Tiểu luận tìm hiểu sơ bộ về bê tông nhựa

- Khi cốt liệu là các loại đá cácbônát và đá bazơ tiếp xúc với bitum sẽ xảy ra sự hấp phụ hóa học: có sự trao đổi i-on trên bề mặt cốt liệu với nhựa, lực dính giữa bitum và bề mặt cốt li

SƠ BỘ VỀ BÊ TÔNG NHỰA

A TỔNG QUAN VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA

1 Khái niệm cơ bản:

- Nguyên lý sử dụng vật liệu: cấp phối chặt và liên tục

- Thành phần của hỗn hợp bê tông nhựa (BTN):

+ Cốt liệu: đá dăm tiêu chuẩn các loại, cát

+ Chất chèn: bột khoáng

+ Chất liên kết: bitum dầu mỏ

+ Chất phụ gia (nếu có): phụ gia hoạt tính bề mặt

- Hỗn hợp vật liệu thường được phối hợp và trộn tại trạm trộn

2 Ưu, nhược điểm:

2.1 Ưu điểm:

- Kết cấu chặt, kín

- Có khả năng chịu nén, cắt, uốn và tác dụng của tải trọng ngang

- Chịu tải trọng động tốt, ít hao mòn, ít sinh bụi

- Mặt đường bằng phẳng, có độ cứng vừa phải nên xe chạy tốc độ cao rất êm thuận, ít gây tiếng ồn

- Công nghệ thi công quen thuộc, có thể thi công cơ giới hóa hoàn toàn

2.2 Nhược điểm:

- Cường độ giảm khi chịu tác dụng của nhiệt độ cao và tác dụng lâu dài của nước mặt

- Độ nhám giảm nhiều khi mặt đường bị ẩm ướt

- Mặt đường bị hóa già theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, thời tiết

- Công tác duy tu sửa chữa khó khăn, khó trả lại hiện trạng ban đầu về màu sắc,

độ bằng phẳng

3 Phân loại:

3.1 Theo phương pháp thi công:

a Bê tông nhựa không lu lèn, dày 1÷4 cm:

- Dùng nhựa đặc 10/70 hàm lượng cao 9÷12%

- Hàm lượng bột khoáng cao 20÷35%

- Nhiệt độ trộn 230oC, nhiệt độ rải 210÷230oC, không cần lu lèn

b Bê tông nhựa phải lu lèn: gồm 3 loại

b.1 BTN rải nóng:

- Dùng nhựa đặc 40/60, 60/70, 70/100, 100/150, hàm lượng nhựa từ 4÷6%

- Nhiệt độ trộn 140÷170oC, nhiệt độ rải >120oC

- Bê tông nhựa sau khi rải và lu xong nhiệt độ giảm bằng nhiệt độ không khí thì cường độ hình thành gần 100%

b.2 BTN rải ấm:

- Dùng nhựa đặc 150/200, 200/300, nhựa lỏng đông đặc nhanh

- Nhiệt độ trộn 110÷130oC, nhiệt độ rải và lu lèn >60oC

- Thời gian hình thành cường độ lâu, khoảng 15÷20 ngày

b.3 BTN rải nguội:

- Dùng nhựa lỏng đông đặc chậm

- Nhiệt độ trộn và lu lèn bằng nhiệt độ không khí

- Thời gian hình thành cường độ lâu, khoảng 20÷40 ngày

Hiện nay, loại bê tông nhựa rải nóng được sử dụng phổ biến nhất ở Việt Nam do

có thời gian hình thành cường độ nhanh, cường độ, độ ổn định nước và nhiệt cao nhất

3.2 Theo độ rỗng còn dư:

- BTN chặt, độ rỗng còn dư từ 3,0÷6,0% thể tích

- BTN rỗng, độ rỗng còn dư từ 6,0÷10,0% thể tích

- BTN thoát nước, độ rỗng còn dư từ 20,0÷25,0% thể tích

3.3 Theo hàm lượng đá dăm trên sàng 5mm:

- BTN nhiều đá dăm: 50÷60%

- BTN vừa đá dăm: 35÷50%

- BTN ít đá dăm: 20÷35%

- BTN không có đá dăm: BTN cát

Bê tông nhựa nhiều đá dăm thường được sử dụng ở Việt Nam do có cường độ, ổn định nhiệt, độ nhám cao

3.4 Theo cỡ hạt lớn nhất danh định:

- BTN Dmax 40 mm: BTN rỗng

- BTN Dmax = 31,5 mm: BTN rỗng

- BTN Dmax = 25 mm: BTN chặt hoặc rỗng

- BTN Dmax = 20÷10 mm: BTN chặt

- BTN Dmax = 5÷6 mm: BTN cát

BTN Dmax = 25, 20, 15 được dùng phổ biển nhất ở Việt Nam

4 Chức năng của các loại cốt liệu trong thành phần hỗn hợp BTN:

- Đá dăm: là cốt liệu chịu lực chính và tạo độ nhám cho BTN

- Cát: lấp đầy lỗ rỗng của đá dăm

- Bột khoáng và nhựa: tương tác với nhau tạo thành chất liên kết asphalt để liên kết các hạt khoáng và lấp đầy lỗ rỗng còn lại

- Chất phụ gia: cải thiện tính liên kết, dính bám giữa nhựa và cốt liệu

5 Cấu trúc của BTN:

5.1 Về mặt vật liệu:

Các thành phần trong hỗn hợp BTN phối hợp, tương tác với nhau tạo thành cấu trúc của BTN BTN là một hệ thống gồm 3 cấu trúc:

- Cấu trúc tế vi: là sự kết hợp giữa bột khoáng và nhựa tạo thành liên kết asphalt

- Cấu trúc trung gian: là sự kết hợp chất liên kết asphalt với cát tạo thành vữa asphalt

- Cấu trúc vĩ mô: là sự kết hợp giữa vữa asphalt với các loại đá dăm tạo thành bê tông nhựa

5.2 Về mặt chịu lực:

Cấu trúc bê tông nhựa có dạng động:

- Ở nhiệt độ dương: BTN có cấu trúc đông tụ

- Ở nhiệt độ âm: BTN có cấu trúc ngưng tụ (giòn, dễ gẫy vỡ)

6 Sự tương tác của vật liệu khoáng với nhựa:

Có thể bao gồm 3 quá trình sau đây:

6.1 Bề mặt vật liệu khoáng hấp phụ lớp bitum:

- Khi vật liệu khoáng tiếp xúc với nhựa sẽ xảy ra quá trình hấp phụ bitum trên bề mặt cốt liệu Trong BTN, do bột khoáng có tỉ diện rất lớn nên quá trình trên xảy ra mạnh mẽ nhất khi nhựa tiếp xúc với bột khoáng

- Khi cốt liệu là các loại đá cácbônát và đá bazơ tiếp xúc với bitum sẽ xảy ra sự hấp phụ hóa học: có sự trao đổi i-on trên bề mặt cốt liệu với nhựa, lực dính giữa bitum

và bề mặt cốt liệu khoáng rất lớn, do đó làm cho màng bitum ở trên bề mặt cốt liệu khoáng bền vững, ổn định nhiệt, ổn định nước

- Khi cốt liệu khoáng là các loại đá axit tiếp xúc với bitum sẽ xảy ra sự hấp phụ lý học: các phân tử bitum liên kết với bề mặt cốt liệu khoáng bằng lực hút phân tử (Van-đéc-van) Liên kết lý học này không làm tăng cường độ, tính chịu nước, tính bền nhiệt cho bitum và rất dễ bị phá hoại khi có sự xâm thực của nước

6.2 Bi tum khuếch tán có chọn lọc vào trong vật liệu khoáng:

Khi vật liệu khoáng tiếp xúc với bitum sẽ xảy ra hiện tượng bitum khuếch tán vào trong lỗ rỗng của cốt liệu:

- Nhóm chất dầu có thể theo các mao quản thấm sâu vào trong hạt khoáng

- Nhóm chất nhựa được hấp phụ trong các lỗ rỗng nhỏ

- Nhóm axit asphalt và nhóm asphalt được hấp phụ trên bề mặt cốt liệu khoáng Như vậy, khi dùng vật liệu khoáng rỗng thì bề mặt hạt khoáng có nồng độ chất asphalt tăng lên, độ quánh của lớp bitum trên bề mặt hạt khoáng cũng tăng lên làm cho

sự liên kết giữa các hạt khoáng tăng theo, do đó tính đàn hồi dẻo giảm xuống, cường độ bêtông nhựa tăng đáng kể

6.3 Sự thay đổi tính chất của vật liệu khoáng do sự tương tác của nó với bitum Quá trình tương tác giữa bitum và vật liệu khoáng không những làm cho màng bitum hấp phụ thay đổi tính chất mà còn làm cho vật liệu khoáng cũng có những thay đổi đáng kể

Do sự khuếch tán của bitum (BT) hay các thành phần của nó vào các mao quản của vật liệu khoáng làm cho bề mặt hạt khoáng kín nước hơn, thành của các lỗ rỗng và mao quản nhờ có quá trình hấp phụ mà trở nên cách nước, tạo điều kiện để nâng cao tính ổn định nước của vật liệu khoáng

Do vậy:

- Nếu tỉ lệ BT/ BK quá nhỏ (ít nhựa) , bitum không đủ để tạo màng bao bọc các hạt khoáng chất, các hạt khoáng sẽ tiếp xúc trực tiếp với nhau không thông qua màng nhựa, lực dính BTN vì thế giảm đi, cường độ BTN sẽ giảm nhanh khi chịu tác dụng của nước Cấu trúc BTN trở thành cấu trúc tiếp xúc

- Tỉ lệ BT/ BK hợp lí, nhựa vừa đủ bao bọc các hạt khoáng tạo thành màng nhựa

có cấu trúc, nhựa tự do hầu như không có Lúc đó các hạt khoáng tiếp xúc với nhau thông qua màng nhựa có cấu trúc nên BTN có cường độ cao nhất, ổn định nước và ổn định nhiệt

- Nếu tỉ lệ BT/ BK quá lớn (thừa nhựa), nhựa trong BTN ở dạng tự do nhiều, các hạt khoáng tiếp xúc với nhau thông qua màng nhựa tự do - cường độ thấp, BTN giảm cường độ, tính ổn định nhiệt rất kém

7 Nguyên lý hình thành cường độ của mặt đường BTN:

Theo N.N Ivanov: cuờng độ BTN phụ thuộc vào thành phần lực dính & góc ma sát trong

- Lực ma sát: do sự ma sát giữa các hạt có kích thước lớn Các hạt cốt liệu càng sần sùi, sắc cạnh và đồng đều lực ma sát càng lớn Lực ma sát ít thay đổi theo nhiệt độ

& thời gian tác dụng của tải trọng nhưng thay đổi nhiều theo hàm lượng nhựa

- Lực dính:

+ Lực dính tương hỗ C1: do sự móc vướng vào nhau của các hạt phụ thuộc vào độ lớn và độ sắc cạnh của hạt; ít thay đổi khi nhiệt độ - độ ẩm - tốc độ biến dạng thay đổi nhưng sẽ giảm khi BTN chịu tải trọng trùng phục của xe cộ và hỗn hợp kém

+ Lực dính phân tử C2: do lực dính bám tác dụng tương hỗ giữa nhựa với cốt liệu và lực dính bên trong của bản thân nhựa Lực dính bám tác dụng tương

hỗ giữa nhựa với cốt liệu : phụ thuộc vào tỉ diện cốt liệu, tính chất hấp phụ của cốt liệu đối với nhựa Lực dính kết bên trong của bản thân nhựa phụ thuộc vào cấu trúc, độ nhớt của nhựa; nhiệt độ & tốc độ biến dạng

B ĐÁNH GIÁ CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG MẶT ĐƯỜNG BTN

1 Các dạng hư hỏng thường gặp của mặt đường BTN:

Dựa trên các tiêu chí đánh giá hư hỏng mặt đường bê tông nhựa của Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06 được xác định như sau:

1 Vết nứt: Theo hướng phát triển của đường nứt, các vết nứt xuất hiện trên mặt đường thường bao gồm 4 loại sau: vết nứt ngang, vết nứt dọc, vết nứt mạng lưới hoặc

vết nứt phản ảnh Theo chiều rộng vết nứt thì bao gồm vết nứt hẹp, vết nứt trung bình

và vết nứt rộng

- Vết nứt ngang, dọc: là các vệt nứt xuất hiện theo chiều ngang và chiều dọc đường

- Nứt mạng lưới: trên mặt đường xuất hiện các vệt nứt dạng lưới, các đường nứt phát triển theo thời gian và dưới tác dụng của khí hậu, tải trọng xe Các lưới có thể chưa liên kết hoặc đã liên kết với nhau thành mạng, hoặc đã nứt ra thành miếng có dạng như

da cá sấu

- Nứt phản ảnh: các vệt nứt phản ảnh này xuất hiện khi lớp kết cấu bên dưới mặt đường BTN bị nứt (lớp móng dưới bị nứt, thảm chồng lên lớp BTN cũ đã bị nứt không được xử lý), trong trường hợp thảm mặt đường BTN tại vị trí cống, trên mặt cầu hoặc mặt đường nhựa thảm trên tấm BTXM Khi chịu tác dụng trùng phục của bánh xe, lớp mặt đường BTN bên trên chịu các ứng suất kéo và có xu hướng sao chép vệt nứt của các lớp kết cấu phía dưới

2 Biến dạng bề mặt

Gồm các dạng hư hỏng như: mặt đường bị vệt hằn bánh, lún sụt; làn sóng, xô dồn; đẩy trượt trồi

- Vệt hằn bánh, lún sụt: vết lún dài trên mặt đường dọc theo vệt bánh xe, mặt đường mặt đường bị lún lõm cục bộ không còn giữ được độ bằng phẳng Trong một số trường hợp mặt đường bị hiện tượng “cao su”: mặt đường bị biến dạng lớn và rạn nứt dưới tác dụng của bánh xe Khi có tải trọng xe thì lún võng xuống, khi xe đi qua hẳn thì

có thể đàn hồi trở lại một phần hoặc toàn bộ, kết cấu mặt đường dần dần sẽ bị phá vỡ một phần hay hoàn toàn

- Làn sóng, xô dồn, trồi, trượt: Hiện tượng dồn, trượt và đẩy trồi là một đoạn các đoạn đẩy trồi và lún võng xuất hiện thành dải với chiều dài nhỏ hơn 1.5m doc theo chiều ngang của mặt đường

3 Hư hỏng bề mặt

Gồm các dạng hư hỏng như: mặt đường bị chảy nhựa, mặt đường bị bong tróc, rời rạc, lộ đá, mặt đường bị ổ gà

- Mặt đường bị chảy nhựa: mặt đường BTN khi được thiết kế cấp phối với một hàm lượng thừa nhựa (nhựa ở dạng tự do nhiều), khi chịu tác dụng của nhiệt độ do bức

xạ mặt trời gây nên cộng thêm tác dụng của tải trọng xe sẽ xuất hiện hiện tượng chảy nhựa (nhựa đường trồi lên trên mặt) làm giảm cường độ của lớp BTN và dễ bị trơn trượt

- Mặt đường bị bong tróc (bong bật), rời rạc, lộ đá: lớp mặt BTN bị bong khỏi mặt đường dưới sự tác dụng lâu dài của nước làm cho nhựa bị tách ra khỏi các cốt liệu dẫn đến mặt đường bị rời rạc trên mặt và sẽ dần bị bong tróc và cuối cùng sẽ tạo ra các

ổ gà

- Ổ gà: là những vết lõm xuất hiện trên mặt đường do sự bong bật mạnh mẽ lớp mặt đường tạo thành

4 Các dạng hư hỏng mặt đường theo thời gian

Mặt đường bê tông nhựa sau một thời gian dài sử dụng (trên 2 năm) và dưới tác dụng của các yếu tố khí quyển sẽ có hiện tượng lớp mặt bê tông nhựa bị hóa già, không còn tính đàn hồi và dễ bị bong bật lớp mặt, thường được gọi là mặt đường BTN bị bạc đầu

2 Các nguyên nhân gây hư hỏng mặt đường BTN

1 Các yếu tố khách quan

a Những nhân tố về khí hậu

- Mưa: là nhân tố ảnh hưởng tới sức chịu đựng của các vật liệu làm đường Nước mưa đọng trên phần mặt xe chạy và thấm xuống làm cho cường độ mặt và nền đường giảm đi

- Bức xạ mặt trời, nhiệt độ, nước… làm cho BTN bị “hoá già”, khả năng biến dạng giảm, dễ nứt nẻ Dưới tác dụng của bức xạ mặt trời, nhiệt độ mặt đường thay đổi, phát sinh ứng suất nhiệt cũng là nguyên nhân làm cho mặt đường nứt, gãy

b Chất lượng của đất và các loại vật liệu xây dựng đường

Chất lượng của các loại vật liệu cấu thành mặt đường BTN đóng một vai trò quan trọng đối với kết cấu áo đường Các loại vật liệu có: cường độ không đạt tiêu chuẩn thiết kế; cấp phối hạt không đủ quy cách; vật liệu không đủ sạch sẽ làm cho chất lượng mặt đường kém, nhanh bị hư hỏng

c Chất lượng của thiết kế cấp phối BTN

Việc thiết kế cấp phối BTN kém sẽ gây ảnh hưởng xấu, làm cho kết cấu BTN chóng hư hỏng Ví dụ:

- Thiết kế cấp phối bê tông nhựa có hàm lượng nhựa quá nhiều sẽ dẫn đến lượng nhựa tự do quá nhiều nên kết cấu có tính ổn định nhiệt kém, mặt đường bị chảy nhựa, trơn trượt, rất nguy hiểm;

- Thiết kế cấp phối BTN có hàm lượng nhựa quá ít sẽ dẫn đến bitum không đủ để tạo màng bao bọc các hạt khoáng chất, các hạt khoáng sẽ tiếp xúc trực tiếp với nhau không thông qua màng nhựa, lực dính BTN vì thế giảm đi, cường độ BTN sẽ giảm nhanh khi chịu tác dụng của nước (tính ổn định nước rất kém), cấu trúc BTN trở thành cấu trúc tiếp xúc, mặt đường dễ bị bong bật

- Thiết kế cấp phối BTN chặt, hạt nhỏ (Dmax =10, 15) áp dụng cho mặt đường có nhiều xe nặng sẽ dẫn đến mặt đường không đủ cường độ hoặc kết cấu quá dày gây ra hiện tượng dồn nhựa

d Về phương diện thi công và chế tạo hỗn hợp BTN, những sai sót về quy trình công nghệ thi công cũng làm cho mặt BTN nhanh bị hư hỏng

e Ảnh hưởng của cường độ vận chuyển và tải trọng xe

- Hiện tượng mài mòn mặt đường: sự mài mòn tuỳ thuộc vào cường độ vận chuyển thành phần dòng xe và vào tốc độ xe

- Hiện tượng mỏi: hiện tượng mỏi xuất hiện phổ biến ở các đường nhựa, do sự không liên tục trong cấp phối của vật liệu và sự diển biến khác nhau giữa một bên là móng đường và nền đường với một bên là lớp trên mặt đường Sự mỏi là do lực thẳng đứng và các lực kéo nén tác dụng lên kết cấu mặt đưòng

- Dưới tác dụng của tải trọng bánh xe, mặt đường BTN chịu nén và kéo uốn, phát sinh biến dạng vượt quá trị số cho phép làm mặt đường bị nứt, gãy

f Nhân tố về con người: con người vừa là chủ thể xây dựng, sử dụng, bảo quản những tuyến đường Song chính con người lại là tác nhân gây nên những hư hỏng của đường do thiếu ý thức, thiếu hiểu biết Chẳng hạn chủ phương tiện và lái xe chở hàng quá tải trọng cho phép, người dân đào rãnh ngang đường để tát nước, phơi và đốt rơm

rạ trên mặt đường, v.v… làm cho mặt đường nhanh chóng bị hư hỏng

2 Các nguyên nhân cụ thể ứng với các dạng hư hỏng mặt đường

a Nứt mặt đường (nứt dọc, ngang, nứt mai rùa, nứt khối, nứt vỡ cạnh): nguyên nhân chủ yếu thường gặp là do mỏi của lớp bề mặt bê tông nhựa (BTN) dưới tác dụng lâu dài, thường xuyên của tải trọng trùng phục bánh xe, một nguyên nhân nữa là do sự

co ngót của kết cấu BTN do nhiệt độ thay đổi theo chu kỳ trong ngày hoặc do chất lượng của lớp móng và lớp nền kết cấu áo đường kém ở bên gần lề đường khoảng từ 0,3÷0,6 m từ mép đường vào dễ nứt vỡ cạnh khi chịu tải trọng xe

Mức độ nứt khối ít Mức độ nứt khối trung bình Mức độ nứt khối nhiều

Mức độ vỡ cạnh ít Mức độ vỡ cạnh trung bình Mức độ vỡ cạnh nhiều

b Biến dạng bề mặt (Vệt hằn bánh, lún sụt; làn sóng, xô dồn; đẩy trượt trồi) Loại hư hỏng này nguyên nhân chủ yếu là do tác động của tải trọng giao thông (tải trọng đứng, trượt ngang) và do kết cấu áo đường có cường độ kém, không ổn định (liên kết giữa tầng mặt và móng kém, chiều dày lớp bê tông nhựa quá lớn, hàm lượng

đá dăm trong hỗn hợp BTN thấp dẫn đến cường độ giảm ) hoặc khi tầng móng không đảm bảo cường độ, bị lún lệch thì kết cấu mặt BTN phía trên cũng bị lún lệch

c Hư hỏng bề mặt

- Chảy nhựa: hiện tượng chảy nhựa là do có quá nhiều chất kết dính nhựa đường trong thành phần BTN (nhựa ở dạng tự do nhiều), nó xuất hiện khi các chất kết dính (nhựa đường) ở trong các lỗ rỗng trong quá trình thời tiết nóng sẽ bị chảy và đẩy trồi lên trên bề mặt đường

- Bong tróc, rời rạc, lộ đá: hư hỏng này là do tải trọng trùng phục tác dụng xuống lớp cấp phối trên bề mặt tiếp xúc làm giảm ma sát giữa mặt đường và bánh xe và mặt đường có tính ổn định nước kém, nước thấm xuống mặt đường và tách nhựa ra khỏi

BTN Nguyên nhân cốt lõi của hư hỏng này có thể là do thiết kế cấp phối BTN với hàm lượng nhựa quá ít hoặc BTN lâu ngày bị già hóa, mất tính đàn hồi và tính kết dính với

đá dăm

Mức độ ít Mức độ trung bình Mức độ nhiều

- Ổ gà, ổ trâu: mặt đường sau khi bị bong bật, rời rạc nếu không được sửa chữa kịp thời, nước thấm xuống nền đường dần dần sẽ bị hư hỏng nặng thêm tạo thành các ổ

gà, ổ trâu

3 Các biện pháp giảm thiểu và phòng ngừa hư hỏng mặt đường BTN

Trên cơ sở các tính chất của BTN, các điều kiện làm việc của mặt đường, chúng tôi đã tiến hành phân tích, đánh giá nguyên nhân của các dạng hư hỏng và đề xuất một

số các biện pháp giảm thiểu mức độ hư hỏng

1 Biện pháp hạn chế mặt đường BTN bị trượt:

- Thiết kế chiều dày lớp BTN phù hợp

- Dùng nhựa có độ kim lún nhỏ hoặc dùng phụ gia tăng dính

- Dùng bột khoáng có độ mịn cao, tương tác tốt với nhựa

- Thiết kế hỗn hợp BTN có hàm lượng đá dăm cao, hàm lượng nhựa hợp lý

- Xử lý liên kết giữa lớp BTN và tầng móng tốt

2 Biện pháp nâng cao tính ổn định nước của BTN:

- Thiết kế mặt đường đủ độ dốc để thoát nước mặt nhanh

- Thiết kế hỗn hợp có độ chặt cao, độ rỗng nhỏ

- Thiết kế hỗn hợp BTN có hàm lượng nhựa hợp lý, phù hợp với các điều kiện thực tế (điều kiện về vật liệu địa phương, điều kiện về khí hậu, nền móng )

- Lựa chọn cốt liệu đá , nhựa; gia công hỗn hợp hợp lý để đảm bảo sự hấp phụ giữa nhựa & cốt liệu là hấp phụ hoá học

- Sử dụng phụ gia tăng dính