Nghiên cứu sử dụng vật liệu lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon để giảm thiểu vệt hằn bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa luận văn thạc sỹ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Nghiên cứu ứng dụng lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon giảm vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa, luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng giao thông.

• Tác giả: Phùng Tuyên Quý
• Người hướng dẫn: Pgs.ts Lê Văn Bách
• Đề tài: Nghiên cứu giảm vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa bằng lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp cao học

Mục lục chi tiết

• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ GIA CƯỜNG CHO BÊ TÔNG ASPHALT
• 1.1. Bê Tông Asphalt
• 1.1.1. Tổng quan về Bê tông nhựa (BTN)
• 1.1.2. Cấu trúc của BTN và nguyên lý hình thành cường độ của mặt đường BTN
• 1.1.2.1. Cấu trúc của BTN
• 1.1.2.2. Nguyên lý hình thành cường độ của mặt đường BTN
• 1.1.3. Phân loại Bê tông asphalt
• 1.1.4. Các yêu cầu chung đối với Bê tông asphalt
• 1.1.5. Các tính chất của BTN
• 1.1.6. Ưu nhược điểm mặt đường BTN và Đánh giá hiện trạng một số tuyến đường tại Việt Nam
• 2. Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng, xác định các chỉ tiêu của bê tông asphalt sử dụng lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon
• 3. Chương 3: Đánh giá khả năng sử dụng lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon để giảm thiểu vệt hằn bánh xe cho mặt đường bê tông asphalt
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc giảm vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa bằng cách sử dụng lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon. Hiện tượng lún vệt hằn bánh xe xảy ra phổ biến trên các tuyến đường chính tại Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận, đặc biệt là trên các tuyến đường như Đại lộ Đông Tây, Quốc lộ 22B, Quốc lộ 52, và Quốc lộ 1A. Nguyên nhân chính là do kết cấu áo đường chưa hợp lý, lớp móng trên làm bằng cấp phối đá dăm không đủ khả năng chịu tải với xe tải trọng lớn, dẫn đến lớp bê tông nhựa phía trên bị lún. Nghiên cứu này đề xuất sử dụng vật liệu composite như lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon để gia tăng cường độ và độ bền của bê tông nhựa, từ đó giảm thiểu hiện tượng lún vệt hằn bánh xe.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là giảm thiểu vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa bằng cách sử dụng lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon. Hai loại vật liệu này được kỳ vọng sẽ gia tăng cường độ và khả năng chịu lực của lớp bê tông nhựa, đặc biệt là trên các tuyến đường có nhiều xe tải trọng lớn. Nghiên cứu cũng nhằm đánh giá hiệu quả của các vật liệu này thông qua các thí nghiệm trong phòng, so sánh với bê tông nhựa thông thường.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là bê tông nhựa được gia cường bằng lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thí nghiệm trong phòng để xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa khi sử dụng hai loại vật liệu này. Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với bê tông nhựa thông thường để đưa ra các kết luận và đề xuất cụ thể.

II. Tổng quan về bê tông nhựa và vật liệu gia cường

Bê tông nhựa là vật liệu khoáng-bitum được sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường bộ. Nó bao gồm đá dăm, cát, bột khoáng, bitum, và phụ gia. Bê tông nhựa có độ đặc, cường độ, và độ ổn định cao, nhưng vẫn gặp phải vấn đề lún vệt hằn bánh xe khi chịu tải trọng lớn. Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu đề xuất sử dụng lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon như các vật liệu composite gia cường. Hai loại vật liệu này có khả năng tăng cường độ và độ bền của bê tông nhựa, giúp giảm thiểu hiện tượng lún vệt hằn bánh xe.

2.1. Cấu trúc và nguyên lý hình thành cường độ của bê tông nhựa

Cấu trúc của bê tông nhựa phụ thuộc vào tỷ lệ các vật liệu thành phần và độ chặt của hỗn hợp. Cường độ của bê tông nhựa được hình thành nhờ lực ma sát giữa các hạt cốt liệu và lực dính giữa bitum và cốt liệu. Lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon được kỳ vọng sẽ tăng cường lực dính và lực ma sát, từ đó nâng cao cường độ và độ ổn định của bê tông nhựa.

2.2. Phân loại và tính chất của bê tông nhựa

Bê tông nhựa được phân loại theo nhiệt độ thi công, độ đặc, và kích thước hạt cốt liệu. Các tính chất cơ học của bê tông nhựa bao gồm cường độ, độ ổn định, và khả năng chịu biến dạng. Việc sử dụng lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon có thể cải thiện các tính chất này, đặc biệt là khả năng chịu tải trọng lớn và chống lại hiện tượng lún vệt hằn bánh xe.

III. Phương pháp nghiên cứu và kết quả thí nghiệm

Nghiên cứu được thực hiện thông qua các thí nghiệm trong phòng để đánh giá hiệu quả của lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon trong việc gia cường bê tông nhựa. Các mẫu bê tông nhựa được chế tạo với và không có hai loại vật liệu này, sau đó được thử nghiệm để xác định các chỉ tiêu kỹ thuật như cường độ, độ ổn định, và khả năng chịu tải. Kết quả thí nghiệm cho thấy lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon giúp tăng cường độ và giảm thiểu hiện tượng lún vệt hằn bánh xe đáng kể so với bê tông nhựa thông thường.

3.1. Quy trình thí nghiệm

Các mẫu bê tông nhựa được chế tạo với tỷ lệ lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon khác nhau. Các mẫu này được thử nghiệm để xác định cường độ, độ ổn định, và khả năng chịu tải. Quy trình thí nghiệm bao gồm việc đầm nén mẫu, đo độ lún, và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế.

3.2. Kết quả và đánh giá

Kết quả thí nghiệm cho thấy lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon giúp tăng cường độ của bê tông nhựa lên đến 20-30%. Hiện tượng lún vệt hằn bánh xe cũng được giảm thiểu đáng kể, đặc biệt là trên các tuyến đường có nhiều xe tải trọng lớn. Các kết quả này chứng minh hiệu quả của vật liệu composite trong việc cải thiện chất lượng bê tông nhựa.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon trong việc giảm vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa. Hai loại vật liệu này giúp tăng cường độ và độ bền của bê tông nhựa, đặc biệt là trên các tuyến đường có nhiều xe tải trọng lớn. Nghiên cứu đề xuất áp dụng rộng rãi lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon trong xây dựng đường bộ để cải thiện chất lượng và tuổi thọ của bê tông nhựa.

4.1. Kết luận

Nghiên cứu đã thành công trong việc chứng minh hiệu quả của lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon trong việc giảm vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa. Hai loại vật liệu này giúp tăng cường độ và độ bền của bê tông nhựa, đặc biệt là trên các tuyến đường có nhiều xe tải trọng lớn.

4.2. Kiến nghị

Nghiên cứu đề xuất áp dụng rộng rãi lưới sợi thủy tinh và sợi cacbon trong xây dựng đường bộ. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa tỷ lệ và phương pháp sử dụng hai loại vật liệu này trong bê tông nhựa, đồng thời đánh giá hiệu quả lâu dài trong điều kiện thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng lún vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông asphalt (BTN) tại các tuyến đường chính của Thành phố Hồ Chí Minh và nhiều tỉnh thành như Đại lộ Đông Tây, Quốc lộ 22B, Quốc lộ 52, Quốc lộ 1A đang ngày càng nghiêm trọng. Theo khảo sát, các lớp móng trên làm bằng cấp phối đá dăm – vật liệu hở không đủ sức chịu tải với xe tải trọng lớn, dẫn đến lớp bê tông asphalt phía trên bị lún vệt bánh xe, làm giảm độ bằng phẳng và tuổi thọ mặt đường. Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng vật liệu lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon để gia tăng cường độ lớp bê tông asphalt, từ đó giảm thiểu hiện tượng lún vệt bánh xe, đặc biệt trên các tuyến đường có lưu lượng xe tải trọng nặng cao.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thí nghiệm trong phòng để xác định các chỉ tiêu cơ lý của bê tông asphalt có sử dụng lưới địa kỹ thuật, so sánh với bê tông asphalt truyền thống không gia cố. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng kết cấu mặt đường, kéo dài tuổi thọ công trình, giảm chi phí bảo trì và tăng an toàn giao thông. Theo ước tính, tuổi thọ trung bình của lớp phủ mặt đường bê tông asphalt hiện nay khoảng 10-15 năm, có thể kéo dài đến 20 năm nếu cải tiến kết cấu và vật liệu. Việc ứng dụng lưới sợi cacbon và thủy tinh hứa hẹn cải thiện đáng kể khả năng chịu lực và độ bền của mặt đường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về cấu trúc và tính chất cơ học của bê tông asphalt, trong đó:

• Cấu trúc bê tông asphalt: Là hỗn hợp khoáng-bitum gồm đá dăm, cát, bột khoáng và bitum dầu mỏ, có cấu trúc khung, bán khung hoặc không khung, ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ và độ ổn định của lớp mặt đường.
• Nguyên lý hình thành cường độ: Cường độ bê tông asphalt phụ thuộc vào lực ma sát giữa các hạt cốt liệu và lực dính giữa bitum với cốt liệu, trong đó lực dính bao gồm lực dính tương hỗ và lực dính phân tử.
• Lưới địa kỹ thuật: Bao gồm lưới sợi cacbon và lưới sợi thủy tinh, có tính chất cơ học vượt trội như độ bền kéo cao, mô đun đàn hồi lớn, khả năng kháng nứt và chịu nhiệt tốt, giúp gia cố và tăng cường độ cho lớp bê tông asphalt.

Các khái niệm chính gồm: bê tông asphalt, lưới địa kỹ thuật, lực ma sát, lực dính, mô đun đàn hồi, cường độ kéo uốn, biến dạng vĩnh cửu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm trong phòng và hiện trường:

• Nguồn dữ liệu: Mẫu bê tông asphalt loại C9,5 được thiết kế theo tiêu chuẩn TCVN 8819:2011, TCVN 8820:2011, với các tổ hợp mẫu có và không có lưới địa kỹ thuật (lưới sợi cacbon S&P Carbophalt G và lưới sợi thủy tinh S&P Glasphalt G).
• Phương pháp phân tích: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý như cường độ kéo uốn, cường độ chịu nén, độ giãn dài, ứng suất chịu kéo của lưới, so sánh hiệu quả gia cố của lưới địa kỹ thuật.
• Timeline nghiên cứu: Chuẩn bị mẫu, thí nghiệm trong phòng, thí nghiệm hiện trường, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp. Tổng số mẫu thí nghiệm là 15 mẫu, gồm 6 mẫu dầm 10x10x40cm và 9 mẫu dầm 5x5x20cm, lập phương 5x5x5cm.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên tiêu chuẩn thiết kế bê tông asphalt và tính đại diện cho các điều kiện thực tế mặt đường có lưu lượng xe tải trọng lớn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Gia tăng cường độ kéo uốn: Mẫu bê tông asphalt có sử dụng lưới địa kỹ thuật cho thấy cường độ kéo uốn trung bình đạt 0,82 kN, cao hơn 22,4% so với mẫu không sử dụng lưới (0,67 kN).
2. Ứng suất chịu kéo của lưới: Lưới sợi cacbon có ứng suất chịu kéo lên đến 240 kN/mm², gấp hơn 3 lần lưới sợi thủy tinh (73 kN/mm²), giúp tăng khả năng chịu lực và kháng nứt cho lớp bê tông asphalt.
3. Giảm ứng suất và biến dạng: Mô hình phần tử hữu hạn và thí nghiệm tại trung tâm EMPA (Thụy Sĩ) cho thấy lưới sợi cacbon giảm 33% ứng suất nén dưới tải trọng bánh xe, làm giảm biến dạng vĩnh cửu và nguy cơ hư hỏng mặt đường.
4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tải trọng: Lưới sợi cacbon duy trì khả năng kháng nứt và chịu tải tốt trong phạm vi nhiệt độ từ -10°C đến +10°C và các tốc độ biến dạng khác nhau, phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam.

Thảo luận kết quả

Kết quả thí nghiệm và mô phỏng cho thấy việc sử dụng lưới địa kỹ thuật, đặc biệt là lưới sợi cacbon, giúp phân bố lại ứng suất trong lớp bê tông asphalt, giảm tập trung ứng suất kéo và nén gây hư hỏng. So với bê tông asphalt truyền thống, lớp bê tông có gia cố lưới có độ bền kéo uốn cao hơn, giảm thiểu hiện tượng nứt mỏi và lún vệt bánh xe. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế tại Đức, Thụy Sĩ và Nhật Bản, nơi lưới địa kỹ thuật đã được ứng dụng thành công để tăng tuổi thọ mặt đường.

Việc giảm ứng suất và tăng cường độ chịu lực giúp kéo dài chu kỳ bảo trì, giảm chi phí sửa chữa và hạn chế ùn tắc giao thông do sửa chữa mặt đường. Ngoài ra, lưới sợi cacbon còn có ưu điểm nhẹ, chịu nhiệt tốt và không bị ăn mòn điện hóa, phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới và tải trọng xe ngày càng tăng tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh cường độ kéo uốn giữa các mẫu, bảng thống kê ứng suất chịu kéo của lưới, và mô hình ứng suất phân bố dưới tải trọng bánh xe với và không có lưới gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng lưới sợi cacbon trong thiết kế mặt đường bê tông asphalt: Tăng cường độ chịu lực và giảm hiện tượng lún vệt bánh xe, đặc biệt trên các tuyến đường có lưu lượng xe tải trọng lớn. Thời gian áp dụng: trong các dự án nâng cấp, sửa chữa mặt đường trong 1-3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Bộ Giao thông Vận tải, các đơn vị thiết kế và thi công.
2. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế và thi công: Bổ sung quy định sử dụng lưới địa kỹ thuật trong tiêu chuẩn TCVN về thiết kế áo đường bê tông asphalt, đảm bảo phù hợp với điều kiện khí hậu và tải trọng xe tại Việt Nam. Thời gian: 2 năm. Chủ thể: Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải, Tổng cục Đường bộ Việt Nam.
3. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công: Trang bị kỹ thuật, máy móc và đào tạo chuyên môn cho nhà thầu thi công lưới địa kỹ thuật, đảm bảo chất lượng thi công và hiệu quả gia cố. Thời gian: liên tục, ưu tiên trong 1-2 năm đầu. Chủ thể: các nhà thầu xây dựng, Ban Quản lý dự án.
4. Kiểm soát tải trọng xe và bảo trì thường xuyên: Tăng cường kiểm tra, xử lý xe quá tải, phối hợp với các giải pháp kỹ thuật để giảm áp lực lên mặt đường, kéo dài tuổi thọ công trình. Thời gian: ngay lập tức và duy trì lâu dài. Chủ thể: Tổng cục Đường bộ Việt Nam, các cơ quan quản lý giao thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý giao thông và cơ quan quản lý đường bộ: Nắm bắt giải pháp kỹ thuật mới để nâng cao chất lượng mặt đường, giảm chi phí bảo trì và tăng an toàn giao thông.
2. Các đơn vị thiết kế và tư vấn xây dựng giao thông: Áp dụng kiến thức về lưới địa kỹ thuật trong thiết kế kết cấu mặt đường bê tông asphalt phù hợp với điều kiện thực tế.
3. Nhà thầu thi công và cung cấp vật liệu xây dựng: Hiểu rõ đặc tính vật liệu lưới sợi cacbon, thủy tinh và quy trình thi công để đảm bảo chất lượng công trình.
4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng cầu đường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thí nghiệm và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực bê tông asphalt và vật liệu composite.

Câu hỏi thường gặp

1. Lưới địa kỹ thuật có tác dụng gì trong bê tông asphalt?
   Lưới địa kỹ thuật như sợi cacbon và thủy tinh giúp gia cố lớp bê tông asphalt, tăng cường độ chịu kéo uốn, giảm ứng suất tập trung và hạn chế nứt, lún vệt bánh xe, từ đó kéo dài tuổi thọ mặt đường.

2. Sự khác biệt giữa lưới sợi cacbon và lưới sợi thủy tinh là gì?
   Lưới sợi cacbon có ứng suất chịu kéo cao hơn gấp 3 lần so với lưới sợi thủy tinh, khả năng kháng nứt và chịu lực tốt hơn, phù hợp cho các tuyến đường có tải trọng lớn.

3. Phương pháp thí nghiệm nào được sử dụng để đánh giá hiệu quả lưới địa kỹ thuật?
   Thí nghiệm kéo uốn, chịu nén trên mẫu bê tông asphalt có và không có lưới, cùng với mô phỏng phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất và biến dạng dưới tải trọng bánh xe.

4. Lưới địa kỹ thuật có ảnh hưởng như thế nào đến chi phí xây dựng?
   Mặc dù chi phí ban đầu có thể cao hơn, nhưng việc sử dụng lưới giúp giảm độ dày lớp bê tông asphalt cần thiết, kéo dài tuổi thọ mặt đường và giảm chi phí bảo trì, mang lại lợi ích kinh tế tổng thể.

5. Lưới sợi cacbon có phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam không?
   Có, lưới sợi cacbon duy trì khả năng chịu lực và kháng nứt tốt trong phạm vi nhiệt độ từ -10°C đến +10°C, phù hợp với biến động nhiệt độ và tải trọng xe tại Việt Nam.

Kết luận

• Lưới địa kỹ thuật, đặc biệt là lưới sợi cacbon, giúp tăng cường độ chịu kéo uốn của bê tông asphalt lên khoảng 22%, giảm ứng suất và biến dạng dưới tải trọng bánh xe.
• Việc gia cố bằng lưới sợi cacbon làm giảm 33% ứng suất nén trong lớp bê tông asphalt, hạn chế hiện tượng lún vệt bánh xe và nứt mỏi.
• Ứng dụng lưới địa kỹ thuật phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới và tải trọng xe ngày càng tăng tại Việt Nam, góp phần kéo dài tuổi thọ mặt đường từ 10-15 năm lên đến 20 năm.
• Cần cập nhật tiêu chuẩn thiết kế, nâng cao năng lực thi công và kiểm soát tải trọng xe để phát huy hiệu quả giải pháp này.
• Khuyến nghị các cơ quan quản lý, nhà thiết kế, thi công và nghiên cứu tiếp tục triển khai và hoàn thiện ứng dụng lưới địa kỹ thuật trong xây dựng và bảo trì mặt đường bê tông asphalt.

Hành động tiếp theo là triển khai thí điểm ứng dụng lưới sợi cacbon trên các tuyến đường trọng điểm, đồng thời tổ chức đào tạo và hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật để nhân rộng giải pháp này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ GIA CƯỜNG CHO BÊ TÔNG ASPHALT 1.1 Bê Tông Asphalt 1.1 Tổng quan về Bê tông nhựa (BTN) [9]: Bê tông asphalt là vật liệu khoáng–bitum xây dựng đường, nhận được khi làm đặc hỗn hợp bê tông asphalt. Hỗn hợp bê tông asphalt bao gồm đá dăm (hoặc sỏi), cát, bột khoáng, bitum dầu mỏ, phụ gia. Hỗn hợp được thiết kế hợp lý và gia nhiệt từ 120–1600C. Thành phần của bê tông asphalt theo khối lượng thông thường như sau: đá dăm: 20–65%; cát: 30–66%; bột khoáng: 4–14%; bitum: 5–7%; và phụ gia tuỳ theo kết quả thí nghiệm.

Trên cơ sở kết dính hữu cơ (bitum, guđrông, nhũ tương) trong xây dựng đường thường dùng các vật liệu hỗn hợp khoáng và chất kêt dính hữu cơ. Phổ biến nhất và có chất lượng cao nhất từ vật liệu khoáng–bi tum là bê tông asphalt. Bê tông asphalt là sản phẩm nhận được khi làm đặc và rắn chắc hỗn hợp asphalt–bê tông. Hỗn hợp bê tông asphalt bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng và bi tum được lựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn và gia công thành một hỗn hợp đồng nhất.

Cốt liệu lớn làm tăng khối lượng hỗn hợp, làm giảm giá thành của bê tông asphalt và tăng cường độ và độ ổn định. Cốt liệu nhỏ khi trộn với bitum tạo thành vữa asphalt làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, ảnh hưởng đến khả năng làm việc và phạm vi ứng dụng của bê tông asphalt. Bột khoáng làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ làm hỗn hợp đặc hơn và tăng tỷ lệ bề mặt của các cốt liệu, nó kết hợp với bitum tạo nên chất kết dính mới bao bọc và bôi trơn HVTH: Phùng Tuyên Quý Lớp: CH XDĐÔTÔ& ĐTP K20.2 Luận văn tốt nghiệp cao học -4- GVHD: PGS.TS LÊ VĂN BÁCH bề mặt cốt liệu. Chất lượng của bê tông asphalt phụ thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ quánh/ nhớt của bitum.

Bê tông asphalt là tốt nhất so với các hỗn hợp vật liệu khoáng–bitum khác ở chỗ nó có độ đặc, cường độ, độ ổn định và độ bền cao do sự tham gia của bột khoáng trong thành phần. Bê tông asphalt được sử dụng làm lớp phủ mặt đường có lượng giao thông cao như đường cao tốc, đường thành phố và sân bay. Bê tông asphalt đòi hỏi kết cấu phía dưới có độ cứng cao để đảm bảo không bị nứt gẫy trong quá trình khai thác. Đồng thời việc cải tiến độ nhám để đảm bảo cho xe chạy với tốc độ cao là vấn đề còn đang tiếp tục nghiên cứu.

Cường độ và độ ổn định của bê tông asphalt được hình thành nhờ sự liên kết giữa cốt liệu với bột khoáng và bitum. Thành phần của bêtông asphalt có thể được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn của Viện Asphalt Hoa Kỳ. Thành phần hỗn hợp vật liệu khoáng theo các tiêu chuẩn này về căn bản là giống nhau. Tuy nhiên, vấn đề lượng bitum tối ưu còn có những điểm chưa thống nhất.

Các tính chất của bê tông asphalt phụ thuộc vào nhiệt độ thi công và nhiệt độ khai thác. Theo các tài liệu quốc tế thì bê tông asphalt có thể khai thác ở nhiệt độ từ –500C đến +600C. Các giải pháp để tăng cường độ ổn định nhiệt của bê tông asphalt cần đặc biệt lưu ý khi sử dụng bê tông asphalt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Trong quá trình khai thác bê tông asphalt chịu ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và thời tiết nên nó bị già đi, nứt nẻ, bị mài mòn và biến dạng làm giảm tuổi thọ khai thác của bê tông asphalt.

Tuổi thọ trung bình của các lớp phủ mặt đường bằng bê tông asphalt khoảng 10 đến 15 năm. Trong điều kiện thiết kế, thi công, bảo dưỡng và khai thác hợp lý thì tuổi thọ tối đa có thể đạt đến 20 năm. Yêu cầu về thành phần hỗn hợp, tính chất của bê tông asphalt và phương pháp thiết kế thành phần đã được ghi rõ trong tiêu chuẩn TCVN và HVTH: Phùng Tuyên Quý Lớp: CH XDĐÔTÔ& ĐTP K20.2 Luận văn tốt nghiệp cao học -5- GVHD: PGS.TS LÊ VĂN BÁCH TCN GTVT. Có thể tham khảo tiêu chuẩn 9128–84 hoặc 2.02–85 hoặc 12801–84 của Nga; tiêu chuẩn của Viện Asphalt Hoa Kỳ.

Bê tông asphalt đã được sử dụng để xây dựng khoảng 50% các con đường trên toàn thế giới và khoảng 15% các con đường ở Việt Nam. Bê tông asphalt còn có thể sử dụng làm vỉa hè, khu vui chơi giải trí, công trình thể thao và các công trình thuỷ lợi. Bê tông asphalt chủ yếu có màu đen nhưng trong điều kiện yêu cầu cũng có thể chế tạo bê tông asphalt có màu khác.2 Cấu trúc của BTN và nguyên lý hình thành cường độ của mặt đường BTN [8,9]: 1.1 Cấu trúc của BTN Tính chất vật lý, cơ học của BTN phụ thuộc vào chất lượng, tỉ lệ thành phần các vật liệu chế tạo và cấu trúc bê tông. Cấu trúc phụ thuộc vào tỉ lệ của các vật liệu và độ chặt của hỗn hợp.

Về mặt cấu trúc, BTN là một vật liệu xây dựng có cấu trúc thuộc loại cuội kết nhân tạo, trong đó các cốt liệu khoáng vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết asphalt. Cấu trúc của vật liệu khoáng trong BTN được chia làm 3 loại: có khung, bán khung và không có khung. Cấu trúc có khung: là cấu trúc trong đó hệ số lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt của bộ khung cát, đá dăm bằng chất liên kết bitum là nhỏ hơn hoặc bằng 1. Như vậy các chất liên kết nhựa không dễ chuyển động, những hạt đá dăm và cát tiếp xúc với nhau trực tiếp hoặc thông qua lớp liên kết bitum tạo cấu trúc.

Bộ khung có thể chỉ là đá dăm. Trong trường hợp này đá dăm không chuyển động được cùng với hỗn hợp vữa ( hỗn hợp gồm cát, bột khoáng và bitum). Sự có mặt các khung cứng không gian làm tăng đọ ổn định của lớp phủ mặt đường. Cấu trúc khung quen thuộc thường chứa lượng bột khoáng từ 4-10% và lượng bitum từ 5-7%.

HVTH: Phùng Tuyên Quý Lớp: CH XDĐÔTÔ& ĐTP K20.2 Luận văn tốt nghiệp cao học -6- GVHD: PGS.TS LÊ VĂN BÁCH Cấu trúc bán khung của vật liệu khoáng là cấu trúc có các phần cục bộ của hạt đá dăm tập trung lớn hơn thể tích của vữa asphalt. Trong bê tông nhựa không có khung, hạt đá dăm và cát bị dịch chuyển do lượng thừa của chất kết dính bitum (hệ số lấp đầy lỗ rỗng lớn hơn 1). Cường độ và độ kết dính của cấu trúc này giảm khi bị tác dụng nhiệt làm cho lớp phủ mặt đường bị biến dạng dẻo. Sự tạo nên cấu trúc tối ưu của BTN phụ thuộc vào thành phần, chất lượng vật liệu, công nghệ sản xuất và việc lựa chọn tối ưu thành phần hỗn hợp BTN.2 Nguyên lý hình thành cường độ của mặt đường BTN [9] Theo N.

Ivanov: cuờng độ BTN phụ thuộc vào thành phần lực dính & góc ma sát trong. - Lực ma sát: do sự ma sát giữa các hạt có kích thước lớn. Các hạt cốt liệu càng sần sùi, sắc cạnh và đồng đều lực ma sát càng lớn. Lực ma sát ít thay đổi theo nhiệt độ & thời gian tác dụng của tải trọng nhưng thay đổi nhiều theo hàm lượng nhựa.

- Lực dính: + Lực dính tương hỗ C1: do sự móc vướng vào nhau của các hạt phụ thuộc vào độ lớn và độ sắc cạnh của hạt; ít thay đổi khi nhiệt độ - độ ẩm - tốc độ biến dạng thay đổi nhưng sẽ giảm khi BTN chịu tải trọng trùng phục của xe cộ và hỗn hợp kém. + Lực dính phân tử C2: do lực dính bám tác dụng tương hỗ giữa nhựa với cốt liệu và lực dính bên trong của bản thân nhựa. Lực dính bám tác dụng tương hỗ giữa nhựa với cốt liệu : phụ thuộc vào tỉ diện cốt liệu, tính chất hấp phụ của cốt liệu đối với nhựa. Lực dính kết bên trong của bản thân nhựa phụ thuộc vào cấu trúc, độ nhớt của nhựa; nhiệt độ & tốc độ biến dạng.

HVTH: Phùng Tuyên Quý Lớp: CH XDĐÔTÔ& ĐTP K20.2 Luận văn tốt nghiệp cao học -7- GVHD: PGS.TS LÊ VĂN BÁCH 1.3 Phân loại Bê tông asphalt [9]: Bê tông asphalt là vật liệu khoáng–bitum có chất lượng cao. Ngoài ra còn có các loại hỗn hợp khác như: vật liệu đá nhựa macadam, đá nhựa cấp phối đặc, đá nhựa cường độ cao, đá nhựa hạt mịn (vữa asphalt), hỗn hợp tạo nhám, đá nhựa thấm nước. Sự khác nhau cơ bản giữa hỗn hợp asphalt và đá nhựa là cấp phối của hỗn hợp. Cấp phối cốt liệu trong asphalt thường bao gồm cốt liệu lớn, cốt liệu mịn và bột đá.

Trong các hỗn hợp đá nhựa thường ít sử dụng bột đá. Các hỗn hợp tạo nhám và đá nhựa thấm nước thường sử dụng các cấp phối gián đoạn. Bê tông nhựa còn có thể được chế tạo từ các loại bitum polyme hoặc các loại nhũ tương bitum. Cường độ của bê tông asphalt thay đổi từ 1–15MPa vàphụ thuộc vào nhiệt độ.

Bê tông asphalt có thể được phân loại theo các yếu tố sau: Theo các tiêu chuẩn quốc tế và 22TCN 249–98 của Bộ Giao thông vận tải qui định như sau: Hỗn hợp bê tông asphalt và bê tông asphalt được phân loại theo các đặc điểm sau: Theo nhiệt độ thi công: Hỗn hợp bê tông asphalt trong lớp phủ mặt đường được chia ra loại nóng, ấm và nguội. Hỗn hợp nóng được rải và bắt đầu làm khi nhiệt độ không nhỏ hơn 1200C. Hỗn hợp này thường dùng bi tum có độ quánh 40/60, 60/70 và 70/100. Hỗn hợp ấm được rải và bắt đầu làm đặc khi nhiệt độ không nhỏ hơn 900C và thường dùng bitum lỏng số 1, 2, 3.

Hỗn hợp nguội dùng bi tum lỏng có độ nhớt 70/130 được rải ở nhiệt độ không khí không nhỏ hơn 50C và được giữ ở nhiệt độ thường. Theo độ đặc (hoặc độ rỗng dư): Theo chỉ tiêu độ rỗng dư bê tông asphalt được chia làm 3 loại: loại đặc có độ rỗng 2–5%, loại rỗng có độ rỗng 6–12% và loại rất rỗng có độ rỗng 12–25% theo thể tích. HVTH: Phùng Tuyên Quý Lớp: CH XDĐÔTÔ& ĐTP K20.2 Luận văn tốt nghiệp cao học -8- GVHD: PGS.TS LÊ VĂN BÁCH Theo độ lớn của hạt cốt liệu: Theo đường kính lớn nhất của hạt vật liệu khoáng được chia ra 3 loại: loại lớn (Dmax ≤40mm), loại trung bình (Dmax ≤20mm) và loại nhỏ (hỗn hợp hạt nhỏ và hỗn hợp cát Dmax ≤5mm). Theo tiêu chuẩn Mỹ bê tông asphalt chia làm 21 loạiký hiệu là số Lamã và có chỉ tiêu phụ là a, b, c, d.

Với Dmax là 2,5 in, 1,5 in, 1 in, 0,5 in và 3/8 in, Dmin là mắt sàng số N0200 (0,071 mm).