Năm 1987, Quốc hội Hoa Kì quyết định thành lập Chương trình nghiên cứu chiến lược đường cao tốc - The Strategic Highway Research Progam (SHRP), chương trình này kéo dài năm năm, 150 triệu đô la Mỹ đã được sử dụng để đầu tư nghiên cứu với mục đích cải thiện năng suất và độ bền của các con đường ở Hoa Kì, đồng thời làm cho các con đường trở nên an toàn hơn với người đi xe mô tô và nhân viên đường cao tốc. SHRP được phát triển bởi sự hợp tác của nhiều bang, tổ chức:
American Association of State Highway and Transportaion Officials (AASHTO), Transportation Research Board (TRB), Industry, and Federal Hightway Administration (FHWA). SHRP nghiên cứu về nhựa đường (độ quánh và thành phần của nhựa đường), BTN và thành phần cấp phối của nó, hệ thống đường cao tốc, và thời gian khai thác của mặt đường BTN [9].
Superpave là sản phầm sau cùng của chương trình nghiên cứu về BTN thuộc SHRP. Superpave là cụm từ viết tắc của: Superior Performing Asphalt Pavements.
Superpave đặt ra các yêu cầu cho nhựa đường và cấp phối cốt liệu dùng sản xuất BTN [9].
Hệ thống Superpave kết hợp các đặc điểm kỹ thuật của vật liệu BTN với các điều kiện môi trường để cải thiện chất lượng của các con đường bằng cách khống chế hiện tượng lún trồi, nứt do nhiệt độ thấp và nứt do mỏi. Ba nội dung quan trọng của Superpave là yêu cầu kỹ thuật của nhựa; thiết kế và phân tích cấp phối; một hệ thống phần mềm máy tính [10]. Superpave được đánh giá là phương pháp thiết kế cấp phối cốt liệu BTN tối ưu nhất hiện nay và được nhiều nước trên thế giới sử dụng.
2.1.2 Thiết kế bê tông nhựa theo Superpave
Tiêu chuẩn Superpave có đưa ra các căn cứ để chọn cốt liệu, phối trộn và phân tích tỉ lệ giữa các loại cốt liệu, phân tích độ ẩm. Thiết kế BTN theo Superpave bao gồm 4 bước :
1. Lựa chọn nguồn nguyên liệu;
2. Thiết kế cấp phối;
3. Xác định hàm lượn nhựa tối ưu;
4. Đánh giá BTN.
Căn cứ để lựa chọn nguyên liệu sản xuất BTN và loại đầm nén dựa vào:
a. Yếu tố môi trường;
b. Lưu lượng và tải trọng xe;
c. Kết cấu của mặt đường.
Chọn nhựa đường phải dựa vào dữ liệu về môi trường, lưu lượng giao thông và tốc độ thiết kế. Chọn cốt liệu phải căn cứ vào BTN dùng cho lớp mặt trên hay lớp dưới, lưu lượng và tốc độ giao thông.
Thiết kế cấp phối là việc xác định tỷ lệ phần trăm của mỗi loại cốt liệu trong hỗn hợp. Mỗi cấp phối có một hàm lượng nhựa tối ưu riêng, giới hạn của cấp phối và giá trị hàm lượng nhựa tối ưu phải đảm bảo theo tiêu chuẩn.
Lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu là việc thực hiện thay đổi nhiều hàm lượng nhựa khác nhau với cùng một cấp phối để tìm ra được hàm lượng nhựa làm cho BTN ứng với cấp phối đó đạt chất lượng cao nhất và đảm bảo các yêu cầu trong tiêu chuẩn.
Đánh giá BTN bao gồm thực hiện các thí nghiệm theo quy định của hệ thống Superpave hoặc các tiêu chuẩn khác có liên quan để xác định hỗn hợp BTN có đạt yêu cầu hay không [11].
2.1.3 Vùng giới hạn trong Superpave 2.1.3.1 Khái niệm vùng giới hạn
Vùng giới hạn không phải là một khái niệm mới đối với người trong nghành BTN. Từ lâu, các chuyên gia trong nghành đã nhận ra rằng nếu cấp phối cốt liệu đi vào một vùng đặc biệt giới hạn bởi các sàng trung bình thì hỗn hợp BTN có khả năng bị mềm và xảy ra lún trồi khi khai thác. Tuy vậy, cho đến khi nó được nhóm nghiên cứu thực hiện Chương trình nghiên cứu chiến lược đường cao tốc đặt tên là
“The restricted zone” – Vùng giới hạn, trong quyển sách Superpave – SP2 thì nó được phổ biến hơn. Vùng giới hạn được Superpave định nghĩa như sau [12]:
Vựng giới hạn là vựng nằm trờn đường độ chặt tối ưu kộo dài từ sàng 300àm (số 50) đến sàng 2.36mm (số 8), đường cong cấp phối không nên đi qua vùng này.
VGH của BTN 12,5mm được thể hiện như Hình 4[12].
2.1.3.2 Sự hình thành vùng giới hạn trong Superpave
Lý do hình thành vùng giới hạn trong Superpave nằm trong một báo cáo của SHRP (SHRP-A-408). Báo cáo này tổng kết các nghiên cứu được thực hiện trong SHRP. Chương đầu tiên của báo cáo này trình bày một phương pháp nhằm xác định các yếu tố gây ảnh hưởng đến cách thiết kế cấp phối cốt liệu và sản xuất hỗn hợp BTN, phương pháp này được gọi là Delphi. Phương pháp Delphi bao gồm một nhóm các bảng câu hỏi đặt sẵn sẽ được trả lời. Theo phương pháp này thì các câu hỏi xuất hiện sau thì sẽ khó hơn và quan trọng hơn so với các câu hỏi trước. Với phương pháp Delphi thông thường, các thành viên trả lời bảng câu hỏi không được thảo luận với nhau; tuy nhiên các chuyên gia SHRP được trao đổi với nhau để trả lời các câu hỏi được đặt ra [12].
Các chuyên gia SHRP đã phải trả lời lần lượt 5 bảng câu hỏi để xác định các yếu tố liên quan đến đường cong cấp phối có ảnh hưởng đến chất lượng của BTN. Tổng kết kết quả như sau:
- Biểu đồ lũy thừa 0,45 cỡ sàng được dùng để thể hiện đường cong cấp phối;
- Một số định nghĩa được đưa ra: Kích thước hạt lớn nhất danh định, kích thước cốt liệu lớn nhất, vùng giới hạn và đường độ chặt tối ưu[12].
Tuy nhiên, báo cáo chỉ đề nghị rằng cấp phối cốt liệu BTN không nên xâm phạm vào VGH. Không có đề cập nào cho rằng cấp phối phải tuyệt đối đi bên ngoài VGH.
2.1.3.3 Vùng giới hạn đối với mỗi loại bê tông nhựa
Theo yêu cầu thiết kết của Superpave thì đường cong cấp phối phải nằm giữa các điểm khống chế, và không nên đi qua vùng giới hạn. Với mỗi loại BTN theo cỡ hạt lớn nhất danh định khác nhau thì có các điểm khống chế và vùng giới hạn khác nhau. Giá trị của các điểm khống chế và vùng giới hạn của các loại BTN được thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Điểm khống chế và vùng giới hạn cấp phối theo Superpave [13]
Cỡ sàng (mm)
Loại BTN theo cỡ hạt lớn nhất danh dịnh
9,5mm 12,5mm 19mm 25mm 37,5mm
50,0 100
37,5 100 90-100
25,0 100 90-100
19,0 100 90-100
12,0 100 90-100
9,5 90-100
2,36 32-67 28-58 23-49 19-45 15-41
0,075 2-10 2-10 2-8 1-7 0-6
Cỡ sàng
(mm) Vùng giới hạn
4,75 39,5 34,7
2,36 47,2 39,1 34,6 26,8-30,8 23,3-27,3
1,18 31,6-37,6 25,6-31,6 22,3-28,3 18,1-24,1 15,5-21,5 0,60 23,5-27,5 19,1-23,1 16,7-20,7 13,6-17,6 11,7-15,7
0,30 18,7 15,5 13,7 11,4 10,0