LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NOVACHIP (HOA KỲ) LÀM LỚP PHỦ MỎNG ĐỂ TẠO NHÁM MẶT ĐƯỜNG TRONG XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Ở VIỆT NAM

Tình hình nghiên cứu, áp dụng lớp phủ mỏng tạo nhám trên thế giới và ở việt nam chương 3 - Nghiên cứu Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa, các yêu cầu vật liệu của nova

Trường Đại học giao thông vận tải

Nguyễn mạnh thắng

luận án thạc sĩ kỹ thuật

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ novachip (hoa kỳ) làm lớp phủ mỏng để tạo nhám mặt đường trong xây dựng công trình

giao thông ở việt nam

Hà nội, 2007

Trường Đại học giao thông vận tải

Nguyễn mạnh thắng

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ novachip (hoa kỳ) làm lớp phủ mỏng để tạo nhám mặt đường trong xây dựng công trình

giao thông ở việt nam

chuyên ngành : xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã số : 60.58.30 luận án thạc sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học :

PGS TS bùi xuân cậy

Hà nội, 2007

Mục lục Trang

chương 1 - Đặt vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu 1 1.1 Đặt vấn đề và đặt nhiệm vụ nghiên cứu 1

chương 2 - nghiên cứu tổng quan về độ nhám mặt đường

và lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám

2.1 Tầm quan trọng lớp phủ mỏng tạo nhám 7

2.2.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám vĩ mô 12 2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô 13 1.2.5 Phương pháp nghiên cứu

2.3 Tình hình nghiên cứu, áp dụng lớp phủ mỏng tạo

nhám trên thế giới và ở việt nam

chương 3 - Nghiên cứu Phương pháp thiết kế thành phần hỗn

hợp bê tông nhựa, các yêu cầu vật liệu của novachip

3.1 các phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa 23

Mục lục Trang

chặt

3.1.2 Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Marshall 23 3.1.3 Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa Superpave 26 3.1.4 Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa áp dụng cho các loại

hỗn hợp bê tông nhựa rỗng, bê tông nhựa cấp phối gián đoạn: 31 3.2 phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa tạo

nhám theo công nghệ NOVACHIP

31

3.2.1 Xác định hàm lượng nhựa thiết kế 31 3.2.2 Phương pháp thí nghiệm, tính toán 32 3.2.3 Nhận xét về phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo

3.3 các yêu cầu kỹ thuật cho lớp phủ mỏng bê tông

nhựa tạo nhám theo công nghệ novachip

44

3.3.2 Quy định về thành phần hạt hỗn hợp NOVACHIP 47 3.4 nghiên cứu đánh giá các chỉ tiêu yêu cầu vật

chương 4 - Nghiên cứu công nghệ thi công

và nghiệm thu lớp phủ mỏng tạo nhám Novachip

4.5 Thi công lớp phủ nhám siêu mỏng (UBWC) 58 4.6 Công tác kiểm tra và bảo đảm chất lượng 60

Mục lục Trang

5.3 tồn tại và định hướng nghiên cứu tiếp theo 76

Tài liệu tham khảo chính

Lời cảm ơn

Trong khuôn khổ một luận án thạc sĩ, chắc rằng còn nhiều thiếu sót,

rất mong nhận được ý kiến góp ý của các Thầy giáo, Cô giáo và bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn Khoa công trình Trường Đại học Giao thông vận tải, Bộ môn đường bộ, PGS.TS Bùi Xuân Cậy - đã hướng dẫn tôi thực hiện luận án này Tôi cũng trân trọng cảm ơn Phòng thí nghiệm Trọng điểm

Đường bộ I thuộc Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã cung cấp tài liệu và giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Học viên

Nguyễn Mạnh Thắng

chương 1

Đặt vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu

1.1 Đặt vấn đề

Bê tông nhựa là vật liệu chủ yếu để xây dựng đường ô tô và được sử

dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam Việc nâng cao chất lượng và

tuổi thọ lớp mặt bê tông nhựa ở nước ta sẽ góp phần nâng cao chất lượng của

cả mạng lưới đường ôtô và có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật to lớn Những cố gắng

nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của lớp mặt bê tông nhựa của kết cấu áo

đường có thể đi theo các hướng cơ bản sau đây:

- Nghiên cứu sử dụng các loại bê tông nhựa có cấu trúc khác với các loại bê

tông nhựa thông thường, có cường độ và tuổi thọ cao, chịu được tác dụng

của tải trọng nặng, có những đặc tính phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt

đới, đảm bảo xe chạy an toàn, thuận lợi với tốc độ khai thác cao

- Sử dụng kết cấu áo đường phù hợp với tải trọng giao thông (tải trọng trục

xe và lưu lượng xe) và các điều kiện môi trường

- Hoàn thiện công nghệ thi công áo đường và chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa

theo hướng hiện đại hoá thiết bị và công nghệ: từ thiết kế thành phần hỗn

hợp, thí nghiệm đánh giá và kiểm tra chất lượng

- Hoàn thiện phương pháp và cải tiến tổ chức để công tác duy tu sửa chữa kết

cấu áo đường đạt hiệu quả ngày càng cao hơn, đặc biệt trong lĩnh vực tái

tạo độ nhám và phòng ngừa hư hỏng

Việc xây dựng các lớp kết cấu mặt đường bê tông nhựa đảm bảo chất

lượng cao, kéo dài tuổi thọ, chịu được tác động của xe chạy và các yếu tố môi

trường là một nhiệm vụ quan trọng của chuyên ngành đường ô tô trên thế giới

cũng như ở Việt Nam

Để đáp ứng được các yêu cầu trên, cần phải thực hiện đồng bộ ở tất cả

các khâu (như thiết kế, thi công, giám sát, duy tu bảo dưỡng), trong đó quan

trọng nhất là công tác quản lý chất lượng trong thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa,

quản lý chất lượng vật liệu, chất lượng thi công

Việc sử dụng lớp phủ mỏng để tạo nhám cho hệ thống đường ô tô, đặc

biệt là đường cấp cao và đường cao tốc là cần thiết nhằm cải thiện tốc độ xe

chạy, hạn chế tai nạn xảy ra trên đường khi xe chạy với tốc độ cao, nhất là

trong điều kiện đường ẩm ướt

Công nghệ lớp phủ mỏng tạo nhám được áp dụng khá phổ biến trên thế

giới, nó được sử dụng rộng rải trên các tuyến đường ô tô và đường cao tốc của

Hoa Kỳ, châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc và một số nước ASEAN

Hệ thống đường ô tô cấp cao và đường cao tốc ở Việt Nam đang được

đầu tư xây dựng và phát triển trong tương lai gần, cụ thể như dự án cầu Giẽ -

Ninh Bình, Tp.Hồ Chí Minh - Trung Lương, Láng - Hòa Lạc, Hà Nội - Hải

Phòng vv., nên việc nghiên cứu, ứng dụng để triển khai công nghệ lớp phủ

mỏng tạo nhám là cần thiết

Lớp phủ mỏng bê tông nhựa để tạo nhám bước đầu đã được thử nghiệm

trên đường Bắc Thăng Long - Nội Bài, đường QL1A đoạn Hà Nội - Cầu Giẽ

Qua hơn 10 năm khai thác, lớp phủ này đã khẳng định được đặc tính độ nhám

cao và độ bền qua thời gian khai thác Từ những kinh nghiệm thu nhận được

qua thi công các đoạn tạo nhám trên, bước đầu đã khẳng định được khả năng

làm chủ công nghệ lớp phủ mỏng bê tông nhựa tạo nhám của Ngành xây dựng

công trình giao thông trong nước

Trên cơ sở kết quả thu nhận được từ các đoạn thử nghiệm tạo nhám,

trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết, Quy trình công nghệ thi công và

nghiệm thu lớp phủ mỏng bê tông nhựa tạo nhám đã được biên soạn và đươc

Bộ GTVT ban hành mã số 22 TCN 345-06 Quy trình này dựa trên cơ sở các

Chỉ dẫn kỹ thuật của ESSO, Shell áp dụng cho các đoạn thử nghiệm trên

đường Bắc Thăng Long - Nội Bài, đường QL1A đoạn Hà Nội - Cầu Giẽ, và

được chỉnh sửa cho phù hợp với cơ sở lý thuyết và trình độ công nghệ trong

nước Quy trình 22 TCN 345-06 đã đưa ra những quy định chặt chẽ liên quan

đến công tác kiểm soát chất lượng vật liệu và sản phẩm trong các giai đoạn:

trước, trong và sau thi công; bổ sung những hướng dẫn trong công tác thiết kế

mẫu hỗn hợp bê tông nhựa, công tác sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa

Do thực tế công nghệ trong nước hiện nay chưa có máy rải chuyên

dụng, chưa có loại nhũ tương cải thiện sử dụng phụ gia Polime hoặc phụ gia

cao su nên Quy trình 22 TCN 345-06 áp dụng với loại máy rải thông thường

Chính vì vậy, quy trình này chỉ quy định với 1 loại đường bao cấp phối cốt

liệu phù hợp với chiều dầy rải trung bình 2,5 (2,0-3,0) cm Do không áp dụng

nhũ tương nhựa đường cải thiện-loại phân tách nhanh hoặc rất nhanh (chỉ sử

dụng nhũ tưong nhựa đường thông thường) làm lớp dính bám nên thời gian thi

công lớp phủ này sẽ kéo dài và bị gián đoạn do phải chờ nhũ tương phân tách

(thưòi gian gián đoạn đến 6 giờ) Đây cũng là hạn chế của Quy trình 22 TCN

345-06

Công nghệ Novachip dùng làm lớp bê tông nhựa phủ mỏng mặt đường

lần đầu tiên được giới thiệu và sử dụng tại Pháp vào năm 1986 Từ năm 1986

cho đến nay, công nghệ này đã được dùng phổ biến ở nhiều nước Châu Âu để

làm lớp phủ tạo nhám trên các đường ô tô cấp cao, đường cao tốc

Novachip là công nghệ rải một lớp bê tông nhựa nóng có độ nhám cao,

cấp phối gián đoạn, có chiều dầy mỏng (từ 0,95 - 1,9 cm) trên một mặt đường

khi đã tưới dính bám bằng nhũ tương nhựa đường polime ưu điểm nổi bật của

công nghệ Novachip là:

- Thời gian thi công nhanh: do sử dụng máy rải chuyên dụng (máy rải

Novapaver), tốc độ rải trung bình 1,1-1,36 Km/giờ/vệt rải; do dùng

nhũ tương nhựa đường polime phân tách nhanh làm lớp dính bám

(gọi là Novabond) nên việc thi công không bị gián đoạn do phảỉ chờ

nhũ tương phân tách

- Bề dày lớp phủ mỏng và có thể thay đổi (từ 0,9 cmữ2,5 cm): do sử

dụng máy rải chuyên dụng nên dễ dàng khống chế chiều dày Đây là

ưu điểm nổi bật, có hiệu quả kinh tế khi rải lớp phủ mỏng

- Rải được trên lớp mặt đường cũ có hiện tượng rạn nứt nhỏ: do dùng

nhũ tương nhựa đường polime phân tách nhanh làm lớp dính bám

(gọi là Novabond) Loại nhũ tương này có ưu điểm nổi bật là có thể

hàn kín các vết nứt nhỏ, khắc phục việc nước thấm xuống lớp dứới

mặt đường Ngoài ra lớp nhũ tưong này cũng làm tăng khả năng liên

kết giữa lớp phủ mỏng với mặt đưòng cũ

Với sự tài trợ của Công ty Hall Brother (Hoa Kỳ), công nghệ Novachip

dự kiến được đưa vào áp dụng ở Việt nam Đối với Việt Nam, đây là công

nghệ hoàn toàn mới, chưa từng được nghiên cứu và áp dụng thử nghiệm

Do vậy việc nghiên cứu về công nghệ Novachip là rất cần thiết để sớm

có thể áp dụng được công nghệ này vào Việt Nam

Như vậy đề tài : “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Novachip làm lớp

phủ mỏng để tạo nhám mặt đường trong xây dựng công trình giao thông ở Việt

Nam” là cần thiết và có tính thời sự

1.2 Phương hướng giải quyết đề tài

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về độ nhám mặt đường, các loại bê tông nhựa

làm lớp mặt đường để tăng độ nhám, nghiên cứu công nghệ Novachip, phân

tích các ưu, nhược điểm của từng loại và đề xuất khả năng áp dụng trong điều

kiện thực tế Việt Nam hiện nay

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về độ nhám mặt đường, cách đánh giá tiêu chuẩn

độ nhám và tầm quan trọng của độ nhám trong khai thác đường ô tô

- Nghiên cứu các loại lớp mặt bê tông nhựa tạo nhám và thực tế sử dụng

hiện nay ở Việt Nam

- Nghiên cứu về công nghệ Novachip, về phương pháp thiết kế thành

phần, về công nghệ thi công và nghiệm thu Phân tích các ưu, nhược

điểm của Novachip và khả năng áp dụng trong điều kiện thực tế Việt

Nam

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết bê tông nhựa: tổng quan về bê tông nhựa làm

đường, bê tông nhựa tạo nhám, các phương pháp thiết kế thành phần bê

tông nhựa, công nghệ thi công bê tông nhựa

- Nghiên cứu đánh giá công nghệ Novachip được thực hiện ở Hoa Kỳ

đồng thời bước đầu triển khai các thí nghiệm ban đầu trong phòng để

định hướng áp dụng

- Đánh giá, kết luận

1.2.4 ý nghĩa khoa học của đề tài

- Về lý thuyết : Đề tài tiến hành nghiên cứu tổng hợp các vấn đề liên

quan đến các loại bê tông nhựa chặt, các loại bê tông nhựa tạo nhám về

các nội dung: thành phần hỗn hợp, phương pháp thiết kế, công nghệ thi

công và khả năng áp dụng với những điều kiện đặc thù

- Nghiên cứu bản chất về độ nhám, cách đánh giá độ nhám và vai trò của

độ nhám trong khai thác đường ô tô

- Về thực nghiệm: Đánh giá được công nghệ Novachip được sử dụng ở

Mỹ và những kiến nghị cho việc áp dụng ở Việt Nam

1.3 Nội dung đề tài :

Đề tài được thực hiện tại Trường Đại học GTVT, phần nghiên cứu hiện

trường công nghệ xây dựng ở bang Kansas – Hoa Kỳ

Nội dung của đề tài bao gồm 5 chương

Chương 1: Đặt vấn đề và nhiệm vụ nghiên cứu

Chương 2: Nghiên cứu tổng quan về độ nhám và lớp phủ bê tông nhựa

tạo nhám Chương 3: Nghiên cứu phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê

tông nhựa, các yêu cầu vật liệu của Novachip Chương 4: Nghiên cứu công nghệ thi công và nghiệm thu lớp phủ mỏng

tạo nhám của Novachip Chương 5: Kết luận – Kiến nghị

chương 2

nghiên cứu tổng quan về độ nhám mặt đường và

lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám 2.1 Tầm quan trọng lớp phủ mỏng tạo nhám

Trong những năm gần đây, một vấn đề lớn của chuyên ngành đường ô tô

được các nước trên thế giới quan tâm là an toàn giao thông Những tai nạn

giao thông đường bộ xảy ra ngoài các nguyên nhân do tổ chức giao thông

chưa tốt, điều kiện địa hình hạn chế thì một nguyên nhân không nhỏ là do tình

trạng mặt đường xấu, bị trơn trượt

Sức chống trượt của mặt đường là một yếu tố quan trọng để đảm bảo an

toàn cho xe chạy với vận tốc cao, đặc biệt trong điều kiện mặt đường bị ẩm

ướt làm cho độ bám của bánh xe với mặt đường bị suy giảm đáng kể Nhằm

nâng cao khả năng chống trượt của mặt đường ôtô, các nhà nghiên cứu và

công nghệ đường ô tô trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu và đề xuất các giải

pháp cải thiện đồng thời theo hai hướng:

- Về mặt các nhà thiết kế chế tạo ôtô thì chú ý nâng cao chất lượng hệ thống

hãm xe và hệ thống lái, cải tiến cấu tạo và hình dáng mặt ngoài của lốp xe

nhằm tăng độ bám với mặt đường;

- Về mặt các nhà thiết kế, xây dựng và khai thác đường ôtô thì tìm cách làm

cho mặt đường có độ nhám cao, lâu mòn và tương đối ổn định cả trong khi

mặt đường bị ẩm ướt

Bên cạnh các chỉ tiêu về cường độ, độ bằng phẳng của mặt đường, thì độ

nhám mặt đường là một chỉ tiêu quan trọng của đường ô tô, có ý nghĩa quyết

định đến hiệu quả khai thác, đảm bảo an toàn cho xe chạy với vận tốc thiết kế

ngày càng cao, nhất là trên các đường ô tô cấp cao và đường cao tốc Việc xây

dựng mặt đường có độ nhám cao cũng được chú trọng một cách đặc biệt ở

những đoạn đường dốc, đường quanh co bán kính nhỏ, những đoạn gần đến

nút giao thông, đường trục chính trong đô thị, khu đông dân cư Theo điều tra

thống kê của một số nước thì có đến 20% số vụ tai nạn giao thông có nguyên

nhân trực tiếp hay gián tiếp là do mặt đường trơn trượt, độ nhám không đủ, hệ

số bám giữa bánh xe và mặt đường quá thấp

Do vậy, cần phải tạo được bề mặt đường bê tông nhựa có độ nhám cao

đặc biệt đối với đường cấp cao có tốc độ sử dụng lớn

2.2 Bản chất của độ nhám mặt đường

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ bám

của bánh xe với mặt đường, hay hệ số ma sát giữa bánh xe với mặt đường,

trong đó về phương diện đường thì yếu tố chủ yếu và quan trọng là độ nhám

bề mặt của đường

Để nghiên cứu bản chất và các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám, người ta

tiến hành phân tích cấu trúc bề mặt của mặt đường Độ nhám bề mặt của mặt

đường được tạo nên bởi hỗn hợp đá- nhựa lu lèn bao gồm 2 thành phần chính

và được mô tả ở hình dưới 2.1 dưói đây:

chênh cao giữa bề mặt mặt đường so với mặt phẳng chuẩn với các

kích thước đặc trưng của bước sóng và biên độ thấp nhất từ 0,5mm

cho đến mức mà độ chênh cao đó không ảnh hưởng đến sự tác động

giữa lốp xe và mặt đường Có thể nói độ nhám vĩ mô là độ nhám của

toàn bộ của bề mặt đường và được hình thành bởi hình dáng, kích

thước của các hạt cốt liệu lộ ra trên bề mặt đường

- 2) Nhám vi mô (nhám mịn - microtexture) được định nghĩa là độ

chênh cao giữa bề mặt mặt đường so với mặt phẳng chuẩn với các

kích thước đặc trưng của bước sóng và biên độ nhỏ hơn 0,5 mm Có

thể nói độ nhám vi mô là độ nhám, độ xù xì bề mặt của hạt cốt liệu lộ

ra trên mặt đường và thường khó nhìn thấy

Quan hệ giữa nhám vĩ mo và nhám vi mô được thể hiện qua các phân tích

sau:

Mặt đường ở trạng thái bất lợi nhất khi bị ẩm ướt thì giữa lốp xe và mặt

đường có tồn tại một hiệu ứng màng nước làm giảm khả năng tiếp xúc giữa

lốp xe với mặt đường Nếu mặt đường có cấu tạo vi mô tốt sẽ tạo nên khả năng

lớp màng mỏng nước sẽ bị xua tan và xâm nhập vào đá khi lốp xe tiếp xúc với

mặt đường, kết quả là tạo nên một sự tiếp xúc khô giữa lốp xe và mặt đường

Vì vậy mà độ nhám vi mô là luôn cần thiết cho cả giao thông ở tốc độ thấp và

giao thông ở tốc độ cao

Khi xe chạy ở tốc độ cao (v ≥ 65 km/h) thì xuất hiện một hiệu ứng màng

nước (hydroplaning) tại vị trí tiếp xúc giữa lốp xe và mặt đường Lớp màng

nước mỏng này sẽ trở thành một cái “nêm” Khi xe chạy với tốc độ cao, sẽ dẫn

tới khả năng không kịp có đủ thì giờ để ép nước dưới bánh xe ra Cái “nêm”

này càng lớn lên thì vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường càng giảm đi,

làm giảm hệ số nhám mặt đường Với tốc độ tới hạn nào đó, sẽ mất hoàn toàn

sự tiếp xúc lốp xe với mặt đường Kết quả nghiên cứu trên thế giới chỉ ra

rằng, với các xe khách chạy ở tốc độ gần tới 100 km/h thì nguy cơ hiệu ứng

màng nước-hydroplaning có thể xuất hiện khi bề dày lớp nước trên mặt đường

vào khoảng 3 mm

Vai trò của nhám vĩ mô là tạo ra các kênh thoát nước Bằng cách làm

giảm áp lực nước ở trước và xung quanh lốp xe, nhám vĩ mô cho phép một

diện tích lớn của lốp xe vẫn duy trì sự tiếp xúc ma sát với bề mặt đường Điều

này cho phép nhám vi mô phát huy tác dụng kháng trượt

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới đã xác định được tương

quan giữa độ nhám vĩ mô được biểu thị bằng chiều sâu trung bình cát H (mm)

theo phương pháp rắc cát và mức độ suy giảm sức kháng trượt mặt đường

được đo bằng hệ số lực hãm phanh (BFC) trong khoảng tốc độ từ V = 50km/h

đến V = 130km/h, với độ nhám vi mô coi là không đổi (chất lượng cốt liệu

như nhau, chỉ có thành phần cấp phối khác nhau ) Tương quan này được thể

hiện ở Bảng 2.2

Bảng 2.2 Quan hệ giữa chiều sâu cát H và độ giảm lực hãm phanh BFC (%)

Chiều sâu cát H (mm) Mức suy giảm lực hãm phanh

Qua các số liệu ở Bảng 2.2 cho thấy: cùng một độ nhám vi mô như nhau,

nhưng do độ nhám vĩ mô khác nhau dẫn tới khả năng suy giảm sức kháng

trượt cũng khác nhau Nguyên nhân chủ yếu là do tác động khác nhau của

hiệu ứng màng nước khi xe chạy vơí tốc độ cao Về lý thuyết, với chiều sâu

H=2,0 mm thì hoàn toàn triệt tiêu hiệu ứng màng nước

Quan hệ giữa giá trị độ nhám vĩ mô thông qua trị số chiều sâu trung

bình cát H (mm) và tốc độ an toàn chạy xe được thể hiên trong quy trình thí

nghiệm xác định độ nhám mặt đường bằng phương pháp rắc cát 22 TCN 278-01 và được chi tiết ở Bảng 2.3

Bảng 2.3 Quy định về chiều sâu trung bình cát theo 22 TCN 278-01

Chiều sâu trung bình Htb (mm)

Đặc trưng

độ nhám của bề mặt Phạm vi áp dụng

Qua Bảng 2.4 có thể nhận thấy, để dảm bảo tốc độ chạy xe an toàn lớn

hon hoạc bằng 80 km/h, độ nhám vĩ mô của mặt đường qua chỉ tiêu rắc cát H

(mm) phải lớn hơn hoặc bằng 0,8

Qua các phân tích trên có thể rút ra kết luận là có 2 thành phần chính tạo

nên sức kháng trượt của bề mặt đường, đó là nhám vĩ mô và nhám vi mô:

• Nhám vĩ mô tạo ra các đường thoát nước, một yếu tố cần thiết cho giao

thông ở tốc độ cao,

• Nhám vi mô tạo ra sức kháng trượt là yếu tố cần thiết cho cả giao thông ở

tốc độ thấp và giao thông ở tốc độ cao

2.2.1 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám vĩ mô

1) Diện tích cốt liệu thô nổi lên mặt đường:

Trong hỗn hợp bê tông nhựa thì cốt liệu lớn nhất nhô lên bề mặt đường là

nơi mà lốp xe tiếp xúc nhiều nhất Vì thế mà nó đóng góp phần lớn vào sức

kháng trượt của bề mặt đường qua cả nhám vĩ mô và vi mô Nhám vĩ mô đạt

được nhờ việc thiết kế tối ưu hàm lượng nhựa và phụ thuộc trực tiếp vào cấp

phối, góc cạnh và hình khối của cốt liệu Do vậy mà việc thiết kế hỗn hợp lớp

bề mặt bê tông nhựa là làm sao phải cho nổi lên tối đa thành phần hạt cốt liệu

thô Việc dùng một tỷ lệ lớn các cốt liệu thô trong hỗn hợp sẽ cho kết quả là

một diện tích lớn các cốt liệu thô đựơc nổi lên mặt đường và do đó sẽ có độ

nhám vĩ mô cao

2) Hàm lượng nhựa trong hỗn hợp và hệ số đầm nén:

Nếu lượng nhựa quá nhiều hoặc độ đầm nén quá chặt sẽ làm giảm diện

tích nổi lên mặt đường của các cốt liệu thô, do đó làm giảm sức kháng trượt

mặt đường Ngoài ra, tính chất vật lý của bản thân loại nhựa cũng ảnh hưởng

đáng kể tới độ nhám vĩ mô Một loại nhựa có thuộc tính ổn định nhiệt cao

(nhựa cải thiện) sẽ hạn chế khả năng chảy nhựa vào mùa nóng làm cho bề mặt

bê tông nhựa dễ duy trì được diện tích cốt liệu thô hơn

3) Tính 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 sức chịu bào mòn kém sẽ nhanh chóng bị mòn vẹt đi dưới

tác dụng của xe cộ và cho kết quả là mặt đường bị mất sức kháng trượt Tính

chịu mài mòn của cốt liệu được xác định bằng thí nghiệm độ mài mòn Los

Angeles

4) Hình khối, góc cạnh của cốt liệu thô:

Để cho các hạt cốt liệu nhô lên bề mặt đường không bị gãy vụn ra, để

đảm bảo độ nhám vĩ mô bền thì các hạt cốt liệu phải có dạng hình khối, không

được chứa nhiều hạt dẹt

5) Thành phần hõn hợp cốt liệu:

Việc tăng độ nhám vĩ mô được thực hiện thông qua lựa chọn thành phần

cấp phối cốt liệu nằm trong đường bao chuẩn quy định, nhằm tăng giá trị

chiều sâu trung bình cát H (mm) của bề mặt mặt đường sau khi rải Để thoả

mãn yêu cầu tăng giá trị H trên, lớp phủ bê tông nhựa thường phải được thiết

kế với độ rỗng dư lớn hơn nhiều (độ rỗng dư từ 12% đến 23%) so với lớp phủ

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

2.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô

Có thể nói độ nhám vi mô là độ nhám, độ xù xì bề mặt của hạt cốt liệu

Khi đã có độ nhám vĩ mô tốt thì sức kháng trượt của bề mặt đường phụ thuộc

chủ yếu vào độ nhám vi mô của cốt liệu Do đó cần thiết phải lựa chọn cẩn

thận các cốt liệu có độ nhám vi mô tốt và bền Một số chỉ tiêu đánh giá độ

nhám vi mô cần thiết được nêu là:

1) Chỉ số độ mài bóng cốt liệu đá -PSV (British Polish Stone Value Test,

ASTM D3319):

Đối với đá, độ bền của nhám vi mô chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính

kháng mài bóng Sức kháng mài bóng của đá được đánh giá bằng thí nghiệm

mài bóng thông qua chỉ số mài bóng PSV (British Polish Stone Value Test,

ASTM D3319) Vật liệu đá có chỉ số PSV cao chứng tỏ có sức kháng mài

bóng tốt

Đối với cát, độ bền của nhám vi mô chủ yếu phụ thuộc chủ yếu vào

hàm lượng thạch anh và silic

Phần lớn cốt liệu đều có độ nhám vi mô ban đầu tốt Do đó mà hầu hết

mặt đường đều có sức kháng trượt cao khi còn mới Dưới tác dụng của xe cộ

thì các cốt liệu lộ ra trên mặt đường sẽ nhanh chóng bị mài bóng và sau một

thời gian thì sức kháng trượt sẽ bị giảm xuống đến mức độ cân bằng Các loại

cốt liệu có thành phần cacbonat và đôlômit cao được coi là loại vật liệu có tính

kháng mài bóng thấp, bề mặt của chúng sẽ cực kỳ trơn khi qua thời gian khai

thác

Yêu cầu về giá trị PSV tối thiểu tương ứng với các cấp đường và lưu

lượng xe chạy theo các tài liệu công bố ở nước Anh được chi tiết ở Bảng 2.5

Bảng 2.5 Giá trị PSV tối thiểu cho các điều kiện đường

Cấp đường Lưu lượng xe

( xe/làn/ngày ) Giá trị PSV tối thiểu Cấp cao A1, A2 < 250

250-1000 1000-1750

Cấp trung bình C không quy định 45

2) Độ bền vững cốt liệu:

Các cốt liệu mà có thành phần hạt cứng, không tan trong a xít cao, nhất

là vật liệu có thành phần silic và silicát cao là các vật liệu có độ nhám vi mô

tốt và bền Thành phần chất không tan trong a xít được xác định bằng thí

nghiệm ASTM D3042

Như phân tích ở trên, lớp phủ tạo nhám có giá trị H càng lớn càng đảm

bảo tạo nên một mặt đường có sức kháng trượt cao thường được thực hiện

bằng cách tăng độ rỗng dư và vì vậy liên kết giữa các hạt cốt liệu đá-nhựa

trong kết cấu sẽ càng kém bền vững và dễ bị phá hoại do tác dụng của nước

ngấm trong kết cấu Lớp phủ tạo nhám có giá trị H càng lớn thì chiều dầy thiết

kế lớn, loại nhựa đường cải thiện có hàm lượng chất phụ gia cải thiện cao hơn,

dẫn tới giá thành xây dựng đắt hơn Việc quyết định giải pháp lớp phủ bê tông

nhựa tạo nhám nào cho hợp lý được dựa trên cơ sở tốc độ xe thiết kế, chiều

dầy lớp phủ và là một bài toán kinh tế-kỹ thuật

Lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám phải cần đảm bảo liên kết tốt với lớp

phía dưới cũng như liên kết tốt giữa các hạt đá nhựa với nhau trong bản thân

lớp phủ Do đặc thù độ rỗng dư lớn, nước dễ thấm và phá hoại liên kết đá nhựa

nên loại lớp phủ này chỉ có hiệu quả khi sử dụng loại nhựa đường cải thiện

Do chịu tác dụng trực tiếp của phương tiện chạy xe, lớp phủ này phải có

đủ cường độ và chịu mài mòn tốt, chính vì vậy cường độ và độ mài mòn cốt

liệu đá cũng phải được quan tâm, nhằm đảm bảo tuổi thọ của loại lớp phủ này

được kéo dài

Để đảm bảo lớp phủ này làm việc có hiệu quả, kéo dài tuổi thọ cần phải

chú trọng trong việc xây dựng một chỉ dẫn kỹ thuật cho phù hợp và tuân thủ

các quy dịnh trong chỉ dẫn kỹ thuật khi xây dựng loại lớp phủ này

2.3 Tình hình nghiên cứu, áp dụng lớp phủ mỏng tạo nhám trên

thế giới và ở việt nam

2.3.1 Tình hình nghiên cứu, áp dụng lớp phủ mỏng tạo nhám trên thế giới

Trên thế giới, nhất là ở các nước như Anh, Mỹ, Pháp, Nga, do hệ thống

đường cao tốc đã được xây dựng và phát triển từ những năm 50 nên đã có

nhiều tổ chức, cơ quan chú trọng nghiên cứu về độ nhám mặt đường Các kết

quả nghiên cứu về độ nhám mặt đường được phản ảnh trên các lĩnh vực sau:

- Nghiên cứu bản chất cấu trúc của độ nhám mặt đường, các nhân tố

ảnh hưởng đến độ nhám, hệ thống thí nghiệm đánh giá các ảnh

hưởng;

- Nghiên cứu công nghệ xây dựng lớp phủ mặt đường có độ nhám cao;

- Nghiên cứu các giải pháp và thiết bị đánh giá khả năng nhám của mặt

đường

Để xây dựng mặt đường có độ nhám cao, trên thế giới đã nghiên cứu và

sử dụng một số giải pháp sau:

1) Lớp phủ bê tông nhựa cấp phối hở:

Loại lớp phủ này có các tên gọi như bê tông nhựa rỗng (Porous Asphalt),

bê tông nhựa cấp phối hở thoát nước ( OGDM-Open graded drainage mix)

Do sử dụng cấp phối hở (Open-Graded) , tạo nên hỗn hợp có độ rỗng dư

lớn (18-23 %) nên loại lớp phủ này có các ưu điểm sau:

- Có tác dụng làm tăng đáng kể độ nhám (sức kháng trượt) mặt đường

Khi mưa, nước sẽ thấm qua các lỗ rỗng mặt đường và thoát ngang ra

ngoài, giảm thiểu hiệu ứng nêm nước giữa bánh xe và mặt đường khi

chạy xe ở tốc độ cao, giảm thiểu tổn thất ma sát

- Giảm đáng kể tiếng ồn khi chạy xe với tốc độ cao

- Cường độ lớp phủ cao được sử dụng khi tính toán thiết kế chiều dầy

kết cấu mặt đường

Tuy nhiên, do độ rỗng dư lớn, nên loại lớp phủ này phải sử dụng nhựa

đường cải thiện để đảm bảo khả năng liên kết tốt giữa cốt liệu với chất nhựa

đường chống lại ảnh hưởng của nước thấm qua lỗ rỗng Ngoài ra, lớp phủ loại

này có chiều dày rải khá lớn (4,0 cm - 5,0 cm) để tăng hiệu quả thoát nước

Loại lớp phủ này thường áp dụng làm lớp mặt trên đường cao tốc, đường

hạ cất cánh sân bay, đường đua xe, các đoạn đường đặc biệt

2) Lớp phủ bê tông nhựa cấp phối gián đoạn:

Loại lớp phủ này có tên gọi như: lớp phủ rất mỏng - VTO (Very thin

Overlay), lớp phủ siêu mỏng- UBWC (Untra thin Coarse) Lớp phủ Novachip

bao gồm cả loại lớp phủ rất mỏng và lớp phủ siêu mỏng qua việc lựa chọn cấp

phối cốt liệu có kích cỡ hạt lớn nhất danh định

Do sử dụng cấp phối gián đoạn (gap-graded), tạo nên hỗn hợp có độ rỗng

dư lớn khá lớn (12-16 %) nên loại lớp phủ này có các ưu điểm sau:

- Có tác dụng cải thiện độ nhám (sức kháng trượt) mặt đường Khi

mưa, nước sẽ thấm qua các lỗ rỗng mặt đường và thoát ngang ra

ngoài, giảm thiểu hiệu ứng nêm nước giữa bánh xe và mặt đường khi

chạy xe ở tốc độ cao, giảm thiểu tổn thất ma sát Tuy nhiên do độ

rỗng dư không cao so với lớp phủ bê tông nhựa cấp phối hở nên hiệu

quả tạo nhám sẽ thấp hơn

- Giảm tiếng ồn khi chạy xe với tốc độ cao

- Chiều dày lớp phủ mỏng hơn (1-3cm), tính kinh tế cao hơn cao so với

lớp phủ bê tông nhựa cấp phối hở

Tuy nhiên, lớp phủ loại này thường phải sử dụng nhựa đường cải thiện để

đảm bảo liên kết đá-nhựa, nhất là khi lớp phủ càng mỏng, và liên kết giữa lớp

phủ với mặt đường cũ

Do chiều dày lớp phủ mỏng nên chiều dày này không tính vào chiều dày

tỏng kết cấu khi thiết kế Ngoài ra, để dảm bảo lớp phủ có độ bền, lớp mặt

phía dưới phải đủ bền vững

Loại lớp phủ này thường sử dụng làm lớp phủ tạo nhám trên đường ô tô

cấp cao, đường cao tốc

3) Bê tông đá vữa nhựa - SMA (Stone Mastic Asphalt):

Là hỗn hợp đá - nhựa có đặc thù: cấp phối cốt liệu gián đoạn, thành phần

cốt liệu thô và thành phần vữa có chất kết dính (lượng bột đá và hàm lượng

nhựa) lớn hơn so với bê tông nhựa chặt, độ rỗng dư tương tự như bê tông nhựa

chặt (3-5%)

Loại lớp phủ này có ưu điểm:

− Cường độ cao hơn so với bê tông nhựa chặt do cấu trúc mặt đường làm

việc theo nguyên lý liên kết đá chèn đá Có khả năng chống lại hiện

tượng hằn lún vệt bánh xe tốt, tăng khả năng lão hóa và tăng tuổi thọ

− Độ nhám mặt đường được cải thiện do lượng cốt liệu thô lớn, lượng cốt

liệu nhỏ trung gian (lọt qua sàng 4,75 mm) tương đối thấp (20 - 28%)

− Mặt đường kín nước do các lỗ rỗng được lấp đầy bởi lượng vữa có chất

kết dính (bao gồm nhựa đường và bột đá), độ rỗng dư nhỏ,

Stone Mastic Asphalt được sử dụng được sử dụng khá rộng rãi cho nhiều

dạng mặt đường: đường nhiều xe tải trọng nặng, làn đường dành riêng cho xe

buýt, đường hạ cất cánh, đường lăn của sân bay, đường đua xe, đường có độ

dốc lớn, lớp phủ mặt cầu Chiều dầy rải hiệu quả: như bê tông nhựa chặt (4,0

cm - 7,0 cm)

Loại lớp phủ này có thể sử dụng nhụa đường thông thường Để tăng khả

năng ổn định của nhựa đường trong hỗn hợp ở nhiệt độ cao, người ta thường

sử dụng phụ gia cốt sợi như coton fiber

2.3.2 Tình hình nghiên cứu, áp dụng lớp phủ mỏng bê tông nhựa tạo

nhám ở Việt Nam

Trong những năm trước đây, hệ thống đường bộ ở Việt nam còn ít và

lạc hậu, quản lý khai thác hầu hết là ở tốc độ thấp Vì vậy vấn đề độ nhám của

mặt đường ôtô nói chung và mặt đường bê tông nhựa nói riêng chưa được chú

trọng đúng mức Nhìn chung, các nghiên cứu về độ nhám trong giai đoạn này

hầu như chưa có gì đáng kể, chưa có một quy trình thiết kế, phương pháp

tuyển chọn vật liệu nhằm mục đích tạo nhám được ban hành

Những năm gần đây đất nước ta với nhịp độ tăng trưởng kinh tế - xã hội

ngày một cao Giao thông vận tải là một trong các ngành đã và đang phát triển

mạnh mẽ, nhiều dự án lớn về xây dựng mới và nâng cấp các con đường cấp

cao như : đường Bắc Thăng long - Nội Bài, Láng - Hoà Lạc, QL5, QL1A,

QL18, QL51, QL14 đã và đang được triển khai và hoàn thành Một thực tế

đặt ra cho các con đường cấp cao đã và sẽ xây dựng ở Việt nam là làm sao có

thể đạt được tốc độ chạy xe cao phù hợp với thiết kế (90-100 Km/h ) mà vẫn

đảm bảo hạn chế các tai nạn xảy ra trên đường

Trong những năm gần đây, ở Việt Nam đã nghiên cứu và áp dụng một

số giải pháp nhằm làm tăng độ nhám cho mặt đường xe chạy, đặc biệt ở

những con đường cấp cao Trong đó chủ yếu là giải pháp sử dụng lớp phủ bê

tông nhựa tạo nhám (cấp phối hở), một số áp dụng có thể kể đến là:

- Lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở- OGFC (Open graded

friction cource), lớp phủ bê tông nhựa thoát nước cấp phối hở- OGDM

(Open graded drainage mix) trên đường Bắc Thăng Long-Nội Bài (năm

1994, công nghệ ESSO) do Viện Khoa học & Công nghệ GTVT chủ trì

biên soạn Chỉ dẫn kỹ thuật và Tư vấn, đánh giá

- Lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám rất mỏng-VTO (Very Thin Overlay)

trên đường cao tốc Pháp Vân-Cầu Giẽ (năm 2001, công nghệ Shell) do

Viện Khoa học & Công nghệ GTVT chủ trì biên soạn Chỉ dẫn kỹ thuật

và Tư vấn, đánh giá

Từ năm 1994, Viện Khoa học &Công nghệ GTVT đã tiến hành theo

dõi, kiểm tra, đánh giá chất lượng của đoạn tạo nhám VTO và đoạn thoát nước

OGDM Tiến hành quan sát chất lượng bề mặt, thí nghiệm rắc cát với mật độ

đo là 20 điểm đo trên đoạn thử nghiệm Qua 10 năm khai thác, chất lượng mặt

đường vẫn còn tốt, mặt đường bằng phẳng, hiện tượng mài mòn nhựa không

đáng kể Giá trị trung bình của kết quả đo nhám trên đoạn thử nghiệm VTO và

Bảng 2.7 Kết quả đo nhám trên đoạn thoát nước OGDM

Qua bảng 2.6 và Bảng 2.7 cho thấy, mức độ suy giảm độ nhám vĩ mô

qua chỉ tiêu rắc cát H (mm) qua hơn 10 năm là thấp, mặt đường vẫn đảm bảo

duy trì độ nhám cao

Bộ GTVT cũng đã ban hành Quy trình công nghệ thi công và nghiệm

thu lớp phủ mỏng bê tông nhựa có độ nhám cao 22TCN 345-06 làm cơ sở để

thi công, nghiệm thu, kiểm soát chất lượng lớp phủ mỏng tạo nhám Theo quy

trình này, bê tông nhựa tạo nhám sử dụng nhựa Polime có các yêu cầu kỹ

thuật được quy định tại Tiêu chuẩn vật liệu nhựa đường Polime-Yêu cầu kỹ

thuật và phương pháp thí nghiệm 22TCN 319-04

Định hướng trong thời gian tới, tất cả các đường cấp cao (có tốc độ xe

chạy lớn) đều phải sử dụng lớp phủ tạo nhám trên mặt đường bê tông nhựa, cụ

thể như: Đường Láng-Hoà Lạc, đường cao tốc Tp.Hồ Chí Minh - Trung

Lương, Cầu Giẽ-Ninh Bình, đường cao tốc Hà Nội-Thái Nguyên, QL18 đoạn

Hà Nội-Bắc Ninh

Điều đó cho thấy trong tương lai, lớp phủ tạo nhám sẽ được sử dụng rất

nhiều ở Việt Nam, do vậy cần thiết phải có những nghiên cứu chuyên sâu về

vấn đề này

2.4 giới thiệu về lớp phủ tạo nhám theo công nghệ Novachip

Công nghệ Novachip dùng làm lớp phủ mỏng mặt đường lần đầu tiên

được giới thiệu và sử dụng tại Pháp vào năm 1986 Sau đó công nghệ

Novachip được đăng ký thành thương hiệu của Hiệp hội đường bộ Quốc tế

Công dụng chính của công nghệ này để dùng làm lớp phủ mỏng tạo nhám và

độ bằng phẳng mặt đường trên các loại mặt đường cũ Từ năm 1986 cho đến

nay, công nghệ này đã được dùng phổ biến ở nhiều nước Châu Âu Lớp phủ

mỏng tạo nhám dùng công nghệ Novachip thường được sử dụng làm lớp phủ

trên mặt đường có xe chạy với tốc độ cao, lưu lượng xe chạy lớn trên đường

cao tốc và các đường quốc lộ quan trọng

Lần đầu tiên công nghệ Novachip được giới thiệu tại Mỹ vào năm 1990

Dự án đầu tiên sử dụng công nghệ Novachip tại Mỹ được thực hiện vào năm

1992 tại bang Alabama với thiết bị rải được nhập từ Pháp Trong cùng thời

gian đó, nhiều đoạn đường thử nghiệm công nghệ Novachip cũng được áp

dụng ở bang Mississipi và bang Texas Trong khi đó, công nghệ Novachip lần

đầu tiên được áp dụng ở bang Louisiana vào tháng 9 năm 1997 Từ đó đến

nay, công nghệ này không ngừng được cải tiến và áp dụng rộng rãi ở nhiều

bang ở nước Mỹ như Michigan, Texas, California, Oklahoma, Kansas, Tính

cho đến nay đã có 42 bang ở nước Mỹ đã sử dụng công nghệ Novachip làm

lớp phủ mỏng mặt đường với diện tích đã rải trên 40 triệu m2 bề mặt các tuyến

đường bộ

Novachip là công nghệ rải một lớp bê tông nhựa nóng, cấp phối gián

đoạn, có chiều dầy mỏng (từ 0,9 cmữ2,5 cm) trên một mặt đường khi đã tưới

dính bám bằng vật liệu nhũ tương nhựa đường polime

Trong công nghệ Novachip:

- Hỗn hợp bê tông nhựa được gọi là hỗn hợp bê tông nhựa Novachip; lớp

mặt đường bê tông nhựa gọi là lớp mặt đường bê tông nhựa Novachip;

- Vật liệu nhũ tương nhựa đường polime dùng cho lớp dính bám gọi là

vật liệu dính bám Novabond; lớp dính bám gọi là lớp dính bám

Novabond

Bê tông nhựa Novachip có thể được rải trên bề mặt đường bê tông nhựa

hoặc bê tông xi măng làm mới hoặc nâng cấp cải tạo

Công nghệ Novachip sử dụng một máy rải chuyên dụng (máy rải

Novapaver) để thi công lớp bê tông nhựa Novachip với tốc độ trung bình từ

1.1ữ1.36 Km/giờ/vệt rải; trong quá trình hoạt động, vật liệu dính bám

Novabond được tưới lên bề mặt đường cũ, ngay sau đó hỗn hợp bê tông nhựa

- Độ nhám mặt đường và khả năng chống văng bụi nước dưới bánh xe rất

tốt khi trời mưa

- Giảm được độ ồn phát ra dưới bánh xe với mặt đường

- Năng suất rải rất nhanh, tính ra có thể đạt tới 18-31 m dài/phút

Thực tế những nghiên cứu trên thế giới về công nghệ Novachip cho thấy

đây là một giải pháp hữu hiệu để tạo nhám cho mặt đường xe chạy

Đối với Việt Nam, đây là công nghệ hoàn toàn mới, chưa từng được

nghiên cứu và áp dụng thử nghiệm Với sự tài trợ của Công ty Hall Brother

(Hoa Kỳ), Bộ Giao thông vận tải đã tổ chức 1 đoàn chuyên gia sang làm việc

với đối tác và thăm quan, tìm hiểu công nghệ Novachip tại Mỹ vào tháng 7

năm 2006 (có sự tham gia của đại diện Vụ KHCN, Viện KHCN và nhiều

chuyên gia khác)

Do vậy việc nghiên cứu về công nghệ Novachip là rất cần thiết để sớm

có thể áp dụng được công nghệ này vào Việt Nam

chương 3

Nghiên cứu Phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp

bê tông nhựa, các yêu cầu vật liệu của novachip

3.1 các phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa chặt

3.1.1 Nguyên tắc thiết kế:

Các phương pháp thiết kế hiện nay được áp dụng phổ biến trên thế giới

có thể kể đến là: Phương pháp thiết kế Marshall, Phương pháp thiết kế Hveem,

Phương pháp Superpave Các Phương pháp này đều tuân thủ theo nguyên tắc

sau: Hỗn hợp bê tông nhựa được thiết kế (và đưa ra hàm lượng nhựa đường tốt

nhất) nhằm tạo nên một mặt đường có đủ cường độ, ổn định trong quá trình

khai thác phải thoả mãn 2 yếu tố cơ bản sau:

1) Yếu tố về đặc tính thể tích: bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng dư (VIM), độ

rỗng cốt liệu (VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) 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 dưới tác

động của tải trọng xe và yếu tố nhiệt độ môi trường, hạn chế sự xâm

nhập của nước vào hỗn hợp trong quá trình khai thác

2) Yếu tố về đặc tính cơ học: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất

lượng cốt liệu và các chỉ tiêu liên quan đến cường độ của hỗn hợp bê

tông nhựa sau khi đầm nén (độ ổn định, độ dẻo) nhằm đảm bảo cho kết

cấu lớp bê tông nhựa có đủ cường độ sau khi xây dựng

Ngoài các quy định trên, để đảm bảo cho bê tông nhựa có độ bền, độ ổn

định và chống được tác động của các phương tiện giao thông, còn quy định

chặt chẽ về chất lượng của nhựa, chất lượng cốt liệu và chất lượng bột đá

3.1.2 Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Marshall

Phương pháp này được phát triển bởi Bruce Marshall thuộc cơ quan

đường bộ bang Mississippi sau đó được tổ hợp quân sự Mỹ cải tiến và được

hoàn thiện để trở thành qui trình kỹ thuật như ASTM D1559 và AASHTO

T245 như ngày nay Phương pháp Marshall là một phương pháp thực nghiệm

trong phòng để tạo ra một hỗn hợp bê tông nhựa hợp lý nhất trên cơ sở của các

phân tích về độ ổn định/độ dẻo và độ rỗng/độ chặt Phương pháp này đang

được áp dụng rộng rãi ở Việt nam Phương pháp Marshall thông thường áp

dụng đối với hỗn hợp bê tông nhựa nóng với cấp phối liên tục có đường kính

lớn nhất là 25mm

Theo phương pháp Marshall, hỗn hợp bê tông nhựa sau khi thiết kế (và

chọn được hàm lượng nhựa tối ưu) phải thoả mãn các yêu cầu về đặc tính thể

tích và cường độ tương ứng với lương giao thông theo quy định ở Bảng 3.1

Bảng 3.1 Yêu cầu thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Marshall

Theo Marshall, tuỳ thuộc vào lượng giao thông chạy trên đường (giao

thông nhẹ, giao thông vừa, giao thông nặng) mà hỗn hợp bê tông nhựa được

thiết kế phải thoả mãn các yêu cầu quy định ở bảng 3.2

Mục đích chung của công tác thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa là lựa chọn

được cách phối hợp các loại vật liệu, cấp phối cốt liệu và hàm lượng nhựa tối

ưu về mặt kinh tế mà vẫn thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật Mục đích cuối cùng

của việc thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa là lựa chọn hàm lượng nhựa sao cho

thoả mãn tất cả các tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu

Bảng 3.2 Quy định về độ rỗng cốt liệu nhỏ nhất

Cỡ hạt danh định lớn nhất

Độ rỗng cốt liệu nhỏ nhất (%) tương ứng với độ rỗng dư thiết kế

Để đạt được các tính năng kỹ thuật nêu trên, vật liệu (đá, cát, bột đá,

nhựa) và hỗn hợp bê tông nhựa lựa chọn phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Các chỉ tiêu cơ lý của các loại vật liệu (đá, cát, bột đá, nhựa) dùng chế tạo

bê tông nhựa phải thoả mãn yêu cầu kỹ thuật quy định

- Hỗn hợp cốt liệu sau khi trộn phải thoả mãn tiêu chuẩn về đường cong cấp

phối yêu cầu

- Hỗn hợp bê tông nhựa lựa chọn phải thoả mãn các yêu cầu quy định theo

Marshall ( độ rỗng dư, độ bền, độ dẻo )

Việc lựa chọn loại nhựa đường được dựa trên Tiêu chuẩn phân loại nhựa

đường theo độ nhớt-AASHTO M226 hoặc theo độ kim lún-AASHTO M20

(hoặc theo 22 TCN 279-01 nếu áp dụng ở Việt nam) với các phương pháp thử

quy định

3.1.2.1 ưu điểm của phương pháp thiết kế Marshall

- Đã chú ý đến các đặc tính độ chặt và độ rỗng của hỗn hợp bê tông nhựa

Các phân tích này đảm bảo cho các thành phần thể tích của các vật liệu

trong hỗn hợp đạt tới một độ bền của hỗn hợp bê tông nhựa nóng

- Phương pháp thí nghiệm đơn giản, không đòi hỏi nhiều các điều kiện thí

nghiệm, nên đã được nhiều nước cũng như các dự án sử dụng

- Các yêu cầu về thiết bị thí nghiệm đơn giản và gọn nhẹ, do đó giá thành

các trang thiết bị thí nghiệm khá hợp lý và rất cơ động, phù hợp với các

phòng thí nghiệm hiện trường

3.1.2.2 Nhược điểm của phương pháp thiết kế Marshall

- Quá trình đầm nén mẫu sử dụng theo phương pháp Marshall không mô

phỏng hết được quá trình lu lèn thực tế ngoài hiện trường Vì vậy độ ổn

định Marshall không thể hiện đầy đủ cường độ chịu cắt của hỗn hợp bê

tông nhựa và nó khó đảm bảo được khả năng chống lại vệt hằn bánh cho

mặt đường bê tông nhựa

- Trong phương pháp thiết kế Marshall, các khả năng làm việc của mặt

đường bê tông nhựa chưa được xem xét chặt chẽ, do đó mặt đường bê tông

nhựa được thiết kế theo phương pháp này chưa khắc phục được ba hư hỏng

chính được xem xét ở trên: biến dạng vĩnh cửu, nứt do mỏi và nứt ở nhiệt

độ thấp

3.1.3 Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa Superpave

Năm 1987, chương trình nghiên cứu chiến lược đường ô tô (SHRP) được

tiến hành nhằm mục đích xây dựng một tiêu chuẩn thí nghiệm và phân loại

mới cho nhựa đường, đề xuất một phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

mới có xét tới quan hệ chặt chẽ giữa các thí nghiệm trong phòng và điều kiện

làm việc của kết cấu bê tông nhựa ở hiện trường được gọi tên là Superpave

(Superior Performing Asphalt Pavement-Mặt đường bê tông nhựa làm việc

hoàn hảo) Superpave là 1 trong những sản phẩm nổi bật của SHRP Hệ thống

Superpave được triển khai sẽ giúp cho các kỹ sư, nhà thầu đường bộ công cụ

để thiết kế bê tông nhựa mặt đường sao cho làm việc tốt hơn dưới tác động của

nhiệt độ và lưu lượng xe có tải trọng nặng Superpave là phương pháp đã được

cải thiện hơn so với các phương pháp hiện hành trong việc chỉ rõ tính chất của

nhựa đường và cốt liệu trong thiết kế và phân tích hỗn hợp bê tông nhựa, dự

báo đuợc khả năng làm việc của mặt đường

Về cơ bản, Phương pháp thiết kế Superpave tuân thủ theo nguyên tắc sau:

sử dụng các vật liệu hợp lý để chế tạo ra một hỗn hợp bê tông nhựa đạt được

một mức độ nào đó về các khả năng làm việc của mặt đường bê tông nhựa phù

hợp với các yêu cầu về mức độ giao thông, môi trường, kết cấu mặt đường, và

độ tin cậy Hỗn hợp bê tông nhựa được thiết kế (và đưa ra hàm lượng nhựa

đường tốt nhất) phải thoả mãn 2 yếu tố cơ bản sau:

- Yếu tố về đặc tính thể tích: bao gồm các chỉ tiêu độ rỗng dư (Va), độ rỗng

cốt liệu (VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) của hỗn hợp bê tông nhựa

Các giá trị này phải nằm trong giới hạn quy định

- Yếu tố về đặc tính cơ học: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến chất lượng

cốt liệu, các chỉ tiêu cường độ (khả năng làm việc) của hỗn hợp bê tông

nhựa và dự báo khả năng làm việc thực tế của mặt đường bê tông nhựa trên

cơ sở kết quả thí nghiệm cắt (SST) và thí nghiệm kéo gián tiếp (IDT)

Việc lựa chọn loại nhựa đường: dựa trên Tiêu chuẩn phân loại nhựa đường

theo cấp đặc tính theo Superpave (cấp PG)

Phương pháp thiết kế này phân ra thành các bước riêng biệt cho công tác

lựa chọn nhựa, lựa chọn cốt liệu và các quá trình thiết kế hỗn hợp Quá trình

lựa chọn vật liệu và thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa dựa trên các số liệu về giao

thông, thời tiết của vùng lập dự án

Các thí nghiệm về khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông nhựa và các dự

báo khả năng làm việc của mặt đường bê tông nhựa trong quá trình khai thác

là một trong những tính ưu việt nổi bật trong phương pháp thiết kế theo

Superpave Các kết quả dữ liệu từ các thí nghiệm này được sử dụng để lập ra

các dự đoán chi tiết các điều kiện làm việc thực tế của mặt đường và ước tính

được tuổi thọ làm việc của hỗn hợp bê tông nhựa trong tương lai tương ứng với

các tải trọng trục đơn tương đương (ESAl) Phương pháp thí nghiệm mẫu bê

tông nhựa trên thiết bị cắt (SST) và kéo gián tiếp (IDT) là hai thí nghiệm cơ

bản để ước tính và dự báo các khả năng làm việc thực tế của mặt đường

Hệ thống thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Superpave bao gồm ba mức

độ thiết kế riêng biệt tương ứng với lượng giao thông thiết kế (tổng tải trọng

trục đơn tương đương 80kN-ESALs trong toàn bộ tuổi thọ phục vụ của mặt

đường) như được quy định tại Bảng 3.3

Bảng 3.3 Lượng giao thông thiết kế ứng với các mức thiết kế

Mức thiết kế Lượng giao thông thiết kế (ESAL)

Mức 2 (trung gian) ≤ 107

Sự phức tạp trong quá trình thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa sẽ tăng dần

theo mức thiết kế từ 1 đến 3 Mức thiết kế 3 đòi hỏi một số lượng thí nghiệm

lớn nhất, mẫu thí nghiệm nhiều nhất và thời gian để hoàn thiện thiết kế dài

nhất

1) Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo mức thiết kế 1:

Gồm các nội dung chủ yếu sau:

(1) Lựa chọn các vật liệu để thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa

(2) Lựa chọn một cấp phối thiết kế

(3) Chế bị mẫu thí nghiệm và đầm nén mẫu trong phòng

(4) Phân tích số liệu và đưa ra các kết quả

(5) Lựa chọn một hàm lượng nhựa thiết kế

2) Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo mức thiết kế 2:

Gồm các nội dung chủ yếu sau:

(1) Thực hiện các bước thiết kế đặc tính thể tích của hỗn hợp bê tông

nhựa theo mức 1

(2) Lựa chọn ba hàm lượng nhựa bao gồm cả hàm lượng nhựa theo

thiết kế ở mức 1

(3) Đánh giá các kiểu hư hỏng của mặt đường theo qui định kỹ thuật

(4) Xác định các dữ liệu nhiệt độ của mặt đường trong vùng lập dự án

(5) Tính toán các nhiệt độ ảnh hưởng tới điều kiện làm việc của mặt

đường

(6) Tiến hành các thí nghiệm về khả năng làm việc của mặt đường

(7) Đánh giá các số liệu thí nghiệm để tính toán các tính chất của vật

liệu

(8) Đánh giá các dự báo theo mức độ giao thông

(9) Đánh giá các thông số về kết cấu mặt đường

(10) Dự báo về khả năng làm việc của mặt đường

Các thí nghiệm phải thực hiện trong Mức thiết kế 2 được qui định trong

Bảng 3.4

Bảng 3.4 Các thí nghiệm khả năng làm việc cho Mức thiết kế 2

Biến dạng vĩnh cửu Nứt mỏi Nứt ở nhiệt độ thấp

Cắt đơn giản tại chiều

cao không đổi ở nhiệt độ

Teff

Từ biến ở các tần số khác nhau ở nhiệt độ Teff Cường độ kéo gián tiếp ở -10oC

Từ biến ở các tần số khác

nhau ở nhiệt độ Teff Cường độ kéo gián tiếp ở nhiệt độ Teff Độ cứng từ biến (S) và độ dốc (m) của nhựa

đường từ thí nghiệm dầm uốn

3) Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo mức 3:

Được thực hiện giống như Mức thiết kế 2, ngoại trừ quá trình thiết kế đó

là một quá trình phân tích hoàn thiện khả năng làm việc của hỗn hợp bê tông

nhựa và các cách thức sử dụng để dự báo nứt mỏi và biến dạng vĩnh cửu được

thực hiện một cách hoàn thiện hơn so với Mức thiết kế 2

Các thí nghiệm phải thực hiện trong Mức thiết kế 3 được qui định trong

Bảng 3.5

Bảng 3.5 Các thí nghiệm khả năng làm việc cho Mức thiết kế 3

Biến dạng vĩnh cửu Nứt mỏi Nứt ở nhiệt độ thấp

Cắt trùng phục ở tỷ lệ

ứng suất không đổi

(Teff(PD))

Từ biến ở các tần số khác nhau tại chiều cao không đổi (4, 20, 40oC)

Từ biến kéo gián tiếp (-20, -10, 0oC)

Hệ thống thiết kế hỗn hợp Bê tông nhựa theo Superpave đưa ra khả năng

linh hoạt đối với một, hai hoặc ba kiểu hư hỏng trong mặt đường Ví dụ như

tại một vùng nào đó có khí hậu nóng, có thể chỉ thiết kế tập trung vào biến

dạng vĩnh cửu hoặc cả biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi Còn đối với vùng khí

hậu lạnh, có thể thiết kế tập trung vào những hư hỏng do nhiệt độ thấp mà

không quan tâm tới các hư hỏng khác Trong một vùng khí hậu nào đó bao

gồm cả khí hậu lạnh và nóng, vùng trong dự án có thể được chọn sử dụng mức

thiết kế 3 cho phân tích biến dạng vĩnh cửu còn hư hỏng do nứt mỏi và nứt do

nhiệt độ thấp được chọn ở mức thiết kế 2

3.1.4 Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa áp dụng cho các loại

hỗn hợp bê tông nhựa rỗng, bê tông nhựa cấp phối gián đoạn:

Nhìn chung cho tới nay, chưa có một phương pháp thiết kế hỗn hợp bê

tông nhựa rỗng, bê tông nhựa cấp phối gián đoạn nào chính thống và có cơ sở

lý thuyết được công bố chính thức Việc thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa loại

này chủ yếu trên cơ sở áp dụng phương pháp cho bê tông nhựa chặt, có bổ

sung một số chỉ tiêu cho phù hợp, và dựa vào yếu tố kinh nghiệm chuyên gia

thu nhận được trên cơ sở những kết quả ở hiện trường với loại hỗn hợp đó

Phương pháp thiết kế bê tông nhựa Superpave được coi là áp dụng phù

hợp cho cả loại bê tông nhựa rỗng, bê tông nhựa cấp phối gián đoạn, mặc dù

phương pháp này được xây dựng cho bê tông nhựa chặt Ngoài ra, phương

pháp này có thể áp dụng cho cấp hạt có kích cỡ hạt lớn nhất to hơn

(Dmax=37,5mm) so với các phương pháp khác do đường kính khuôn mẫu lớn

(D=150 mm hoặc D=200 mm)

Phương pháp thiết kế bê tông nhựa theo Marshall, theo Hveem chưa

thực sự phù hợp cho bê tông nhựa rỗng, bê tông nhựa cấp phối gián đoạn,

nhưng do ưu điểm của các phương pháp này là dễ áp dụng và giá thành thiết bị

không đắt nên nhiều nước trên thế giới vẫn áp dụng Để có cơ sở xác định

được hàm lượng nhựa hợp lý, chỉ tiêu thí nghiệm Độ chảy nhựa –Drain

Down (AASHTO T 305, 22 TCN 345-06) được bổ sung kiểm tra sau khi đã

xác định hàm lượng nhựa tối ưu theo Marshall, theo Hveem

3.2 phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám theo

công nghệ NOVACHIP

3.2.1 Xác định hàm lượng nhựa thiết kế

Theo khuyến nghị của Novachip dự kiến áp dụng ở Việt Nam, việc thiết

kế hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám Novachip để xác định Hàm lượng nhựa

thiết kế là giá trị hàm lượng nhựa để mẫu bê tông nhựa thoả mãn 3 yêu cầu

sau:

1) Chiều dầy màng nhựa : ≥ 9.0 àm

2) Độ chảy nhựa của hỗn hợp : ≤ 0.10% (xác định theo Phụ lục

C của 22TCN345-06 hoặc AASHTO T305)

3) Hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp : ≥ 80% (xác định theo AASHTO

T283)

Trình tự thiết kế được tiến hành theo các bước sau:

1 Kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của các loại vật liệu (đá, cát, bột đá,

nhựa) dùng chế tạo bê tông nhựa phải thoả mãn yêu cầu kỹ thuật

quy định

2 Phối hợp các loại cốt liệu (đá dăm, cát, bột đá) để đạt được một

đường cong cấp phối hỗn hợp cốt liệu thoả mãn đường bao cấp phối

quy định của Novachip

3 Tính toán chiều dày màng nhựa (theo hướng dẫn của Phương pháp

thiết kế bê tông nhựa Hveem) trên cơ sở đường cong cấp phối lựa

chọn Từ đó xác định được hàm lượng nhựa thiết kế (Bảng 3.13)

4 Xác định độ chảy nhựa của mẫu hỗn hợp bê tông nhựa ( trộn cốt liệu

đã lựa chọn và hàm lượng nhựa thiết kế đã biết) So sánh với quy

định (Độ chảy nhựa ≤ 0.10%) để đánh giá tính hợp lý của Hàm

lượng nhựa thiết kế

5 Đúc mẫu xác định Hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp (theo

AASHTO T283) So sánh với quy định Hệ số cường độ chịu kéo

gián tiếp ≥ 80%) để đánh giá tính hợp lý của Hàm lượng nhựa thiết

kế

3.2.2 Phương pháp thí nghiệm, tính toán

1 Xác định chiều dầy màng nhựa: Chiều dầy màng nhựa được xác định theo

các bước sau:

- Dựa vào tỷ lệ phối trộn các loại cốt liệu, tính toán tỷ lệ phần trăm lọt qua

sàng tại các cỡ sàng của hỗn hợp cốt liệu (P)

- Xác định hệ số diện tích bề mặt (SF) của các cỡ hạt tương ứng theo Bảng

3.6 (theo Mix Design Method, MS-2 Sixth Edition, Chapter 6: Hveem

Method of Mix Design)

Trong đó:

i là cỡ sàng tính toán: bao gồm cỡ sàng lớn nhất (có hàm lượng lọt qua sàng bằng 100%) và các cỡ sàng ≤ 4.75mm);

pi là hàm lượng lọt qua sàng thứ i;

SFi là hệ số diện tích bề mặt của cỡ sàng thứ i