Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh kinh tế Việt Nam phát triển nhanh chóng và hội nhập quốc tế sâu rộng, nhu cầu vận tải hàng hóa và hành khách qua hệ thống đường bộ ngày càng tăng cao. Các tuyến đường chính như quốc lộ, tỉnh lộ, đường cao tốc và các tuyến đường ra vào cảng, khu công nghiệp chịu tải trọng lớn từ xe tải nặng và xe đầu kéo, dẫn đến tình trạng hư hỏng mặt đường nghiêm trọng, đặc biệt là hiện tượng hằn lún vệt bánh xe. Đây là vấn đề cấp bách cần được nghiên cứu và tìm giải pháp khắc phục nhằm đảm bảo an toàn giao thông và nâng cao tuổi thọ công trình.

Mặt đường bán mềm (semi-flexible pavement) là một giải pháp vật liệu tiên tiến đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước phát triển, nhưng còn khá mới mẻ tại Việt Nam. Loại mặt đường này kết hợp giữa bê tông nhựa rỗng có độ rỗng dư cao (20-30%) và vữa xi măng tự chèn, tạo nên kết cấu có khả năng chịu tải trọng nặng, ổn định nhiệt và chống biến dạng tốt. Nghiên cứu này tập trung đánh giá chất lượng mặt đường bán mềm sử dụng vữa tự chèn kết hợp bê tông nhựa có độ rỗng dư cao, với mục tiêu thiết kế cấp phối vữa xi măng tự chèn phù hợp, xác định các đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp bê tông nhựa vữa xi măng và đánh giá ảnh hưởng của số lần đầm nén đến khả năng thâm nhập vữa vào khung bê tông nhựa rỗng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào điều kiện khí hậu và vật liệu tại Việt Nam, thực hiện các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM trong năm 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển giải pháp mặt đường bền vững, phù hợp với điều kiện kinh tế và hạ tầng giao thông Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và giảm chi phí bảo trì sửa chữa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về kết cấu mặt đường bán mềm, bao gồm:

  • Lý thuyết kết cấu mặt đường mềm và cứng: Phân loại mặt đường thành mặt đường mềm (bê tông nhựa), mặt đường cứng (bê tông xi măng) và mặt đường bán mềm (semi-flexible pavement) – sự kết hợp giữa bê tông nhựa rỗng và vữa xi măng tự chèn. Mặt đường bán mềm có khả năng chịu tải trọng nặng và ổn định nhiệt tốt hơn mặt đường mềm truyền thống.

  • Mô hình vật liệu hỗn hợp bê tông nhựa vữa xi măng: Bộ khung bê tông nhựa rỗng với độ rỗng dư 20-30% tạo thành hệ thống khung chịu lực, phần rỗng được lấp đầy bởi vữa xi măng có độ chảy cao, giúp tăng cường độ và khả năng chống biến dạng. Mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng ứng suất và biến dạng trong vật liệu, đặc biệt phân tích ảnh hưởng của biến dạng co ngót vữa xi măng đến ứng suất nội tại.

  • Các khái niệm chính:

    • Độ rỗng dư (Va): Tỷ lệ phần trăm thể tích rỗng còn lại trong bê tông nhựa rỗng.
    • Độ ổn định Marshall: Chỉ tiêu đánh giá khả năng chịu lực nén của hỗn hợp bê tông nhựa.
    • Cường độ chịu kéo gián tiếp: Đánh giá khả năng chịu ứng suất kéo của vật liệu.
    • Mô đun đàn hồi tĩnh và mô đun phức động: Thể hiện tính đàn hồi và khả năng chịu biến dạng của vật liệu dưới tải trọng tĩnh và động.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng cốt liệu đá dăm từ Công ty TNHH Thương Mại Dịch Vụ Thi Công Xây Dựng Cầu Đường Hồng An, xi măng PCB40 của Vicem Hà Tiên, nhựa đường Shell 60/70 kết hợp phụ gia TAFPACK-Super (TPS) và các loại phụ gia Styrene Butadiene (Sika Latex, Sika TH Latex).

  • Thiết kế cấp phối: Thiết kế khung bê tông nhựa rỗng theo phương pháp Marshall với hàm lượng nhựa 5.2%, số chày đầm nén 35 chày mỗi mặt để đạt độ rỗng dư tối ưu. Thiết kế vữa xi măng tự chèn với tỷ lệ nước-xi măng và phụ gia phù hợp để đảm bảo độ chảy và cường độ theo tiêu chuẩn ASTM C940 và TCVN.

  • Chế tạo mẫu: Mẫu bê tông nhựa rỗng được đầm nén, bảo dưỡng 4 giờ trước khi rót vữa xi măng tự chèn vào khung, sau đó bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng 7 ngày.

  • Phương pháp phân tích: Thực hiện các thí nghiệm đánh giá độ ổn định Marshall, cường độ chịu kéo gián tiếp, mô đun đàn hồi tĩnh và mô đun phức động theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế (TCVN 8860, ASTM, EN). Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất nội tại do biến dạng co ngót vữa.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2019, bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo mẫu, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng số lần đầm nén đến độ rỗng dư và khả năng thâm nhập vữa: Số chày đầm 35 chày mỗi mặt được xác định là tối ưu, đạt độ rỗng dư khoảng 25%, đảm bảo khả năng thâm nhập vữa xi măng vào khung bê tông nhựa rỗng hiệu quả hơn so với 25 hoặc 50 chày. Việc đầm 25 chày gây khó khăn trong chế tạo mẫu và độ ổn định thấp, trong khi 50 chày làm giảm độ rỗng dư, hạn chế sự thâm nhập vữa.

  2. Đặc tính kỹ thuật của các loại vữa xi măng tự chèn: Hai loại vữa sử dụng phụ gia Styrene Butadiene (Sika Latex và Sika TH Latex) đạt độ chảy trong khoảng 10-18 giây, cường độ chịu nén sau 7 ngày lần lượt là 15.3 MPa và 12.5 MPa, cao hơn so với vữa thương phẩm Vinkems Asphalsol. Cường độ chịu uốn của vữa Sika Latex đạt 9.4 MPa, vượt trội so với các loại vữa khác.

  3. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi: Mô đun đàn hồi tĩnh của mẫu bê tông nhựa vữa xi măng sử dụng vữa Sika Latex đạt 1104 MPa ở 15℃, cao hơn so với vữa Sika TH Latex (830 MPa) và vữa thương phẩm Vinkems Asphalsol. Mô đun đàn hồi giảm khi nhiệt độ tăng lên 60℃ nhưng vẫn duy trì giá trị cao, cho thấy khả năng chịu nhiệt tốt.

  4. Cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ): Mẫu bê tông nhựa vữa xi măng có cường độ chịu kéo gián tiếp cao hơn 20-30% so với bê tông nhựa truyền thống, giúp tăng khả năng chống nứt do ứng suất kéo phát sinh trong quá trình khai thác.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn số lần đầm nén hợp lý là yếu tố quan trọng để tạo ra khung bê tông nhựa rỗng có độ rỗng dư phù hợp, giúp vữa xi măng tự chèn thâm nhập hiệu quả, tạo nên kết cấu mặt đường bán mềm đồng nhất và bền vững. Đặc tính kỹ thuật của vữa xi măng tự chèn sử dụng phụ gia Styrene Butadiene vượt trội hơn so với vữa thương phẩm, đặc biệt về độ chảy và cường độ chịu uốn, góp phần giảm thiểu hiện tượng co ngót và nứt mặt đường.

So sánh với các nghiên cứu trước đây và ứng dụng thực tế tại Việt Nam, kết quả mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo gián tiếp của hỗn hợp bê tông nhựa vữa xi măng trong nghiên cứu này đều cao hơn, chứng tỏ tính khả thi và hiệu quả của cấp phối thiết kế. Các biểu đồ mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo gián tiếp minh họa rõ sự khác biệt giữa các loại vữa, giúp trực quan hóa hiệu quả cải tiến vật liệu.

Ngoài ra, mô hình phần tử hữu hạn phân tích ứng suất nội tại do biến dạng co ngót vữa xi măng cho thấy biến dạng co là nguyên nhân chính gây ra nứt trong mặt đường bán mềm, từ đó nhấn mạnh vai trò của phụ gia giảm co ngót trong thiết kế vữa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng số lần đầm nén 35 chày mỗi mặt trong thi công bê tông nhựa rỗng nhằm đảm bảo độ rỗng dư khoảng 25%, tạo điều kiện thuận lợi cho vữa xi măng tự chèn thâm nhập và liên kết tốt với khung bê tông nhựa. Thời gian thực hiện: ngay trong các dự án thi công mặt đường bán mềm; Chủ thể: nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  2. Sử dụng vữa xi măng tự chèn có phụ gia Styrene Butadiene (Sika Latex hoặc Sika TH Latex) để tăng cường độ chịu uốn, giảm co ngót và nâng cao độ bền mặt đường. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế vật liệu; Chủ thể: các phòng thí nghiệm và nhà sản xuất vật liệu.

  3. Xây dựng quy trình thi công và bảo dưỡng mặt đường bán mềm bao gồm kiểm soát độ chảy của vữa, kỹ thuật rót vữa và bảo dưỡng giữ ẩm nhằm hạn chế nứt do mất nước nhanh. Thời gian: trong quá trình thi công và bảo dưỡng ban đầu; Chủ thể: nhà thầu thi công và quản lý dự án.

  4. Triển khai thí điểm và đánh giá hiệu quả mặt đường bán mềm trên các tuyến đường chịu tải trọng nặng như cảng, trạm thu phí, sân bay để thu thập dữ liệu thực tế, từ đó hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thi công phù hợp với điều kiện Việt Nam. Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: cơ quan quản lý giao thông, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng công trình giao thông: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về vật liệu mặt đường bán mềm, giúp phát triển các đề tài liên quan đến vật liệu bê tông nhựa và vữa xi măng.

  2. Các kỹ sư thiết kế và tư vấn giao thông: Tham khảo để lựa chọn vật liệu và thiết kế cấp phối phù hợp cho các dự án mặt đường chịu tải trọng nặng, nâng cao hiệu quả và tuổi thọ công trình.

  3. Nhà thầu thi công và quản lý dự án xây dựng đường bộ: Áp dụng các giải pháp thi công và bảo dưỡng mặt đường bán mềm, kiểm soát chất lượng vật liệu và quy trình thi công nhằm giảm thiểu hư hỏng và chi phí bảo trì.

  4. Cơ quan quản lý giao thông và các đơn vị bảo trì đường bộ: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, chính sách đầu tư và kế hoạch bảo trì phù hợp với điều kiện thực tế, nâng cao an toàn giao thông và hiệu quả khai thác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mặt đường bán mềm khác gì so với mặt đường bê tông nhựa truyền thống?
    Mặt đường bán mềm kết hợp khung bê tông nhựa rỗng và vữa xi măng tự chèn, tạo nên kết cấu có độ bền cao, khả năng chịu tải nặng và ổn định nhiệt tốt hơn bê tông nhựa truyền thống, đồng thời giảm hiện tượng hằn lún vệt bánh xe.

  2. Tại sao cần sử dụng vữa xi măng tự chèn có phụ gia Styrene Butadiene?
    Phụ gia Styrene Butadiene giúp tăng độ chảy của vữa, giảm co ngót và tăng cường độ chịu uốn, từ đó hạn chế nứt mặt đường và nâng cao tuổi thọ công trình.

  3. Số lần đầm nén ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng mặt đường bán mềm?
    Số lần đầm nén ảnh hưởng đến độ rỗng dư của khung bê tông nhựa rỗng, từ đó quyết định khả năng thâm nhập và liên kết của vữa xi măng. Đầm 35 chày mỗi mặt được xác định là tối ưu để đạt độ rỗng dư khoảng 25%.

  4. Mặt đường bán mềm có thể ứng dụng ở đâu trong thực tế?
    Mặt đường bán mềm phù hợp cho các tuyến đường chịu tải trọng nặng như quốc lộ, đường cao tốc, bến cảng, sân bay, trạm thu phí và các khu vực có tĩnh tải lớn.

  5. Thời gian thi công mặt đường bán mềm so với bê tông xi măng truyền thống như thế nào?
    Mặt đường bán mềm có thời gian thi công nhanh hơn nhiều, thường chỉ mất vài ngày để hoàn thiện và đưa vào khai thác, trong khi bê tông xi măng truyền thống cần thời gian bảo dưỡng kéo dài đến 28 ngày.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công cấp phối vữa xi măng tự chèn sử dụng phụ gia Styrene Butadiene phù hợp với điều kiện Việt Nam, đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật về độ chảy, cường độ chịu nén và uốn.
  • Số lần đầm nén 35 chày mỗi mặt được xác định là tối ưu để tạo khung bê tông nhựa rỗng có độ rỗng dư khoảng 25%, đảm bảo khả năng thâm nhập vữa hiệu quả.
  • Hỗn hợp bê tông nhựa vữa xi măng đạt mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo gián tiếp cao hơn so với bê tông nhựa truyền thống, phù hợp cho các tuyến đường chịu tải trọng nặng.
  • Biến dạng co ngót của vữa xi măng là nguyên nhân chính gây nứt trong mặt đường bán mềm, do đó việc sử dụng phụ gia giảm co ngót là cần thiết.
  • Đề xuất áp dụng mặt đường bán mềm trong các dự án đường bộ tại Việt Nam nhằm nâng cao tuổi thọ công trình, giảm chi phí bảo trì và đảm bảo an toàn giao thông.

Next steps: Triển khai thí điểm ứng dụng mặt đường bán mềm trên các tuyến đường trọng điểm, hoàn thiện quy trình thi công và bảo dưỡng, đồng thời phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.

Call to action: Các nhà nghiên cứu, kỹ sư thiết kế và nhà thầu thi công được khuyến khích áp dụng và tiếp tục nghiên cứu phát triển công nghệ mặt đường bán mềm để nâng cao chất lượng hạ tầng giao thông Việt Nam.