CHƯƠNG 1. MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG LÚN VỆT BÁNH XE
1.2. CÁC HIỆN TƯỢNG HƯ HỎNG CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA VÀ CÁC MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BTN TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI
1.2.1. Các hiện tượng hư hỏng của mặt đường bê tông nhựa
Trong quá trình khai thác, dưới tác động của nhiều yếu tố, mặt đường bê tông nhựa s xuất hiện những hư hỏng. Các dạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa điển hình phát sinh trong quá trình khai thác làm ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng của mặt đường bao gồm:
lún vệt bánh xe, nứt do mỏi, nứt do nhiệt độ thấp.
Đối với điều kiện khí hậu tại Việt Nam, nhiệt độ không khí không quá thấp vào mùa lạnh và tương đối cao vào mùa nóng nên hư hỏng điển hình chủ yếu tại Việt Nam là lún vệt bánh xe và nứt do mỏi.
1.2.1.1. Nứt do mỏi
Nứt do mỏi của BTN xảy ra do tác động của tải trọng trùng phục của phương tiện giao thông trong quá trình khai thác. Dưới tác dụng của tải trọng lặp đi lặp lại trên mặt đường, sự nứt mỏi bắt đầu ở dưới đáy lớp áo đường, khi ứng suất kéo uốn do tải trọng trùng phục gây ra trong lớp vật liệu BTN lớn hơn cường độ kéo uốn của vật liệu BTN, mặt đường BTN xuất hiện nứt do mỏi (Hình 1.3). [8]
Hình 1.3: Mô tả hình thành nứt mỏi trong BTN [8]
Nứt do mỏi thường xảy ra vào mùa có nhiệt độ môi trường trung bình (nhiệt độ trung gian giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất xảy ra trong năm), trong khi LVBX thường xảy ra khi nhiệt độ môi trường cao. Tại nhiệt độ trung bình, BTN có xu hướng cứng hơn và giòn hơn so với khi nhiệt độ cao nên dưới tác động của tải trọng lặp lại nhiều lần, BTN có xu hướng bị nứt do mỏi. Vết nứt đầu tiên hình thành trong BTN thường rất nhỏ, khó nhận biết. Dưới tác động của tải trọng trùng phục, những vết nứt nhỏ s dần phát triển về kích thước và số lượng cho đến khi thành các vết nứt lớn hơn và cuối cùng hình thành hệ vết nứt mỏi điển hình dạng “da cá sấu” (Hình 1.4).
Hình 1.4. Nứt mỏi dạng “da cá sấu”
Nứt mỏi là một trong các tiêu chuẩn quan trọng nhất để xác định tuổi thọ của kết cấu áo đường mềm. Nứt mỏi của mặt đường BTN là dấu hiệu chỉ báo mặt đường đã chịu tới số lần tải trọng trục thiết kế tính toán, đã đến thời điểm có các hoạt động cải tạo, nâng cấp phù hợp. Nứt mỏi thông thường xuất hiện ở cuối thời kỳ thiết kế, được xem như là hiện tƣợng phát triển tự nhiên theo đúng quá trình thiết kế. Nứt mỏi có thể xảy ra sớm và từ nhiều nguyên nhân khác nhau hoặc tổ hợp của nhiều nguyên nhân nhƣ: do tải trọng nặng tác dụng trùng phục nhiều lần, do mặt đường được thiết kế với chiều dày không đủ, do chất lượng của hỗn hợp BTN kém, do thoát nước nền - mặt đường kém, do các lớp kết cấu ở phía dưới yếu [9].
1.2.1.2. Lún vệt bánh xe
Lún vệt bánh xe là hiện tượng bề mặt của mặt cắt ngang mặt đường BTN không còn giữ nguyên được hình dạng như thiết kế ban đầu, mặt đường bị lún xuống tại vị trí vệt bánh xe và hình thành các vệt lún theo chiều dọc của đường. (Hình 1.5)
Hình 1.5: Hư hỏng lún vệt bánh xe mặt đường BTN
Lún vệt bánh xe là hiện tƣợng tích lũy biến dạng không hồi phục của các lớp BTN mặt đường do ảnh hưởng của phương tiện xe lưu thông và nhiệt độ môi trường gây ra trong quá trình khai thác. Đây là hƣ hỏng điển hình của dạng hƣ hỏng biến dạng vĩnh cữu (Permanent Deformation). Lún vệt bánh xe là do tổ hợp của các nguyên nhân: dòng xe lưu thông (lưu lượng, tải trọng xe); chất lượng các lớp kết cấu áo đường; điều kiện khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm) [5].
Có 3 dạng lún vệt bánh xe chủ yếu đó là: LVBX do BTN bị chảy dẻo; LVBX do kết cấu và LVBX tại lớp mặt BTN. [4]
Lún vệt bánh xe do BTN bị chảy dẻo (Instability Rutting - Plastic Flow)
LVBX do BTN bị chảy dẻo là hiện tƣợng biến dạng lún xuất hiện tại vệt bánh xe trên phạm vi hẹp, hình thành các mảng trồi BTN dọc theo 2 bên vệt bánh xe. Dạng LVBX này đƣợc nhận diện trực quan bởi các mô trồi hình thành 2 bên vệt lún nhƣ Hình 1.6. [7]
Hình 1.6. Lún vệt bánh xe do BTN bị chảy dẻo. [7]
Nguyên nhân của hiện tƣợng LVBX do BTN bị chảy dẻo là do việc thiết kế hỗn hợp BTN không phù hợp với thiết kế kết cấu. Loại hƣ hỏng này xuất hiện nhiều trong khu vực mặt đường có lưu lượng xe nặng nhiều và chạy chậm như là nút giao thông. Ứng suất gây ra bởi áp lực bánh, gia tốc và việc chuyển động chậm ở các nút giao thông gây ra sự mất ổn định tại vị trí vệt bánh xe. Nó cũng có thể được hình thành dưới tác động của các yếu tố như: nhiệt độ cao của mặt đường; thiết kế hỗn hợp quá nhiều nhựa đường; vật liệu không phù hợp; độ rỗng dƣ quá lớn; cốt liệu không đủ độ góc cạnh. [7]
Lún vệt bánh xe do kết cấu (Structural Rutting)
Lún vệt bánh xe do kết cấu là hiện tƣợng biến dạng lún xuất hiện tại vệt bánh xe trên phạm vi rộng và không hình thành các mô trồi BTN dọc theo vệt bánh xe. Mô phỏng dạng hƣ hỏng này đƣợc thể hiện ở Hình 1.7. [7]
Hình 1.7. LVBX do kết cấu [7]
Nguyên nhân gây ra LVBX do kết cấu là do tích lũy biến dạng do tải trọng lặp gây ra trong các lớp nền và móng đường trong quá trình khai thác khi các lớp vật liệu nền và móng đường không đủ cường độ hoặc chiều dày kết cấu để chịu ứng suất do tải trọng lặp gây ra.
Có thể nhận biết đƣợc lớp kết cấu nào mất khả năng chịu tải bằng cách nhận biết dạng lún của lớp mặt đường. Khi lớp móng (base) bị mất khả năng chịu tải, s có một mô trồi nhỏ đƣợc hình thành ở giữa 2 vệt bánh xe. Trong khi đó, biến dạng do hƣ hỏng lớp đáy áo đường (subgrade) s không có sự xuất hiện của các mô trồi trên cả bề rộng 2 vệt bánh xe. [7]
Hình 1.8. LVBX do hư hỏng lớp móng Hình 1.9. LVBX do hư hỏng lớp đáy áo đường
Thiết kế không đảm bảo, thi công lớp móng chất lƣợng kém và lựa chọn các loại vật liệu không phù hợp trong kết cấu mặt đường có thể gây ra LVBX do kết cấu. Ngoài ra, điều kiện giao thông, cấu trúc tầng đất yếu hoặc thậm chí là khả năng thoát nước của nền móng cũng cần lưu ý trong tính toán thiết kế để tránh ảnh hưởng đến chất lượng mặt đường và có thể gây ra LVBX do kết cấu. [7]
Lún vệt bánh xe trong kết cấu lớp mặt BTN (Surface/Wear Rutting)
LVBX lớp mặt BTN có thể nhận biết trực quan khi biến dạng lún xuất hiện tại vệt bánh xe trên phạm vi hẹp, không hình thành các mô trồi BTN dọc theo 2 vệt bánh xe.
LVBX lớp mặt BTN đƣợc minh họa ở Hình 1.10.
Hình 1.10. LVBX lớp mặt BTN [7]
Nguyên nhân gây ra LVBX lớp mặt BTN là do khi thi công, quá trình đầm nén không đủ để đạt được độ chặt yêu cầu. Khi đó, dưới tác dụng của tải trọng xe chạy, lớp BTN tiếp tục đƣợc đầm nén thêm một lần nữa dẫn đến lún tại vị trí vệt bánh xe. Các yếu tố góp phần hình thành nên dạng hƣ hỏng này bao gồm: các lớp móng không đủ độ chặt yêu cầu;
không đủ số lượt lu lèn lớp mặt BTN; BTN bị nguội trước khi đạt độ chặt yêu cầu; BTN bị lẫn nước hoặc bụi bẩn; hàm lượng nhựa trong hỗn hợp thấp hoặc do cấp phối hỗn hợp không đảm bảo. [7]