PHÂN TÍCH NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG

Nguyên nhân gây hư hỏng Mặt đường bê tông xi măng BTXM cũng như mặt đường bê tông nhựa BTNthường bị hư hỏng, xuống cấp trong quá trình khai thác do tác dụng của tải trọng, khíhậu, sự lão

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

CHUYÊN ĐỀ 1.2 Phân tích nguyên nhân gây hư hỏng và các loại hình hư hỏng theo tải trọng, khí hậu, điều kiện thi công, chế độ thủy nhiệt, và điều kiện khai thác

MỤC LỤC

1 Đặt vấn đề 3

2 Nguyên nhân gây hư hỏng 3

2.1 Do tải trọng xe 4

2.2 Do khí hậu 5

2.3 Do điều kiện khai thác, thi công 6

3 Các loại hình hư hỏng 7

3.1 Nứt 7

3.1.1 Nứt vỡ góc tấm 8

3.1.2 Vỡ góc 8

3.1.3 Nứt do mỏi – Nứt kiểu “D” (Durability Cracking) 8

3.1.4 Nứt do co ngót 9

3.1.5 Nứt dọc tấm 9

3.1.6 Nứt ngang tấm 10

3.1.7 Chia bản 10

3.1.8 Nứt bền (Nứt vùng D)/ Nứt do mỏi 11

3.2 Hư hỏng khe nối 11

3.2.1 Hư hỏng vật liệu chèn khe 11

3.2.2 Vỡ khe dọc 12

3.2.3 Vỡ khe ngang 12

3.2.4 Bịt mối nối 13

3.3 Hư hỏng bề mặt tấm BTXM: 14

3.3.1 Nứt bản đồ và nứt vảy cá 14

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

3.4.1 Gãy do uốn dọc (Blowup/Xoắn) 15

3.4.2 Lún, cập kênh 16

3.4.3 Chênh cao Làn/Vai đường 16

3.4.4 Tách tấm tại vị trí khe nối 17

3.4.5 Hư hỏng mặt đường hoàn trả 17

3.4.6 Phun vật liệu lớp đáy móng dưới bản 17

3.4.7 Vỡ miếng 18

4 Một số hình ảnh hư hỏng thực tế 18

4.1 Hình ảnh hư hỏng trên Tỉnh lộ 195 tả ngạn sông Hồng, từ Hà Nội – Hưng Yên 18 4.2 Hình ảnh hư hỏng trên Tỉnh lộ 522, thị xã Bỉm Sơn, Thanh Hóa 22

4.3 Hình ảnh hư hỏng trên Tỉnh lộ 316 từ thị trấn Thanh Sơn đi Bến Ngọc, huyện Thanh Thủy, tỉnh Phú Thọ 24

5 Kết luận 26

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

1 Đặt vấn đề

Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) có ưu thế vượt trội về tuổi thọ, cường độ, độ

ổn định, khả năng chống bào mòn, Chính vì vậy mặt đường BTXM đã và đang được

sử dụng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng

Tại Việt Nam, trong những năm qua, đã có nhiều hội thảo, nhiều đề tài nghiên cứu

về việc sử dụng mặt đường BTXM Bộ Giao thông Vận tải đã ban hành Tiêu chuẩnngành 22 TCN 223-95 năm 1995 về Quy trình thiết kế áo đường cứng; Quyết định số1951/QĐ-BGTVT ngày 17/8/2012 Ban hành quy định tạm thời về kỹ thuật thi công vànghiệm thu mặt đường BTXM trong xây dựng công trình giao thông; Quyết định số3230/QĐ-BGTVT ngày 14/12/2012 Ban hành quy định tạm thời về thiết kế mặt đườngBTXM thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông; Đồng thời, nhiềutiêu chuẩn nước ngoài như ASSHTO (Mỹ), JTJ (Trung Quốc) cũng đã được sử dụngtrong các thiết kế đường BTXM ở Việt Nam … Các căn cứ này đã tạo điều kiện cho việc

sử dụng, phát triển mặt đường BTXM rộng rãi tại Việt Nam

Tuy nhiên, mặt đường BTXM trong quá trình sử dụng thường xảy ra một số hưhỏng như nứt, cập kênh, vỡ, gãy tấm, hư hỏng khe nối, …làm ảnh hưởng đến quá trìnhkhai thác và vận hành đường Nguyên nhân của các hư hỏng là do sự hạn chế trong quátrình thiết kế, thi công, việc bảo trì không kịp thời và đúng cách

Chuyên đề này đưa ra và phân tích các nguyên nhân gây hư hỏng và thống kê cácloại hư hỏng khác nhau của mặt đường BTXM

2 Nguyên nhân gây hư hỏng

Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) cũng như mặt đường bê tông nhựa (BTN)thường bị hư hỏng, xuống cấp trong quá trình khai thác do tác dụng của tải trọng, khíhậu, sự lão hóa của vật liệu Mặt đường xuống cấp và hư hỏng làm giảm tốc độ xe chạy

và phát sinh các vấn đề về an toàn giao thông Hơn nữa, sự gia tăng của lưu lượng xe,đặc biệt là xe tải trọng lớn và các xe vượt tải càng làm mặt đường hư hỏng càng nghiêmtrọng Nếu không được bảo trì, sửa chữa kịp thời, đúng cách, khả năng phục vụ và hiệuquả kinh tế của đường sẽ không thể đảm bảo được như dự kiến ban đầu Đảm bảo antoàn, thuận lợi, kinh tế là mục tiêu cuối cùng của công tác duy tu, bảo dưỡng đường bộ,rộng hơn là hệ thống khai thác vận tải đường ô tô

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Tải trọng và cường

độ xe

Vật liệu và chất lượng thi

Hình 1 1 Các nhân tố gây hư hỏng mặt đường BTXM

2.1 Do tải trọng xe

Dưới tác dụng của xe chạy, do tấm bê tông xi măng có độ cứng lớn hơn nhiều sovới móng và nền đất nên tấm sẽ chịu uốn và nếu tấm không đủ dày thì tấm sẽ bị nứt dọchoặc ngang ở giữa tấm hoặc nứt ở góc, cạnh tấm Đặc biệt hay nứt ở góc và cạnh ngangtấm vì tại đấy khi bánh xe thông qua, ứng suất kéo uốn do tải trọng bánh xe gây ra lớnhơn khi bánh xe đặt ở giữa tấm; thêm vào đó nước dễ xâm nhập qua các khe tấm xuốngmóng và nền đất, làm cường độ móng và nền bị giảm yếu dẫn đến dễ phát sinh tích lũybiến dạng dẻo ở lân cận góc và cạnh tấm, tạo ra sự tiếp xúc không tốt giữa tấm và móngtại đó (hiện tượng tấm bị cập kênh, bị “hiệu ứng công son”, bị phụt bùn từ khe lên)

Tác dụng trùng phục của xe chạy, một mặt thúc đẩy quá trình tích lũy biến dạngdẻo nói trên, mặt khác làm vật liệu bê tông xi măng bị mỏi khiến cho cường độ chịu kéo

- uốn và tuổi thọ của bê tông bị giảm đi và tấm cũng sẽ bị phá hoại vì nứt sau khi chịuđựng một số lần xe chạy nhất định

+ Dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, các viên đá có sự dao động, không cònđược lèn chặt vào nhau nữa; mặt khác, sự cọ xát của các viên đá cũng sản sinh các vụn,bụi đá, tăng tính dẻo của phối liệu, dẫn đến các vết nứt và biến dạng của mặt đường

+ Hiện tượng mỏi không chỉ phụ thuộc vào số lần tác dụng của tải trọng và cònphụ thuộc vào trọng lượng của trục xe Trọng lượng càng lớn, hiện tượng mỏi càng diễn

ra nhanh chóng và mạnh mẽ

+ Mối quan hệ giữa tuổi thọ mặt đường và cường độ tải trọng lặp thường tuân theoquy luật logarit, sự tích lũy biến dạng dư ngày càng nhanh thể hiện qua các vết lún, nứttrên mặt đường Không chỉ vậy, dưới do tác dụng của hiện tượng mỏi, đến một thời điểmnhất định, mặt đường chuyển sang giai đoạn biến dạng dẻo, các lớp mặt đường làm việcquá sức, không còn tính đàn hồi, không còn khả năng chống thấm nước, hiện tượng pháhoại diễn ra dữ dội và có thể bị hư hỏng hoàn toàn

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆNgoài ra, lực ngang giữa bánh xe và mặt đường cũng gây ra các tác dụng phá hoại

bề mặt (bào mòn, lâu dần làm bong tróc bề mặt dẫn tới lộ đầu cốt liệu đá trong bê tông,lúc đó mặt đường bê tông xi măng sẽ nhanh chóng bị phá hoại)

+ Sự bào mòn là hậu quả của lực cắt gây ra bởi lốp xe Lực cắt này mài mòn cáccấu trúc vi mô của bề mặt tấm BTXM, làm mặt đường trơn, nhẵn, giảm sức bám

+ Với các mặt đường BTXM chất lượng không đảm bảo, sự kết dính giữa các vậtliệu kém, tải trọng xe chạy, đặc biệt là tải trọng trùng phục và tải trọng tác dụng ngang cóthể gây ra hiện tượng bong bật, mất mát vật liệu

2.2 Do khí hậu

Sự biến đổi nhiệt độ theo mùa sẽ làm nhiệt độ bản thân tấm BTXM tăng hoặcgiảm đều và nếu tấm không dãn hoặc co tự do được thì sẽ phát sinh ứng suất nhiệt rấtlớn

Dù có chia tấm, bố trí khe co, dãn thì dưới tác dụng biến đổi nhiệt, tấm BTXM vẫnkhông co, dãn tự do được vì luôn tồn tại lực ma sát giữa đáy tấm với bề mặt móng (dù có

bố trí lớp cách ly bằng cát trộn nhựa hoặc rải giấy dầu quét bitum) Vì lực ma sát này chỉtác dụng ở đáy móng nên tấm sẽ chịu kéo lệch tâm khi dãn về mùa hè với ứng suất kéolớn nhất xuất hiện ở đáy tấm Tấm có kích thước càng lớn càng dễ bị phá hoại do uốndọc

Sự biến đổi nhiệt độ ngày và đêm trong tấm BTXM sẽ dẫn đến sự chênh lệch nhiệt

độ giữa mặt trên và mặt dưới tấm, gây ra hiện tượng tấm bị uốn vồng: ban ngày do bức

xạ mặt trời mặt trên tấm bị nung nóng và nhiệt độ ở đó sẽ cao hơn đáy móng, các thớ trênmặt tấm lúc đó dãn ra nhiều hơn so với các thớ ở đáy tấm khiến cho tấm có xu hướng bịuốn vồng lên; ngược lại về ban đêm, trên nguội dưới nóng làm tấm có xu hướng vồngxuống Nếu tấm bị hạn chế uốn vồng (do các thanh truyền lực và ma sát ở khe tấm, dolực tiếp xúc ở đáy tấm, do trọng lượng bản thân tấm) tức là tấm không tự do uốn vồnglên hoặc xuống được thì trong tấm phát sinh ứng suất do hạn chế uốn vồng (thớ đáy tấm

bị kéo, thớ mặt tấm bị nén về ban ngày và ngược lại)

Chế độ mưa cũng là nhân tố khí hậu quan trọng nhất gây nguy hại cho sự bềnvững của kết cấu nền và mặt đường BTXM Khi tốc độ nước mưa vượt quá trị số tốc độgây xói của nền đường sẽ gây ra hiện tượng xói mòn đất, hơn nữa còn gây xói mòn mặtđường Trị số tốc độ gây xói đối với nền đường đắp cát thường là 0,3m/s, với kết cấu mặtđường, sỏi cuội và nền sét là 1,5m/s Với mặt đường BTXM, sự xói mòn thường xảy ratại vị trí tiếp giáp lề đường và vị trí khe nối

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆtruyền lực, gây hư hỏng vật liệu chèn khe Khi thoát nước mưa không tốt, nước đọng trênmặt đường có thể thấm xuống làm giảm cường độ của tấm BTXM và gây trơn trượt, mất

2.3 Do điều kiện khai thác, thi công

a Do chất lượng của vật liệu làm mặt BTXM

- Vật liệu làm mặt đường: Mặt đường BTXM phải làm việc trong điều kiệnthường xuyên chịu những tác dụng khắc nghiệt của tải trọng và các yếu tố môi trường

Do đó để đảm bảo mặt đường BTXM đủ bền vững thì bản thân hỗn hợp vật liệu BTXMphải tốt, phải có đủ các phẩm chất cần thiết về cường độ, về khả năng chịu bào mòn, vềkhả năng chống nứt, về khả năng chống xâm thực và cả khả năng dính bám với cốt thép.Vật liệu làm mặt đường BTXM không đảm bảo được các tính chất trên sẽ gây hư hỏng,phát hoại kết cấu mặt đường Những yếu tố sau đây thường gây ảnh hưởng đến độ bềnvững của mặt đường BTXM:

+ Tỷ lệ nước/xi măng: ảnh hưởng đến chất lượng toàn diện của tấm BTXM: cấutrúc, cường độ, độ chịu bào mòn, độ bền vững của cốt thép và khả năng dính bám của cốtthép và bê tông

+ Chất lượng của cốt liệu: Ảnh hưởng đến sự dính bám của vật liệu, ảnh hưởngcường độ, độ chịu bào mòn, tính thuận tiện thi công … của BTXM

+ Phụ gia sử dụng: Phụ gia sử dụng có thể ảnh hưởng đến các tính chất cơ, lý, hóacủa BTXM, găn cản sự dính bám của bê tông và cốt thép, cũng có thể ăn mòn cốt thép

+ Vật liệu bảo dưỡng: có ý nghĩa quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng nhiều mặtcủa BTXM

- Thanh truyền lực và vật liệu chèn khe: Khe nối là vị trí yếu nhất của mặt đườngBTXM, vật liệu chèn khe sử dụng không phù hợp sẽ tạo điều kiện cho nước lọt qua,thấm xuống làm hư hỏng nền đường, ăn mòn cốt thép, thanh truyền lực, dẫn đến việc pháhoại tại góc, cạnh tấm BTXM

- Ngoài ra, chất lượng vật liệu đắp nền đường, làm móng được cũng giữ vai tròquan trọng đối với sự bền vững của mặt đường BTXM Đường sau khi xây dựng nếu bị

hư hỏng nền đường thì việc sửa chữa là bất khả thi, ngoại trừ việc phá bỏ và làm lại toàn

bộ kết cấu

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

b Chất lượng thi công

Chất lượng thi công xấu gây ảnh hưởng nhiều đến bộ bền vững của kết cấu mặtđường BTXM Những sai sót thường xảy ra trong quá trình thi công:

- Thiết kế hỗn hợp BTXM không đảm bảo hoặc thi công không đúng theo thiết kế

- Đầm lèn không đủ độ chặt

- Thi công không đúng kỹ thuật, hỗn hợp BTXM không đồng đều, bị phân tầng

- Bảo dưỡng không kịp thời, đúng cách

3 Các loại hình hư hỏng

3.1 Nứt

Nứt mặt đường BTXM là hiện tượng mặt đường BTXM bị đứt gãy, có hoặc không

có kèm theo sự phá vỡ kết cấu Vết nứt thường xuất hiện dọc hay ngang theo đường,hoặc tại góc tấm BTXM

Các vết nứt thường thẳng và đôi khi có dạng parabol Bề rộng vết nứt là biểu hiệntình trạng xuống cấp nghiệm trọng của mặt đường Ban đầu vết nứt nhỏ nhưng dần sẽ mởrộng ra

Hình 2 1 Mặt đường BTXM bị nứt

Các loại hư hỏng nứt điển hình

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

3.1.1 Nứt vỡ góc tấm

Hình 2 2 Nứt vỡ góc tấm

Nứt vỡ góc tấm và vết nứt kéo dài từ khe nối ngang đến khe nối dọc hoặc cạnhtấm Góc nghiêng của vết nứt xấp xỉ 45o so với hướng giao thông, chiều dài cạnh a củaphần tấm bị nứt từ 30cm đến 1/2 chiều dài tấm

Hình 1.3: Hư hỏng vỡ góc

Hình 2 3Vỡ góc 3.1.3 Nứt do mỏi – Nứt kiểu “D” (Durability Cracking)

Vết nứt xuất hiện vùng xung quanh vị trí có khe nối, góc tấm hoặc nơi có các vếtnứt lớn đã được hình thành từ trước

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Hình 2 4 Nứt do mỏi 3.1.4 Nứt do co ngót

Các vết nứt do co ngót thường dưới dạng sợi tóc và thường ngắn hơn 2m vàkhông kéo dài trên toàn bộ tấm bản Chúng hình thành trong quá trình thi công và bảodưỡng bê tông và thường không kéo dài trên toàn bộ chiều dày tấm bản bê tông mặtđường

Hình 2 5 Nứt do co ngót 3.1.5 Nứt dọc tấm

Vết nứt hình thành trên tấm BTXM có hướng song song với tim đường

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Hình 2 6 Nứt dọc tấm 3.1.6 Nứt ngang tấm

Vết nứt hình thành trên tấm BTXM có hướng vuông góc với tim đường

Hình 2 7 Nứt ngang tấm 3.1.7 Chia bản

Bản thường bị chia ra bởi các vết nứt thành bốn hoặc nhiều hơn các miếng nhỏ doquá tải hoặc không đủ gối đỡ hoặc cả hai

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Hình 2 8 Hư hỏng dạng chia bản 3.1.8 Nứt bền (Nứt vùng D)/ Nứt do mỏi

Nứt vùng D thường xảy ra do giãn nở bởi hiện tượng đóng – tan băng của cốt liệulớn mà theo đó theo thời gian làm giảm chất lượng của bê tông Dạng hư hỏng nàythường xuất hiện như các vết nứt chạy song song và gần với mối nối hoặc vết nứt thẳng.Khi bê tông bão hòa gần các mối nối và vết nứt, sẽ xuất hiện các vết màu tối thường thấyxung quanh các vết nứt nhỏ vùng D Dạng hư hỏng này có thể dẫn đến sự không đồngnhất của toản bộ bản

Hình 2 9 Hư hỏng do nứt vùng D

3.2 Hư hỏng khe nối

3.2.1 Hư hỏng vật liệu chèn khe

Vật liệu chèn khe mất tính đàn hồi, nước có thể thấm qua khe nối xuống kết cấuphía dưới

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Hình 2 10 Hư hỏng vật liệu chèn khe

Có 3 mức hư hỏng đối với tình trạng vật liệu chèn khe (khuyết, lão hóa, đẩy trồi):

- Nhẹ: Cả đoạn đường tình trạng khe nối nói chung là tốt chỉ cá biệt một số ít khe nối cócác hiện tượng nói trên

- Vừa: Dưới 1/3 khe nổi của cả đoạn có các hiện tượng nói trên, nước và vật liệu khác dễxâm nhập hoặc nhét đầy khe

Nặng: Tình trạng các khe nối của cả đoạn rất xấu trên 1/3 số khe có các hiệntượng hư hỏng và vật liệu cứng tự do xâm nhập, cần lập tức thay vật liệu chèn khe

3.2.2 Vỡ khe dọc

Tấm BTXM bị nứt, vỡ tấm, cạnh tấm trong phạm vi 0,3m kể từ vị trí khe dọc

Hình 2 11 Vỡ khe dọc

Có 2 mức độ hư hỏng đối với khe dọc:

- Nhẹ: Khe dọc bị mở rộng thêm (tấm 2 hai hai bên bị trôi ra ngoài) dưới 10mm

- Nặng: Mở rộng thêm > 10mm

3.2.3 Vỡ khe ngang

Tấm BTXM bị nứt, vỡ tấm, cạnh tấm trong phạm vi 0,3m kể từ vị trí khe ngang

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Hình 2 12 Vỡ khe ngang 3.2.4 Bịt mối nối

Hư hỏng bịt mối nối xảy ở bất kì thời điểm nào khi đất hoặc đá lấp đầy mối nốihoặc nước xâm nhập nghiêm trọng Khi vật liệu lấp đầy mối nối sẽ làm ngăn cản sự giãn

nở dài của bản bê tông và có thể dẫn đến uốn, nứt vỡ bản Mối nối mềm được lấp đấy đểdính kết các mép tấm nhằm chống lại sự tích tụ của đất đá và xâm nhập của nước làmyếu lớp móng dưới tấm bản Các dạng hư hỏng do bịt mối nối bao gồm: bóc lớp bịt mốinối, lớp bịt mối nối bị đùn ra ngoài, cỏ dại mọc tại mối nối, cứng hóa lớp bịt mối nối,mất chất kết dính tại các mép, thiếu chất dính kết trong mối nối

Hình 2 13 Hư hỏng bịt mối mối

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Nứt vây cá: Tấm BTXM xuất hiện các khu vực bị bong tróc bề mặt, xuất hiện theochiều sâu từ 3 ÷ 13mm

3.3.2 Mài mòn, lộ đầu đá

Bề mặt tấm BTXM bị bào mòn và để lộ cốt liệu thô

Hình 2 15 Mài mòn cốt liệu và lỗ bề mặt

Mài mòn, lộ đá có 2 mức độ hư hỏng

- Nhẹ: Mài mòn loại lộ đá, với chiều sàn dưới 3mm

- Nặng: Mài mòn loại lộ đá, với chiều sàn trên 3mm

3.3.3 Bong bật cục bộ

Tấm BTXM có hiện tượng bong bật một số mảnh nhỏ của mặt đường có đườngkính từ 25 đến 100mm và chiều sâu từ 13 đến 50mm