CHƯƠNG 1. MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE
1.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTNC THÔNG THƯỜNG
1.3.1. Các yếu tố trong quá trình thiết kế hỗn hợp BTN
Nhựa đường có vai trò quan trọng, quyết định đến chất lượng của hỗn hợp BTN được sản xuất. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nhựa đường có độ nhớt thấp (độ cứng cao) s có khả năng kháng LVBX cao hơn nhựa đường có độ nhớt cao (độ cứng thấp), tuy nhiên nó lại đặt ra vấn đề nứt mỏi của BTN [12].
Tại Việt Nam, nhựa đường được phân loại theo độ kim lún, nhựa đường 40/50 có độ nhớt thấp (độ cứng cao) hơn so với nhựa đường 60/70. Sản xuất hỗn hợp BTN tại Việt Nam hiện nay phần lớn dùng nhựa đường 60/70, hầu như ít sử dụng nhựa đường 40/50.
Một trong những biện pháp kháng LVBX đối với các tuyến đường có lưu lượng xe lớn hiện nay đó là việc thay đổi nhựa đường dùng cho hỗn hợp BTN từ nhựa đường 60/70 thông thường sang nhựa đường cải tiến Polime. Nhựa đường cải tiến Polime có ưu điểm hơn hẳn nhựa đường 60/70 thông thường ở khả năng cải thiện đáng kể cường độ và độ ổn định của BTN ở nhiệt độ cao. Vì vậy, nhựa đường Polime có khả năng kháng LVBX và kháng mỏi tốt hơn nhiều so với nhựa đường 60/70 thông thường.
Phân loại nhựa đường theo phương pháp Superpave dựa theo cấp đặc tính PG (Performance Grade) đã đƣợc áp dụng rộng rãi tại Mỹ từ những năm 1996. Các tiêu chí áp dụng để lựa chọn loại PG cho từng trường hợp bao gồm:
Điều kiện địa lý của khu vực dự án/ công trình xây dựng;
Nhiệt độ mặt đường cao nhất/ thấp nhất dự kiến mà mặt đường BTN s phải gặp trong quá trình khai thác (xác định thông qua nhiệt độ không khí có xét đến độ tin cậy phù hợp);
Lƣợng giao thông thiết kế “tổng tải trọng trục xe tiêu chuẩn tích lũy - ESAL (tính theo triệu ESALs) qua các mức độ khác nhau từ <0,3 triệu ESALs tới >30 triệu ESALs cùng với tốc độ dòng xe;
Phương pháp phân loại theo PG sử dụng 2 chỉ số, kí hiệu là PG "XY". Trong đó, số thứ nhất (ký hiệu "X") là giá trị trung bình của nhiệt độ mặt đường (˚C) ở độ sâu 20mm tính từ mặt đường của 7 ngày có nhiệt độ cao nhất trong năm, số thứ 2 (ký hiệu
"Y") là giá trị nhiệt độ của mặt đường của một ngày thấp nhất (˚C) xác định tại bề mặt của mặt đường. Ví dụ: Phân loại PG 40-16 ứng với nhiệt độ cao nhất là 40˚C và nhiệt độ thấp nhất là -16˚C.
Phân loại nhựa đường theo cấp đặc tính PG có nhiều ưu điểm như: lựa chọn được loại bitum phù hợp với điều kiện cụ thể của dự án trên các phương diện “điều kiện địa lý, khí hậu, lƣợng giao thông thiết kế, và tốc độ của dòng xe”, từ đó phát huy tốt khả năng làm việc của bitum, tăng tuổi thọ công trình. Đã xem xét tới ảnh hưởng đến khả năng kháng LVBX và mỏi của BTN thông qua chỉ số mô đun phức G* và góc pha δ của nhựa đường (xác định thông qua thí nghiệm cắt động lưu biến). Tuy nhiên, cách phân loại này đòi hỏi chi phí thí nghiệm cao, các thiết bị thí nghiệm đắt tiền, phương pháp thí nghiệm mới nên đòi hỏi cần có thời gian đào tạo con người.
1.3.1.2. Cốt liệu
Trong hỗn hợp BTN, cốt liệu đóng vai trò tạo nên một bộ khung chịu lực chính chống lại tác dụng trùng phục của hỗn hợp BTN. Cốt liệu sử dụng trong hỗn hợp BTN bao gồm cốt liệu thô (đá dăm) và cốt liệu mịn (cát). Tính chất và đặc trƣng của từng loại cốt liệu trong hỗn hợp cấp phối có ảnh hưởng lớn đến khả năng kháng VHBX của hỗn hợp BTN.
Cốt liệu lớn (đá dăm): Đối với cốt liệu lớn, các thuộc tính bề mặt và độ góc cạnh cũng ảnh hưởng đáng kể đến góc nội ma sát φ của BTN. Cốt liệu có độ nhám cao (bề mặt xù xì) làm tăng khả năng dính bám đá-nhựa; độ góc cạnh lớn s tạo nên sự chèn móc tốt giữa các hạt cốt liệu, làm tăng góc nội ma sát φ, tăng cường độ kháng cắt và giảm khả
năng biến dạng dẻo của BTN. Vì vậy, khả năng kháng LVBX của BTN cũng s đƣợc tăng lên.
Cốt liệu mịn (cát): vai trò của cốt liệu mịn trong hỗn hợp BTN là chèn lấp các k hở giữa các hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc chắc của hỗn hợp. Cát để chế tạo BTN chỉ dùng loại hạt với mô đun độ lớn Mk 2.0, có thể dùng cát thiên nhiên hoặc cát xay. Xu hướng hiện nay là sử dụng cát xay thay cho cát tự nhiên vì các lý do: kích cỡ hạt đồng đều, có thể điều chỉnh môđun và tỷ lệ thành phần hạt theo yêu cầu cụ thể cho mỗi loại cấp phối khác nhau. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng cát tự nhiên (tròn cạnh) có ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu cơ lý của BTN. Khi hàm lượng cát tự nhiên tăng lên, BTN dễ xảy ra hiện tƣợng hằn lún vệt bánh xe hơn (Crawford-1989). Hình dạng và tính chất bề mặt của cốt liệu mịn là các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dẻo trong bê tông nhựa, Button và Perdomo (1991) đã chứng minh rằng trị số biến dạng và tốc độ biến dạng tăng theo sự gia tăng của hàm lƣợng cát tự nhiên. Giảm hàm lƣợng cát tự nhiên, tăng hàm lƣợng cát xay s làm tăng sức kháng vệt hằn bánh xe của hỗn hợp bê tông nhựa [2].
Bột khoáng: Bột khoáng có vai trò rất quan trọng trong hỗn hợp bê tông nhựa (BTN), thường được nghiền từ đá vôi hoặc đá đôlômit, có cường độ chịu nén không nhỏ hơn 200 daN/cm2. Với tỷ diện rất lớn, khoảng 2500-3000 cm2/g, bột khoáng khi kết hợp với nhựa đường s đóng vai trò của các hạt mịn, lấp các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm, cát trong BTN tạo nên liên kết giữa các hạt cốt liệu với nhau và với nhựa đường dẫn tới làm tăng độ chặt, tăng cường độ của bê tông nhựa.
a) BTN có bột khoáng b) BTN không có bột khoáng Hình 1.16: Vai trò lấp đầy của bột khoáng trong hỗn hợp BTN.
Bột khoáng và nhựa đường tương tác với nhau tạo thành chất liên kết asphalt, có tác dụng làm tăng khả năng ổn định nhiệt của hỗn hợp BTN. Khi trộn bột khoáng với nhựa đường trong hỗn hợp BTN, bột khoáng tạo nên một lớp hoạt tính ổn định nước, tương tác vật lý, hóa học giữa bề mặt hạt bột khoáng và nhựa đường làm tăng cường độ BTN.
Trong chất liên kết asphalt, các phân tử bột khoáng đƣợc bao bọc bởi một lớp màng
mỏng nhựa đường đồng nhất, tạo nên độ cứng của chất liên kết trong bê tông nhựa.
Tính ƣu việt của bột khoáng chỉ đƣợc thể hiện khi sử dụng bột khoáng với hàm lƣợng thích hợp. Việc sử dụng bột khoáng với hàm lƣợng quá cao s giảm các tính chất cơ lý của bê tông nhựa, dẫn đến bê tông nhựa dễ nứt nẻ, giảm chiều dày màng nhựa bao quanh cốt liệu dẫn đến bê tông nhựa dễ bong tróc, độ ổn định giảm. Việc sử dụng bột khoáng với hàm lƣợng quá thấp dẫn đến bê tông nhựa dễ bị biến dạng, chảy nhựa. Vì vậy, việc lựa chọn tỷ số giữa Bột khoáng/Hàm lƣợng nhựa có hiệu tối ƣu trong thiết kế hỗn hợp BTN là hướng hiện nay được nhiều nước trên thế giới áp dụng.
1.3.1.3. Các chỉ tiêu thiết kế BTN:
a) Cấp phối cốt liệu:
Cấp phối cốt liệu đƣợc định nghĩa là sự phân bố của các kích cỡ hạt thể hiện qua phần trăm của cỡ hạt đó so với tổng khối lƣợng của hỗn hợp. Theo Roberts (1996), cấp phối là đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến hầu hết các tính chất quan trọng của hỗn hợp BTN bao gồm độ cứng, độ ổn định, tính thẩm thấu, khả năng thi công, tính kháng mỏi, kháng phá hoại do ẩm, biến dạng không hồi phục … [11]
Nhiều nghiên cứu trong nước và trên thế giới đã chỉ ra rằng, cấp phối thiết kế thiên về xu hướng thô nhiều hơn s cho khả năng kháng LVBX tốt hơn cấp phối mịn. Theo hướng dẫn tại Quyết định 858/QĐ-BGTVT, nếu cốt liệu (cấp phối hỗn hơp cốt liêu) có xu hướng thô s tạo ra một bộ khung xương đủ “khỏe” để hạn chế đươc hiện tượng hư hỏng LVBX.
Một số nghiên cứu tại Ấn Độ đã đƣa ra khái niệm về “chỉ số cấp phối - GR” (Grade Ratio). Theo đó, sự phân bố kích thước hạt của cốt liệu được xác định bởi các đường cong cấp phối. Từ đường cong cấp phối đưa ra các tham số quan hệ với hình dạng của đường cong là D15, D50 và D85, trong đó Dx là kích cỡ của sàng có x (%) của tổng khối lƣợng vật liệu lọt qua nó. [11]
“Chỉ số cấp phối - GR” đƣợc xác định theo công thức:
85 50
50 15
D D
GR D D
Giá trị GR càng lớn s biểu thị cấp phối càng chặt. Hình 1.17 là kết quả nghiên cứu tương quan giữa giá trị GR và độ sâu LVBX. Giá trị GR càng thấp s cho khả năng kháng LVBX càng cao.
Hình 1.17: Quan hệ giữa GR và độ sâu LVBX với độ tin cậy >0,8 [11]
b) Hàm lượng nhựa:
Hàm lƣợng nhựa là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong quá trình thiết kế hỗn hợp BTN. Việc lựa chọn đƣợc hàm lƣợng nhựa tối ƣu hợp lý là mục tiêu thiết yếu để có đƣợc hỗn hợp BTN chất lƣợng tốt. Hàm lƣợng nhựa quá ít thì hỗn hợp BTN quá khô, cứng gây nên việc khó rải và đầm nén trong quá trình thi công, làm giảm cường độ và khả năng kháng mỏi của BTN. Trong khi đó, nếu hàm lƣợng nhựa quá cao làm cho BTN quá dẻo và giảm khả năng kháng LVBX.
c) Độ rỗng dư (Va):
Theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT, độ rỗng dƣ của lớp mặt BTNC trên cùng yêu cầu từ 4,0-6,0 (%). Các lớp BTNC lớp dưới yêu cầu từ 3,0-6,0 (%). Khi thiết kế hỗn hợp nên chọn độ rỗng dư từ 4,5% đến 5%. Trong một nghiên cứu khảo sát mặt đường cũ bị HLVBX tại Việt Nam đã chỉ ra rằng độ rỗng dƣ nhỏ (< 3%) là biểu hiện đặc trƣng của hiện tƣợng hằn lún vệt bánh xe [3]. Trong khi đó, nếu độ rỗng dƣ quá lớn (> 7%) cũng s dễ gây ra hƣ hỏng LVBX và nứt mỏi.
d) Tỷ lệ bột khoáng/nhựa đường:
Tỷ lệ bột khoáng/nhựa đường được xác định theo công thức: 0,075
be
FB P P Trong đó: FB - tỷ lệ bột/hàm lƣợng nhựa có hiệu;
P0,075 - tỷ lệ cốt liệu lọt qua sàng 0,075mm, %;
Pbe - hàm lƣợng nhựa có hiệu, % khối lƣợng hỗn hợp.
Nếu giá trị FB quá lớn, dẫn tới việc nhựa đường không đủ để bao bọc các hạt bột khoáng hoặc hỗn hợp bột khoáng-nhựa đường (vữa nhựa) quá cứng làm cho BTN trở nên giòn hơn và dễ gây ra hiện tƣợng nứt mỏi. Nếu FB quá nhỏ dẫn đến thừa nhựa đường hoặc hỗn hợp vữa nhựa quá mềm làm cho BTN có tính mềm dễ gây ra hư hỏng dạng lún vệt bánh xe.
Phương pháp thiết kế Superpave khuyến nghị tỷ số FB nằm trong khoảng từ 0,6-1,2 và một số bang tại Mỹ đã quy định việc áp dụng tỷ số FB trong các tiêu chuẩn kỹ thuật.
Các bang ở vùng khí hậu nóng có xu hướng FB cao trong khi các bang ở vùng khí hậu lạnh tỷ số FB có xu hướng thấp. [1]