mặt mặt đường
 Số gia chiều sâu và thời gian
 Nhiệt độ mặt đường ban đầu

trang 22

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

Nhiệt độ môi trường xung quanh và tốc độ gió có thể xác định một cách dễ
dàng hoặc được dự đoán theo báo cáo về thời tiết của địa phương. Để xác định
chính xác hệ số đối lưu và hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời là công việc gặp nhiều trở
ngại hơn, tuy nhiên công cụ trong dự báo hệ số đối lưu từ tốc độ gió và dự báo
hấp thụ bức xạ từ vị trí, thời gian, thông tin về mây bao phủ được gộp trong mô
hình làm mát. Hê số bức xạ và hấp thụ bức xạ được sư dụng theo giả thiết của
Corlew và Dickson. Số gia về chiều sâu và thời gian được chọn từ độ chính xác
tối ưu và tốc độ tính toán. Trong đó, biến dạng nhiệt độ ban đầu của kết cấu hiện
có, nơi mà hỗn hợp nóng sẽ được đổ và được giả sư là hằng số và không đổi từ

việc đo lường nhiệt độ bề mặt. Biến dạng nhiệt độ hỗn hợp nóng ban đầu coi như
là không đổi và bằng nhiệt độ hỗn hợp bên dưới mặt đường.
Phiên bản hiện hành của công cụ làm mát nền đường Asphalt bao gồm màn
hình đầu vào, nhằm thực hiện hỗ trợ người sư dụng để giải quyết số liệu cần thiết,
một mô hình hữu hạn, một cưa sổ đầu ra để hiển thị thời gian làm mát ngoài ra cần
thiết, một công cụ minh họa đường cong nguội của nền đường. Những yêu cầu về
phần cứng máy tính bao gồm: một IBM máy tính cá nhân thích hợp (386), hệ điều
hành 3.1 hoặc cao hơn, tối thiểu 1 megabyte khoảng trống trong đĩa cứng và 4

trang 23

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

megabyte của bộ nhớ RAM, ngoài ra cần thêm một VGA màn hình 640 x 480.
Phiên bản cuối cùng của chương trình nền sư dụng là 1998, tuy nhiên ngày nay có
rất nhiều phiên bản nâng cấp có thể được sư dụng. Nó sẽ bao gồm hệ thống
chuyên gia cung cấp cho người sư dụng những giải pháp với rất nhiều vấn đề của
mặt đường trong suốt điều kiện nhiệt độ bất lợi.
V.

Các phương pháp thử nghiệm nhiệt

Mặc dù có nhiều phương pháp với độ chuẩn cao trong việc xác định tính chất
nhiệt của vật liệu, tuy vậy mặt đường Asphalt vẫn bộc lộ những vấn đề liên quan
tới kích thước hạt yêu cầu (như việc giả thiết yêu cầu đồng nhất trong khi đó thực
tế điều này rất khó có thể xảy ra). Một khó khăn khác thường gặp phải đó là sự
thay đổi trong chất dính kết bê tông asphalt khi hỗn hợp được đun nóng sau đó để
nguội. Mẫu hỗn hợp nóng được làm nóng trên nhiệt độ nhất định nó phải được
thực hiện theo trình tự giữ nguyên hình dạng yêu cầu. Phần lớn tính chất nhiệt có

sẵn không được thiết kế cho kích cỡ mẫu asphalt chuẩn hoặc loại hỗn hợp không
chặt của vật liệu. Mặc dù dụng cụ nhiệt độ tiêu chuẩn có thể được chỉnh sưa cho
mục đích đo lường tính chất nhiệt bê tông asphalt nhưng giá thành là rào cản rất
lớn để có thể đầu tư.
Một thí nghiệm về sự khuyếch tán nhiệt của bản bê tông asphalt được thiết kế
theo trình tự cung cấp các thông tin nhiệt độ cần thiết, phục vụ mô hình làm mát
mặt đường. Điều này đòi hỏi cung cấp nhiệt cho tấm bê tông tới nhiệt độ không
đổi, và đo đạc nhiệt độ ở các độ sâu trong suốt thời điểm làm mát tấm bê tông.
Dựa vào phương pháp thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM để xác định tính dẫn
nhiệt của đất và đá mềm bằng đầu dò kim nhiệt (D5334) được hiệu chỉnh nhằm
phù hợp với việc sư dụng mẫu bê tông asphalt hình trụ kết quả được dùng để so
sánh giá trị độ dẫn nhiệt thực tế và lý thuyết đã được báo cáo. Mẫu sư dụng yêu
cầu cho thí nghiệm này là mẫu hình trụ tương tự kích thước lõi nền đường được sư
dụng trong thí nghiệm ba trục của bê tông asphalt. Quy trình thí nghiệm nhiệt
dung riêng không được xem xét trong báo cáo này
VI.

Thiết kế hỗn hợp

Thành phần hỗn hợp trong báo cáo này được chọn để nhằm miêu tả hai loại
tính chất nhiệt khác nhau. Các hỗn hợp được chọn có độ chặt tiêu chuẩn và hỗn
hợp SMA có kích thước hạt cốt liệu lớn nhất là 15.9mm. Hỗn hợp cấp phối đặc
thiết kế theo chương trình của Viện giao thông Minnesota (Mn/DOT) giới hạn cấp
phối loại A cho hỗn hợp bitum. Hỗn hợp SMA thiết kế dựa theo cấp phối điển
hình đã sư dụng ở Đức. Cốt liệu sư dụng bao gồm đá granite đã được nghiền có
trang 24

Ảnh hưởng của nhiệt độ và công tác quản lý nhiệt độ trong suốt quá trình đầm nén mặt đường HMA

kích thước hạt 9.5 mm hoặc lớn hơn, ngoài ra cần sỏi sông có kích thước 4.75 mm
hoặc nhỏ hơn. Asphalt có độ xuyên đạt 120/150 được sư dụng cho cả hai hỗn hợp.
Asphalt và cốt liệu được trộn theo Mn/DOT bằng máy trộn tại một phòng thí
nghiệm lớn. Mỗi hỗn hợp được chuẩn bị đầy đủ để đầm nén ba tấm bản, hai mẫu
trụ, và hướng dẫn phân tích trọng lực riêng lớn nhất theo lý thuyết.
Quy trình đầm nén được mô hình hóa theo công trình nghiên cứu của Scholz.
Ưu điểm chính của việc đầm lăn liên hệ tới nghiên cứu này đó là khả năng đầm
nén một mẫu thanh bản xấp xỉ một tường vô hạn, trong điều kiện truyền nhiệt theo
một chiều. Kích thước mẫu bản tiêu chuẩn được sư dụng trong nghiên cứu của
Scholz là 710x710x102 mm. Bản thanh được đầm bằng một thiết bị máy đầm lăn
gắn động cơ.
Trong bản báo cáo này kích thước của bản thanh được dùng là 380x380x64
mm. Chiều dày được xác định xem như là của lớp asphalt điển hình, trong đó kích
thước ngang tính toán theo tỉ số chiều dày trên chiều dài nhỏ hơn 0.2. Đó là giá trị
giới hạn cho tấm bản vuông nhằm đảm bảo rằng sự thay đổi nhiệt độ ở giữa bản
có thể được mô hình hóa sư dụng lý thuyết plane-wall một chiều. Một mô hình
nhỏ hơn của hệ thống khuôn tìm ra bởi Scholz sư dụng bằng vật liệu gỗ. Thay vì
sư dụng hệ thống động cơ đầm lăn bánh thép, một máy đầm được đổ đầy nước có
đường kính 457 mm và dài 560 mm được sư dụng để đầm mẫu. Khối lượng tổng
cộng của máy đầm và nước ở nhiệt độ 25 là 115 kg.
Quy trình cảm biến nhiệt theo ASTM D 5334 yêu cầu chiều dài vượt quá 100
mm để cảm biến nhiệt độ chính xác. Mẫu hình trụ asphalt có kích thước 100x200
mm được đầm nén theo quy trình dùng búa Marshall đã hiệu chỉnh được thực hiện
tại đại học Minesota. Những mẫu này thỏa mãn yêu cầu theo tiêu chuẩn ASTM
cho chiều sâu cảm biến lên tới 100 mm. Khuôn trong sư dụng bao gồm một ống
thép với bán kính trong là 100 mm và chiều cao đạt 254 mm. Trụ được đặt bên
trên của tấm bản.

 Phương pháp bản làm mát cho sự khuếch tán nhiệt của bêtông asphalt
Cho một mẫu có kích thước tương đối đồng nhất, và điều kiện gần đúng cho

dòng nhiệt một chiều đi qua, Chúng ta có thể xác định khả năng khuyếch tán nhiệt
từ mối quan hệ bậc nhất giữa nhiệt độ - thời gian và mối quan hệ bậc hai giữa nhiệt
độ- không gian. Phương pháp không yêu cầu dòng nhiệt và nhiệt độ biên ổn định.
Từ đó có thể đo được sự khuếch tán nhiệt độ thông qua một thí nghiệm rất đơn
giản. Cấu hình của một tấm Asphalt, được cách nhiệt ở các mặt bên và phía dưới,

trang 25

Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình đầm nén mặt đường

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về