Nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối đến chất lượng chống hằn lún vệt bánh xe của bê tông nhựa trong điều kiện vật liệu phía nam

TỔNG QUAN

Tổng quan về vệt hằn bánh xe

Vệt hằn bánh xe xuất hiện chủ yếu do hai nguyên nhân chính: lún lớp đất nền hoặc lớp móng, và lún của lớp bê tông nhựa.

Hình 2 1: Lún do lớp nền hoặc lớp móng [5]

Hình 2 2: Lún do lớp bê tông nhựa [5]

Lún của nền hoặc lớp móng thường xảy ra trên diện rộng, không tạo thành vệt rõ rệt và không gây trượt sang hai bên Mặt đường lún võng xuống và xuất hiện các vết nứt rạn Nguyên nhân chính là do ứng suất cắt từ bánh xe truyền xuống lớp móng và nền, vượt quá khả năng chống cắt của vật liệu Nước có thể xâm nhập qua các vết nứt, làm giảm cường độ của lớp móng và nền Chất lượng thi công, nghiệm thu và thành phần cấp phối đá dăm cũng ảnh hưởng đến cường độ của lớp móng.

Lún lớp bê tông nhựa xảy ra khi tải trọng bánh xe vượt quá khả năng chịu tải của lớp bê tông, dẫn đến hiện tượng trượt và lõm tại vị trí bánh xe Nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt và độ cứng của nhựa đường, khiến bê tông nhựa trở nên mềm hơn Những khu vực chịu tải nặng và kéo dài sẽ gặp phải biến dạng tăng cao Biến dạng không hồi phục hoàn toàn sau khi tải được tác dụng sẽ tạo ra vệt hằn lún bánh xe Chất lượng nhựa đường và thành phần cấp phối bê tông nhựa cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành vệt hằn lún này.

Một số giải pháp khắc phục vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa :

- Kiểm soát lưu lượng xe quá tải

- Kiểm tra nghiêm ngặt nguồn vật liệu đảm bảo theo đúng quy định hiện hành

- Giám sát thi công, nghiệm thu chặt chẽ trước khi đưa vào khai thác

- Gia cường, xử lý nền tránh trường hợp lún nền và lớp móng

- Bê tông nhựa sử dụng phụ gia SBS hoặc sử dụng bê tông nhựa polyme để tăng khả năng chống hằn lún

- Sử dụng nhựa đường có mác thấp

- Tính toán thay đổi cấp phối cốt liệu để tăng cường độ của bê tông nhựa

- Nghiên cứu tính toán áo đường mềm bằng Superpave thay cho Marshall

Nghiên cứu lựa chọn cấp phối cốt liệu tối ưu là một trong những biện pháp quan trọng để giải quyết triệt để vấn đề và tiết kiệm chi phí trong việc tạo ra bộ khung chịu lực cho bê tông nhựa.

Lý thuyết đường cong cấp phối

2.2.1.Đường cong cấp phối của Fuller Đường cong của cấp phối có dạng càng gần với đường cong parabon thì cấp phối đó có độ chặt càng lớn [6] Đường cong cấp phối có dạng sau: y 2 =P x× (2.1) Trong đó: y là thành phần hạt lọt qua các cỡ sàng (%); x là kích thước của các cỡ sàng (mm);

Năm 1962, FHWA đã công bố phiên bản hiệu chỉnh của công thức Fuller:

2.2.2.Đường cong cấp phối của Talbot

Theo nghiên cứu của talbot, nếu cấp phối phù hợp với công thức sau thì đạt được độ chặt lớn nhất:

P là tỷ lệ % thành phần hạt lọt qua các lỗ sàng; d là kích thước cỡ sàng;

D là kích thước của hạt lớn nhất; n là hệ số, thông thường n = 0.3 -0.5

Công thức cấp phối theo Fuller và Talbot là một khi n=0.5 [6]

2.2.3.Đường độ chặt tối ưu

Vào năm 1960, FHWA đã giới thiệu biểu đồ đường cong cấp phối lũy thừa 0.45 và đường độ chặt tối ưu, với đường độ chặt tối ưu là đường thẳng từ gốc 0 đến cỡ hạt lớn nhất của hỗn hợp BTN, nhằm đạt được độ chặt tối đa và độ rỗng dư cũng như độ rỗng cốt liệu thấp nhất Tuy nhiên, các hỗn hợp gần đường độ chặt tối ưu thường tiêu tốn nhiều nhựa và có thể gặp phải một số vấn đề về biến dạng dư.

Hình 2 3: Đường độ chặt tối ưu [7]

2.2.4.Đường cong cấp phối theo quyết định số 858 QĐ/BGTVT

Theo quyết định số 858 QĐ/BGTVT, tại mục 3.2.1.1, Bộ Giao thông vận tải quy định rằng thành phần cấp phối BTNC 12.5mm và BTNC 19mm cần giảm hàm lượng hạt mịn, tức là cần dịch chuyển xuống thấp hơn so với tiêu chuẩn TCVN 8819:2011 Thay đổi này nhằm tăng cường sức kháng cắt nhờ vào việc sử dụng nhiều cốt liệu thô hơn.

Tổng quan nghiên cứu vệt hằn bánh xe

Nguyễn Hoài Vẹn đã tiến hành nghiên cứu mẫu bê tông nhựa nóng (BTNC) 12.5mm theo phương pháp Bailey Nghiên cứu này tập trung vào hiệu quả đầm chặt của hỗn hợp BTNC, trong đó các hạt cốt liệu thô được gài móc với nhau, đóng vai trò chịu lực chính, trong khi các hạt mịn được sử dụng để lấp đầy khoảng trống giữa các hạt thô, tạo nên một hỗn hợp BTNC có khả năng chịu tải cao.

Nghiên cứu mẫu BTNC 12.5mm cho thấy các đường cong cấp phối đều nằm trong giới hạn của TCVN 8819:2011 và quyết định số 858/QĐ-BGTVT Cấp phối nghiên cứu theo phương pháp Bailey ở dưới vùng giới hạn với tỉ lệ hạt cốt liệu lớn cao giúp chống hằn lún hiệu quả hơn, do đó, đường cong cấp phối dưới vùng giới hạn mang lại kết quả tốt hơn so với đường trên vùng giới hạn.

Hình 2 4: Đường cong cấp phối đi trên vùng giới hạn BTNC 12.5mm [10]

Hình 2 5: Đường cong cấp phối đi qua vùng giới hạn BTNC 12.5 mm.[10]

Hình 2 6: Đường cong cấp phối đi dưới vùng giới hạn BTNC 12.5mm [10]

Trần Huy Hải đã tiến hành nghiên cứu về độ rỗng cốt liệu VMA và ảnh hưởng của nó đến vệt hằn bánh xe, dựa trên thiết kế đường cong cấp phối Bailey trong vùng giới hạn và dưới vùng giới hạn có hình dạng chữ S Nghiên cứu sử dụng 3 mẫu BTNC 12.5mm và thực hiện thí nghiệm vệt hằn bánh xe bằng thiết bị Hamburg Wheel Tracking theo quy trình tại quyết định số 1617 QĐ/BGTVT Kết quả nghiên cứu được trình bày trong bảng dưới đây.

Hình 2 7: Biểu đồ chiều sâu vệt hằn bánh xe [11]

Hình 2 8: Chiều sâu vệt hằn bánh xe – độ rỗng cốt liệu VMA [11]

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khi độ rỗng cốt liệu VMA tăng, sức kháng lún của hỗn hợp bê tông nhựa sẽ giảm Ngoài ra, cấp phối nằm trong vùng giới hạn có sức kháng lún tốt hơn so với cấp phối ở dưới vùng giới hạn.

Vào năm 2017, Sở Giao thông Vận tải thành phố Đà Nẵng đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về bê tông nhựa kháng hằn lún trên tuyến Quốc lộ 14B, cụ thể tại địa điểm Km19+780 đến Km19+936 Trong quá trình thực nghiệm, ba loại hỗn hợp bê tông nhựa kháng hằn lún vệt bánh xe đã được sử dụng, bao gồm BTN Rubind tại đoạn Km19+768 – Km19+820, BTN với phụ gia SBS tại đoạn Km19+820–Km19+875, và BTN cốt sợi thủy tinh tại đoạn Km19+875–Km19+928.

Hình 2 9: Thành phần vật liệu và hàm lượng phụ gia các loại BTN [12]

Hình 2 10: Kết quả vệt hằn lún của các loại BTN [12]

Kết quả kiểm tra ba loại BTN cho thấy đều đạt yêu cầu kỹ thuật theo quy định hiện hành, với độ lún mặt đường trong 12 tháng hầu như không đáng kể (dao động từ 2mm – 3mm) Tuy nhiên, BTN Rubind có một số vị trí hư hỏng cục bộ với nhiều vết nứt ngang, có thể do cấp phối không đều Đáng lưu ý, phụ gia SBS có chi phí tương đối cao.

Năm 2015, tác giả Bùi Ngọc Hưng cùng các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về nguồn gốc đá, cấp phối cốt liệu và loại nhựa đường ảnh hưởng đến vệt hằn lún bánh xe của bê tông nhựa Nghiên cứu tập trung vào hai loại BTN 12.5mm và 19mm, sử dụng hai nguồn gốc đá là đá bazan và đá vôi, cùng ba loại nhựa đường: 60/70, 40/50 và PMBIII, với ba đường cong cấp phối khác nhau Cấp phối 1 là cấp phối ít thô theo TCVN 8819:2011 và gần với đường cận trên QĐ 858-BGTVT; cấp phối 2 là cấp phối thô vừa nằm giữa cấp phối QĐ 858-BGTVT; còn cấp phối 3 là cấp phối rất thô, sát cận dưới QĐ 858-BGTVT.

Hình 2 11: Thành phần cấp phối BTNC 12.5mm [13]

Hình 2 12: Thành phần cấp phối BTNC 19mm [13]

Kết quả nghiên cứu cho thấy tất cả các mẫu BTN 12.5mm và BTN 19mm đều đạt yêu cầu (