6. Kết cấu của luận văn
1.2.3.2 Vệt bánh (biến dạng không hồi phục)
Vệt bánh chắnh là tổng tắch lũy các biến dạng không hồi phục ựược của các lớp kết cấụ
Nguyên nhân là do: Dưới tác dụng lặp lại nhiều lần của xe chạy, các lớp nền mặt ựường bị tắch lũy dần các biến dạng không hồi phục ựược (biến dạng vĩnh viễn). Nếu nền mặt ựường có ựủ ựộ cứng thì mỗi lần tác dụng của tải trọng xe chạy, biến dạng không phục hồi ựược sẽ rất nhỏ, nhưng sau nhiều lần tác dụng lặp lại vẫn tắch lũy lại và ựạt ựến trị số tương ựối thấy ựược, nhất là vào lúc nhiệt ựộ cao, lớp mặt rải nhựa sẽ tắch lũy biến dạng không hồi phục ựược tương ựối lớn.
Như vậy, ựộ sâu của vệt lún có liên quan với trị số ứng suất lặp lại, số lần tác dụng của tải trọng và ựộ cứng của lớp kết cấu nền mặt ựường. Sự xuất hiện của vệt bánh khiến cho ựộ bằng phẳng của mặt ựường bị phá hoại, từ ựó ảnh hưởng tới chất lượng chạy xe, ựồng thời lại làm cho mặt ựường dễ bị nứt.
1.3 CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁ HOẠI KẾT CẤU ÁO đƯỜNG MỀM DO NGUYÊN NHÂN CẮT, TRƯỢT
Ứng suất cắt, trượt xuất hiện trong kết cấu mặt ựường là nguyên nhân cơ bản gây ra một số hiện tượng hư hỏng cho mặt ựường mềm.
Dắnh bám kém giữa hai lớp bê tông asphalt, hoặc cường ựộ chịu cắt trượt của lớp bê tông asphalt thấp thường dẫn ựến những hư hỏng cho kết cấu mặt ựường mềm trong quá trình khai thác như hiện tượng trượt [9], dồn ựống, lượn sóng, hằn vệt bánh xe, nứt v.v. . Hư hỏng mặt ựường bê tông asphalt do
nguyên nhân trượt có thể làm giảm từ 40% ựến thậm chắ trên 80% tuổi thọ khai thác [10].
Hiện tượng hư hỏng do trượt trước ựây ắt ựược quan tâm ở Việt Nam do hầu hết các hư hỏng xảy ra ựối với mặt ựường là do nguyên nhân chất lượng kém về nền, móng. Các hư hỏng về nền, móng thường xảy ra trước khi có cơ hội phát sinh trượt. Khi quản lý chất lượng các lớp nền, móng ựược cải thiện một bước thì những hư hỏng do dắnh bám kém giữa các lớp bê tông asphalt hoặc ứng suất trượt lớn mới lộ rõ. Hơn nữa, Việt Nam hiện vẫn chưa có thiết bị thắ nghiệm ựể xác ựịnh cường ựộ chịu cắt trượt.
Những hư hỏng do trượt có nguy cơ xảy ra nhiều ựối với những công trình mới ựưa vào khai thác do ựộ rỗng dư còn lớn và chất kết dắnh bitum còn chưa hóa già nhiều; ở những vị trắ nút giao cắt, trạm thu phắ, nơi chuyển hướng, khu vực ựường cong bằng bán kắnh nhỏ hay khu vực ựường cong ựứng bán kắnh nhỏ do lực trượt ngang phát sinh lớn. Mức ựộ hư hỏng do trượt thường xảy ra nhiều về mùa nóng khi nhiệt ựộ mặt ựường tăng cao làm cho chất kết dắnh gốc bitum có xu hướng chảy mềm, giảm tắnh quánh dẫn ựến cường ựộ dắnh bám giảm. Khả năng phát sinh phá hoại trượt ựồng thời cũng có nguy cơ xảy ra nhiều với những tuyến ựường có tốc ựộ chạy xe cao, tải trọng nặng, lưu lượng lớn do áp lực ngang phát sinh caọ Bên cạnh ựó, ựộ nhám mặt ựường cao cũng là một nguyên nhân tạo nên lực trượt ngang lớn, dẫn ựến nguy cơ hư hỏng trượt các lớp bê tông asphalt. Các tuyến ựường nâng cấp lớp mặt bằng vật liệu bê tông asphalt lên trên lớp mặt cũ bằng bê tông asphalt hay bê tông xi măng cũng có nguy cơ phát sinh phá hoại trượt do nguyên nhân nứt phản xạ từ lớp dưới lên dẫn ựến làm suy giảm cường ựộ chịu cắt trượt tại mặt liên kết với lớp bê tông asphalt tăng cường phắa trên (Hình 1.8 ựến Hình 1.11).
Hình 1.8: Hư hỏng mặt ựường mềm trên cầu do nguyên nhân mất dắnh bám giữa 2 lớp bê tông asphalt
Hình 1.9: Hư hỏng mặt cầu do nguyên nhân mất dắnh bám giữa 2 lớp bê tông asphalt dẫn ựến trượt ngang và hằn vệt bánh xe
Hình 1.10: Hư hỏng mặt ựường mềm do nguyên nhân mất dắnh bám dẫn ựến trượt ngang, hằn vệt bánh xe và dồn ựống
Hình 1.11: Hư hỏng mặt ựường mềm do nguyên nhân mất dắnh bám dẫn ựến nứt và trượt ngang
Một nguyên nhân cũng có thể dẫn tới hư hỏng do trượt xảy ra ựối lớp phủ mỏng bê tông asphalt khi có ựộ rỗng cao, dẫn ựến thấm nước và ựọng lại tại mặt tiếp xúc với lớp dướị Khi nước ựọng lâu ngày sẽ làm giảm lực dắnh kết giữa hai lớp. Dưới tác dụng trùng phục của tải trọng sẽ dẫn tới trượt.
Hư hỏng mặt ựường bê tông asphalt do nguyên nhân trượt hoặc chất lượng dắnh bám kém ựược tổng kết ựã ảnh hưởng ựến từ 5 ựến trên 40% hệ thống ựường ở các quốc gia [11]. Ở Việt Nam, tuy chưa có số liệu thống kê chắnh xác, nhưng tại những dự án mới ựưa vào khai thác như đại lộ Thăng Long, ựường cao tốc TP. Hồ Chắ Minh Ờ Trung Lương, ựường cao tốc Pháp Vân Ờ Cầu Giẽ; Cầu Thanh Trì, cầu Vĩnh Tuy ựã xuất hiện những hư hỏng ựáng kể có thể do nguyên nhân trượt lớp bê tông asphalt. Các dự án nâng cấp cải tạo lớp mặt bê tông asphalt như Quốc lộ 1 ựoạn Cầu Giẽ - Phủ Lý; Quốc lộ 5 khu vực từ Hải Phòng ựến Hải Dương; mặt cầu Thăng Long v.v. cũng ựã phát sinh tỷ lệ hư hỏng ựáng kể do nguyên nhân có thể từ dắnh bám kém giữa các lớp bê tông asphalt hoặc do ứng suất trượt vượt quá khả năng chịu cắt của mặt ựường.
Nghiên cứu hiện tượng trượt giữa 2 lớp bê tông asphalt và ảnh hưởng của chất lượng dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt ựến khả năng chịu cắt trượt ựã ựược quan tâm nghiên cứu trên thế giới từ những năm 1970 [12, 13]. đặc biệt, trong khoảng 20 mươi năm gần ựây, các trung tâm nghiên cứu về bê tông asphalt và mặt ựường mềm tập trung quan tâm nhiều ựến vấn ựề này nhằm từng bước xây dựng một tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp cho thiết kế, kiểm tra, ựánh giá chất lượng dắnh bám và hạn chế những hư hỏng của mặt ựường mềm có nguyên nhân từ chất lượng dắnh bám [9, 11, 14].
Xuất phát từ thực trạng nêu trên, việc tìm hiểu về các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt ựường bê tông asphalt, lý thuyết tắnh toán, công nghệ thi công, ựiều kiện nhiệt ẩm của Việt Nam, những nguyên nhân có thể dẫn ựến hư hỏng mặt ựường và các phương pháp thắ nghiệm hiện hành xác ựịnh cường ựô chịu cắt trượt tại mặt dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt là cần thiết. Từ ựó, bước ựầu ựề xuất kiến nghị một số giải pháp về thiết kế, thi công và phương pháp thắ nghiệm nhằm từng bước hạn chế những hư hỏng có nguyên nhân từ chất lượng dắnh bám.
Một số dạng hư hỏng mặt ựường mềm mà nguyên nhân có thể là do cắt, trượt gây nên:
Hình 1.12: Hư hỏng mặt ựường mềm do nguyên nhân mất dắnh bám dẫn ựến bong tróc
Hình 1.13: Hư hỏng mặt ựường mềm do nguyên nhân mất dắnh bám dẫn ựến nứt và trượt dọc
Hình 1.14: Trượt trên ựường băng sân bay
Ở những vị trắ phát sinh hư hỏng có nguyên nhân do cắt, trượt, các mẫu khoan hiện trường cũng cho thấy rõ hiện tượng liên kết kém giữa các lớp bê tông asphalt. Các lớp của một lõi khoan thậm chắ dễ dàng tách rời khi chưa có tác dụng của lực.
1.4 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ, THI CÔNG MẶT đƯỜNG MỀM VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH DÍNH BÁM GIỮA HAI LỚP
Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu mặt ựường bê tông asphalt hiện hành ựều giả ựịnh ựiều kiện tiếp xúc giữa các lớp bê tông asphalt là hoàn toàn liên tục dưới tác dụng của tải trọng bánh xe [11, 21, 22]. điều này giả ựịnh rằng lực dắnh bám giữa 2 lớp bê tông asphalt tạo nên cường ựộ chịu cắt tại mặt phân cách có chất lượng ắt nhất tương ựương như cường ựộ chịu cắt của các lớp bê tông asphalt. Cường ựộ chịu cắt tại mặt tiếp xúc giữa 2 lớp bê tông asphalt phụ thuộc chủ yếu vào những yếu tố, gồm: ựộ nhám của các lớp bê tông asphalt (ựặc biệt là bề mặt của lớp dưới); nhiệt ựộ, ựộ ẩm và ựộ sạch bề mặt lớp dưới; chất lượng dắnh bám của chất kết dắnh tưới dắnh bám thông qua loại chất kết dắnh, hàm lượng tưới và thời gian dưỡng hộ; nhiệt ựộ môi trường trong quá
trình khai thác; và tuổi của mặt ựường (mức ựộ hóa già của bitum và mỏi của vật liệu bê tông asphalt)Ầ
Quy trình thi công các lớp kết cấu mặt ựường mềm hiện hành ựược thực hiện theo nguyên tắc phân lớp. Theo ựó, sau khi hoàn chỉnh thi công lớp dưới; tiến hành vệ sinh bề mặt lớp; tưới dắnh bám bằng các loại bitum quánh, bitum lỏng hoặc nhũ tương với hàm lượng từ 0.2 ựến 1.3 lắt/m2; chờ cho bitum ựông ựặc hoặc nhũ tương phân tách với thời gian từ vài giờ ựến 24 giờ rồi mới thi công lớp bê tông asphalt phắa trên [12]. Công nghệ và trình tự thi công này có thể phát sinh những bất lợi cho sự hình thành dắnh bám giữa 2 lớp bê tông asphalt. Thứ nhất, việc ựầm nén chặt lớp phắa dưới làm giảm ựộ nhám bề mặt dẫn ựến giảm ma sát chống trượt giữa 2 lớp. Thứ hai, trong thời gian chờ thi công lớp trên, bụi từ nhiều nguồn khác nhau có thể làm bẩn lớp dắnh bám. đặc biệt, các phương tiện vận chuyển hỗn hợp bê tông asphalt ựổ vào thùng máy rải khó tránh khỏi làm bẩn lớp dắnh bám ựối với các loại chất kết dắnh thông thường và bong tróc do dắnh lốp xe ựối với các loại chất kết dắnh cải thiện polymer. Thứ ba, nhiệt ựộ và ựộ ẩm của lớp bê tông asphalt dưới và lớp dắnh bám thấp (bằng với ựiều kiện môi trường) làm giảm chất lượng liên kết với vật liệu lớp trên.
Hình 1.15: Lớp dắnh bám không ựều hoặc hàm lượng quá ắt
để ựạt ựược cường ựộ chịu cắt cao nhất thì chất lượng dắnh bám giữa các lớp bê tông asphalt phải ựược tối ưụ Nói cách khác những bất lợi về chất lượng dắnh bám nêu trên cần ựược nghiên cứu khắc phục cả ở bước thiết kế lẫn quá trình thi công. độ nhám của lớp dưới cần ựược xem xét, trong trường hợp cần thiết có thể kết hợp công nghệ găm ựá lớp dưới ựể tăng khả năng chống trượt
cho lớp trên. Nhiệt ựộ, ựộ sạch và ựộ ẩm của bề mặt lớp dưới phải ựảm bảo trước khi rải lớp trên.
Hình 1.17: Tổ chức thi công phù hợp ựể tránh ảnh hưởng chất lượng của lớp dắnh bám [10]
Hình 1.18: Tổ chức thi công 2 lớp ựồng thời ựể nâng cao chất lượng liên kết giữa 2 lớp bê tông asphalt
Trong thời gian tới cần thiết nghiên cứu giải pháp tổ chức thi công theo phương án ôtô vận chuyển hỗn hợp dừng hoặc chạy song song bên cạnh máy rải ựể tránh làm bẩn hoặc phá hỏng lớp dắnh bám. Thậm chắ, cần nghiên cứu giải pháp công nghệ thi công hai lớp bê tông asphalt ựồng thờị Chất lượng lớp dắnh bám phải ựược xác ựịnh tương thắch với ứng suất cắt bất lợi nhất hình thành trong quá trình khai thác. Theo ựó, cần có thắ nghiệm ựảm bảo cường ựộ dắnh bám phải ắt nhất bằng với cường ựộ chịu cắt của vật liệu bê tông asphalt trước khi hồ sơ thiết kế kết cấu áo ựường và quy trình thi công ựược áp dụng ngoài hiện trường dự án.
1.5KẾT LUẬN
Trên cơ sở những nội dung ựã phân tắch ở Chương này, có thể rút ra một số kết luận sau:
Mặt ựường mềm là loại ựược sử dụng phổ biến cho các công trình giao thông cấp cao hiện nay do ựạt ựược những ưu ựiểm nhất ựịnh về chất lượng và thi công.
Cường ựộ chịu cắt của bê tông asphalt và cường ựộ dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt ựường mềm có thể là một yêu cầu kỹ thuật quan trọng khi kiểm tra, ựánh giá chất lượng.
Các giải pháp công nghệ ựể nâng cao cường ựộ chịu cắt của bê tông asphalt và cường ựộ dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt là cần thiết ựể nâng cao chất lượng và tuổi thọ của mặt ựường mềm.
Chương 2:
NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC đỊNH CƯỜNG đỘ DÍNH BÁM GIỮA CÁC LỚP
2.1 TỔNG QUAN
Như ựã phân tắch ở Chương 1, các tiêu chuẩn hiện hành chưa xét ựến cường ựộ dắnh bám giữa các lớp bê tông asphalt [6, 15, 16]. Tuy nhiên, những hư hỏng mặt ựường mềm ựặt vấn ựề cần xác ựịnh chất lượng lớp dắnh bám ựể so sánh với yêu cầu chống trượt, từ ựó có giải pháp khắc phục, cải thiện.
Từ những năm 1970 ựến nay, nhiều phương pháp và thiết bị thắ nghiệm ựã ựược phát triển và áp dụng ựể xác ựịnh cường ựộ dắnh bám giữa hai lớp bê tông asphalt. Nguyên lý chung của các phương pháp dựa trên cơ chế cắt trực tiếp, cơ chế nhổ và cơ chế xoắn (Hình 2.1). Các phương pháp này có thể ựược chia thành 2 nhóm chắnh, gồm nhóm thực nghiệm hiện trường và nhóm thực nghiệm trong phòng.
a) Thắ nghiệm cắt trực tiếp
b) Thắ nghiệm nhổ c) Thắ nghiệm xoắn
Hình 2.1: Các mô hình thắ nghiệm xác ựịnh cường ựộ dắnh bám [18]
2.2 NHÓM CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG
Nhóm phương pháp thắ nghiệm trong phòng có thể kể ựến gồm thắ nghiệm cắt Leutner (Leutner test), thắ nghiệm cắt Superpave (Superpave shear test -
SST),thắ nghiệm cắt NCAT (NCAT shear test), và một số phương pháp khác. Các phương pháp thắ nghiệm này tiến hành kiểm tra ựối với các mẫu khoan từ hiện trường hoặc mẫu chế bị trong phòng thắ nghiệm. Thông qua lực lớn nhất làm thân mẫu hoặc bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp bê tông asphalt bị cắt phẳng trực tiếp ựể xác ựịnh cường ựộ chịu cắt và cường ựộ dắnh bám.
2.2.1 Thắ nghiệm cắt Leutner
Thắ nghiệm cắt Leutner (Leutner test) ựược phát triển ở đức vào cuối những năm 1970. đây là một thiết bị ựơn giản ựể thắ nghiệm cắt trực tiếp nhằm xác ựịnh lực dắnh giữa hai lớp bê tông asphalt. Thắ nghiệm ựược thực hiện với mẫu thử hình trụ ựường kắnh 150 mm ựược tạo thành từ ắt nhất 2 lớp bê tông asphalt. Mẫu thử có thể ựược khoan từ hiện trường hoặc ựược chế bị trong phòng thắ nghiệm. Cơ chế của phương pháp này là tác dụng một lực cắt tập trung không ựổi ựể tạo ra một tốc ựộ chuyển bị cắt không ựổi tại mặt tiếp xúc giữa hai lớp bê tông asphalt. Tốc ựộ chuyển bị cắt không ựổi theo tiêu chuẩn là 50 mm/phút. Vì vậy, thiết bị thắ nghiệm Marshall hoặc thiết bị thắ nghiệm CBR có thể ựược sử dụng cho thắ nghiệm Leutner. So với thắ nghiệm SST thì thiết bị thắ nghiệm Leutner ựơn giản hơn .
Nhiệt ựộ tiêu chuẩn của thắ nghiệm này là ở 20OC. Nếu bộ thắ nghiệm cắt ựược ựặt trong buồng khắ hậu thì thắ nghiệm cắt có thể ựược thực hiện ở các nhiệt ựộ mong muốn. Trong trường hợp này, các mẫu thử cần ựược dưỡng hộ trong buồng khắ hậu 8 giờ trước khi tiến hành cắt.
Trên cơ sở nguyên lý của thiết bị thắ nghiệm Leutner, bộ thiết bị Leutner ựược hiệu chỉnh thành thiết bị cắt trực tiếp lớp song song (cắt phẳng trực tiếp) LPDS. Nhờ ựó, thiết bị LPDS ựược gá lắp dễ dàng vào thiết bị thắ nghiệm Marshall ựể thắ nghiệm (Hình 2.3) [17]. Bộ thiết bị LPDS ựã trở thành thiết bị thắ nghiệm tiêu chuẩn của Thụy Sĩ.
Hình 2.3: Sơ ựồ và nguyên lý của thiết bị LPDS [17]
Khi mẫu thử bị phá hoại do cắt, giá trị lực cắt Pmax (N) ựược nghi lạị Sau ựó, cường ựộ cắt SB (MPa) ựược tắnh toán theo công thức (2-1):
2 4 D P SB Max π = (2-1)
2.2.2 Thắ nghiệm cắt Superpave
Thiết bị thắ nghiệm Superpave (Superpave Shear Tester - SST) ựược phát triển bởi Chương trình nghiên cứu ựường cao tốc chiến lược (SHRP). Thắ nghiệm này ựược sử dụng ựể ựánh giá các tắnh chất liên quan ựến biến dạng lâu dài, trong ựó có tắnh chất chịu cắt, trượt của bê tông asphalt. Các tắnh chất thu ựược là cơ sở ựể thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt theo phương pháp Superpavẹ
Thắ nghiệm SST thường thực hiện với các mẫu thử hình trụ có kắch thước từ