CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
2.2. KHE NỐI TRONG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG
Khe nối của mặt đường BTXM thường được gọi tên theo chức năng, dưới đây là một số khe thường được sử dụng:
Khe co ngang: Rãnh được tạo bởi công cụ (cưa) hoặc ván khuôn khi thi công áo đường, nó tạo ra một tiết diện bị giảm yếu, nhờ thế mà điều chỉnh được vị trí vết nứt ngang sinh ra do sự thay đổi kích thước tấm bê tông xi măng. Khe này có phương vuông góc với tim tuyến và là loại khe chiếm tỷ lệ về khối lượng lớn nhất trong áo đường bê tông xi măng;
Khe dọc: Khe giữa 2 tấm, cho phép cong, vênh nhau, nhưng vẫn đảm bảo 2 tấm không tách xa nhau và không có vết nứt dọc. Loại khe này song song hoặc trùng với tim tuyến, tốt nhất là trùng với đường phân làn xe.
Khe thi công: Có thể là khe ngang hoặc dọc. Khe này ngăn cách giữa 2 tấm bê tông được thi công đổ bê tông ở 2 thời điểm khác nhau;
Khe giãn: Khe được đặt tại các vị trí đặc biệt nhằm đảm bảo sự giãn nở của áo đường mà không gây hư hại cho chính bản thân áo đường và kết cấu bên cạnh.
2.2.1. Khe co ngang
Chức năng chính của khe co ngang là kiểm soát hiện tượng nứt của áo đường dưới tác dụng của ứng suất kéo và uốn trong tấm bê tông xi măng. Các ứng suất này sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng, do tác động tải trọng hoặc môi trường.
Do chiếm một tỷ lệ lớn về khối lượng, chất lượng của khe co ngang có ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng của áo đường. Một khe bị hỏng thể hiện qua các hiện tượng cập kênh và/hoặc nứt vỡ. Một khe đã suy giảm khả năng làm việc thường dẫn đến các hư hỏng như gẫy góc, phồng, nứt giữa tấm… Các vết nứt giữa tấm này làm việc giống như các khe liên kết và phát triển các hư hỏng tương tự.
Có 3 yếu tố cần xem xét khi thiết kế khe ngang:
A. Khoảng cách giữa các khe
Phụ thuộc vào cấu tạo áo đường (chiều dày, có cốt thép hay không, loại móng), điều kiện địa phương (nhiệt độ khi khai thác và khi thi công) và đặc trưng tải trọng truyền qua khe nối. Thông thường các khe co ngang được bố trí cách nhau không quá 5m [2].
B. Truyền tải trọng qua khe nối
Tải trọng xe cần phải được truyền một cách có hiệu quả từ một tấm bê tông xi măng sang tấm bên cạnh để giảm thiểu độ võng tại khe nối. Độ võng được giảm thiểu sẽ làm giảm nguy cơ phụt vật liệu móng và hiện tượng cập kênh.
Sự truyền tải trọng qua khe nối được thực hiện thông qua sự cài vào nhau của các hạt vật liệu khi khe nối được tạo bằng hiện tượng tự nứt của bê tông hoặc thông qua thanh truyền lực (dowel bars). Khuyến cáo sử dụng sử dụng thanh truyền lực tại các khe nối ngang. Khi làm việc, thanh truyền lực cho phép tải trọng truyền qua khe nối, nhưng không hạn chế chuyển vị của khe nối sinh ra do hiện tượng giãn nở nhiệt của bê tông. Nghiên cứu cho thấy rằng thanh truyền lực có đường kính càng lớn thì hiệu quả truyền tải càng lớn và hiện tượng cập kênh càng giảm.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) kích thước thanh truyền lực, khoảng cách giữa các thanh được quy định khác nhau trong các tiêu chuẩn 22TCN223-95 [1] và Quy định tạm thời (quyết định số 3230/QĐ-BGTVT) [2]. Theo hướng dẫn của Cục đường bộ liên bang Mỹ (FHWA), khuyến cáo sử dụng thanh truyền lực có đường
kính không nhỏ hơn 1/8 chiều dày tấm bê tông xi măng và không nhỏ hơn 32mm (25in).
Thanh truyền lực được đặt ở giữa tấm theo chiều dày và phải làm từ vật liệu chống gỉ để tránh bị kẹt và ngăn cản chuyển vị của khe nối. Thép bọc epoxy và thép không gỉ được xem là thích hợp dùng làm thanh truyền lực.
Theo giáo trình Pavement Analysis and Design [10], Yang H. Huang căn cứ vào đề xuất của Hiệp hội xi măng Portland (PCA) thiết kế kích thước thanh truyền lực phụ thuộc vào chiều dày tấm bê tông.
C. Hình dạng khe và tính chất của chất bịt kín (sealant)
Chất bịt kín có tác dụng ngăn cản sự xâm nhập của nước và các vật rắn vào khe nối và vào kết cấu áo đường. Người ta nhận thấy rằng không thể thi công và duy trì khe nối kín nước hoàn toàn. Tuy nhiên, chất bịt kín có tác dụng giảm thiểu lượng nước xâm nhập vào kết cấu, từ đó mà giảm thiểu các hiện tượng hư hỏng như cập kênh và phụt vật liệu móng. Vật rắn cũng phải được ngăn cản không lọt vào khe nối, chúng có thể cản trở việc giãn nở do nhiệt độ tấm bê tông, gây ra hiện tượng phồng mặt đường tại khe nối.
Tính chất của chất bịt kín có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng của khe nối.
Những vật liệu bịt kín khe cao cấp, như silicon hoặc chất bịt kín được tạo hình trước được khuyến cáo sử dụng để làm kín tất cả các loại khe (ngang, dọc, khe thi công).
Tuy giá thành cao, nhưng chúng cho chất lượng làm kín tốt hơn và tuổi thọ cao hơn.
Khi thi công khe nối, phải tuân theo một quy trình nghiêm ngặt và đặc biệt phải chú ý đến việc sử dụng chất bịt kín theo đúng hướng dẫn của nhà sản suất.
Khi sử dụng chất bịt kín silicon, tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng chất bịt kín trong khe nối là từ 1:2 đến 1:1. Để đạt được kết quả tốt nhất, chiều rộng cắt khe nên vào khoảng 1cm. Bề mặt của chất bịt kín nên chìm xuống (thấp hơn) từ 6mm đến 10mm so với bề mặt tấm bê tông để tránh bị bào mòn bởi tác động của bánh xe. Để đảm bảo hình dạng của chất bịt kín trong khe nối đúng theo yêu cầu và chất bịt kín không dính vào mặt đáy của khe nối, cần phải sử dụng thanh lót (backer rod). Thanh
lót được làm bằng nhựa xốp với các bọt khí kín, có đường kính lớn hơn 1.25 lần chiều rộng cắt khe để đảm bảo chèn chặt.
Khi sử dụng chất bịt kín tạo hình trước, khe nối phải được thiết kế sao cho chất bịt kín luôn luôn ở trạng thái bị nén từ 20% đến 50%. Bề mặt của chất bịt kín nên chìm xuống (thấp hơn) từ 3mm đến 10mm so với bề mặt tấm bê tông để tránh bị bào mòn bởi tác động của bánh xe.
2.2.2. Khe dọc
Khe dọc sử dụng để làm giảm ứng suất do cong vênh tấm và thường cần phải sử dụng khi chiều rộng tấm vượt quá 4.5m. Khi chiều rộng tấm không vượt quá 4.5m thì không cần sử dụng khe dọc. Khe dọc nên được làm trùng với đường phân làn xe để cải thiện tính năng khai thác của áo đường.
Sự truyền tải trọng qua khe nối dọc được thực hiện nhờ các khớp nối nhân tạo (ngàm) hoặc tự nhiên (do bê tông tự nứt). Để ngăn chặn hiện tượng trôi tấm bê tông (các làn xe tách rời nhau) và hiện tượng cập kênh, nên bố trí các thanh liên kết (tie bar) tại các khe dọc. Tuy nhiên không nên liên kết quá 4 làn xe (tổng chiều rộng quá 15m) để tránh hiện tượng nứt dọc tấm. Trong trường hợp có quá 4 làn xe trên mặt cắt ngang, khe dọc không có thanh liên kết nên bố trí tại vị trí phân cách 2 chiều xe chạy. Thanh liên kết được đặt ở giữa tấm theo chiều dày.
Theo hướng dẫn của FHWA, khi sử dụng thanh liên kết bằng thép có giới hạn chảy là 2800kg/cm2, nờn sử dụng thanh liờn kết cú chiều dài 76cm với ỉ16, dài 61cm với ỉ13. Khi thộp cú giới hạn chảy là 4200kg/cm2, nờn sử dụng thanh liờn kết cú chiều dài 102cm với ỉ16, dài 81cm với ỉ13. Cỏc chiều dài này được tớnh toỏn trên cơ sở sự tương ứng về ứng sất làm việc cho phép của thanh thép với lực ma sát giữa thép và bê tông. Khoảng cách giữa các thanh liên kết tùy thuộc vào chiều dày tấm bê tông và khoảng cách đến cạnh (tấm) tự do gần nhất.
Thanh liên kết không được đặt ở khoảng cách nhỏ hơn 38cm so với khe ngang.
Khi sử dụng thanh liên kết có chiều dài trên 81cm với các khe xiên, thanh liên kết không được đặt ở khoảng cách nhỏ hơn 46cm so với khe ngang;
Thép chống gỉ được đề nghị sử dụng làm thanh liên kết vì sự ăn mòn có thể làm giảm khả năng làm việc của thanh liên kết. Thông thường trong điều kiện Việt Nam, thép dùng làm thanh liên kết phù hợp là thép có gờ (thép gân) và được sơn chống gỉ khoảng 10cm tại giữa thanh;
Đề xuất tạo khe dọc bằng cưa xẻ khe và chèn kín để ngăn cản nước mặt lọt vào cấu trúc của áo đường. Khe để chứa chất bịt kín nên được cắt rộng khoảng 1cm và sâu khoảng 2.5cm.
2.2.3. Khe thi công
A. Khe thi công ngang
Khe thi công ngang thay thế cho một khe co ngang thông thường, tại vị trí 2 tấm bê tông được thi công ở hai thời điểm khác nhau. Để đảm bảo chất lượng, khe thi công ngang nên được làm thẳng góc. Khe thi công ngang cũng được bố trí thanh truyền lực, cắt khe và trám khe giống như khe co ngang thông thường
B. Khe thi công dọc
Hình 2-5. Cấu tạo khe thi công dọc
Với khe thi công dọc, việc sử dụng ngàm truyền lực phải được suy xét cẩn thận vì bề mặt tấm tại vị trí có ngàm thường hay bị nứt gãy. FHWA khuyến nghị không dùng ngàm truyền lực khi tấm có chiều dày nhỏ hơn 26cm. Trong trường hợp này, thanh liên kết phải được thiết kế cho cả chức năng truyền lực;
Khi chiều dày tấm lớn hơn hoặc bằng 26cm, có thể sử dụng ngàm để truyền lực.
FHWA khuyến nghị sử dụng ngàm có kích thước như Hình 2-5. Dùng ngàm có kích thước lớn hơn có thể làm giảm khả năng chịu cắt tấm bê tông xi măng tại khe và dẫn đến hỏng khe. Với khe có ngàm, vẫn cần sử dụng thanh liên kết. Nên xem xét tăng
Thanh liên kết
số lượng và/hoặc kích thước thanh liên kết thay cho việc sử dụng ngàm. Việc tăng chi phí thép sẽ được bù đắp bằng giảm lượng chi phí nhân công ban đầu và chi phí bảo dưỡng về sau.
Lưu ý về khe thi công dọc:
Khoảng cách lớn nhất giữa các thanh liên kết, cắt và chèn khe cũng được áp dụng như với khe dọc thông thường.
Thanh liên kết nhất thiết phải được neo chắc vào bê tông. Thanh liên kết phải được đặt vào hỗn hợp bê tông tươi khi thi công.
Thanh liên kết cong không được khuyến khích sử dụng.
2.2.4. Khe giãn
Thiết kế và bảo dưỡng tốt các khe co có thể loại bỏ sự cần thiết phải sử dụng khe giãn, trừ trường hợp tại vị trí tiếp giáp với các kết cấu cố định. Thực tế trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã không áp dụng khe giãn nữa. Khi sử dụng khe giãn, các tấm bê tông có xu thế chuyển vị và khép dần (làm giảm chiều rộng) khe giãn lại trong vòng vài năm. Vì vậy một vài khe co liền kề sẽ rộng ra và giảm độ kín khít.
Khe giãn thường có bề rộng khoảng 2cm. Vật liệu chèn khe (filler) thông thường được đặt thấp hơn (2 ÷ 2.5)cm so với bề mặt tấm bê tông xi măng để có không gian cho chất bịt kín. Các thanh truyền lực bằng thép trơn là phương pháp truyền lực được sử dụng rộng rãi nhất cho khe giãn. Thanh truyền lực cho khe giãn được chế tạo đặc biệt với các mũ nhựa ở 1 đầu thanh để tạo ra khoảng trống dự phòng cho trường hợp khe bị khép lại do các tấm bê tông giãn dài ra.