Chương 7 bê tông nhựa asphalt

- Hạn chế: + Các tính chất không ổn định theo nhiệt độ và thời gian, dễ để lại vệt hư hỏng trên mặt đường khi có xe trọng tải lớn đi qua; + Độ nhám thấp, dễ bị trơn trượt khi ẩm ướt; + K

- Ưu điểm:

+ Độ đặc, cường độ, độ ổn định và độ bền cao, môđun đàn hồi lớn

+ Mặt đường bê tông nhựa tạo sự êm thuận, sau khi thi công có thể khai thác công trình được ngay;

+ Ít bụi do bào mòn thấp, thông thường không quá 1 mm/năm;

+ Dùng phổ biến trong kết cấu mặt đường mềm Trừ nhựa đường là vật liệu đắt tiền, chiếm khoảng 5%, thì các vật liệu khác đều sẵn có để khai thác

- Hạn chế:

+ Các tính chất không ổn định theo nhiệt độ và thời gian, dễ để lại vệt hư hỏng trên mặt đường khi có xe trọng tải lớn đi qua;

+ Độ nhám thấp, dễ bị trơn trượt khi ẩm ướt;

+ Kém ổn định với nước, bê tông nhựa nhanh chóng bị phá hỏng ở những nơi ẩm ướt hay ngập nước;

+ Công nghệ chế tạo, thi công phức tạp, đòi hỏi các thiết bị chuyên dụng; hạn chế nhiệt độ thi công dẫn đến hạn chế cự ly vận chuyển;+ Tuổi thọ ngắn, trung bình từ khoảng 10 đến 15 năm, làm ảnh hưởng đến quy hoạch đô thị

PHÂN LOẠI

Phân loại theo độ rỗng dư

- Bê tông nhựa đúc Guss asphalt (Mastic asphalt - MA)

- Bê tông nhựa chặt (BTNC)

- Bê tông nhựa rỗng (BTNR)

- Bê tông nhựa thoát nước (Porous asphalt - PA)

Phân loại theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định (Dmax)

- Bê tông nhựa chặt phân thành 4 loại:

- Bê tông nhựa rỗng phân thành 3 loại:

+ BTNR 37,5: cỡ hạt lớn nhất danh định là 37,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 50 mm);

+ BTNR 25: cỡ hạt lớn nhất danh định là 25 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 31,5 mm);

+ BTNR 19: cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 25 mm)

Phân loại theo đặc tính của cấp phối hỗn hợp cốt liệu

+ BTN có cấp phối chặt: lượng hạt thô, hạt trung gian và hạt mịn gần tương đương nhau Loại này thường được gọi là BTN chặt;

+ BTN có cấp phối gián đoạn: lượng hạt thô và hạt mịn lớn, hạt trung gian rất nhỏ Cấp phối này tạo khả năng cốt liệu thô chèn móc tốt với nhau nhưng dễ bị phân tầng;

+ BTN có cấp phối hở: lượng hạt mịn chiếm tỷ lệ nhỏ Loại này có độ rỗng lớn nên còn gọi là BTN rỗng

Phân loại theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường

- BTN có độ nhám cao, tăng khả năng kháng trượt: sử dụng cho đường ô tô cấp cao, đường cao tốc, các đoạn đường nguy hiểm Lớp BTN này được phủ trên mặt BTN, ngay sau khi thi công các lớp BTN phía dưới hoặc được phủ sau này, khi nâng cấp mặt đường

- BTN dùng làm lớp mặt (gồm lớp mặt trên và dưới): thường sử dụng BTN chặt

- BTN dùng làm lớp móng: loại BTN chặt và BTN rỗng đều có thể sử dụng làm lớp móng BTN rỗng có giá thành thấp hơn do không cần sử dụng bột khoáng và hàm lượng nhựa thấp hơn so với BTN chặt

- BTN cát: sử dụng làm lớp mặt tại khu vực có tải trọng xe không lớn, vỉa hè, làn dành cho xe đạp, xe thô sơ Có thể sử dụng để làm 1 lớp bù vênh mỏng trước khi rải lớp BTN lên trên Cốt liệu sử dụng là cát nghiền, cát tự nhiên hoặc cát hỗn hợp

CẤU TRÚC CỦA BÊ TÔNG NHỰA

Tính chất vật lý, cơ học của BTN phụ thuộc vào chất lượng, tỷ lệ thành phần các vật liệu chế tạo và cấu trúc Cấu trúc BTN thể hiện mối tương tác giữa các yếu tố cấu tạo và sự phối hợp giữa chúng

Cấu trúc của BTN : + cấu trúc của hỗn hợp vật liệu khoáng

+ cấu trúc của nhựa đường trong BTN

Cấu trúc VLK trong BTN : + có khung: tăng độ ổn định động

+ bán khung + không có khung

CÁC TÍNH CHẤT CỦA BÊ TÔNG NHỰA

 TỶ TRỌNG LỚN NHẤT, KHỐI LƯỢNG RIÊNG Ở TRẠNG THÁI RỜI

Tỷ trọng lớn nhất của BTN ở trạng thái rời là tỷ số giữa khối lượng của BTN ở trạng thái rời so với khối lượng nước có cùng thể tích ở nhiệt

độ 25 ºC

Khối lượng riêng của BTN là khối lượng của một đơn vị thể tích BTN không chứa lỗ rỗng ở nhiệt độ 25 ºC

Tỷ trọng lớn nhất của BTN

Trong đó:

mk - khối lượng mẫu BTN khô;

mm - khối lượng mẫu BTN khô (với mẫu có cốt liệu không hút nước) hoặc khối lượng mẫu BTN ở trạng thái khô gió (với mẫu có cốt liệu hút nước);

mn - khối lượng nước bị mẫu BTN chiếm chỗ

nm

k

BTNmax

m m

m

−

=

∆

Khối lượng lượng riêng của BTN

(g/cm3)

 TỶ TRỌNG KHỐI, KHỐI LƯỢNG THỂ TÍCH

Tỷ trọng khối của BTN là tỷ số giữa khối lượng của BTN đã đầm nén so với khối lượng nước có cùng thể tích ở cùng nhiệt độ

Khối lượng thể tích của BTN đã đầm nén là khối lượng của một đơn vị thể tích BTN đã đầm nén

Sấy khô mẫu BTN (mẫu đúc Marshall hoặc mẫu khoan không dính vật liệu lớp dưới mặt đường) ở nhiệt độ 52 ºC ± 3 ºC đến khi khối lượng không đổi Đo kích thước và tính thể tích mẫu Từ đó tính tỷ trọng khối và khối lượng thể tích của BTN đã đầm nén

Khối lượng thể tích của BTN đã đầm nén, tính chính xác đến 0,001 g/cm3:

(g/cm3)

BTNmax

BTNmaxn

V

m

= ρ

Tỷ trọng khối của BTN đã đầm nén, tính chính xác đến 3 chữ số thập phân:

 ĐỘ ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ DẺO MARSHALL

Độ ổn định Marshall: giá trị lực nén lớn nhất đạt được khi thử nghiệm mẫu BTN chuẩn (mẫu hình trụ đường kính 101,6 mm và chiều cao 63,5 mm) đặt nằm ngang trên máy nén Marshall, tính theo kN

Độ dẻo Marshall: biến dạng của mẫu BTN trên máy nén tại thời điểm xác định độ ổn định Marshall, tính theo mm

Độ ổn định Marshall cải tiến, độ dẻo Marshall cải tiến: mẫu đường kính 152,4mm, cao 95,2mm

997 , 0

BTN o BTN

o

ρ

=

∆

+ Độ ổn định Marshall là độ lớn của lực khi phá hoại mẫu có kích thước tiêu chuẩn, tính theo kN (chính xác đến 0,01 kN)

S = K.P (kN)Trong đó:

P - lực nén lớn nhất, kN;

K - hệ số điều chỉnh kết quả theo chiều cao mẫu

+ Độ dẻo Marshall là giá trị biến dạng của viên mẫu, ký hiệu là F, tính bằng mm

Chiều cao mẫu (mm) Hệ số hiệu chỉnh K Chiều cao mẫu (mm) Hệ số hiệu chỉnh K Chiều cao mẫu (mm) Hệ số hiệu chỉnh K

 ĐỘ ỔN ĐỊNH CÒN LẠI

 ĐỘ RỖNG DƯ

Độ rỗng dư của BTN biểu thị phần thể tích rỗng của BTN sau khi đã đầm nén

Độ rỗng dư là một trong các chỉ tiêu phục vụ cho việc:

+ Thiết kế hỗn hợp BTN;

+ Lựa chọn thiết bị, công nghệ chế tạo và thi công BTN;

+ Kiểm tra nghiệm thu mặt đường BTN

Độ rỗng dư của BTN, tính chính xác tới 0,1 % theo công thức:

(%)

Trong khi kiểm tra, nghiệm thu BTN:

+ Xác định tỷ trọng khối trên mẫu khoan BTN;

+ Xác định tỷ trọng lớn nhất theo mẫu BTN lấy tại trạm trộn tại ca làm việc tương ứng, khi không có số liệu này có thể dùng mẫu khoan BTN thay thế

Độ rỗng dư được quy định tùy thuộc vào loại BTN, tính chất khai thác mặt đường

100

V BTN

max

BTNo

BTNmaxa

 ĐỘ RỖNG CỐT LIỆU

Độ rỗng cốt liệu: khoảng trống giữa các hạt cốt liệu trong hỗn hợp BTN đã đầm nén, được tính bằng tỷ lệ phần trăm (%) tổng thể tích mẫu

Độ rỗng cốt liệu của BTN, tính chính xác tới 0,1 %, theo công thức

BTN o cl

P 100

r

VẬT LIỆU CHẾ TẠO

Đá dăm / sỏi dăm

Đá dăm cần đạt những yêu cầu kỹ thuật gì?

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT BÊ TÔNG NHỰA

BTN được rải bằng các máy rải chuyên dụng và đầm chắc bằng các xe lu bánh sắt hoặc bánh hơi có khối lượng 8 tấn ÷ 20 tấn

Kiểm tra chất lượng: Vật liệu, quá trình sản xuất, nghiệm thu

m¸y r¶i lu b¸nh lèp

xe tÐc « t« 10T

m¸y lu b¸nh thÐp lu b¸nh thÐp

10T - 12T 8T - 10T 16T

bª t«ng nhùa

t í i nhùa chë BTN thæi bôi

Dây chuyền thi công bê tông nhựa

THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG NHỰA Khái niệm:

Thiết kế thành phần BTN là việc tính toán và thí nghiệm để tìm ra thành phần vật liệu khoáng (đá, cát, bột khoáng), hàm lượng nhựa đường tối ưu và phụ gia phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và đặc tính khai thác của kết cấu mặt đường

Khi thiết kế thành phần BTN cần chú ý một số vấn đề:

+ Xác định rõ yêu cầu kỹ thuật và lựa chọn tiêu chuẩn áp dụng

+ Xác định nguồn vật liệu, khả năng cung cấp và các chỉ tiêu kỹ thuật, giá thành

+ Xác định tính chất kỹ thuật của công trình, điều kiện thi công và khai thác

+ Xác định thiết bị, trình độ của kỹ sư và công nhân

THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP MARSHALL

Nguyên tắc thiết kế

Công tác thiết kế hỗn hợp BTN theo phương pháp Marshall với mục đích tìm ra hàm lượng nhựa tối ưu ứng với hỗn hợp cốt liệu đã

chọn.Việc thiết kế phải tuân thủ các yêu cầu sau:

 Tất cả các vật liệu sử dụng (đá dăm, cát, bột khoáng, nhựa đường) đều phải thoả mãn các chỉ tiêu cơ lý theo quy định trong TCVN 8819:2011

 Đường cong cấp phối của hỗn hợp cốt liệu sau khi phối trộn phải nằm trong giới hạn của đường bao cấp phối quy định tại TCVN 8819:2011

 Hàm lượng nhựa tối ưu lựa chọn phải thỏa mãn các chỉ tiêu liên quan đến đặc tính thể tích (độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu ), các chỉ tiêu thí nghiệm theo Marshall (độ ổn định, độ dẻo ) và các chỉ tiêu bổ sung nếu có theo quy định của

Các giai đoạn và nội dung thiết kế hỗn hợp BTN

Công tác thiết kế hỗn hợp BTN được chia làm 4 giai đoạn:

a Giai đoạn 1: Thiết kế sơ bộ

Mục đích : - xác định sự phù hợp về chất lượng và thành phần hạt của các loại cốt liệu sẵn có tại nơi thi công, khả năng sử dụng chúng Mẫu vật liệu: lấy tại nguồn cung cấp hoặc phễu nguội của trạm trộn Thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu thường được chọn nằm giữa miền giới hạn của biểu đồ thành phần hạt quy định

Kết quả thiết kế sơ bộ là cơ sở để tính giá thành xây dựng và định hướng cho thiết kế hoàn chỉnh

Tiến hành theo 7 bước

b Giai đoạn 2: Thiết kế hoàn chỉnh

Mục đích : - xác định thành phần cấp phối của hỗn hợp cốt liệu và hàm lượng nhựa tối ưu khi cốt liệu đã được sấy nóng

Tiến hành hiệu chỉnh và chạy thử trạm trộn trên cơ sở số liệu của thiết kế sơ bộ nhưng không trộn hỗn hợp cốt liệu với nhựa đường và bột khoáng Lấy mẫu cốt liệu tại các phễu dự trữ cốt liệu nóng để thiết kế Điều chỉnh tốc độ băng tải cho phù hợp sao cho đường cong cấp phối hỗn hợp cốt liệu tương tự như kết quả của giai đoạn thiết kế sơ bộ

Kết quả thiết kế hoàn chỉnh là cơ sở để quyết định sản xuất thử hỗn hợp bê tông nhựa và rải thử lớp bê tông nhựa

Tiến hành theo 7 bước

c Giai đoạn 3: Phê duyệt công thức chế tạo BTN sau khi rải thử

Giai đoạn này bao gồm 5 bước như sau:

- Bước 1: Sản xuất thử - Trên cơ sở kết quả của giai đoạn thiết kế hoàn chỉnh, sản xuất khoảng từ 60 đến 100 tấn hỗn hợp BTN tại trạm trộn;

- Bước 2: Rải thử 1 đoạn dài từ 200 m ÷ 300 m;

- Bước 3: Kiểm tra hỗn hợp BTN vừa trộn thử (thí nghiệm trong phòng đối với hỗn hợp sản xuất tại trạm trộn);

- Bước 4: Kiểm tra hỗn hợp BTN sau khi rải thử ngoài hiện trường;

- Bước 5: Phê duyệt công thức chế tạo BTN Đây là cơ sở cho toàn bộ các công tác tiếp theo từ sản xuất, thi công, nghiệm thu đến thanh quyết toán Công thức chế tạo BTN bao gồm:

+ Nguồn vật liệu và các kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu;

+ Tỷ lệ phối hợp và thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu tại phễu nguội, phễu nóng;

+ Kết quả thiết kế hỗn hợp BTN và hàm lượng nhựa tối ưu;

+ Các giá trị nhiệt độ thi công quy định: trộn, xả hỗn hợp ra khỏi máy trộn, vận chuyển tới công trường, khi rải, khi lu;

+ Phương án thi công ngoài hiện trường như: chiều dầy lớp BTN chưa lu lèn, sơ đồ lu, số lượt lu trên 1 điểm, độ nhám mặt đường

d Giai đoạn 4: Kiểm soát chất lượng hàng ngày

Công tác kiểm soát chất lượng hàng ngày bao gồm 2 bước:

- Bước 1: Kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất, việc kiểm soát chất lượng tại bước này tương tự như Bước 3 của giai đoạn phê duyệt công thức chế tạo BTN

- Bước 2: Kiểm soát chất lượng sau khi thi công - tương tự như Bước 4 của giai đoạn phê duyệt công thức chế tạo BTN

Trình tự thiết kế hỗn hợp BTN theo phương pháp Marshall

Bước 1: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu và nhựa đường

Bước 2: Phối trộn các cốt liệu

Mục đích: để hỗn hợp cốt liệu sau khi phối trộn có thành phần hạt nằm trong giới hạn đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liệu

theo quy định

- Nguyên lý tính toán phối trộn:

+ Phối trộn cốt liệu (đá dăm, cát, bột đá) để chọn ra 1 hỗn hợp cốt liệu có thành phần hạt đạt yêu cầu kỹ thuật

+ Đối với bất kỳ 1 hỗn hợp cốt liệu nào thì lượng lọt sàng (%) của hỗn hợp cốt liệu qua 1 cỡ sàng bất kỳ đều tuân theo công thức:

P = Aa + Bb + Cc + Dd +

Trong đó:

P- lượng lọt qua sàng (%) của 1 cỡ sàng bất kỳ của hỗn hợp cốt liệu;

A, B, C, D, - lượng lọt qua sàng (%) của 1 cỡ sàng bất kỳ của từng loại cốt liệu sử dụng để phối trộn;

a, b, c, d, - tỷ lệ phối trộn của từng loại cốt liệu sử dụng để phối trộn

a + b + c + d + = 1 (100%)+ Dựa vào 2 công thức, trên cơ sở đã biết cấp phối của từng loại cốt liệu (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng bất kỳ A, B, C, D, ), tiến hành lựa chọn tỷ lệ phối trộn của từng loại cốt liệu (a, b, c, d, ) một cách hợp lý để sao cho hỗn hợp cốt liệu được chọn có thành phần hạt nằm trong miền giới hạn đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liệu quy định.

Bước 3: Chuẩn bị mẫu hỗn hợp cốt liệu để đúc mẫu Marshall

Tùy thuộc chỉ tiêu cần kiểm tra, chuẩn bị hỗn hợp cốt liệu phù hợp

Bước 4: Trộn cốt liệu với nhựa đường, đầm mẫu Marshall

- Dự đoán hàm lượng nhựa tối ưu

- Trộn cốt liệu với nhựa đường:

+ Xác định số lượng mẫu BTN cần thiết;

+ Cân xác định khối lượng vật liệu;

+ Sấy nhựa đường đến nhiệt độ quy định, sấy cốt liệu đến nhiệt độ cao hơn 15 °C;

+ Trộn cốt liệu với nhựa

- Đầm mẫu Marshall theo nhiệt độ quy định tùy thuộc vào loại nhựa đường sử dụng

Bước 5: Thí nghiệm và tính toán các chỉ tiêu liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp BTN

- Thí nghiệm xác định tỷ trọng của nhựa đường

- Thí nghiệm xác định tỷ trọng cốt liệu thô, bột khoáng

- Tính tỷ trọng khối, tỷ trọng biểu kiến của hỗn hợp cốt liệu

- Tính tỷ trọng có hiệu của hỗn hợp cốt liệu

- Thí nghiệm xác định tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp BTN ở trạng thái rời

- Thí nghiệm xác định tỷ trọng khối, khối lượng thể tích của mẫu BTN đã đầm

- Tính hàm lượng nhựa hấp phụ

- Tính hàm lượng nhựa có hiệu

- Tính độ rỗng cốt liệu của hỗn hợp BTN đã đầm

- Tính độ rỗng dư của hỗn hợp BTN đã đầm

- Tính độ rỗng lấp đầy nhựa của hỗn hợp BTN đã đầm

Bước 6: Thí nghiệm xác định độ ổn định, độ dẻo trên các mẫu Marshall

Bước 7: Lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu

Ví dụ thiết kế phối trộn cốt liệu từ 2 loại cốt liệu

Lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu

Kết quả trung bình của các tổ mẫu (3 mẫu) bê tông asphalt đầm với 75x2 chày, với 5 hàm lượng nhựa bitum phục vụ thiết kế bê tông asphalt được thống kê như sau:

STT Hàm lượng nhựa(tính theo

% khối lượng hỗn hợp

Khối lượng thể tích(g/cm3)

Độ rỗng cốt liệu- VMA(%)

Độ rỗng VA(%)

dư-Độ ổn định Marshall (kN)

Độ dẻo Marshall (mm)

Tên chỉ tiêu Khối lượng thể tích Độ rỗng cốt

liệu-VMA(%) Độ rỗng dư-VA(%)

Độ ổn định Marshall (kN)

Độ dẻo Marshall (mm)

Phạm vi hàm lượng nhựa(theo % khối lượng

Phạm vi hàm lượng nhựa(theo % khối lượng

hh) thỏa mãn tất cả các chỉ tiêu

XĐ khối lượng thể tích ứng với hàm lượng nhựa tối ưu

BÊ TÔNG NHỰA ĐỘ NHÁM CAO

Yêu cầu chung của mặt đường cao tốc:

- Đủ cường độ

- Đủ độ bằng phẳng

- Có độ nhám cao

Để tăng độ nhám cho mặt đường, hiện nay nhiều nước đã dùng một lớp phủ tạo nhám mỏng, rất mỏng hoặc cực mỏng bằng bê tông nhựa

có hỗn hợp cốt liệu gián đoạn, với chiều dày nhỏ (20 mm ÷ 30 mm), độ rỗng khá lớn (12% ÷ 15%), độ chịu bào mòn cao và dùng chất dính kết là nhựa đường polime

Chiều dày nhỏ, độ rỗng lớn => phải dùng nhựa đường polime (hoặc nhựa đường cải tiến có đặc tính tốt hơn nhựa đường thông thường) để tránh hiện tượng bong bật màng nhựa

Lớp phủ BTN độ nhám cao (BTNNC) có dùng cho các đoạn đường qua địa hình khó khăn nguy hiểm (đường vòng quanh co, đoạn có dốc dọc > 5% với chiều dài dốc > 100 m ) nhằm cải thiện độ nhám và sức kháng trượt mặt đường.

BTNNC có giá thành khoảng 1,5 ÷ 2 lần BTN thông thường

- Bột khoáng là sản phẩm được nghiền từ đá các bô nát (đá vôi canxit, đôlômit) sạch, có giới hạn bền nén ≥ 20 MPa hoặc là xi măng

- Nhựa đường polime sử dụng cho BTNNC là loại PMB-I hoặc PMB-II thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật theo “Tiêu chuẩn nhựa đường polime”