CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỰA ĐƯỜNG VÀ BÊ TÔNG NHỰA 1.1 Tổng quan về sử dụng bê tông nhựa và các dạng hư hỏng thường gặp: 1.1 Tổng quan về sử dụng bê tông nhựa: BTN là vật liệu khoáng - bitum xây dựng đường, nhận được khi làm đặc hỗn hợp BTN. Hỗn hợp BTN bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng, bi tum và phụ gia được lựa chọn thành phần hợp lý, phối trộn và gia công thành một hỗn hợp đồng nhất. Hỗn hợp được thiết kế hợp lý và gia nhiệt từ 120-1600C. Thành phần của BTN 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 BTN 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.
Các tính chất của BTN phụ thuộc vào nhiệt độ thi công và nhiệt độ khai thác, tỷ lệ và tính chất của các vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và mức độ dính kết giữa cốt liệu và bitum. Mỗi thành phần trong hỗn hợp BTN đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ đến nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làm lớp mặt đường. Sự lựa chọn các thành phần để cấu thành BTN không phải là ngẫu nhiên và tùy tiện. Mỗi thành phần của hỗn hợp đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ cường độ, đủ các tính chất cần thiết khác để làm mặt đường.
Theo các tài liệu quốc tế thì BTN có thể khai thác ở nhiệt độ từ -500C đến +600C. Các giải pháp để tăng cường độ ổn định nhiệt của BTN cần đặc biệt lưu ý khi sử dụng BTN trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Trong quá trình khai thác BTN 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 BTN. Tuổi thọ trung bình của các lớp phủ mặt đường bằng BTN 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. BTN được sử dụng làm lớp phủ mặt đường có lượng giao thông cao như đường cao tốc, đường thành phố và sân bay. BTN còn có thể sử dụng làm vỉa hè, khu vui chơi giải trí, công trình thể thao và các công trình thuỷ lợi. BTN chủ yếu có màu đen nhưng trong điều kiện yêu cầu cũng có thể chế tạo BTN có màu khác.2 Các dạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa: Sau một thời gian đưa vào sử dụng chất lượng khai thác mặt đường BTN bị giảm một cách đáng kể do chịu tác động của các yếu tố bên ngoài như môi trường và tải trọng bánh xe.
Dựa theo tiêu chí đánh giá hư hỏng của mặt đường BTN của tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-06[1], các dạng hư hỏng và nguyên nhân được mô tả như sau: 1.1 Nứt: Theo hướng phát triển của đường nứt, các vết nứt xuất hiện trên mặt đường thường bao gồm 4 loại sau: vết nứt ngang, vết nứt dọc, vết nứt mạng lưới hoặc vết nứt phản ánh. Theo chiều rộng vết nứt thì có vết nứt hẹp, vết nứt trung bình và vết nứt rộng. - Nứt do mỏi: Hình 1.1 Vết nứt mặt đường BTN. Nguyên nhân: - Kết cấu áo đường không đủ cường độ.
- Tuổi thọ của kết cấu áo đường không đúng so với thiết kế. - Nứt do nhiệt (nứt tại nhiệt độ thấp): - Nứt dọc: - Nứt lưới lớn: - Nứt phản ánh: Hình 1.2 Hư hỏng bề mặt. 10 Bao gồm các dạng hư hỏng như bị chảy nhựa, mặt đường bị bong tróc, rời rạc, lộ đá, mặt đường bị ổ gà. Nguyên nhân: - Lượng nhựa tự do nhiều, khi chịu tác dụng của nhiệt độ và tác dụng của tải trọng xe làm nhựa trồi lên mặt đường dẫn tới hiện tượng trơn trượt.
- Mặt đường bị bong tróc là do mặt đường dưới tác dụng lâu dài của nước làm cho nhựa bị tách ra khỏi các cốt liệu. - Ổ gà là do sự bong bật mạnh mẽ các lớp mặt đường.2 Hư hỏng biến dạng: - Lún vệt bánh xe: Hình 1.3 Biến dạng bề mặt. Gồm các dạng hư hỏng như mặt đường bị vệt lún hằn bánh xe, lún sụt, làn sóng, xô dồn, đẩy trượt trồi. Nguyên nhân: - Kết cấu không đảm bảo độ chặt.
- Hư hỏng xảy ra ở lớp thứ yếu. - Sự bong tróc của bitum. - Thiết kế thành phần cấp phối không đảm bảo yêu cầu (có quá nhiều thành phần hạt nhỏ). - Tải trọng lớn và trùng phục.
- Nhiệt độ môi trường tăng.4 Quan hệ giữa số lần tác dụng của tải trọng với vệt hằn lún bánh xe.5 Các trường hợp lún vệt bánh xe từ các nguyên nhận khác nhau. - Lượn sóng và trồi lún: Lún trồi là một trong những hiện tượng hư hỏng chính của kết cấu áo đường mềm. Với nguyên nhân là tăng tải trọng trục và áp lực bánh xe trong thời gian dài, hiện tượng này đã trở thành phổ biến ở rất nhiều quốc gia trên thế giới. Có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn tới hiện tượng lún trồi, nó dựa vào sự thay đổi của cấu trúc vật liệu và điều kiện môi trường[5].6 cắt dọc kết cấu áo đường[6].
Kết cấu áo đường bao gồm một hay nhiều lớp vật liệu đá dăm khác nhau được đặt trên lớp móng (Hình 1. Lớp mặt của kết cấu có thể là lớp láng nhựa mỏng hoặc BTN 12 với thành phần cấp phối được quy định, trong cả hai trường hợp thì cấu trúc của vật liệu đá cũng là cấu trúc chịu lực chính[6]. Chính vì vậy công tác đầm lèn trong quá trình thi công lớp kết cấu áo đường là hết sức quan trọng. Nếu việc đầm lèn không đạt hiệu quả, nó sẽ xảy ra biến dạng dẻo, biến dạng này sẽ được gia tăng thêm khi có tác dụng của tải trọng bánh xe trong quá trình khai thác, khi đạt đến một giá trị nhất định thì hiện tượng lún trồi sẽ thể hiện lên trên bề mặt kết cấu áo đường bằng việc xuất hiện vệt lún chạy dài theo chiều tác dụng của bánh xe.
Lún trồi xảy ra ở tất cả các lớp vật liệu, nó càng trở nên nghiêm trọng tiếp tục gánh đỡ tải trọng giao thông[6]. Lún trồi là một hiện tượng phổ biến của kết cấu áo đường mềm. Khi phương tiện giao thông chạy trên các đoạn tuyến này sẽ phải tiêu hao một lượng nhiên liệu đáng kể, ngoài ra còn có nguy cơ bị quy trượt khi có nước hoặc tuyết đọng trên bề mặt. Vệt lún sẽ tạo điều kiện để nước tích đọng và theo thời gian nước sẽ ngấm xuống kết cấu phía dưới (Hình 1.8) và làm thay đổi cấu trúc của chúng.
Khi đọng nước trong một thời gian dài, cường độ của lớp kết cấu sẽ giảm một cách đáng kể và ảnh hưởng không nhỏ tới chức năng gánh đỡ tải trọng giao thông. Hơn nữa, lún trồi ở lớp cấp phối dưới hoặc lớp móng sẽ làm hư hỏng tới lớp mặt phía trên (Hình 1. Vệt lún thông thường sẽ chạy dọc theo chiều dài của tuyến đường và có xu hướng phát triển thêm. a) Các vệt lún bắt đầu xuất hiện, nước tập trung tại các vị trí này.
b) Nước ngấm xuống lớp móng dưới và làm giảm cường độ của chúng. c) Vệt lún rõ rệt khi tải trọng bánh xe chạy Hình 1.7 Các giai đoạn phát triển của chồng lên dẫn tới hiện tượng lún trồi. hiện tượng lún trồi[6].8 Nước đọng tại những vị trí Hình 1.9 Hiện tượng lún trồi xuất hiện tại lún[6]. lớp vật liệu không còn đạt cường độ[6].
13 Nguyên nhân hình thành vệt lún trồi: - Vật liệu chế tạo bê tông nhựa không đảm bảo chất lượng: Các yêu cầu về vật liệu cho BTN phải tuân thủ theo đúng quy định, tuy nhiên trong quá trình sản xuất thực tế nếu không kiểm tra lại có thể dẫn tới việc sai lệch so với kết quả thí nghiệm, dẫn tới cường độ và độ bền không đảm bảo so với thiết kế. Theo tác giả Louw Kannemeyer năm 2003 thì sự gia tăng hư hỏng trong giai đoạn đàn hồi phụ thuộc vào chất lượng của vật liệu[7]. Theo tác giả này thì những vị trí nào chất lượng vật liệu thấp và trị số khối lượng riêng nhỏ thì càng dễ bị phá hoại do lực cắt của tải trọng bánh xe. - Công tác đầm nén không đạt hiệu quả: Công tác lu lèn có tính quyết định tới việc hình thành cường độ của mặt đường, đây là quá trình tác động bằng ngoại lực làm cho các hạt vật liệu sắp xếp một cách trật tự từ đó độ rỗng của cốt liệu giảm.
Trong quá trình lu lèn thì hai yếu tố quan trọng nhất đó là áp lực lu và vận tốc lu, nếu không kiểm soát tốt quá trình này thì cường độ và độ chặt của hỗn hợp TBN bị giảm đáng kể dẫn đến việc không gánh đỡ được tải trọng giao thông. Đầm Theo tác giả Larry Santucci năm nén đạt yêu cầu 2001 thì công tác lu lèn trong suốt quá trình thi công sẽ làm tăng khả năng ầ chống biến dạng của kết cấu áo đường Đầm nén (Hình 1. Khi đạt độ chặt khoảng không đạt yêu cầu 95÷98% và độ rỗng của hỗn hợp BTN ầ xấp xỉ 5÷7% thì làm giảm đáng kể hiện Hình 1.10 Sự xắp xếp vật liệu sau khi tượng lún trồi [8]. hoàn thành công tác lu lèn [8].
- Lớp móng dưới không đạt cường độ: Lún trồi có thể xuất phát từ lý do lớp móng trên, móng dưới hoặc lớp đáy móng bị tác dụng của tải trọng trùng phục. Trong nhiều trường hợp những vệt lún thứ cấp trên bề mặt lớp móng dưới là kết quả của việc sử dụng bề dày kết cấu mặt đường quá mỏng. Nguyên nhân do lớp móng dưới không đảm bảo cường độ được coi là nghiêm trọng hơn nguyên nhân vật liệu không đạt yêu cầu[5]. - Sự gia tăng của tải trọng giao thông: Hiện tượng lún trồi dễ quan sát được nhất là ở những nơi có tải trọng xe lớn đồng 14 thời vận tốc xe chạy chậm, điều này có thể được lý giải là do kết cấu áo đường làm việc dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, nếu hiện tượng này diễn ra trong thời gian dài dẫn tới hiện tượng “mỏi”, cường độ mặt đường sẽ giảm một cách đáng kể và xuất hiện những hư hỏng lớn[5, 6, 7, 8].