Độ bền khai thác và tuổi thọ kết cấu mặt đường bê tông nhựa

CHUONG , HON HOP BE TONG NHUA VOI DO BEN KHAI THAC VA TUOI THO CUA MAT DUONG BE TONG NHUA 1.1 CAC LOAI HINH HU HONG CUA MAT DUONG BE TONG NHUA Có số định nghĩa hư hỏng loại hình hư hỏng mặt đường bê tông nhựa: : - Hư hỏng mặt đường tình trạng kết cấu mặt đường di làm giảm lực phục vụ dân đên giảm lực phục vụ mặt đường - Biểu hư hỏng tượng quan sát được, thể chê hình thành hư hỏng khác nhau, dân đên giảm lực phục vụ mặt đường - Hư hỏng kết cấu tượng nứt, vỡ hay biến dạng làm giảm có thê không dân đên giảm lực phục vụ lập tức, dân đên việc giảm lực phục vụ mặt đường tương lai _ - Nút vỡ trạng thái mặt đường bị nứt thành mảng lớn hay miếng nhỏ, có khả bong khỏi bề mặt đường - Biến dạng thay đổi hình dạng mặt đường hay phần mặt đường mà hồi phục - Phân rã mặt đường tượng vật liệu thành phân mặt đường bị tách rời bị bong khỏi mặt đường - Nứt phản ảnh xảy lớp mặt kết cầu mặt đường, có liên quan đến bị gây di chuyển tương đối vệt nứt khe nơi từ lớp phía - Nứt nhiệt độ thấp thường nứt ngang, tạo thành ứng suất kéo tạo trương nở hỗn hợp lớn cường độ chịu kéo vật liệu - Bong bật tượng phân rã theo trình vật liệu bề mặt Ngun nhân hàm lượng nhựa không đủ, nhựa đường bị hoá già, cốt liệu ẩm và/ bản, cốt liệu có bề mặt nhẫn (khơng có mặt vỡ), lu lèn không đủ độ chặt - Lún vệt bánh tạo thành có nguyên nhân từ đầm nén không đủ từ chất lượng hỗn hợp thường chất lượng cốt liệu thành phân cấp phối côt liệu Khi lún vệt bánh kết hợp với tượng trượt trôi, hàm lượng nhựa loại nhựa đường sử dụng nguyên nhân, kết hợp với điều kiện tải trọng tác dụng -.Mài mịn mặt đường cốt liệu có cường độ chịu va đập mài mòn kém, kết hợp với tải trọng bánh xe tác dụng trực tiếp lên bề mặt đường - Nut moi nguyén nhan phôi hợp biến dạng lặp lại suy, giảm cường độ vật liệu Biến dạng lặp lại hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường chủ yếu tải trọng Các loại hình hư hỏng chủ yếu mặt đường bê tông nhựa bao gồm: Nut mặt đường nứt ngang, nứt doc, nứt lưới, nứt hình nhiều nguyên nhân khác nhau, tải trọng xe chạy, độ) hỗn hợp, thay đổi độ âm nhiệt độ DỤ ` tows Hình 1.1, Nút moi - tie nh nên Có nhiều dạng nứt parabol bắt ngn từ nhiệt độ (thay đổi nhiệt lớp phía Nutt moi (hind |TL Ghia * 1” Hinh 1.2 Nut nhiệt 0nhiệt độ thấp Nut xảy mặt đường bê tông nhựa tái trọng tác dụng gây ứng suất kéo vượt cường độ chịu kéo vật liệu Một dâu hiệu sớm tượng nứt mỏi xuất vết nứt đài không liên tục theo vệt bánh xe Các vết nứt sau phát triển dần lên số điểm vết nứt cầu trúc hỗn hợp-sẽ nối lại với nhau, hình thành vùng nứt lớn Các vết nứt phát triển trở thành nứt kiểu da cá sấu với đặc tính gồm nhiều vết nứt ngang nối tiếp VỚI CÁC vết nứt dọc Mặt đường tiếp tục bị hư hỏng nặng xuất ổ gà xe cộ qua làm bong bật lớp mặt bê tông nhựa làm cho nước mặt có khả thâm xng làm giảm cường độ lớp phía Hiện tượng nứt mỏi xảy thông thường phối hợp nguyên nhân sau: - Tai nang trung phuc nhiều mặt đường; _ - Mặt đường có bé dầy nhỏ lớp phía yếu làm xuất độ võng lớn mặt đường tải trọng tác dụng Độ võng mặt đường lớn làm tăng ứng suât kéo phía đáy lớp bê tơng nhựa, dân tới hình thành vêt nứt - Chất lượng xây dựng thiết kế thiếu Ngoài ra, khả thoát nước mặt đường làm giảm cường độ lớn nên, móng băng vật liệu khơng gia cố góp phần làm tăng khả xuất vết nứt chat lượng lớp dính bám làm tăng giá trị ứng suất kéo đáy lớp _ vật liệu bê tông nhựa Trong trường hợp thông thường (khi mặt đường thiết kế thi công đúng), tượng nứt mỏi dâu hiệu báo mặt đường chịu tới SỐ lượng tải trọng trục thiết kế tính tốn Mặt đường cần phải nâng cấp cải tạo cho phù hợp Nếu tượng nứt mỏi xảy cuối thời kỳ thiết kế tượng phát triển cách tự nhiên theo dự đoán thiết kế Nếu quan sat thay vết nứt xuất sớm so với thời kỳ thiết kế dấu hiệu tải trọng giao thông đánh giá không mức thiết kê Các cách tốt để kiểm soát tượng nứt mỏi là: - Tính tốn hợp ly số lượng tải trọng nặng thời kỳ thiết kế, - Đảm bảo nước mặt đường tốt để đường khơng bị âm ướt, - Sử dụng lớp kết câu mặt đường đủ chiều dày, | - Sử dụng vật liệu hợp lý cho lớp mặt đảm bảo không thấm nước Ngồi ra, lớp vật liệu mặt đường cân có khả ôn định nước - Sử dụng hỗn hợp bê tơng nhựa có thành phần thiết kế hợp lý, đảm bảo cường độ chịu tải trọng bánh xe Hay nói cách khác, hỗn hợp bê tơng nhựa mặt đường cần thiết kế để đảm bảo có đủ cường độ kéo, chống lại ứng suất kéo lớn gây đáy lớp bê tông nhựa tải trọng bánh xe có đủ tính đàn hồi để chồng lại tác động tải trọng trùng phục mà khơng gây vết nứt Có nghĩa là, hỗn hợp bê tông nhựa thiết kế cho có khả giống vật liệu đàn hồi trạng thái chịu kéo khắc phục tượng nứt mỏi Khả chịu kéo hỗn hợp bê tống nhựa phụ thuộc nhiều vào nhựa đường, loại nhựa đường có độ cứng nhỏ có đặc tính chịu mỏi tốt nhựa đường có độ cứng lớn - Sử dụng vật liệu làm lớp dính bám tốt thi công đủ chất lượng để đảm bảo dính bám hồn tồn lớp bê tơng nhựa mặt đường lớp Hiện tượng nứt mỏi cần sửa chữa triệt để, thông thường băng cách đào bỏ thay vật liệu rải tăng cường tồn mặt đường Nếu khơng sửa chữa kịp thời, vết nứt mỏi ban đầu nhanh chóng phát triển thành nứt lưới bong bat tao ỗ gà Ngoài ra, nước thắm xuống qua khe nứt làm đất âm ướt, giảm cường độ hình thành hồ lún tác dụng tải trọng bánh xe _ Nứt nhiệt (nứt nhiệt độ thấp)- hinh 1.2 Nut ứng suất nhiệt xuất mặt đường bê tông nhựa thường vết 'nứt ngang cách Vết nứt xuất thường nhiệt độ bề mặt đường xuông thấp đủ để tạo ứng suất kéo nhiệt lớn cường độ chịu kéo uôn vật liệu bê tong nhua (co xét đến mỏi) : Cac vét mit nhiệt độ thấp tạo thành lớp mặt đường bị co ngót lại thời tiết lạnh giá Khi tượng co ngót mặt đường xuất đồng thời sinh ứng suất kéo lớp bê tông nhựa Tại vài điểm đọc theo mặt đường, ứng suất kéo vượt cường độ kháng kéo lớp bê tông nhựa dẫn tới tượng nứt Hiện tượng nứt nhiệt độ thấp xuất chủ yêu từ chu kỳ đơn nhiệt độ thấp, phát triển chu kỳ nhiệt độ thấp lặp lại Vá trám lại vết nứt dạng hình thức sửa chữa hiệu để giảm tốc độ xuống cấp mặt đường Nut dọc (xem hình 1.3) Nứt dọc thường có nguyên nhân từ việc cạp nên - mặt đường, làm cho biến ˆ dạng không phần đường đường cũ Nứt dọc theo vết lún bánh xe ứng suất kéo tải trọng xe gây vượt cường độ chịu kéo vật liệu (có tính đến lão hố mỏi) Việc vá trám vết nứt dọc băng vật liệu thích hợp giải pháp hiệu để tránh việc tăng nhanh tốc độ xng cấp theo hình thức: nứt thứ cấp từ vết nứt cũ, hình thành nứt lưới lớn biến dạng lún lõm mặt đường lớn, nước theo khe nứt ngắm xuống làm giảm cường độ lớp móng đường nên đường Mn ; «la me Hinh Nứt dọc nứt lưới lớn t mặtst đường bêb tong nhựa Nút lưới lớn (Block Cracking)- hinh 1.3 Là loại hình hư hỏng phát triển từ vết nứt ngang vả nứt dọc, nguyên nhân thường nứt nhiệt kết hợp với tượng lão hoá, đặc biệt lão hố q trình thi cơng khơng kiểm sốt Loại hình vết nứt thường xuất khu vực rải bê tông nhựa bề mặt lớn, sân, bãi đỗ Nếu vị trí có xuất nứt block tượng hư hỏng nghiêm trọng, tượng hư hỏng có liên quan đến chiều dày vật liệu rải móng so với u câu và/ dính bám khơng, tốt Q trình xuống cấp diễn nhanh chóng xuất nứt thứ câp bong bật mảng vật liệu bề mặt Sửa chữa cho tượng: hư hỏng phức tạp phải bóc bỏ tồn phân vật liệu mặt đường có hư hỏng trước tải tăng cường Nit phan ánh (hình l4) 1e Ba ake Wea i eee - whe Keo ÁN ‘ace ; ete °% “si ties iY: LABS IN CY Del Pp ESOT AO: % Hinh 1.4 Nut phan anh tu mặt đường cũ - Hình 1.5 Nứt trượt hình parabol Nứt phản ánh nguyên nhân sau: _ -Nứt từ khe nối mặt đường bê tơng xI măng phía Truyên từ vết nứt nhiệt mặt đường bê tông nhựa cũ Truyền từ nứt block mặt đường phía Truyền từ nứt dọc mặt đường phía Truyền từ nứt mỏi mặt đường phía Co ché gây nứt di chuyển tương đối lớn khác hai mép vết nứt, thê hinh 1.6 /1/ Chiéu vat nut phat tién em S5 ng A ị | Tai giao thong |Ỷ ¡ -+©—-+ Ạ —> Sv Chiêu vét nựt phạt triên Bien dang tai giao thong a Hình 1.6 Cơ chế hình thành nứt phản ánh Nứt trượt (nút hình parabol) - hình Nứt trượt thường dính bám lớp mặt lớp bê tông nhựa chất lượng (cấp phối kém, nhựa đường không phù lượng nhựa lớn ), kết hợp với ảnh hưởng lực ngang xe quay đâu Sửa chữa cho loại hình thiết phải bóc bỏ tồn hợp hư hỏng hỗn hợp hợp, hàm hãm, rẽ, phần hỗn Hu héng biến dạng Lún vệt bánh xe - hình 1.7 Hình 1.7 Lún vệt bánh Oude | lộ Hình 1.8 Lún cục bộ, trồi nhựa Quốc lộ I Vệt lún bánh xe thường xuất dọc theo vệt bánh xe chạy có xu hướng phát triển phía lề đường, hình thành ngun nhân: - Sự giảm thể tích bê tơng nhựa - Ứng suất cắt lặp lặp lại tác dụng Trong giai đoạn đầu tác dụng tải trọng, đứng phát triển nhanh nhiều so với biến Trong giải tác dụng đâm nén bánh xe;: bánh xe, nhân tổ biến dạng lún theo phương thăng dạng trồi lên mép vệt bánh xe đoạn tác dụng đầm nén tải trọng bánh xe có ảnh hưởng quan trọng đến hình thành vệt hẳn lún bánh xe Sau đó, mức độ giảm thê tích mặt đường bê tơng nhựa tác dụng đầm nén bánh xe kết thúc Sự phát triển chiều sâu vệt lún bánh xe lúc nảy dịch chuyên vật liệu bê tơng nhựa thể tích khơng thay đơi, có nghĩa phần thể tích lún vệt bánh xe tăng thêm phần thể tích trồi vị trí bên cạnh mép vệt bánh xe (gọi tượng lún - trồi) Biến dạng hình thành giai đoạn coi đại diện cho biến dạng vĩnh cửu mặt đường bê tông nhựa q trình sử dụng, thường có độ lớn gây ảnh hưởng trực tiếp dén nang luc phuc vụ mặt đường Xét vê cầu trúc, hỗn hợp bê tông nhựa mắt ổn định khung chịu lực cốt liệu bi pha vo Chiều sâu vệt lún bánh xe liên quan chặt chẽ đến số lần tác dụng tải trọng bánh xe mặt đường (xem hình 1.9) | 10 Số lần tác dụng tải Bién dang (mm) S00 1099 1750 3500 (7950 6000 1250 138{cm’ Hình 1.9 Quan hệ số lần tác dụng tải trọng với vệt hăn lún bánh xe Các nhân tố ảnh hưởng đến tượng hư hỏng lún vệt bánh xe bao gồm: - Cốt liệu: Thành phần cấp phối, độ nhám bê mặt cốt liệu, hình dạng hạt cỡ hạt - Loại nhựa sử dụng - Thành phân tính chất vật lý hỗn hợp bao gồm độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu phần trăm lỗ rỗng lấp đầy băng nhựa đường - Điều kiện tải trọng: Độ lớn áp lực tác dụng, số lần tác dụng tải trọng - Điều kiện mơi trường: Nhiệt độ, độ ẩm Có hai loại vệt lún bánh xe theo chế hình thành phát triển thê hình 1.10 Trường hợp thứ nhất, ung suất cắt trượt xuât lớp vật liệu bê tông nhựa lớn cường độ chịu cắt vật liệu Hỗn hợp khơng ổn định, bị biến dạng xô trượt Nguyên nhân tượng thơng thường liên quan đến q trình thiết kế thành phân hỗn hợp bê tông nhựa, lựa chọn loại hàm lượng nhựa đường Ngoài ra, tải trọng trùng phục ảnh hưởng thành phần lực ngang tải trọng bánh xe yêu tố quan trọng hình thành lún vệt bánh dạng Trường hợp thứ hai, biến dạng gây vệt hăn bánh xe chủ yếu xảy lớp nên lớp móng xảy lớp bê tơng nhựa Trong trường hợp này, cường độ tổng thể kết câu mặt đường kém, không đủ đáp ứng yêu câu tải trọng giao thông Vấn đề cân kiểm sốt trường hợp thiết kế kết cấu nên mặt đường, trọng đến việc lựa chọn vật liệu yêu cầu vật liệu hợp lý cho lớp kết câu mặt đường Tính tốn thực tế cho thấy, việc tăng cường độ lớp đỉnh giải pháp hiệu quả, làm tăng đáng kế cường độ chung hệ kết cấu nên- mặt đường Đây quan điểm thiết kê cân trọng để phô biến l1 TRUONG HOP Mat cat ngang ban dau TH TH ranean Ska wane xã ess f Lớp bê tông nhựa yếu Biên dạng hỗn hợp : Mặt cắt TRƯỜNG HỢP - ngang / , ban dau re ae Bee le eae " * a Na ae _ eo ã Sa OE TOTES La DE ings Saat RE Naot a ae _ “3 PEE oe rath, F mm c, Nên đât yêu lớp móng yêu _: Biến dạng đất Hình 1.10 Các trường hợp lún vệt bánh xe từ nguyên nhân khác _ Tuy theo mức độ lún nguyên nhân gay ra, tượng hư hỏng thực băng cách vá, cào bóc phần hay tồn kết cấu nên- mặt: đường Lượn sóng trơi lún (hình 1.11) Lượn sóng, trồi lún tượng hư hỏng biến dạng cắt trượt lớp kết cấu bề mặt, có ngun nhân chủ u từ độ ơn định hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường Chất lượng hỗn hợp (cốt liệu có thành phần cỡ hạt kém, không đảm bảo thỏa mãn giới hạn đường cong cỡ hạt tiêu chuẩn, hạt cốt liệu không đảm bảo yêu cầu góc cạnh thộ ráp bề mặt (cốt liệu tròn cạnh), sử dụng loại nhựa -_ đường khơng thích hợp, hàm lượng nhựa đường lớn ) nguyên nhân tượng Nguyên nhân kết hợp tải đường Vì vậy, vị trí thường xảy hư hỏng cắt, đường cong phối hợp dốc đọc Hình tượng hư hỏng cào bóc loại bỏ vật liệu hỗn hợp vật liệu tốt trọng ngang bánh xe gân trạm thu phí, bến xe, nút thức sửa chữa cho mặt đường chất lượng, Mắt mái vật liệu mặt đường: Bong bật - bong tréc - ga - (xem cdc hinh 1.12; 1.13; 1.14) 12 mặt giao thay + ae ' a Ăe — a iad Hinh 1.14 Bat đầu hình thành gà - : Hinh 1.13 Bong bat cốt liệu mặt đường Các tượng mắt mát bề mặt nguyên nhân phối hợp nguyên nhân sau: - Hàm lượng nhựakhơngđủ Dính bám cốt liệu nhựa đường Côt liệu âm không đảm bảo độ Chất lượng nhựa đường kém, nhựa đường hóa già - Đâm nén khơng đủ - Thi cơng vào điêu kiện thời tiêt bât lợi 1.2 HON HOP BE TONG NHUA - CAC THANH PHAN CO BAN’ 1.2.1 Các thành phần vật liệu tính chất bê tông nhựa Hỗn hợp bê tông nhựa đầm nén vật liệu khác xem có ba pha với pha lỏng xem thành phan chat dinh kết Các thành phần vật liệu hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm cốt liệu hạt thô (đá dăm) hạt mịn (cát) có thành phần cỡ hạt tuân theo quy luật định, nhựa đường (bitum) bột khoáng (bột chất bê tông nhựa phụ thuộc vào tỉ lệ tính phần, phụ thuộc vào phân bố chất kết dính tác cốt liệu chất dính kết Mỗi thành phần đá vơi, xi măng ) Các tính chất vật liệu thành hỗn hợp chất lượng tương hỗn hợp bê tơng nhựa đóng vai trị định có liên quan chặt chẽ đến việc tạo nên khối liên kết có đủ tính chất cần thiết vật liệu làm lớp mặt đường Các đặc tính vật liệu thành phần ảnh hưởng chúng đến độ bền khai 13 “~ thac va tudi thọ mặt đường bê tơng nhựa đường phân tích kỹ ba chương Cốt liệu bao gồm: cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt với chức tạo khung chịu lực cho hỗn hợp Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải đảm bảo thỏa mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn quy định cho loại bê tơng nhựa khác với mục đích tạo khung chịu lực bên vững mà đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc kết dính hạt cốt liệu Với bê tông nhựa chặt, thành phần cỡ hạt cốt liệu theo phương trình họ đường cong Fuller: | =100(dD} (1.1) VỚI n=0.45 - : D: phan trăm lọt sàng tích luỹ cỡ sàng d (mm), % D: cỡ sàng lớn hỗn hợp cốt liệu, mm Bituim nhựa đường thành phân đồng thời thành phân tạo nên tính chất tiêu biểu bê tơng nhựa, tính đàn hỏi - nhớt nhiệt độ thập dẻo - chảy nhiệt độ cao Các tính chất bitum thay đôi chất ˆ điều kiện chịu tải trọng thay đổi làm cho cường độ độ ổn định hỗn hợp bê tông nhựa thay đơi đáng kể Để mơ đặc tính biến dạng bitum vật liệu bê tông nhựa, người ta sử dụng nhiều mơ hình học khác phù hợp với điều kiện chịu tải trọng khác Ở nhiệt độ thấp dùng mơ hình Maxwell thể đặc điểm vật liệu đàn hồi - nhớt với lò xo đàn hỏi lý tưởng ghép nỗi tiếp với piston chất lỏng nhớt lý tưởng Đề thể thêm tính phát triển đàn hồi chậm, người ta dùng mơ hình Kelvin gồm lò xo đàn hồi lý tưởng ghép song song với piston chất lỏng nhớt lý tưởng Và để thể tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo người ta dùng mơ hình mơ hình Burgers gơm mơ hình Maxwell phép nối tiếp với mơ hình Kelvin Mơ hình tong hợp thể hình vẽ sau với biến dạng tỉ lệ ứng suất với biến dang theo công thức fal, | oO o I = —(1+—)+ =]> -" Mẫu nhựu dường Bán kính l2mn| ‘ 6mm Bin kink Smm Hình 2.28 Cầu tao kích thước mẫu DTT Thí nghiệm - Lắp mẫu tiền hành thí nghiệm Kéo dài mẫu với tốc độ 0mm/phút mẫu bị đứt | os Kết coi xác thời gian kéo mẫu phút (tính từ _ bắt đâu kéo cho đên mẫu đứt), chiêu dài đoạn đứt khoảng 27mm, nửa đoạn mẫu Độ dãn dài mẫu thí nghiệm đo xác thiết bị laser theo nguyện lý hình 2.29 Mặt phẳng ánh sáng laser Khe sáng laser nhìn thấy thiết bị thu nhận Thiết bị tạo laser Mẫu Asphalt Độ căng giới hạn Thiết bị thu nhận laser Hình 2.29 Thiết bị laser thí nghiệm DTT _ Báo cáo | - Độ kéo dãn phá hoại mẫu et tỉ số thay đổi độ đài (AL) độ dài tiêu chuẩn (Le) Trong thí nghiệm kéo trực tiếp, phá hoại (đứt gay) xác định ứng suất đạt giá trị tối đa ung | suất mà thời điểm dé mau có điện tích mặt cắt ngang 36 mm2 bị đứt gẫy - Kết tính tốn độ dãn đài trị số trung bình mẫu thử 80