một số kết quả nghiên cứu phục vụ việc xây dựng tiêu chuẩn ngành “quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa đường polime” TS Vũ đức chính Phòng
Trang 1một số kết quả nghiên cứu phục vụ việc xây dựng tiêu chuẩn ngành “quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa đường polime”
TS Vũ đức chính
Phòng Thí nghiệm trọng điểm đường bộ 1 Viện Khoa học vμ Công nghệ GTVT
Tóm tắt: Bê tông nhựa chặt cải thiện sử dụng nhựa đường polime có nhiều ưu điểm nổi
bật nên được sử dụng phổ biến ở những công trình mμ bê tông nhựa thông thường khó đáp ứng:
đường xe tải nặng, đường cất hạ cánh sân bay, bãi đỗ xe Việc nghiên cứu xây dựng “Quy trình công nghệ thi công vμ nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa đường polime” phù hợp với trình độ công nghệ trong nước lμ vấn đề cần thiết hiện nay Bμi báo nμy giới thiệu những kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm phục vụ cho xây dựng quy trình
Summary: The dense HMA concrete using Polymer Modified Bitumen (PMB) with
exellent performance has been widely used for heavy loaded traffic roads, airport runways, parking lot, where the HMA using conventional bitumen revealed some disadvantages The developement of “Technical specification for dense graded HMA using PMB” that suitable/applicable with the domestic construction equipment has became an urgent need This paper introduces the theoretical research and practical result obtained in the developing progress of Specification .
CT 2
I Đặt vấn đề
Bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa đường polime có nhiều ưu điểm so với bê tông nhựa chặt thông thường như: cải thiện đáng kể khả năng biến dạng vĩnh cửu (vệt hằn bánh xe), cường độ (mô đun đàn hồi) khi nhiệt độ cao, chịu mỏi tốt, tăng khả năng đàn hồi, ít dòn khi nhiệt độ thấp, tăng khả năng hoá già, khả năng dính bám đá nhựa, tăng tuổi thọ mặt đường
Với tính năng ưu việt nêu trên, mặt đường bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa đường polime (gọi tắt là BTNP) được áp dụng có hiệu quả ở những nơi mà bê tông nhựa thông thường khó đáp ứng:
- Đường cấp cao lưu lượng xe tải nặng lớn;
- Đường lăn, đường hạ cất cánh sân bay;
- Lớp phủ trên mặt đường bê tông xi măng;
- Trạm thu phí giao thông, chỗ đỗ xe ô tô buýt
Hiện nay hệ thống đường cấp cao đã và đang được phát triển, hệ thống cảng hàng không
được đầu tư, nâng cấp, làm mới, nhu cầu sửa chữa bến bãi, chỗ đỗ xe buýt, đường bê tông xi măng cũ ngày càng gia tăng nên việc áp dụng BTNP là cần thiết Chính vì lý do trên, Bộ GTVT
Trang 2đã chính thức giao nhiệm vụ xây dựng Tiêu chuẩn Ngành GTVT “Quy trình công nghệ thi công
và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa sử dụng nhựa đường polime” cho Viện Khoa học &
Công nghệ GTVT thực hiện
Việc xây dựng “Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa sử
dụng nhựa đường polime” trong thời điểm hiện nay có những thuận lợi sau:
- Dễ dàng tham khảo những thành tựu của thế giới về lĩnh vực công nghệ bê tông nhựa
polime qua thu thập thông tin, hợp tác, trao đổi chuyên gia với nước ngoài
- “Tiêu chuẩn vật liệu nhựa đường polime - Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thí nghiệm”
22 TCN 319 - 04 đã được Bộ GTVT ban hành là cơ sở cho việc quản lý chất lượng nhựa đường
polime sử dụng cho các loại bê tông nhựa sử dụng nhựa polime
- Các Nhà cung cấp nhựa đường (Shell, ADCo ) cũng đang đầu tư để sản xuất, cung cấp
nhựa đường polime áp dụng vào các công trình sân bay, đường bộ
- Các kết quả nghiên cứu, thực nghiệm bước đầu đã được triển khai trong nước: kết quả
nghiên cứu về nhựa đường polime, bê tông nhựa polime của Viện Khoa học & Công nghệ
GTVT, kết quả rải thử nghiệm bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa đường polime dầy 7 cm trên Đèo
Rọ Tượng (Km 1429 - Km 1430) và đèo Cả (Km 1359 - Km 1366) thuộc dự án nâng cấp cải tạo
QL1A do liên danh Wilbur Smith và Pacific Consultant International làm Tư vấn (11/2005)
II nội dung
2.1 Lựa chọn đường bao hỗn hợp cốt liệu cho BTNP
CT 2
Đường cong cấp phối cốt liệu đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng hỗn
hợp bê tông nhựa, là cơ sở tạo ra độ rỗng dư, độ rỗng cốt và cường độ của lớp phủ Cấp phối
cốt liệu bê tông nhựa chặt là loại cấp phối liên tục Đường cong hỗn hợp cốt liệu xác định từ
phương trình Fuller (phương trình (1)) với số mũ n = 0,45 được khẳng định trên lý thuyết và thực
tiễn áp dụng phù hợp cho bê tông nhựa chặt Bê tông nhựa chặt polime - BTNP là loại bê tông
nhựa chặt, chất kết dính là nhựa đường polime nên cũng sử dụng công thức này
D
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
trong đó:
p - lượng lọt qua sàng trên cỡ sàng kích cỡ d, %;
d - kích cỡ lỗ sàng, mm;
D - kích cỡ lỗ sàng lớn nhất, mm;
n - số mũ (n = 0,45 với bê tông nhựa chặt)
Nhìn chung, các cấp phối hỗn hợp cốt liệu sử dung cho bê tông nhựa chặt trên thế giới
(Super Pave, ASTM D3515) và trong nước (22 TCN 249 - 98, các Dự án trong nước sử dụng
vốn vay nước ngoài) đều dựa trên cơ sở công thức Fuller nói trên và có điều chỉnh cho phù hợp
Một số đường bao cấp phối của bê tông nhựa chặt được nghiên cứu, phân tích, so sánh để
làm cơ sở cho việc lựa chọn đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liệu của BTNP, trong đó có đánh
Trang 3gi¸ ®−êng bao cÊp phèi hçn hîp cèt liÖu cho bª t«ng nhùa chÆt th«ng th−êng cña 22 TCN 249 -
98 (b¶ng 1, 2, 3)
B¶ng 1
So s¸nh cÊp phèi hçn hîp cèt liÖu, lo¹i 9.5 mm
Super
ASTM
Tiªu chuÈn
Th¸i
S©n bay
BTNP
22TCN
249 -
CT 2
B¶ng 2
So s¸nh cÊp phèi hçn hîp cèt liÖu, lo¹i 12,5 mm
Super
ASTM
Tiªu chuÈn
S©n bay
BTNP
22TCN
Trang 4Bảng 3
So sánh cấp phối hỗn hợp cốt liệu, loại 19 mm
Super
ASTM
Tiêu
chuẩn
Sân bay
BTNP
22TCN
Để thuận tiện cho việc so sánh các cấp phối, trên cơ sở số liệu ở bảng 1, 2 và 3, thiết lập
đồ thị đường bao cấp phối của các tiêu chuẩn nghiên cứu nêu trên (Superpave, ASTM D3515,
BTNP và 22 TCN 249 - 98, đường cấp phối chuẩn theo Fuller với n = 0,45) tương ứng với cỡ hạt
lớn nhất danh định 9,5 mm; 12,5 mm; 19 mm ở các hình 1, 2 và 3
So sánh các cấp phối - Cỡ hạt danh định lớn nhất = 9.5 mm
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
Cỡ sàng (mm)
ASTM D3515 BTNP 2006 22TCN 249-98 Fuller (n = 0,45)
CT 2
Hình 1
Trang 5So sánh các cấp phối - Cỡ hạt danh định lớn nhất = 12.5 mm
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
Cỡ sàng (mm)
ASTM D3515 BTNP 2006 22TCN 249-98 Fuller (n = 0,45)
Hình 2.
So sánh các cấp phối - Cỡ hạt danh định lớn nhất = 19 mm
0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0
Cỡ sàng (mm)
ASTM D3515 BTNP 2006 22TCN 249-98 Fuller (n = 0,45)
CT 2
Hình 3
Trang 6Trên cơ sở các đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liệu nêu trên (các bảng 1, 2, 3 và các hình
1, 2, 3), có nhận xét sau:
a) Đường cong Fuller với số mũ n = 0,45: là đường cong cấp phối chuẩn cho bê tông nhựa
chặt Với đường cong cấp phối nằm phía trên đường chuẩn, độ rỗng dư của bê tông nhựa có xu
thế thấp hơn so với đường cong nằm dưới đường chuẩn (SHRP)
b) Đường bao cấp phối của SuperPave (SHRP):
- Dựa trên cơ sở đường bao ASTM D 3515 (các giá trị lọt sàng ở các cỡ sàng quy định
trùng với ASTM D 3515)
- Bỏ nhiều cỡ sàng, mục đích tạo điều kiện cho việc linh hoạt lựa chọn đường cấp phối,
miễn là thoả mãn yêu cầu kỹ thuật
- Kèm theo quy định về đường bao cấp phối cốt liệu thô và cốt liệu mịn Phối trộn để đạt
đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liệu
- Khó cho các nước có trình độ công nghệ không cao trong việc lựa chọn cấp phối thiết kế
và kiểm soát chất lượng
c) Đường bao cấp phối theo ASTM D 3515:
- Là đường bao được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới Nhiều Hãng tư vấn, Chỉ dẫn kỹ
thuật nước ngoài (và cả trong nước trên các Dự án vay vốn nước ngoài) sử dụng ngay đường
bao này (ví dụ như Tiêu chuẩn của Thái Lan áp dụng cho bê tông nhựa chặt thông thường và bê
tông nhựa chặt polime) hoặc dựa trên cơ sở này để chỉnh sửa (nhiều Dự án trong nước vay vốn
- Miền giới hạn đường bao cấp phối (chênh lệch về trị số giới hạn giữa lượng lọt sàng cận
trên và cận dưới trên 1 cỡ sàng) khá lớn (sàng 4,75 là 30, sàng 2,36 từ 30 đến 35), nằm đều về
2 phía của đường cong độ chặt lớn nhất (số mũ n = 0,45) Quy định này tạo điều kiện dễ điều
chỉnh đường cong cấp phối để hỗn hợp thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đã đề ra Tuy nhiên với sự
chênh lệch quá lớn này dễ tạo nên các cấp phối sử dụng cho bê tông nhựa có chất lượng sai
khác nhau nhiều
- Quy định về hàm lượng lọt sàng 0,075 từ 2 – 10% có giới hạn dưới quá thấp, nếu sử dụng
giới hạn dưới cho hỗn hợp bê tông nhựa khó thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đã đề ra
- ASTM D 3515 khuyến nghị tuỳ thuộc vào tính chất công trình, vào kinh nghiệm cụ thể
từng nước để điều chỉnh cho phù hợp
d) Đường bao cấp phối theo 22 TCN 249 - 98:
- Miền giới hạn đường bao cấp phối hẹp (chênh lệch về trị số giới hạn giữa lượng lọt sàng
cận trên và cận dưới trên 1 cỡ sàng thấp: sàng 4,0 là 14, sàng 2,0 là 11), nên khó cho việc điều
chỉnh đường cong cấp phối để hỗn hợp thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đã đề ra
- Hàm lượng lọt sàng 0,075 quy định từ 5 đến 10 và từ 6 đến 11 là hợp lý, đảm bảo hỗn hợp
thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật, kể cả khi sử dụng giá trị cận dưới
- Phù hợp với trình độ công nghệ, thiết bị những năm trước đây
Trang 7e) Đường bao cấp phối của Sân bay Thái Lan (Sân bay Bankok mới):
- áp dụng cho bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa đường polime trong xây dựng đường hạ cất cánh
- Dựa trên cơ sở của ASTM D 3515, có chỉnh sửa cho phù hợp, đảm bảo chất lượng kết cấu: Miền giới hạn đường bao cấp phối (chênh lệch về trị số giới hạn giữa lượng lọt sàng cận trên và cận dưới trên 1 cỡ sàng) thấp hơn so với ASTM D 3515 (sàng 4,75 là 20, sàng 2,36 là 20); Hàm lượng lọt sàng 0,075 được cải thiện hơn, nâng cận dưới (3%) và giảm cận trên (6%) f) Đường bao cấp phối đề xuất cho BTNP:
- Dựa trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các chuẩn đường bao trên, căn cứ vào trình
độ công nghệ trong nước để chỉnh sửa cho hợp lý
- Miền giới hạn đường bao cấp phối (chênh lệch về trị số giới hạn giữa lượng lọt sàng cận trên và cận dưới trên 1 cỡ sàng) lựa chọn giá trị trung gian giữa ASTM D 3515 và Tiêu chuẩn sân bay Thái Lan (sàng 4,75 là 25, sàng 2,36 từ 20 đến 27)
- Hàm lượng lọt sàng 0,075 quy định từ 5 đến 8 (từ 6 đến 10) là hợp lý, đảm bảo hỗn hợp thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật, kể cả khi sử dụng giá trị cận dưới
- Đề xuất 3 loại cấp phối với cỡ hạt lớn nhất danh định 9,9 mm, 12,5 mm và 19 mm (ký hiệu BTNP 2006) với thành phần cỡ hạt tương ứng ở bảng 1, 2 và 3 (đề xuất của GS Trần Đình Bửu, chuyên gia cao cấp của Nhóm đề tài) Phạm vi áp dụng và hàm lượng nhựa tham khảo của 3 loại BTNP được thể hiện ở bảng 4
Bảng 4
CT 2
9,5
Hạt nhỏ BTNP 12,5
Hạt trung BTNP 19
Hàm lượng nhựa tham khảo (tính theo
2.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế hỗn hợp BTNP
Phương pháp thiết kế theo SuperPave (Mỹ) được khuyến nghị áp dụng để thiết kế các loại
bê tông nhựa (bê tông nhựa thông thường và bê tông nhựa cải thiện polime) Ưu điểm của phương pháp này là đã mô phỏng đặc tính làm việc của mặt đường bê tông nhựa dưới tác dụng của tải trọng qua 2 phép thử cơ bản sau:
- Thí nghiệm cắt (Simple shear test): đánh giá khả năng biến dạng vĩnh cửu, nứt mỏi của
bê tông nhựa;
- Thí nghiệm cường độ, mô đun đàn hồi (Indirect tensile creep, Indirect tensile strength):
đánh giá khả năng nứt ở nhiệt độ thấp
Trang 8Tuy nhiên phương pháp này chưa có điều kiện áp dụng ở Việt Nam do chưa có thiết bị và
kinh nghiệm
Phương pháp thiết kế Marshall là phương pháp truyền thống, áp dụng rộng rãi ở các nước
đang phát triển trong đó có nước ta Một số nước trong khu vực sử dụng phương pháp Marshall
cho loại BTNP có thể kể đến là: Trung Quốc ((JTJ 036 - 98), Thái Lan, sân bay Băng Cốc (đề
xuất của Tư vấn Scott Wilson) Quy định của tiêu chuẩn thiết kế Marshall của các nước nêu trên
chỉ ra ở bảng 5
Bảng 5
Sân bay Băng
Cốc
So sánh với
bê tông nhựa
thông thường
Độ ổn định còn lại (sau khi
ngâm mẫu ở 600C trong 24
giờ) so với độ ổn định ban
đầu, %
4
Độ ổn định còn lại (sau khi
ngâm mẫu ở 600C trong 48
giờ) so với độ ổn định ban
đầu, %
CT 2
Trên cơ sở các Tiêu chuẩn thiết kế Marshall nêu trên, căn cứ vào điều kiện công nghệ
trong nước, đề xuất Tiêu chuẩn thiết kế cho hỗn hợp BTNP ở bảng 6
Bảng 6
2 Độ ổn định ở 600C, kN
0C trong 24 giờ) so
Trang 9CT 2
6 Độ rỗng cốt liệu (tương ứng với độ rỗng dư 4%), %
2.3 Kết quả thí nghiệm thiết kế hỗn hợp BTNP trong phòng
Việc thiết kế mẫu nhằm phục vụ cho Dự án Cải tạo nâng cấp mở rộng Cảng Hàng không Cần thơ, theo yêu cầu của công ty Tư vấn thiết kế Hàng không (ADCC)
Cấp phối cốt liệu sử dụng đường bao BTNP đề xuất (bảng 2, bảng 3) cho loại cốt liệu BTNP 12,5 và BTNP 19 Vật liệu sử dụng bao gồm:
- Đá dăm mỏ Biên Hoà, Cát vàng mỏ Tân Châu - An Giang, Bột đá mỏ của Công ty Địa chất khoáng sản
- Nhựa đường polime: Shell, Collas thoả mãn 22 TCN 319 - 04 loại PMB - I, PMB - II và PMB - III
Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 7
Bảng 7
Loại nhựa
Hàm lượng nhựa thiết kế (%)
Độ ổn
định Marshall (kN)
Độ ổn
định còn lại (%)
Độ dẻo Marshall (mm)
Độ rỗng dư
VA (%)
Độ rỗng cốt liệu VMA (%)
BTNP 12,5
Quy định của Dự
thảo Quy trình
BTNP
BTNP 19
Quy định của Dự
thảo Quy trình
BTNP
Trang 102.4 Kết quả thử nghiệm lớp BTNP trên đèo Rọ Tượng và đèo Cả –QL1A
Công trình thử nghiệm phủ lên 1 lớp bê tông nhựa chặt dùng nhựa đường polime Shell
Cariphalte (loại tương đương PMB - II) với chiều dầy 7 cm được tiến hành trên đoạn đèo Rọ
Tượng (Km 1429 - Km 1430) và đèo Cả (Km 1359 - Km 1366) vào năm 2005 dưới sự chỉ đạo
của Tư vấn Wilbur Smith và Pacific Consultant International
Vật liệu sử dụng bao gồm:
- Nhựa polime: Shell Cariphalte (loại tương đương PMB - II);
- Đá dăm sản xuất tại mỏ Rù Rì,
- Cát Sông Cái Nha Trang,
- Bột khoáng từ Nhà máy xi măng Hòn Khói
Kết quả thiết kế hỗn hợp BTNP thể hiện ở bảng 8
Bảng 8
Hàm
lư-ợng
nhựa trộn
thử (%
khối lượng
hỗn hợp)
Hàm lượng nhựa thực
tế (% khối lượng hỗn hợp)
Độ ổn
định Marshall (kN)
Độ ổn
định còn lại (%)
Độ dẻo Marshall (mm)
Độ rỗng dư
VA (%)
Độ rỗng cốt liệu VMA (%)
Khối lượng thể tích (g/cm3)
CT 2
Kết quả kiểm tra chất lượng BTNP sau khi thi công do Trung tâm kỹ thuật đường bộ 5 thực
hiện (11/2005) được thể hiện ở bảng 9
Bảng 9
Vị trí khoan
mẫu
Hàm lượng nhựa thực tế (% khối lượng hỗn hợp)
Độ ổn
định Marshall (kN)
Độ ổn định còn lại (%)
Độ dẻo Marshall (mm)
Độ rỗng dư
VA (%)
Khối lượng thể tích (g/cm3)
Đèo Rọ Tượng
Đèo Cả
Trang 11Qua kết quả thí nghiệm ở bảng 7, 8 và 9 có nhận xét sau:
- Độ ổn định và độ ổn định còn lại của mẫu BTNP nhìn chung rất cao
- Độ ổn định của mẫu khoan kiểm tra trên Đèo Rọ Tượng và Đèo Cả: có 2 mẫu cao (11,8
và 14,9 kN), 1 mẫu thấp (7,81 kN)
- Công nghệ thi công BTNP trên Đèo Rọ Tượng và đèo Cả: sử dụng thiết bị như với bê tông nhựa thông thường, kiểm soát được chất lượng
III Kết luận
1 Các kết quả nghiên cứu của Nhóm đề tài (Đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liệu, tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp BTNP) là cơ sở đưa vào dự thảo “Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa sử dụng nhựa đường polime”
2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm với BTNP khẳng định được hiệu quả kỹ thuật của loại
bê tông nhựa này Công nghệ thi công BTNP sử dụng thiết bị như với bê tông nhựa thông thường, việc kiểm soát được chất lượng là khả thi
3 Việc triển khai xây dựng “Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa sử dụng nhựa đường polime” là cần thiết, nhằm phục vụ cho việc xây dựng các công trình sắp tới và tương lai
CT 2
Tài liệu tham khảo
[1] SuperPave Mix Design - Asphalt Institue Superpave Series No.2 (SP - 2)
[2] Marshall Method Mix Design - Asphalt Institue Series No.1 (SP - 1)
[3] Asphalt Technology News - Vol 14, NCAT, 2002
[4] 22 TCN 249 - 98 “ Quy trình công nghệ thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa”
[5] Quy định kỹ thuật công tác thi công mặt đường bê tông nhựa nóng dùng nhựa cải thiện polime - Tư vấn Wilbur Smith & Pacific Consultant International - 5/2005
[6] Chỉ dẫn kỹ thuật xây dựng lớp bê tông nhựa cải thiện đường hạ cất cánh sân bay New Bankok - Scott Wilson - 2003
[7] Quy định kỹ thuật lớp phủ bê tông nhựa polime Thái Lan - 2003
[8] KS Nguyễn Thị Thanh, KS Nguyễn Thị Hiền và Nhóm đề tài (Phòng thí nghiệm trọng điểm đường bộ I): “Báo cáo kết quả thí nghiệm trong phòng về bê tông polime phục vụ cho Công trình nâng cấp, cải tạo Cảng Hàng không Cần Thơ“ 8/2005
[9] Báo cáo kết quả xây dựng lớp phủ bê tông nhựa polime trên đoạn đường Đèo Rọ Tượng (Km 1429 - Km 1430) và đèo Cả (Km 1359 - Km 1366) thuộc dự án nâng cấp cải tạo QL1A – Tư vấn Wilbur Smith và Pacific Consultant International - 12/2005Ă
