đánh giá chất lợng xây dựng lớp mặt đờng bê tông nhựa qua chỉ tiêu độ ổn định marshall trên mẫu khoan TS Vũ đức chính Phòng Thí nghiệm trọng điểm đờng bộ 1 Viện Khoa học v Công nghệ Giao thông vận tải Tóm tắt: Việc xây dựng lớp mặt đờng bê tông nhựa đảm bảo chất lợng l một trong những nhân tố quan trọng, góp phần tạo nên một con đờng bền vững v tuổi thọ cao. Qua kết quả kiểm tra chất lợng xây dựng đờng ô trên các Dự án trong nớc, các số liệu về độ ổn định Marshall trên các mẫu khoan đợc tổng hợp, phân tích lm cơ sở đánh giá chất lợng công trình. Summary: The construction of good quality asphalt concrete layers is an essential requirement to assure the durability and lifetime of the road. The Marshall stability of the core samples obtained from Projects all over the country were collected, analysed; the works resulted in the finding of a criteria that will be applied for quality evaluation of projects. I. Đặt vấn đề Lớp bê tông nhựa xây dựng đảm bảo chất lợng phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Có đủ cờng độ, độ ổn định nhằm khắc phục hiện tợng vệt hằn lún bánh xe, hiện tợng biến dạng dẻo gây lún, hiện tợng nứt dới tác dụng của tải trọng xe chạy trong quá trình khai thác. CT 2 - Đảm bảo liên kết đá - nhựa đờng tốt nhằm khắc phục ảnh hởng của nớc và yếu tố thời tiết môi trờng gây nên suy giảm cờng độ của kết cấu. - Đảm bảo các đặc tính bề mặt cần thiết (độ nhám, độ bằng phẳng) tạo điều kiện cho chạy xe đợc tiện nghi, an toàn. Mặt đờng bê tông nhựa hiện nay và trong tơng lai đợc áp dụng chủ yếu trong xây dựng hệ thống đờng bộ trong nớc. Trong những năm gần đây, hiện tợng h hỏng lớp mặt bê tông nhựa ngay sau khi thi công hoặc sau một vài năm khai thác đã xuất hiện trên một số công trình xây dựng đờng. Để đánh giá nguyên nhân h hỏng cũng nh đa ra giải pháp kiểm soát, nâng cao chất lợng xây dựng lớp bê tông nhựa, nhiều yếu tố kỹ thuật liên quan đến bê tông nhựa cần đợc xem xét một cách tổng thể, trong đó chỉ tiêu độ ổn định Marshall trên mẫu khoan bê tông nhựa ở hiện trờng là vấn đề cần đợc xem xét, nhất là trong điều kiện quản lý chất lợng xây dựng hiện nay ở nớc ta. Qua kết quả thí nghiệm kiểm tra phục vụ công tác nghiệm thu trên các đoạn đờng thuộc Dự án vay vốn nớc ngoài trên dọc Quốc lộ 1 (từ Cần Thơ đến Lạng Sơn), Quốc Lộ 5 , qua kết quả thí nghiệm kiểm tra đánh giá nguyên nhân h hỏng của các đoạn Dự án, qua phân tích lý thuyết, các số liệu về độ ổn định Marshall trên mẫu khoan đợc tổng hợp, phân tích để đa ra các kiến nghị, đề xuất phù hợp để nâng cao chất lợng lớp bê tông nhựa. II. nội dung 2.1. Phơng pháp thiết kế bê tông nhựa theo Marshall và vai trò của chỉ tiêu độ ổn định Hỗn hợp bê tông nhựa đợc thiết kế (và đa ra hàm lợng nhựa đờng tốt nhất) nhằm tạo nên một mặt đờng có đủ cờng độ, ổn định trong quá trình khai thác phải thoả mãn 2 yếu tố cơ bản sau: - Yếu tố về đặc tính thể tích: bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng d, độ rỗng cốt liệu, độ rỗng lấp đầy nhựa của hỗn hợp bê tông nhựa. Các giá trị này phải nằm trong giới hạn quy định đảm bảo lớp bê tông nhựa có khả năng chống biến dạng, chống chảy nhựa dới tác động của tải trọng xe và yếu tố nhiệt độ môi trờng, hạn chế sự xâm nhập của nớc vào hỗn hợp trong quá trình khai thác. - Yếu tố về đặc tính cơ học: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất lợng cốt liệu và các chỉ tiêu liên quan đến cờng độ của hỗn hợp bê tông nhựa sau khi đầm nén nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp bê tông nhựa có đủ cờng độ sau khi xây dựng. Trên thế giới hiện nay tồn tại nhiều phơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa, có thể kể đến là: phơng pháp của Liên xô (cũ), Marshall, Hveem, Superpave. Nhìn chung, các phơng pháp này đều dựa trên yếu tố về đặc tính thể tích nêu trên khi thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa. Sự khác nhau chủ yếu là về yếu tố đặc tính cơ học, bao gồm phơng pháp thử, thiết bị thí nghiệm, tiêu chuẩn đánh giá khác nhau nhng nhằm mục đích chung là đa ra một lớp bê tông nhựa có đủ cờng độ. Tóm tắt các phơng pháp thử về cờng độ của các phơng pháp thiết kế bê tông nhựa đợc nêu ở bảng 1. Bảng 1 CT 2 Phơng pháp của Liên Xô (cũ) Phơng pháp Marshall Phơng pháp Superpave - Cờng độ chịu nén (20 o C, 50 o C), daN/cm 2 - Độ ổn định (60 0 C, 30 phút), kN - Cắt (Simple shear test) - Độ ổn định nớc (15 ngày) so với cờng độ ban đầu, % - Độ ổn định còn lại (60 0 C, 24 giờ) so với độ ổn định ban đầu, % - Cờng độ, mô đun đàn hồi (Indirect tensile creep, Indirect tensile strength) Theo Phơng pháp Marshall, hỗn hợp bê tông nhựa phải thoả mãn các yêu cầu về đặc tính thể tích và cờng độ theo quy định ở bảng 2. Bảng 2 Giao thông nhẹ Giao thông vừa Giao thông nặng Lớp mặt & Móng trên Lớp mặt & Móng trên Lớp mặt & Móng trên Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của hỗn hợp BTN theo phơng pháp Marshall Min Max Min Max Min Max Số lần đầm nén 35 x 2 50 x 2 75 x 2 Độ ổn định (Stability), kN 3,4 5,5 8,0 Độ dẻo, mm 3,2 7,2 3,2 6,4 3,2 5,6 Độ rỗng d, % 3 5 3 5 3 5 Độ rỗng lấp đầy nhựa,% 80 80 65 78 65 75 Theo Marshall (bảng 2), lu lợng xe chạy càng lớn (theo tứ tự cấp giao thông nhẹ, trung bình, nặng), hỗn hợp bê tông nhựa khi đầm chặt phải có độ ổn định (cờng độ) ký hiệu là S (Stability) càng lớn để chịu đợc tác dụng của tải trọng xe. Hiện nay ở nớc ta, phơng pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Marshall đợc áp dụng phổ biến, theo quy trình hiện hành Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đờng bê tông nhựa 22 TCN 249 - 98, áp dụng tơng tự với quy định cho giao thông nặng theo bảng 2. Theo hớng dẫn thiết kế Marshall của Asphalt Institute, việc thí nghiệm xác định độ ổn định S đợc tiến hành chủ yếu trong giai đoạn thiết kế mẫu trong phòng thí nghiệm, và một phần trong giai đoạn sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa tại trạm trộn, còn trong giai đoạn bê tông nhựa đã lu lèn, hình thành cờng độ thì chỉ kiểm tra các yếu tố về đặc tính thể tích và độ chặt lu lèn là chủ yếu. Trong các Dự án xây dựng đờng trong nớc sử dụng vốn vay của WB, ADB những năm gần đây, T vấn nớc ngoài cũng áp dụng hớng dẫn thiết kế Marshall của Asphalt Institute, cụ thể là độ ổn định S trên mẫu khoan và mẫu đúc chế bị (lấy mẫu từ mặt đờng bê tông nhựa đã xây dựng) không đợc kiểm tra. Theo hớng dẫn thiết kế Marshall, nếu tuân thủ nghiêm túc quá trình kiểm tra chất lợng trong các giai đoạn thiết kế hỗn hợp, sản xuất, thi công thì độ bền Marshall của bê tông nhựa lấy từ mặt đờng cũng tơng tự nh độ bền trong giai đoạn thiết kế mẫu. Việc quản lý chất lợng bê tông nhựa (bao gồm các yếu tố về chất lợng vật liệu, chất lợng thi công) để đảm bảo hỗn hợp bê tông nhựa rải ra mặt đờng có đủ chất lợng nh trong quá trình thiết kế là một vấn đề còn nhiều bất cập trong thực tế hiện nay ở nớc ta. Để nâng cao công tác kiểm tra chất lợng, quy trình 22 TCN 249 - 98 có nội dung quy định ở điều 6.5.7 Các chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa nguyên dạng lấy ở mặt đờng và của các mẫu bê tông nhựa đợc chế bị lại từ mẫu khoan hay đào ở mặt đờng phải thoả mãn các trị số yêu cầu ghi trong bảng II - 2a . Theo nội dung này, mẫu nguyên dạng (mẫu khoan) và mẫu chế bị đợc kiểm tra chỉ tiêu Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu ở 60 o C, 24h so với độ ổn định ban đầu (tơng tự nh độ ổn định, nhng thời gian ngâm mẫu không là 30 phút mà lâu hơn, cụ thể là 24 giờ). CT 2 Theo quan điểm về cơ học, lớp mặt đờng có cờng độ cao thì độ ổn định S cũng sẽ cao. Độ ổn định S thí nghiệm trên mẫu nguyên dạng (mẫu khoan) phản ánh đúng thực trạng của lớp kết cấu (liên kết đá nhựa, chất lợng hỗn hợp, nhiệt độ trộn, thực trạng lu lèn, thực trạng thi công ). Độ ổn định trên mẫu chế bị phản ánh điều kiện chuẩn thi công (điều kiện trong phòng thí nghiệm khi thiết kế hỗn hợp). Do ảnh hởng của quá trình chế bị (trộn lại ở nhiệt độ chuẩn), những khiếm khuyết trong quá trình thi công (nếu có) sẽ đợc khắc phục (phân phối lại cốt liệu đồng và nhựa đều hơn, mẫu đợc đầm chặt hơn ) vì vậy độ ổn định trên mẫu chế bị phần nào không phản ánh chính xác chất lợng thi công hiện trờng. Các kết quả thí nghiệm dới đây sẽ minh chứng cho các luận điểm trên. 2.2. Phân tích số liệu độ ổn định Marshall trên mẫu khoan và mẫu đúc Để phục vụ công tác kiểm tra chất lợng thi công đờng Láng - Hoà Lạc phục vụ công tác nghiệm thu (3/1999), tiến hành thí nghiệm xác định độ bền Marshall trên mẫu khoan và mẫu đúc (lấy vật liệu tại vị trí khoan mẫu) trên các vị trí kiểm tra. Tại vị trí kiểm tra, tiến hành khoan 2 mẫu, đồng thời lấy mẫu BTN hiện trờng về đúc 3 mẫu để xác định độ ổn định. Kết quả thí nghiệm về độ chặt lu lèn bê tông nhựa (trên mẫu khoan) đều thoả mãn yêu cầu (K = 97% - 100%). Kết quả thí nghiệm về độ ổn định trung bình trên mẫu đúc (trung bình 3 mẫu) và độ ổn định trung bình trên mẫu khoan (trung bình 2 mẫu) thể hiện ở bảng 3. Bảng 3 TT Độ ổn định Marshall trung bình trên mẫu đúc (kN) Độ ổn định Marshall trung bình trên mẫu khoan (kN) Tỷ lê giữa độ ổn định mẫu khoan/mẫu đúc (%) 1 11.2 9.3 83 2 10.6 8.3 78 3 10.0 5.7 57 4 10.0 5.8 58 5 11.7 8.5 73 6 11.15 7.8 70 7 11.5 7.4 64 8 10.5 6.7 64 9 11.0 6.5 59 10 11.6 7.5 65 11 11.3 7 62 12 11.0 5.1 46 13 11.6 8.2 71 14 10.5 5.3 50 15 10.8 5.5 51 16 10.3 5.4 52 17 12.2 7.4 61 18 12.1 9.6 79 19 11.7 9.6 82 20 12.15 8.6 71 21 10.8 6 56 22 10.6 6.6 62 CT 2 Nhận xét 1. Kết quả thí nghiệm trên mẫu đúc bê tông nhựa lấy từ mặt đờng có giá trị độ bền Marshall cao (đều lớn hơn 10 kN), trong khi độ bền Marshall trên mẫu khoan thấp hơn và thay đổi. Độ bền Marshall trên mẫu khoan thay đổi phản ảnh chất lợng bê tông nhựa thực tế của đoạn kiểm tra. 2. Độ bền Marshall trên mẫu khoan thờng nhỏ hơn mẫu đúc do những nguyên nhân sau: - Độ chặt lu lèn yêu cầu (K 98%) thấp hơn so với độ chặt khi chế bị mẫu (K = 100%). - Do ảnh hởng của quá trình thi công: công tác trộn, nhiệt độ trộn, công tác lu lèn, chất lợng vật liệu (độ ẩm, độ bẩn), yếu tố thời tiết, môi trờng - Do ảnh hởng của kích thớc hình học mẫu khoan: đờng kính mẫu khoan (100 mm) thờng nhỏ hơn so với đờng kính mẫu đúc (104,6 mm), độ thẳng của cạnh mẫu. 3. Tỷ số giữa độ bền Marshall giữa mẫu khoan và mẫu đúc phản ánh chất lợng thi công. 2.3. Phân tích số liệu độ ổn định Marshall trên mẫu khoan Trên cơ sở kết quả kiểm tra chất lợng bê tông nhựa phục vụ công tác nghiệm thu cấp Nhà nớc, cấp Bộ GTVT của những tuyến đờng (QL1, QL5 ) tiến hành thống kê, phân tích các số liệu thí nghiệm về độ ổn định Marshall trên mẫu khoan. Việc thí nghiệm kiểm tra đợc tiến hành tại thời điểm đờng đang trong giai đoạn bảo hành (trong khoảng trên dới 1 năm kể từ khi hoàn công) Thống kê, phân tích số liệu về độ ổn định Marshall trên mẫu khoan trên QL1, khu vực Miền Nam, đoạn Tp. Hồ Chí Minh - Cần thơ (HCM - CT) (9/2000), đoạn Tp. Hồ Chí Minh - Nha Trang: R100, R200, R300 (10/1999) đợc thể hiện ở bảng 4. Bảng 4 Đoạn HCM - CT Đoạn R 100 Đoạn R 200 Đoạn R300 Độ ổn định, kN Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % 5,0 - 6,0 0 0 1/80 1 6,0 - 7,0 0 0 1/81 1 2/80 2 0 0 7,0 - 8,0 4/64 6 1/81 1 11/80 14 1/40 2 8,0 - 9,0 5/64 8 6/81 8 9/80 11 5/40 12 > 9,0 55/64 86 72/81 90 57/80 72 35/40 86 Số liệu phân tích > 6 100 100 99 100 > 7 100 99 97 100 > 8 94 98 83 98 CT 2 Thống kê số liệu về độ ổn định Marshall trên mẫu khoan trên QL1, khu vực Miền Trung, đoạn Vinh - Đông Hà (V - ĐH), các Hợp đồng: Hợp đồng 1 (Km 443 - Km 458), Hợp đồng 2 (Km 528 - Km 626), Hợp đồng 3 (Km 626 - Km 669), Hợp đồng 3 (Km 626 - Km 669) và Hợp đồng 4 (Km 673 - Km 756) (10/1999) đợc thể hiện ở bảng 5. Thống kê số liệu về độ ổn định Marshall trên mẫu khoan trên QL1, Khu vực Miền Bắc, đoạn Phủ Lý - Vinh (6/1998); đoạn Hà Nội - Lạng Sơn (11/2002), đoạn Hà Nội - Cầu Giẽ (12/2001), đoạn QL5 (Hà nội - Hải Phòng) (4/1999) đợc thể hiện ở bảng 6. Bảng 5 V - ĐH, HĐ 1 V - ĐH, HĐ 2 V - ĐH, HĐ 3 V - ĐH, HĐ 4 Độ ổn định, kN Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % 5,0 - 6,0 5/62 8 4/84 5 0 30/56 54 6,0 - 7,0 10/62 16 29/84 35 16/56 28 18/56 32 7,0 - 8,0 6/62 10 24/84 28 14/56 26 5/56 9 8,0 - 9,0 11/62 18 12/84 14 8/56 14 3/56 5 > 9,0 30/62 48 15/84 18 18/56 32 0 Số liệu phân tích > 6 92 95 100 46 > 7 76 60 72 14 > 8 66 32 46 5 Bảng 6 Phủ Lý - Vinh Hà Nội - lạng Sơn Hà Nội - Cầu Giẽ QL 5 Độ ổn định, kN Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % 4,0 - 5,0 13/100 13 0 0 0 0 5,0 - 6,0 15/100 15 9/60 15 12/30 40 6,0 - 7,0 22/100 22 0 0 38/60 63 6/30 20 7,0 - 8,0 10/100 10 18/86 21 4/60 7 7/30 24 8,0 - 9,0 12/100 12 29/86 34 8/60 13 1/30 3 > 9,0 28/100 28 39/86 45 1/60 2 4/30 13 Số liệu phân tích > 6 72 100 85 60 > 7 50 100 22 40 > 8 40 79 15 16 CT 2 Nhận xét: 1. Cờng độ cốt liệu đá dăm (loại đá dăm) là một nhân tố ảnh hởng đến độ ổn định Marshall. Độ ổn định Marshall của mẫu kiểm trên QL1, vùng miền Nam cao hơn so với vùng miền Trung và miền Bắc. 2. Giá trị độ ổn định Marshall trên mẫu khoan thay đổi trên các đoạn kiểm tra, trong đó giá trị độ ổn định bằng 6 kN và 7 kN chiếm tỷ lệ khá lớn. 2.3. Độ ổn định Marshall trên một số đoạn đờng có hiện tợng h hỏng Trên 1 số đoạn đờng xây dựng có hiện tợng h hỏng: Đoạn tuyến qua cầu Hoàng Long - QL1 (4/2001); đoạn QL1, Vinh - Đông Hà, Hợp đồng 1 (7/1998); đoạn đờng đầu cầu Kép và Cầu Nh Nguyệt, QL1 (6/2002), việc kiểm tra độ ổn định Marshall trên mẫu khoan cũng đợc tiến hành. Thống kê số liệu về Độ ổn định Marshall trên mẫu khoan của những đoạn đờng trên đợc thể hiện ở bảng 7. Bảng 7 Cầu Hoàng Long V - ĐH, HĐ1 Cầu Kép Cầu Nh Nguyệt Độ ổn định, kN Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % Số mẫu Tỷ lệ % 1,0 - 2,0 0 0 1/4 25 2,0 - 3,0 3/20 15 0 0 0 0 1/4 25 3,0 - 4,0 11/20 55 9/15 60 1/4 25 0/4 4,0 - 5,0 4/20 29 4/15 27 3/4 75 2/4 50 5,0 - 6,0 2/20 10 2/15 13 0 0 > 6 0 0 Nhận xét: Các đoạn đờng có hiện tợng h hỏng mặt đờng bê tông nhựa có độ ổn định Marshall trên mẫu khoan thờng thấp (thờng nhỏ hơn 4 - 5 kN). III. Kết luận 1. Độ ổn định Marshall trên mẫu khoan phản ánh thực tế chất lợng thi công mặt đờng bê tông nhựa. Việc quy định áp dụng chỉ tiêu độ ổn định Marshall trên mẫu khoan trong kiểm tra chất lợng mặt đờng bê tông nhựa là cần thiết hiện nay ở nớc ta, nhằm nâng cao công tác quản lý chất lợng xây dựng công trình đờng bộ. 2. Việc kiểm tra độ ổn định Marshall trên mẫu khoan không tách rời với các nội dung kiểm tra khác của bê tông nhựa: độ dẻo, độ rỗng d, hàm lợng nhựa 3. Kiến nghị áp dụng Tiêu chuẩn kiểm tra chất lợng mặt đờng bê tông nhựa với giá trị độ ổn định Marshall trên mẫu khoan không đợc nhỏ hơn 75% (80%) so với độ ổn định Marshall nhỏ nhất khi thiết kế mẫu (với bê tông nhựa chặt thông thờng đủ chất lợng, độ ổn định Marshall mẫu khoan không đợc nhỏ hơn 6 kN - 6,5 kN). CT 2 Tài liệu tham khảo [1] Quy trình AASHTO, ASTM bản hiện hành. [2] SuperPave Mix Design - Asphalt Institue Superpave Series No.2 (SP - 2). [3] Marshall Method Mix Design - Asphalt Institue Series No.1 (SP - 1). [4] 22 TCN 249 - 98 Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đờng bê tông nhựa. [5] Chỉ dẫn kỹ thuật các Dự án vay vốn nớc ngoài do T vấn nớc ngoài biên soạn: Dự án QL1A, đoạn Tp. Hồ Chí Minh - Cần Thơ; Dự án QL 1A - Đoạn Vinh - Đông Hà; Dự án QL5; Dự án QL1A - Đoạn Hà Nội - Vinh; Dự án QL1A - Pháp Vân - Cầu Giẽ; Dự án QL 1A - Đoạn Hà Nội - Lạng Sơn, Dự án QL5. [6] Các báo cáo kết quả kiểm tra chất lợng xây dựng đờng do Viện Khoa học & Công nghệ GTVT thực hiện phục vụ cho Hội đồng nghiệm thu Nhà nớc: Dự án nâng cấp QL1, đoạn Tp. Hồ Chí Minh - Cần Thơ (9/2000); Dự án nâng cấp QL1, đoạn Hợp đồng R100, R200, R300 (10/1999); Dự án nâng cấp QL1, đoạn Phủ Lý - Vinh (6/1998); Dự án QL1A, đoạn Pháp Vân - Cầu Giẽ (12/2001); Dự án nâng cấp QL1, đoạn Hà Nội - Lạng Sơn (11/2002); Dự án nâng cấp QL1, đoạn đờng của 14 cầu (6/2002), Đoạn tuyến qua cầu Hoàng Long (4/2001): Dự án QL5, Hợp đồng 1 và Hợp đồng 2 (4/1999). [7] Các báo cáo kết quả kiểm tra chất lợng xây dựng đờng do Viện Khoa học & Công nghệ GTVT thực hiện phục vụ cho Hội đồng nghiệm thu cấp Bộ GTVT: Dự án nâng cấp QL1, đoạn Vinh - Đông Hà (10/1999); Dự án xây dựng đờng Láng - Hoà Lạc (3/1999)Ă . Tiêu chuẩn kiểm tra chất lợng mặt đờng bê tông nhựa với giá trị độ ổn định Marshall trên mẫu khoan không đợc nhỏ hơn 75% (80%) so với độ ổn định Marshall nhỏ nhất khi thiết kế mẫu (với bê tông. hỏng mặt đờng bê tông nhựa có độ ổn định Marshall trên mẫu khoan thờng thấp (thờng nhỏ hơn 4 - 5 kN). III. Kết luận 1. Độ ổn định Marshall trên mẫu khoan phản ánh thực tế chất lợng thi công mặt. đánh giá chất lợng xây dựng lớp mặt đờng bê tông nhựa qua chỉ tiêu độ ổn định marshall trên mẫu khoan TS Vũ đức chính Phòng Thí nghiệm trọng điểm đờng bộ 1 Viện Khoa học v Công