Bài viết trình bày kết quả thực nghiệm đánh giá độ nhám của mặt đường bê tông nhựa loại BTNC 9.5 và BTNC 12.5 thông qua chỉ số sức kháng trượt ở các điều kiện mặt đường khô sạch và ẩm ướt.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 26-02/2018 31 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC ĐẾN ĐỘ NHÁM MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA STUDY THE EFFECTS OF WATER TO THE SURFACE FRICTIONAL PROPERTY OF ASPHALT PAVEMENT Trần Thiện Lưu, Đoàn Thị Nghĩa Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Độ nhám mặt đường yếu tố quan trọng đảm bảo cho điều kiện chạy xe an toàn Sự thay đổi độ nhám yếu tố tác động bất lợi q trình khai thác ln tiềm ẩn nguy an tồn giao thơng Tình trạng mặt đường bị ẩm ướt yếu tố môi trường quan tâm nhắc đến chất lượng độ nhám mặt đường, đặc biệt loại mặt đường bê tơng nhựa Bài báo trình bày kết thực nghiệm đánh giá độ nhám mặt đường bê tông nhựa loại BTNC 9.5 BTNC 12.5 thông qua số sức kháng trượt điều kiện mặt đường khơ ẩm ướt Từ khóa: Độ nhám bề mặt, lắc Anh, sức kháng trượt, bê tơng nhựa, an tồn giao thơng Chỉ số phân loại: 2.4 Abstract: The surface frictional property of asphalt pavement is an important element assuring the quality of its service and the safety of vehicles traveling During its service life, the frictional property changes due to negative factors, potentially lessening road traffic safety Pavement’s wetness is one of the environmental factors that basically affects to surface frictional property This paper introduces experimental studies about the surface frictional property of two asphalt dense gradations of nominal particle sizes of 9.5mm and 12.5mm via its skid resistance at wet and dry condition Keywords: Surface friction, British Pendulum Skid Testers, Skid resistance, Asphalt, traffic safety Classification number: 2.4 Giới thiệu Độ nhám bánh xe với mặt đường thông qua hệ số bám ϕ tạo lực bám T góp phần quan trọng giúp cho xe chuyển động, giảm tốc độ dừng lại Độ nhám phù hợp tạo chuyển động xe đường an toàn Mỗi loại vật liệu làm mặt đường có đặc điểm riêng độ nhám chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Mặt đường bê tông nhựa (BTN) biết đến loại vật liệu làm mặt đường phổ biến giới Việt Nam, đặc biệt cho đường tơ đường cấp cao Hình Nước mưa mặt đường BTN Yếu tố môi trường bề mặt đường bị ẩm ướt khơ Nước ta nằm vùng khí hậu từ cận nhiệt đới ẩm đến nhiệt đới gió mùa nên mưa nhiều Vì tình trạng mặt đường bị ẩm ướt mưa thường xảy ra, có triều cường thấm ngập số khu vực miền Nam Thực tế cho thấy tai nạn giao thông xảy nhiều vào mùa mưa Vì thực nghiệm đánh giá độ nhám mặt đường BTN điều kiện mặt đường ẩm ướt cần thiết có ý nghĩa Độ nhám mặt đường bê tơng nhựa 2.1 Độ nhám Khi phân tích cấu trúc bề mặt BTN, độ nhám thường xét hai dạng: thành phần lớn khoảng 0,5mm ÷ 15mm gọi nhám thô (nhám vĩ mô) thành phần nhỏ 0,5mm nhám mịn (nhám vi mô) Độ nhám vĩ mơ xem độ nhám tồn thể bề mặt đường hình thành hình dáng kích thước hạt cốt liệu lộ bề mặt đường Cịn nhám vi mơ xem độ xù xì bề mặt hạt cốt liệu lộ mặt đường khó nhìn thấy 2.2 Tiếp xúc bánh xe với mặt đường ẩm ướt Có nhiều nghiên cứu tiếp xúc bánh xe với mặt đường điều kiện ẩm ướt Và nghiên cứu Jellie (2003) điển hình Theo mơ hình vệt lốp xe ướt thể hình 32 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 26, Feb 2018 Hình Mơ hình vệt lốp xe ướt (Jellie, 2003) Trong đó: Vùng (1) phần đầu lốp xe chưa có tiếp xúc lốp xe với mặt đường nêm nước phía trước lốp tạo Vùng gọi vùng bôi trơn thủy động lực Lốp xe lăn màng mỏng nước, độ dày lớp nước giảm dần ép áp lực thủy tĩnh Vùng (2), nơi lớp mỏng nước bị gián đoạn cục số chỗ lồi lõm cốt liệu, cho phép lớp nước mỏng thâm nhập Khu gọi khu bôi trơn thủy động phần hỗn hợp Lực ma sát phát triển độ nhám vi mô tồn đầu chỗ lồi lõm cốt liệu phát triển hiệu ứng trễ Vùng (3), nơi mà nước bị đẩy đáng kể, lốp xe tiếp xúc với mặt đường Vùng gọi khu vực ranh giới lớp nước bôi trơn Độ nhám vi mô phải đảm bảo để “phá” lớp nước mỏng nhằm đạt tiếp xúc cho phép độ nhám vi mơ tồn bề mặt cốt liệu gia tăng ma sát Kích thước ba vùng (1), (2), (3) xác định theo: Độ dày lớp nước, chiều sâu bề mặt độ nhám vĩ mô, điều kiện lốp xe, tốc độ xe chạy Trong phần nghiên cứu nhóm tác giả tập trung vào nghiên cứu đánh giá thực nghiệm ảnh hưởng chiều dày màng nước đến độ nhám thông qua số sức kháng trượt 2.3 Phương pháp xác định độ nhám Có hai phương pháp phổ biến xác định độ nhám mặt đường BTN: - Phương pháp rắc cát thí nghiệm theo [3], đánh giá dạng độ nhám vĩ mô; - Phương pháp lắc Anh (SRT - Skid Resistance Tester) [5], đánh giá dạng nhám vi mô thông qua sức kháng trượt Đây phương pháp sử dụng cho nghiên cứu Xác định độ nhám mặt đường bê tơng nhựa Thí nghiệm xác định độ nhám mặt đường BTN thực mẫu thử phịng 3.1 Chuẩn bị thí nghiệm - Chuẩn bị mẫu: Mẫu BTN cắt từ đoạn đường nghiên cứu thực nghiệm nhóm tác giả QL51 Loại BTN sử dụng BTNC 9.5 BTNC 12.5 thiết kế đạt theo TCVN 8820-2011, thi công nghiệm thu đạt yêu cầu theo TCVN 8819-2011; - Mô mặt đường ẩm ướt tương ứng với lượng mưa khác chiều dày màng nước trung bình (h n - mm) tính theo thể tích nước phun đơn vị diện tích bề mặt mẫu BTN thí nghiệm 3.2 Tiến hành thí nghiệm - Đặt mẫu mặt phẳng nhẵn, khơ ráo; xác định vị trí cần đo mẫu, đặt thiết bị lắc Anh lên bề mặt mẫu; - Điều chỉnh lắc ổn định, thử thiết bị, sau thả lắc trượt bề mặt mẫu, ghi lại số đọc thang đo Mỗi điều kiện lặp lại thí nghiệm năm lần ghi kết quả; - Điều kiện thí nghiệm bề mặt mẫu BTN khô cho trường hợp chiều dày màng nước (h n ) thay đổi; - Nhiệt độ: tất thí nghiệm thực phịng, nhiệt độ ~ 20oC Hình ảnh thí nghiệm với thiết bị lắc Anh thể hình Hình Thí nghiệm sức kháng trượt thiết bị lắc Anh 3.3 Kết thí nghiệm sức kháng trượt 3.3.1 Loại BTNC 12.5 Kết thí nghiệm thể bảng Bảng Sức kháng trượt mẫu BTNC 12.5 điều kiện khô chiều dày màng nước khác Số đọc BPN S Điều (British Pendulum Number) hn T kiện thí Lần (mm) Trung T nghiệm bình Khơ 90 96 96 96 95 94.5 Ẩm (có 0.213 58 nước) 0.375 60 58 60 60 59 59.0 62 62 60 62 61.3 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 26-02/2018 S Điều hn T kiện thí (mm) T nghiệm Số đọc BPN (British Pendulum Number) Lần Trung bình 0.629 60 60 62 63 65 62.0 1.260 62 63 64 64 63 63.3 14.00 78 76 72 72 74 74.5 Quan sát kết lần tăng chiều dày màng nước, thay đổi số sức kháng trượt không đáng kể Tiếp tục mô cho trường hợp mặt đường bị ngập nước hoàn toàn (ngập 14mm), kết cho thấy sức kháng trượt (74.5) không giảm mà tăng lên Bỏ qua trường hợp riêng này, kết thí nghiệm bảng thể dạng biểu đồ hình Hình Quan hệ chiều dày màng nước đến sức kháng trượt bề mặt BTNC 12.5 Biểu đồ cho thấy bề mặt BTNC 12.5 ẩm ướt làm giảm sức kháng trượt đáng kể so với bề mặt khô Và chiều dày màng nước không ảnh hưởng nhiều đến thay đổi sức kháng trượt bề mặt BTNC 12.5 3.3.2 Loại BTNC 9.5 Kết thí nghiệm thể bảng Bảng Sức kháng trượt mẫu BTNC 9.5 điều kiện khô chiều dày màng nước khác Số đọc BPN S Điều hn Lần T kiện thí Trung (mm) T nghiệm bình Khơ 0.259 Ẩm 0.581 (có nước) 1.139 1.424 98 77 73 73 74 98 73 72 73 74 97 74 70 72 75 98 73 72 72 76 98 75 72 73 75 97.8 74.3 71.8 72.5 74.8 Kết thể dạng biểu đồ hình 33 Hình Quan hệ chiều dày màng nước đến sức kháng trượt bề mặt BTNC 9.5 3.4 Đánh giá kết 3.4.1 Loại BTNC 12.5 Mặt đường khô lốp xe giữ tiếp xúc tốt với mặt đường, sức kháng trượt đo 94.5 Còn mặt đường ẩm ướt độ nhám giảm mạnh, cụ thể với chiều dày màng nước 0.213mm sức kháng trượt đo 59.0 (giảm 37.57%) Mặt đường ẩm ướt, tiếp xúc lốp xe với mặt đường có màng nước mỏng, hoạt động chất bơi trơn làm giảm diện tích tiếp xúc bề mặt lốp xe với mặt đường, làm suy giảm độ nhám Khi chiều dày màng nước tăng từ 0.213mm ÷ 1.260mm, kết sức kháng trượt khơng giảm mà có xu hướng tăng nhẹ từ 59 63.3 (tăng 7.29%) Điều cho thấy, chiều dày màng nước đủ để làm suy giảm độ nhám điều kiện cụ thể có giới hạn Điều thấy rõ ngập nước hồn tồn (14mm) số sức kháng trượt 74.5, tăng so với mức chiều dày màng nước nhỏ 14mm Phần nước ngập bề mặt mẫu lúc lại lực cản lắc thả xuống làm giảm trượt số đọc BPN lớn 3.4.2 Loại BTNC 9.5 Ảnh hưởng tương tự BTNC 12.5, trạng thái mặt mẫu khô sạch, kết sức kháng trượt 97.8; có nguồn ẩm độ nhám giảm mạnh, với chiều dày màng nước 0.259mm số sức kháng trượt 74.3 (giảm 24%) Với chiều dày màng nước 0.581mm, sức kháng trượt giảm xuống thấp 71.8 (giảm 26.58%) Các mức tăng chiều dày màng nước sau 1.139mm, 1.424mm sức kháng trượt lại tăng so với mức thấp 0.97% 4.18% Điều cho thấy độ nhám mặt đường BTNC 9.5 thay đổi lượng nước khác bề mặt đường Đánh giá chung: Các kết cho thấy phù hợp với nghiên cứu trước 34 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 26, Feb 2018 Jellie (2003), Harwood đồng nghiệp (1989) Khi cường độ mưa vượt 0.1mm/ph, lớp nước mỏng hình thành có độ sâu khác từ micromet đến mm chiều sâu nước mặt đường 0.025mm làm giảm độ nhám lốp xe với mặt đường So sánh biểu đồ quan hệ chiều dày màng nước đến sức kháng trượt loại BTNC 9.5 BTNC 12.5 thể hình Hình So sánh quan hệ chiều dày màng nước đến sức kháng trượt bề mặt loại BTNC9.5 loại BTNC 12.5 Kết cho thấy độ nhám vi mô thông qua sức kháng trượt bề mặt BTNC 9.5 cao BTNC 12.5, điều kiện mặt đường khô lẫn ẩm ướt Xác định độ nhám vĩ mô theo phương pháp rắc cát hai mẫu BTN cho kết quả: BTNC 12.5 có h tb = 0.83mm, BTNC 9.5 có h tb = 0.73mm Độ nhám vĩ mô xác định bề mặt BTNC 9.5 nhỏ BTNC 12.5 Qua cho thấy bề mặt BTNC 9.5 phẳng hơn, độ lồi lõm phần cốt liệu bề mặt so với BTNC 12.5 Và bề mặt cốt liệu BTNC 9.5 tạo diện tiếp xúc với lốp xe lớn so với loại BTNC 12.5 Do tính chất cốt liệu sử dụng để chế tạo hai loại BTN giống nhau, nên đặc điểm diện tiếp xúc tốt BTNC 9.5 tạo độ nhám vi mô (thông qua sức kháng trượt) lớn so với loại BTNC 12.5 Kết luận khuyến nghị 4.1 Kết luận Kết thí nghiệm mẫu BTN loại giúp phân tích ảnh hưởng chiều dày màng nước (được mô theo lượng mưa) đến độ nhám bề mặt đường BTN Nước làm suy giảm đáng kể độ nhám mặt đường BTN so với trạng thái khơ, giảm trung bình 26.58% 35.13% tương ứng BTNC 9.5 BTNC 12.5 Lượng nước bề mặt không ảnh hưởng lớn đến thay đổi độ nhám mặt đường BTN Chiều dày màng nước thay đổi từ 0.259mm ÷ 1.424mm sức kháng trượt chênh lệch 4.18% với BTNC 9.5, với BTNC 12.5 chiều dày màng nước thay đổi khoảng 0.213mm ÷ 1.260mm sức kháng trượt chênh lệch 7.29% Trong trường hợp mặt đường ngập hẳn (loại BTNC 19.5) chiều dày màng nước 14mm sức kháng trượt khơng giảm mà có xu hướng tăng Độ nhám vi mô thông qua sức kháng trượt bề mặt loại BTNC 9.5 cao BTNC 12.5, điều kiện mặt đường khô cao 3.49%, điều kiện ẩm ướt trung bình cao 19.46% Sức kháng trượt mặt BTN có nguồn ẩm giảm xuống thấp chiều dày màng nước 0.581mm (BTNC 9.5) 0.213mm (BTNC 12.5) Kết nghiên cứu làm tảng để bổ sung thêm thí nghiệm nhằm phổ quát tăng độ tin cậy kết thí nghiệm Từ tính tốn lại hệ số nhám ϕ mặt đường BTN nhằm xác định vận tốc giới hạn đảm bảo an toàn chạy xe điều kiện trời mưa mặt đường ngập nước 4.2 Khuyến nghị Tăng cường thí nghiệm nhằm xác định đầy đủ thay đổi sức kháng trượt mặt đường BTN điều kiện ẩm ướt xét thêm điều kiện bất lợi khác Cần tính tốn vận tốc giới hạn có khuyến cáo tốc độ xe chạy an tồn trời mưa mặt đường BTN bị ẩm ướt Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] Bộ khoa học Công nghệ, TCVN 8819-2011, Mặt đường bê tơng nhựa nóng - u cầu thi cơng nghiệm thu; Bộ khoa học Công nghệ, TCVN 8820-2011, Hỗn hợp bê tơng nhựa nóng - thiết kế theo phương pháp Marshall; Bộ khoa học Công nghệ, TCVN 8866-2011, Mặt đường ô tô - xác định độ nhám mặt đường phương pháp rắc cát - thử nghiệm; Đoàn Thị Nghĩa (2017), Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, “Nghiên cứu ảnh hưởng lượng nước bề mặt đến độ nhám lớp mặt bê tông nhựa”, Trường Đại học GTVT TP.HCM; ASTM E303-93 (2013), “Standard test method for measuring surface frictional properties using the British pendulum tester” Majed Msallam, Ibrahim Asi, and Dana Abudayyeh (2015), “Safety Evaluation (Skid Resistance) of Jordan’s National Highway Network”, Jordan Journal of Civil Engineering, Volume 11, No 2, 2017 Ngày nhận bài: 23/12/2017 Ngày chuyển phản biện: 25/12/2017 Ngày hoàn thành sửa bài: 15/1/2018 Ngày chấp nhận đăng: 22/1/2018 ... 8866-2011, Mặt đường ô tô - xác định độ nhám mặt đường phương pháp rắc cát - thử nghiệm; Đoàn Thị Nghĩa (2017), Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, “Nghiên cứu ảnh hưởng lượng nước bề mặt đến độ nhám lớp mặt bê. .. mưa) đến độ nhám bề mặt đường BTN Nước làm suy giảm đáng kể độ nhám mặt đường BTN so với trạng thái khô, giảm trung bình 26.58% 35.13% tương ứng BTNC 9.5 BTNC 12.5 Lượng nước bề mặt không ảnh hưởng. .. sức kháng trượt bề mặt BTNC 9.5 3.4 Đánh giá kết 3.4.1 Loại BTNC 12.5 Mặt đường khô lốp xe giữ tiếp xúc tốt với mặt đường, sức kháng trượt đo 94.5 Còn mặt đường ẩm ướt độ nhám giảm mạnh, cụ thể