Đang tải... (xem toàn văn)
Hiện tượng suy giảm nhanh cường độ mặt đường bê tông nhựa do quy mô giao thông lớn đặt ra nhu cầu cấp thiết cần nghiên cứu một cách toàn diện các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của kết cấu[r]
(1)1273
ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN MƠI TRƯỜNG VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA
Phạm Việt Hùng*, Ngô Quý Tuấn,Nguyễn Thị Thanh, Trần Đức Hạnh, Nguyễn Quốc Huy, Lê Minh Đức, Đào Văn Phú
Trường Đại học Nông Lâm Huế, Đại học Huế *Liên hệ email: phamviethung@huaf.edu.vn
TÓM TẮT
Hiện tượng suy giảm nhanh cường độ mặt đường bê tông nhựa quy mô giao thông lớn đặt nhu cầu cấp thiết cần nghiên cứu cách toàn diện yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kết cấu mặt đường bê tông nhựa theo điều kiện thời tiết khu vực Có nhiều nguyên nhân liên quan đến hư hỏng Trong phạm vi nghiên cứu trình bày ảnh hưởng điều kiện thời tiết bất thường khu vực đến chất lượng đường bê tông nhựa Bằng phương pháp thực nghiệm, báo cung cấp dẫn chứng cho thấy tính phù hợp cấp phối bê tơng nhựa tính chất đá dăm điều kiện thời tiết bất thường khu vực Bắc Trung Bộ Trên sở nghiên cứu thực tiễn đến đề xuất quy trình nhằm giảm thiểu tác động điều kiện thời tiết bất thường đến chất lượng đường bê tông nhựa nhằm giúp nhà quản lý, thiết kế, thi cơng có định phù hợp
Từ khoá: bittum, bê tông nhựa, nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết bất thường
Nhận bài: 17/03/2019 Hoàn thành phản biện: 26/03/2019 Chấp nhận bài: 31/03/2019
1 MỞ ĐẦU
Áo đường mềm (AĐM) sử dụng vật liệu bê tông nhựa chặt (BTNC) loại kết cấu mặt đường có nhiều ưu điểm, sử dụng phổ biến Việt Nam Theo Nguyễn Quang Chiêu (2005), diện tích mặt đường BTNC chiếm khoảng 90% tổng diện tích mặt đường loại Theo Hữu cs (2015), BTNC loại vật liệu có tính chất đàn hồi nhiệt nên nhạy cảm với điều kiện mơi trường tính chất đặc trưng thành phần vật liệu nhựa đường có tính ổn định nhiệt liên kết với cốt liệu chịu tác động nước ẩm Cường độ chịu nén chịu cắt AĐM suy giảm nhiệt độ môi trường tăng cao vượt xa ngưỡng điều kiện bất lợi theo tiêu chuẩn thiết kế quy định Theo Nhất Thiện (2014), chất lượng bề mặt AĐM thay đổi đáng kể tượng mát vật liệu (bong tróc, ổ gà) thường xuất với tần suất cao điều kiện mưa dài ngày, lưu lượng tải trọng trục xe lớn Do tượng giảm khả bám dính vật liệu (giữa phân tử nhựa đường với nhau, nhựa đường với cốt liệu), khả thoát nước mặt đường làm áp lực nước đọng mặt đường tăng cao, tác dụng tải trọng trục xe gây phá vỡ liên kết bề mặt Các tượng có liên quan trực tiếp đến đặc điểm cấp phối lớp áo đường mặt cường độ đặc điểm bề mặt đường Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện thời tiết bất thường đến lớp mặt đường đưa giải pháp cần thiết, đặc biệt điều kiện nước ta chưa có nghiên cứu điều chỉnh phù hợp điều kiện áp dụng thực tế khu vực thay đổi khác biệt với quy định tiêu chuẩn thiết kế thi cơng
(2)1274
độ tính tốn bê tông nhựa loại hỗn hợp đá nhựa nằm phía lấy 30°C, riêng lớp mặt lấy 60°C
Thực tế năm gần đây, nhiều đoạn tuyến đường quốc lộ 1A sử dụng kết cấu AĐM, đặc biệt khu vực Bắc Trung Bộ (BTB), liên tiếp xuất hư hỏng nghiêm trọng với tần suất cao thời điểm nhiệt độ tăng cao mưa lớn dài ngày bất thường cho biến đổi khí hậu (BĐKH) gây Theo ghi nhận Bộ Khoa học Cơng nghệ (02/6/2015), nhiệt độ khơng khí nhiều nơi khu vực BTB lên tới 30°C - 40°C, có nơi nhiệt độ khơng khí nhiệt độ mặt đường BTNC tương ứng đạt ngưỡng kỷ lục 42,7°C 75°C Theo kết khảo sát thực địa tra Bộ Giao thông vận tải (15/6/2015) ghi nhận, đoạn tuyến quốc lộ 1A (đoạn từ Km 223 đến Km 232 từ Km 387+100 đến Km 709+400) xảy tượng xô dồn nứt trượt chiếm 8% tổng mức độ hư hỏng lớp mặt đường BTNC
Theo số liệu thống kê Liên hiệp Hội khoa học kỹ thuật Việt Nam (15/6/2015), từ đầu năm 2014 quốc lộ 1A, đoạn đường từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế có 70km tổng số 620km gặp phải tình trạng hằn lún vệt bánh xe (HLVBX); có 13% - 15% số đoạn tuyến từ Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế xuất lún đưa vào khai thác năm Thời điểm lún nhiều ngày nắng nóng dội Theo báo cáo Bộ Tài nguyên Môi trường MONRE (2012) cho thấy khu vực BTB hứng chịu lượng mưa lớn năm qua Số liệu thống kê cho thấy, độ lệch chuẩn lượng mưa trung bình năm cao khoảng 400mm đến 700mm Kỷ lục ghi nhận lượng mưa 24 lên tới 747mm, vượt qua kỷ lục lượng mưa 555mm xác lập ngày 9/10/1995 Theo Đài truyền hình kỹ thuật số (27/12/2016), Quốc lộ 1A đoạn qua tỉnh Thừa Thiên Huế (Phú Bài - Bắc Hải Vân) đầu tư nâng cấp, mở rộng khai thác năm hư hỏng xuất nhiều “ổ gà” sau đợt mưa lớn dài ngày
Hiện tượng AĐM khai thác ổn định thời gian dài đột ngột bị biến dạng nhiều ngày nắng nóng “dữ dội” hay mặt đường bị tàn phá nặng nề sau đợt mưa lớn dài ngày với đoạn tuyến thi công cấp thiết kế, nhà thầu thi cơng lại có đoạn lún, đoạn khơng đề cập đặt nghi vấn nguyên nhân bắt nguồn từ biến đổi lớn yếu tố thời tiết bất thường gây Thực tế, Việt Nam nằm vùng khí hậu nhiệt đới hứng chịu ảnh hưởng khắc nghiệt BĐKH Vì vậy, độ bền kết cấu cơng trình nói chung AĐM nói riêng trước biến đổi bất thường điều kiện môi trường vấn đề nhận nhiều quan tâm tác động mà gây nghiêm trọng
(3)1275
Đã có nhiều nghiên cứu nỗ lực nhằm tìm nguyên nhân giải pháp khắc phục tượng nêu Tuy nhiên, đến tượng hư hỏng chưa giải triệt để Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố môi trường khắc nghiệt đến cường độ kết cấu AĐM đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động để tang tuổi thọ AĐM cần thiết
2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu
Vật liệu sử dụng để chế tạo tổ hợp mẫu thí nghiệm nghiên cứu thiết kế theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8819-2011 yêu cầu kỹ thuật kèm Quyết định số 858 Bộ GTVT Nguồn gốc cốt liệu lựa chọn theo thực tế thiết kế, thi công đoạn tuyến quốc lộ 1A địa bàn ba tỉnh thuộc khu vực BTB Quảng Bình (QB), Thừa Thiên Huế (TTH) Quảng Trị (QT)
Nhựa đường Shell mác 60/70 áp dụng đoạn tuyến quốc lộ sở lựa chọn để chế tạo tổ mẫu nghiên cứu Chỉ tiêu độ kim lún tiêu khác kiểm tra theo Tiêu chuẩn TCVN 8819-2011 để đảm bảo chất lượng nhựa phải đạt chất lượng yêu cầu theo tiêu chuẩn
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Các tổ mẫu cấp phối BTNC12.5 BTNC19 thiết kế theo tiêu chuẩn tương ứng với nguồn gốc cốt liệu, cấp phối điều kiện môi trường khác Mỗi tổ mẫu (3 mẫu/tổ mẫu) thí nghiệm phương pháp kéo gián tiếp IDT nén dọc trục UC với thiết bị thí nghiệm tiêu chuẩn Hình Mẫu thí nghiệm IDT có dạng hình trụ trịn theo tiêu chuẩn với kích thước đường kính 100 mm chiều cao 65 mm Mẫu tiêu chuẩn thí nghiệm nén dọc trục UC có hình trụ cao 150 mm với đường kính 100 mm Mẫu thí nghiệm IDT chế tạo thí nghiệm theo phương pháp Marshall Mẫu thí nghiệm UC nén tĩnh dọc trục theo chiều cao mẫu máy nén SGC (Superpave Gyratory Compactor) điều khiển với tốc độ biến dạng liên tục 0,001/giây phá hoại mẫu đề xuất nghiên cứu Thanakorn Suched (2009) Giá trị thí nghiệm tổ mẫu trung bình cộng giá trị mẫu tổ mẫu Các tổ mẫu thí nghiệm kí hiệu tên Bảng
Bảng Tổng hợp tổ mẫu hỗn hợp BTNC12.5 BTNC19
Hỗn hợp Nguồn đá dăm Kí hiệu tổ mẫu
BTNC 12.5/ BTNC19 Thừa Thiên Huế (TTH) TTH_BTNC12.5/TTH_BTNC19
BTNC 12.5/ BTNC19 Quảng Trị (QT) QT_BTNC12.5/ QT_BTNC19
BTNC 12.5/ BTNC19 Quảng Bình (QB) QB_BTNC12.5/ QB_BTNC19
Nhóm thí nghiệm số nghiên cứu ứng xử BTNC, cấp phối BTNC12.5 BTNC19 sử dụng cốt liệu đá ba tỉnh gia nhiệt bốn mức nhiệt độ khác bể tiêu chuẩn có thiết bị kiểm sốt nhiệt độ điện tử Bốn mức nhiệt độ đề nghị 25°C (nhiệt độ mặt đường khu vực vào ban đêm), 45°C (Nhiệt độ mặt đường phổ biến), 60°C (nhiệt độ bất lợi TCVN 8819-2011) 75°C (nhiệt độ mặt đường thời điểm cao bất thường) Bảng
(4)1276
giờ (theo TCVN 8819-2011), 72 120 (mức thời gian mưa khu vực)
Bảng
Bảng Điều kiện thí nghiệm BTNC 12.5 BTNC 19 Yếu tố tác động TCVN 8819-2011 Điều kiện nghiên cứu
Nhiệt độ (°C) 60 25 45 75
Thời gian ngâm (giờ) 40 phút 24 72 120
Hình Thiết bị thí nghiệm tiêu chuẩn nhiệt ẩm (trái), thí nghiệm IDT (giữa) UC (phải)
3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng điều kiện nhiệt độ cao
Khi nhiệt độ mặt đường cao, vật liệu BTNC bị mềm hoá bittum chảy dẻo, làm giảm lực liên kết hạt cốt liệu làm cho lớp AĐM bị biến dạng (HLVBX), tách lớp hay xô dồn xuất lực hãm xe Nghiên cứu Lân cs (2013) rằng, trùng phục nhiệt độ với biên độ chênh lệch nhiệt độ ngày đêm lớp AĐM mùa hè lớn, đến 45°C (70°C/25°C), diễn thời gian dài, khiến lớp AĐM
(5)1277
Hình Mơ tả biến dạng mặt đường (trái) mặt cắt ngang đường bị biến dạng (phải) (Viện kỹ thuật xây dựng hạ tầng, 02/8/2014)
Hình mô tả tượng lún vệt bánh xe AĐM phổ biến Khi nhiệt độ khơng khí tăng, nhiệt độ mặt đường tăng theo, vật liệu nhựa đường từ trạng thái rắn sang trạng thái quánh hoá lỏng bittum bị chảy dẻo, làm giảm lực liên kết hạt cốt liệu ngược lại, vật liệu BTN từ trạng thái lỏng sang trạng thái quánh, hoá rắn trở lên giòn Dưới tác dụng tải trọng xe, lớp AĐM bị uốn bẻ gãy gây tượng hư hỏng rạn nứt mỏi dọc tuyến, ngang tuyến rạn nứt trượt Nếu bỏ qua yếu tố chất lượng trình thiết kế thi cơng AĐM tượng hư hỏng phổ biến điều kiện nhiệt độ cao HLVBX chủ yếu xảy lớp mặt nơi ảnh hưởng trực tiếp nhiệt độ khơng khí độ ẩm Vì vậy, đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ đến số tiêu tính vật liệu nội dung nghiên cứu
Hình biểu diễn phân bố cường độ chịu kéo gián tiếp tổ mẫu cấp phối BTNC19 có nguồn gốc đá dăm ba tỉnh Kết cho thấy, cường độ chịu kéo gián tiếp tổ mẫu BTNC ba tỉnh tương đương nhiệt độ thấp 25°C Khi nhiệt độ lớn nhiệt độ thiết kế tiêu chuẩn (từ 60°C đến 75°C), lấy cường độ kéo gián tiếp loại hỗn hợp mức nhiệt độ mẫu 60°C để so sánh tỷ lệ giảm cường độ chịu kéo gián tiếp tổ mẫu BTNC sử dụng đá nguồn gốc QT có phần trăm suy giảm (16.2%) nhiều so với hai loại BTNC sử dụng đá có nguồn gốc QB TTH (lần lượt 12.5%, 8.73%) Điều cho thấy nguồn gốc vật liệu (tính chất lý đá) có ảnh hưởng đến cường độ BTNC có đề cập nghiên cứu Ahlrich (1996), Zaniewski Srinivasan (2004), Stakston Bahia (2003)
(6)1278
thí nghiệm số thấp tổ mẫu BTNC12.5 Điều cho thấy có ảnh hưởng rõ nhiệt độ cấp phối đến cường độ chịu kéo gián tiếp hỗn hợp BTNC Điểm đáng ý điều kiện bất lợi cường độ BTNC 12.5 trì cường độ cao BTNC19 Điều lần cho thấy khả thích ứng tốt BTNC12.5 trước biến đổi điều kiện nhiệt độ
Để đánh giá ổn định BTNC chịu ép mặt điều kiện nhiệt độ cao, thí nghiệm mẫu nén dọc trục sử dụng tổ hợp mẫu cấp phối BTNC12.5 QT QB sử dụng để phân tích Kết Hình cho thấy ảnh hưởng nhiệt độ đến cường độ chịu nén dọc trục mẫu trụ tương đồng với hai loại nguồn gốc đá có tính chất khác Điều cho thấy khả chịu nén ép tải trọng trục xe với cấp phối với hai loại đá tương tự
640 411 385 281 638 237 180 124 626 223 188 109 100 200 300 400 500 600 700
25 45 60 75
C ường độ k éo g iá n tiếp (k Pa )
Nhiệt độ (oC)
QT_BTNC19 TTH_BTNC19 QB_BTNC19
Hình Phân bố cường độ chịu kéo gián tiếp hỗn hợp BTNC 19 Thí nghiệm số
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Đ ộ suy g iả m ứng suấ t (% )
Nhiệt độ (oC)
TTH_BTNC19 QB_BTNC19 TTH_BTNC12.5 QB_BTNC12.5
(7)1279
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
25 45 60 75
Cư
ờng
độ né
n
UC
(M
Pa
)
Nhiệt độ (oC)
QB_BTNC12.5 QT_BTNC12.5 QT_BTNC12.5 QT_BTNC12.5
Hình Cường độ mẫu nén dọc trục BTNC12.5 theo cấp nhiệt độ với đá nguồn gốc QT QB
3.2 Ảnh hưởng điều kiện nhiệt ẩm
Ngoài tác động yếu tố nhiệt độ, AĐM khu vực BTB hứng chịu tượng mưa lớn dài ngày, ngập lụt diện rộng mưa bão bất thường Trong điều kiện đó, lỗ rỗng q trình thi cơng lu lèn không đạt độ chặt thiết kế tồn rạn nứt tế vi co ngót nhiệt hay tải trọng trục xe gây tượng kéo uốn, đẩy trồi, AĐM thường bị nước ẩm xâm nhập làm cho liên kết màng bittum với cốt liệu yếu đi, đặc biệt vị trí bị khuyết tật màng bittum bị thủng gián đoạn Hình 6.a Dưới áp lực bề mặt bánh xe, nước bị bánh xe dồn ép vào khe nứt tạo nêm thuỷ lực, làm áp lực lỗ rỗng gia tăng công phá tạo khe nứt mới, dẫn đến vật liệu BTNC bị phân rã Hình 6.b Khi bánh xe qua gần hút nước vật liệu BTN bị phân rã khỏi khe nứt gây mát vật liệu làm xuất hiện tượng hư hỏng ổ gà, tách lớp hay rỗ tổ ong mặt đường (Hình 6.c) Khi đó, mặt đường xuống cấp nhanh chóng tác dụng tải trọng trục xe Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng điều kiện tạo ẩm nội dung quan trọng thứ hai cần giải
Hình Mơ tả chế hư hỏng AĐM ẩm, nước mặt áp lực bánh xe
(a) Sự có mặt nước BTN (b) Mô chế làm mát vật liệu áp lực bánh xe (c) Hình ảnh minh họa thực tế tượng mát vật liệu (ổ gà)