MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, vật liệu bêtông nhựa đã và đang được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng đường ô tô. Ở thành phố Hồ Chí Minh, các dự án xây dựng đường đa số sử dụng bêtông nhựa làm lớp mặt đường. Việc xây dựng cũng như sửa chữa đường bêtông nhựa hiện nay mất rất nhiều kinh phí và công sức, bởi vậy để tạo được những tuyến đường có chất lượng cao, ổn định trong quá trình khai thác và tăng tuổi thọ cho con đường cùng với việc đầu tư vốn hiệu quả là điều quan tâm của các nhà xây dựng đường, chủ đầu tư và các cơ quan quản lý nhà nước trong ngành cầu đường nước ta cũng như thành phố Hồ Chí Minh.
Tuy nhiên, hiện nay còn một số tồn tại cần được nghiên cứu giải quyết cho mặt đường bêtông nhựa là rất nhiều tuyến đường bêtông nhựa ở nước ta nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng sau thời gian ngắn đưa vào sử dụng đã xuất hiện các hiện tượng hư hỏng như: Rạn nứt mặt đường; Biến dạng mặt đường như dồn ụ, gợn sóng, hằn lún vệt bánh xe… Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hư hỏng mặt đường bêtông nhựa, từ các nguyên nhân chủ quan như khảo sát thiết kế chưa đầy đủ, thi công chưa đảm bảo chất lượng, vật liệu không đúng quy cách và chất lượng vật liệu kém, duy tu bảo dưỡng không kịp thời, không đảm bảo kỹ thuật, sử dụng đường không đúng quy định,. đến các nguyên nhân khách quan như thiên tai, thời tiết mà trong đó nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng rất quan trọng. Như ta biết bêtông nhựa là vật liệu đàn hồi nhớt – dẻo, tính chất cơ lý của nó tùy thuộc rất nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ. Ở nhiệt độ bình thường thì bê tông nhựa thể hiện tính đàn hồi dẻo; ở nhiệt độ cao, bê tông nhựa thể hiện tính chảy dẻo, khả năng chống biến dạng giảm, gây nên hiện tượng biến dạng dồn ụ, gợn sóng, hằn lún vệt bánh xe; ở nhiệt độ thấp bêtông nhựa giòn hơn dễ bị nứt nẻ.
2 Các thông số thiết kế của vật liệu bêtông nhựa trong các tiêu chuẩn hiện hành vẫn có những điểm chưa thống nhất. Riêng ở thành phố Hồ Chí Minh biến thiên nhiệt độ trong năm hoàn toàn khác với các địa phương khác trong nước nhưng khi tính toán kết cấu áo đường mềm theo tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 274-01 và 22TCN 211-06 thì nhiệt độ tính toán quy định giống nhau cho cả nước, không xét đến đặc thù từng địa phương; Mặt khác, yếu tố nhiệt độ môi trường vẫn chưa được chú ý, đánh giá kỹ càng trong công tác thiết kế cũng như khai thác đường, cộng với đó là sự gia tăng của tải trọng xe gây ra các hư hỏng dẫn đến tuổi thọ đường bị suy giảm đáng kể so với thiết kế ban đầu. Vì vậy việc nghiên cứu xác định nhiệt độ tính toán cho thành phố Hồ Chí Minh là cần thiết. Nước ta có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, ở thành phố Hồ Chí Minh quanh năm có cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ không khí trung bình khá cao, nhiệt độ mặt đường bêtông nhựa có thể lên đến 70oC, nắng nóng kéo dài có thể làm cho mặt đường bêtông nhựa biến dạng và nhanh lão hóa, mưa gió đột ngột có thể làm cho ngập nước gây phá hoại mặt đường.
Mặt khác, hiện nay quá trình biến đổi khí hậu trên thế giới đã và đang gây ra rất nhiều sự thay đổi, trong đó Việt Nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, nhiệt độ thay đổi nhiều so với trước đây. Nhiệt độ và bức xạ mặt trời trong ngày dao động với biên độ lớn có tính chất tuần hoàn với chu kỳ ngày đêm và theo thời kỳ trong năm cũng là những nhân tố quan trọng gây ra ảnh hưởng bất lợi đến mặt đường bêtông nhựa, các tác động của tải trọng xe cùng với ảnh hưởng của thời tiết dẫn đến xuất hiện những hư hỏng, phải sửa chữa gây nhiều tốn kém, chất lượng đường không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Khả năng làm việc của mặt đường bêtông nhựa phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ là một vấn đề khó khăn, phức tạp mà từ lâu các nhà nghiên cứu, thiết kế và xây dựng đường ô tô ở trong và ngoài nước đã đặt nhiệm vụ và tiến hành nghiên cứu theo nhiều hướng để khắc phục được tối đa nhược điểm này 3 của bêtông nhựa. Đối với Việt Nam nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng, việc này càng có ý nghĩa và thật sự cần thiết.
Đây là bài toán kinh tế kỹ thuật quan trọng nếu được giải quyết sẽ mang lại hiệu quả kinh tế to lớn trong ngành xây dựng đường ô tô ở nước ta và thành phố Hồ Chí Minh. Như vậy, việc nghiên cứu tác động của yếu tố nhiệt độ môi trường đến các trạng thái nhiệt của mặt đường bêtông nhựa là điều cần thiết. Từ đó đề ra các biện pháp khắc phục, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực của yếu tố nhiệt độ không khí đến mặt đường mềm khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Xuất phát từ thực tế trên, em nghiên cứu thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ không khí đến tuổi thọ kết cấu mặt đƣờng mềm khu vực thành phố Hồ Chí Minh và giải pháp khắc phục”.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu tác động của yếu tố nhiệt độ không khí đến các trạng thái nhiệt của mặt đường bêtông nhựa. Từ đó đề ra các biện pháp khắc phục, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực của yếu tố nhiệt độ không khí đến mặt đường mềm khu vực thành phố Hồ Chí Minh. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu về biến thiên nhiệt độ không khí của khu vực thành phố Hồ Chí Minh. - Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng biến thiên nhiệt độ không khí đến nhiệt độ trong các lớp mặt đường bêtông nhựa trên một tuyến đường cụ thể của thành phố Hồ Chí Minh là đường Lê Văn Việt, Quận 9.
- Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến tuổi thọ của mặt đường bêtông nhựa. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu biến thiên nhiệt độ không khí ở thành phố Hồ Chí Minh; - Đánh giá ảnh hưởng biến thiên nhiệt độ không khí đến nhiệt độ lớp mặt đường bêtông nhựa trên tuyến đường nghiên cứu; 4 - Đề xuất phương trình quan hệ giữa nhiệt độ của đường bêtông nhựa với nhiệt độ không khí và chiều sâu; đề xuất nhiệt độ tính toán phù hợp cho kết cấu áo đường bêtông nhựa khu vực thành phố Hồ Chí Minh; - Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến tuổi thọ của mặt đường bêtông nhựa. - Tham khảo các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học qua đó đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao tính ổn định nhiệt của bêtông nhựa làm việc trong điều kiện khí hậu của thành phố Hồ Chí Minh. Phƣơng pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp thực nghiệm kết hợp thống kê toán học để xử lý số liệu; - Phương pháp thống kê: Khảo sát, thu thập số liệu về điều kiện khí hậu, thời tiết, nhiệt độ không khí ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh và một số địa phương khác, tình hình biến đổi khí hậu trên thế giới và Việt Nam; - Kết hợp nghiên cứu các lý thuyết và kinh nghiệm ở trong nước và trên thế giới sự ảnh hưởng của điều kiện khí hậu đến tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa; - Phương pháp thực nghiệm: phân tích, đánh giá sự làm việc của mặt đường bêtông nhựa dưới các điều kiện nhiệt độ khác nhau thông qua các số liệu đo đạc thực nghiệm và so sánh với quy định của tiêu chuẩn hiện hành.
- Phân tích, luận chứng, đưa ra các đề xuất tính toán mặt đường bêtông nhựa phù hợp với điều kiện khai thác tại thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Góp phần củng cố thêm cho những nghiên cứu trước đó của nhiều tác giả trong nước và đồng thời làm sáng tỏ thêm những hạn chế trong các quy trình thiết kế áo đường mềm hiện hành của nước ta. 5 Đây là hướng nghiên cứu rất cần thiết và có nhiều triển vọng mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong việc sử dụng bêtông nhựa làm kết cấu áo đường ở thành phố Hồ Chí Minh. 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẶT ĐƢỜNG BÊTÔNG NHỰA VÀ ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA 1.1 Tổng quan về bêtông nhựa (bêtông asphalt) 1.1 Khái niệm [10] Bêtông asphalt là vật liệu khoáng-bitum xây dựng đường, nhận được khi làm đặc hỗn hợp bêtông asphalt.
Hỗn hợp bêtông asphalt bao gồm đá dăm (hoặc sỏi), cát, bột khoáng, bitum dầu mỏ, phụ gia. Hỗn hợp được thiết kế hợp lý và gia nhiệt từ 120oC- 160oC. Hỗn hợp bêtông asphalt bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng và bitum được lựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn và gia công thành một hỗn hợp đồng nhất, cốt liệu lớn làm tăng khối lượng hỗn hợp, làm giảm giá thành của bêtông asphalt và tăng cường độ và độ ổn định, cốt liệu nhỏ khi trộn với bitum tạo thành vữa asphalt làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, ảnh hưởng đến khả năng làm việc và phạm vi ứng dụng của bêtông asphalt. Bột khoáng làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ làm hỗn hợp đặc hơn và tăng tỷ lệ bề mặt của các cốt liệu, nó kết hợp với bitum tạo nên chất kết dính mới bao bọc và bôi trơn bề mặt cốt liệu.
Chất lượng của bêtông asphalt phụ thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ quánh/ nhớt của bitum. Bêtông asphalt là tốt nhất so với các hỗn hợp vật liệu khoáng-bitum khác ở chỗ nó có độ đặc, cường độ, độ ổn định và độ bền cao do sự tham gia của bột khoáng trong thành phần. Bêtông asphalt được sử dụng làm lớp phủ mặt đường có lượng giao thông cao như đường cao tốc, đường thành phố và sân bay, ngoài ra còn có thể sử dụng làm vỉa hè, khu vui chơi giải trí, công trình thể thao và các công trình thủy lợi. Bêtông asphalt chủ yếu có màu đen nhưng trong điều kiện yêu cầu cũng có thể chế tạo bêtông asphalt có màu khác.2 Các tính chất cơ lý của bêtông nhựa Các tính chất của hỗn hợp BTN và BTN đã đầm nén làm mặt đường bao gồm tính chất liên quan đến đặc tính thể tích và tính chất cơ học.