Nghiên cứu giải pháp tăng cường chất lượng mặt đường nhựa bằng phụ gia SBS trên tuyến quốc lộ 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - ĐẶNG VĂN MINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG CHẤT LƯỢNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA BẰNG PHỤ GIA SBS TRÊN TUYẾN QL1 (KM 719 – KM 848) TỈNH THỪA THIÊN HUẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - ĐẶNG VĂN MINH NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG CHẤT LƯỢNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA BẰNG PHỤ GIA SBS TRÊN TUYẾN QL1 (KM 719 – KM 848) TỈNH THỪA THIÊN HUẾ CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ & ĐƯỜNG THÀNH PHỐ Mã số : 60.58.02.05.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thị Mai PGS.TS Lã Văn Chăm Hà Nội - 2017 i LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp cao học hoàn thành Trường Đại học Giao thơng Vận tải Có luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Trường Đại học Giao thơng Vận tải, Phòng đào tạo sau đại học, Bộ môn Đường bộ, Trung tâm Khoa học Cộng nghệ Giao thơng Vận tải, Phòng thí nghiệm, kiểm định trọng điểm trường Đại học Giao thông Vận tải – LASXD 1256, tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận văn này, đặc biệt PGS.TS Lã Văn Chăm, PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, TS Nguyễn Thị Mai Th.S.NCS Lương Xuân Chiểu trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ em với dẫn khoa học quý giá suốt trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành đề tài “Nghiên cứu giải pháp tăng cường chất lượng mặt đường Bê tông nhựa phụ gia SBS tuyến QL1 (Km719 – Km 848) tỉnh Thừa Thiên Huế” Em xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo trực tiếp giảng dạy, truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành Xây dựng đường ô tô thành phố cho em suốt năm qua; Em xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải Phòng thí nghiệm, Kiểm định trọng điểm Trường Đại học Giao thông Vận tải – LASXD 1256 anh em phòng thí nghiệm, tạo điều kiện, xếp thời gian hợp lý, giúp em tham gia khóa học hồn thành đề tài nghiên cứu của mình; Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân ni dưỡng, giúp đỡ em trưởng thành ngày hôm Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2017 Tác giả Đặng Văn Minh ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất kết khoa học trình bày luận văn thành lao động của thân với giúp đỡ của người hướng dẫn khoa học bạn bè đồng nghiệp Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2017 Tác giả Đặng Văn Minh iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA 1.1 Tổng quan mặt đường bê tông nhựa 1.1.1 MỘT SỐ ĐİỊ̇NH NGHİİ̃A CƠ BẢN 1.1.2 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA 1.2 TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA VÀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG NHỰA 1.2.1 Khái niệm bê tông nhựa 1.2.2 Phân loại bê tông nhựa 1.2.3 YÊU CẦU VỀ VẬT LIỆU CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG NHỰA 10 1.3 Kết luận chương 13 CHƯƠNG 2: HƯ HỎNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA DO HLVBX VÀ THỰC TRẠNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA TRÊN QL1 (KM719 – KM 848) TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 2.1 14 Hư hỏng mặt đường bê tông nhựa HLVBX nguyên nhân gây hư hỏng Việt Nam 14 2.1.1 Tổng quan hư hỏng mặt đường bê tông nhựa HLVBX 14 iv 2.1.2 Hình ảnh hư hỏng mặt đường bê tông nhựa HLVBX số tuyến QL giới Việt Nam 15 2.1.3 CÁC DẠNG HƯ HỎNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA DO HLVBX .19 2.1.4 Hư hỏng mặt đường bê tông nhựa hằn lún vệt bánh xe 21 2.2 Hiện trạng số giải pháp khắc phục HLVBX QL1 đoạn Km 719+500 – Km 848+875 tỉnh Thừa Thiên Huế 28 2.2.1 Khái quát dự án Đầu tư xây dựng cơng trình, mở rộng QL1 đoạn Km 719+500 – Km 848+875 tỉnh Thừa Thiên Huế theo hình thức hợp đồng BOT 28 2.2.2 Giải pháp khắc phục HLVBX QL1 đoạn Km 719+500 – Km 848+875 tỉnh Thừa Thiên Huế 36 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 45 CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG PHỤ GIA SBS ĐỂ KHẮC PHỤC SỬA CHỮA HLVBX TRÊN QL1 ĐOẠN QUA TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 46 3.1 Đề xuất giải pháp thiết kế lựa chọn thành phần hỗn hợp bê tơng nhựa áp dụng cho tuyến QL1 đoạn qua Huế 46 3.1.1 Tổng quan phụ gia Styrene – Butadiene – Styrene (SBS) sử dụng cho bê tông nhựa 47 3.1.2 Giải pháp sử dụng hỗn hợp bê tông nhựa thêm phụ gia SBS trộn trực tiếp vào nhựa đường thông thường 60/70 trạm trộn 50 3.1.3 Giải pháp sử dụng hỗn hợp bê tông nhựa dùng nhựa Polyme cải tiến (PMB) 52 3.1.4 Giải pháp sử dụng hỗn hợp bê tông nhựa thêm phụ gia SBS trộn trực tiếp với cốt liệu nóng buồng trộn trạm trộn .53 v 3.2 Giải pháp thiết kế, thi công khắc phục hằn lún vệt bánh xe mặt đường QL1 đoạn qua tỉnh Thừa Thiên Huế .55 3.2.1 LỰA CHỌN MÁC NHỰA ĐƯỜNG CHO PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ NHẰM KHẮC PHỤC HIỆN TƯỢNG HLVBX 55 3.2.2 Lập phương án xử lý khảo sát trạm trộn bê tông nhựa 55 3.2.3 Công tác thiết kế Hotbin thí nghiệm phòng thí nghiệm 59 3.2.4 Cơng tác thi cơng rải thử ngồi trường .63 3.3 Đánh giá chất lượng sau đưa vào khai thác sử dụng66 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHİ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .72 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Quan hệ tốc độ xe chạy số đo độ gồ ghề quốc tế IRI Bảng 1.2 Yêu cầu độ nhám mặt đường Bảng 1.3 Cấp phối hỗn hợp cốt liệu bê tông nhựa chặt (BTNC) theo TCVN 8819:2011 Bảng 1.4 Các tiêu lý quy định cho đá dăm theo TCVN 8819-2011 10 Bảng 1.5 Cấp phối cốt liệu loại BTNC .11 Bảng 1.6 Khống chế cỡ hạt mịn thành phần cấp phối cốt liệu BTNC để tạo BTNC thô 12 Bảng 1.7 Các tiêu lý quy định cho bột khoáng theo TCVN 8819:2011 12 Bảng 2.1 Chi tiết kết kiểm tra hằn lún trường số gói thầu của dự án 32 Bảng 2.2 Yêu cầu độ rỗng cốt liệu, % 38 Bảng 2.3 Quy định kỹ thuật độ sâu vệt hằn bánh xe quy định số loại bê tông nhựa thử nghiệm theo phương pháp A 43 Bảng 3.1 Các yêu cầu kỹ thuật của phụ gia SBS .50 Bảng 3.2 Kết xác định tiêu của mẫu hỗn hợp BTNC19 61 vii DANH MỤC HÌNH Ả NH Hình 1.1 Sơ đồ tầng, lớp của kết cấu áo đường mềm kết cấu - áo đường Hình 2.1 Lún vệt bánh xe Thái Lan .15 Hình 2.2 Hằn lún vệt bánh xe Ba Lan Anh .16 Hình 2.3 Lún vệt bánh xe Hoa Kỳ 16 Hình 2.4 Mặt đường QL1, đoạn qua tỉnh Ninh Bình hằn lún vệt bánh xe 16 Hình 2.5 Đường vừa đưa vào khai thác bị HLVBX đoạn QL1 đoạn qua tỉnh Quảng Trị 16 Hình 2.6 QL1 đoạn qua tỉnh Nghệ An xuất hàng loạt hằn lún vệt bánh xe .17 Hình 2.7 HLVBX xảy QL18 đoạn ng Bí – Hạ Long 17 Hình 2.8 Hiện tượng hằn lún xảy nghiêm trọng xe có tải trọng nặng QL18 đoạn ng Bí – Hạ Long 17 Hình 2.9 Hiện tượng lún vệt bánh xe đại lộ Đông - Tây 18 Hình 2.10 Một đoạn đường gần nút giao thông Khuất Duy Tiến - Lê Văn Lương bị lún khoảng cm 18 Hình 2.11 Hư hỏng mặt đường ngã tư đèn đỏ đại lộ Mai Chí Thọ 18 Hình 2.12 Hư hỏng mặt đường trạm thu phí số QL5 18 Hình 2.13 Lún vệt bánh kết cấu 19 Hình 2.14 Ảnh hưởng của trục xe tải trọng tới mặt đường 20 Hình 2.15 Lún chảy dẻo lớp bê tông nhựa 21 Hình 2.16 Lún lớp mặt bê tông nhựa 21 Hình 2.17 Quan hệ nhiệt độ khơng khí với nhiệt độ bề mặt lớp vật liệu 22 Hình 2.18 Mơ hình tương tác nhiệt độ của kết cấu áo đường 22 Hình 2.19 Lún vệt bánh xe nút giao thơng nơi có xe nặng lưu thơng lực ngang phát sinh điều kiện tăng, giảm tốc của xe nặng 27 Hình 2.20 Điển hình hư hỏng lún vệt bánh xe nơi có xe nặng lưu thơng lớp móng đất .27 Hình 2.21 Mặt đường sau thi công xong, mặt đường tạo thành lớp mỏng nhựa hạt nhỏ thừa trào ngược lên mặt đường 30 Hình 2.22 Mặt đường bị HLVBX có tượng chảy nhựa 30 Hình 2.23 Khoan mẫu kiểm tra chất lượng thi công mặt đường Km 793+049 trái tuyến, đánh giá khả dính bám lớp lớp .31 Hình 2.24 Khảo sát đoạn HLVBX, cắt mẫu xác định nguyên nhân 31 Hình 2.25 Cắt mẫu xác định nguyên nhân HLVBX 31 Hình 3.1 Phụ gia SBS dạng hạt, màu trắng .47 Hình 3.2 Cấu trúc của SBS sơ đồ minh họa trình liên kết SBS 48 Hình 3.3 Ảnh huỳnh quang của bitum với hàm lượng SBS khác .49 Hình 3.4 Thiết bị trộn SBS bitum chuyên dụng sử dụng trộn trực tiếp trạm trộn của hãng IKA Trung tâm KHCN GTVT .51 viii Hình 3.5 Mơ hình cơng nghệ trộn SBS với nhựa đường 60/70 trạm trộn .51 Hình 3.6 Dây chuyền sản xuất tồn chứa nhựa đường Polyme nhà máy PUMA 52 Hình 3.7 Lắp đặt thiết bị cấp phụ gia tự động đấu nối với hệ thống khí điều khiển tự động của trạm trộn của Cơng ty Việt Đức QL2 Hà Giang 53 Hình 3.8 Khảo sát lắp đặt thiết bị cấp phụ gia tự động cho trạm trộn Xuân Long của công ty Trùng Phương Thừa Thiên Huế 56 Hình 3.9 Đá có nhiều thạch anh mặt vỡ nhỏ, dính bám với nhựa 57 Hình 3.10 Cát tự nhiên sử dụng với lượng nhiều để chế tạo BTN .57 Hình 3.11 Kiểm tra hệ thống sàng vách ngăn bị thủng yêu cầu khắc phục 57 Hình 3.12 Đường thu hồi bụi băng gấu nóng ngày trước tận dụng sau đưa ngồi q trình sản xuất BTN 59 Hình 3.13 Đường cấp phối BTNC19 sau phối trộn hotbin thiết kế 60 Hình 3.14a Hỗn hợp BTNC - 60/70 61 Hình 3.14b Hỗn hợp BTNC19 - SBS 61 Hình 3.15a BTNC19 – SBS trước thí nghiệm 61 Hình 3.15b BTNC19 – SBS sau thí nghiệm 61 Hình 3.16 Quan hệ độ lún – chu kỳ thí nghiệm của thí nghiệm VHBX mẫu BTNC19 60/70 62 Hình 3.17 Quan hệ độ lún – chu kỳ thí nghiệm của thí nghiệm VHBX mẫu BTNC19 SBS 62 Hình 3.18 Đường cấp phối BTNC19 sau phối trộn hotbin thảm thử 64 Hình 3.19 Chuẩn bị mặt tưới nhũ tương trước thảm thử 65 Hình 3.20 Hỗn hợp BTNC19 – SBS với hai hàm lượng phụ gia 6% .65 Hình 3.21 Kiểm tra mặt đường BTNC19 - SBS sau thi công thảm thử 67 61 Hình 3.14a Hỗn hợp BTNC - 60/70 Hình 3.14b Hỗn hợp BTNC19 - SBS Hình 3.15a BTNC19 – SBS Hình 3.15b BTNC19 – SBS trước thí nghiệm sau thí nghiệm Bảng 3.2 Kết xác định tiêu mẫu hỗn hợp BTNC19 T T KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NỢI DUNG THÍ NGHIỆM ĐƠN Vİ BTCN19 – 60/70 BTNC19 - SBS Khối lượng thể tích g/cm3 2.341 2.330 Khối lượng riêng g/cm3 2.475 2.466 Độ rỗng dư % 5.44 5.53 Độ ổn định Marshall 60oC kN 13.66 13.90 Độ dẻo Marshall 600C mm 3.56 3.04 mm/lượt 7.11mm/15.000 lượt 2.42mm/15.000 lượt 9.05mm/20.000 lượt 2.80mm/20.000 lượt 62 T T KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NỢI DUNG THÍ NGHIỆM ĐƠN Vİ BTCN19 – 60/70 BTNC19 - SBS 3.67mm/40.000 lượt Độ sâu vệt hằn bánh xe Phương pháp A, nhiệt độ 50oC, Hình 3.16 Quan hệ đợ lún – chu kỳ thí nghiệm thí nghiệm VHBX mẫu BTNC19 - 60/70 Hình 3.17 Quan hệ đợ lún – chu kỳ thí nghiệm thí nghiệm VHBX mẫu BTNC19 - SBS  Nhận xét, đánh giá  Chỉ tiêu Độ ổn định Marshall của hỗn hợp bê tơng nhựa có sử dụng phụ gia SBS có giá trị cao so với hỗn hợp bê tông nhựa không sử dụng phụ gia tương đương với BTN dùng nhựa đường Polyme Chứng tỏ khả chịu lực của hỗn hợp bê tông nhựa tăng lên có tác dụng của phụ gia SBS; Chỉ tiêu độ dẻo của hỗn hợp đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật  Thông qua biểu đồ quan hệ độ lún – số chu kỳ thí nghiệm của kết thí nghiệm Vệt hằn bánh xe nhận thấy mẫu thí nghiệm mơi trường nước khơng 63 thấy xuất hiện tượng bong màng nhựa, kết luận việc sử dụng phụ gia SBS giai đoạn đầu chưa thấy phản ứng phụ gây hại cho chất lượng của hỗn hợp bê tông nhựa SBS làm tăng khả dính bám của hỗn hợp nhựa với cốt liệu đá;  Phân tích kết thí nghiệm Vệt hằn bánh xe theo phương pháp A (môi trường nước, 50oC) của hỗn hợp thử nghiệm thấy hỗn hợp bê tơng nhựa có trộn phụ gia SBS cho kết kháng lún tốt nhiều so với hỗn hợp bê tông nhựa thông thường sử dụng nhựa đường 60/70 Cụ thể số lần tác dụng của 15.000 lượt bánh xe BTN thường có chiều sâu lún 7.11mm so với BTN sử dụng phụ gia SBS có chiều sâu lún 2.42mm HLVBX giảm 2.94 lần Còn số lượt tác dụng tải 20.000 lượt bánh xe BTNC19-SBS tốt so với BTNC19–60/70 2.80mm so với 9.05mm HLVBX giảm 4.35 lần Thậm chí hỗn hợp đảm bảo khả kháng lún theo quy định cho bê tông nhựa Polyme thống ngưỡng tốt đến tốt (kết thí nghiệm hằn lún đo lớn 3.67mm sau 40.000 lượt thí nghiệm – mức độ lún thấp); Kết luận: Đối với hỗn hợp chế bị phòng thí nghiệm, hiệu sử dụng của phụ gia SBS bê tông nhựa tốt, vượt trôi hẳn khả chịu lực, khả ổn định với nhiệt độ, khả kháng lún điều kiện bất lợi so với hỗn hợp bê tông nhựa thông thường Hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng phụ gia SBS dựa quan điểm thiết kế cấp phối đảm bảo đáp ứng yêu cầu thi công, nghiệm thu hành Qua áp dụng đại trà để sửa chữa khắc phục HLVBX cho dự án “ Dự án Nâng cấp mở rộng QL1 đoạn qua tỉnh Thừa Thiên Huế“ 3.2.4 Cơng tác thi cơng rải thử ngồi trường Đoạn thi công thử nghiệm từ Km 847+615 �Km 847+715, phải tuyến Sau khi, đoạn tuyến bị HLVBX với chiều sâu lún lớn 2.5cm tiến hành dùng máy cào bóc, cào lớp có chiều sâu 5cm thảm lại phụ gia SBS với hai hàm lượng phụ gia 5% 6% theo khối lượng nhựa đoạn đường dài 100m 3.2.4.1 Kiểm soát trình sản xuất bê tơng nhựa trạm trộn 64 - Kiểm soát vật liệu đầu vào, tốc độ cấp cốt liệu sơ trước vào tang sấy, nhiệt độ nhựa trước bơm vào thùng trộn - Hàng ngày trước ca sản xuất, cuối ca sản xuất ta kiểm tra thành phần hạt HotBin xem có thay đởi nhiều để có hướng điều chỉnh để đảm bảo đường thiết kế - Kiểm soát nhiệt độ hotbin, nhiệt độ hỗn hợp BTN phụ gia SBS dùng cho lớp - Do có thay đổi tốc độ băng tải thành phần hạt của cốt liệu chưa ởn định ta thay đởi lại tỷ lệ phối trộn Bin để đảm bảo nằm đường cong sai số thiết kế Cụ thể sau: Hình 3.18 Đường cấp phới BTNC19 sau phới trợn hotbin thảm thử 3.2.4.2 Kiểm sốt q trình thi cơng rải thử trường Sau chuẩn bị xong mặt đoạn rải thử, tiến hành tưới nhũ tương dính bám, đợi đủ thời gian cho nhũ tương phân tách hết, tiến hành thảm BTN để đảm bảo khả dính bám hai lớp 65 Hình 3.19 Chuẩn bị mặt tưới nhũ tương trước thảm thử Các công tác chuẩn bị trường kiểm tra điều chỉnh cấp phối trạm xong, ta tiến hành trộn thử hỗn hợp BTN với hai hàm lượng phụ gia SBS 6% theo khối lượng nhựa sử dụng Hình 3.20 Hỗn hợp BTNC19 – SBS với hai hàm lượng phụ gia 6% - Kiểm tra nhiệt độ hỗn hợp BTN xe vận chuyển sau máy rải - Theo dõi hành trình lu, số lượt lu thời gian tốc độ lu, nhiệt độ bắt đầu kết thúc lu lèn của loại lu - Ghi lại đoạn rải thử với cấp phối HLN khác nhau, vị trí cấp phối bị thay đởi cục  Trình tự lu lèn áp dụng q trình thi cơng 66 - Nhiệt độ BTN xe thảm từ 165 – 1700C - Lu sơ vào sau máy rải, nhiệt độ lu lèn từ 145 - 155 0C Chiều dài vệt lu khoảng 16m (1 xe thảm BTN) Thời gian lu khoảng 10 phút (số lượt lu lượt /điểm) - Lu lốp 16 tấn, nhiệt độ bắt đầu lu lèn 1300C Chiều dài vệt lu 40m Thời gian lu khoảng 25 phút Số lượt lu từ 12 – 15 lượt/điểm (chia làm vệt lu) - Lu lốp 25 tấn, nhiệt độ bắt đầu lu lèn 1200C Chiều dài vệt lu 40m Thời gian lu 20 phút Số lượt lu 20 lượt/điểm (chia làm vệt lu) - Lu rung 12 tấn, Nhiệt độ bắt đầu lu lèn 110 độ Chiều dài vệt lu 40m Thời gian lu 20 phút Số lượt lu lượt/điểm - Lu hoàn thiện 12 tấn, nhiệt độ kết thúc lu lèn 80 độ Thời gian lu 15 phút - Khi thi cơng BTN có sử dụng phụ gia SBS nhiệt độ bắt đầu lu lèn kết thúc lu lèn phải cao so với thi công BTN không sử dụng phụ gia SBS, tốc độ lu lèn có phụ gia SBS phải nhanh để đảm bảo số lượt lu/điểm nhiệt độ hỗn hợp BTN nằm khoảng nhiệt độ lu lèn hiệu - Khi nhiệt độ hỗn hợp BTN