Chương 1: Tổng quan về bê tông nhựa rỗng thoát nước. Chương 2: Thành phần hỗn hợp và chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu cho bê tông nhựa rỗng thoát nước. Chương 3: Thiết kế, thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa rỗng thoát nước ở Thành phố Hồ Chí Minh và phạm vi ứng dụng. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA RỖNG THOÁT NƯỚC 1.
Định nghĩa về bê tông nhựa nóng. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN8819:2011: Hỗn hợp bê tông nhựa nóng (BTNN) là hỗn hợp bao gồm các cốt liệu (đá, cát, bột khoáng) có tỷ lệ phối trộn xác định, được sấy nóng và trộn đều với nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỷ lệ xác định qua thiết kế. Hỗn hợp bê tông nhựa nóng được chế tạo tại trạm trộn [4]. Phân loại bê tông nhựa.
*Theo cấp phối cốt liệu, BTNN thường được chia làm 3 loại khác nhau: cấp phối chặt (dense-graded course), cấp phối rỗng (open-graded course) và cấp phối gián đoạn (gap-graded course). - Cấp phối chặt (hay còn được gọi là cấp phối liên tục) được ra đời từ năm 1872 bởi De Smedt và được thi công thử nghiệm tại Công viên Battery và trên Đại lộ 5 – thành phố Newyork (USA) [7]. Đến nay, BTNN cấp phối chặt là sản phẩm truyền thống được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất khắp thế giới. Cấp phối chặt phù hợp với mọi cấp đường, có thể dùng để làm lớp móng, lớp liên kết hoặc lớp mặt.
BTNN cấp phối chặt được thiết kế với độ rỗng thấp (thông thường từ 3-6% [4]) nhằm đảm bảo mặt đường không bị thấm nước. Tuy nhiên, với sự phát triển tăng vọt của ngành giao thông vận tải trong những thập niên qua, tính khả quan của việc sử dụng cấp phối chặt làm lớp mặt cho các tuyến đường siêu trường, siêu trọng, đường cao tốc, đường cảng đang là một câu hỏi lớn và qui mô sử dụng chúng trong các cấp đường này đang ngày càng thu hẹp dần. Ảnh mô phỏng và mẫu khoan hiện trường BTNN cấp phối chặt [7]. - Cấp phối rỗng được chia làm 2 loại: cấp phối rỗng nhám và cấp phối rỗng thoát nước.
8 + Cấp phối rỗng nhám (open-graded friction course) có độ rỗng lớn hơn 15% và chỉ được dùng để làm lớp mặt với chiều dày rất mỏng. Cấp phối rỗng nhám được dùng rộng rãi tại Mỹ từ năm 1950 [7]. Ngoài tính năng tạo ma sát, chống trượt nhờ được thiết kế với độ nhám thích hợp, BTNN cấp phối rỗng nhám còn làm giảm sự bắn tóe nước khi trời mưa và giảm tiến ồn trên mặt đường. Cấp phối rỗng nhám thích hợp dùng làm lớp mặt cho các đường cao tốc, đường đua, những đoạn đường đèo, dốc.
Tuy nhiên cấp phối này được khuyến cáo không nên dùng ở những nút giao thông và khu vực xe lưu thông tốc độ chậm. + Cấp phối rỗng thoát nước (asphalt-treated permeable base) BTNN cấp phối rỗng có chức năng thoát nước cho mặt đường được thiết kế với độ rỗng cao >18% [3]. Ảnh mô phỏng và mẫu khoan hiện trường BTNN cấp phối rỗng[7] - Cấp phối gián đoạn được dùng cho 2 loại sản phẩm là BTNN cấp phối gián đoạn và hỗn hợp đá vữa nhựa (SMA). Được thiết kế theo nguyên tắc đá chèn đá, tạo thành một bộ khung vững chắc, chịu lực tốt, cấp phối gián đoạn được xem là sản phẩm ưu việt, thích hợp để chống đùn trồi và các biến dạng mỏi, đặc biệt trong số đó phải kể đến là hỗn hợp đá vữa nhựa SMA – một sản phẩm được phát minh bởi Cộng hòa liên bang Đức từ năm 1960 [7].
Nhờ những tính năng vượt trội đó, cấp phối gián đoạn được khuyên dùng cho những tuyến đường siêu trường, siêu trọng, các nút giao thông và khu vực giao thông tốc độ chậm. Ảnh mô phỏng và mẫu khoan BTNN cấp phối gián đoạn [7] 9 * Phân loại theo nhiệt độ. Bê tông nhựa nóng: Hỗn hợp được rải và đầm chặt ở nhiệt độ tối thiểu từ 1200c [7]. Bê tông nhựa ấm: Hỗn hợp được rải và đầm chặt ở nhiệt độ tối thiểu từ 900c [7].
Bê tông nhựa nguội: Được trộn, rải và đầm chặt ở nhiệt độ thông thường. * Phân loại theo cốt liệu Bê tông nhựa hạt thô, bê tông nhựa hạt trung, bê tông nhựa hạt mịn và bê tông nhựa hạt cát. Phân loại theo kết cấu sử dụng Bê tông nhựa lớp loại I, bê tông nhựa loại II. * Phân loại theo kích cỡ lớn nhất của viên đá hoặc cát.
Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định của bê tông nhựa chặt, được phân ra 4 loại [6]: - Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 12,5 mm), viết tắt là BTNC 9,5; - Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 19 mm), viết tắt là BTNC 12,5; - Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 25 mm), viết tắt là BTNC 19; - Bê tông nhựa cát, có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 9,5 mm), viết tắt là BTNC 4,75. * Phân loại theo hàm lượng của đá dăm (cỡ hạt từ 5mm trở lên) [6]. Loại A bê tông Asphalt nhiều đá dăm , khi đá dăm chiếm 50-65% khối lượng Loại B bê tông Asphalt vừa đá dăm , khi đá dăm chiếm 35-50% khối lượng Loại C bê tông Asphalt ít đá dăm , khi đá dăm chiếm 20-35% khối lượng Loại D bê tông Asphalt thiên nhiên. Loại G bê tông Asphalt cát nghiền.
Bê tông nhựa rỗng thoát nước. Bê tông nhựa rỗng thoát nước là loại bê tông nhựa có khung cốt liệu dạng hở được liên kết bằng vật liệu bitum cải tiến về khả năng liên kết tốt để nâng cao cường độ. Bê tông nhựa rỗng thoát nước sau khi đầm lèn có độ rỗng cao khoảng 20% [3]. Nó thường được bố trí ở lớp trên cùng trên lớp vật liệu chặt kính như BTN chặt, nhằm mục đích khi trời mưa lượng nước thấm xuống mặt đường dừng lại ở lớp vật liệu 10 kính sau đó chảy trong lớp bê tông nhựa rỗng thoát ra khỏi mặt đường thông qua hệ thống ống dẫn hoặc tràn ra hai bên đảm bảo được mặt đường hầu như không còn nước trên mặt.
Bê tông nhựa thông thường và Bê tông nhựa rỗng thoát nước 1. Tổng quan kết quả nghiên cứu bê tông nhựa rỗng trên thế giới 1. Tình tình nghiên cứu tại Mỹ Mỹ chủ yếu sử dụng lớp tạo nhám cấp phối hở dạng VTO (Open Graded Friction Courses-OGFC) [14], độ rỗng dư từ 12-16%, chiều dầy thảm từ 1,5cm ~ 2cm [13]. Trong quá trình sử dụng, xuất hiện những vấn đề bất cập liên quan đến OGFC nên nhiều Bang không sử dụng nữa.
Các hư hỏng với OGFC có thể kể đến là [13]: Vấn đề thứ nhất là do suy giảm tính năng của OGFC: thường bị bụi hoặc là do muối tan băng làm tắc lỗ rỗng làm mất chức năng thấm, thoát nước, do đó đã làm chu kì tuổi thọ của lớp OGFC này giảm xuống rất nhiều, đặc biệt là thảm lớp này ở trong thành phố thì vấn đề này càng rõ ràng. Vấn đề thứ 2 là bong tróc (raveling): lớp OGFC sử dụng trong vòng 6 ~ 8 năm thì có hiện tượng bong tróc nghiêm trọng, cấp phối mịn truyền thống có tuổi thọ trung bình là 13 năm, năm sử dụng của lớp OGFC chỉ bằng gần 1/2 tuổi thọ của BTN truyền thống. Cuối cùng là do cơ chế hư hỏng của OGFFC: từ lúc phát hiện những lỗ hư hỏng nhỏ phát triển đến toàn mặt, thông thường chỉ là vài tuần đến 1 tháng, tốc độ hư hỏng bong tróc rất nhanh, điều này dẫn tới khó khăn và tốn kém khi tiến hành xử lý các hư hỏng đó. Yêu cầu về vật liệu của các Bang nước Mỹ là khác nhau, Bang Georgia yêu cầu vật liệu phải có khả năng chịu mài mòn tốt và yêu cầu về các mặt vỡ của đá tương đối 11 cao, Bang Orizona yêu cầu sử dụng nhựa đường cao su làm vật liệu dính kết cho lớp OGFC [12], quy định thí nghiệm các hạng mục đối với yêu cầu vật liệu tương đối hoàn chỉnh.
Trong lựa chọn nhựa đường, chỉ có Bang Wyoming vẫn sử dụng nhựa đường thường, còn các Bang khác thì sử dụng nhựa đường cải tính để đảm bảo cho lớp cấp phối mở được sử dụng tốt nhất. Giá trị cường độ của vật liệu lớp OGFC [12]trong phòng thí nghiệm thường thấp hơn bê tông nhựa chặt cấp phối hạt mịn, nhưng trên thực tế thì kết quả thí nghiệm vệt hằn bánh xe của OGFC tốt hơn là bê tông nhựa chặt cấp phối hạt mịn. Bang Arizona (Arizona Department of Transportation-ADOT) sử dụng cấp phối hở từ những năm 1954 [11], mục đích sử dụng chủ yếu là nâng cao khả năng kháng trượt của mặt đường và tính thoát nước nhanh của mặt đường khi trời mưa. ADOT từng sử dụng nhựa đường thường với OGFFC và dùng cả nhựa đường cao su (Asphalt Rubber- AR) được gọi là AR-OGFC.
Các nghiên cứu của Bang được tiến hành với thời gian dài đến 10 năm, bao gồm nghiên cứu kiểm tra về các vết nứt, vệt hằn bánh xe, độ bằng phẳng, kinh phí duy tu sử chữa và giá trị kháng trượt. Kết quả nghiên cứu cho thấy AR-OGFC vượt trội hơn so với OGFC. So sánh về chi phí sửa chữa thì giá thành của AR-OGFC là 1,3 lần so với OGFC, nhưng tuổi thọ trung bình của AR-OGFC là 13 năm, trong khi đó tuổi thọ của OGFC chỉ là 7 năm, tuy chi phí trong thời gian ngắn cao hơn 1 ít, nhưng xét đến khoảng thời gian dài thì việc lựa chon nhựa đường cao su sẽ tiết kiệm được chi phí nhiều hơn nhiều. AR-OGFC ngoài khả năng hạn chế các vết nứt, vệt hằn bánh xe, kháng trượt, độ bằng phẳng tốt, ngoài ra trong kết quả nghiên cứu của trung tâm nghiên cứu bang Arizona năm 1996 có nói AR-OGFC có khả năng giảm tiếng ồn đến 5.
Tình tình nghiên cứu tại Châu Âu Tại Châu Âu, BTNR thường được gọi là lớp Porous Asphalt, hoặc là lớp thoát nước (Drainage Course), lớp này thường được thảm với độ dày từ 4cm ~ 5cm [11].