255
độ rỗng dư u cầu có thể tính tốn lại lượng bitum theo 100 khối lượng vật liệu khoáng theo cơng thức sau:
rK ad
BT OK
V V
B ρ
ρ
= ×
trong ñó : B - khối lượng bitum , tính theo khối lượng ñặc của cốt liệu 100
V
RK
- độ rỗng vật liệu khống của mẫu thí nghiệm, ; V
ad
-
Trị số độ rỗng dư của bê tông asphalt ρ
BT
- khối lượng riêng của bi tum ở 20
o
C, gcm
3
. ρ
O
K
- Khối lượng thể tích của vật liệu khống trong hỗn hợp bê tơng asphalt.
Tiến hành đúc các mẫu thử với lượng bitum tính tốn, thử các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông asphalt theo tiêu chuẩn kỹ thuật quy ñịnh. Thành lập các biểu
ñồ ñể xác ñịnh lượng bitum tối ưu và thành phần bê tông asphalt cuối cùng
5.2. Thiết kế thành phần bê tông asphalt theo phương pháp Marshall Viện bê tông asphalt Mỹ và tiêu chuẩn Việt Nam:
Thành phần bê tông asphalt sử dụng thành phần hạt theo cấp phối Fuller với hệ số n=0.42-0.52. Cấp phối hạt tiêu chuẩn ghi ở
Bảng 10.11. Theo tiêu chuẩn Việt Nam có các quy ñịnh về thành phần hạt hợp lý ñược
cải tiến cho phù hợp với ñiều kiện Việt Nam. Thành phần hạt hợp lý các loại bê tông asphalt ở bảng
10.12; 10.13. Thành phần hạt hợp lý ñược lập theo lý thuyết Fuller:
P=100 dD
n
, Trong đó: D- đường kính lớn nhất; d- đường kính cần tính tốn; hệ số n=0,5.
Theo đề nghị của Viện AI hiện nay chọn n=0.45
25 6
B ả
n g
1 .1
1 .
C á
c h
ỗ n
h ợp
b ê
tô n
g a
sp h
a lt
c ủ
a M
ỹ
Cỡ s
à n
g L
o ạ
i 6
5 2
1 2
i n
3 7
.5 1
1 2
i n
2 5
1 i
n 1
9 3
4 i
n 1
2 .5
1 2
i n
9 .5
3 8
i n
4 .7
5 N
4 2
.3 6
N 8
N 1
6 .6
N 3
.3 N
5 .1
5 N
1 .0
7 5
N 2
Nh ự
a P
en rc
en t
Ia II
a II
b II
c II
d II
e II
Ia II
Ib II
Ic II
Id II
Ie IVa
IV b
IVc IV
d Va
V b
VI a
V Ib
VI Ia
1 1
1 1
3 5
-7 1
7 5
-1 1
7 5
-1 1
8 -1
-1 5
1 7
-1 5
-8 1
1 7
5 -1
6 -8
5 1
8 -1
7 -9
1 1
1 1
7 -1
1 7
5 -1
7 5
-1 1
8 -1
1 8
5 -1
1 1
7 -1
4 5
-7 5
3 5
-6 2
5 -6
7 5
-1 6
-8 5
6 -8
5 4
5 -7
4 -6
5 8
-1 7
-9 6
-8 5
5 -7
5 8
5 -1
8 5
-1 8
5 -1
1 4
5 -5
2 -4
2 -4
1 5
-3 5
1 -3
3 5
-5 5
3 5
-5 5
3 -5
3 -5
3 -5
5 5
-7 5
5 -7
4 8
-6 5
4 5
-6 2
6 5
-8 6
5 -8
8 5
-1 -5
5 -2
5 -2
5 -2
5 -2
5 -2
2 -3
5 2
-3 5
2 -3
5 2
-3 5
2 -3
5 3
5 -5
3 5
-5 3
5 -5
3 5
-5 5
-6 5
5 -6
5 6
5 -7
8 6
5 -8
8 -9
5 3
7 -5
2 3
7 -5
2 5
-7 4
7 -6
8 7
-8 9
1 -2
2 1
-2 2
5 -2
5 -2
5 -2
1 8
-2 9
1 8
-2 9
1 9
-3 1
9 -3
2 5
-4 2
5 -4
3 5
-6 3
-5 5
5 5
-8 6
-1 6
6 -1
6 3
-1 2
3 -1
2 3
-1 2
1 3
-2 3
1 3
-2 3
1 3
-2 3
1 3
-2 3
1 8
-3 1
8 -3
2 5
-4 8
2 -4
3 -6
6 -1
6 6
-1 6
3 -1
2 3
-1 2
3 -1
2 1
3 -2
3 1
3 -2
3 1
3 -2
3 1
3 -2
3 1
8 -3
1 8
-3 2
5 -4
8 2
-4 3
-6 4
-1 2
4 -1
2 2
-8 2
-8 2
-8 8
-1 6
8 -1
6 7
-1 5
7 -1
5 1
-2 1
-2 1
5 -3
1 -2
5 1
-3 5
-3 -4
-4 -4
-4 -4
2 -8
2 -8
-4 -4
-4 4
-1 4
-1 -8
-8 3
-1 3
-1 6
-1 2
3 -8
4 -1
4 3
.0 -4
.5 4
.0 -5
.0 4
.0 -5
.0 3
.0 -6
.0 3
.0 -6
.0 3
.0 -6
.0 3
.0 -6
.0 3
.0 -6
.0 3
.0 -6
.0 3
.0 -6
.0 3
.0 -6
.0 3
.5 -7
.0 3
.5 -7
.0 3
.5 -7
.0 3
.5 -7
.0 4
.0 -7
.5 4
.0 -7
.5 4
.5 -8
.5 4
.5 -8
.5 7
.0 -1
1 .0
25 7
VI Ib
1 9
5 -1
8 5
-9 8
7 -9
5 4
-7 5
4 -7
5 2
-4 8
-1 6
7 .5
-1 2
.0
258
Bảng 10.12. Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tơng nhựa đặc nóng theo tiêu chuẩn Việt Nam
Loại BTNC BTNC 9,5
BTNC 12,5 BTNC 19
Bê tông nhựa cát BTNC 4,75
Cỡ hạt lớn nhất danh ñinh mm
9,5 12,5
19 4,75
Phạm vi áp dụng Lớp mặt
trên Lớp mặt trên
hoặc lớp mặt dưới Lớp mặt
dưới Vỉa hè, làn dành cho
xe đạp, xe thơ sơ Chiều dày rải
hợp lý, cm 4-5
5-7 6-8
3-5 Cỡ sàng mắt
vuông, mm Lượng lọt qua sàng khối lượng
25 -
- 100
- 19
- 100
90-100 -
12,5 100
90-100 71-86
- 9,5
90-100 74-89
58-78 100
4,75 55-80
47-71 36-61
80-100 2,36
36-63 30-55
25-45 65-82
1,18 25-45
21-40 17-33
45-65 0,6
17-33 15-31
12-25 30-50
0,3 12-25
11-22 8-17
20-36 0,15
9-17 8-15
6-12 15-25
0,075 6-10
6-10 5-8
8-12 Hàm lượng nhựa
tham khảo tính theo
khối lượng hỗn hợp
bê tông asphalt 5,2-6,2
5,0-6,0 4,8-5,8
6,0-7,5
Bảng 10.13. Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông asphalt rỗng theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Loại BTNC BTNR 19
BTNR 25 BTNR 37,5
Cỡ hạt lớn nhất danh ñinh mm 19
25 37,5
Phạm vi áp dụng Lớp móng trên
Lớp móng Lớp móng
Chiều dày rải hợp lý, cm 4-5
5-7 6-8
Cỡ sàng mắt vuông, mm Lượng lọt qua sàng khối lượng
50 -
- 100
37,5 -
100 90-100
25 100
90-100 -
19 90-100
- 40-70
12,5 -
40-70 -
259 9,5
40-70 -
18-48 4,75
15-39 10-34
6-29 2,36
2-18 1-17
0-14 1,18
- -
- 0,6
0-10 0-10
0-8 0,3
- -
- 0,15
- -
- 0,075
- -
- Hàm lượng nhựa tham khảo tính theo
khối lượng hỗn hợp bê tông nhựa 4,0-5,0
3,5-4,5 3,0-4,0
Cấp phối cốt liệu sau đầm nén có độ rỗng từ 16-19 đủ để chứa bitum và một ít khơng khí.
5.5.1. Các bước tính tốn thành phần cốt liệu :
Phương trình tổng quát P = A.a + B.b + C.c 1
Trong ñó P : là giá trị lọt sàng tại cỡ sàng ñặc trưng phù hợp với quy ñịnh của tiêu chuẩn kỹ thuật dự án.
A, B, C : là lọt sàng tại mắt sàng đó của từng vật liệu. a, b, c là từng loại vật liệu trong hỗn hợp.
a + b + c = 1 2 Khi thiết kế cho hai vật liệu có thể tínhtốn như sau:
- Tính phần trăm đá trong hỗn hợp mắt sàng 2,36mm:
.
36 ,
2 36
, 2
36 ,
2 36
, 2
B A
B P
a
=
- Tính phần trăm cát trong hỗn hợp : b = 100 - a
Khi thiết kế cho 3 loại vật liệu : - Tính phần trăm đá mắt sàng 2,36mm:
.
36 ,
2 36
, 2
36 ,
2 36
, 2
B A
B P
a
=
Vì C
2,36
=0 nên tính tốn như trường hợp 2 cốt liệu - Tính phần trăm bột :
Dựa vào phương trình tổng quát cho mắt sàng 0.075 mm P
0,075
= A
0,075
.a + B
0,075
.b + C
0,075
.c và phương trình b + c = 1 - a.
Hệ hai phương trình hai ẩn giải được c. - Tính phần trăm cát :
260
b = 1 - a c - Kiểm tra hỗn hợp của vật liệu khống đã lựa chọn theo phương trình 1
nếu cấp phối hạt của hỗn hợp vật liệu khống khơng phù hợp với tiêu chuẩn phải tiến hành ñiều chỉnh thành phần a, b, c đến khi phù hợp.
Các cơng việc kể trên có thể tính tốn trên máy tính theo chương trình thiết kế thành phần bê tông asphalt của AI hoặc của bộ môn Vật liệu xây dựng
trường đại học Giao thơng Vận tải Hà Nội.
5.5.2. Lựa chọn thành phần bi tum và tính tốn các ñặc trưng vật lý của hỗn hợp bê tông asphalt theo tiêu chuẩn AASHTO :
Bước đầu tiên trong trình tự thiết kế là sấy khơ, phân cỡ cốt liệu và trộn chúng để ñạt ñược cấp phối cốt liệu mong muốn. Tiếp theo là bước xác ñịnh
khối lượng riêng, dung trọng khơ và độ rỗng của hỗn hợp cốt liệu.
Tính tốn lượng bitum ban đầu
Khối lượng bitum cho vào hỗn hợp nên được tính tốn sao cho độ rỗng của hỗn hợp vào khoảng 3-5. Nếu lượng bitum cho vào quá nhiều thì trong
q trình đầm nén từ từ do tải trọng xe cộ, lượng bitum dư thừa sẽ bị ép ñùn lên bề mặt ñường gây trơn trượt. nó cũng có thể gây áp suất thuỷ tĩnh trong bản
thân hỗn hợp làm giảm ñộ ổn ñịnh của vật liệu bitum. Nếu lượng bitum cho vào không đủ thì nước và khơng khí sẽ chiếm chỗ trong hỗn hợp gây nên sự hố
cứng của bitum và làm giảm khả năng dính bám của nó với cốt liệu. Hàm lượng bitum cho vào hỗn hợp có thể được tính theo cơng thức sau:
rcl rd
B CH
V V
B
ρ ρ
=
× Trong đó : B - Khối lượng của bitum trên 100 phần khối lượng cốt liệu
ρ
CH
- Tỷ trọng thể tích có hiệu của cốt liệu vật liệu khoáng ρ
B
- Tỷ trọng của bitum V
rcl
độ rỗng trong cốt liệu khống V
rd
- độ rỗng dư mong muốn của bê tông asphalt Nếu hàm lượng bitum yêu cầu ñược tính ở dạng khối lượng phần trăm
trên khối lượng toàn bộ hỗn hợp , Pb thì ta có :
100 100
× +
= B
B P
p
Lượng bitum cuối cùng tối ưu Người ta thường chế tạo 5 hỗn hợp với hàm lượng bitum biến ñổi từ 4.5-7.
Mỗi hỗn hợp ứng với một hàm lượng bitum người ta sản xuất ra 4 mẫu thử.
261
Các mẫu ñược ñầm nén bằng búa tiêu chuẩn với 50 hoặc 70 cú ñập trên hai mặt của mẫu tương ứng với tải trọng xe dự báo. Các mẫu được cân trong khơng khí
và trong nước để xác định tỷ trọng trung bình và tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp ñã ñược ñầm chặt. Với mỗi hàm lượng bitum như vậy các thuộc tính sau đây
của hỗn hợp ñược xác ñịnh bằng trị số trung bình của 4 mẫu thử:
- Tỷ trọng khối của hỗn hợp bê tông asphalt; - Tỷ trọng khối và tỷ trọng của hỗn hợp cốt liệu;
- Tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp; - ðộ rỗng trong hỗn hợp cốt liệu;
- ðộ rỗng còn lại trong hỗn hợp tức là với giả thiết khơng có lượng bi tum nào bị hấp thụ vào trong cốt liệu. ðộ rỗng có hiệu với giả thiết hàm lượng
bitum thấm vào cốt liệu là 0.7. - Tỷ lệ phần trăm lấp lỗ rỗng của bitum
a. Tỷ trọng biểu kiến của cốt liệu khối lượng riêng
Cốt liệu tổng hợp bao gồm các loại cốt liệu thô, cốt liệu nhỏ và bột khoáng. Chúng có các tỷ trọng khối khác nhau và tỷ trọng khối của cốt liệu
tổng hợp được tính theo cơng thức sau:
1 2
1 2
1 2
..... .....
n sb
n n
P P
P G
P P
P G
G G
+ +
+ =
+ +
+
trong ñó: G
sb
- tỷ trọng biểu kiến của cốt liệu tổng hợp P
1
, P
2
, P
3
,...., P
n
- phần trăm của các loại cốt liệu, tính theo khối lượng G
1
, G
2
, G
3
,...., G
n
- tỷ trọng khối của các loại cốt liệu có trong cốt liệu tổng hợp
b.Tỷ trọng có hiệu của cốt liệu khối lượng riêng có hiệu Dựa trên tỷ trọng lớn nhất của bê tơng asphalt, Gmn được xác định theo
ASTM D2041, tỷ trọng có hiệu của cốt liệu, Gse bao gồm tất cả các khe hở giưũa các hạt cốt liệu trừ những khe hở đã thấm nhựa, Gse được xác định theo
cơng thức sau:
mn b
se mn
b mn
b
P P
G P
P G
G
= +
trong đó: Gse- tỷ trọng có hiệu của cốt liệu G
mn
- tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp khơng có độ rỗng còn dư P
mn
- phần trăm theo khối lượng của hỗn hợp ở trạng thái rời=100 P
b
- hàm lượng nhựa theo ASTM D2041 tính bằng theo tổng khối lượng của hỗn hợp.
G
b
- tỷ trọng của nhựa
262
c. ðộ rỗng cốt liệu khống theo thể tích
100
mb s
sb
G P
VMA G
× =
trong đó: VMA- độ rỗng cốt liệu khống của thể tích Gsb- tỷ trọng biểu kiến của cốt liệu hỗn hợp
Gmb- tỷ trọng khối của hỗn hợp bê tông asphalt Ps- hàm lượng cốt liệu của tổng khối lượng hỗn hợp
d. Phần trăm ñộ rỗng dư trong hỗn hợp
ðộ rỗng dư trong hỗn hợp bê tơng asphalt được tính theo cơng thức sau: 1
100
mb a
mm
G V
G =
× trong đó: Gmm- tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp
Gmb- tỷ trọng khối của hỗn hợp
e. ðộ rỗng lấp ñầy bitum
ðộ rỗng lấp ñầy bitum VFA, là phần trăm của ñộ rỗng cốt liệu bị bitum chiếm chỗ. Nó khơng bao gồm lượng bitum đã bị hấp phụ. VFA được tính theo
cơng thức sau:
100. VMA Va
VFA VMA
=
f. Lựa chọn lượng bitum cuối cùng
Lựa chọn lượng bitum cuối cùng ñược thực hiện theo trình tự sau: - Chế tạo các mẫu thử với thành phần vật liệu khống đã được tính tốn
và lượng bitum theo 5 cấp với B=4,5-7 - Thí nghiệm các mẫu thử trên các thiết bị Marshall.
- Trị số trung bình của độ chảy và ñộ ổn ñịnh Marshall ñược xác ñịnh tương ứng cho mỗi hỗn hợp mỗi hàm lượng bitum.
- Vẽ 5 ñồ thị thể hiện mối qua hệ giữa ñộ ổn ñịnh, ñộ chảy, trọng lượng riêng của hỗn hợp, ñộ rỗng của hỗn hợp và ñộ rỗng của hỗn hợp cốt liệu tương
ứng với hàm lượng bitum. - Căn cứ vào các ñồ thị này xác ñịnh ñược 3 hàm lượng bitum tương ứng
với ñộ ổn ñịnh lớn nhất, trọng lượng riêng lớn nhất và ñộ rỗng mong muốn. Hàm lượng bitum tối ưu là trị số trung bình của 3 giá trị trên. Trị số ñộ chảy và
ñộ rỗng trong hỗn hợp cốt liệu tương ứng với hàm lượng bitum tối ưu ñược xác ñịnh và so sánh với trị số cho phép. Nếu tất cả các u cầu khơng thảo mãn thì
phải lặp lại các bước thiết kế với sự ñiều chỉnh thích ứng với các thành phần cấp phối cốt liệu.
263
Thí dụ 1: tính tốn thành phần vật liệu khống Bảng 10.14. Vật liệu và kết quả tính tốn
Lượng vật liệu khống, , lọt qua sàng kích thước Vật liệu khoáng
19 12,5
9,5 4,75
2,36 1.25
0.60 0.30
0.15 0.075
ðá dăm 4,75-19mm Cát sơng
Bột khống Hỗn hợp theo
tiêu chuẩn
100 -
-
95 - 100
65 -
-
71 - 86
50 -
-
58 - 78
2 100
36 - 61
76
25 - 45
44 100
17 - 33
20 100
12 - 25 12
93
8 - 17
5 83
6 - 12
- 75
5 - 8
ðá dăm 55 Cát sông 36.3
Bột khoáng 8,7 Thành phần hỗn hợp
thiết kế
55 36.3
8,7 100
35.7 36.3
8,7 80,7
27.5 36.3
8,7 72,5
1.1 36.3
8,7 46,1
27.5 8,7
36,2 16
8,7 24,7
7,26 8,7
15.96 4,35
8,1 12,45
1,8 7,2
9,0 6,5
6,5
Tính tốn thành phần vật liệu khống của hỗn hợp bê tơng asphalt - Tính lượng đá dăm :
Xét mắt sàng có đường kính 2,36mm, theo tiêu chuẩn lượng lọt qua sàng tại mắt sàng 2,36mm có hàm lượng 25 - 45. Vậy P=0,35; B=76; A=0.02
a=P-BA-B=0.35-0.760.02-0.76=0.55 Lượng đá dăm là 55
- Tính lượng bột khống :
Theo tiêu chuẩn yêu cầu lượng hạt có đường kính nhỏ hơn 0,075 nằm trong phạm vi 5 - 8.
6.5 8.7
0.75 c =
=
Lượng bột khoáng là 8.7.
-Lượng cát là :
b = 1 - 0.55 - 0.087 = 0.363