CÔNG TY TNHH TM-SX-DV TÍN THỊNH

Các thí nghiệm cơ học và đặc tính của nhựa đường

Ngày đăng: 29/09/2013 22:47

Các thí nghiệm cơ học về độ kim lún và điểm hóa mềm của nhựa đường

Các thí nghiệm cơ học và đặc tính của nhựa đường

Hiện nay người ta đang áp dụng một loạt các thí nghiệm khác nhau đối với nhựa đường, từ các thí nghiệm về các đặt tính kỹ thuật đến các thí nghiệm cơ bản hơn như kiểm tra tính lưu biến và cơ học. Nhựa đường là một vật liệu phức hợp với một loạt các phản ứng phức tạp đối với ứng suất. Các phản ứng của nhựa đường đối với ứng suất phụ thuộc vào cả nhiệt độ và thời gian chịu tải. Như vậy, bản chất của thí nghiệm và kết quả rút ra từ các thí nghiệm có liên quan thế nào đến các đặc tính của nhựa đường phải được làm sáng tỏ trong mối quan hệ với bản chất của vật liệu này.

5.1   Các thí nghiệm về chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của nhựa đường

Người ta sản xuất nhiều loại nhựa đường khác nhau, nên cần phải thực hiện nhiều loại thí nghiệm khác nhau để có thể xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của các phẩm cấp nhựa đường khác nhau. Có hai phương pháp thí nghiệm được ứng dụng tại Vương quốc Anh để xác định các phẩm cấp nhựa đường khác nhau, thông qua hai chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của nhựa đường là độ kim lún và điểm hóa mềm. Mặc dù đó là các thí nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm, song qua đó chúng ta có thể ước tính được các đặc tính kỹ thuật quan trọng của nhựa đường như độ nhớt của nó ở nhiệt độ cao và độ cứng hóa của nó ở nhiệt độ thấp. Thí nghiệm về độ kim lún để xác định mức độ hóa cứng của nhựa đường theo thời gian được áp dụng từ cuối thế kỷ 19.

Vì các thí nghiệm kiểm tra độ hóa mềm và độ kim lún là những thí nghiệm được triển khai thực trên công cụ thí nghiệm thích hợp nên một điều rất quan trọng là các thí nghiệm phải luôn luôn thực hiện trong những điều kiện như nhau. Viện Dầu khí (IP), Hiệp hội kiểm nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) và cơ quan tiêu chuẩn Anh (BS) đã ấn hành các quy phạm chuẩn khi tiến hành thí nghiệm với nhựa đường. Trong nhiều trường hợp các phương pháp thí nghiệm tương tự như nhau nên các cơ quan nói trên cùng phát hành một số quy phạm thí nghiệm. Tuy nhiên một số phương pháp lại khác nhau ở chi tiết, ví dụ phương pháp xác định điểm hóa mềm của IP và ASTM. Trong các trường hợp này một chỉ số điều chỉnh được đưa ra để xác định sự tương quan giữa các kết quả thu được từ hai phương pháp thí nghiệm khác nhau.

Phần lớn các phương pháp đều xác định các giá trị giới hạn để đánh giá khả năng liệu các kết quả thí nghiệm có thể chấp nhận được hay không. Các giới hạn về độ biến động của kết quả thu được do một nhân viên thí nghiệm thực hiện (gọi là độ trùng lặp) và bởi nhiều nhân viên thí nghiệm khác nhau ở các phòng thí nghiệm khác nhau thực hiện (gọi là độ tái hiện) cũng được xác định rõ. Người ta cũng xác định sai số cho phép đối với kết quả thí nghiệm của những nhân viên thí nghiệm khác nhau và thiết bị ở những phòng thí nghiệm khác nhau.

5.1.1   Thí nghiệm về độ kim lún (IP 49, ASTM D5, BS 2000 : Phần 49)

Tính đồng nhất của độ kim lún của nhựa đường phân loại theo độ kim lún hay của nhựa đường thổi khí được xác định bằng thí nghiệm xuyên kim. Trong thí nghiệm này một chiếc kim có kích thước được xác định được sử dụng để xuyên vào một mẫu nhựa đường, dưới một trọng lượng xác định (100g) ở một nhiệt độ xác định (25^oC) và trong một thời gian xác định (5 giây. Độ sâu của chiếc kim đâm vào mẫu nhựa đường được tính bằng decimilimet (dmm) (0,1mm), được gọi là độ kim lún. Độ sâu của kim đâm vào mẫu nhựa đường càng lớn thì nhựa đường càng mềm. Giá trị độ kim lún nhỏ hơn 2 và lớn hơn 500 thì không thể xác định được chính xác. Ngay cả đối với các giá trị độ kim lún trong khoảng từ 2 đến 500 thì các thí nghiệm cũng phải tuân thủ chặt chẽ quy phạm kỹ thuật để có thể thu được kết quả đáng tin cậy. Người ta dựa trên kết quả của thí nghiệm này để chia nhựa đường thành các phẩm cấp khác nhau với độ kim lún là chuẩn phân loại.

Một số yếu tố rất quan trọng là các phương pháp thí nghiệm phải tuân thủ chặt chẽ, vì thậm chí chỉ một sai sót nhỏ cũng có thể gây ra sự khác biệt khá lớn trong kêt quả thí nghiệm. Một số lỗi phổ biến là: lấy và chuẩn bị mẫu thiếu hụt, bão dưỡng thiết bị và kim kém. Xác định nhiệt độ là cực kỳ quan trọng, cần kiểm soát nhiệt độ đến mức  ±0,1^oC. Phải thương xuyên kiểm tra độ thẳng của kim, hiệu chỉnh độ nghiêng và giữ kim sạch sẽ. Dụng cụ xác định thời gian tự động phải thật chính xác và phải được kiểm tra thường xuyên. Với mỗi thí nghiệm người ta thực hiện việc đo độ kim lún 3 lần cuối cùng một mẫu nhựa đường. Giá trị trung bình của 3 kết quả đo được làm tròn đến một đơn vị. Độ kim lún được ghi nhận nếu sự khác nhau giữa 3 lần đo riêng rẽ không vượt quá giới hạn đã được quy định.

Độ trùng lặp và độ tái hiện có thể được chấp nhận ghi trong quy phạm IP 49 cho thí nghiệm kim lún như sau:

·        Độ trùng lặp khi đo

Nếu kim lún nhỏ hơn 50        -           1 dmm

Nếu kim lún lớn hơn 50         -           3% giá trị trung bình của hai kết quả

·        Độ tái hiện

Nếu kim lún nhỏ hơn 50        -           4 dmm

Nếu kim lún lớn hơn 50         -           8% giá trị trung bình của hai lần đo còn lại

5.1.2   Thí nghiệm điểm hóa mềm (IP 58, ASTM D36, BS 2000 : phần 58)

Tính đồng nhất về độ kim lún của cả nhựa đường phân loại theo độ kim lún hay của nhựa đường thổi khí, cũng có thể đo bằng cách xác định điểm hóa mềm của nhựa đường. trong thí nghiệm này một hòn bi thép (3,5g) được đặt trên một mẫu nhựa đường đựng trong một vòng tròn bằng đồng thau, sau đó cả vòng đồng đựng mẫu và hòn bi kim loại phía trên được nhúng trong bồn nước hoặc glycerin (xem ảnh 5.2). Nước được sử dụng cho mẫu nhựa đường có nhiệt độ hóa mềm ≤80^oC và glycerin được sử dụng cho mẫu nhựa đường có nhiệt độ hóa mềm ≥80^oC. Nhiệt độ của bồn dung dịch tăng lên ở mức 5^oC/phút. Mẫu nhựa đường mềm ra và biến dạng từ từ cho đến khi hòn bi thép đè một phần mẫu xuống phía dưới đáy chạm đáy bồn thí nghiệm ở phía dưới, thấp hơn 25 mm so với điểm ban đầu đặt vòng đồng thau chứa mẫu nhựa đường. Tại thời điểm hòn bi kim loại chạm đáy bồn, người ta ghi nhiệt độ của dung dịch trong bồn. Thí nghiệm được thực hiện với hai lần nhắc lại, giá trị trung bình của nhiệt độ đo được qua hai lần thí nghiệm, với sai số cho phép lớn nhất là 0,2^oC đối với nhựa đường thuộc nhóm phân theo độ kim lún và 0,5^oC đối với nhựa đường thổi khí. Nếu sai số giữa hai kết quả thí nghiệm lớn hơn 1^oC thì kết quả phải hủy bỏ, thí nghiệm phải được làm lại. Nhiệt độ được ghi lại là điểm mềm của nhựa đường và biểu thị nhiệt độ đồng nhớt của sản phẩm. Theo quy định của ASTM, trong thí nghiệm xác định điểm hóa mềm của nhựa đường bồn nước được giữ yên trong khi theo quy phạm của IP nước hoặc glycerin được khuấy lên. Do đó thị số điểm hóa mềm được xác định bằng hai phương pháp này khác nhau. Kết quả ASTM thường cao hơn là đo bằng phương pháp của IP hay BS khoảng 1,5^oC.

Cũng như việc kiểm  tra độ kim lún, quá trình thực hiện xác định điểm hóa mềm của nhựa đường phải tuân thủ chặt chẽ quy phạm để thu được kết quả đáng tin cậy. Việc chuẩn bị mẫu, tốc độ gia tăng nhiệt độ khi thí nghiệm và việc xác định nhiệt độ chính xác là tối quan trọng. Một ví dụ đã chứng minh rằng nếu thay đổi mức gia tăng nhiệt độ từ 4,5^oC lên 5,5^oC/phút thì sai số cho phép của phương pháp kiểm tra IP 58 có thể đạt tới 1,6^oC ở điểm hóa mềm đo được. Thiết bị thí nghiệm đo điểm hóa mềm tự động đảm bảo kiểm soát được nhiệt độ chặt chẽ và kết quả sau khi kiểm tra dược ghi tự động.

Độ trùng lặp và độ tái hiện có thể được chấp nhận ghi trong quy phạm IP 58 cho thí nghiệm điểm hóa mềm như sau:

·        Độ trùng lặp

Với các loại nhựa đường phân loại theo độ kim lún:                    1,0⁰C

Với các nhựa đường thổi khí:

                                    Điểm mềm, ⁰C                          Độ trùng lặp,⁰C

                                             <80                                            1,5

                                       > 80 – 100                                       2,0

                                       >100 – 120                                      2,5

                                       >120 – 140                                      3,0

·        Độ tái hiện

Với các loại nhựa đường phân loại theo độ kim lún:              2,5⁰C

Với các nhựa đường thổi khí                                                  5,5⁰C

 

Tính đồng nhất của nhiệt độ hóa mềm đã được Pfeiffer và Van Doormaal đo theo độ kim lún. Sử dụng một kim xuyên dài được sản xuất đặt biệt người ta có thể xác định giá trị 800 pen cho nhiều nhựa đường, nhưng không phải tất cả các loại nhựa đường đều có thể xác định được độ xuyên kim lớn đến như vậy. Giá trị chính xác đo được có thể biến đổi theo chỉ số kim lún và hàm lượng parafin. Bằng cách đo trực tiếp người ta xác định được độ nhớt ở nhiệt độ hóa mềm của phần lớn các loại nhựa đường là xấp xỉ 1200 Pa.s (12000 poise).

5.2   Thí nghiệm điểm gãy Fraass

Thí nghiệm xác định điểm gãy Fraass (IP 80) là một trong rất ít những thí nghiệm có thể sử dụng để mô tả những biểu hiện về sự thay đổi đặt tính của nhựa đường ở nhiệt độ rất thấp (có thể thấp đến -30⁰C). Thí nghiệm đã được Fraass thực hiện vào năm 1937, đây là một công cụ nghiên cứu cần thiết để xác định nhiệt độ tại đó nhựa đường đạt tới độ dòn tới hạn và xảy ra tình trạng nứt gãy vật liệu. Tuy vậy, một số nước có mùa đông với nhiệt độ rất thấp. Ví dụ như Canada, Phần Lan, Na Uy, Thụy Điển đã xác định được nhiệt độ  Fraass cực đại đối với mỗi phẩm cấp nhựa đường.

Trong thí nghiệm Fraass một phiến thép có kích thước 41 mm x 20 mm được phủ một lớp nhựa đường dày 0,5 mm được uốn cong từ từ và nhả ra từ từ. Nhiệt độ của phiến thép được hạ 1⁰C/phút cho đến khi nhựa đường đạt tới độ dòn tới hạn và bắt đầu nứt vỡ. Nhiệt độ mà tại đó mẫu nhựa đường vỡ được gọi điểm vỡ và được trình bày ở nhiệt độ qui – độ dòn (equi – stiffness temp). Thực nghiệm đã chứng minh được rằng một mẫu nhựa đường bắt đầu nứt vỡ ở vị trí số 2,1 x 10⁹Pa thì trị số cứng tối đa của nó sẽ là 2,7 x 10⁹Pa. Nhiệt độ Fraass có thể được dự đoán từ độ kim lún và điểm mềm vì nó tương đương với nhiệt độ tại đó nhựa đường có độ kim lún là 1,25.

5.3   Độ nhớt

Đây là một đặc điểm cơ bản của nhựa đường vì nó xác định vật liệu này sẽ biểu hiện các đặc tính của nó như thế nào ở một nhiệt độ nào đó và trong phạm vi nhiệt độ nào đó. Đơn vị cơ bản của độ nhớt là Pascal giây (Pa.s). Độ nhớt động lực hay độ nhớt tuyệt đối của một nhựa đường, được đo bằng Pascal giây, tác động ứng suất xé đối với một mẫu nhựa đường được chia theo thang Pascal bằng tỷ lệ xé trên giây; 1 Pa.s = 10 P (Poise). Độ nhớt tuyệt đối của nhựa đường có thể được đo bằng cách sử dụng một máy đo độ nhớt có đĩa trượt.

Độ nhớt cũng có thể đo bằng đơn vị m²/giây hay phổ biến hơn là mm²/giây (1 mm²/giây = 1 centistoke (cst)). Những đơn vị này liên quan đến độ nhớt động học. Độ nhớt động học được đo bằng một máy đo độ nhớt dạng ống mao dẫn. Độ nhớt động học liên quan đến độ nhớt động lực được biểu diễn bằng công thức:

Độ nhớt động học  = 

Vì nhiều mục đích, người ta thường đo độ nhớt nhựa đường bằng cách đo thời gian được yêu cầu cho một lượng nhựa đường đã định chảy qua một lỗ tiêu chuẩn. Các phương pháp này hữu ích cho mục đích so sánh và xác định đặc tính của nhựa đường và nếu cần, các kết quả đo có thể được chuyển đổi thành nhiều đơn vị đo độ nhớt cơ bản.

5.3.1   Máy đo độ nhớt đĩa trượt.

Một phương pháp cơ bản để xác định độ nhớt của nhựa đường là sử dụng nhớt kế đĩa trượt. Thiết bị này áp dụng khái niệm độ nhớt động lực hay độ nhớt tuyệt đối có nghĩa là tác động một ứng suất xé (Pa) lên một lớp nhựa đường mỏng (dày từ 5 – 50 micrôn) được kẹp giữa hai đĩa mỏng và đo độ căng được tạo ra (giây^-1). Độ nhớt đo bằng đơn vị Pascal giây (Pa.s) được xác định bằng cách lấy giá trị của ứng suất xé chia cho tốc độ xé. Thiết bị thí nghiệm này bao gồm một hệ tải trọng luôn tạo ra một ứng suất xé không đổi trong suốt quá trình đo, và một thiết bị tự động ghi ứng suất trong thời gian thí nghiệm. Thông thường các chỉ số ghi được biểu thị bằng một đường cong biểu thị đặc tính nhớt – đàn hồi của nhựa đường, sau đó được chuyển thành một đường nghiên biểu thị giá trị độ nhớt thuần túy của nhựa đường. Phụ thuộc vào tải trọng và kich thước của mẫu nhựa đường, người ta có thể đo được các chỉ số độ nhớt từ 10⁵ đến 10⁹ Pa.s. Có một đặc điểm là chỉ số ứng suất xé được biểu thị đều trên toàn bộ mặt mẫu. Do đó thiết bị thí nghiệm này rất thích hợp với việc xác định hiện tượng ứng suất xé độc lập. Ứng suất xé độc lập là độ biến thiên của chỉ số nhớt đo được so với từ trường của ứng suất xé tác động lên mẫu thí nghiệm.

5.3.2   Nhớt kế mao quản

Nhớt kế mao quản có một bộ phận cơ bản là một ống thủy tinh. Ống này có phần co hẹp và phần phình rộng ra, trên ống có tối thiểu hai vạch mức để xác định lượng nhựa đường chảy qua ống (xem hình 5.1 và 5.4). Người ta đo chỉ số độ nhớt động học bằng việc xác định thời gian dòng nhựa đường chảy qua ống thủy tinh của nhớt kế ở nhiệt độ cho trước. Mỗi nhớt kế được chuẩn hóa có thời gian sản phẩm chảy qua và yếu tố hiệu chỉnh độ nhớt kế cho chỉ số độ nhớt động học biểu thị bằng mm²/s. Đường cong nhiệt độ/độ nhớt được xác định bằng cách đo độ nhớt động học ở một số nhiệt độ khác nhau, biểu thị bằng các đường đứt đoạn trên một thang logarit đối với nhiệt độ trên một thang phẳng.

5.3.3   Nhớt kế dạng phễu

Nhựa đường lỏng và nhũ tương đều được thể hiện bằng độ nhớt. Đặc tính của các nhựa đường lỏng được xác định bằng cách sử dụng nhớt kế hắc ín chuẩn (STV, xem ảnh 5.5). Độ nhớt của nhũ tương có thể được xác định bằng cách sử dụng nhớt kế Engler hoặc nhớt kế Red Wood II. Trong các thí nghiệm này một cốc bằng kim loại được chứa đầy nhựa đường lỏng hoặc nhũ tương nhựa đường ở nhiệt độ tiêu chuẩn và thời gian được tính bằng giây đối với một thể tích tiêu chuẩn, vật liệu cho chảy qua một lỗ ở đáy phễu.

Có một số loại nhớt kế dạng phễu, chúng khác nhau ở kích thước của lỗ thoát mà nhựa đường chảy qua vì ứng suất gây ra do trọng lực, độ nhớt tuyệt đối ŋ đo bằng Pa.s được tính bằng:

ŋ = thời gian chảy     x    tỷ trọng   x   hằng số

Trong đó thời gian chảy tính bằng giây

Tỷ trọng tính bằng g/ml

Hằng số phu thuộc vào công cụ được sử dụng

Nhớt kế                                                              Hằng số

Saybolt Universal                                               0,000218

Red Wood I                                                        0,000247

Saybolt Furol                                                      0,00218

Red Wood II                                                       0,00247

Engler                                                                 0,00758

Nhớt kế hắc ín tiêu chuẩn (4 mm)                     0,0132

Nhớt kế hắc ín tiêu chuẩn (10 mm)                   0,400

Kết quả thí nghiệm cũng có thể được biểu diễn bằng độ nhớt động học, V  tinhd bằng m²/s hoặc thông dụng hơn là mm²/s:

V  =  Thời gian chảy   x   hằng số

5.4   Biểu đồ số liệu thí nghiệm nhựa đường

Cuối thập kỷ 1960 Heukelom đã xây dựng một hệ thống biểu đồ cho phép các số liệu về độ kim lún, điểm hóa mềm, điểm vỡ (Fraass) và độ nhớt của nhựa đường được mô tả như là một hàm số của nhiệt độ trên cùng một biểu đồ, gọi là biểu đồ số liệu thí nghiệm nhựa đường (BTDC). Biểu đồ gồm một trục hoành thể hiện nhiệt độ và một trục tung thể hiện độ kim lún và độ nhớt. Thang nhiệt độ là đường thẳng và thang độ kim lún là thang logarit, thang độ nhớt được đặt ra để các nhựa đường phân loại theo độ kim lún có độ mẫn cảm nhiệt độ “thông thường” hoặc các chỉ số kim lún biểu hiện một mối quan hệ tuyến tính trên đồ thị. BTDC cho thấy độ nhớt của một nhựa đường phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào, nhưng không tính đến thời gian chịu tải trọng. Tuy nhiên vì thời gian chịu tải đối với các thí nghiệm kim lún, điểm hóa mềm và các điểm vỡ (Fraass) bằng nhau, nên những số liệu thí nghiệm này có thể được trình bày cùng trên đường đứt đoạn biểu thị độ nhớt trên biểu đồ BTDC. Các kết quả thí nghiệm ở đồ thị này là dạng quan hệ tuyến tính, nên chỉ thông qua chỉ số về độ kim lún và điểm hóa mềm ta có thể dự đoán được các đặc tính về nhiệt độ/độ nhớt của một loại nhựa đường phân theo độ kim lún, trong một biên độ nhiệt rộng.

Trong quá trình sản xuất và đầm nén một hỗn hợp nhựa đường cốt liệu, ta có thể chọn được những chỉ số độ nhớt tối ưu của loại nhựa đường được sử dụng. Nếu độ nhớt của nhựa đường là quá cao trong quá trình trộn thảm, cốt liệu sẽ không được bao phủ một cách đầy đủ. Và nếu độ nhớt quá thấp, nhựa đường sẽ bao phủ cốt liệu rất dễ dàng nhưng có thể nhựa đường sẽ dễ dàng bong khỏi cốt liệu trong quá trình tồn chứa hoặc vận chuyển. Để nhựa đường bao phủ một cách chắc chắn, độ nhớt của nhựa đường nên vào khoảng 0,2 Pa.s

Trong quá trình đầm nén, nếu độ nhớt quá thấp, hỗn hợp cốt liệu nhựa đường sẽ kết dính rất kém, dẫn đến trình trạng vật liệu bị dồn về phía trước bành xe lu. Độ nhớt thảm quá cao sẽ rất khó thi công khi đềm nén sẽ không đạt được độ chắc thiết kế. Thực tế chứng minh rằng độ nhớt tối ưu cho quá trình đầm nén của nhựa đường là từ 2 Pa.s đến 20 Pa.s.

Như vậy BTDC là một công cụ hữu ích để đảm bảo lựa chọn được nhiệt độ phù hợp, qua đó đạt được độ nhớt phù hợp cho bất kỳ phẩm cấp nhựa đường nào. Qua xem xét các yêu cầu về độ nhớt trong quá trình sản xuất thảm và thi công đường, ta có thể tìm được nhiệt độ trộn và thi công đường thích hợp. Đối với các loại hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu đặc thù hoặc điều kiện thi công đường đặc biệt, rõ ràng chế độ nhiệt áp dụng cho quá trình trộn hoặc thi công đường có khác biệt với các trường hợp thông thường.

Biểu đồ số liệu thí nghiệm nhựa đường cũng có thể được sử dụng để so sánh các đặc điểm về nhiệt độ/độ nhớt của các chủng loại nhựa đường khác nhau. Dùng BTDC có thể phân biệt 3 loại nhựa đường:

5.4.1   Nhóm nhựa đường S

Số liệu thí nghiệm của phần lớn các loại nhựa đường có thể được biểu diễn bằng đường thẳng trên biểu đồ số liệu thí nghiệm nhựa đường (BTDC). Nhóm nhựa đường này được gọi là nhóm S bao gồm các nhựa đường với cấp độ kim lún khác nhau, xuất xứ khác nhau với hàm lượng parafin hạn chế. Khi nhựa đường trở nên mềm hơn các đường thẳng dịch chuyển về phía trái của đồ thị, nhưng độ dốc cuả các đường thẳng này không thay đổi, điều đó cho thấy độ mẫn cảm  với nhiệt độ của các loại nhựa đường đó tương tự như nhau. Xuất xứ nguyên liệu để sản xuất nhựa đường có thể ảnh hưởng đến độ mẫn cảm  với nhiệt độ của nhựa đường, điều đó được phản ánh bằng độ nghiêng của các đường thẳng. Do đó chỉ cần sử dụng các chỉ số về điểm hóa mềm, độ kim lún người ta cũng có thể xác định được các đặc tính nhiệt độ/độ nhớt của các chủng loại nhựa đường S.

5.4.2   Nhóm các nhựa đường B

Số liệu thí nghiệm của các nhựa đường nhóm B (nhựa đường thổi khí) được biểu diễn bằng các đường gẫy khúc trên đồ thị trong hình 5.5. Các đường gãy khúc co thẻ được trình bày bằng hai đường thẳng cắt nhau. Độ dốc của đường biểu thị các số liệu thí nghiệm của một nhựa đường nhóm B ở một phạm vi nhiệt độ cao tương đương với một nhựa đường thông thường có cùng nguồn gốc, xong đoạn đường thẳng ở phạm vi nhiệt độ thấp có độ dốc nhỏ hơn. Về mặt vật lý học, không có điểm quá độ nhưng thật tiện lợi là chúng vẫn là đường thẳng ở các khu vực độ nhớt và kim lún; mỗi đoạn thẳng được đặc trưng bởi hai giá trị thí nghiệm. Tóm lại, phải thực hiện 4 thí nghiệm để có được một mô tả hoàn hảo về đặc tính kỹ thuật của nhựa đường, đó là độ kim lún, điểm hóa mềm và hai số đo độ nhớt ở nhiệt độ cao.

5.4.3   Nhóm các nhựa đường W

Nhóm các nhựa đường W (nhựa đường có thành phần parafin) cũng cho các đường gấp khúc gồm hai đoạn thẳng. Tuy vậy các đường này không giống với các đường của các nhựa đường nhóm B. Hai nhánh của đường gấp khúc có độ nghiệng gần như tương đương nhưng không tạo thành một đường thẳng. Ở nhiệt độ thấp, khi parafin còn ở thể rắn ta rất khó phân biệt sự khác nhau giữa hai đường đó. Ở nhiệt độ cao hơn, khi parafin bị nóng chảy, đường cong của nhựa đường có parafin ở vào một vị trí thấp hơn đáng kể trên đồ thị. Giữa hai nhánh đường thẳng có một đoạn cong chuyển tiếp, trong đó các số liệu thí nghiệm bị phân tán do quá trình nhiệt độ của mẫu tác động lên kết quả độ nhớt thu được qua dải nhiệt độ này.

5.5   Tính mẫn cảm với nhiệt độ hay chỉ số kim lún (PI)

Tất cả các nhựa đường đều thể hiện đặc tính chịu tác động của nhiệt, tức là chúng trở nên mềm hơn ở nhiệt độ cao và cứng hơn ở nhiệt độ thấp. Có một số công thức hiện đang được sử dụng để xác định sự thay đổi độ nhớt (hay độ đồng nhất) của nhựa đường dưới tác động của nhiệt độ. Trong đó thông dụng nhất là công thức do Pfeiffer và Van Doormaal xây dựng. Nếu lấy logarit của độ kim lún P, biểu diễn theo sự biến thiên nhiệt độ T, ta được một đường thẳng:

Log P  =  AT  +  K

Trong đó;    A  :  độ mẫn cảm với nhiệt độ của logarit của độ kim lún

                    K  :  hằng số

Giá trị A biến đổi từ 0,015 đến 0,06 cho thấy rằng có thể có một sự khác nhau đáng kể trong sự mẫn cảm với nhiệt độ. Pfeiffer và Van Doormaal đã xây dựng một khái niệm trong đó giả định rằng độ mẫn cảm với nhiệt độ của các loại nhựa đường dùng cho xây dựng đường có giá trị là bằng 0. Với lý do đó họ đưa ra công thức tính chỉ số độ kim lún P như sau:

   =   50 A

Hay                                                       PI  = 

Giá trị PI thay đổi từ -3 đối với nhựa đường có độ mẫn cảm nhiệt độ cao cho đến +7 đối với các nhựa đường loại B có độ mẫn cảm nhiệt độ thấp (PI cao). PI là một hàm duy nhất của A và vì thế có thể được sử dụng cho cùng một mục đích. Giá trị của A và PI có thể lấy từ các số đo kim lún ở 2 nhiệt độ là T₁ và T₂ bằng cách dùng đẳng thức:

A  =  

Tính đồng nhất của nhựa đường tại điểm hóa mềm có thể được thể hiện qua độ kim lún, bằng cả đường thẳng ngoại suy của logarit Pen đối với nhiệt độ, và bằng cách đo qua thực hiện thí nghiệm độ kim lún (theo phương pháp thử của ASTM). Pfeiffer và Van Doormaal đã phát hiện ra rằng ở nhiệt độ điểm mềm theo ASTM hầu hết các loại nhựa đường có độ kim lún là khoảng 800. Thay T₂ vào đẳng thức trên bằng nhiệt độ điểm mềm theo ASTM và trị số độ kim lún ở T₂ = 800 sẽ có công thức:

A  =  

Thay đẳng thức này vào đẳng thức PI trên và giả thiết nhiệt độ thí nghiệm độ kim lún là 25⁰C chúng ta có:

PI  = 

Sự công nhận độ kim lún bằng 800 ở nhiệt độ điểm mềm không thể đúng với tất cả các loại nhựa đường. Như vậy nên tính độ mẫn cảm với nhiệt độ của bitumen bằng cách sử dụng trị số kim lún ở hai nhiệt độ T₁ và T_2.

Suy luận một cách tương đối chỉ số PI từ trị số độ kim lún ở 25⁰C  và nhiệt độ hóa mềm hoặc từ trị số đo độ kim lún của nhựa đường ở hai nhiệt độ khác nhau. Do đó có nhiều giá trị thực của trị số độ kim lún ở nhiệt độ hóa mềm, giá trị PI được tính từ một trị số độ kim lún và một điểm hóa mềm có thể khác với giá trị chính xác được tính từ 2 trị số độ kim lún.

Một điều bất lợi của hệ thống PI là việc sử dụng sự thay đổi các đặc tính của nhựa đường trong một phạm vi biến thiên nhiệt độ tương đối nhỏ để mô tả các đặc điểm của nhựa đường. Do vậy đối với các nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, đôi khi có thể dẫn đến sai số. PI có thể là một công cụ ước tính tương đối chính xác để lựa chọn các loại nhựa đường có các đặc tính làm việc phù hợp theo yêu cầu, còn riêng đối với độ cứng và độ nhớt của nhựa đường thì cần phải được kiểm chứng.

5.6.   Các đặc điểm kỹ thuật của nhựa đường.

Nhựa đường được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình giao thông, trong xây dựng và các lĩnh vực công nghiệp, nhưng các đặc tính cơ học của nhựa đường phức tạp hơn các đặc tính cơ học của các loại vật liệu khác như thép, bê tông, xi măng. Tuy vậy, các đặc tính cơ học của nhựa đường, trong đó đáng quan tâm cả đối với các nhà xây dựng công trình giao thông và các nhà sử dụng nhựa đường trong công nghiệp, có thể xác định tương tự như mô đun dẻo của các vật liệu rắn.

5.6.1   Khái niệm độ cứng đàn hồi

Nhựa đường là vật liệu có tính nhớt - đàn hồi, sự biến dạng của chúng dưới một ứng suất là một hàm số của nhiệt độ và thời gian chịu tải. Ở nhiệt độ cao hay thời gian chịu tải dài, chúng biểu hiện như là một chất lỏng nhớt, trong khi ở nhiệt độ thấp hay thời gian chịu tải ngắn chúng biểu hiện như là chất rắn có độ đàn hồi (cứng, dễ gãy). Trong điều kiện nhiệt đọ trung bình và thời gian chịu tải trung bình, tương tự như điều kiện thực tế trên đường giao thông, nhựa đường biểu hiện tính nhớt - đàn hồi.

Để xác dịnh tính nhớt đàn hồi, vào năm 1954 Vander Poel đã đưa ra khái niệm mô đun độ cứng như là một thông số cơ bản  để miêu tả các đặc điểm cơ học của nhựa đường, tương tự như mô đun đàn hồi dối với chất rắn. đối với vật liệu rắn, nếu một ứng suất kéo căn δ được thực hiện trong một thời gian là t=0, một sức căn ε, đạt được trong một thời gian ngắn mà không làm tăng thời gian chịu tải. Mô đun đàn hồi E của vật liệu được tính bằng quy luật Hooke:

E  = 

Trong trường hợp vật liệu nhớt đàn hồi như nhựa đường, một ứng suất kéo δ, áp dụng với thời gian chịu ứng suất là t=0, gây ra một sức căng ε_t, tăng lên nhưng không tỷ lệ với thời gian chịu tải, được xác định bằng tỷ lệ giữa ứng suất tác dụng và sức căng  được tạo ra trong thời gian t:

S_t  =  

Theo công thức trên, giá trị của mô đun độ cứng phụ thuộc vào thời gian chịu tải, điều đó là do bẳn chất đặc biệt của nhựa đường. Tương tự như vậy mô đun độ cứng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ T, do đó phải đề cập đến hai yếu tố nhiệt độ và thời gian chịu tải trong bất cứ công thức tính độ cứng nào:

S_{t, T}  =  

Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ và thời gian tác động vào mô đun độ cứng của 3 loại nhựa đường khác nhau. Với thời gian tác động rất ngắn, modul độ cứng trong thực tế là không đổi, tiệm cận đến 2,5 – 3,0 x 10⁹ Pa, ở trong khoảng này, mô đun độ cứng của nhựa đường phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ và thời gian tác động của lực, có nghĩa là S=E. Nhựa đường có PI cao (+5) được coi là cứng hơn ở nhiệt độ cao hơn và thời gian chịu tải dài hơn, có nghĩa là nó ít mẫn cảm với nhiệt độ hơn.

Với thời gian chịu tải 0,02 giây (tương đương với thời gian chịu tải của một xe hơi có tốc độ khoảng 50km/h đè lên một điểm trên đường), mô đun độ cứng là khoảng 10⁷ Pa ở 25⁰C, nhưng chỉ số này tụt xuống còn khoảng 5 x 10⁴ Pa ở nhiệt độ 60⁰C. Ở nhiệt độ thấp mô đun độ ứng cao và do đó trên mặt đường không xảy ra sự biến dạng vĩnh cửu. Tuy nhiên ở nhiệt độ cao hơn hay thời gian chịu tải dài hơn (giao thông tĩnh hay xe đỗ lâu) mô đun độ cứng bị giảm một cách trầm trọng do đó sự biến dạng vĩnh viễn của mặt đường rất có thể xảy ra.

Để có thể đánh giá đầy đủ tầm quan trọng của mô đun độ cứng và xác định nó, cần phải xem xét sự biến dạng dưới tác động của ứng suất đối với các chất rắn và chất lỏng đơn giản, sau đó có thể suy ra biểu hiện của vật liệu nhớt - đàn hồi.

5.6.2   Xác định mô đun độ cứng của nhựa đường

Các phương pháp đo mô đun độ cứng dựa trên hiện tượng biến dạng xé. Sự cản trở đối với hiện tượng biến dạng xé được biểu diễn bằng mô đun cắt G, trong đó G được tính là

G  = 

Mô đun đàn hồi và mô đun cắt liên hệ với nhau bằng đẳng thức:

E  =  2  (1 + µ) G

Trong đó µ = tỉ số poisson

Giá trị µ phụ thuộc vào độ nén của vật liệu và có thể được giả thiết là 0,5 đối với các nhựa đường tinh khiết không nén trong khi giá trị đó < 0,5 đối với hỗn hợp asphalt. Như vậy chúng ta có:

E  ≈ 3G

Ứng suất xé có thể xác định, ở trạng thái tĩnh, bằng thí nghiệm từ biến (rão) hay ở trạng thái động, bằng tải trọng giao động lên xuống. Trong thí nghiệm từ biến động học, ứng suất xé thường được tác động lên mẫu thí nghiệm ngay từ thời điểm bắt đầu thí nghiệm. Ta có thể đo được mức độ biến dạng vật liệu trong thời gian từ 1 giây đến 10⁵ giây hay trong một thời gian dài hơn nữa. Trong các thí nghiệm động học ứng suất xé thường là ứng suất biến đổi theo dạng dao động hình sin với một biên độ không đổi và một tần số cố định. Sự biến dạng của vật liệu trong thí nghiệm cũng biến đổi theo hình sin với cùng một tần số như ứng suất tác độngMô đun xé, G_f, ở tần số f, được xác định bởi biên độ ứng suất xé  và biến dạng xé  theo công thức:

G_f  = ( ) f

Theo đó, mô đun độ cứng ở điều kiện động là

S_t = 3 G_t

Sự khác biệt neu trên là chỉ số về mức độ đàn hồi của nhựa đường trong điều kiện thí nghiệm. Một vật liệu có tính đàn hồi thuần túy sẽ không biểu hiện bất cứ sự lệch pha nào giữa ứng suất xé và biến dạng xé, trong khi đó đối với một vật liệu thuần nhớt sự lệch pha giữa hai chỉ số trên là 90⁰ hay ¼ vòng. Với một vật liệu có tính nhớt – đàn hồi như nhựa đường, mức độ lệch pha giữa ứng suất xé và biến dạng xé là từ 0 – 90⁰ phụ thuộc vào loại và phẩm cấp nhựa đường, nhiệt độ và tần số. Ở nhiệt độ thấp và tần số cao mức độ lệch pha chỉ với góc nhỏ và ngược lại, điều đó cho thấy rằng dưới những điều kiện này, dường như nhựa đường trước hết biểu hiện đặc tính đàn hồi rồi mới đến đặc tính nhớt.

Bằng việc kết hợp các thí nghiệm từ biến với thí nghiệm động lực, một phạm vi đáng kể thuộc mô đun cứng và thời gian chịu tải của nhựa đường được kiểm chứng. Mô đun độ cứng là một hàm của thời gian chịu tải, do đó thường được biểu diễn trên một đồ thị với thang logarit, trong đó các đường tiệm cận cho thấy gần như tính đàn hồi biểu hiện có phản ứng ở thời gian chịu tải ngắn và độ nhớt biểu hiện có phản ứng ở thời gian chịu tải dài.

Việc đo độ cứng như một hàm của thời gian chịu tải trong các nhiệt độ khác nhau được thể hiện qua đồ thị. Dường như các đường cong biểu diễn độ cứng/thời gian chịu tải trọng thu được ở các nhiệt độ khác nhau của cùng một phẩm cấp nhựa đường đều là những đường đồng dạng và nếu tịnh tiến theo thời gian chịu tải trọng trục thì chúng sẽ trùng nhau. Trong trường hợp này, nhựa đường đó được gọi là “có tính lưu biến nhiệt đơn”. Phần lớn các phẩm cấp nhựa đường làm đường và sử dụng trong công nghiệp thuộc loại này .

5.6.2.1   Đo mô đun độ ứng

Đa số các dụng cụ đo mô đun độ cứng của nhựa đường đều là những thiết bị tinh vi và đắt tiền. Tuy nhiên, cuối thập kỷ 1960, phòng nhựa đường của trung tâm thí nghiệm Koninklijke/Shell Amsterdam (KSLA) đã phát triển một thiết bị đo lưu biến đĩa trượt, thiết bị này kết hợp được hai yếu tố là tính đơn giản và độ tin cậy. Thiết bị này giống như nhớt kế đĩa trượt, nhưng các phiên bản mẫu đĩa dày hơn. Dụng cụ này cố định một đĩa vào vị trí và dùng một đĩa khác mang tải trọng. Sự di chuyển (D) của điã thứ hai được ghi lại, biết ứng suất cắt và độ dày của mẫu (R), do đó có thể xác định được độ cứng trong phạm vi từ 10³ đến 10⁹ Pa.

5.6.2.2   Dự đoán mô đun độ cứng

Nếu không thể thực hiện được việc đo trực tiếp mô đun độ cứng của nhựa đường, ta có thể dự đoán được chỉ số này bằng cách sử dụng biểu đồ Vander  poel đã chứng minh rằng 2 nhựa đường có cùng một chỉ số PI trong cùng một thời gian chịu tải có độ cứng tương đương ở các nhiệt độ có mức độ khác biệt giống nhau nếu so với nhiệt độ hóa mềm của chúng. Van der Poel đã kiểm tra hơn 40 nhựa đường có PI biến động từ +6,3 đến - 2,3 ở nhiều nhiệt độ và tần số khác nhau, có sử dụng cả thí nghiệm từ biến và thí nghiệm động lực. Từ số liệu thí nghiệm Van der Poel đã xây dựng biểu đồ nêu trên, với biểu đồ đó, ta chỉ cần sử dụng độ kim lún và điểm hóa mềm (ASTM D36) cũng có thể dự đoán, với mức độ sai số là 2, giá trị mô đun cứng của một nhựa đường trong bất kỳ điều kiện nhiệt độ và thời gian chịu tải nào. Hình 5.13 – Biểu đồ xác định mô đun độ cứng của nhựa đường

5.6.3   Cường độ kéo

Một đặc tính công nghệ quan trọng khác của nhựa đường là ứng suất chống gãy vỡ hoặc sức kéo gây rạn vỡ. Các đặc tính chịu kéo căng của nhựa đường, tương tự như mô đun độ cứng, cũng phụ thuộc vào thời gian chịu tải và nhiệt độ. Giả định là khả năng chống nứt vỡ của nhựa đường phụ thuộc vào tính lưu biến của nó tại điểm gãy vỡ tức thì, có thể được biểu hiện bởi độ đàn hồi tức thì, độ đàn hồi chậm, độ biến dạng nhớt. Điều này cho thấy, nếu chấp nhận giả định trên, với độ cứng lớn hơn 5 x 10⁶ Pa, sức căng gây vỡ là một hàm của mô đun độ cứng. chỉ với loại nhựa đường có độ cứng thấp, với độ biến dạng nhớt lớn thì PI mới đóng vai trò một nhân tố quan trọng. Với độ cứng cao, S=E, vì sức căng gãy được xác định bằng tỷ lệ giữa độ dài ban đầu của mẫu thí nghiệm và độ dài gia tăng tức thời ở thời điểm gãy vỡ, tức là độ dài gia tăng chia cho độ dài ban đầu, chừng nào mức độ gia tăng lên của độ dài của mẫu thí nghiệm vẫn ở mức thấp.

Trong thực tế sự gãy vỡ chỉ xảy ra trong điều kiện ứng suất kéo lớn. Ứng suất lớn thường xảy ra ở nhiệt độ thấp, tức là khi vật liệu có độ cứng cao, và sức căng chống tải kéo của vật liệu khi đó là nhỏ nhất. Ở nhiệt độ cao , mô đun độ cứng thấp, với cùng một tải trọng, thông thường vật liệu không bị gãy vỡ nhưng sẽ xảy ra hiện tượng biến dạng vật liệu.

Ta có thể dự đoán được hiện tượng biến dạng vật liệu bằng cách sử dụng biểu đồ Heukelom, là biểu đồ được xây dựng dựa trên biểu đồ Van der Poel. Trong ví dụ căng gãy của nhựa đường ở điểm hóa mềm (IP) 53,5⁰C và trị số PI = 0 ở 12⁰C. với thời gian chịu tải là 0,02 giây, sự căng gãy là 0,075 (7,5%) và với thời gian chịu tải là 10 giây là 1,00 (100%).

5.6.4   “Cường độ” mỏi

Giống như nhiều vật liệu khác, độ bền của nhựa đường có thể bị giảm đi, do phải chịu tải lặp đi lặp lại, có nghĩa là xuất hiện hiện tượng vật liệu bị mỏi. Tất cả các thí nghiệm được thực hiện bằng cách uống cong mẫu vật liệu với một ứng suất là không đổi. “Cường độ” mỏi là ứng suất gây ra sự hủy hoại mẫu vật liệu sau 10³, 10⁴, 10⁵ và 10⁶ chu kỳ tải trọng tới hạn. Sức bền vật liệu sẽ giảm dần khi số lần chịu tải tăng lên. Hình 5.16 cho thấy với mô đun độ cứng cao tác động của sự chịu tải lặp lại giảm đi đáng kể, với mô đun độ cứng tối đa (S=E= 2,7 x 10⁹Pa) “cường độ” mỏi không phụ thuộc vào số lần chịu tải lặp lại. Đối với một lần uống cong duy nhất, cường độ mỏi thực tế là không đổi, khoảng 4 x10⁶ Pa đối với mô đun độ cứng lớn hơn 5 x 10⁷ Pa.

Theo "Tài liệu kỹ thuật nhựa đường Shell Singapore"

• Ảnh hưởng Styrene-Butadiene-Styrene đến các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa đường 60/70 (16/10/2015)
• Sách (07/09/2015)
• Các dạng hỗn hợp vật liệu nhựa đường và ứng dụng của chúng (13/12/2013)
• Các loại nhựa đường cải tiến (09/12/2013)
• Độ bám dính cốt liệu của nhựa đường (11/11/2013)
• Độ bền của nhựa đường (30/10/2013)