Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Cấp Phối Hở Cho Lớp Phủ Mỏng Bê Tông Nhựa Phù Hợp Điều Kiện Phía Nam

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng nghiên cứu cấp phối hở cho lớp phủ mỏng bê tông nhựa phù hợp điều kiện phía nam, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Tấn Bá
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô và đường thành phố
• Đề tài: Nghiên cứu cấp phối hở cho lớp phủ mỏng bê tông nhựa phù hợp điều kiện phía Nam
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu cấp phối hở cho lớp phủ mỏng bê tông nhựa phù hợp điều kiện phía Nam là một đề tài quan trọng trong lĩnh vực xây dựng đường bộ. Lớp phủ mỏng bê tông nhựa có độ nhám cao giúp tăng khả năng chống trơn trượt, thoát nước nhanh và giảm tiếng ồn khi xe chạy. Điều này đặc biệt cần thiết trong điều kiện thời tiết ẩm ướt và mưa nhiều ở phía Nam Việt Nam. Việc áp dụng công nghệ này đã được triển khai trên các tuyến đường cao tốc như Sài Gòn-Trung Lương, Cầu Giẽ-Ninh Bình, và đang được mở rộng trên các tuyến đường mới như TP HCM - Long Thành - Dầu Giây. Cấp phối hở và lớp phủ mỏng là hai yếu tố chính giúp tối ưu hóa hiệu quả của bê tông nhựa trong điều kiện địa phương.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là xác định thành phần vật liệu hợp lý cho bê tông nhựa tạo nhám với cấp phối hở, độ rỗng dư từ 18% đến 25%. Điều này giúp làm chủ công nghệ thiết kế, sản xuất và thi công lớp phủ mỏng bê tông nhựa tại Việt Nam. Nghiên cứu cũng nhằm đánh giá và so sánh các loại cấp phối bê tông nhựa khác nhau để tìm ra giải pháp tối ưu nhất.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là cấp phối hở cho lớp phủ mỏng bê tông nhựa có độ rỗng lớn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng quan về bê tông nhựa tạo nhám trên thế giới và tại Việt Nam, thiết kế cấp phối bê tông nhựa hở tạo nhám 12,5mm, và đánh giá chất lượng thực nghiệm của các loại cấp phối này.

II. Tổng quan về bê tông nhựa và cấp phối hở

Bê tông nhựa là hỗn hợp vật liệu bao gồm đá, cát, bột khoáng và nhựa đường, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường bộ. Cấp phối hở là loại bê tông nhựa có độ rỗng lớn, giúp thoát nước nhanh và tăng độ nhám bề mặt. Điều này đặc biệt quan trọng trong điều kiện thời tiết ẩm ướt và mưa nhiều. Công nghệ bê tông nhựa hiện đại đã phát triển nhiều loại cấp phối khác nhau, bao gồm cấp phối chặt, cấp phối gián đoạn và cấp phối hở. Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với từng điều kiện cụ thể.

2.1. Phân loại bê tông nhựa

Bê tông nhựa được phân loại theo độ rỗng dư, đặc tính cấp phối và cỡ hạt danh định. Cấp phối hở có độ rỗng dư lớn, thường từ 12% đến 16%, phù hợp làm lớp móng hoặc lớp phủ mặt đường. Bê tông nhựa tạo nhám (OGFC) là loại cấp phối hở được sử dụng phổ biến trên thế giới, giúp tăng khả năng kháng trượt và giảm tiếng ồn khi xe chạy.

2.2. Thành phần và cấu trúc bê tông nhựa

Thành phần chính của bê tông nhựa bao gồm đá dăm, cát, bột khoáng và nhựa đường. Cấu trúc vi mô, trung gian và vĩ mô của bê tông nhựa quyết định tính chất cơ lý của vật liệu. Cấp phối hở có cấu trúc vĩ mô với độ rỗng lớn, giúp thoát nước nhanh và tăng độ nhám bề mặt.

III. Thiết kế cấp phối hở cho bê tông nhựa tạo nhám

Thiết kế cấp phối hở cho bê tông nhựa tạo nhám là quá trình xác định tỷ lệ các thành phần vật liệu để đạt được độ rỗng và độ nhám mong muốn. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế cấp phối bê tông nhựa hở tạo nhám 12,5mm với vật liệu đá dăm và nhựa polime. Các thí nghiệm như độ ổn định Marshall, mô đun đàn hồi, và độ nhám mặt đường được thực hiện để đánh giá chất lượng của cấp phối. Kết quả cho thấy cấp phối BTNNC12,5 có độ nhám và thoát nước tốt hơn so với các loại cấp phối khác.

3.1. Quy trình thiết kế cấp phối

Quy trình thiết kế cấp phối hở bao gồm việc lựa chọn vật liệu, xác định tỷ lệ phối trộn và thực hiện các thí nghiệm kiểm tra. Các chỉ tiêu kỹ thuật như độ ổn định Marshall, mô đun đàn hồi và độ nhám mặt đường được sử dụng để đánh giá chất lượng của cấp phối.

3.2. Kết quả thí nghiệm và đánh giá

Kết quả thí nghiệm cho thấy cấp phối hở BTNNC12,5 có độ nhám và thoát nước tốt hơn so với các loại cấp phối khác. Điều này mở ra hướng ứng dụng cấp phối có kích thước Dmax=19mm tại Việt Nam, phù hợp với điều kiện thời tiết và vật liệu địa phương.

IV. Ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng bê tông nhựa tạo nhám với cấp phối hở tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu giúp làm chủ công nghệ thiết kế và sản xuất lớp phủ mỏng bê tông nhựa, đáp ứng nhu cầu xây dựng các tuyến đường cao tốc và đường cấp cao. Cấp phối hở BTNNC12,5 được đánh giá là phù hợp với điều kiện thời tiết và vật liệu tại phía Nam Việt Nam, giúp tăng độ an toàn và hiệu quả khai thác đường bộ.

4.1. Ứng dụng trong xây dựng đường bộ

Cấp phối hở BTNNC12,5 có thể được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng các tuyến đường cao tốc và đường cấp cao tại Việt Nam. Độ nhám và khả năng thoát nước tốt của cấp phối này giúp tăng độ an toàn và hiệu quả khai thác đường bộ.

4.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học trong việc xác định thành phần vật liệu hợp lý cho bê tông nhựa tạo nhám, mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc làm chủ công nghệ thiết kế và sản xuất lớp phủ mỏng bê tông nhựa tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu  Chương 2: Tổng quan  Chương 3: Thiết kế cấp phối bê tông nhựa hở tạo nhám Dmax=19mm  Chương 4: So sánh đánh giá chất lượng các loại cấp phối bê tông nhựa tạo nhám.  Chương 5: Kết luận và kiến nghị. Luận văn có các nội dung chính thể hiện trong toán đồ Hình 1.1 sau: NGHIÃN CÆÏU CÁÚP PHÄÚIHÅÍCHO LÅÏP PHUÍMOÍNG BÃ TÄNG NHÆÛA PHUÌHÅÜP ÂIÃÖU KIÃÛN PHÊA NAM KIÃØ M TRA CHÈTIÃU CÅ LYÏNHÆÛA KIÃØ M TRA CHÈTIÃU CÅ LYÏÂAÏDÀM KIÃØ M TRA CHÈTIÃU CÅ LYÏBÄÜTKHOAÏNG THIÃÚTKÃÚBÃ TÄNG NHÆAÛCÁÚP PHÄÚIHÅÍTAÛO NHAÏM Dmax=19 mm SO SAÏNH BÃ TÄNG NHÆÛA CÁÚP PHÄÚIHÅÍDmax=19mm ÂÃÖTAÌI NGHIÃN CÆÏU VÅÏI CÁÚP PHÄÚIBÃ TÄNG NHÆÛA TAÛO NHAÏM THEO [17] VAÌCÁÚP PHÄÚIBÃ TÄNG NHÆÛA TAÛO NHAÏM THEO [9],[18]. CAÏC CHÈTIÃU CÁÖN SO SAÏNH: - THÊNGHIÃÛM MÄ ÂUN ÂAÌN HÄÖ I VÁÛTLIÃÛU [14] - THÊNGHIÃÛM CÆÅÌNG ÂÄÜCHËU KEÏO GIAÏN TIÃÚP [20] - THÊNGHIÃÛM ÂÄÜÄØN ÂËNH MARSHALL [13] - THÊNGHIÃÛM ÂÄÜNHAÏM MÀÛTÂÆÅÌNG [23] - THÊNGHIÃÛM KIÃØM TRA HÃÛSÄÚTHÁÚM NÆÅÏC [24] - THÊNGHIÃÛM XAÏC ÂËNH ÂÄÜMAÌI MOÌN CANTABRO [24].1 Nội dung luận văn nghiên cứu -4- CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Bê tông nhựa thông thường – Yêu cầu vật liệu chế tạo 2.1 Giới thiệu bê tông nhựa Bê tông nhựa hay bê tông asphalt là một hỗn hợp vật liệu bao gồm: đá, cát, bột khoáng và phụ gia (nếu có) được phối hợp với nhau theo một tỉ lệ hợp lý để tạo một cấp phối tốt nhất, được trộn nóng hoặc nguội với nhựa theo một chế độ nhất định trong trạm trộn rồi được rải nóng (đối với bê tông nhựa trộn nóng) ở nhiệt độ thích hợp và lu lèn [13],[21].

Trong đó:  Đá dăm và cát là bộ khung chịu lực, tăng tính ổn định của bê tông nhựa. Làm cho bê tông nhựa có khả năng chịu tác dụng của ngọai lực và tạo độ nhám cho bề mặt đường.  Cát : đóng vai trò lấp đầy các lỗ rỗng giữa các hạt đá dăm, nó sẽ cùng với đá dăm làm thành bộ khung chủ yếu của bê tông nhựa  Bột khoáng đóng vai trò là thành phần rất quan trọng trong hỗn hợp bê tông nhựa, nó vai trò lấp đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu lớn ( cát, đá dăm hay sỏi ) không những làm tăng độ đặc của hỗn hợp mà còn làm tăng nhanh tỷ diện bề mặt các cốt liệu , làm cho màng bitum trên mặt hạt khoáng vật càng mỏng và như thế sẽ làm lực tương tác của nó tăng lên, cường độ và độ bền của bê tông nhựa cũng tăng.  Bitum là chất kết dính hữu cơ có khả năng dính kết các vật liệu khoáng vật tạo một hỗn hợp chịu lực mới.

 Phụ gia: có vai trò trong việc cải thiện một số tính chất nào đó trong bê tông nhựa như làm tăng tính dẻo, tính ổn định với nhiệt v. Thường phụ gia được thêm vào để cải tiến một số tính chất của bitum như : Bitum có pha thêm lưu huỳnh, Bitum có pha thêm cao su, Bitum có pha thêm -5- mangan hữu cơ.  Như vậy ta có thể thấy rằng cường độ của bê tông nhựa được hình thành trên cơ sở nguyên lý hình thành cường độ của hỗn hợp vật liệu theo nguyên tắc cấp phối với chất kết dính là nhựa đường.2 Các loại cấp phối bê tông nhựa  Bê tông nhựa cấp phối chặt (Dense-graded):[13] Loại BTN sử dụng cấp phối cốt liệu có lượng hạt thô, hạt trung gian và hạt mịn gần tương đương nhau, tạo điều kiện để khi đầm nén các hạt cốt liệu dễ chặt khít với nhau nhất. Thường được gọi là BTN chặt.

BTN chặt có độ rỗng dư nhỏ, thường từ 3-6%.  Bê tông nhựa cấp phối gián đoạn (Gap-graded): [13] Loại BTN sử dụng cấp phối cốt liệu có lượng hạt thô và lượng hạt mịn lớn, nhưng lượng hạt trung gian rất nhỏ. Đường cong cấp phối cốt liệu của loại BTN này có xu thế gần nằm ngang tại vùng cỡ hạt trung gian. Cấp phối cốt liệu này tạo khả năng để các hạt cốt liệu thô chèn móc tốt với nhau, tuy nhiên có xu thế dễ bị phân tầng trong quá trình rải.

BTN cấp phối gián đoạn thường có độ rỗng dư lớn hơn so với BTN chặt.  Bê tông nhựa cấp phối hở (Open-graded): [13] Loại BTN sử dụng cấp phối cốt liệu cấp phối có lượng hạt mịn chiếm một tỷ lệ nhỏ trong hỗn hợp. Đường cong cấp phối loại này có xu thế gần thẳng đứng tại vùng hạt cốt liệu trung gian, gần nằm ngang và có giá trị gần bằng không (0) tại vùng hạt cốt liệu mịn. Loại BTN này có độ rỗng dư lớn do không đủ lượng hạt mịn lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt thô.

Thường được gọi là BTN rỗng. BTN rỗng có độ rỗng dư lớn nhất so với BTN chặt và BTN cấp phối gián đoạn. Loại BTN rỗng làm lớp móng (base course), thường không sử dụng bột khoáng, có độ rỗng dư từ 12% đến 16%. -6-  Bê tông nhựa có độ nhám cao (Open Graded Friction Course Asphalt- OGFCA): [13] Loại BTN sử dụng làm lớp phủ mặt đường, có tác dụng ngăn ngừa hiện tượng văng nước gây ra khi xe chạy với tốc độ cao, tăng khả năng kháng trượt mặt đường và giảm đáng kể tiếng ồn khi xe chạy.

Thường sử dụng loại BTN rỗng, có độ rỗng dư 15-22% (Open graded friction course –OGFC hoặc Porous friction course-PFC) hoặc BTN cấp phối gián đoạn, có độ rỗng dư 10-15% (Very thin friction course-VTO). Cần sử dụng nhựa đường cải thiện để chế tạo loại BTN này.  Hỗn hợp đá- vữa nhựa (Stone matrix asphalt hoặc Stone mastic asphalt - SMA): [13] Là loại BTN sử dụng cấp phối gián đoạn. Hỗn hợp BTN này bao gồm nhựa đường, cốt liệu và cốt sợi (fiber).

SMA thường sử dụng lượng bột khoáng và nhựa đường nhiều hơn so với BTN cấp phối chặt. Độ rỗng dư của SMA có phạm vi rộng, từ 2-8%, tùy thuộc vào việc sử dụng SMA làm lớp mặt hoặc lớp móng.3 Phân loại bê tông nhựa 2.1 Theo độ rỗng còn dư Theo độ rỗng dư, BTN thường được phân thành các loại [13]:  BTN chặt, có độ rỗng dư từ 3% - 6%.  BTN rỗng, bao gồm các loại BTN có độ rỗng dư lớn hơn 6 %.2 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 [13]:  BTN có cấp phối chặt (dense graded mix).  BTN có cấp phối gián đoạn (gap graded mix).

-7-  BTN có cấp phối hở (open graded mix).3 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) [13].4 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 [13]:  BTN 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 BTN này được phủ trên mặt BTN, ngay sau khi thi công các lớp BTN phía dưới hoặc được phủ sau này, khi nâng cấp mặt đường.  BTN dùng làm lớp mặt (surface course mixture), bao gồm:  BTN dùng làm lớp mặt trên (wearing course mixture): thường sử dụng BTN chặt.  BTN dùng làm lớp mặt dưới (binder course mixture): thường sử dụng BTN chặt.

 BTN 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 lo ại cát này.4 Cấu trúc của bê tông nhựa  Cấu trúc vi mô: gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết asphalt.  Cấu trúc trung gian: gồm cát và các chất liên kết asphalt tạo thành vữa asphalt.  Cấu trúc vĩ mô: gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa.  Về cấu trúc vi mô: thấy rõ quan hệ số lượng, sự bố trí và tương tác giữa bitum và bột khoáng – thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa.

Cường độ bê tông nhựa biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào hàm lượng bột khoáng, vào tỉ số nhựa bitum và bột khoáng. Khi lượng nhựa nhiều, bột khoáng ít, các hạt bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc trực tiếp với nhau. Khi bột khoáng tăng lên tỉ lệ bitum/bột khoáng giảm, đến lúc lượng nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng và các hạt tiếp xúc với nhau có định hướng, nếu tiếp tục tăng bột khoáng lên nữa, bitum sẽ không đủ để tạo màng bọc khắp các hạt, khi đó cấu trúc vi mô sẽ tăng lỗ rỗng, các hạt không liên kết được với nhau, cường độ sẽ giảm.  Cấu trúc trung gian: khi đưa cát vào chất liên kết asphalt để tạo thành vữa asphalt thì sẽ làm giảm cường độ của hệ thống vì cát đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp.

Cấu trúc trung gian cũng ảnh hưởng khá lớn đến cường độ, độ biến dạng, độ chặt và các tính chất khác nhau của bê tông nhựa.  Cấu trúc vĩ mô: cốt liệu đá được bao bọc bởi bitum nhựa đường là một yếu tố cơ bản để làm thành cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa. Cấu trúc này được xác định bằng quan hệ số lượng, vị trí tương hỗ, độ lớn của đá dăm. Đá dăm được liên kết với nhau thành một khối sườn không gian trong vữa asphalt [22].5 Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa Các thành phần vật liệu cơ bản của hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm các cốt liệu hạt thô (đá dăm) và hạt mịn (cát) có thành phần cỡ hạt tuân theo một quy luật nhất định, nhựa đường (bi tum) và bột khoáng (bột đá vôi, xi măng…).

Các tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và chất lượng tương tác giữa cốt liệu và chất liên kết [12].  Cốt liệu: bao gồm cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt mịn với chức năng tạo bộ khung chịu lực cho hỗn hợp.