CHƯƠNG 1: CÁC BIỆN PHÁP TĂNG SỨC CHỐNG CẮT CHO CÁC LỚP MẶT ĐƯỜNG BTN 1. Tổng quan về nhựa đường và bê tông nhựa thông thường 1. Bê tông nhựa BTN là hỗn hợp cấp phối gồm: đá, cát, bột khoáng và nhựa đường được trộn với nhau theo một tỉ lệ nhất định. BTN được sử dụng chủ yếu làm kết cấu mặt đường mềm; Có rất nhiều cách phân loại bê tông nhựa như: Phân loại theo nhiệt độ; Phân loại theo cốt liệu; Phân loại theo kết cấu sử dụng… Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8819:2011 [1]; TCVN 8820:2011 [2], có thể phân loại bê tông nhựa như sau: - Phân loại theo cỡ hạt danh định lớn nhất của cốt liệu: Theo cách phân loại này, BTN thường được phân thành các loại có cỡ hạt danh định lớn nhất là: 37,5 mm; 25,0 mm; 19,0 mm; 12,5 mm; 9,5 mm và 4,75 mm (tương ứng với việc phân loại theo cỡ hạt lớn nhất là 50 mm; 37,5 mm; 25,0 mm; 19,0 mm; 12,5 mm và 9,5 mm); - Phân loại theo đặc tính của cấp phối hỗn hợp cốt liệu: Theo đặc tính của cấp phối cốt liệu, BTN thường được phân thành các loại: Bê tông nhựa có cấp phối chặt (dense graded mix); Bê tông nhựa có cấp phối gián đoạn (gap graded mix); Bê tông nhựa có cấp phối hở (open graded mix).
- Phân loại theo độ rỗng dư: Theo độ rỗng dư, BTN thường được phân thành các loại: Bê tông nhựa chặt (viết tắt là BTNC): có độ rỗng dư từ 3% đến 6% , dùng làm lớp mặt trên và lớp mặt dưới. Trong thành phần hỗn hợp bắt buộc phải có bột khoáng; 5 Bê tông nhựa rỗng (viết tắt là BTNR): có độ rỗng dư từ 7% đến 12% và chỉ dùng làm lớp móng. - Phân loại theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường: Theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường , BTN thường được phân thành các loại: Bê tông nhựa có độ nhám cao, tăng khả năng kháng trượt: sử dụng cho đường ô tô cấp cao, đường cao tốc, các đoạn đường nguy hiểm. Lớp bê tông nhựa này được phủ trên mặt bê tông nhựa, ngay sau khi thi công các lớp Bê tông nhựa phía dưới hoặc được phủ sau này, khi nâng cấp mặt đường.
Bê tông nhựa dùng làm lớp mặt (surface course mixture), bao gồm: Bê tông nhựa dùng làm lớp mặt trên (wearing course mixture): thường sử dụng BTN chặt. Bê tông nhựa dùng làm lớp mặt dưới (binder course mixture): thường sử dụng bê tông nhựa chặt. Bê tông nhựa dùng làm lớp móng (base course mixture): loại BTN chặt và BTN rỗng đều có thể sử dụng làm lớp móng. BTN rỗng có giá thành thấp hơn do không cần sử dụng bột khoáng và hàm lượng nhựa thấp hơn so với BTN chặt.
BTN cát (sand-asphalt mixture): sử dụng làm lớp mặt tại khu vực có tải trọng xe không lớn, vỉa hè, làn dành cho xe đạp, xe thô sơ. Có thể sử dụng để làm 1 lớp bù vênh mỏng trước khi rải lớp BTN lên trên. Cốt liệu sử dụng cho BTN cát là cát nghiền, cát tự nhiên hoặc hỗn hợp của hai loại cát này. Tính chất cơ bản của nhựa đường Nhựa đường là một chất lỏng hay chất bán rắn có độ nhớt cao và có màu đen, nó có mặt trong phần lớn các loại dầu thô và trong một số trầm tích tự nhiên.
Thành phần chủ yếu của nhựa đường là chất nhựa. Nhựa đường là sản phẩm của công nghiệp lọc, hóa dầu và hiện nay thường được chia thành 2 loại chính là nhựa đường lỏng và nhựa đường đặc. Mỗi loại lại có đặc tính, cách sử dụng và ứng dụng khác nhau. Trong phạm vi của đề tài này chỉ đề cập đến nhựa đường đặc: 6 - Nhựa đường đặc là sản phẩm thu được từ công nghệ lọc dầu mỏ; bao gồm các hợp chất hydrocacbua cao phân tử như : CnH2n+2,CnH2n, hydrocacbua thơm mạch vòng (CnH2n-6)và một số dị vòng có chứa oxy, nitơ và lưu huỳnh; - Ở trạng thái tự nhiên, nhựa đường đặc có dạng đặc quánh, màu đen; - Nhựa đường đặc không thấm nước nhưng có thể hòa tan được trong benzen (C6H6), cloruafooc(CHCl3), disulfua cacbon (CS2) và một số dung môi hữu cơ khác; - Tùy theo điều kiện chế tạo, nhựa đường đặc được chia thành các loại mác nhựa có cấp độ kim lún khác nhau như: 40/60; 60/70; 70/100;100/150; 150/250.
- Nhựa đường đặc khi được đun nóng tới nhiệt độ thích hợp (163oC) và được phối trộn cùng các vật liệu đá, cát, sỏi theo tỷ lệ thích hợp thì sẽ tạo thành bê tông nhựa; - Nhựa đường đặc khi được phối trộn theo tỷ lệ thích hợp với dầu hỏa, diezel sẽ tạo thành nhựa đường lỏng và khi phối trộn với các chất tạo nhũ và nước sẽ tạo thành nhũ tương nhựa đường; - Ứng dụng chính của nhựa đường đặc là để sản xuất bê tông nhựa, nhựa đường lỏng và nhũ tương nhựa đường phục vụ thi công đường bộ và các công trình giao thông; - Ngoài ra nhựa đường đặc còn có thể sử dụng làm vật liệu xử lý bề mặt, chống thấm hoặc gắn kết các ván ốp trongcông nghiệp xây dựng. Vai trò của nhựa đường trong BTN Do nhựa đường tạo nên đặc tính đàn hồi - dẻo của vật liệu nên nó đóng vai trò chủ đạo trong việc xác định các đặc tính làm việc của lớp kết cấu áo đường [12]. Quan trọng nhất là tính chất chống biến dạng dư và chống nứt. Nói chung, mức độ biến dạng của vật liệu chứa nhựa đường thường được coi là do sự chảy dẻo (không khôi phục) tăng lên cùng với thời gian đặt tải và nhiệt độ.
Ảnh hưởng của nó được chứng minh trong Hình 1. 7 Ứng suất Ứng suất Đặt tải Dở tải Thời gian Thời gian Biến Biến dạng dạng Đàn hồi Đàn hồi dẻo Đàn hồi Đàn hồi Thời gian Dài hạn Thời gian Dài hạn Hình 1. Đặc tính đàn hồi-dẻo của Hình 1. Đặc tính đàn hồi-dẻo của bê bê tông nhựa khi chịu tải trọng tĩnh.
tông nhựa khi chịu tải trọng động.1 cho thấy sự làm việc của vật liệu chứa nhựa đường trong một thí nghiệm trượt đơn giản. Biến dạng đàn hồi do tải trọng đặt lên xuất hiện ngay lập tức phục hồi cùng với sự tăng biến dạng theo thời gian khi bỏ tải. Sự tăng biến dạng theo thời gian là do tính dẻo của vật liệu. Khi bỏ tải, biến dạng đàn hồi được khôi phục ngay lập tức và một chút biến dạng khác được khôi phục theo thời gian, đây gọi là sự “đàn hồi chậm”.
Cuối cùng còn lại biến dạng dư không thể khôi phục gây ra bởi tính dẻo. Phản ứng trước tải trọng xung của bộ phận làm bằng vật liệu chứa nhựa đường do tải trọng xe chạy được thể hiện trong Hình 1. Ở đây không thể phân biệt được hai cấu kiện làm việc đàn hồi nhưng có thể thấy được một biến dạng thường xuyên là nhỏ và một biến dạng đàn hồi lớn hơn. Mặc dù biến dạng thường xuyên trong Hình 1.2 là nhỏ đối với tải trọng xung đơn nhưng khi hàng triệu tải trọng được đặt lên mặt đường thì chúng sẽ tích lũy lại và dẫn đến phá hoại mặt đường.
Từ đó có thể thấy rõ tại sao biến dạng lớn lại xuất hiện khi nhiệt độ môi trường cao và xe chạy chậm hoặc đứng yên. Các biện pháp tăng sức chống cắt cho các lớp mặt đường BTN 60/70 Theo Tiêu chuẩn ngành 22TCN 211-06 [8], cường độ của bê tông nhựa bao gồm 3 yếu tố: 8 - Sức kháng cắt, hạn chế sự phát sinh biến dạng dẻo; - Sức kháng kéo uốn, hạn chế sự phát sinh nứt; - Độ võng đàn hồi, hạn chế sự phát triển của hiện tượng mỏi. Trong phạm vi của đề tài này, các nghiên cứu sẽ tập trung nhằm cải thiện sức kháng cắt của BTN khi phải làm việc ở nhiệt độ cao; Trong vài năm gần đây, trên hàng loạt tuyến đường cấp cao như QL1A, quốc lộ 5, đường dẫn cầu Thanh Trì.(khu vực miền Trung, miền Bắc), tỉnh lộ 25 B, đại lộ Đông Tây (thành phố Hồ Chí Minh) đã xuất hiện các hiện tượng trồi nhựa, LVBX với chiều sâu lún lớn từ 8-12 cm (Hình 1.3); Quốc Lộ 1A qua Đà Nẵng Đại Lộ Đông Tây Hình 1. Vệt lún bánh xe trên đường giao thông LVBX: được hình thành do quá trình tích lũy biến dạng dư của lớp mặt, lớp móng và của nền đường.
Biến dạng dư được hình thành khi ứng suất cắt ở trong các lớp vật liệu đạt đến giá trị giới hạn. Các dạng LVBX như ở Hình 1. Các dạng LVBX Những nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ rõ lún chảy dẻo chủ yếu xảy ra trong 100mm lớp BTN trên cùng. Do đó việc tăng chiều dày các lớp bê tông nhựa để hạn chế LVBX là không hợp lý.
Trong khoảng chiều dày này cần thiết kế các lớp BTN có sức kháng cắt đủ để chống lại các biến dạng dư; Độ lớn của biến dạng dư mặt đường phụ thuộc vào tính chất lưu biến của BTN. Do nhựa đường tạo nên đặc tính đàn hồi, dẻo của BTN nên đóng vai trò chủ đạo trong việc hình thành các đặc tính làm việc của BTN mặt đường (tính chất chống biến dạng lâu dài và chống nứt). Do đó, để tăng khả năng kháng cắt của BTN ngoài các biện pháp như thay đổi cốt liệu, cấp phối có nhiều hạn chế thì biện pháp mang lại hiệu quả tốt nhất chính là tăng sức kháng cắt của chất kết dính nhựa đường. Trong phạm vi của đề tài này, tác giả sẽ tập trung vào các biện pháp tăng sức cắt của các lớp mặt đường BTN bằng các biện pháp tăng sức kháng cắt của chất kết dính nhựa đường.
Các biện pháp chính bao gồm: 10 1. Sử dụng nhựa mác cao Hiện nay, ở Việt Nam đang áp dụng phương pháp phân loại nhựa đường theo độ kim lún TCVN 7493-2005 [6], trong đó, nhựa đường có độ kim lún 60/70 được dùng cho tất cả các loại mặt đường nhựa mà không xét đến điều kiện khai thác (nhiệt độ, tải trọng trục tích lũy, tốc độ dòng xe).