Tổng quan luận án

Hiện tượng lún vệt bánh xe (LVBX) xuất hiện phổ biến trên nhiều tuyến quốc lộ và các tuyến đường có quy mô giao thông lớn tại Việt Nam, gây mất an toàn giao thông và tạo ra những vấn đề bức xúc trong dư luận xã hội. Mặt đường bê tông nhựa (BTN) đòi hỏi phải được thiết kế đồng thời nhằm hạn chế hư hỏng do biến dạng lún vệt bánh xe và nứt do mỏi dưới tác động kết hợp của tải trọng xe trùng phục cùng điều kiện nhiệt độ môi trường. Trong thực tế thiết kế, nếu hỗn hợp bê tông nhựa quá thiên về việc nâng cao khả năng kháng lún vệt bánh xe thì mặt đường lại có xu hướng dễ bị nứt mỏi, và ngược lại.

Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ Giao thông Vận tải quy định rõ về việc áp dụng "cấp phối thô" (nhiều đá dăm) và thiết kế cấp phối cốt liệu theo đường cong chữ S nhằm giảm thiểu lún vệt bánh xe cho các tuyến đường có quy mô giao thông lớn. Tuy nhiên, nhiều nhà thầu xây dựng đã lạm dụng quy định này, sử dụng cấp phối quá thô khiến hỗn hợp bê tông nhựa phân bố cốt liệu không đồng đều, hàm lượng nhựa quá ít, dẫn đến hiện tượng mặt đường dễ bị bong tróc, thấm nước và nứt mỏi sớm, làm suy giảm nghiêm trọng tuổi thọ công trình. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần phải xác định mức độ thô phù hợp của cấp phối cốt liệu, kết hợp đồng thời giữa khả năng kháng lún vệt bánh xe và sức kháng mỏi trên các loại nhựa đường khác nhau.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định bao gồm 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hiện tượng lún vệt bánh xe, nứt mỏi của bê tông nhựa và các nhân tố ảnh hưởng.
  2. Nghiên cứu phân tích, đánh giá nguyên nhân gây hư hỏng lún vệt bánh xe trên một số tuyến đường bộ Việt Nam thông qua kết quả khảo sát hiện trường tại các dự án điển hình.
  3. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng nhằm đánh giá mức độ thô của cấp phối cốt liệu ảnh hưởng đến lún vệt bánh xe, có xem xét đến độ bền mỏi đối với bê tông nhựa chặt BTNC 12,5 và BTNC 19 sử dụng nhựa đường 40/50, 60/70 và nhựa đường cải thiện polime PMB III.
  4. Nghiên cứu đề xuất một số nội dung kỹ thuật cần thiết đối với bê tông nhựa để cải thiện đồng thời khả năng kháng lún vệt bánh xe và kháng mỏi.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bê tông nhựa chặt (BTNC) rải nóng, cụ thể là hai loại hỗn hợp BTNC 12,5 và BTNC 19.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm:

  • Không gian: Khảo sát, đánh giá nguyên nhân hư hỏng thực tế tại các tuyến quốc lộ trọng điểm khu vực miền Bắc và Bắc Trung Bộ như Quốc lộ 1A (đoạn Hà Nam – Ninh Bình – Thanh Hóa, tuyến tránh Vinh – Cầu Bến Thủy II), Quốc lộ 3 cũ (gói 1, gói 2), Quốc lộ 3 mới, Quốc lộ 18 (đoạn Uông Bí – Hạ Long) và đường Cầu cạn Vành đai III Hà Nội; thực nghiệm trong phòng với cốt liệu đá dăm điển hình khu vực miền Bắc.
  • Thời gian: Khảo sát hiện trường, thu thập dữ liệu giao thông, nhiệt độ khí tượng và kiểm định chất lượng công trình trong giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2014 (tập trung vào các đợt kiểm định chuyên sâu năm 2013 – 2014).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các cơ sở pháp lý, tiêu chuẩn kỹ thuật và các công trình nghiên cứu khoa học liên quan đến biến dạng lún vệt bánh xe và nứt mỏi trong nước và quốc tế:

Các tiêu chuẩn và quy định kỹ thuật hiện hành

  • Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ GTVT: Hướng dẫn áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế, thi công mặt đường BTN nóng đối với đường có quy mô giao thông lớn; quy định đường cong cấp phối chữ S và định nghĩa cấp phối thô dựa trên lượng lọt qua cỡ sàng khống chế.
  • Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ngày 29/4/2014 của Bộ GTVT: Quy định kỹ thuật về phương pháp thử độ sâu lún vệt bánh xe của BTN xác định bằng thiết bị Wheel Tracking theo 3 phương pháp A (môi trường nước 50°C), B (môi trường không khí 60°C) và C (môi trường không khí 60°C xác định độ ổn định động DS).
  • Tiêu chuẩn 22 TCN 319-04: Quy định yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử đối với 03 mác nhựa đường cải thiện polime (PMB I, PMB II, PMB III) làm lớp mặt đường bộ và sân bay.
  • Thông tư số 27/2014/TT-BGTVT ngày 28/7/2014 của Bộ GTVT: Quy định quản lý chất lượng nhựa đường sử dụng trong xây dựng công trình giao thông, bổ sung các chỉ tiêu kiểm soát chất lượng mác nhựa 60/70 và 40/50 như chỉ số độ kim lún PI (Penetration Index), độ nhớt động ở 60°C, tổn thất khi nung TFOT và độ kéo dài ở 25°C sau TFOT.

Các đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ

  • Đề tài cấp Bộ GTVT năm 2009: "Nghiên cứu biến dạng kéo dài của mặt đường BTN và đề xuất phương pháp xử lý" do ThS. Bùi Ngọc Hưng làm Chủ nhiệm đề tài. Đề tài đã phân tích toàn diện lý thuyết và thực nghiệm về biến dạng vĩnh cửu của BTN tại Việt Nam; đề xuất phương pháp chế bị mẫu đường kính D = 150 mm bằng phương pháp đầm nén Marshall cải tiến (ASTM D5581) phục vụ thí nghiệm lún vệt bánh xe trên thiết bị Hamburg Wheel Tracking; bước đầu đề xuất các chỉ tiêu lựa chọn hỗn hợp BTN và phương pháp dự báo chiều sâu lún vệt bánh xe.
  • Đề tài cấp Bộ GTVT năm 2014: "Nghiên cứu lựa chọn kết cấu và vật liệu cho kết cấu áo đường mềm trên các tuyến đường có xe tải trọng nặng phù hợp với điều kiện nhiệt ẩm". Đề tài đã đưa ra phân vùng nhiệt độ khí hậu tại Việt Nam làm cơ sở chọn mác nhựa theo độ kim lún và mác PG; đề xuất kết cấu áo đường chịu tải nặng. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm đánh giá cấp phối thô cho BTNC 12,5 và BTNC 19 sử dụng nhựa 40/50, 60/70, PMB III do NCS. Bùi Ngọc Hưng chủ trì thực hiện đã được kế thừa và phát triển vào luận án.

Các luận án tiến sĩ liên quan

  • Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Thiện Lưu (bảo vệ tháng 5/2015 tại Trường Đại học Giao thông Vận tải): "Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam". Tác giả đã khảo sát độ bền mỏi của BTNC 12,5 và BTNC 19 qua thí nghiệm uốn dầm 4 điểm ở chế độ khống chế biến dạng (nhiệt độ 10°C, 20°C; tần số 5 Hz, 10 Hz; mức biến dạng 100 µε, 200 µε, 400 µε); xác định phương trình độ bền mỏi và chỉ ra độ bền mỏi của BTNC 19 kém hơn BTNC 12,5. Hạn chế của công trình này là chỉ khảo sát 01 đường cong cấp phối cố định cho mỗi loại BTNC, chưa khảo sát ảnh hưởng của các mức độ thô khác nhau đến độ bền mỏi.
  • Luận án tiến sĩ của tác giả Vũ Phương Thảo (bảo vệ tháng 5/2015 tại Trường Đại học Giao thông Vận tải): "Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam". Tác giả đã sử dụng thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm ở chế độ khống chế ứng suất và thí nghiệm lún vệt bánh xe trong không khí 60°C với mẫu BTNC 12,5 (nhựa 40/50 và PMB III), đề xuất hàm lượng sợi thủy tinh tối ưu là 0,3%. Tuy nhiên, luận án này cũng chỉ sử dụng 01 đường cong cấp phối cốt liệu, chưa đánh giá biến thiên độ thô của cấp phối.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án giải quyết: Nghiên cứu một cách hệ thống và định lượng ảnh hưởng của mức độ thô trong "cấp phối thô" đến khả năng kháng lún vệt bánh xe có xét đồng thời đến độ bền mỏi đối với BTNC 12,5 và BTNC 19; mở rộng đánh giá thực nghiệm trên các loại nhựa đường có độ cứng khác nhau (nhựa thường 60/70, nhựa cứng 40/50 và nhựa cải thiện polime PMB III) kết hợp phân tích các số liệu kiểm định thực tế từ các tuyến quốc lộ bị sự cố tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình tính toán

Hiện tượng lún vệt bánh xe (Permanent Deformation / Rutting) là sự tích lũy biến dạng không hồi phục của các lớp vật liệu mặt đường dưới tác động của dòng xe và nhiệt độ. Luận án phân định 3 dạng lún vệt bánh xe điển hình:

  1. Lún vệt bánh xe do BTN chảy dẻo (Instability Rutting - Plastic Flow): Biến dạng lún xuất hiện trong phạm vi hẹp tại vệt bánh xe kèm theo các gờ mô dồn (trồi) dọc hai bên. Hiện tượng này xảy ra do lớp BTN không đủ cường độ kháng cắt để chống lại ứng suất cắt của bánh xe, chủ yếu tập trung ở chiều sâu khoảng 10 cm từ bề mặt. Cường độ kháng cắt được xác định theo định luật Mohr – Coulomb: $$\tau = C + \sigma \tan\varphi$$ Trong đó: $\tau$ là cường độ kháng cắt; $C$ là lực dính (phụ thuộc vào vữa nhựa); $\sigma$ là ứng suất pháp tuyến (do tải trọng xe); $\varphi$ là góc nội ma sát (phụ thuộc độ góc cạnh, cài móc của cốt liệu đá dăm, cát).
  2. Lún vệt bánh xe do kết cấu (Structural Rutting): Biến dạng lún xuất hiện trên phạm vi rộng, không tạo mô dồn trồi hai bên, phát sinh do tích lũy biến dạng dẻo trong các lớp móng hoặc nền đường khi kết cấu áo đường không đủ chiều dày hoặc không đủ cường độ chịu tải lặp.
  3. Lún vệt bánh xe lớp mặt (Surface/Wear Rutting): Biến dạng lún phạm vi hẹp, không có mô dồn trồi, nguyên nhân do khiếm khuyết thi công không đạt độ chặt dẫn đến hiện tượng đầm nén thứ cấp khi chịu tải trùng phục.

Cơ chế nứt mỏi (Fatigue Cracking): Phát sinh do tác dụng của tải trọng trùng phục khi ứng suất kéo uốn ở đáy lớp BTN vượt quá cường độ chịu kéo uốn của vật liệu. Nứt mỏi thường xảy ra ở nhiệt độ trung gian (10°C – 30°C) khi vật liệu có xu hướng cứng và giòn hơn; vết nứt ban đầu phát triển thành hệ thống nứt liên kết dạng "da cá sấu".

Các mô hình dự báo tuổi thọ và biến dạng:

  • Dự báo tuổi thọ mỏi: $$N_f = f_1 \cdot (\epsilon_t)^{-f_2} \cdot (E_1)^{-f_3}$$ Trong đó: $N_f$ là số lần chịu tải tới hạn; $\epsilon_t$ là biến dạng kéo uốn lớn nhất ở đáy lớp BTN; $E_1$ là mô đun đàn hồi; $f_1, f_2, f_3$ là các hệ số hồi quy thực nghiệm.
  • Dự báo tuổi thọ lún vệt bánh xe kết cấu: $$N_{f2} = f_4 \cdot (\epsilon_c)^{-f_5}$$ Trong đó: $\epsilon_c$ là biến dạng nén thẳng đứng trên đỉnh nền đường; $f_4, f_5$ là hệ số hồi quy.
  • Dự báo biến dạng theo phương pháp Cơ học – Thực nghiệm M-E (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide): $$RD = \sum_{i=1}^{n_{\text{sublayers}}} \epsilon_p^i \cdot h_i$$ Giới hạn quy định của mô hình M-E đối với toàn bộ kết cấu là 0,39 in (10 mm) và đối với lớp mặt BTN là 0,2 in (5 mm).
  • Tích lũy lún theo tải trọng trùng phục của Eisenmann và Hilmer: $$y = a + b \cdot (N)^{0,5}$$ Trong đó $y$ là chiều sâu vệt lún, $N$ là số lần gia tải, $a$ và $b$ là các hệ số thực nghiệm.

Các chỉ tiêu thể tích và lưu biến:

  • Tỷ lệ bột khoáng trên hàm lượng nhựa có hiệu: $$FB = \frac{P_{0,075}}{P_{be}}$$ Quy định tối ưu đạt mức 1,2 (Superpave khuyến nghị 0,6 – 1,2; mở rộng 0,6 – 1,6; Trung Quốc khuyến nghị 0,8 – 1,2).
  • Độ rỗng cốt liệu ($VMA$) và độ rỗng lấp đầy nhựa ($VFA$): $$VMA = V_a + V_{be}$$ $$VFA = \frac{V_{be}}{VMA} \times 100%$$
  • Đánh giá lưu biến DSR đối với nhựa đường PG: Kháng lún vệt bánh xe thông qua chỉ tiêu $G^/\sin\delta \ge 1,00\text{ kPa}$ (nhựa gốc) và $\ge 2,20\text{ kPa}$ (sau hóa già ngắn hạn RTFOT); kháng mỏi thông qua $G^\cdot\sin\delta \le 5,00\text{ MPa}$ (sau hóa già dài hạn PAV).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát

  • Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết phân tích cơ học với quy hoạch thực nghiệm trong phòng và khảo sát kiểm định thực tế hiện trường.
  • Phương pháp thí nghiệm trong phòng:
    • Thí nghiệm lún vệt bánh xe: Sử dụng thiết bị Wheel Tracking theo Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT và quy trình Hamburg Wheel-Tracking (AASHTO T324) với mẫu đường kính 150 mm (dày 62 mm) hoặc mẫu tấm, gia tải bánh xe 705 N.
    • Thí nghiệm mỏi: Áp dụng phương pháp uốn dầm 4 điểm (Four Point Bending Test - 4PBT) theo ASTM D7460-10 / AASHTO T 321 trên mẫu dầm kích thước $380 \times 63 \times 50\text{ mm}$, thực hiện ở chế độ khống chế biến dạng, tần số 10 Hz, nhiệt độ thử nghiệm 20°C; tiêu chuẩn phá hoại quy ước khi mô đun độ cứng suy giảm 50% so với giá trị ban đầu.
  • Phương pháp kiểm định hiện trường:
    • Đo trắc ngang mặt đường bằng thước đo chuyên dụng theo ASTM E1703/E1703M.
    • Khảo sát đếm xe thủ công và cân xác suất tải trọng trục xe lưu thông thực tế.
    • Đo mô đun đàn hồi chung kết cấu bằng cần đo võng Benkelman.
    • Khoan lấy mẫu nguyên dạng tại các vị trí vệt bánh xe cách nhau 20 cm trên trắc ngang để xác định chiều dày, kiểm tra dính bám giữa các lớp và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý Marshall (độ ổn định, độ dẻo, độ rỗng dư, độ ổn định còn lại).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về lún vệt bánh xe và mỏi của bê tông nhựa chặt

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận, các dạng hư hỏng mặt đường BTN, tổng quan các phương pháp thí nghiệm và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng lún vệt bánh xe và nứt mỏi:

  1. Phân loại các phương pháp thí nghiệm lún vệt bánh xe:
    • Nhóm 1 (Đo trực tiếp độ sâu hằn lún dưới tải trọng lặp):
      • Accelerated Load Testing (ALT): Thí nghiệm gia tốc tải trọng quy mô lớn (full-scale) theo chương trình COST 347 châu Âu, mô phỏng sát thực tế nhưng chi phí cao.
      • Hamburg Wheel-Tracking (HWTD): Thí nghiệm bánh xe thép trong nước (50°C) hoặc không khí (60°C), phổ biến tại Mỹ và châu Âu.
      • French Pavement Rutting (FRT): Thiết bị của LCPC (Pháp), sử dụng bánh cao su gia tải 5000 N, áp suất 0,6 MPa trên mẫu tấm $50 \times 18\text{ cm}$ ở 60°C.
      • Asphalt Pavement Analyzer (APA): Thiết bị của Mỹ (AASHTO T 340-10), truyền tải qua ống cao su áp suất 700 kPa, tải bánh 4450 N ở 64°C.
    • Nhóm 2 (Xác định sức kháng cắt trượt):
      • Superpave Shear Tester (SST): Đo biến dạng vĩnh cửu qua 3 phép thử SSCH, FSCH và RSCH dưới áp lực thủy lực.
      • Nottingham Asphalt Tester (NAT): Xác định từ biến động qua thí nghiệm RLA test.
      • Phương pháp của CHLB Nga: Thí nghiệm nén dọc trục và nén theo đường sinh theo СТП 007-97 và ГОСТ 12801-84 trên mẫu $d = h = 71,4\text{ mm}$ ở 50°C để tính mức biến dạng phá hoại $A = \frac{Pl}{2}$, từ đó xác định $\tan\varphi$ và lực dính $C_l$.
Thiết bị / Phương pháp Nguyên lý tác dụng tải Điều kiện môi trường / Mẫu Tiêu chuẩn đánh giá quy định
Hamburg Wheel-Tracking (HWTD) Bánh xe thép, tải trọng 705 N, tần số lặp chuẩn Môi trường nước 50°C hoặc không khí 60°C; mẫu trụ $D=150\text{ mm}$ ghép số 8 hoặc mẫu tấm PG 64: $\le 12,5\text{ mm}$ sau 10.000 lần; PG 76: $\le 12,5\text{ mm}$ sau 20.000 lần
French Pavement Rutting (FRT) Bánh xe cao su, tải trọng 5000 N, áp suất 0,6 MPa Môi trường không khí 60°C; mẫu tấm $50 \times 18\text{ cm}$ Độ sâu lún $\le 5% - 10%$ chiều dày mẫu sau 30.000 chu kỳ gia tải
Asphalt Pavement Analyzer (APA) Bánh xe thép qua ống truyền áp cao su 700 kPa, tải 4450 N Môi trường không khí 64°C (hoặc theo cấp PG); mẫu trụ $D=150\text{ mm}$ Chiều sâu lún giới hạn: $3 - 5\text{ mm}$ ứng với cấp giao thông ESAL từ 3 đến $\ge 30$ triệu trục
Thí nghiệm cắt Mohr-Coulomb (CHLB Nga) Nén dọc trục và nén đường sinh tĩnh một lần đến phá hoại Mẫu trụ $d=h=71,4\text{ mm}$, ngâm nước 50°C trong 1 giờ Ứng suất cắt cho phép $\tau_{\text{đop}} = p\tan\varphi + C \ge \tau_{\Phi}$
  1. Phân tích các hệ số mô hình dự báo tuổi thọ phá hoại mỏi:
Đơn vị nghiên cứu công bố mô hình Hệ số $f_1$ Hệ số $f_2$ Hệ số $f_3$
Asphalt Institute (AI) 0,0796 3,291 0,854
Shell Research 0,0685 5,671 2,363
US Army Corps of Engineers 497,156 5,000 2,665
Illinois DOT $5 \times 10^{-6}$ 3,000 0
Transport and Road Research Laboratory (TRRL) $1,66 \times 10^{-10}$ 4,320 0
Belgian Road Research Center $4,92 \times 10^{-14}$ 4,760 0
Arizona DOT $9,33 \times 10^{-7}$ 3,840 0
Austin Research Engineers $9,73 \times 10^{-15}$ 5,160 0
  1. Quy định cấp phối thô theo Quyết định số 858/QĐ-BGTVT:
Loại bê tông nhựa chặt Cỡ sàng khống chế (mm) Lượng lọt sàng quy định để xác định cấp phối thô
BTNC 25 4,75 mm $< 40%$
BTNC 19 4,75 mm $< 45%$
BTNC 12,5 2,36 mm $< 38%$
  1. Quy định kỹ thuật về giới hạn chiều sâu lún vệt bánh xe theo QĐ 1617/QĐ-BGTVT:
    • Bê tông nhựa thông thường (theo TCVN 8819:2011): Độ sâu lún vệt bánh xe $RD_W \le 12,5\text{ mm}$ sau 15.000 lần tác dụng tải.
    • Bê tông nhựa cải thiện polime (theo 22 TCN 356:2006): Độ sâu lún vệt bánh xe $RD_W \le 12,5\text{ mm}$ sau 40.000 lần tác dụng tải.

Chương 2: Phân tích nguyên nhân hư hỏng lún vệt bánh xe qua kết quả khảo sát hiện trường

Chương 2 trình bày toàn bộ số liệu điều tra, khảo sát thực tế tại các dự án quốc lộ xuất hiện hư hỏng lún vệt bánh xe nghiêm trọng giai đoạn 2013 – 2014:

  1. Tổng hợp số liệu hiện trạng hư hỏng tại 4 dự án điển hình:
Tên dự án Thời gian khai thác Thời gian kiểm định Chiều dài tuyến Tỷ lệ chiều dài bị hư hỏng LVBX Chiều sâu LVBX lớn nhất ghi nhận
Quốc lộ 1A (Đoạn số 01: Hà Nam – Ninh Bình) Tháng 1/2011 Tháng 7/2013 13,4 km Đoạn 1: HN–NB 63,2%; NB–HN 14,5%
Đoạn 2: HN–NB 67,8%		 Đoạn 1: $50\text{ mm}$
Đoạn 2: $105\text{ mm}$
Quốc lộ 1A (Đoạn số 02: Ninh Bình – Thanh Hóa) Tháng 12/2012 Tháng 7/2013 36,4 km Hướng HN–TH: 5,8%
Hướng TH–HN: 8,2%		 $44\text{ mm}$
Quốc lộ 1A (Đoạn số 03: Tuyến tránh Vinh - Bến Thủy II) Tháng 11/2012 Tháng 8/2013 0,9963 km Hướng Vinh – Hà Tĩnh: 95,35% $51\text{ mm}$
Quốc lộ 3 cũ (Đoạn số 04) Tháng 2/2013 Tháng 7/2013 12,2 km Làn trong: 30,7% $55\text{ mm}$

  1. Phân tích tải trọng trục xe và tính toán kết cấu áo đường:

    • QL1A đoạn số 01: Thành phần xe tải nặng, xe container, xe khách chiếm trên 50% dòng xe. Tải trọng trục lớn nhất cân được là 21,81 tấn; tải trọng trục $>10\text{ tấn}$ chiếm 25,71%, $>12\text{ tấn}$ chiếm trên 23%. Mô đun đàn hồi yêu cầu tính toán lại theo số liệu thực tế đạt $E_{\text{yc}} = 233,29\text{ MPa}$ ($N_{\text{tt}} = 2367\text{ trục/làn/ngày đêm}$), tuy nhiên dự án chỉ phê duyệt $E_{\text{yc}} = 140\text{ MPa}$ (tính toán ban đầu trong hồ sơ thiết kế là $209,08\text{ MPa}$).
    • QL1A đoạn số 02: Tải trọng trục lớn nhất lên tới 27,23 tấn; tải trọng trục $>10\text{ tấn}$ chiếm 20,11%, $>12\text{ tấn}$ chiếm trên 15%. Số trục tính toán thực tế $N_{\text{tt}} = 9421\text{ trục/làn/ngày đêm}$ vượt quá phạm vi tra bảng của quy trình 22 TCN 211-06. Dự án phê duyệt $E_{\text{yc}} = 160\text{ MPa}$ trong khi hồ sơ thiết kế tính toán $E_{\text{yc}} = 235\text{ MPa}$.
    • QL1A đoạn số 03 (Tuyến tránh Vinh): Xe tải nặng và container chiếm trên 57%. Tải trọng trục lớn nhất đạt 29,98 tấn; xe có tải trọng trục $>12\text{ tấn}$ chiếm tới 50,87%. Số trục tính toán $N_{\text{tt}} = 34.840\text{ trục/làn/ngày đêm}$, vượt hoàn toàn bảng tra tiêu chuẩn; dự án phê duyệt $E_{\text{yc}} = 160\text{ MPa}$ trong khi tính toán ban đầu là $235\text{ MPa}$.
    • QL3 cũ đoạn số 04: Xe chở quặng sắt và vật liệu hướng Thái Nguyên – Hà Nội chiếm trên 47% dòng xe. Tải trọng trục lớn nhất đạt 27,07 tấn; trục $>12\text{ tấn}$ chiếm trên 33%. Số trục tính toán thực tế trên làn chịu tải lên tới $N_{\text{tt}} = 37.287\text{ trục/làn/ngày đêm}$, vượt bảng tra; dự án phê duyệt $E_{\text{yc}} = 171,6\text{ MPa}$ là không đáp ứng.

  2. Khảo sát điều kiện nhiệt độ môi trường và mặt đường:

    • Giai đoạn nắng nóng hàng năm tập trung từ tháng 5 đến tháng 8. Nhiệt độ không khí cao nhất theo tháng tại trạm Ninh Bình và Thanh Hóa dao động từ 36,4°C đến 41,1°C.
    • Nhiệt độ bề mặt đường bê tông nhựa thực tế ghi nhận mức cao nhất từ 54,7°C đến 68,5°C. Trong khoảng thời gian từ 12h đến 15h hàng ngày, nhiệt độ bề mặt đường thường cao hơn nhiệt độ không khí từ 8°C đến 15°C.

  3. Khảo sát phạm vi biến dạng và kiểm định chất lượng tại 11 dự án:

    • Kết quả đo vẽ trắc ngang qua các lỗ khoan cách nhau 20 cm xác định: Biến dạng lún vệt bánh xe chủ yếu xảy ra trong phạm vi 2 lớp BTN (chiều dày khoảng 10 cm từ bề mặt), một số vị trí có kết hợp lún lớp móng.
    • Tỷ lệ mẫu BTN không đạt yêu cầu về chiều dày: Lớp trên là 19,1%; Lớp dưới là 15,7%.
    • Tỷ lệ mẫu BTN không đạt yêu cầu về dính bám giữa các lớp: Lớp trên là 15,6%; Lớp dưới là 18,5%.
    • Tỷ lệ mẫu chế bị không đạt các chỉ tiêu cơ lý Marshall:
      • Độ ổn định Marshall: 15,0% mẫu lớp trên và 8,5% mẫu lớp dưới không đạt.
      • Độ dẻo Marshall: 21,7% mẫu lớp trên và 8,2% mẫu lớp dưới không đạt.
      • Độ rỗng dư: 58,9% mẫu lớp trên và 46,2% mẫu lớp dưới không đạt (chỉ tiêu có tỷ lệ không đạt cao nhất, xấp xỉ 50% – 60%).
      • Độ ổn định còn lại: 7,7% mẫu lớp trên và 8,3% mẫu lớp dưới không đạt.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở khoa học về cơ chế phát sinh hai dạng hư hỏng chủ đạo của mặt đường bê tông nhựa tại Việt Nam là biến dạng lún vệt bánh xe và nứt do mỏi; phân tích bản chất mối quan hệ tương tác nghịch đảo giữa khả năng kháng lún vệt bánh xe và độ bền mỏi khi thiết kế thành phần hỗn hợp.
  • Làm rõ bản chất cơ học của mức độ thô trong "cấp phối thô" đối với sự hình thành khung cốt liệu đá chèn đá (tăng góc nội ma sát $\varphi$) và vai trò của vữa nhựa (lực dính $C$), làm cơ sở để kiểm soát đồng thời biến dạng chảy dẻo ở nhiệt độ cao và hiện tượng nứt mỏi ở nhiệt độ trung gian.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  • Luận án đã chỉ ra 4 nhóm nguyên nhân thực tế gây ra sự cố lún vệt bánh xe nghiêm trọng trên các tuyến quốc lộ:
    1. Tải trọng trục xe thực tế vượt quá mức thiết kế: Tải trọng trục xe đo được lên tới 21,81 – 29,98 tấn (vượt xa mức tính toán thiết kế chuẩn 10 tấn); tần suất xe có trục $>12\text{ tấn}$ chiếm tỷ lệ rất cao (15% – 50,87%).
    2. Bất cập trong công tác khảo sát và tính toán kết cấu áo đường: Hồ sơ thiết kế không khảo sát tải trọng trục thực tế, tự ý lựa chọn mô đun đàn hồi yêu cầu $E_{\text{yc}}$ thấp hơn kết quả tính toán thực tế (chọn 140 – 160 MPa trong khi yêu cầu thực tế $>209 - 235\text{ MPa}$), dẫn đến kết cấu áo đường thiếu khả năng chịu lực.
    3. Tác động khắc nghiệt của nhiệt độ mặt đường: Nhiệt độ bề mặt bê tông nhựa vào mùa hè lên tới 54,7°C – 68,5°C, làm suy giảm mô đun độ cứng và khả năng kháng cắt của lớp mặt.
    4. Khiếm khuyết chất lượng thi công hỗn hợp BTN: Tỷ lệ mẫu kiểm định không đạt độ rỗng dư chiếm tỷ lệ lớn (46,2% – 58,9%), cùng với sự thiếu hụt chiều dày (15,7% – 19,1%) và suy giảm dính bám giữa các lớp (15,6% – 18,5%).
  • Cung cấp cơ sở thực nghiệm xác lập mức độ thô phù hợp của cấp phối cốt liệu theo đường cong chữ S, giúp các đơn vị thi công tránh việc áp dụng cấp phối "quá thô" gây thiếu nhựa, rỗ mặt và nứt mỏi sớm.
  • Đề xuất các căn cứ kỹ thuật phục vụ việc điều chỉnh quy định về độ sâu lún vệt bánh xe trong phòng thí nghiệm đối với BTNC 12,5 và BTNC 19 theo QĐ 858/QĐ-BGTVT; bổ sung chỉ tiêu đánh giá độ bền mỏi cho hỗn hợp BTNC 12,5 sử dụng nhựa đường 60/70; định hướng ứng dụng hiệu quả mác nhựa cứng 40/50 và nhựa cải thiện polime PMB III trong điều kiện tải trọng nặng và nhiệt độ cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trong phòng chủ yếu tập trung vào các nguồn vật liệu cốt liệu đá dăm và cát điển hình tại khu vực miền Bắc.
  • Đối tượng nghiên cứu giới hạn ở hai loại bê tông nhựa chặt rải nóng thông thường là BTNC 12,5 và BTNC 19, chưa mở rộng nghiên cứu đối với các loại bê tông nhựa đặc thù khác như bê tông nhựa rỗng thoát nước (OGFC) hay bê tông nhựa đá dăm kháng trượt (SMA).
  • Các thí nghiệm kiểm chứng độ bền mỏi uốn dầm 4 điểm trong phòng mới thực hiện ở điều kiện khống chế biến dạng tại mức nhiệt độ cố định 20°C và tần số 10 Hz.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu thực nghiệm đối với các nguồn cốt liệu đá dăm đặc trưng tại các vùng miền Trung và miền Nam.
  • Nghiên cứu áp dụng đầy đủ hệ thống phân loại nhựa đường theo cấp đặc tính hiệu năng PG (Performance Grade) phù hợp với bản đồ phân vùng khí hậu nhiệt ẩm chi tiết của toàn bộ mạng lưới đường bộ Việt Nam.
  • Thiết lập mô hình tương quan dài hạn giữa kết quả thử nghiệm lún vệt bánh xe và độ bền mỏi trong phòng với hành vi ứng xử cơ học thực tế của mặt đường sau nhiều năm khai thác dưới tác động của dòng xe thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo đối với nhiều đối tượng trong ngành xây dựng công trình giao thông:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Cầu đường, Kỹ thuật Giao thông: Cung cấp bức tranh toàn diện về cơ sở lý thuyết, các mô hình toán học dự báo biến dạng dẻo, phương pháp thí nghiệm uốn dầm 4 điểm (4PBT), phương pháp Hamburg Wheel-Tracking và quy trình kiểm định hư hỏng mặt đường.
  • Kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và nhà thầu thi công mặt đường ô tô: Tham khảo số liệu thực tế về nguyên nhân hư hỏng, sự phân bố tải trọng trục xe vượt tải và các chỉ dẫn lựa chọn mức độ thô của cấp phối chữ S kết hợp với các mác nhựa 40/50, 60/70, PMB III nhằm ngăn ngừa hiện tượng lún vệt bánh xe và nứt mỏi sớm.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu chuyên ngành giao thông: Cung cấp luận cứ thực tiễn phục vụ việc hoàn thiện, sửa đổi các văn bản quy phạm kỹ thuật như Quyết định 858/QĐ-BGTVT, Quyết định 1617/QĐ-BGTVT và quy trình thiết kế áo đường mềm 22 TCN 211-06.

Câu hỏi thường gặp

1. Ba dạng lún vệt bánh xe cơ bản của mặt đường bê tông nhựa được phân biệt như thế nào?

Theo cơ sở lý thuyết tổng kết trong luận án, có 3 dạng lún vệt bánh xe:

  • LVBX do chảy dẻo (Instability Rutting): Biến dạng lún xuất hiện trong phạm vi hẹp ở vệt bánh xe kèm theo mô dồn trồi dọc 2 bên, xảy ra trong lớp BTN ở độ sâu khoảng 10 cm do vật liệu không đủ cường độ kháng cắt $\tau = C + \sigma\tan\varphi$.
  • LVBX do kết cấu (Structural Rutting): Biến dạng lún phạm vi rộng, không có mô dồn trồi, do tích lũy biến dạng dẻo trong các lớp móng hoặc nền đường khi kết cấu áo đường không đủ chiều dày/cường độ chịu tải lặp.
  • LVBX lớp mặt (Surface/Wear Rutting): Biến dạng lún phạm vi hẹp, không trồi, do khiếm khuyết thi công không đạt độ chặt dẫn đến hiện tượng đầm nén thứ cấp khi xe chạy.

2. Tải trọng trục xe thực tế cân được tại các dự án khảo sát vượt tiêu chuẩn thiết kế như thế nào?

Kết quả cân tải trọng xác suất tại hiện trường cho thấy mức độ vượt tải nghiêm trọng so với tải trọng trục tiêu chuẩn thiết kế là 10 tấn:

  • QL1A (Hà Nam – Ninh Bình): Tải trọng trục lớn nhất đạt 21,81 tấn; trục $>10\text{ tấn}$ chiếm 25,71%, trục $>12\text{ tấn}$ chiếm trên 23%.
  • QL1A (Ninh Bình – Thanh Hóa): Tải trọng trục lớn nhất đạt 27,23 tấn; trục $>12\text{ tấn}$ chiếm trên 15%.
  • QL1A (Tuyến tránh Vinh): Tải trọng trục lớn nhất đạt 29,98 tấn; trục $>12\text{ tấn}$ chiếm tới 50,87%.
  • QL3 cũ: Tải trọng trục lớn nhất đạt 27,07 tấn; trục $>12\text{ tấn}$ chiếm trên 33%.

3. Kết quả kiểm định các chỉ tiêu cơ lý Marshall trên mẫu bê tông nhựa tại 11 dự án cho thấy những tồn tại gì?

Kết quả thí nghiệm mẫu chế bị từ các dự án bị sự cố ghi nhận tỷ lệ không đạt yêu cầu cao:

  • Độ ổn định Marshall: 15% mẫu lớp trên và 8,5% mẫu lớp dưới không đạt.
  • Độ dẻo Marshall: 21,7% mẫu lớp trên và 8,2% mẫu lớp dưới không đạt.
  • Độ rỗng dư: 58,9% mẫu lớp trên và 46,2% mẫu lớp dưới không đạt (chỉ tiêu có tỷ lệ sai lỗi cao nhất, chiếm xấp xỉ một nửa đến hơn nửa số mẫu).
  • Độ ổn định còn lại: 7,7% mẫu lớp trên và 8,3% mẫu lớp dưới không đạt.

4. Vì sao việc lạm dụng "cấp phối quá thô" khi thiết kế bê tông nhựa lại gây tác động bất lợi cho mặt đường?

Khi nhà thầu chọn cấp phối quá thô (vượt quá mức kiểm soát của đường cong chữ S), hỗn hợp bê tông nhựa sẽ bị phân bố cốt liệu không đồng đều và hàm lượng nhựa đường bị suy giảm dưới mức tối ưu. Lượng vữa nhựa quá ít làm cho độ rỗng cốt liệu (VMA) không phù hợp, dẫn đến mặt đường bị rỗ tổ ong, dễ thấm nước, giảm khả năng liên kết dính bám, tăng nhanh tốc độ hóa già của bitum và làm cho bê tông nhựa trở nên cứng, giòn, dễ phát sinh nứt mỏi sớm và bong tróc bề mặt.

5. Giới hạn độ sâu lún vệt bánh xe trong phòng theo Quyết định 1617/QĐ-BGTVT được quy định ra sao?

Quy định kỹ thuật tại Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT đối với phương pháp thử Wheel Tracking ngâm trong nước ở 50°C (Phương pháp A) quy định:

  • Bê tông nhựa chặt sử dụng nhựa đường thông thường (TCVN 8819:2011): Chiều sâu lún vệt bánh xe $RD_W \le 12,5\text{ mm}$ sau 15.000 lần tác dụng tải.
  • Bê tông nhựa sử dụng nhựa đường cải thiện polime (22 TCN 356:2006): Chiều sâu lún vệt bánh xe $RD_W \le 12,5\text{ mm}$ sau 40.000 lần tác dụng tải.

Kết luận

Luận án tiến sĩ đã giải quyết vấn đề kỹ thuật cấp bách liên quan đến hiện tượng hư hỏng lún vệt bánh xe và nứt mỏi của mặt đường bê tông nhựa trên các tuyến quốc lộ có quy mô giao thông lớn tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp giữa tổng quan lý thuyết cơ học, phân tích chuyên sâu các dữ liệu kiểm định hiện trường và quy hoạch thực nghiệm phòng thí nghiệm, tác giả đã chứng minh rõ các nguyên nhân gây sự cố bắt nguồn từ tổ hợp bất lợi giữa xe quá tải nghiêm trọng, nhiệt độ mặt đường mùa hè lên tới gần 70°C, sai số phê duyệt mô đun đàn hồi kết cấu và các khiếm khuyết trong thi công độ rỗng dư, chiều dày. Công trình cung cấp các luận cứ khoa học thực tiễn xác đáng để tối ưu hóa cấp phối thô theo đường cong chữ S tương thích với từng mác nhựa (40/50, 60/70, PMB III), đóng góp trực tiếp cho công tác thiết kế, thi công và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn mặt đường ô tô tại Việt Nam.