Nghiên cứu xác định thành phần vật liệu hợp lý lớp bê tông nhựa tạo nhám mặt đường cấp cao ở Việt Nam

Nghiên cứu xác định thành phần vật liệu hợp lý lớp bê tông nhựa tạo nhám mặt đường cấp cao ở Việt Nam

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

-

NCS Nguyễn Phước Minh

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VẬT LIỆU HỢP LÝ LỚP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM MẶT ĐƯỜNG CẤP CAO

Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã số: 62.58.30.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1- PGS.TS.NGUT Trần Tuấn Hiệp

2- PGS.TS Vũ Đức Chính

TPHCM, 12/2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác

NCS Nguyễn Phước Minh

Nghiên cứu sinh trân trọng cảm PGS.TS.NGƯT Trần Tuấn Hiệp, PGS.TS.Vũ Đức Chính, PGS.TS Bùi Xuân Cậy, GS.TS Phạm Duy Hữu, PGS.TS Trần Thị Kim Đăng những người Thầy đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên về chuyên môn và tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận

án, NCS cảm ơn TS Nguyễn Quang Phúc giáo viên cùng bộ môn đã cung cấp các thông tin, phần mềm mô phỏng

Cảm ơn các thí nghiệm viên kinh nghiệm tại các phòng thí nghiệm Trọng điểm I và III-Viện KHCN GTVT, nhân viên Công ty TNHH xây dựng và đầu tư BMT, mỏ đá Phước Tân-Biên Hòa-Đồng Nai thuộc Công ty TNHH Hùng Vương

đã nhiệt tình cùng tôi tham gia và thực hiện các thí nghiệm trong phòng và hiện trường vật liệu nghiên cứu

Cảm ơn gia đình và các bạn bè đồng nghiệp, những người thân luôn ở bên tôi để hỗ trợ

TPHCM, 12/2013

-III-

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III

KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC HÌNH VẼ VII

DANH MỤC CÁC BẢNG X

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 2

5 Cấu trúc luận án 4

Chương 1: TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA LỚP TẠO NHÁM 5

1.1 Cấu trúc và thành phần hỗn hợp của bê tông nhựa thông thường 5

1.2 Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám OGFCA 8

1.2.1 Cốt liệu 8

1.2.2 Chất liên kết 10

1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường 10

1.3.1 Khái niệm 10

1.3.2 Ảnh hưởng của cốt liệu đến độ nhám mặt đường 12

1.3.2.1 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô 12

1.3.2.2 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vĩ mô 13

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng khác đến độ nhám mặt đường 13

1.4 Tổng quan vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA 16

1.4.1 Khái niệm về bê tông nhựa tạo nhám OGFCA 16

1.4.2 Đặc điểm vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA 16

1.4.3 Phân tích và đánh giá tình hình sử dụng vật liệu OGFCA ở nước ngoài 18

1.4.3.1 Mỹ 18

1.4.3.2 Châu Âu 23

1.4.3.3 Nam Phi 29

1.4.3.4 Úc 30

1.4.3.5 Châu Á 31

1.4.3.6 Tình hình sử dụng vật liệu BTN tạo nhám ở Việt Nam 34

1.5 Kết luận chương 1 42

-IV-

Chương II: XÁC LẬP THÀNH PHẦN CÁC HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA LỚP

TẠO NHÁM PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 44

2.1 Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám 44

2.2 Lựa chọn thành phần cốt liệu 45

2.2.1 Đặc trưng kỹ thuật yêu cầu cho cốt liệu 45

2.2.2 Yêu cầu cốt liệu cho hỗn hợp OGFCA 47

2.2.2.1 Kích cỡ hạt lớn nhất và loại hỗn hợp OGFCA 47

2.2.2.2 Thành phần vật liệu hỗn hợp 47

2.2.2.3 Đặc điểm cấp phối cốt liệu 48

2.2.2.4 Đề xuất các loại hỗn hợp cốt liệu cho OGFCA tại Việt Nam 52

2.2.2.5 Lựa chọn cốt liệu cho thiết kế hỗn hợp 54

2.3 Chất liên kết 55

2.4 Bột khoáng 56

2.5 Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám 57

2.5.1 Thiết kế thành phần hỗn hợp theo phương pháp Marshall 57

2.5.1.1 Quy trình đúc mẫu hỗn hợp trong phòng thí nghiệm 57

2.5.1.2 Máy móc và dụng cụ thí nghiệm 57

2.5.1.3 Trình tự đúc mẫu 57

2.5.2 Thí nghiệm thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám 58

2.5.2.1 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu và nhựa đường .58

2.5.2.2 Tính tỷ lệ phối trộn các cốt liệu 58

2.5.2.3 Chuẩn bị mẫu hỗn hợp cốt liệu để đúc mẫu Marshall 59

2.5.2.4 Trộn cốt liệu với nhựa đường và đầm mẫu Marshall 59

2.5.2.5 Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý mẫu thí nghiệm 62

2.5.2.6 Xác định hàm lượng nhựa tối ưu 66

2.5.3 Xác lập thành phần các hỗn hợp và đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật 71

2.6 Kết luận chương 2 73

Chương III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ CÁC HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM VÀ LỰA CHỌN THÀNH PHẦN VẬT LIỆU HỢP LÝ CỦA HỖN HỢP 75

3.1 Các loại hỗn hợp cấp phối đề xuất thí nghiệm 75

3.2 Chuẩn bị vật liệu 77

3.3 Chế bị mẫu 78

3.4 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý các mẫu thử 78

3.4.1 Thực nghiệm xác định modul đàn hồi vật liệu 78

3.4.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp 80

-V-

3.4.3 Thí nghiệm xác định hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp 82

3.4.4 Thí nghiệm xác định hệ số thấm 84

3.4.5 Thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro 87

3.4.6 Kiểm tra vệt hằn bánh xe vật liệu nghiên cứu 89

3.4.6.1 Đặc điểm thử nghiệm vệt hằn bánh xe 89

3.4.6.2 Mục đích của thử nghiệm vệt hằn lún bánh xe 91

3.4.6.3 Kết quả thử nghiệm 92

3.4.6.4 Độ rỗng dư còn lại 94

3.5 Lựa chọn thành phần vật liệu hợp lý cho hỗn hợp 95

3.6 Kết luận chương 3 96

Chương IV: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHAI THÁC LỚP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 98

4.1 Nghiên cứu một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng khai thác của lớp BTN tạo nhám 98

4.1.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô 99

4.1.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước 101

4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng màng nước đến điều kiện chạy xe 104

4.1.4 Nghiên cứu sự thay đổi độ nhám vĩ mô của mặt đường cao tốc theo thời gian 109

4.1.5 Nghiên cứu hiệu quả tăng nhám bằng công nghệ phun rữa cao áp 110

4.2 Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng vật liệu bê tông nhựa tạo nhám 113

4.2.1 Giải pháp kiểm tra sản xuất vật liệu bê tông nhựa tạo nhám tại trạm trộn 113

4.2.2 Giải pháp thi công lớp vật liệu bê tông nhựa nhám 114

4.2.3 Giải pháp giám sát, kiểm tra và nghiệm thu vật liệu bê tông nhựa tạo nhám 115

4.2.4 Giải pháp quản lý khai thác vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám 116

4.3 Kết luận chương 4 116

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

-VI-

KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết

1 ACFC Asphalt Concrete Friction Course Bê tông nhựa lớp tạo nhám

3 ADOT Arizona Department of

4 ASTM American Society for Testing and

Materials

Hiệp hội kiểm tra vật liệu của Mỹ

9 Caltrans California Department of

Transportation

Sở Giao thông bang California

10 DGAC Dense Graded Asphalt Concrete Bê tông nhựa chặt

11 DGHMA Dense Graded Hot Mix Asphalt Hỗn hợp nhựa nóng

13 GDOT Georgia Department of Transportation Sở giao thông bang Georgia

16 HWTD Hamburg Wheel Tracking Device Thiết bị kiểm tra vệt hằn

bánh xe

17 ITS Indirect Tensle Strengh Cường độ chịu kéo gián tiếp

18 NAPA National Asphalt Pavement

21 OGFCA Open Graded Friction Course Asphalt Bê tông nhựa lớp tạo nhám

cấp phối hở

22 OGAC Open Graded Asphalt Concrete Bê tông nhựa cấp phối hở

23 ODOT Oregon Department of Transportation Sở giao thông bang Oregon

25 TxDOT Texas Department of Transportation Sở giao thông bang Texas

-VII-

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG I

Hình 1.1: Cấu tạo thành phần bitum nhựa đường .7

Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của bitum nhựa đường .7

Hình 1.3: Cấu trúc của hỗn hợp OGFCA .8

Hình 1.4: Đường cong cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa theo TCVN và của Mỹ 9

Hình 1.5: Hình ảnh cấu trúc bề mặt bê tông nhựa chặt và bê tông nhựa cấp phối hở .9

Hình 1.6: Hình ảnh thể hiện cấu trúc nhám vĩ mô và vi mô mặt đường .11

Hình 1.7: Hiệu ứng màng nước và vai trò của độ nhám vi mô .11

Hình 1.8: Hình ảnh các mẫu đá nghiền .12

Hình 1.9: Thiết bị thí nghiệm độ mài mòn LA .13

Hình 1.10: Hình ảnh độ chảy nhựa do nhiệt độ hỗn hợp .14

Hình 1.11: Thi công lớp OGFCA tại bang California - Mỹ .22

Hình 1.12: Kết cấu mặt đường hai lớp BTN rỗng sử dụng trên tuyến cao tốc ở Hà Lan 25

Hình 1.13: Hình ảnh kết cấu áo đường hai lớp BTN rỗng ở Hà Lan 26

Hình 1.14: Hình ảnh sử dụng vật liệu OGFCA ở Nhật 32

CHƯƠNG II Hình 2.1: Kích cỡ cốt liệu lớn nhất cho bê tông nhựa lớp tạo nhám các nước .47

Hình 2.2: Thành phần cốt liệu trong hỗn hợp OGFCA các nước .48

Hình 2.3: Các đường cong cấp phối của bê tông nhựa .48

Hình 2 4: Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-A nghiên cứu .49

Hình 2.5:Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-B nghiên cứu .50

Hình 2.6: Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-C nghiên cứu .50

Hình 2.7: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-A nghiên cứu 50

Hình 2.8: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-B nghiên cứu .51

Hình 2.9: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-C nghiên cứu .51

Hình 2.10: Tỉ lệ thành phần cốt liệu và bột khoáng vật liệu OGFCA các nước 51

-VIII-

Hình 2.11: Đường cong cấp phối OG nghiên cứu .53

Hình 2.12: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-A .63

Hình 2.13: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-B .64

Hình 2.14: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-C .65

Hình 2.15: Biểu đồ xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp OG-A .66

Hình 2.16: Biểu đồ xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp OG-B và OG-C .67

Hình 2.17: Độ ổn định Marshall của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng 68

Hình 2.18: Độ dẻo Marshall của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng 68

Hình 2.19: Độ rỗng cốt liệu của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng .68

Hình 2.20: Độ rỗng dư Va của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng .69

Hình 2.21: Độ bền Marshall của các hỗn hợp nghiên cứu .69

Hình 2.22: Độ dẻo Marshall của ba hỗn hợp nghiên cứu 69

Hình 2.23: Độ ổn định còn lại của hỗn hợp nghiên cứu ở 600C so với 250C ban đầu 70

Hình 2.24: Độ rỗng dư của ba hỗn hợp nghiên cứu .70

Hình 2.25: Trình tự xác lập thành phần các hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám 72

CHƯƠNG III Hình 3.1: Đường cong cấp phối đề xuất OG-A và mẫu đối chứng .76

Hình 3.2: Đường cong cấp phối đề xuất OG-B và mẫu đối chứng 77

Hình 3.3: Đường cong cấp phối đề xuất OG-C và mẫu đối chứng 77

Hình 3.4: Hình ảnh thí nghiệm xác định modul đàn hồi vật liệu nghiên cứu .79

Hình 3.5: Kết quả thí nghiệm modul đàn hồi của ba hỗn hợp nghiên cứu 80

Hình 3.6: Sơ đồ đặt mẫu và thí nghiệm kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp .81

Hình 3.7: Kết quả kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp ở 250C 83

Hình 3.8: Kết quả kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp ở 600C 83

Hình 3.9: Hệ số cường độ chịu kéo gían tiếp của các hỗn hợp nghiên cứu 83

Hình 3.10: Thiết bị kiểm tra thấm nước phòng thí nghiệm .84

Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ độ rỗng Va và hệ số thấm nước Kv của ba hỗn hợp .86

Hình 3.12: Biểu đồ hệ số thấm nước Kv của các vật liệu đề xuất .86

-IX-

Hình 3.13: Hình ảnh mẫu vật liệu trước và sau khi bị mài mòn trong thùng quay .87

Hình 3.14: Quan hệ độ mài mòn Cantabro-độ rỗng dư theo hàm lượng nhựa 88

Hình 3.15: Tổng hợp độ mài mòn Cantabro của ba hỗn hợp nghiên cứu .89

Hình 3.16: Máy đo vệt hằn lún bánh xe và thiết bị đầm mẫu 90

Hình 3.17: Phân tích quá trình hình thành vệt lún bánh xe và mẫu phá hoại 91

Hình 3.18: Mẫu OG-A, OG-B và OG-C đã chế bị xong 92

Hình 3.19 (a,b): Kiểm tra vệt lún bánh xe của OG-A .93

Hình 3 20 (a,b): Kiểm tra vệt lún bánh xe của OG-B và OG-C chiều dày 4cm và 5cm 93

Hình 3 21: Chiều sâu vệt lún với lớp OG-A h=5cm .94

CHƯƠNG IV Hình 4.1: Thí nghiệm trong phòng kiệm tra quan hệ Htb và Va .99

Hình 4.2: Đồ thị quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô thí nghiệm trong phòng .99

Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô tại hiện trường 100

Hình 4.4: Kiểm tra khả năng thấm nước trên mặt đường nhám .102

Hình 4.5: Quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước 103

Hình 4.6: Mô phỏng hiệu ứng màng nước và hiện tượng bắn nước sau bánh xe 104

Hình 4.7: Công tác chuẩn bị thí nghiệm và đo chiều dài vệt hãm xe khi mặt đường khô trên tuyến cao tốc Thành phố HCM - Long Thành - Dầu Dây 106

Hình 4.8: Công tác chuẩn bị thí nghiệm và đo chiều dài hãm xe trên mặt đường ướt 106

Hình 4.9: Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài hãm xe với áp lực hơi, tốc độ xe thay đổi 107

Hình 4.10: Quan hệ chiều dài hãm xe trên mặt đường khô với áp lực hơi, tốc độ xe thay đổi trên mặt đường ướt .107

Hình 4.11: Hệ số bám của bánh xe với mặt đường ở trạng thái khô và ướt 108

Hình 4.12: Công tác đảm bảo giao thông và đo nhám vĩ mô trên tuyến cao tốc 109

Hình 4 13: Kết quả khảo sát độ nhám vĩ mô tại lý trình Km37+550÷Km38+150 .109

Hình 4.14: Kết quả khảo sát độ nhám vĩ mô tại lý trình Km38+150÷Km38+850 .109

Hình 4.15: Hình ảnh đo nhám trước và sau khi thổi khí nén 110

Hình 4.16: Kiểm tra độ nhám trước a/ và sau khi phun rữa cao áp b/ .111

Hình 4.17: Kết quả giá trị độ nhám vĩ mô sau khi phun rửa cao áp .111

-X-

DANH MỤC CÁC BẢNG

CHƯƠNG I

Bảng 1.1: Cấp phối tiêu chuẩn OGFCA ở bang Washington-Mỹ 19

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn cấp phối cốt liệu OGFCA của bang Arizona-Mỹ 20

Bảng 1.3: Thành phần cấp phối tiêu chuẩn hỗn hợp OGFCA của ODOT 20

Bảng 1.4: Qui định cấp phối sử dụng cho OGFCA của bang California-Mỹ 21

Bảng 1.5: Thành phần cấp phối tiêu chuẩn cho OGFCA bang Georgia -Mỹ 22

Bảng 1.6: Chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu thiết kế thành phần vật liệu OGFCA 23

Bảng 1.7: Thành phần vật liệu hai lớp OGFCA của Châu Âu .25

Bảng 1.8: Thành phần cấp phối vật liệu OGFCA theo tiêu chuẩn 27

Bảng 1.9: Thành phần cấp phối cốt liệu OGFCA theo tiêu chuẩn của Anh 27

Bảng 1.10: Thành phần cấp phối OGFCA theo tiêu chuẩn của Nam Phi 29

Bảng 1.11: Thành phần cấp phối cốt liệu OGFCA theo tiêu chuẩn của Úc 30

Bảng 1.12: Thành phần cấp phối OGFCA theo tiêu chuẩn của Malaixia 31

Bảng 1.13: Thành phần cấp phối cốt liệu của OGFCA theo tiêu chuẩn 32

Bảng 1.14: Yêu cầu vật liệu và qui định kỹ thuật giới hạn của OGFCA các nước .33

Bảng 1.15: Phương pháp thiết kế và các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của OGFCA 34

Bảng 1.16: Kết quả thí nghiệm nhựa đường polime TPS .35

Bảng 1.17: Kết quả thí nghiệm cốt liệu thô .36

Bảng 1 18: Kết quả thí nghiệm cốt liệu mịn .36

Bảng 1.19: Kết quả thí nghiệm bột khoáng .36

Bảng 1.20: Kết quả thiết kế thành phần cấp phối BTNR.13 37

Bảng 1.21: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý BTNR.13 37

Bảng 1.25: Thành phấn cấp phối cốt liệu của BTN Novachip .38

Bảng 1.26: Yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật của BTN Novachip 38

Bảng 1.27: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho đá dăm .39

Bảng 1.28: Tiêu chuẩn nghiệm thu độ nhám mặt đường .39

Bảng 1.29: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho cát xay 39

-XI-

Bảng 1.30: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho bột khoáng .40

Bảng 1.31: Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu của BTNNC .40

Bảng 1.32: Yêu cầu các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNNC 41

Bảng 1.33: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho đá dăm .41

Bảng 1.34: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho cát xay 41

CHƯƠNG II Bảng 2.1: So sánh tỉ lệ cốt liệu trong các hỗn hợp bê tông nhựa .49

Bảng 2.2: Cấp phối vật liệu OGFCA đề xuất nghiên cứu tại Việt nam 53

Bảng 2.3: Qui định chỉ tiêu cơ lý cốt liệu thô cho bê tông nhựa nhám [18][19] 54

Bảng 2.4: Qui định chỉ tiêu cơ lý của cát xay cho bê tông nhựa nhám [21] .54

Bảng 2.5: Kết quả kiểm tra nhựa đường polime PmB-I [18] 55

Bảng 2.6: Thành phần hạt qui định cho bột khoáng [21] .56

Bảng 2.7: Kết quả kiểm tra cốt liệu và bột khoáng 56

Bảng 2.8: Hàm lượng nhựa dự đoán cần thiết cho ba cấp phối đề xuất 60

Bảng 2.9: Khối lượng mẫu thí nghiệm xác định hàm lượng nhựa tối ưu 61

Bảng 2.10: Đề xuất các thông số nung và trộn hỗn hợp vật liệu thí nghiệm .61

Bảng 2.11: Giá trị các đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-A 63

Bảng 2.12: Chiều dày màng nhựa và độ chảy nhựa của hỗn hợp OG-A .63

Bảng 2.13: Giá trị các đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-B 64

Bảng 2.14: Chiều dày màng nhựa và độ chảy nhựa của hỗn hợp OG-B .64

Bảng 2.15: Giá trị các đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-C 65

Bảng 2.16: Chiều dày màng nhựa và độ chảy nhựa của hỗn hợp OG-C .65

Bảng 2.17: Đề xuất giá trị kỹ thuật giới hạn cho hỗn hợp nghiên cứu [21],[23] .66

Bảng 2.18: Hàm lượng nhựa tối ưu cho ba hỗn hợp đề xuất 67

Bảng 2.19: Tổng hợp kết quả và lựa chọn loại cấp phối đề xuất 70

Bảng 2.20: Xác lập thành phần các hỗn hợp cấp phối phục vụ nghiên cứu 73

Bảng 2.21: Đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu cho hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám 73

-XII-

CHƯƠNG III

Bảng 3.1: Đề xuất cấp phối và loại nhựa nghiên cứu .76

Bảng 3.2: Thành phần cốt liệu ba cấp phối đề xuất nghiên cứu và đối chứng 76

Bảng 3.3: Tổng hợp số lượng mẫu yêu cầu thí nghiệm .78

Bảng 3.4: Kết quả kiểm tra vệt hằn bánh xe với chiều dày khác nhau 94

Bảng 3.5: Tổng hợp kết quả kiểm tra đặc trưng cơ-lý của ba hỗn hợp nghiên cứu .95

Bảng 3.6: Thành phần vật liệu hợp lý cho bê tông nhựa lớp tạo nhám được lựa chọn 96

CHƯƠNG IV Bảng 4 1: Kết quả thí nghiệm độ rỗng dư và chiều sâu rắc cát trong phòng .100

Bảng 4 2: Kết quả kiểm tra độ nhám vĩ mô và độ rỗng dư tại hiện trường 101

Bảng 4.3: Phân bố cường độ mưa tại các tỉnh Phía Nam .103

Bảng 4.4: Quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước bề mặt 103

Bảng 4.5: Quan hệ áp lực hơi bánh xe, tốc độ xe và tỉ số chiều dài hãm phanh 106

Bảng 4.6: Quan hệ tốc độ xe và tỉ số chiều dài hãm phanh mặt đường ướt và khô 107

Bảng 4.7: Hệ số bám φ giữa bánh xe và mặt đường ở trạng thái khô và ướt 108

Bảng 4.8:Kết quả kiểm tra độ nhám vĩ mô trước khi phun rữa cao áp .112

Bảng 4.9: Kết quả kiểm tra độ nhám vĩ mô sau khi phun rữa cao áp .112

-

Đường cao tốc cho phép xe chạy với tốc độ trên 80km/h; với tốc độ như vậy, để đảm bảo an toàn xe chạy, mặt đường yêu cầu phải đạt được chất lượng khai thác cao như: độ nhám cao; độ bằng phẳng, độ ráo nước; trong đó độ nhám mặt đường là một yếu tố đặc biệt quan trọng

Tại các nước phát triển, người ta xây dựng lớp phủ mặt đường cao tốc bằng bê tông nhựa rỗng có độ nhám cao, lớp vật liệu này yêu cầu phải được thiết kế, chế tạo, thi công bằng công nghệ đặc biệt, đắt tiền

Ở Việt Nam, lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám đã được áp dụng trên một số đường cao tốc, tuy nhiên mới ở mức độ thử nghiệm, chi phí cao và bị lệ thuộc vào công nghệ ngoại nhập

Trong tương lai với yêu cầu phát triển hệ thống đường cao tốc, đường cấp cao tới hàng vạn kilomet thì một yêu cầu bức thiết đặt ra là làm sao để có thể làm chủ công nghệ sản xuất lớp phủ mặt đường bằng vật liệu bê tông nhựa nhám ? Đây thực sự là một yêu cầu hết sức cấp thiết, một đòi hỏi, một thách thức gay gắt đối với những người làm đường Việt Nam

Muốn làm chủ công nghệ sản xuất vật liệu bê tông nhựa tạo nhám, trước hết phải nghiên cứu xác định được thành phần vật liệu hợp lý của lớp bê tông nhựa tạo nhám để vừa đạt được độ rỗng cần thiết, độ bền, độ nhám yêu cầu, phù hợp với điều kiện cụ thể

của Việt Nam Đề tài luận án “Nghiên cứu xác định thành phần vật liệu hợp lý lớp bê

tông nhựa tạo nhám mặt đườngcấp cao ở Việt Nam ” chính là nhằm giải quyết vấn đề

khoa học và thực tiễn đặc biệt cấp thiết đó

2 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án đó là xác định được thành phần vật liệu hợp lý

lớp bê tông nhựa tạo nhám mặt đường cấp cao ở Việt Nam; với thành phần cấp phối cốt liệu dạng cấp phối hở (Open Graded), độ rỗng dư thiết kế từ 16%÷18%; đồng thời

đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám; từ đó có thể làm chủ công nghệ thiết kế; sản xuất; thi công và đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng khai thác vật liệu bê tông lớp tạo nhám mặt đường ô tô tại Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám có độ

rỗng cao với thành phần cốt liệu dạng cấp phối hở

+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường từ đó đề xuất thành phần hợp lý của bê tông nhựa lớp tạo nhám và các khía cạnh liên quan; + Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng khai thác lớp bê tông nhựa lớp tạo nhám mặt đường ô tô

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Luận án nghiên cứu đã đưa ra được các vấn đề với các nội dung có ý nghĩa bao gồm:

 Ý nghĩa khoa học

4.1 Xác lập các thành phần hỗn hợp với yêu cầu kỹ thuật đặc trưng vật liệu hỗn hợp và qui định kỹ thuật cho vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám;

4.2 Lựa chọn thành phần vật liệu hợp lý hỗn hợp cho bê tông nhựa lớp tạo nhám mặt đường ô tô; trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của các hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám;

4.3 Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng khai thác lớp vật liệu bê tông nhựa tạo nhám mặt đường ô tô với các nội dung sau:

 Nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô của lớp phủ

bê tông nhựa lớp tạo nhám;

 Nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa độ nhám vĩ mô của lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám và độ hút nước;

 Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng màng nước đến điều kiện chạy xe;

 Nghiên cứu xác định sự thay đổi độ nhám vĩ mô theo thời gian của mặt đường nhám một số tuyến cao tốc ở phía Nam;

 Nghiên cứu xác định hiệu quả tăng nhám vĩ mô và độ hút nước của mặt đường bê tông nhựa tạo nhám bằng công nghệ phun rửa cao áp;

 Nghiên cứu thiết lập và đề xuất chế độ kiểm tra bảo dưỡng định kỳ mặt đường tạo nhám của mặt đường cấp cao;

 Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng khai thác vật liệu bê tông nhựa tạo nhám trên tất cả các khâu: sản xuất; thi công; kiểm tra giám sát; nghiệm thu chất lượng; duy tu-bão dưỡng vật liệu bê tông nhựa tạo nhám

 Ý nghĩa thực tiễn

 Luận án nghiên cứu đã tổng quan xem xét vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám trên các tuyến cao tốc của các nước và tại Việt nam đã sử dụng;

 Xây dựng được trình tự các bước thiết kế, phương pháp xác định thành phần hợp lý

bê tông nhựa lớp tạo nhám mặt đường ô tô phù hợp với điều kiện khai thác tại Việt Nam

 Xây dựng các phương pháp thực nghiệm đánh giá chỉ tiêu cơ lý vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám; yêu cầu kỹ thuật giới hạn của vật liệu phục vụ cho việc thiết kế thành phần vật liệu bê tông nhựa nhám;

 Đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng khai thác vật liệu lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám cho các tuyến đường cấp cao khu vực Phía nam

5 Cấu trúc luận án

Cấu trúc luận án bao gồm các chương sau:

+ Chương I: Tổng quan bê tông nhựa lớp tạo nhám

+ Chương II: Xác lập thành phần các hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám phục vụ nghiên cứu thực nghiệm

+ Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý của các hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám và lựa chọn thành phần vật liệu hợp lý của hỗn hợp

+ Chương IV: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng khai thác lớp vật liệu bê tông nhựa tạo nhám mặt đường ô tô

*********

Chương 1: TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA LỚP TẠO NHÁM

Nghiên cứu tổng quan bê tông nhựa lớp tạo nhám mặt đường ô tô cấp cao hay đường cao tốc bao gồm các nội dung chính sau:

1) Xem xét cấu trúc và thành phần vật liệu hỗn hợp BTN truyền thống và BTN lớp tạo nhám;

2) Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô-vĩ mô và khả năng duy trì

độ nhám theo thời gian;

3) Xem xét các loại hỗn hợp bê tông nhựa với đặc trưng độ rỗng dư và thành phần cấp phối cốt liệu yêu cầu;

4) Tình hình sử dụng vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám của các nước trên thế giới

và tại Việt Nam

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan vật liệu bê tông nhựa truyền thống và bê tông nhựa lớp tạo nhám trong nước và thế giới; từ đó đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu đối với cốt liệu, thành phần hỗn hợp và chỉ tiêu kỹ thuật giới hạn của vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám phục vụ cho công tác nghiên cứu

1.1 Cấu trúc và thành phần hỗn hợp của bê tông nhựa thông thường

a-Cấu trúc bê tông nhựa

Bê tông nhựa là một vật liệu xây dựng, trong đó các cốt liệu khoáng vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết asphalt

Bê tông nhựa là một vật liệu gồm hai thành phần cấu trúc: một là khung sườn vật

liệu khoáng vật gồm: đá và cát, hai là chất liên kết asphalt gồm bitum và bột khoáng

Để điều chỉnh cấu trúc của bê tông nhựa theo yêu cầu sử dụng, có thể xem bê tông nhựa

là một hệ thống gồm ba cấu trúc thành phần [1]:

● Cấu trúc vi mô: gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết asphalt

● Cấu trúc trung gian: gồm cát và các chất liên kết asphalt tạo thành vữa asphalt

● Cấu trúc vĩ mô: gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa

+ Về cấu trúc vi mô: thấy rõ quan hệ số lượng, sự bố trí và tương tác giữa bitum

và bột khoáng – thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa Cường độ bê tông nhựa biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào hàm lượng bột khoáng, vào tỉ số nhựa bitum

và bột khoáng Khi lượng nhựa nhiều, bột khoáng ít, các hạt bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc trực tiếp với nhau Khi bột khoáng tăng lên tỉ lệ bitum/bột khoáng giảm, đến lúc lượng nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng

và các hạt tiếp xúc với nhau có định hướng, nếu tiếp tục tăng bột khoáng lên nữa, bitum

sẽ không đủ để tạo màng bọc khắp các hạt, khi đó cấu trúc vi mô sẽ tăng lỗ rỗng, các hạt không liên kết được với nhau, cường độ sẽ giảm

+ Cấu trúc trung gian: khi đưa cát vào chất liên kết asphalt để tạo thành vữa

asphalt thì sẽ làm giảm cường độ của hệ thống vì cát đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp Cấu trúc trung gian cũng ảnh hưởng khá lớn đến cường độ, độ biến dạng, độ chặt và các tính chất khác nhau của bê tông nhựa

+ Cấu trúc vĩ mô: cốt liệu đá được bao bọc bởi bitum nhựa đường là một yếu tố

cơ bản để làm thành cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa Cấu trúc này được xác định bằng quan hệ số lượng, vị trí tương hỗ, độ lớn của đá dăm Đá dăm được liên kết với nhau thành một khối sườn không gian trong vữa asphalt

b-Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa [4],[7],[11]

Các thành phần vật liệu cơ bản của hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm các cốt liệu hạt thô (đá dăm) và hạt mịn (cát) có thành phần cỡ hạt tuân theo một quy luật nhất định, nhựa đường (bitum) và bột khoáng (bột đá vôi, xi măng, ) Các tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và chất lượng tương tác giữa cốt liệu và chất dính kết

Mỗi thành phần trong hỗn hợp bê tông nhựa đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làm lớp mặt đường Các đặc tính của vật liệu thành phần và ảnh hưởng của chúng đến độ bền khai thác và tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa

+ Cốt liệu: bao gồm cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt mịn với chức năng tạo bộ khung

chịu lực cho hỗn hợp Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải đảm bảo thỏa mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn được quy định cho mỗi loại bê tông nhựa khác nhau, với mục đích tạo khung chịu lực bền vững mà vẫn đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu

Cấp phối cốt liệu là phân bố thành phần cỡ hạt theo % của tổng khối lượng được xác định bằng thí nghiệm bộ sàng tiêu chuẩn Cấp phối cốt liệu là đặc tính quan trọng nhất của hỗn hợp cốt liệu, nó ảnh hưởng đến hầu hết các đặc tính quan trọng của hỗn hợp, bao gồm độ cứng, độ ổn định, độ bền, độ thấm nước, độ linh động, khả năng chịu mỏi, cường độ chống trượt và khả năng chống lại các hư hỏng do ảnh hưởng của nước Chính vì vậy, thiết kế thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông nhựa là quan trọng nhất đối với thiết kế thành phần bê tông nhựa

Kích thước hạt lớn nhất trong hỗn hợp cốt liệu là yếu tố quan trọng để đảm bảo

đặc trưng khai thác tốt của hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường, kích cỡ hạt lớn nhất là cỡ sàng lớn nhất thiết kế để có được một số phần trăm nhất định (thường là 10%) hạt cốt liệu trong mẫu thí nghiệm sót lại trên đó Hiện nay, khi thiết kế hỗn hợp asphalt xu thế sử dụng cỡ hạt lớn nhất lớn để giảm thiểu khả năng hình thành lún vệt bánh xe Sử dụng cỡ hạt lớn còn cho khả năng giảm hàm lượng nhựa đường cần thiết và giảm giá thành

+ Chất liên kết [2],[4],[6],[43],[57]: Nhựa đường là chất kết dính hữu cơ, có thể

ở dạng cứng hoặc dạng nhớt lỏng có thành phần chủ yếu là hiđrôcácbon cao phân tử và một số hợp chất khác Nhựa đường (bitum) bao gồm các thành phần chính là asphaltenes, resin và các chất thơm/no (oils) thể hiện theo hình 1.1

Asphaltenes là chất rắn không kết tinh, vô định hình, màu nâu hoặc đen, có thành phần chính là cácbonhyđrô - ngoài ra còn có nitơ, lưu huỳnh và ôxy Asphaltenes được coi là chất thơm phức hợp cao phân tử

Hình 1.1: Cấu tạo thành phần bitum nhựa đường

Tăng hàm lượng asphaltenes sẽ tạo bitum đặc với độ kim lún thấp hơn, điểm hoá mềm cao hơn và độ nhớt cao hơn Asphaltenes chiếm khoảng 5% đến 25% thành phần của nhựa đường Resin là chất rắn hoặc nửa rắn, có màu nâu Tương tự như asphaltenes, thành phần hoá học cũng bao gồm cácbon, hyđrô- ngoài ra còn có nitơ, lưu huỳnh và ôxy Tính phân cực mạnh của thành phần này giúp tạo tính dính kết của bê tông nhựa

Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của bitum nhựa đường

Các chất thơm chiếm khoảng 40 - 65 % trong thành phần của nhựa đường, là chất lỏng nhớt, có màu nâu Các chất no là các hyđrô-cacbon béo dạng duỗi thẳng hoặc phân nhánh (hình 1.2), là các chất lỏng dạng nhớt có màu trắng hoặc màu vàng, chúng chiếm khoảng 5 đến 25% thành phần của nhựa đường

Kết quả của nhiều nghiên cứu chỉ rõ các yếu tố khác nhau như chiều dày màng nhựa, độ ổn định nhiệt độ của nhựa đường, độ kéo dài, độ rỗng dư, tuổi thọ của mặt đường, điều kiện giao thông, các điều kiện khí hậu ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa thông số độ kim lún của nhựa đường và xuất hiện vết nứt trong mặt đường bê tông nhựa [6],[43]

1.2 Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám OGFCA

1.2.1 Cốt liệu

Bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở-OGFCA (Open Graded Friction Courses Asphalt) là loại cấu trúc khung dạng vĩ mô (hình 1.3), hỗn hợp bao gồm các hạt cốt liệu lớn đồng dạng, có một ít hoặc không có hạt cốt liệu nhỏ và bột khoáng; hỗn hợp vật liệu được thiết kế sao cho vật liệu đầm nén đạt được độ rỗng dư từ 18%÷25% [37],[40]

Hình 1.3: Cấu trúc của hỗn hợp OGFCA

Việc lựa chọn thành phần hỗn hợp cho bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở căn

cứ theo các tiêu chuẩn lựa chọn vật liệu và kinh nghiệm của các nước đã sử dụng, sao cho hỗn hợp đạt được độ rỗng dư yêu cầu và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của vật liệu khi khai thác Đặc tính cơ-lí của cốt liệu thô trong hỗn hợp là một chỉ tiêu rất quan trọng để đạt được độ nhám cao (sức kháng trượt bề mặt), đồng thời duy trì độ nhám vĩ mô và vi

mô theo thời gian khai thác

So với bê tông nhựa chặt, độ nhám vĩ mô được cho bởi các hạt cốt liệu thô, độ nhám vi mô được cho cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn Với vật liệu bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở giới hạn cốt liệu mịn; do vậy độ nhám vi mô và vĩ mô chủ yếu có được do cốt liệu thô trong thành phần vật liệu tạo nên

Thành phần vật liệu của bê tông nhựa cấp phối hở và bê tông nhựa chặt giống nhau về thành phần vật liệu gồm: cốt liệu hạt thô, cốt liệu mịn, chất liên kết và bột khoáng; tuy nhiên hàm lượng cốt liệu có sự khác nhau Vật liệu bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở có hàm lượng hạt mịn ít hơn nhiều so với bê tông nhựa chặt (hình 1.4), với mục đích là tạo độ rỗng dư trong vật liệu cao hơn so với vật liệu bê tông nhựa thông thường, đáp ứng đặc tính nhám và thoát nước mà vật liệu mặt đường bê tông nhựa chặt chưa giải quyết được

12,5 9,5 4,75 2,36 1,18 0,6 0,3 0,15 0,075 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Đường cong cấp phối hở-OGFCA.9,5-Mỹ

Hình 1.4: Đường cong cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa theo TCVN và của Mỹ

Hình 1.5: Hình ảnh cấu trúc bề mặt bê tông nhựa chặt và bê tông nhựa cấp phối hở

1.2.2 Chất liên kết

Khi thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám, kinh nghiệm các nước chất liên kết thông thường sử dụng là bitum cải tiến, việc sử dụng nhựa này nhằm cải thiện đặc tính biến dạng và độ bền của bê tông nhựa khi sử dụng nơi có nhiệt độ, độ

ẩm thay đổi bất thường [34],[36],[37],[39],[40],[44],[47],[48]

Bitum cải tiến sử dụng cho hỗn hợp asphalt bằng cách cho thêm vào bitum các chất như amiang, các chất khoáng đặc biệt, các sợi khoáng, cao su hoặc các polime dẻo nhiệt Hiện nay, bitum cải tiến phổ biến nhất là loại bitum polime dẻo nhiệt hay cao su dẻo nhiệt Polyethylen, polypropylen, polyvinyl chlorid, polystyren và ethylen vinyl acetate (EVA) là các polime dẻo nhiệt hoặc styren butadien styren (SBS), styren isopren styren (SIS) là các loại cao su dẻo nhiệt

Các polime dẻo nhiệt hay cao su dẻo nhiệt khi được trộn với bitum ở nhiệt độ thích hợp, chúng sẽ làm tăng liên kết với bitum và tăng độ nhớt của bitum Độ nhớt nhựa và chiều dày màng nhựa ảnh hưởng nhiều đến độ bền của vật liệu, do vậy việc sử dụng bitum cải tiến cho vật liệu sẽ bị hạn chế tối đa hiện tượng chảy nhựa, làm gia tăng liên kết trong vật liệu, giảm thiểu những hư hỏng do tác động nhiệt độ, độ ẩm môi trường mà bitum thông thường khó có thể kiểm soát được

1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường

1.3.1 Khái niệm

 Độ nhám vi mô (micro-texture): Độ nhám vi mô là độ xù xì bề mặt của hạt cốt

liệu lộ ra trên mặt đường và thường khó nhìn thấy Độ nhám vi mô là cơ sở để tạo nên

độ bám-sức kháng trượt giữa bánh xe và mặt đường Việc tăng độ nhám vi mô được thực hiện thông qua tuyển chọn loại cốt liệu đá có thuộc tính độ nhám vi mô cao

 Độ nhám vĩ mô (macro-texture): Độ nhám vĩ mô tạo ra các kênh thoát nước

Bằng cách làm giảm áp lực nước ở trước và xung quanh lốp xe, độ nhám vĩ mô làm giảm hiệu ứng màng nước giữa lốp xe và mặt đường khi trời mưa, cho phép một diện tích lớn của lốp xe vẫn duy trì sự tiếp xúc ma sát với mặt đường khi xe chạy với tốc độ cao (v  65 km/h), nhằm tạo điều kiện để độ nhám vi mô phát huy tác dụng kháng trượt

Hình 1.6: Hình ảnh thể hiện cấu trúc nhám vĩ mô và vi mô mặt đường

Việc tăng độ nhám vĩ mô được thực hiện thông qua lựa chọn thành phần cấp phối cốt liệu nằm trong đường bao chuẩn qui định, nhằm tăng giá trị chiều sâu trung bình cát Htb(mm) của mặt đường Để thỏa mãn yêu cầu tăng giá trị Htb, lớp phủ bê tông nhựa thường phải được thiết kế với độ rỗng dư lớn (từ 12% ÷ 23%) so với lớp phủ

bê tông nhựa thông thường (độ rỗng dư từ 4% ÷6%)

Khi mặt đường bị ẩm ướt thì đặc trưng độ nhám vĩ mô và vi mô bị ảnh hưởng, lúc đó nó ở trạng thái bất lợi nhất, giữa lốp xe và mặt đường lúc này tồn tại một hiệu ứng màng nước làm giảm khả năng tiếp xúc giữa chúng

Vai trò của độ nhám vi mô là xua tan hiệu ứng màng nước này, làm cho nước

xâm nhập vào đá khi lốp xe tiếp xúc với mặt đường, kết quả là tạo nên sự tiếp xúc khô giữa lốp xe và mặt đường Do đó khi lưu thông với cả tốc độ thấp và tốc độ cao, độ nhám vi mô là rất quan trọng ảnh hưởng đến sức chống trượt của mặt đường

Hình 1.7: Hiệu ứng màng nước và vai trò của độ nhám vi mô

Khi xe chạy với tốc độ cao (V>65km/h) thì sẽ dẫn tới khả năng không có đủ thời gian để đẩy nước từ lốp xe do xuất hiện hiệu ứng màng nước (hydroplaning), gọi là nêm nước ngăn cách lốp xe với mặt đường Chiều dày màng nước càng lớn, diện tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường càng nhỏ đi, làm giảm hệ số bám giữa bánh xe và mặt

Mặt đường

đường Khi tốc độ xe chạy trên 100km/h thì nguy cơ tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường sẽ mất hoàn toàn do chiều dày màng nước vẫn tồn tại

Vai trò của độ nhám vĩ mô lúc này là tạo ra các kênh thoát nước Do độ nhám vi

mô là không lớn, khi xe chạy với tốc độ cao, hiệu ứng màng nước lớn thì độ nhám vĩ

mô đóng vai trò quyết định ảnh hưởng đến sức chống trượt của mặt đường Nhám vĩ

mô giúp làm giảm áp lực nước ở trước và xung quanh lốp xe, giúp cho một diện tích vỏ lốp xe vẫn duy trì sự tiếp xúc ma sát với bề mặt mặt đường và có thể duy trì xe chạy với tốc độ cao

1.3.2 Ảnh hưởng của cốt liệu đến độ nhám mặt đường

1.3.2.1 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô

Từ bản chất của độ nhám vi mô là độ xù xì của bề mặt cốt liệu, do đó ta có các chỉ tiêu đánh giá độ nhám vi mô là:

a) Chỉ số độ mài bóng cốt liệu đá–PSV (British Polish Stone Value Test, ASTM

Khả năng chịu mài bóng của cốt liệu

được đánh giá bằng thí nghiệm chỉ số

độ mài mòn PSV (British Polish

Stone Value Test, ASTM D3319)

năng duy trì độ nhám vi mô thì rất

cần cốt liệu có chất lượng cao, điển

hình là các cốt liệu có cường độ chịu

nén yêu cầu, không tan trong axit

cao, nhất là vật liệu có thành phần

silic và silicát cao

1.3.2.2 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vĩ mô

Khi cốt liệu đã đảm bảo được độ nhám vi mô tốt thì cũng còn cần phải chú ý đến những đặc điểm khác của cốt liệu để mặt đường có được độ nhám vĩ mô tốt

- Khả năng chịu mài mòn của cốt liệu: Độ bền của nhám vĩ mô phụ thuộc chủ yếu

vào tính chịu bào mòn của cốt liệu Cốt liệu có đặc trưng chịu mài mòn kém sẽ mất đi nhanh chóng độ nhám vĩ mô dưới tác động của bánh xe và thời tiết Thông thường sử dụng thiết bị Los Angeles (AASHO T 96) để xác định tính chịu mài mòn của cốt liệu (hình 1.9)

Hình 1.9: Thiết bị thí nghiệm độ mài mòn LA

sẽ là nơi mà vỏ lốp xe tiếp xúc nhiều nhất và làm tăng sức chống trượt mặt đường thông qua độ nhám vi mô và vĩ mô Do vậy việc thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám phải đảm bảo được thành phần cốt liệu thô trong hỗn hợp

- Thành phần hỗn hợp cốt liệu: Việc tăng độ nhám vĩ mô được thực hiện thông

qua việc lựa chọn thành phần cấp phối nằm trong đường bao chuẩn quy định, nhằm tăng giá trị chiều sâu rắc cát trung bình Htb (m) của bề mặt đường sau khi rải, hay nói cách khác để đảm bảo độ rỗng dư lớn so với lớp phủ bê tông nhựa thông thường

- Hàm lượng nhựa trong hỗn hợp và hệ số đầm nén: Khi sử dụng hàm lượng

nhựa quá nhiều hoặc đầm nén quá chặt sẽ dễ dẫn đến giảm diện tích cốt liệu thô trên bề mặt, hoặc làm giảm độ rỗng dư; sẽ làm giảm sức kháng trượt của mặt đường Nếu nhựa đường không có khả năng ổn định nhiệt cao sẽ dẫn đến chảy nhựa vào mùa nóng gây

hư hỏng lớp mặt tạo nhám, giảm diện tích cốt liệu thô

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng khác đến độ nhám mặt đường

liệu: Để cho các hạt cốt liệu nhô

lên bề mặt đường không bị gãy

vụn, đảm bảo độ nhám vĩ mô và

độ bền bề mặt của lớp nhám thì

các hạt cốt liệu phải có dạng hình

khối, hạn chế hạt dẹt

- Cốt liệu thô nổi lên mặt đường:

Trên bề mặt bê tông nhựa sau khi

lu lèn thì cốt liệu thô trên bề mặt

tiếp xúc, làm tăng ổn định của sườn đá dăm, bột khoáng tương tác với nhựa tạo thành chất liên kết Asphalt vừa có tác dụng liên kết khung cốt liệu, vừa lấp một phần vào lỗ rỗng còn lại

Hàm lượng đá dăm đủ mới tạo thành được khung sườn chịu lực cho BTN và tạo

độ nhám cho hỗn hợp

Hàm lượng đá dăm ít, giữa các viên đá là vữa nhựa (cát + chất liên kết Asphalt) Hình ảnh này được mô tả là các viên đá "bơi" trong vữa nhựa Lúc này độ nhám ban đầu của mặt đường đã thấp; ngoài ra trong quá trình khai thác, dưới tác dụng trùng phục của xe cộ, các viên đá có xu thế "chìm dần" xuống dưới nên độ nhám ngày càng giảm Mặt đường BTN trơn, nhẵn rất dễ xảy ra hiện tượng trượt khi trời mưa

● Tính dính bám giữa nhựa và cốt liệu

Dính bám giữa cốt liệu và nhựa cũng đóng vai trò quyết định Các hấp phụ bề mặt của cốt liệu là hấp phụ lý học sẽ bền vững, thay đổi được tính nhớt của nhựa, làm nhựa không có xu thế "tách rời", "nổi trồi" trong quá trình khai thác sau này

Hình 1.10: Hình ảnh độ chảy nhựa do nhiệt độ hỗn hợp

Không chảy nhựa

Nhiệt độ hỗn hợp thấp

Ít chảy nhựa Nhiệt độ hỗn hợp đạt yêu cầu

Chảy nhựa nhiều Nhiệt độ hỗn hợp cao

b) Trong quá trình thi công

Ngoài ra, do nhiều lớp tạo nhám mặt đường có chiều dày rất nhỏ, lại sử dụng nhựa đường polime cải thiện dẫn tới nhiệt độ của chúng giảm rất nhanh, do đó quá trình

lu lèn phải làm nhanh và chính xác để tránh nhiệt độ xuống quá thấp, lu lèn sẽ không đảm bảo yêu cầu kĩ thuật

c) Đặc trưng khai thác

● Lưu lượng xe chạy

Với đoạn đường có lưu lượng xe lớn trong khoảng thời gian dài thì độ nhám mặt đường sẽ bị ảnh hưởng xấu do tác động bào mòn của lốp xe Ngoài ra, lưu lượng xe lớn cũng ảnh hưởng tới khả năng bong bật cốt liệu, nứt, lún, làn sóng…ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường

● Thành phần dòng xe

Dòng xe có thành phần càng nhiều xe nặng, áp lực lên mặt đường cũng như tác động bào mòn mặt đường càng lớn dẫn tới độ nhám mặt đường giảm

● Tính chất của đoạn đường (lực ngang nhỏ hay lớn)

Xét riêng đến xe chạy trên đường thì hiện tượng trơn trượt là do lực ngang, do

đó trên các đoạn đường có lực ngang lớn, khả năng xảy ra tai nạn do trơn trượt tăng lên Các hiện tượng trơn trượt của lốp xe này cũng sẽ làm hiện tượng bào mòn mặt đường tăng lên đáng kể dẫn tới độ nhám mặt đường giảm

● Tốc độ xe chạy

Xe chạy với tốc độ càng lớn, sự tiếp xúc của lốp xe với mặt đường càng nhỏ dẫn tới dễ gây trơn trượt, đặc biệt là khi trên mặt đường có một lớp nước tạo thành “nêm nước “ ngăn cách lốp xe và mặt đường

● Các yếu tố khí hậu, thời tiết

Khí hậu là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến sức chống trượt của mặt đường, khi khí hậu ẩm ướt dễ xảy ra hiện tượng trơn trượt, khi nhiệt độ cao dễ gây chảy 1.4 Tổng quan vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA

Giải pháp lớp phủ bê tông nhựa có độ nhám cao nhằm nâng cao sức kháng trượt giữa bánh xe và mặt đường khi xe chạy với tốc độ cao, cũng như khả năng giảm màng nước bề mặt trong điều kiện mặt đường ẩm ướt đã được nghiên cứu sử dụng có hiệu quả của các nước trên thế giới, việc sử dụng loại vật liệu này tùy thuộc vào điều kiện thời tiết, loại phương tiện đi lại và tác động của các nhân tố môi trường đến đường giao thông

Có thể phân biệt các loại bê tông nhựa tạo nhám các nước trên thế giới và Việt Nam đã sử dụng

1.4.1 Khái niệm về bê tông nhựa tạo nhám OGFCA

Bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở được thế giới gọi tên với những thuật ngữ

khác nhau như: Porous Asphalt (PA), Porous Friction Course (PFC), Open Graded

Asphalt Concrete (OGAC), Open Graded Friction Course (OGFC), Porous European Mix (PEM) [36],[37],[41],[47],[50]

Bê tông nhựa cấp phối hở (Open Graded) thường có độ rỗng dư cao, được chế tạo

từ cốt liệu có chất lượng tốt và nhựa đường cải thiện để sản xuất vật liệu bê tông nhựa

có độ nhám cao, tăng sức kháng trượt, giảm ồn [45]

Về cấu tạo, lớp mặt bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở rải trên lớp bê tông nhựa chặt được áp dụng khá phổ biến trên thế giới; do độ rỗng của lớp bê tông nhựa cấp phối

hở lớn nên nước mưa sẽ nhanh chóng thấm qua lớp bê tông nhựa cấp phối hở xuống lớp

bê tông nhựa chặt bên dưới và chảy ra hệ thống thoát nước hai bên mà không bị đọng thành màng nước

1.4.2 Đặc điểm vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA

a/ Giảm sự bắn nước và bụi nước, trượt trên mặt đường ẩm ướt

Nước trên bề mặt có thể dễ dàng chảy xuyên qua lớp bê tông nhựa lớp tạo nhám

do cấu trúc rỗng bên trong vật liệu tạo các kênh thoát nước Khi xe chạy trên mặt đường

sử dụng vật liệu bê tông nhựa rỗng, khả năng quan sát tầm nhìn, tâm lý an tâm cho người lái xe khi trời mưa tốt hơn

b/ Giảm sự phản chiếu ánh sáng và độ chói đèn pha

Bê tông nhựa tạo nhám đóng vai trò như một lớp thoát nước, cho phép nước thấm qua vật liệu, do vậy ánh sáng phản chiếu và độ chói đèn về đêm (là những yếu tố nguy hiểm cho người lái xe) sẽ giảm đáng kể so với mặt đường bê tông nhựa chặt khi trời mưa, ngoài ra dấu hiệu sơn phân làn trên đường cũng được hiển thị rõ ràng hơn

c/ Giảm tiếng ồn khi xe chạy

Bề mặt của bê tông nhựa tạo nhám tương ứng sẽ có độ nhám vĩ mô lớn, chính độ nhám này đã góp phần hâp thụ tiếng ồn tiếp xúc giữa bánh xe vả mặt đường Kết quả nghiên cứu cho thấy tiếng ồn trên mặt đường rỗng nhỏ hơn tiếng ồn trên mặt đường bê tông nhựa chặt từ 5-6 dB(A) [45]

Kinh nghiệm nghiên cứu của các nước cho thấy hiệu quả giảm tiếng ồn của bê tông nhựa rỗng chỉ đáng kể khi xe chạy với tốc độ lớn hơn 80 km/h Khi xe chạy với tốc độ thấp thì độ ồn trên hai loại mặt đường bê tông nhựa rỗng và thông thường là xấp

xỉ nhau [40]

d/ Tăng sức kháng trượt mặt đường

Tăng sức chống trượt trên bề mặt khi thời tiết ẩm ướt là ưu điểm của vật liệu bê tông nhựa cấp phối hở tạo nhám Kết quả nghiên cứu cũng chỉ rõ trong điều kiện mặt đường ẩm ướt thì vật liệu bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở sẽ phát huy sức kháng trượt bề mặt của nó [36],[37]

Sức kháng trượt phụ thuộc vào cả độ nhám vi mô và độ nhám vĩ mô của mặt đường Kết quả nghiên cứu ở Nhật Bản cho thấy ban đầu khi đưa đường vào khai thác thì sức kháng trượt bề mặt của loại bê tông nhựa lớp tạo nhám và bê tông nhựa thông thường xấp xĩ nhau, tuy nhiên càng về sau sức kháng trượt bề mặt của bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở càng tăng, còn sức kháng trượt bề mặt của bê tông nhựa thông thường không thay đổi nhiều [38]

e/ Hạn chế vệt hằn lún bánh xe

Kết quả nghiên cứu tại Nhật Bản cho thấy mặt đường bê tông nhựa có độ rỗng cao đặc trưng biến dạng vĩnh cửu thấp hơn so với mặt đường bê tông nhựa chặt thông thường Bộ khung cốt liệu của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng có cấu trúc chặt chẽ đã giúp cho vật liệu có thể chịu được tải trọng giao thông [52]

Tại Anh, kết quả thử nghiệm cho thấy giá trị biến dạng do vệt hằn bánh xe của vật liệu bê tông nhựa rỗng ít hơn 2mm/năm và 0,5mm/năm trung bình sau tám năm khai thác Đây là chỉ số chấp nhận được ở Anh

Mặc dù sự biến dạng của mặt đường phụ thuộc vào một số điều kiện như cường

độ giao thông, khí hậu và tải trọng, nhưng bê tông nhựa rỗng có thể có khả năng hạn chế vệt hằn bánh xe ít hơn so với bê tông nhựa thông thường

1.4.3 Phân tích và đánh giá tình hình sử dụng vật liệu BTN lớp tạo nhám OGFCA

ở nước ngoài

Vật liệu bê tông nhựa nhám cấp phối hở đã được sử dụng ở nước ngoài từ những năm 1930 [33],[36],[38], sử dụng phổ biến nhất vào cuối những năm 1980, thời gian sau đó mới triển khai phổ biến ứng dụng do hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế và thi công

Tuy nhiên tất cả những tiện ích kỹ thuật của vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám cấp phối hở cũng giảm dần theo thời gian và đòi hỏi công tác duy tu bảo dưỡng lớp nhám là công việc hết sức khó khăn cần có giải pháp nâng cao chất lượng khai thác

Lớp vật liệu mặt đường bê tông nhựa nhám cấp phối hở kiến nghị dùng trên các tuyến đường có tốc độ cao hoặc đường cao tốc, nó không phù hợp cho những tuyến có lưu lượng xe ít và tốc độ chạy xe thấp Thực tế khi xe chạy với tốc độ cao tạo điều kiện duy trì sử dụng lớp vật liệu này; vì khi dòng xe di chuyển nhanh nó tự làm sạch được bụi bẩn và các vật liệu khác làm bịt kín bề mặt ảnh hưởng đến thoát nước và khả năng làm giảm tiếng ồn

Theo kinh nghiệm các nước tuổi thọ sử dụng vật liệu OGFCA với chiều dày 4÷5cm có thể từ 8÷12 năm [46],[48],[51]

1.4.3.1 Mỹ

● Vật liệu OGFCA của NCAT (National Center For Asphalt Technology-Mỹ)

Các tiểu bang của Mỹ có kinh nghiệm sử dụng vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA cuối những năm 1970

Kinh nghiệm sử dụng vật liệu bê tông nhựa cấp phối hở của Mỹ có thể tổng hợp như sau:

+ Yêu cầu chung về đặc trưng cốt liệu và vật liệu OGFCA của NCAT như sau:

 Yêu cầu độ bền và sức chịu mài mòn cốt liệu PSV (Polish Stone value);

 Cỡ hạt dmax= 9,5÷19mm trong đó cỡ hạt d=12,5 mm phổ biến sử dụng;

 Sử dụng nhiều loại nhựa khác nhau, thông thường dùng nhựa polime; hàm lượng nhựa thay đổi từ 5÷7%, và sử dụng phụ gia sợi cho hỗn hợp để chống chảy nhựa;

 Độ rỗng còn dư của hỗn hợp 15÷25%

Bảng 1.1: Cấp phối tiêu chuẩn OGFCA ở bang Washington-Mỹ [34],[38],[41]

Kích cỡ mắt sàng vuông (inch)

Kích cỡ mắt sàng vuông (mm)

Loại D Loại D cải

PG 64/22

+ Xây dựng lớp OGFCA có những đặc điểm sau:

 Chiều dày thường mỏng hơn lớp bê tông nhựa chặt từ 2÷5 cm

 Do chiều dày mỏng, việc lu lèn cần có hướng dẫn cụ thể (Lu liên tục trên mặt, dùng lu bánh thép tĩnh)

+ Hiện tượng hư hỏng xảy ra do cơ chế nứt và vệt bánh xe là điển hình nhất Vệt lún sâu trung bình 1,25cm sau 10-12 năm cho những tuyến đường có lượng giao thông cao trên 10.000 ADT/mỗi làn xe

+ Bảo dưỡng độ nhám lớp OGFCA: bằng cách dùng bơm cao áp làm sạch bề mặt chống tắc nghẽn;

+ Tuổi thọ khai thác thông thường từ 8÷12 năm với chiều dày OGFCA h=5 cm

● Bang Arizona

Thử nghiệm của Arizona sử dụng vật liệu bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở từ năm 1954, đến năm 1960 thành phố Phoenix bắt đầu trộn các hạt cao su do mài mòn lốp xe trên mặt đường với nhựa để chế tạo vật liệu OGFCA, kết quả thử nghiệm khá tốt, kể từ đó vật liệu OGFCA đã được sử dụng rộng rãi trên khắp tiểu bang

Năm 2003, ADOT (Arizona Department of Transportation) tiến hành thí điểm

dự án mặt đường vật liệu OGFCA với mục tiêu làm giảm tiếng ồn trên mặt đường, gọi

là “mặt đường giảm ồn” Thực nghiệm chỉ ra rằng mức độ giảm ồn cho hai loại vật liệu OGFCA bị thay đổi khi bề mặt bị lún

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn cấp phối cốt liệu OGFCA của bang Arizona-Mỹ [41],[47]

Kích cỡ mắt sàng vuông (inch)

Kích cỡ mắt sàng vuông (mm)

% Asphalt Loại nhựa

● Bang Oregon

Cuối năm 1970 tiểu bang Oregon-Mỹ (ODOT-Oregon Department of Transportation) đã thực hiện các thử nghiệm trong hỗn hợp asphalt chặt trên các đoạn có tải trọng nặng và tốc độ cao lớn hơn 80km/h, thử nghiệm cho thấy vật liệu này thường xuất hiện sớm lún, hư hỏng do bóc tách cốt liệu với nhựa do độ ẩm Nhằm hạn chế những vấn đề vừa nêu, ODOT đã thử nghiệm vật liệu OGFCA với nhựa đường polime

Bảng 1.3: Thành phần cấp phối tiêu chuẩn hỗn hợp OGFCA của ODOT [41]

Kích cỡ mắt sàng vuông (inch)

Kích cỡ mắt sàng vuông (mm)

1/2 inch (OGFCA)

3/4 inch OGFCA 3/4 inch ATPB

76/22

Loại nhựa

-Độ rỗng cốt liệu, %

% Asphalt Draindown, %

Độ rỗng dư, %

Vật liệu OGFCA đạt yêu cầu chất lượng tốt và dường như không bị ảnh hưởng

từ các vấn đề như hỗn hợp bê tông nhựa chặt thường gặp vừa nêu; do đó ODOT đã kiến nghị sử dụng OGFCA như một lớp phủ mỏng và không kiểm toán lớp vật liệu này cho kết cấu áo đường

● Bang California

Năm 1944 sở giao thông bang California (Caltrans-California Department of Transportation) sử dụng vật liệu OGFCA như một lớp thoát nước bề mặt và đóng vai trò như lớp áo đường thay thế thời đó (lớp láng nhựa, lớp đá nhựa) Hiện tại bang Cali

sử dụng làm lớp mặt trên lớp bê tông nhựa chặt khi thử nghiệm khu vực có lượng giao thông cao và lượng mưa lớn

Caltrans sử dụng hỗn hợp với cỡ hạt dmax=9,5; 12,5; 25mm, độ rỗng dư thiết kế min 18%

Chiều dày lớp vật liệu OGFCA phổ biến nhất là 3,0 ÷ 4,5cm Với vật liệu OGFCA có cỡ dmax=25mm, cho phép nâng độ dày 5,0 ÷ 8,0 cm, và từ năm 2006 Caltrans đã đưa ra qui định cho phép phủ trực tiếp lớp OGFCA trên lớp bê tông nhựa chặt

Bảng 1.4: Qui định cấp phối sử dụng cho OGFCA của bang California-Mỹ [33],[35]

Kích cỡ mắt sàng vuông (inch)

Kích cỡ mắt sàng vuông (mm)

3/8 inch (OGFCA)

1/2 inch OGFCA

1 inch OGFCA

Loại 2-Vật liệu OGFCA theo tiêu chuẩn của châu Âu có chiều dày 3,0cm với độ dỗng dư hỗn hợp 20-24% Tiêu chuẩn sử dụng vật liệu OGFCA của GDOT cho phép xây dựng làm lớp mặt trên các tuyến liên bang và xa lộ có lưu lượng xe trên hai hướng trung bình 25.000 xe con/ngày đêm [33]

Bảng 1.5: Thành phần cấp phối tiêu chuẩn cho OGFCA bang Georgia -Mỹ [33]

Kích cỡ mắt sàng vuông (inch)

Kích cỡ mắt sàng vuông (mm)

3/8 inch (OGFCA)

1/2 inch OGFCA 1 inch PEM

- PG 76/22 PG 76/22 Loại nhựa

% Asphalt Draindown, %

Độ rỗng dư, %

Tiêu chuẩn GDOT cho OGFCA yêu cầu vật liệu như: sợi tổng hợp để giảm hiện tượng chảy nhựa, nhựa polime cải tiến để tăng cường độ, độ bền, chống lão hóa và hao hụt nhựa, sử dụng cốt liệu thô trong thành phần để cải thiện tính thấm, sử dụng bột khoáng đá vôi để làm giảm hiện tượng bóc tách đá nhựa Với đặc trưng trên vật liệu OGFCA dmax=12,5mm của GDOT cho phép thời gian khai thác đến 10-12 năm

Hình 1.11: Thi công lớp OGFCA tại bang California - Mỹ

Nhận xét: Vật liệu OGFCA đã được sử dụng từ năm 1930 và có nhiều ưu điểm khi làm lớp tạo nhám trên các tuyến cao tốc của Mỹ; tuy nhiên tồn tại hạn chế chưa giải quyết được với lớp vật liệu này đó là khả năng duy trì độ rỗng dư và hiện tượng làm giảm thoát nước bề mặt qua thời gian sử dụng[41],[42] Ngoài ra qui định yêu cầu kỹ thuật để thiết kế thành phần vật liệu OGFCA ở các bang của Mỹ vẫn chưa thống nhất chung các chỉ tiêu kỹ thuật, chiều dày lớp vật liệu [39]; mà nó tùy thuộc vào điều kiện

cụ thể như khí hậu, tải trọng và khả năng sử dụng thành phần vật liệu tại các bang của

Hàm lượng nhựa (%)

Độ rỗng

dư, (%)

Độ chặt

Độ chảy nhựa (%)

Độ mài mòn Cantabro(%)

Hệ số

độ bền chịu kéo, (ITSR)

Thấm nước

Những chú ý khi thiết kế thành phần vật liệu bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở bao gồm: độ rỗng dư của vật liệu, độ mài mòn và độ chảy nhựa Những chất phụ gia sợi tạo ổn định cho hỗn hợp được sử dụng kèm theo cho hỗn hợp nên lấy tỉ lệ từ 0,2%-0,5% của tổng khối lượng hỗn hợp

Theo tổng hợp báo cáo của Huber-NCAT năm 2000 [50], các nước ở Châu Âu khi thiết kế thành phần vật liệu OGFCA vẫn chưa có tiêu chuẩn thống nhất và rất đa

dạng, sử dụng đồng thời nhiều tiêu chuẩn khác nhau để lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp

Ở các nước Châu Âu khi thiết kế thành phần vật liệu OGFCA thường căn cứ các giá trị sau [53]:

+Hàm lượng nhựa tối thiểu để chống lại mất mát màng nhựa;

+Hàm lượng nhựa tối đa để tránh chảy nhựa và duy trì khả năng thấm nước của hỗn hợp

+ Sử dụng giá trị độ mài mòn Cantabro và hàm lượng nhựa tối thiểu qui định; + Lựa chọn loại nhựa, hàm lượng nhựa sử dụng;

Các nước châu Âu thường sử dụng nhựa đường polime cho vật liệu OGFCA, mục đích để cải thiện sự mất mát nhựa do hỗn hợp cốt liệu rỗng Chiều dày lớp OGFCA thông thường thiết kế dày 4,0 cm

Vật liệu bê tông nhựa cấp phối hở đã được sử dụng rộng rãi ở châu Âu chủ yếu

là lớp bê tông nhựa rỗng (Porous Asphalt – PA) và đã được sử dụng cho mục đích giảm tiếng ồn Từ các thử nghiệm vật liệu OGFCA trên các tuyến cao tốc, các nước khối châu Âu đề nghị sử dụng như sau:

 Hai lớp bê tông nhựa rỗng (PA-Porous Asphalt) dùng làm lớp mặt đường “giảm ồn” trên các tuyến đường có tốc độ cao và khuyến nghị nên sử dụng

 Hỗn hợp bê tông nhựa rỗng không nên đặt làm lớp mặt ở khu vực thành thị, nơi tốc độ xe dưới 45 km/h, khu vực mà lớp mặt rỗng có xu hướng dễ bị tắc nghẽn

 Kích cỡ hạt thô thành phần vật liệu OGFCA được sử dụng ở châu Âu từ 4-10

mm, trong khi ở Mỹ sử dụng cỡ 9,5÷19 mm

● Đặc trưng bê tông nhựa rỗng (PA) hai lớp:

Hà Lan, Đan Mạch và Pháp đang sử dụng hoặc thử nghiệm với hai lớp mặt đường bê tông nhựa rỗng bao gồm một lớp mặt rỗng nằm dưới lớp OGFCA có bề mặt chặt hơn Lớp dưới có cỡ hạt d=11-14 mm với chiều dày 4,0-5,0 cm, lớp trên có cỡ hạt d= 6-8 mm với chiều dày 2,5-3,0 cm

Việc sử dụng lớp bê tông nhựa rỗng bên trên có tác dụng như bộ lọc nhằm làm giảm thêm đáng kể sự tắc nghẽn có thể của lớp bên dưới Lớp bên dưới phải luôn luôn

hở để nước có thể di chuyển một cách nhanh chóng ra khỏi đường bằng cách chảy qua các lớp theo chiều ngang Loại bề mặt này thường giới hạn sử dụng cho các tuyến

đường có tốc độ cao kết hợp lượng mưa lớn và hoạt động lốp xe có thể ngăn dòng chảy

tự do Tuổi thọ trung bình dự đoán trong khoảng 7-9 năm và không bị rạn nứt

Vật liệu OGFCA được sử dụng làm lớp tạo nhám trên đường cao tốc, đường băng và các tuyến đường qua hầm [44],[45] Trung tâm nghiên cứu đường ô tô của Bỉ (Belgian Road Research Center - BRCC) đã nghiên cứu thiết kế thành phần vật liệu, thi công và đánh giá khả năng làm việc của vật liệu OGFCA

Giá trị độ rỗng dư thiết kế cho vật liệu OGFCA từ 19 đến 25% [37], chất kết dính là polime hàm lượng nhựa từ 4,5% đến 6,5%, và chiều dày lớp OGFCA từ 3,0÷4,0

cm Mục đích sử dụng vật liệu này nhằm giảm ồn hoặc với mục đích thoát nước

Bảng 1.7: Thành phần vật liệu hai lớp OGFCA của Châu Âu [37],[45]

● Bỉ:

Lớp vật liệu OGFCA được sử dụng trên mặt đường ô tô, đường băng và trên các đường hầm Trung tâm nghiên cứu đường ô tô của Bỉ (Belgian Road Research Center -BRCC) đã nghiên cứu thiết kế thành phần vật liệu, thi công và đánh giá khả năng làm việc của vật liệu OGFCA

Giá trị thiết kế độ rỗng dư cho vật liệu OGFCA từ 19 đến 25% [37], chất kết dính polime, hàm lượng nhựa từ 4,5% đến 6,5%, chiều dày lớp OGFCA từ 3,0÷4,0 cm Hầu hết ứng dụng vật liệu này nhằm giảm ồn hoặc với mục đích thoát nước [44],[45],[47]

Hình 1.13: Hình ảnh kết cấu áo đường hai lớp BTN rỗng ở Hà Lan

● Tây Ban Nha

Ứng dụng vật liệu OGFCA ở Tây Ban Nha vào năm 1980 nhằm cải thiện an toàn giao thông trong các vùng có mưa thường xuyên Có hai loại vật liệu OGFCA cùng cỡ hạt dmax=12,5 mm thường được sử dụng ở Tây Ban Nha với chiều dày từ 4÷5 cm [45]

Yêu cầu kỹ thuật cốt liệu và hỗn hợp bao gồm:

+ Chỉ số độ kháng mài bóng PSV, mài mòn Los Angeles ≤ 20%;

+ Đầm nén Marshall 50 chày/mặt;

+ Độ rỗng dư ≥ 20%

Nhựa sử dụng: Bitum thông thường 60/70 + SBS hoặc 60/70 + EVA (etylene vinyl acetate), Bitum polime:80/100 + SBS hoặc 80/100 + EVA, phụ gia sợi tổng hợp, bột cao su

Lớp dưới dmax=16mm, chiều dày h=4,5 cm, Va=25%

Bê tông nhựa rỗng hai lớp ở Hà Lan

Bảng 1.8: Thành phần cấp phối vật liệu OGFCA theo tiêu chuẩn

của Tây Ban Nha [45]

Kích cỡ sàng (mm) Thành phần hạt lọt sàng (%) theo khối lượng

● Anh

Vật liệu OGFCA ban đầu đã được biết đến như là vật liệu “lớp ma sát” Phòng thí nghiệm nghiên cứu đường và giao thông của Anh (Transportation and Road Research Laboratory -TRRL) bước đầu sử dụng vật liệu OGFCA với mục tiêu chủ yếu thoát nước bề mặt, giảm màng nước trên mặt đường; nhưng thuộc tính này bị giảm theo thời gian, điều này đã được khắc phục bằng cách thêm cốt liệu thô vào trong thành phần cấp phối Kết quả từ những thử nghiệm và các báo cáo về việc sử dụng vật liệu OGFCA trên mặt đường có tốc độ cao là khá tốt, đặc biệt khả năng thoát nước trên bề mặt

Bảng 1.9: Thành phần cấp phối cốt liệu OGFCA theo tiêu chuẩn của Anh [50]

Thành phần hạt lọt sàng (%) theo

khối lượng Kích cỡ hạt