Nghiên cứu hỗn hợp đá – nhựa nóng cường độ cao dùng trong kết cấu mặt đường ô tô cấp cao ở việt nam

Giải pháp sử dụng móng bằng vật liệu hạt gia cố chất liên kết vô cơ vôi, xi măng hoặc chất liên kết hữu cơ nhựa đường tạo ra một lớp móng có cường độ cao không những giảm chiều dày KCMĐ

TRẦN DANH HỢI

NGHIÊN CỨU HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA NÓNG

CƯỜNG ĐỘ CAO DÙNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG

Ô TÔ CẤP CAO Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2018

TRẦN DANH HỢI

NGHIÊN CỨU HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA NÓNG

CƯỜNG ĐỘ CAO DÙNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG

Ô TÔ CẤP CAO Ở VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 9580205

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng đường ô tô và đường thành phố

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Trần Thị Kim Đăng

2 GS.TS Bùi Xuân Cậy

Hà Nội - 2018

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố

Tác giả luận án

Trần Danh Hợi

(NCS) đã hoàn thành luận án “Nghiên cứu hỗn hợp đá – nhựa nóng cường độ cao dùng trong kết cấu mặt đường ô tô cấp cao ở Việt Nam”

Để hoàn thành luận án này, xin được gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến 2 thầy cô giáo đã trực tiếp hướng dẫn NCS là PGS.TS Trần Thị Kim Đăng và GS.TS Bùi Xuân Cậy Các thầy cô luôn tận tình chỉ bảo, hỗ trợ NCS ngay từ định hướng nghiên cứu ban đầu và trong suốt quá trình nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Quang Phúc, TS Nguyễn Quang Tuấn – Trường Đại học GTVT đã luôn nhiệt tình hỗ trợ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm, xử

lý và phân tích số liệu thực nghiệm và cũng đã cung cấp cho NCS những tài liệu khoa học hết sức quý giá để thực hiện đề tài nghiên cứu này NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Mai Lân – Viện Giao thông Pháp (IFSTTAR) đã giúp đỡ NCS mua và vận chuyển một số loại nhựa đường từ Pháp về Việt Nam phục vụ cho nghiên cứu Ngoài ra, TS Lân cũng đã cung cấp cho NCS nhiều tài liệu có giá trị cho đề tài nghiên cứu này

NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng thí nghiệm trọng điểm LasXD 1256, phòng thí nghiệm công trình Vilas 047 – Trung tâm KHCN GTVT, phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng – Bộ môn Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học GTVT đã nhiệt tình

hỗ trợ NCS tiến hành các thí nghiệm trong phòng

NCS xin cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường Đại học GTVT, phòng đào tạo sau đại học và Bộ môn Đường Bộ đã luôn ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi cho NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu

Xin gửi lời cảm ơn đến các nhóm sinh viên lớp Cầu Đường bộ K52 và lớp Cầu Đường bộ K53

đã nhiệt tình giúp đỡ NCS thực hiện một số các nghiên cứu tại phòng LasXD 1256

Và lòng biết ơn từ sâu thẳm xin được dành cho những người thân trong gia đình của NCS – những người luôn ủng hộ về tinh thần và vật chất giúp cho NCS vượt qua được những khó khăn trong suốt chặng đường làm nghiên cứu của mình

Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2018

Nghiên cứu sinh

Trần Danh Hợi

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM 4

1.1 HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA SỬ DỤNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM 4

1.1.1 Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Vương quốc Anh 4

1.1.2 Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Ấn Độ 5

1.1.3 Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Pháp 7

1.1.4 Hỗn hợp đá – nhựa trộn nóng sử dụng ở Mỹ 7

1.1.5 Hỗn hợp đá – nhựa làm móng ở Trung Quốc 8

1.1.6 Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Việt Nam 9

1.1.7 Đánh giá chung về hỗn hợp đá – nhựa 12

1.2 HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM 13

1.2.1 Hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao sử dụng ở Vương quốc Anh 14

1.2.2 Hỗn hợp đá - nhựa cường độ cao sử dụng ở Pháp 18

1.2.3 Đánh giá chung về hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao 22

1.3 VAI TRÒ CỦA LỚP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM 22

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỖN HỢP ĐÁ - NHỰA VÀ ĐÁ - NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO Ở VIỆT NAM 24

1.5 XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 25

1.6 MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 27

1.6.1 Mục tiêu 27

1.6.2 Nội dung 27

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO Ở VIỆT NAM 29

2.1 ĐỀ XUẤT HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO VÀ KIẾN

NGHỊ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA HỖN HỢP 29

2.1.1 Đề xuất các hỗn hợp đá – nhựa nghiên cứu 29

2.1.2 Cấu trúc của đá – nhựa cường độ cao 30

2.1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật cho hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao 30

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHỐI TRỘN CỐT LIỆU CHO HỖN HỢP ĐÁ - NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO – PHƯƠNG PHÁP BAILEY 32

2.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến xếp chặt cốt liệu 32

2.2.2 Vai trò của các thành phần cốt liệu trong hỗn hợp 32

2.2.3 Phối trộn giữa các cốt liệu thành phần 33

2.2.4 Cải thiện sự chèn móc cốt liệu 33

2.2.5 Thiết kế thành phần cốt liệu theo phương pháp Bailey [24] 36

2.3 CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ KIẾN NGHỊ ĐỐI VỚI VẬT LIỆU THÀNH PHẦN 41

2.3.1 Cốt liệu thành phần và cấp phối cốt liệu 41

2.3.2 Nhựa đường 46

2.4 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP ĐÁ - NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO 48

2.4.1 Một số phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nóng sử dụng trên thế giới 48

2.4.2 Lựa chọn phương pháp thiết kế hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao 49 2.5 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO 49

2.5.1 Lựa chọn vật liệu thí nghiệm 50

2.5.2 Kế hoạch thí nghiệm 50

2.5.3 Xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu khoáng và nhựa đường 50

2.5.4 Thiết kế cấp phối cốt liệu cho hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao theo phương pháp Bailey 56

2.5.5 Xác định hàm lượng nhựa tối ưu của các hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao theo phương pháp Marshall cải tiến 58

2.6 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA HỖN

HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO 61

2.6.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao 61

2.6.2 Kế hoạch thực nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao 64

2.6.3 Kết quả thí nghiệm và bình luận 64

2.7 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO Ở VIỆT NAM 70

2.7.1 Đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật cho hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao 70

2.7.2 Đề xuất phương pháp thiết kế hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao 71

2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 71

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ HỌC CỦA ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO PHỤC VỤ THIẾT KẾ KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM Ở VIỆT NAM 73

3.1 LẬP KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM 73

3.2 CƯỜNG ĐỘ KÉO UỐN CỦA ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO 74

3.2.1 Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn 74

3.2.2 Trình tự thí nghiệm cường độ kéo uốn 74

3.2.3 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn và bình luận 75

3.3 MÔ ĐUN ĐÀN HỒI TĨNH CỦA ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO 78

3.3.1 Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh 78

3.3.2 Phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh 79

3.3.3 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh và bình luận 80

3.4 MÔ ĐUN ĐỘNG CỦA ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO 84

3.4.1 Khái niệm về mô đun động của hỗn hợp asphalt 84

3.4.2 Ứng dụng của mô đun động trong thiết kế kết cấu mặt đường mềm 86

3.4.3 Kế hoạch thí nghiệm mô đun động 86

3.4.4 Trình tự thí nghiệm mô đun động 87

3.4.5 Kết quả thí nghiệm mô đun động của ĐNMC 88

3.4.6 Xây dựng đường cong chủ mô đun động của ĐNMC 91

3.4.7 Mô hình hóa mô đun động của đá – nhựa cường độ cao 94

3.4.8 Dự báo mô đun động của đá – nhựa cường độ cao từ mô đun cắt động của nhựa đường tương ứng 100

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 109

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM CẤP CAO Ở VIỆT NAM 111 4.1 QUY MÔ GIAO THÔNG TRÊN CÁC TUYẾN ĐƯỜNG Ô TÔ CẤP CAO Ở VIỆT NAM 111

4.2 ĐỀ XUẤT CẤU TẠO KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM ÁP DỤNG CHO ĐƯỜNG Ô TÔ QUY MÔ GIAO THÔNG LỚN Ở VIỆT NAM 113

4.3 TÍNH TOÁN CHIỀU DÀY CÁC LỚP KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM THEO 22 TCN 211-06 114

4.3.1 Quy mô giao thông của các đường ô tô cấp cao ở Việt Nam 115

4.3.2 Thiết kế cấu tạo các kết cấu mặt đường mềm 115

4.3.3 Các thông số đặc trưng của các lớp vật liệu 116

4.3.4 Tính toán chiều dày các lớp KCMĐ mềm cho các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn theo tiêu chuẩn 22 TCN 211-06 116

4.4 PHÂN TÍCH KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM THEO PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC THỰC NGHIỆM 118

4.4.1 Tổng quan về thiết kế mặt đường theo cơ học thực nghiệm (M-E) 118

4.4.2 Ứng dựng phương pháp cơ học - thực nghiệm phân tích các kết cấu mặt đường mềm 120

4.4.3 Phân tích các KCMĐ mềm sử dụng lớp móng hoặc mặt dưới ĐNMC theo phương pháp cơ học - thực nghiệm 127

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 131

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……….….……… 133

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ……….136

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….……… 137

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ

Hình 1-1 Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp DBM 0/32 [57] 5

Hình 1-2 Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ATB 25 của các gói thầu EX3 và EX10 thuộc dự án cao tốc Hà Nội – Hải Phòng 11

Hình 1-3 Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ATB 25 của gói thầu 1B thuộc dự án cao tốc Long Thành – Dầu Giây 12

Hình 1-4 Cỡ hạt lớn nhất danh định Dmax của các hỗn hợp đá – nhựa 13

Hình 1-5 Quan hệ giữa chiều dày các lớp asphalt và tuổi thọ thiết kế [47] 16

Hình 1-6 Những KCMĐ mềm thiết kế để cải thiện khả năng kháng lún [47] 17

Hình 1-7: Kết cấu mặt đường mềm tuổi thọ cao [22] 24

Hình 2-1 Tương quan giữa kích thước 2 nhóm cốt liệu trong không gian 2D khi tất cả các hạt cốt liệu có bề mặt dạng hình tròn [58] 35

Hình 2-2 Tương quan giữa kích thước 2 nhóm cốt liệu trong không gian 2D khi 2 hạt có bề mặt dạng hình tròn và 1 hạt có bề mặt dạng mặt phẳng [58] 35

Hình 2-3 Tương quan giữa kích thước 2 nhóm cốt liệu trong không gian 2D khi 1 hạt có bề mặt dạng hình tròn và 2 hạt có bề mặt dạng mặt phẳng [58] 35

Hình 2-4 Tương quan giữa kích thước 2 nhóm cốt liệu trong không gian 2D khi tất cả các hạt có bề mặt dạng mặt phẳng [58] 36

Hình 2-5 Khối lượng thể tích của cốt liệu [24] 38

Hình 2-6 Đường bao cấp phối cốt liệu đề xuất của ĐNMC 25 44

Hình 2-7 Đường bao cấp phối cốt liệu đề xuất của ĐNMC 31,5 45

Hình 2-8 Thí nghiệm xác định khối lượng thể tích của các loại cốt liệu khoáng theo AASHTO T19 52

Hình 2-9 So sánh độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm của 3 loại nhựa đường 53

Hình 2-10 Thiết bị cắt động lưu biến RHEOTEST RN 4.3 54

Hình 2-11 Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ĐNMC 25 57

Hình 2-12 Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ĐNMC 31,5 57

Hình 2-13 Thí nghiệm Marshall cải tiến 59

Hình 2-14 Các mẫu ĐNMC và ĐNC trước thí nghiệm lún vệt bánh xe 63

Hình 2-15 Thiết bị đầm lăn và thí nghiệm chiều sâu lún vệt bánh xe tại phòng thí nghiệm LASXD 1256 – Trường Đại học GTVT 63

Hình 2-16 Độ rỗng dư của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC 65

Hình 2-17 Biểu đồ so sánh độ rỗng dư của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA - Fisher (khoảng tin cậy 95%) 66

Hình 2-18 Độ ổn định Marshall của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC 66

Hình 2-19 Độ ổn định Marshall cải tiến của các mẫu ĐNMC và ĐNC CP2 67

Hình 2-20 So sánh độ ổn định Marshall cải tiến của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA - Fisher (khoảng tin cậy 95%) 67

Hình 2-21 Độ dẻo Marshall cải tiến của các mẫu ĐNMC và ĐNC 68

Hình 2-22 Độ ổn định còn lại của ĐNMC và ĐNC 68

Hình 2-23 So sánh độ ổn định còn lại của ĐNMC và ĐNC theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA - Fisher (khoảng tin cậy 95%) 69

Hình 2-24 Các mẫu ĐNMC và ĐNC 25 sau khi thí nghiệm lún vệt bánh xe 69

Hình 2-25 Kết quả thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu ĐNMC và ĐNC 25 CP2 70

Hình 3-1 Gia công mẫu dầm bằng máy cắt đá 75

Hình 3-2 Thí nghiệm kéo uốn mẫu ĐNMC và ĐNC trên máy nén Marshall 75

Hình 3-3 Cường độ kéo uốn của ĐNMC và ĐNC (CP1, CP2 và CP3) 77

Hình 3-4 So sánh cường độ kéo uốn của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA - Fisher (khoảng tin cậy 95%) 77

Hình 3-5 Cường độ kéo uốn của ĐNMC 25 và ĐNC 25 CP2 78

Hình 3-6 So sánh Rku của ĐNMC và ĐNC CP2 (nhựa đường 3,7% và 4%) theo phương pháp so sánh từng cặp ANOVA – Fisher (khoảng tin cậy 95%) 78

Hình 3-7 Biến dạng của mẫu thí nghiệm theo thời gian gia tải và dỡ tải 80

Hình 3-8 Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 150C 81

Hình 3-9 Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 300C 82

Hình 3-10 Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 600C 83

Hình 3-11 Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC CP2 83

Hình 3-12 Miền ứng xử của vật liệu sử dụng chất kết dính asphalt [54] 84

Hình 3-13 Sự trễ pha giữa biến dạng và ứng suất trong thí nghiệm mô đun động 85

Hình 3-14 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm bằng đầm xoay Troxler 87

Hình 3-15 Thí nghiệm mô đun động trên thiết bị Cooper 87

Hình 3-16 Mô đun động của ĐNMC và ĐNC CP1 3,7% ở 300C 89

Hình 3-17 Mô đun động của ĐNMC và ĐNC CP2 3,7% ở 300C 90

Hình 3-18 Mô đun động của ĐNMC và ĐNC CP2 4,0% ở 300C 90

Hình 3-19 Mô đun động của ĐNMC và ĐNC CP3 3,7% ở 300C 90

Hình 3-20 Xây dựng đường cong chủ |E*| của ĐNMC 25 CP2 20/30 91

Hình 3-21 Đường cong chủ |E*| của ĐNMC và ĐNC đối chứng 93

Hình 3-22 Xác định các hệ số của quy tắc WLF cho các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC 94 Hình 3-23 Mô tả mô hình 2S2P1D [49] 95

Hình 3-24 Mô hình hóa đường cong chủ |E*| của ĐNMC và ĐNC 98

Hình 3-25 Xây dựng đường cong chủ |G*| của nhựa đường 20/30 101

Hình 3-26 Đường cong chủ |G*| của nhựa đường 20/30, 35/50 và 60/70 102

Hình 3-27 Quan hệ giữa aT và nhiệt độ thí nghiệm |G*| của nhựa đường 102

Hình 3-28 Mô hình hóa |G*| của 3 loại nhựa đường theo mô hình 2S2P1D 104

Hình 3-29 Dự báo |E*| của ĐNMC và ĐNC theo mô hình SHStS 107

Hình 3-30 So sánh kết quả đo và kết quả dự báo |E*| của ĐNMC và ĐNC 108

Hình 4-1 Các KCMĐ mềm có lớp móng trên bằng ĐNMC hoặc ĐNC 114

Hình 4-2 Các KCMĐ mềm với cả lớp mặt dưới và móng trên bằng ĐNMC hoặc ĐNC 114

Hình 4-3 Trình tự thiết kế KCMĐ mềm theo phương pháp M-E [25] 119

Hình 4-4 Dự báo lún, mỏi của các KCMĐ mềm theo phương pháp M-E 124

Hình 4-5 Tổng độ lún KCMĐ dự báo theo thời gian của KC1, KC7 và KC8 125

Hình 4-6 Độ lún các lớp BTN dự báo theo thời gian của KC1, KC7 và KC8 125

Hình 4-7 Tổng nứt từ dưới lên (mỏi và phản ánh) dự báo theo thời gian cho KC1, KC7 và KC8 126

Hình 4-8 Nứt mặt đường từ trên xuống dự báo theo thời gian cho các kết cấu KC1, KC7 và KC8 126

Hình 4-9 Độ lún tổng dự báo theo thời gian của KC1 – KC6 128

Hình 4-10 Độ lún của các lớp asphalt theo thời gian dự báo cho KC1 – KC6 128

Hình 4-11 Nứt mỏi (từ đáy lên) dự báo theo thời gian của KC1 – KC6 129

Hình 4-12 Nứt từ trên xuống dự báo theo thời gian của KC1 – KC6 129

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Cấp phối cốt liệu DBM theo tiêu chuẩn IRC 111-2009 [30] 5

Bảng 1-2 Lựa chọn nhựa đường theo điều kiện khí hậu ở Ấn Độ [30] 6

Bảng 1-3 Yêu cầu đối với hỗn hợp DBM theo IRC 111-2009 [30] 6

Bảng 1-4 Cấp phối cốt liệu cho hỗn hợp ATB ở Alaska [35] 8

Bảng 1-5 Cấp phối cốt liệu ATB sử dụng ở Trung Quốc [56] 8

Bảng 1-6 Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu với hỗn hợp ATB ở Trung Quốc [56] 9

Bảng 1-7 Một số KCMĐ có lớp móng đá – nhựa chặt sử dụng ở Việt Nam 10

Bảng 1-8 Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp HMB 15 và DBM đối chứng [46] 14

Bảng 1-9 Mô đun động thiết kế của DBM và HMB [47] 17

Bảng 1-10 Kết quả thí nghiệm nhựa đường sử dụng trong hỗn hợp GB5 [50] 18

Bảng 1-11 Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp GB5 [50] 19

Bảng 1-12 Các chỉ tiêu của hỗn hợp GB5 và GB2 (cốt liệu Noubleau) [50] 20

Bảng 1-13 Các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp GB5 và GB2 (cốt liệu Obourg) [50] 20

Bảng 1-14 Đường bao cấp phối của EME2 [52] 21

Bảng 1-15 Các chỉ tiêu cơ học yêu cầu đối với đá – nhựa cường độ cao 22

Bảng 2-1 Các tiêu chuẩn kỹ thuật kiến nghị đối với hỗn hợp ĐNMC và ĐNC thiết kế theo phương pháp Marshall cải tiến 31

Bảng 2-2 Các hệ số đánh giá cấp phối cốt liệu của hỗn hợp ĐNMC 41

Bảng 2-3 Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp ĐNMC 31,5 và ĐNMC 25 đề xuất 45

Bảng 2-4 Các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm và bột khoáng 50

Bảng 2-5 Cấp phối cốt liệu của đá dăm các loại và bột khoáng 51

Bảng 2-6 Khối lượng thể tích của các cốt liệu thành phần 52

Bảng 2-7 Các chỉ tiêu cơ bản của 3 loại nhựa đường nghiên cứu 52

Bảng 2-8 Số mẫu thí nghiệm phân loại nhựa đường theo cấp đặc tính PG 55

Bảng 2-9 Kết quả bước đầu phân cấp nhựa đường theo đặc tính PG 56

Bảng 2-10 Phối trộn cốt liệu cho hỗn hợp ĐNMC 25 57

Bảng 2-11 Phối trộn cốt liệu cho hỗn hợp ĐNMC 31,5 57

Bảng 2-12 Các hệ số cốt liệu của các cấp phối cốt liệu ĐNMC và ĐNC 58

Bảng 2-13 Nhiệt độ của hỗn hợp ĐNMC và ĐNC khi trộn 59

Bảng 2-14 Số lượng mẫu xác định hàm lượng nhựa tối ưu 60

Bảng 2-15 Hàm lượng nhựa tối ưu của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC 61

Bảng 2-16 Số lượng mẫu thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của ĐNMC và ĐNC 64

Bảng 2-17 Độ rỗng dư của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC 65

Bảng 3-1 Số lượng mẫu thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học của ĐNMC và ĐNC 73

Bảng 3-2 Số lượng thí nghiệm cường độ kéo uốn của ĐNMC và ĐNC 74

Bảng 3-3 Cường độ kéo uốn của các hỗn hợp ĐNMC và ĐNC ở 150C 76

Bảng 3-4 Số lượng thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC 79

Bảng 3-5 Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 150C 80

Bảng 3-6 Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 300C 81

Bảng 3-7 Mô đun đàn hồi tĩnh của ĐNMC và ĐNC ở 600C 82

Bảng 3-8 Số lượng thí nghiệm mô đun động của ĐNMC và ĐNC 86

Bảng 3-9 Mô đun động của ĐNMC 25 CP2 (nhựa đường 20/30 3,7%) 88

Bảng 3-10 Các thông số của mô hình 2S2P1D mô phỏng |E*| 96

Bảng 3-11 Đánh giá mức độ phù hợp của kết quả dự báo |E*| của ĐNMC và ĐNC bằng mô hình 2S2P1D 99

Bảng 3-12 Kế hoạch thí nghiệm |G*| của 3 loại nhựa đường 101

Bảng 3-13 Các thông số của mô hình 2S2P1D cho 3 loại nhựa đường 103

Bảng 3-14 Đánh giá mức độ phù hợp của kết quả dự báo |G*| bằng mô hình 2S2P1D 104

Bảng 3-15 Các thông số của mô hình SHStS dự đoán |E*| của ĐNMC và ĐNC 106

Bảng 3-16 Đánh giá sự phù hợp mô hình SHStS dự báo |E*| 108

Bảng 4-1 Tổng số trục xe 10T tích lũy dự báo trong thời kỳ thiết kế trên QL1 (đoạn Dốc Xây,Thanh Hóa) 112

Bảng 4-2 Tổng số trục xe 10T tích lũy dự báo trong thời kỳ thiết kế trên QL5 (đoạn qua trạm thu phí Quán Toan, thành phố Hải Phòng) 112

Bảng 4-3 Tổng số trục xe 10T tích lũy dự báo trong thời kỳ khai thác 20 năm của tuyến cao tốc Bến Lức – Long Thành 113

Bảng 4-4 Các quy mô giao thông thiết kế đề xuất trong nghiên cứu 115

Bảng 4-5 Các kết cấu mặt đường mềm với lớp móng ĐNC đề xuất cho các tuyến

đường ô tô có quy mô giao thông lớn 115

Bảng 4-6 Mô đun đàn hồi yêu cầu tương ứng với 3 mức quy mô giao thông 116

Bảng 4-7 Kết quả thiết kế KCMĐ mềm theo 22 TCN 211-06 116

Bảng 4-8 Đề xuất phân loại xe sử dụng trong phương pháp M-E ở Việt Nam 120

Bảng 4-9 Lưu lượng xe dự báo năm đầu và hệ số tăng trưởng xe 121

Bảng 4-10 Số liệu giao thông tính toán trong phân tích M-E 121

Bảng 4-11 Tổng số trục xe 10 T tích lũy trong thời kỳ thiết kế 15 năm 122

Bảng 4-12 Tổng số ESAL 8,2T tích lũy trong thời kỳ thiết kế 15 năm 122

Bảng 4-13 Các kết cấu mặt đường phân tích theo phương pháp M-E 123

Bảng 4-14 Các kết quả phân tích KC1, KC7 và KC8 theo phương pháp M-E 123

Bảng 4-15 Các KCMĐ sử dụng lớp ĐNMC hoặc ĐNC 127

Bảng 4-16 Kết quả dự báo hư hỏng của KCMĐ sử dụng ĐNMC sau 15 năm 130

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AASHTO (American Association of Highway and Transportation Officials): Hiệp hội đường bộ và vận tải liên bang Mỹ

ATB (Asphalt Treated Base): cấp phối đá gia cố nhựa sử dụng làm móng

BTN: Bê tông nhựa

BTNC: Bê tông nhựa chặt

BTNP: Bê tông nhựa polime

BTXM: Bê tông xi măng

CPĐD: Cấp phối đá dăm

CPĐD GCXM: Cấp phối đá dăm gia cố xi măng

DBM (Dense bitumen macadam): đá – nhựa chặt

DBM 50 (Dense bitumen macadam – 50 penetration grade binder): đá – nhựa chặt (nhựa đường có độ kim lún 50 1/10 mm)

ĐNMC: Đá – nhựa chặt cường độ cao (đá – nhựa chặt mô đun cao)

ĐNC: Đá – nhựa chặt

EME (Enrobés à Module Élevé): Bê tông nhựa mô-đun cao

E*: mô đun động

ESAL (Equivalent Single Axle Load): tải trọng trục đơn tương đương

Eyc: mô đun đàn hồi yêu cầu

FHWA (Federal Highway Administration): Cơ quan quản lý đường bộ liên bang

GB (Grave- Bitume): đá - nhựa

G*: mô đun cắt động

HATB (Hot Asphalt Treated Base): cấp phối đá gia cố nhựa trộn nóng sử dụng làm lớp móng của KCA Đ

HDM (Heavy duty macadam): đá – nhựa cho đường xe nặng

HMB (High modulus base): Lớp móng cường độ cao

HMB 35 (High modulus base – 35 penetration grade binder): Lớp móng cường độ cao (nhựa đường có độ kim lún 35 1/10 mm)

HMB 25 (High modulus base – 25 penetration grade binder): Lớp móng cường độ cao (nhựa đường có độ kim lún 25 1/10 mm)

HMB 15 (High modulus base – 15 penetration grade binder): Lớp móng cường độ cao (nhựa đường có độ kim lún 15 1/10 mm)

HMAC (high modulus asphalt concrete): bê tông nhựa cường độ cao

HRA (Hot rolled asphalt): Bê tông nhựa nóng đầm chặt bằng lu

HS (half sieve): cỡ sàng giữa (phân định cỡ hạt thô lớn và trung gian)

KCMĐ: Kết cấu mặt đường

M-E (Mechanistic-Empirical): cơ học - thực nghiệm

MEPDG (Mechanistic Empirical Pavement Design Guide): Hướng dẫn thiết

kế theo phương pháp cơ học - thực nghiệm

NAPA (National Asphalt Pavement Association): Hiệp hội mặt đường asphalt quốc gia

NCAT (National Center for Asphalt Technology): Trung tâm công nghệ asphalt quốc gia

NMPS (nominal maximum particle size): cỡ hạt lớn nhất danh định

PCS (primary control sieve): cỡ sàng điều khiển chính (thứ nhất)

PG (Performance Grade): cấp nhựa theo đặc tính

QMGTL: Quy mô giao thông lớn

SCS (secondary control sieve): cỡ sàng điều khiển thứ 2

TTSP (time–temperature superposition principle): quy tắc tương quan tần số

MỞ ĐẦU

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Ở Việt Nam, kết cấu mặt đường (KCMĐ) mềm có tầng mặt bằng bê tông nhựa (BTN) được sử dụng phổ biến trong xây dựng các tuyến đường ô tô cấp cao Thời gian gần đây, ở nhiều tuyến đường ô tô cấp cao có quy mô giao thông lớn sử dụng loại KCMĐ này thường xuất hiện các hư hỏng như nứt, lún vệt bánh xe sau thời gian ngắn đưa vào khai thác làm suy giảm cường độ chung

và tuổi thọ của KCMĐ Với tầng móng bằng các vật liệu hạt rời rạc có cường

độ thấp thì để đảm bảo cường độ chung của KCMĐ đòi hỏi chúng phải có chiều dày lớn Ngoài ra, vật liệu rời rạc dễ bị các nguồn ẩm xâm nhập vào, điều này không những làm cho bản thân lớp vật liệu đó giảm cường độ mà còn

có ảnh hưởng xấu đến sự liên kết giữa nhựa đường và các cốt liệu khoáng của hỗn hợp BTN Giải pháp sử dụng móng bằng vật liệu hạt gia cố chất liên kết

vô cơ (vôi, xi măng) hoặc chất liên kết hữu cơ (nhựa đường) tạo ra một lớp móng có cường độ cao không những giảm chiều dày KCMĐ mà còn giảm được biến dạng kéo ở đáy các lớp mặt BTN, nhờ đó làm tăng tuổi thọ chịu mỏi của KCMĐ Tuy nhiên, nếu sử dụng lớp móng trên bằng vật liệu gia cố xi măng đặt dưới tầng mặt BTN mỏng thường có nguy cơ xảy ra hư hỏng nứt phản ánh [5] Trong khi đó, KCMĐ mềm với lớp móng đá – nhựa ít có nguy

cơ xảy ra hiện tượng này hơn [35]

Vật liệu đá – nhựa, trong đó phổ biến là đá – nhựa chặt được sử dụng làm lớp móng trên của KCMĐ mềm ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Trung Quốc, Ấn Độ [1], [15], [17], [30], [56], [57] Ngoài ra, loại vật liệu này còn được ứng dụng làm lớp mặt dưới của KCMĐ ở Anh, Ấn Độ [30], [57]

Bên cạnh việc sử dụng hỗn hợp đá – nhựa thông thường, ở một số nước còn nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao cho lớp móng trên và lớp mặt dưới nhằm giảm chiều dày đồng thời cải thiện tuổi thọ KCMĐ mềm của những tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn [15], [46], [47], [50]

Ở Việt Nam, KCMĐ mềm có lớp móng trên bằng vật liệu đá – nhựa chặt (asphalt treated base - ATB) được sử dụng cho một số tuyến cao tốc trong thời gian gần đây Lớp móng đá – nhựa là giải pháp để giảm chiều dày thiết

kế so với phương án sử dụng lớp móng CPĐD loại 1 Giải pháp này bước đầu được đánh giá tốt khi sử dụng cho lớp móng trên trong KCMĐ mềm Mặc dù vậy, các nghiên cứu về thành phần, tính chất của hỗn hợp đá – nhựa chặt và

ứng xử của nó khi đặt trong KCMĐ mềm vẫn chưa được thực hiện nhiều ở Việt Nam

Trong bối cảnh lưu lượng giao thông và tỉ lệ xe nặng trên các tuyến đường ô

tô cấp cao ở nước ta ngày càng tăng [1], bên cạnh nghiên cứu phát triển hỗn hợp đá – nhựa chặt thông thường thì các nghiên cứu cải thiện tính chất cơ học của loại đá – nhựa này nhằm giảm hơn nữa chiều dày thiết kế và cải thiện tuổi thọ của KCMĐ mềm là cần thiết Chính vì vậy, đề tài luận án “Nghiên cứu hỗn hợp đá – nhựa nóng cường độ cao dùng trong kết cấu mặt đường ô tô cấp cao ở Việt Nam” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đề tài luận án xác định thành phần, tính chất của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao sử dụng các nguồn cốt liệu ở Việt Nam Từ đó, đánh giá khả năng ứng dụng của đá – nhựa cường độ cao sử dụng trong KCMĐ mềm cho các tuyến đường ô tô cấp cao có quy mô giao thông lớn

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là các hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao với cỡ hạt lớn nhất danh định 25 mm và 31,5 mm sử dụng các cốt liệu ở Việt Nam Các hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao được chế tạo với 2 loại nhựa đường có độ quánh cao (nhựa đường mác 20/30, 35/50) đối chứng với hỗn hợp đá – nhựa chặt sử dụng nhựa đường thông thường ở Việt Nam (nhựa đường mác 60/70)

Phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án: Đề tài luận án tập trung nghiên cứu các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao trong phòng thí nghiệm

và ứng xử của nó khi được sử dụng làm móng trên hoặc đồng thời làm cả móng trên và mặt dưới của KCMĐ mềm

IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

a) Ý nghĩa khoa học của đề tài

 Luận án đã phân tích, làm rõ cơ sở khoa học việc sử dụng lớp móng nhựa cường độ cao tốt hơn so với lớp đá-nhựa thông thường, lớp CPĐD loại 1 hoặc CPĐD loại 1 gia cố xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô cấp cao có quy mô giao thông lớn để tăng tuổi thọ mỏi, giảm lún vệt bánh

đá-xe và giảm chiều dày KCAĐ mềm ở Việt Nam;

 Đề xuất cấp phối cốt liệu và kiến nghị phương pháp thiết kế hỗn hợp nhựa cường độ cao ở Việt Nam

đá- Luận án đã xây dựng mối liên hệ giữa mô đun cắt động của nhựa đường và

mô đun động của đá – nhựa cường độ cao tương ứng

 Xác định được các chỉ tiêu cơ học của vật liệu đá - nhựa cường độ cao khi thiết kế KCMĐ mềm theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 và phương pháp cơ học-thực nghiệm;

b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

 Luận án đề xuất một số KCMĐ mềm cấp cao sử dụng hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao và đá – nhựa chặt thông thường làm lớp móng trên hoặc đồng thời làm móng trên và mặt dưới

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM

1.1 HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA SỬ DỤNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM

Hiện nay hỗn hợp đá – nhựa được sử dụng trong KCMĐ mềm ở nhiều nước trên thế giới Trong đó, xu hướng sử dụng hỗn hợp đá – nhựa chặt (ĐNC) làm lớp mặt dưới và móng trên của KCMĐ mềm là xu hướng khá phổ biến

Các hỗn hợp đá – nhựa sử dụng trên thế giới có một số tên gọi khác nhau Ở Vương Quốc Anh và Ấn Độ, các hỗn hợp này được gọi tên là Dense Bituminous Macadam (viết tắt là DBM) [47], [57] Hỗn hợp đá – nhựa ở

Mỹ, Trung Quốc và một số nước khác được gọi là Asphalt treated Base (viết tắt là ATB) [30], [56] Ở Pháp, hỗn hợp đá – nhựa được gọi là Grave - Bitume (viết tắt là GB) [32] Các hỗn hợp DBM và ATB có đặc điểm chung

là sử dụng cấp phối cốt liệu với cỡ hạt danh định khá lớn (≥ 25 mm) Đây là hỗn hợp chặt với độ rỗng dư thường trong khoảng từ 3 – 6 % Trong khi đó, các hỗn hợp GB lại sử dụng cấp phối cốt liệu có cỡ hạt lớn nhất danh định nhỏ hơn so với DBM và ATB (thường là 14 mm và 20 mm) và độ rỗng dư của hỗn hợp sau khi đầm nén cũng khá lớn (từ 7-10 % đối với GB2 và GB3, 5–10

% đối với GB4) [32]

1.1.1 Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Vương quốc Anh

Hỗn hợp đá - nhựa sử dụng ở Vương quốc Anh có tên gọi là Dense bituminous macadam (viết tắt là DBM) Hỗn hợp DBM thường được sử dụng làm lớp móng trên hoặc mặt dưới của KCMĐ mềm Các hỗn hợp đá – nhựa này được thiết kế với cấp phối chặt 0/32 mm (đối với lớp móng trên và mặt dưới) hoặc 0/20 mm (đối với lớp mặt dưới) [57]

Các loại hỗn hợp đá - nhựa chặt 0/32 và 0/20 thông thường gồm DBM 50, DBM 125 và DBM 190 tương ứng với loại nhựa được sử dụng là 40/60, 100/150, 160/220 Hàm lượng nhựa thiết kế của các hỗn hợp này tùy thuộc vào cấp phối cốt liệu và loại cốt liệu sử dụng Đối với hỗn hợp đá – nhựa sử dụng đá dăm nghiền thì hàm lượng nhựa thiết kế khoảng 4,0% (đối với lớp móng trên) và 4,7% (đối với lớp mặt dưới) [57]

Thành phần cấp phối của đá – nhựa chặt 0/32 dùng làm lớp móng trên hoặc lớp mặt dưới theo tiêu chuẩn BS 4987-1:2005 Cấp phối và đường bao cấp phối cốt liệu như thể hiện ở Hình 1-1 [57]

Hình 1-1 Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp DBM 0/32 [57]

1.1.2 Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Ấn Độ

Tương tự như ở Vương quốc Anh, hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Ấn Độ có cấp phối chặt và cũng có tên gọi là Dense Bituminous Macadam (viết tắt là DBM) Theo tiêu chuẩn IRC 111: 2009 [30], hỗn hợp DBM được sử dụng làm lớp móng trên hoặc lớp mặt dưới trong KCMĐ mềm ở Ấn Độ Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp DBM thể hiện ở Bảng 1-1

Bảng 1-1 Cấp phối cốt liệu DBM theo tiêu chuẩn IRC 111-2009 [30]

Loại hỗn hợp DBM DBM 37,5 DBM 25

Hàm lượng nhựa

Cũng theo tiêu chuẩn IRC 111:2009 [30], có 4 loại nhựa đường được sử dụng gồm VG-40 (40 – 60 pen), VG-30 (50 – 70 pen), VG-20 (60 – 80 pen), VG-10 (80 – 100 pen) Việc lựa chọn nhựa đường phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, thể hiện ở Bảng 1-2

Bảng 1-2 Lựa chọn nhựa đường theo điều kiện khí hậu ở Ấn Độ [30] Nhiệt độ trung

Hàm lượng nhựa tối ưu được lựa chọn để hỗn hợp thiết kế có độ rỗng dư 4,0%

và đạt được các yêu cầu kỹ thuật quy định tại Bảng 1-3

Bảng 1-3 Yêu cầu đối với hỗn hợp DBM theo IRC 111-2009 [30]

Chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị Phương pháp thí nghiệm

Số chày đầm nén mỗi mặt mẫu (chày) 75

Độ ổn định Marshall (KN, ở 600C) 9,0 AASHTO T245

Thương số Marshall (độ ổn định/độ dẻo) 2 - 5

% độ rỗng lấp đầy nhựa (VFB) 65 - 75 MS-2

Hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp ≥ 80% AASHTO T283

Độ rỗng cốt liệu (%)

Chỉ tiêu kỹ thuật Giá trị Phương pháp thí nghiệm

Cỡ hạt lớn nhất danh định Dmax (mm) 3 Độ rỗng dư (%) 4 5

1.1.3 Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Pháp

Ở Pháp, hỗn hợp đá – nhựa được sử dụng có tên gọi là Grave bitume (viết tắt

là GB) được sử dụng làm móng của KCMĐ mềm từ những năm 1970 Cỡ hạt lớn nhất của cấp phối đá thường là 14 mm và 20 mm, còn cỡ hạt 31,5 mm rất

ít được sử dụng [12], [32]

Thông thường hỗn hợp GB sử dụng loại nhựa đường gốc 35/50 Ở các vùng có mức giao thông lớn hơn 750 xe tải/ngày, dòng giao thông theo làn, tốc độ nhỏ hơn 40 km/h hoặc đoạn đường dốc lớn hơn 5% nên lựa chọn loại nhựa 20/30 hoặc nhựa đường đặc biệt Hàm lượng nhựa đường thiết kế của hỗn hợp GB2 - GB4 từ 3,9 – 4,6% khối lượng hỗn hợp tùy thuộc vào cấp phối cốt liệu, độ rỗng dư mong muốn, khối lượng riêng của cốt liệu [32]

Cũng theo hướng dẫn thiết kế hỗn hợp asphalt của trung tâm thí nghiệm cầu đường Pháp [32], độ rỗng dư tối đa cho phép đối với các hỗn hợp GB2, GB3

và GB4 lần lượt là 11%, 10% và 9% khi thí nghiệm với mẫu được đầm nén bằng đầm xoay 100 lượt (đối với GB 0/14) hoặc 120 lượt (đối với GB 0/20) 1.1.4 Hỗn hợp đá – nhựa trộn nóng sử dụng ở Mỹ

Ở Mỹ, hỗn hợp đá – nhựa có tên gọi chung là Asphalt Treated Base (thường viết tắt là ATB) Có 3 loại hỗn hợp đá – nhựa ATB thường sử dụng bao gồm

đá – nhựa trộn nóng (HATB), đá – nhựa trộn nhũ tương (EATB) và đá – nhựa trộn bitum bọt (FATB) [41]

Theo báo cáo nghiên cứu của hiệp hội mặt đường asphalt quốc gia (NAPA) [35], hỗn hợp đá – nhựa trộn nóng (HATB) được định nghĩa là một loại hỗn hợp BTNC với một đường bao cấp phối rộng và hàm lượng nhựa thấp (thường

từ 2,5 – 4,5% khối lượng hỗn hợp)

Lớp HATB có khả năng chống lại nứt mỏi tốt hơn so với lớp móng gia cố xi măng Do đó, khi sử dụng HATB thay thế lớp móng gia cố xi măng sẽ khắc phục được nhược điểm của loại KCMĐ nửa cứng này là thường xuất hiện các vết nứt ngang ở lớp móng và lan truyền vết nứt lên trên mặt đường [35]

Hỗn hợp HATB được sử dụng ở nhiều bang của Mỹ Tuy nhiên, chỉ có một vài bang có chỉ dẫn kỹ thuật cho thiết kế hỗn hợp này [35] Ví dụ, Sở giao thông Alaska (AKDOT) ban hành tài liệu 306 “Lớp móng gia cố nhựa ”, trong

đó cấp phối cốt liệu được như thể hiện tại Bảng 1-4

Bảng 1-4 Cấp phối cốt liệu cho hỗn hợp ATB ở Alaska [35]

Cỡ sàng % lọt sàng tính theo khối lượng

Bên cạnh việc sử dụng các hỗn hợp ATB, các hỗn hợp BTNC có cỡ hạt danh định từ 19 – 37,5 mm theo tiêu chuẩn ASTM D3515 [23] cũng được sử dụng

để làm lớp móng trên của KCMĐ mềm cho các tuyến đường ô tô quy mô giao thông trung bình và cao [34] Tuy nhiên, ở bang Texas, hỗn hợp ATB cũng thường được lựa chọn làm móng trên bởi tính kinh tế, dễ thi công và kháng lún tốt của lớp vật liệu này [35]

1.1.5 Hỗn hợp đá – nhựa làm móng ở Trung Quốc

Theo tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng mặt đường BTN của Trung Quốc (JTG F40 -2004) [56], có 3 loại hỗn hợp đá-nhựa trộn nóng bao gồm ATB-40, ATB-30

và ATB-25 với cấp phối cốt liệu yêu cầu như ở Bảng 1-5

Bảng 1-5 Cấp phối cốt liệu ATB sử dụng ở Trung Quốc [56]

Cỡ sàng (mm) % lọt sàng tính theo khối lượng

Cỡ sàng (mm) % lọt sàng tính theo khối lượng

2 Đường kính mẫu thí nghiệm, mm 101,6 152,4

- Với độ rỗng dư thiết kế 4% 11-12

- Với độ rỗng dư thiết kế 5% 12-13

- Với độ rỗng dư thiết kế 6% 13-14

1.1.6 Hỗn hợp đá – nhựa sử dụng ở Việt Nam

Hỗn hợp đá – nhựa đang ngày càng được sử dụng rộng rãi làm lớp móng trên của KCMĐ mềm ở Việt Nam, gồm cả đá – nhựa chặt và đá – nhựa rỗng

Hỗn hợp đá – nhựa rỗng đã và đang được sử dụng ở một số dự án như cao tốc Bắc Giang – Lạng Sơn, đường nối thành phố Hạ Long với cầu Bạch Đằng, dự

án nâng cấp tuyến đường Pháp Vân – Cầu Giẽ (giai đoạn 2) và một số dự án khác Việc sử dụng hỗn hợp đá – nhựa rỗng có thuận lợi là có thể vận dụng tiêu chuẩn bê tông nhựa rỗng theo TCVN 8819:2011 [7] để thiết kế Các hỗn hợp này thường được thiết kế sử dụng loại nhựa đường 60/70 với hàm lượng nhựa thiết kế khoảng 3,3  3,5% khối lượng hỗn hợp Độ rỗng dư thiết kế của hỗn hợp này thường từ 8-10%

Cùng với hỗn hợp đá – nhựa rỗng, hỗn hợp đá – nhựa chặt ATB cũng được sử dụng làm lớp móng trên của KCMĐ cho một số dự án như cao tốc Hà Nội – Hải Phòng, Long Thành – Dầu Giây, Bến Lức – Long Thành với chiều dày thiết kế từ 10 – 19 cm (xem Bảng 1-7) Tuy nhiên, việc sử dụng lớp móng đá – nhựa chặt gặp phải khó khăn do chưa có tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu

Ở nước ta, hiện nay mới chỉ có TCS 06/2013/TCĐBVN về sửa chữa kết cấu mặt đường bằng hỗn hợp đá dăm đen rải nóng [9] Tiêu chuẩn này không áp dụng được khi sử dụng hỗn hợp đá – nhựa chặt làm móng của KCMĐ làm mới Chính vì vậy, ở các dự án thường vận dụng các tiêu chuẩn nước ngoài

để thiết kế thành phần hỗn hợp Các dự án khác nhau thì đường bao cấp phối cốt liệu yêu cầu thường khác nhau

Bảng 1-7 Một số KCMĐ có lớp móng đá – nhựa chặt sử dụng ở Việt Nam

Dự án (MPa) Eyc

Tổng chiều dày (cm)

BTN tạo nhám (cm)

BTN hạt mịn (cm)

BTN hạt trung (cm)

Đá- nhựa chặt (cm)

CPĐD loại 1 (cm)

CPĐD loại 2 (cm)

Cao tốc Long Thành

Cao tốc Hà Nội – Hải

Hỗn hợp đá – nhựa chặt ở một số dự án mang lại một số lợi ích như:

- Giảm được thời gian chờ sau thi công so với thi công CPĐD GCXM;

- Làm giảm nguy cơ xảy ra nứt phản ánh so với sử dụng CPĐD GCXM;

- Tính thấm nước nhỏ, làm giảm khả năng xâm nhập của nguồn ẩm vào bản thân lớp vật liệu này cũng như các lớp mặt đường BTN phía trên

Các thiết kế hỗn hợp đá – nhựa chặt ATB 25 sử dụng ở một số dự án có đặc điểm chung là sử dụng cấp phối cốt liệu với cỡ hạt lớn nhất danh định Dmax ≥

25 mm và loại nhựa đường 60/70 Tuy nhiên, đường bao cấp phối cốt liệu đề xuất khác nhau tùy theo dự án Khi xem xét hỗn hợp ATB sử dụng cho một số

dự án đường cao tốc ở Việt Nam thấy rằng:

- Hỗn hợp ATB 25 sử dụng trong KCMĐ của gói thầu EX3 và EX10 thuộc

dự án cao tốc Hà Nội – Hải Phòng đều thiết kế với đường bao cấp phối cốt liệu như thể hiện ở Hình 1-2 Lượng lọt sàng 4,75 mm của đường cấp phối cốt liệu trung bình khoảng 40% Hàm lượng nhựa tối ưu tương ứng với các cấp phối thiết kế ATB 25 của các gói thầu này đều nằm trong khoảng từ 3,8 – 4,2% khối lượng hỗn hợp Các hỗn hợp này có độ rỗng dư thiết kế trong khoảng từ 3-5%

Hình 1-2 Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ATB 25 của các gói thầu

EX3 và EX10 thuộc dự án cao tốc Hà Nội – Hải Phòng

- Đối với gói thầu 1B của dự án cao tốc Long Thành – Dầu Giây, cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ATB 25 thỏa mãn đường bao cấp phối D3 của tiêu chuẩn ASTM D 3515-96 [23] (xem Hình 1-3) Lượng lọt sàng 4,75

mm của đường cấp phối cốt liệu trung bình khoảng 44% Hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp ATB 25 gói thầu 1B là 3,7% khối lượng hỗn hợp

0,6 0,075

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cỡ sàng (mm)

ATB_HN-HP_cận dưới ATB_HN-HP_cận trên EX3_Thiết kế EX10_Thiết kế

- Ngoài ra, hỗn hợp ATB 37,5 cũng được sử dụng cho một số gói thầu của

dự án cao tốc Bến Lức – Long Thành Hỗn hợp này ở gói thầu A1 được thiết kế với hàm lượng nhựa tối ưu 3,7% khối lượng hỗn hợp tương ứng với độ rỗng dư 4,4%

Hình 1-3 Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp ATB 25 của gói thầu 1B

thuộc dự án cao tốc Long Thành – Dầu Giây

Ở các dự án, hỗn hợp đá – nhựa ATB mới chỉ tập trung đề xuất cấp phối hỗn hợp, hàm lượng nhựa tối ưu, các chỉ tiêu thể tích, chỉ tiêu độ bền và độ dẻo Marshall phục vụ cho thiết kế hỗn hợp theo phương pháp Marshall mà chưa quan tâm đến một số chỉ tiêu cơ học quan trọng như mô đun đàn hồi tĩnh, cường độ kéo uốn của chúng

Tuy nhiên, về mặt khai thác có thể thấy rằng các tuyến đường cao tốc Hà Nội – Hải Phòng và Long Thành – Dầu Giây sau một thời gian đưa vào khai thác vẫn không xuất hiện vệt lún bánh xe, mặc dù lượng xe tải nặng lưu hành trên đường, đặc biệt là cao tốc Long Thành – Dầu Giây tương đối lớn Cùng với sử dụng nhựa đường cải tiến cho lớp mặt BTN và kiểm soát chất lượng thi công khá bài bản ở các dự án này, kết quả kiểm soát lún vệt bánh xe trên 2 tuyến cao tốc này một phần có thể được giải thích do thiết kế KCMĐ của các dự án này đều có sử dụng lớp móng trên ATB 25

1.1.7 Đánh giá chung về hỗn hợp đá – nhựa

Từ nghiên cứu tổng quan về hỗn hợp đá – nhựa ở một số nước trên thế giới có thể rút ra một số nhận xét như sau:

 Các hỗn hợp đá – nhựa có tên gọi khác nhau như Asphalt treated base (ATB), Dense bituminous macadam (DBM), Grave – bitumen (GB)

0,075 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cỡ sàng (mm)

ATB 25_LT-DG_cận trên ATB 25_LT-DG_cận dưới ATB 25_LT-DG_TK

 Các hỗn hợp đá – nhựa được ứng dụng làm lớp móng trên trong KCMĐ mềm ở nhiều nước Ngoài ra, hỗn hợp này cũng được sử dụng làm lớp mặt dưới của KCMĐ mềm ở một số nước như Anh, Ấn Độ;

 Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp đá – nhựa có Dmax thay đổi từ 14, 20 mm (đối với hỗn hợp GB) đến Dmax = 37,5 mm (đối với hỗn hợp ATB, DBM) Sự đa dạng trong cỡ hạt lớn nhất danh định của cấp phối cốt liệu sử dụng ở các nước được thể hiện ở Hình 1-4

 Các hỗn hợp đá – nhựa thường thiết kế với cấp phối chặt (cho cả DBM

và ATB), trừ hỗn hợp GB có độ rỗng dư khá lớn Nhưng xu hướng của các hỗn hợp GB thế hệ sau ngày càng có độ rỗng dư nhỏ hơn

Hình 1-4 Cỡ hạt lớn nhất danh định Dmax của các hỗn hợp đá – nhựa

 Loại nhựa đường sử dụng trong hỗn hợp đá- nhựa cũng khá đa dạng tùy thuộc vào điều kiện khí hậu ở mỗi nước và quy mô giao thông thiết kế Hàm lượng nhựa tối ưu của các hỗn hợp đá – nhựa thấp hơn so với các hỗn hợp BTN do chúng có cấp phối cốt liệu thô hơn Hàm lượng nhựa thiết kế phổ biến khoảng 3,0 - 4,5% khối lượng hỗn hợp để đạt được độ rỗng dư thiết kế trong khoảng từ 3-6%

1.2 HỖN HỢP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO SỬ DỤNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM

Do sự gia tăng của lưu lượng giao thông cũng như tỉ lệ xe tải nặng chở hàng hóa, các KCMĐ thường sớm xuất hiện các hư hỏng như lún, nứt mặt đường làm giảm tuổi thọ của kết cấu Vì vậy, giải pháp cải thiện chất lượng các lớp vật liệu và bố trí hợp lí các lớp đó trong KCMĐ mềm đã và đang được nghiên cứu ứng dụng ở nhiều nước Trong đó, có một số nghiên cứu tập trung cải

thiện chất lượng của hỗn hợp đá – nhựa làm lớp móng trên hoặc mặt dưới của KCMĐ mềm được thực hiện, từ đó cho ra đời các loại đá – nhựa cường độ cao Các loại đá – nhựa cường độ cao được chứng minh làm giảm chiều dày thiết kế và cải thiện tuổi thọ mặt đường [46], [47], [50]

1.2.1 Hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao sử dụng ở Vương quốc Anh

Theo báo cáo TRL 231 [46], một dự án nghiên cứu thử nghiệm hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao HMB được thực hiện dưới sự bảo trợ bởi Hiệp hội đường

ô tô và Hiệp hội nhựa đường và vật liệu xây dựng ở Vương quốc Anh Hỗn hợp này được sản xuất với thành phần cốt liệu theo cấp phối tiêu chuẩn của hỗn hợp đá – nhựa chặt DBM và sử dụng nhựa đường có độ quánh lớn (độ kim lún nhỏ hơn 50 pen) Các thuật ngữ sử dụng cho hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao là HMB15, HMB25 và HMB35 lần lượt tương ứng với loại nhựa đường 15 pen, 25 pen và 35 pen

Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao HMB 15 (nhựa đường

15 pen) và đá – nhựa chặt DBM đối chứng (nhựa đường 50 pen hoặc 100 pen) theo tiêu chuẩn BS 4987-1:1993, được thể hiện ở Bảng 1-8

Bảng 1-8 Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp HMB 15 và DBM đối chứng [46]

Cỡ sàng (mm) Dmax = 37,5 mm Tiêu chuẩn BS 4987-1:1993 Dmax = 28 mm

Các hỗn hợp này được thiết kế với hàm lượng nhựa tùy thuộc vào cấp phối và nguồn gốc cốt liệu Hàm lượng nhựa đường thiết kế lần lượt là 3,5%  0,6%

và 3,9%  0,6% khối lượng hỗn hợp đối với cả hỗn hợp DBM và HMB15 có

cỡ hạt lớn nhất danh định 37,5 mm và 28 mm Giá trị hàm lượng nhựa tối ưu

tùy thuộc vào cấp phối và nguồn cốt liệu sử dụng để đạt được độ rỗng dư nhỏ hơn 8% [46]

Có 5 đoạn thử nghiệm hiện trường được thực hiện bởi 5 nhà thầu khác nhau

sử dụng các nguồn cốt liệu và nhựa đường khác nhau Mục đích chính của nghiên cứu là so sánh của lớp móng HMB15 với DBM về các vấn đề sau:

 Đánh giá công tác trộn, rải và đầm nén vật liệu thí nghiệm so sánh với vật liệu đối chứng Nhà thầu thi công các đoạn thử nghiệm được yêu cầu báo cáo kinh nghiệm thi công HMB và dự toán chi phí sản xuất, rải hỗn hợp;

 Đánh giá tính chất của các mẫu vật liệu từ các đoạn thử nghiệm và mặt đường đối chứng, từ đó thiết lập các chỉ tiêu của vật liệu HMB sử dụng cho thiết kế KCMĐ

Kết quả thử nghiệm đã chứng minh, trong phạm vi điều kiện thử nghiệm hiện trường, HMB 15 có thể trộn, rải và đầm nén mà không gặp khó khăn gì khi sử dụng các trạm trộn truyền thống ở Anh [46]

Theo nghiên cứu của Nunn và Smith [46], [47], các loại nhựa đường có độ quánh cao tạo ra mô đun cao cho các hỗn hợp HMB, đáp ứng yêu cầu làm móng của KCMĐ chịu tải trọng nặng và giảm chiều dày thiết kế trong những trường hợp KCMĐ bị khống chế chiều dày Ngoài ra, HMB còn được chứng minh có khả năng chống lại lún tốt khi làm lớp móng trên hoặc mặt dưới kết hợp với lớp mặt đường mỏng

Nunn và Smith cũng chỉ ra rằng khả năng phân bố tải trọng của HMB tăng đáng kể so với DBM sản xuất từ loại nhựa đường có độ kim lún 100 pen [46], [47] Lớp móng HBM làm tăng khả năng chống lại biến dạng vĩnh cửu mà không ảnh hưởng đến khả năng kháng nứt Do sử dụng loại nhựa đường khác nhau, độ cứng của các hỗn hợp HMB có sự chênh lệch đáng kể Các kết quả xác định mô đun động của HMB ở phụ lục E của báo cáo [47] cho thấy sự khác nhau này Mô đun động của HMB 15, HMB 25 và HMB 35 lần lượt bằng 4,0, 3,3 và 2,6 lần của DBM (thí nghiệm thực hiện ở 200C và 5 Hz) Độ cứng của lớp móng tăng lên sẽ giảm được chiều dày của nó trong kết cấu Ảnh hưởng của việc tăng mô đun động đến chiều dày thiết kế theo mức độ tích lũy tải trọng trục tiêu chuẩn thể hiện ở Hình 1-5

HMB trong xây dựng đường mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn Phần chi phí cao hơn của vật liệu HMB sẽ được bù đắp bởi giảm chiều dày yêu cầu đối mặt đường với tuổi thọ tương đương Cụ thể, tiết kiệm được 25 % chi phí vật liệu khi sử dụng HMB 15 thay thế cho lớp DBM [46], [47]

Nghiên cứu của Nunn và các cộng sự [47] về thiết kế mặt đường tuổi thọ cao (những tuyến đường được thiết kế cho tổng tải trọng trục tiêu chuẩn tích lũy trong thời kỳ thiết kế lớn 80 triệu trục tiêu chuẩn) đã chỉ ra: KCMĐ mềm tuổi thọ cao ở Vương quốc Anh thường gồm lớp móng đường bằng cấp phối đặt dưới các lớp asphalt dày Chiều dày của các lớp asphalt đảm bảo đủ để không xảy ra hiện tượng nứt mỏi và lún kết cấu Nghiên cứu cũng chỉ ra KCMĐ có tổng chiều dày các lớp asphalt nhỏ hơn 180 mm có nguy cơ bị lún kết cấu nhiều hơn so với kết cấu có chiều dày asphalt lớn hơn Viện nghiên cứu giao thông của Anh đã xây dựng biểu đồ Hình 1-5 thể hiện quan hệ giữa tuổi thọ kết cấu và tổng chiều dày các lớp asphalt Biểu đồ này có thể sử dụng để điều chỉnh chiều dày các lớp asphalt theo loại hỗn hợp asphalt sử dụng Biểu đồ này cũng cho thấy sử dụng hỗn hợp HMB với loại nhựa đường có độ quánh càng lớn thì chiều dày kết cấu càng giảm được nhiều Từ biểu đồ này thấy rằng chiều dày tăng thêm nếu vượt quá so với chiều dày yêu cầu cho tuyến đường dự kiến chịu 80 triệu trục tiêu chuẩn cũng sẽ không mang lại hiệu quả

Hình 1-5 Quan hệ giữa chiều dày các lớp asphalt và tuổi thọ thiết kế [47] Các đường cong thiết kế ở Hình 1-5 được xây dựng dựa trên mô đun động thiết kế của các hỗn hợp DBM và HMB thí nghiệm ở nhiệt độ 200C và tần số

5 Hz (xem Bảng 1-9)

Bảng 1-9 Mô đun động thiết kế của DBM và HMB [47]

TT Loại vật liệu Mô đun động thiết kế ở 200C và 5 Hz

Hình 1-6 Những KCMĐ mềm thiết kế để cải thiện khả năng kháng lún [47]

Từ các nghiên cứu về hỗn hợp HMB, tiêu chuẩn BS 4987-1 phiên bản năm

2001 đã bổ sung loại hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao HMB 35 (tương ứng với nhựa đường 30/45) sử dụng cho lớp móng và lớp mặt dưới Năm 2003, phiên bản tiếp theo của tiêu chuẩn BS 4987-1 ra đời đã có sự điều chỉnh về cấp phối cốt liệu của các hỗn hợp DBM và HMB làm lớp móng và mặt dưới

Cỡ sàng 3,35 mm được thay thế bằng cỡ sàng 2 mm Các cấp phối cốt liệu của hỗn hợp HMB 0/37,5 được thay thế bằng HMB 0/32 Tương tự, cấp phối của hỗn hợp HMB 0/28 làm lớp móng và mặt dưới cũng được thay thế bằng hỗn hợp HMB 0/32 Đường bao cấp phối cốt liệu của hỗn hợp HMB 0/32 như đối với DBM 0/32 được thể hiện ở Hình 1-1 [57]

1.2.2 Hỗn hợp đá - nhựa cường độ cao sử dụng ở Pháp

Thế hệ thứ 5 của hỗn hợp đá – nhựa GB ở Pháp (thường được gọi là GB5) được phát triển bởi François Olard [50] là một loại hỗn hợp đá – nhựa cường

độ cao Hỗn hợp GB5 được thiết kế với đường cấp phối cốt liệu gián đoạn nhằm cải thiện mức độ chèn khít của các hạt cốt liệu thô mà không cần thiết phải sử dụng loại nhựa đường có độ cứng lớn như đối với hỗn hợp BTN cường độ cao EME2 Nhờ sử dụng chất kết dính polime hóa (hàm lượng 4,0 % – 4,5 % khối lượng cốt liệu) cùng với cấp phối cốt liệu được tối ưu hóa tạo ra loại đá – nhựa cường độ cao với đặc tính dễ đầm nén, có mô đun động cao và khả năng kháng mỏi tốt Với hàm lượng nhựa đường tối ưu trong hỗn hợp thấp hơn so với hỗn hợp EME2 cho thấy tính khả thi của việc sử dụng đá – nhựa cường độ cao làm lớp móng và mặt của KCMĐ mềm ở Pháp

Trong nghiên cứu của Olard và các cộng sự [50], để chế tạo hỗn hợp GB5 sử dụng 2 loại nhựa đường gốc 35/50 và bán thổi khí 35/45B (‘B’ là tiêu chuẩn cho ‘bán thổi khí’) Các chỉ tiêu cơ bản của nhựa đường thể hiện ở Bảng 1-10 Bảng 1-10 Kết quả thí nghiệm nhựa đường sử dụng trong hỗn hợp GB5 [50]

TT Nhựa đường 25Độ kim lún ở 0C (mm/10)

NFEN 1426

Nhiệt độ hóa mềm (0C) NFEN 1427

Các vật liệu thành phần sử dụng trong nghiên cứu gồm:

- Đá dăm khai thác và gia công tại 2 mỏ:

o Mỏ đá ‘La Noubleau’ gồm các nhóm hạt cốt liệu nghiền từ đá diorite (0/2, 0/4 và 10/14)

o Mỏ đá ‘Obourg’ gồm các nhóm hạt cốt liệu nghiền từ đá vôi (0/2, 6/10

và 14/20)

- Bột khoáng nghiền từ đá vôi của mỏ đá ‘St Hilaire’ở Pháp

Cấp phối cốt liệu được chia thành 3 pha gồm cốt liệu mịn, cốt liệu trung gian

và cốt liệu thô Để cải thiện bộ khung cấu trúc cốt liệu, nghiên cứu này tập trung phối trộn cốt liệu để hạn chế hiệu ứng ‘nới lỏng’ do sự sắp xếp phần hạt trung gian trong phần cốt liệu thô Cụ thể, đường kính trung bình cỡ hạt trung gian phải nhỏ hơn một giá trị tới hạn Theo nghiên cứu của Furnas, giới hạn tỉ

số giữa đường kính trung bình cốt liệu trung gian (dINT) và đường kính trung bình cốt liệu thô (dCOARSE) không vượt quá 0,2 (dINT ≤ 0,2.dCOARSE); Tương tự, đường kính trung bình của cốt liệu nhỏ dFINE ≤ 0,2.dINT Kết quả phối trộn được các cấp phối cốt liệu ở Bảng 1-11 và hàm lượng nhựa thiết kế lấy bằng 4% khối lượng cốt liệu (tương đương 10% thể tích) [50]

Bảng 1-11 Cấp phối cốt liệu thiết kế của hỗn hợp GB5 [50]

Bảng 1-12 Các chỉ tiêu của hỗn hợp GB5 và GB2 (cốt liệu Noubleau) [50]

Hỗn

hợp Nhựa đường Độ rỗng dư (Va)

Độ rỗng cốt liệu (VMA)

Chiều sâu lún (mm) sau 30.000 chu kỳ

a = 2,9% 115 35/45B

+ 2,5% SBS 5,7 15,7 3,0 V13.700 tại a = 2,5% 130 Bảng 1-13 Các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp GB5 và GB2 (cốt liệu Obourg) [50]

Hỗn

hợp Nhựa đường Độ rỗng dư (Va)

Độ rỗng cốt liệu (VMA)

Chiều sâu lún (mm) sau 30.000 chu kỳ

+ 2,5% SBS 3,8 13,8 2,1 V12.800 tại a = 4,3% 135

Từ các kết quả nghiên cứu trên đã đưa ra một số kết luận sau:

 Khả năng đầm nén, đánh giá thông qua thí nghiệm đầm xoay, có sự cải thiện đáng kể;

 Độ nhạy ẩm, đánh giá bằng cách sử dụng thí nghiệm Duriez, không bị ảnh hưởng bởi cấp phối đề xuất;

 Chiều sâu lún vệt bánh xe ở 600C không bị ảnh hưởng bởi cấp phối tối ưu

sử dụng Chiều sâu hằn lún bánh xe khi dùng nhựa đường thổi khí hoặc phụ gia SBS (Styrene-Butadiene-Styrene) tăng lên;

 Mô đun động thí nghiệm ở 150C - 0,02s tăng đáng kể (từ 11 – 20%);

 Khả năng kháng mỏi của hỗn hợp GB5 thí nghiệm ở 100C – 25 Hz tăng lên

so với hỗn hợp GB2 đối chứng bởi sử dụng loại nhựa đường có độ quánh thấp hơn, nhựa đường thổi khí hoặc nhựa đường polime

Các nghiên cứu trong phòng đã cho thấy các chỉ tiêu cơ học của GB5 vượt trội

so với GB2 và tương đương so với BTN cường độ cao EME2 ở Pháp

Từ thành công của các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, đã có 120.000 tấn hỗn hợp GB5 được rải trên các tuyến đường có lưu lượng lớn và đường ô tô

có thu phí ở Pháp vào năm 2011 Việc tối ưu hóa sự tiếp xúc cốt liệu trong hỗn hợp cho phép thiết kế hỗn hợp với hàm lượng nhựa thấp hơn và làm cho

nó trở lên khả thi khi ứng dụng làm móng đường ô tô

Bên cạnh hỗn hợp đá – nhựa được phát triển để làm móng đường ở Pháp, hỗn hợp BTN cường độ cao cũng được phát triển từ những năm 1970 với tên gọi

là ENROBÉ À MODULE ÉLEVÉ (viết tắt EME) [52], [53] Vật liệu EME thế hệ mới nhất (EME2) chủ yếu sử dụng loại nhựa đường có độ cứng lớn (15/25 và 10/20) [52], [53] Cấp phối cốt liệu của hỗn hợp thường là cấp phối liên tục với Dmax = 10, 14 và 20 mm Bảng 1-15 thể hiện đường bao cấp phối của loại EME2 với Dmax = 20 mm Hàm lượng nhựa đường tối thiểu của hỗn hợp EME2 nằm trong khoảng từ 5,0% - 5,4% khối lượng hỗn hợp [52]

Bảng 1-14 Đường bao cấp phối của EME2 [52]

Cỡ sàng Mục tiêu Giới hạn dưới Giới hạn trên

Hỗn hợp EME2 là loại vật liệu có đồng thời khả năng kháng lún và kháng mỏi đều rất tốt Do vậy, EME2 được sử dụng làm móng trên và mặt dưới của KCMĐ tuổi thọ cao [62]

1.2.3 Đánh giá chung về hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao

Từ các nghiên cứu tổng quan về hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao ở trên có thể rút ra một số nhận xét như sau:

 Hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao được nghiên cứu ứng dụng làm lớp móng trên cũng như lớp mặt dưới của KCMĐ mềm ở Vương quốc Anh

 Cỡ hạt lớn nhất danh định của cấp phối cốt liệu sử dụng ở mỗi nước cũng

đa dạng tương tự như hỗn hợp đá – nhựa thông thường Sự khác biệt cơ bản là sử dụng loại nhựa đường có độ quánh lớn (10/20, 20/30 và 30/45) hoặc nhựa đường cải thiện (nhựa đường polime hoặc có phụ gia)

 Hàm lượng nhựa đường tối ưu của hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao thường không vượt quá 4,5% khối lượng hỗn hợp

 Điểm khác nhau cơ bản của hỗn hợp bê tông nhựa cường độ cao EME2 so với hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao GB5 sử dụng ở Pháp là loại và hàm lượng nhựa đường Trong đó, hàm lượng nhựa thiết kế của hỗn hợp EME2 thường lớn hơn 0,5 – 1,5% so với các hỗn hợp GB Điều này có thể giải thích là do các hỗn hợp đá – nhựa GB được thiết kế với cấp phối cốt liệu thô hơn và độ rỗng dư lớn hơn so với các hỗn hợp EME

 Mô đun động yêu cầu của đá – nhựa cường độ cao sử dụng ở một số nước được tổng hợp ở Bảng 1-15

Bảng 1-15 Các chỉ tiêu cơ học yêu cầu đối với đá – nhựa cường độ cao

Chỉ tiêu chủ yếu với hỗn hợp đá – nhựa cường độ cao

Mô đun động (MPa) Khả năng kháng mỏi 6

ở 100C, 25 Hz () Giá trị tối thiểu Phương pháp thí nghiệm tối thiểu Giá trị Phương pháp thí nghiệm HMB quốc Anh Vương 8.000 MPa tại 200C và 5 Hz EN 12697-26 N/A

GB5 Pháp 14.000 MPa tại 150C và 10 Hz EN 12697-26

130 

tại 100C,

25 Hz EN 12697-24 1.3 VAI TRÒ CỦA LỚP ĐÁ – NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM

Từ một số nghiên cứu và các tiêu chuẩn thiết kế KCMĐ sử dụng ở một số nước trên thế giới [4], [5], [29], [36], [39], [62], có thể thấy rằng sử dụng vật

liệu đá – nhựa cường độ cao làm lớp mặt dưới và móng trên trong KCMĐ mềm sẽ mang lại những lợi ích sau:

 Giảm chiều dày thiết kế so với các phương án sử dụng vật liệu truyền thống như BTNC 19 làm lớp mặt dưới, đá – nhựa thông thường và CPĐD loại 1 làm lớp móng trên

 Tăng khả năng kháng lún của KCMĐ khi bố trí vật liệu đá- nhựa cường độ cao làm lớp móng trên hoặc mặt dưới

 Lớp móng đá – nhựa cường độ cao được sử dụng làm móng trên sẽ làm giảm biến dạng kéo xuất hiện ở đáy lớp BTN của tầng mặt, nhờ đó có khả năng tăng khả năng kháng mỏi của các lớp BTN phía trên

Sử dụng đá – nhựa cường độ cao làm lớp mặt dưới và móng trên có thể giảm chiều dày của KCMĐ đã được chỉ ra trong báo cáo nghiên cứu TRL 250 thực hiện bởi Nunn và các cộng sự [47] và catalogue của Pháp năm 1998 [62] Phương pháp thiết kế cơ học – thực nghiệm [21], [25], [38] của Mỹ và phương pháp thiết kế của Ấn Độ [29] đề xuất kiểm tra KCMĐ mềm theo các tiêu chuẩn lún kết cấu và mỏi của các lớp asphalt Để giảm chiều sâu lún dự báo của kết cấu thì cần giảm biến dạng thẳng đứng tính toán (v) ở đỉnh nền đường Trong trường hợp này giải pháp sử dụng vật liệu có mô đun cao sẽ phát huy hiệu quả Còn để tăng tuổi thọ mỏi dự báo của kết cấu thì cần có giải pháp giảm biến dạng kéo (t) xuất hiện ở đáy của các lớp asphalt và cải thiện

độ bền mỏi của bản thân lớp asphalt dưới cùng Nếu sử dụng lớp móng trên bằng đá – nhựa cường độ cao, biến dạng kéo tính toán dưới đáy của lớp đá – nhựa cường độ cao và đáy lớp BTN phía trên sẽ giảm so với trường hợp sử dụng đá – nhựa chặt thông thường có cùng chiều dày

Theo quan điểm thiết kế mặt đường tuổi thọ cao (perpetual asphalt pavements) [22], [43], thiết kế KCMĐ mềm cần xét đến ứng xử của các lớp vật liệu trong kết cấu Nếu như KCMĐ được thiết kế để phần lớn tải trọng gây

ra ứng suất, biến dạng và độ võng đều thấp hơn so với giới hạn gây ra hư hỏng cấu trúc thì sẽ nâng cao được tuổi thọ của chúng Hầu hết các tiếp cận đối với thiết kế mặt đường tuổi thọ cao tập trung vào phân tính ứng xử lún và nứt mỏi của kết cấu Để giảm hư hỏng nứt mỏi cần giảm ứng suất kéo ở đáy lớp asphalt dưới cùng Điều này có thể thực hiện bằng cách cải thiện cường độ

hệ kết cấu nền - móng đường hoặc tăng chiều dày cũng như cường độ của lớp asphalt dưới cùng hoặc thực hiện đồng thời các giải pháp này

Hình 1-7 là một dạng KCMĐ mềm tuổi thọ cao điển hình được nghiên cứu gần đây [22] Với kết cấu loại này thì lớp móng trên (lớp asphalt dưới cùng)

sử dụng hỗn hợp BTN cường độ cao có khả năng kháng mỏi tốt

Theo báo cáo tổng hợp về mặt đường mềm tuổi thọ cao [22] và tiêu chuẩn IRC: 37-2012 [29], KCMĐ tuổi thọ cao được thiết kế với thời hạn 50 năm mà không cần cải tạo hoặc xây dựng lại kết cấu chính mà chỉ cần sửa chữa định

kỳ lớp mặt trên Thiết kế mặt đường tuổi thọ cao yêu cầu xác định các điểm ứng xử tới hạn của mặt đường mà ở dưới mức này mặt đường không xảy ra hư hỏng tích lũy Các điểm tới hạn này gồm biến dạng kéo dưới đáy của lớp asphalt dưới cùng và biến dạng thẳng đứng ở đỉnh của nền đất Biến dạng kéo tới hạn do tải trọng giao thông gây ra trong các lớp asphalt nhỏ hơn 70  - là giới hạn độ bền mỏi của vật liệu mà ở đó vật liệu không bao giờ bị nứt Tương

tự, biến dạng thẳng đứng ở đỉnh của nền đường được khống chế nhỏ hơn 200

 Biến dạng thẳng đứng không lớn hơn giá trị tới hạn này được chứng minh

sẽ gần như không xảy ra lún trong nền đường

Hình 1-7: Kết cấu mặt đường mềm tuổi thọ cao [22]

Như vậy, các nghiên cứu đều cho thấy sử dụng đá – nhựa cường độ cao làm lớp móng trên, mặt dưới cho phép giảm chiều dày thiết kế và cải thiện tuổi thọ của KCMĐ mềm

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỖN HỢP ĐÁ - NHỰA VÀ ĐÁ - NHỰA CƯỜNG ĐỘ CAO Ở VIỆT NAM

Mặc dù lớp móng đá – nhựa trong KCMĐ mềm đã được áp dụng ở một số dự

án xây dựng đường ô tô cấp cao ở Việt Nam trong những năm gần đây nhưng cho đến nay có rất ít các nghiên cứu được thực hiện ở Việt Nam để đánh giá