Thí nghiệm Marshall là phép thử đúc mẫu bê tông nhựa hình trụ bằng chày đầm tiêu chuẩn, rồi đo các chỉ tiêu thể tích (độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu, độ rỗng lấp đầy nhựa) và nén mẫu ở 60 °C để đo độ ổn định và độ dẻo. Nó được dùng ở hai lúc: khi thiết kế hỗn hợp để chọn hàm lượng nhựa tối ưu, và khi thi công để kiểm soát mỗi ngày xem trạm trộn có sản xuất đúng hỗn hợp đã duyệt hay không.
Phương pháp mang tên kỹ sư Bruce Marshall, phát triển ở Mỹ từ cuối những năm 1930 và được quân đội Mỹ hoàn thiện trong Chiến tranh thế giới thứ hai cho đường băng sân bay. Ở Việt Nam, tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu bê tông nhựa nóng (TCVN 8819) dựa trên thiết kế Marshall. Bài này giải thích các chỉ tiêu theo kiểu đọc hiểu được phiếu kết quả, không đi vào tính toán chi tiết.
Đúc và thử một tổ mẫu Marshall
Trình tự nguyên lý, các thông số cụ thể (nhiệt độ, số chày) theo tiêu chuẩn phương pháp và chỉ dẫn kỹ thuật:
- Chuẩn bị hỗn hợp: trong phòng khi thiết kế thì trộn cốt liệu đã sấy với nhựa ở nhiệt độ quy định; khi kiểm soát thi công thì lấy hỗn hợp nóng ở trạm trộn hoặc ở máy rải.
- Cho hỗn hợp vào khuôn thép hình trụ đã gia nhiệt, đầm bằng chày Marshall có khối lượng và chiều cao rơi tiêu chuẩn, đủ số chày mỗi mặt (đường lưu lượng xe lớn thường dùng số chày cao hơn).
- Để nguội, tháo mẫu, đo kích thước và cân trong không khí, trong nước và ở trạng thái bão hoà khô mặt để tính khối lượng thể tích mẫu.
- Xác định khối lượng riêng lớn nhất của hỗn hợp rời (không có lỗ rỗng), từ đó tính độ rỗng dư và các chỉ tiêu thể tích khác.
- Ngâm mẫu trong bể nước ở 60 °C trong thời gian quy định, rồi đặt vào đầu nén Marshall, nén với tốc độ không đổi cho tới khi mẫu bị phá hoại.
- Ghi lực lớn nhất (độ ổn định) và biến dạng tại lúc đó (độ dẻo); với độ ổn định còn lại thì ngâm một nhóm mẫu lâu hơn và so với nhóm ngâm ngắn.
Con số 60 °C không phải ngẫu nhiên: đó là nhiệt độ gần với mặt đường nhựa vào những ngày nắng gắt, lúc bê tông nhựa mềm nhất và dễ bị hằn lún nhất. Thí nghiệm cố tình thử hỗn hợp ở trạng thái bất lợi.
Các chỉ tiêu trên phiếu Marshall và ý nghĩa
Ngưỡng của từng chỉ tiêu tuỳ loại bê tông nhựa và cấp đường, theo tiêu chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật. Bảng nêu ý nghĩa để đọc phiếu:
| Chỉ tiêu | Đo cái gì | Quá thấp thì sao | Quá cao thì sao |
|---|---|---|---|
| Độ rỗng dư (VA) | Phần thể tích khí còn lại trong mẫu đã đầm | Thừa nhựa, dễ chảy nhựa, lún vệt bánh xe | Thiếu nhựa hoặc khó đầm, ngấm nước, nhựa già nhanh |
| Độ rỗng cốt liệu (VMA) | Khoảng trống giữa các hạt cốt liệu, gồm nhựa và khí | Không đủ chỗ cho màng nhựa đủ dày, hỗn hợp khô, kém bền | Hỗn hợp dễ mất ổn định nếu nhựa lấp đầy quá nhiều |
| Độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) | Phần VMA được nhựa lấp | Màng nhựa mỏng, dễ bong bật | Gần như hết khí, dễ chảy nhựa |
| Độ ổn định Marshall | Lực lớn nhất mẫu chịu được ở 60 °C | Dễ biến dạng dẻo dưới xe nặng | Có thể giòn, khó thi công nếu quá cao |
| Độ dẻo Marshall | Biến dạng của mẫu tại lực lớn nhất | Giòn, dễ nứt | Mềm, dễ lún |
| Độ ổn định còn lại | Tỷ số độ ổn định sau ngâm lâu so với ngâm ngắn | Nhạy với nước, dễ bong tróc khi mưa ngập | Không phải vấn đề |
Trong các chỉ tiêu trên, nhiều kỹ sư coi độ rỗng dư là con số quan trọng nhất. Một hỗn hợp có độ ổn định rất cao nhưng độ rỗng dư nằm ngoài khoảng cho phép vẫn là hỗn hợp có vấn đề. Độ ổn định cao không bù được cho độ rỗng sai.
Chọn hàm lượng nhựa tối ưu: đọc bộ đường cong thiết kế
Khi thiết kế, phòng thí nghiệm giữ nguyên cấp phối cốt liệu và đúc nhiều tổ mẫu với các hàm lượng nhựa khác nhau, thường cách nhau nửa phần trăm. Với mỗi hàm lượng, họ có khối lượng thể tích, độ rỗng dư, VMA, VFA, độ ổn định và độ dẻo. Vẽ từng chỉ tiêu theo hàm lượng nhựa sẽ ra một bộ đường cong.
Các đường cong có hình dạng khá quen thuộc. Độ rỗng dư giảm đều khi tăng nhựa, vì nhựa lấp dần khoảng trống. Khối lượng thể tích và độ ổn định tăng tới một đỉnh rồi giảm, vì ban đầu nhựa giúp hạt dính và xếp chặt, sau đó nhựa thừa đẩy các hạt xa nhau. VMA thường có đáy, và người thiết kế muốn chọn hàm lượng nhựa nằm ở phía khô của đáy đó hoặc gần đáy.
Hàm lượng nhựa tối ưu là giá trị mà ở đó độ rỗng dư nằm ở khoảng mục tiêu (thường là giữa khoảng cho phép), đồng thời các chỉ tiêu khác đều thoả yêu cầu. Kết quả là một công thức chế tạo hỗn hợp: tỷ lệ các cỡ cốt liệu, hàm lượng nhựa, nhiệt độ trộn và nhiệt độ đầm. Công thức này được duyệt trước khi trạm trộn sản xuất đại trà, và thường phải trộn thử, rải thử một đoạn để kiểm lại trên hiện trường.
Marshall trong kiểm soát thi công hằng ngày
Mẫu lấy ở đâu. Mẫu kiểm soát nên lấy từ thùng xe hoặc từ máy rải theo tần suất trong chỉ dẫn kỹ thuật, có chứng kiến, ghi giờ và nhiệt độ. Mẫu lấy ở trạm cho biết trạm trộn có đúng không; mẫu lấy ở hiện trường cho biết hỗn hợp có bị phân tầng, nguội quá khi tới nơi không.
So với công thức đã duyệt. Hàm lượng nhựa và thành phần hạt của mẫu so với công thức chế tạo, nằm trong sai số cho phép. Độ rỗng dư, độ ổn định so với yêu cầu. Lệch một ngày có thể do một mẻ; lệch nhiều ngày liền là trạm đang trôi khỏi công thức.
Làm mẫu đối chứng cho mẫu khoan. Khối lượng thể tích mẫu Marshall đúc từ hỗn hợp của ngày rải là mẫu số để tính hệ số độ chặt của mẫu khoan ở đoạn đó. Không có mẫu Marshall của ngày rải thì việc tính độ chặt sau này phải dựa vào số liệu kém sát hơn.
Theo dõi xu hướng. Vẽ kết quả độ rỗng dư và hàm lượng nhựa theo ngày giúp nhận ra trạm trộn đang lệch dần, ví dụ vì cốt liệu mới về có thành phần khác, trước khi lệch vượt giới hạn.
Giới hạn của phương pháp Marshall
Marshall phổ biến vì thiết bị đơn giản, rẻ, quen thuộc. Nhưng nó có những giới hạn đã được ngành đường thừa nhận từ lâu. Chày đầm va đập không mô phỏng đúng cách máy lu nhào ép hỗn hợp ngoài hiện trường. Độ ổn định và độ dẻo là chỉ tiêu kinh nghiệm, liên hệ với khả năng chống hằn lún thực tế không chặt chẽ. Với đường có nhiều xe tải nặng, chỉ thoả Marshall chưa bảo đảm mặt đường không lún vệt bánh xe.
Vì vậy nhiều nước chuyển sang hệ thiết kế Superpave với máy đầm xoay, kết hợp các thí nghiệm hiệu năng như vệt hằn bánh xe, mỏi, nứt ở nhiệt độ thấp. Ở Việt Nam, các dự án lớn đã đưa thêm thí nghiệm vệt hằn bánh xe vào chỉ dẫn kỹ thuật cho lớp mặt chịu tải nặng, bên cạnh thiết kế Marshall.
Với đường địa phương, đường nội bộ, Marshall vẫn là công cụ đủ dùng nếu làm đúng. Vấn đề thường không nằm ở phương pháp mà ở chỗ thiết kế không phù hợp cấp đường, trạm trộn không theo công thức, hoặc lu lèn không đạt.
Những dấu hiệu trên phiếu Marshall nên hỏi lại
Không phải để nghi ngờ mọi phiếu, nhưng các trường hợp sau đáng một cuộc trao đổi với phòng thí nghiệm:
- Độ rỗng dư của nhiều ngày liên tiếp giống hệt nhau, trong khi hàm lượng nhựa và thành phần hạt dao động.
- Độ ổn định rất cao kèm độ dẻo rất thấp: hỗn hợp có thể khô, giòn, khó lu.
- Không ghi nhiệt độ đầm mẫu, số chày, hoặc ghi một giá trị không khớp với chỉ dẫn kỹ thuật.
- Khối lượng riêng lớn nhất dùng để tính độ rỗng dư lấy từ lúc thiết kế, không xác định lại khi cốt liệu đổi nguồn.
- Phiếu kiểm soát thi công không ghi mẫu lấy ở đâu (trạm hay máy rải), giờ lấy, lý trình rải.
- Độ ổn định còn lại không được thử, trong khi tuyến đường qua vùng hay ngập nước.
Đọc phiếu Marshall cùng với phiếu khoan mẫu và nhật ký rải cho bức tranh đầy đủ hơn: hỗn hợp đúng ở trạm, tới hiện trường có đủ nóng, và lu ngoài đường có đạt độ chặt.
Ví dụ đọc một bộ kết quả thiết kế (số liệu giả định)
Để hình dung cách người thiết kế chọn hàm lượng nhựa, dưới đây là một bộ kết quả ví dụ giả định cho một loại bê tông nhựa chặt, giả sử độ rỗng dư mục tiêu là khoảng 4% và các ngưỡng khác đều có trong chỉ dẫn kỹ thuật:
| Hàm lượng nhựa (%) | Độ rỗng dư (%) | VMA (%) | Độ ổn định (tương đối) | Nhận xét |
|---|---|---|---|---|
| 4,5 | 6,1 | 15,2 | trung bình | Quá rỗng, nguy cơ ngấm nước |
| 5,0 | 4,9 | 14,9 | cao | Gần đạt, còn hơi rỗng |
| 5,5 | 4,0 | 14,8 | cao nhất | Độ rỗng đúng mục tiêu, VMA gần đáy |
| 6,0 | 3,0 | 15,0 | giảm | Bắt đầu thừa nhựa |
| 6,5 | 2,2 | 15,4 | giảm rõ | Thừa nhựa, nguy cơ chảy nhựa, lún vệt |
Trong ví dụ này, hàm lượng khoảng 5,5% cho độ rỗng dư đúng mục tiêu, độ ổn định ở đỉnh và VMA ở đáy, nên là ứng viên hợp lý cho hàm lượng tối ưu. Thực tế ít khi mọi đường cong gặp nhau gọn như thế; người thiết kế phải cân nhắc khi các chỉ tiêu kéo về hai phía khác nhau, và thường ưu tiên độ rỗng dư cùng VMA hơn độ ổn định.
Bảng cũng cho thấy vì sao sai lệch nửa phần trăm nhựa ở trạm trộn là đáng kể: chỉ chừng ấy đã đẩy độ rỗng dư ra khỏi khoảng mục tiêu. Đó là lý do hàm lượng nhựa trong kiểm soát thi công có sai số cho phép khá hẹp.
Câu hỏi thường gặp
Bê tông nhựa và nhựa đường khác nhau thế nào?
Nhựa đường (bitum) là chất kết dính màu đen. Bê tông nhựa là hỗn hợp của đá dăm, cát, bột khoáng và một lượng nhựa đường nhỏ, được trộn nóng ở trạm rồi rải và lu thành lớp mặt đường. Thí nghiệm Marshall thử trên bê tông nhựa, không thử trên nhựa đường riêng lẻ.
Hàm lượng nhựa trong bê tông nhựa thường khoảng bao nhiêu?
Với bê tông nhựa chặt thông thường, hàm lượng nhựa thường chỉ chiếm vài phần trăm khối lượng hỗn hợp, con số cụ thể tuỳ cấp phối và loại cốt liệu. Hàm lượng tối ưu của mỗi công trình do thiết kế Marshall xác định, không lấy theo kinh nghiệm chung.
Vì sao bột khoáng lại quan trọng trong hỗn hợp?
Bột khoáng là phần hạt rất mịn, thường nghiền từ đá vôi, trộn với nhựa thành một chất vữa lấp khe giữa các hạt lớn và làm hỗn hợp cứng hơn ở nhiệt độ cao. Thiếu bột khoáng thì hỗn hợp rỗng, thừa thì hút nhiều nhựa, khô và giòn. Tỷ lệ bột khoáng nằm trong công thức đã duyệt.
Thí nghiệm Marshall có làm được ở phòng thí nghiệm hiện trường không?
Được, đây là phép thử thường có ở phòng hiện trường gần trạm trộn. Thiết bị gồm khuôn, chày đầm, bể ổn nhiệt và máy nén Marshall. Riêng khối lượng riêng lớn nhất cần bình hút chân không, và các phép thử hiệu năng như vệt hằn bánh xe thường phải làm ở phòng lớn.
Đường nhỏ có cần thiết kế Marshall riêng không?
Nếu mua bê tông nhựa từ trạm trộn thương phẩm, trạm thường đã có công thức chế tạo được thiết kế Marshall cho từng loại hỗn hợp. Chủ đầu tư nên xin bản thiết kế đó, kiểm loại hỗn hợp có đúng loại mình cần, và yêu cầu lấy mẫu kiểm soát vào ngày rải.
Độ ổn định còn lại thấp có nghĩa là gì?
Nghĩa là hỗn hợp mất nhiều sức chịu lực sau khi ngâm nước lâu, dấu hiệu màng nhựa bám kém vào đá. Mặt đường loại này dễ bong bật khi mưa nhiều hoặc ngập. Cách xử lý thường là đổi nguồn đá, thêm phụ gia tăng dính bám hoặc điều chỉnh hỗn hợp theo thiết kế.