Chương 1: TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA LỚP TẠO NHÁM Nghiên cứu tổng quan bê tông nhựa lớp tạo nhám mặt đường ô tô cấp cao hay đường cao tốc bao gồm các nội dung chính sau: 1) Xem xét cấu trúc và thành phần vật liệu hỗn hợp BTN truyền thống và BTN lớp tạo nhám; 2) Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô-vĩ mô và khả năng duy trì độ nhám theo thời gian; 3) Xem xét các loại hỗn hợp bê tông nhựa với đặc trưng độ rỗng dư và thành phần cấp phối cốt liệu yêu cầu; 4) Tình hình sử dụng vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám của các nước trên thế giới và tại Việt Nam. Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan vật liệu bê tông nhựa truyền thống và bê tông nhựa lớp tạo nhám trong nước và thế giới; từ đó đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu đối với cốt liệu, thành phần hỗn hợp và chỉ tiêu kỹ thuật giới hạn của vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám phục vụ cho công tác nghiên cứu.1 Cấu trúc và thành phần hỗn hợp của bê tông nhựa thông thường a-Cấu trúc bê tông nhựa Bê tông nhựa là một vật liệu xây dựng, trong đó các cốt liệu khoáng vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết asphalt. Bê tông nhựa là một vật liệu gồm hai thành phần cấu trúc: một là khung sườn vật liệu khoáng vật gồm: đá và cát, hai là chất liên kết asphalt gồm bitum và bột khoáng. Để điều chỉnh cấu trúc của bê tông nhựa theo yêu cầu sử dụng, có thể xem bê tông nhựa là một hệ thống gồm ba cấu trúc thành phần [1]: ● 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 6 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. b-Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa [4],[7],[11] 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 (bitum) và bột khoáng (bột đá vôi, xi măng,.
Các tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các 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 dính kết. Mỗi thành phần trong hỗn hợp bê tông nhựa đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làm lớp mặt đường. Các đặc tính của vật liệu thành phần và ảnh hưởng của chúng đến độ bền khai thác và tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa. + Cốt liệu: bao gồm cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt mịn với chức năng tạo bộ khung chịu lực cho hỗn hợp.
Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải đảm bảo thỏa mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn được quy định cho mỗi loại bê tông nhựa khác nhau, với mục đích tạo khung chịu lực bền vững mà vẫn đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu. Cấp phối cốt liệu là phân bố thành phần cỡ hạt theo % của tổng khối lượng được xác định bằng thí nghiệm bộ sàng tiêu chuẩn. Cấp phối cốt liệu là đặc tính quan trọng nhất của hỗn hợp cốt liệu, nó ảnh hưởng đến hầu hết các đặc tính quan trọng của hỗn hợp, bao gồm độ cứng, độ ổn định, độ bền, độ thấm nước, độ linh động, khả năng chịu mỏi, cường độ chống trượt và khả năng chống lại các hư hỏng do ảnh hưởng của nước. Chính vì vậy, thiết kế thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông nhựa là quan trọng nhất đối với thiết kế thành phần bê tông nhựa.
7 Kích thước hạt lớn nhất trong hỗn hợp cốt liệu là yếu tố quan trọng để đảm bảo đặc trưng khai thác tốt của hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường, kích cỡ hạt lớn nhất là cỡ sàng lớn nhất thiết kế để có được một số phần trăm nhất định (thường là 10%) hạt cốt liệu trong mẫu thí nghiệm sót lại trên đó. Hiện nay, khi thiết kế hỗn hợp asphalt xu thế sử dụng cỡ hạt lớn nhất lớn để giảm thiểu khả năng hình thành lún vệt bánh xe. Sử dụng cỡ hạt lớn còn cho khả năng giảm hàm lượng nhựa đường cần thiết và giảm giá thành. + Chất liên kết [2],[4],[6],[43],[57]: Nhựa đường là chất kết dính hữu cơ, có thể ở dạng cứng hoặc dạng nhớt lỏng có thành phần chủ yếu là hiđrôcácbon cao phân tử và một số hợp chất khác.
Nhựa đường (bitum) bao gồm các thành phần chính là asphaltenes, resin và các chất thơm/no (oils) thể hiện theo hình 1. Asphaltenes là chất rắn không kết tinh, vô định hình, màu nâu hoặc đen, có thành phần chính là cácbonhyđrô - ngoài ra còn có nitơ, lưu huỳnh và ôxy. Asphaltenes được coi là chất thơm phức hợp cao phân tử.1: Cấu tạo thành phần bitum nhựa đường. Tăng hàm lượng asphaltenes sẽ tạo bitum đặc với độ kim lún thấp hơn, điểm hoá mềm cao hơn và độ nhớt cao hơn.
Asphaltenes chiếm khoảng 5% đến 25% thành phần của nhựa đường. Resin là chất rắn hoặc nửa rắn, có màu nâu. Tương tự như asphaltenes, thành phần hoá học cũng bao gồm cácbon, hyđrô- ngoài ra còn có nitơ, lưu huỳnh và ôxy. Tính phân cực mạnh của thành phần này giúp tạo tính dính kết của bê tông nhựa.2: Cấu trúc hóa học của bitum nhựa đường.
8 Các chất thơm chiếm khoảng 40 - 65 % trong thành phần của nhựa đường, là chất lỏng nhớt, có màu nâu. Các chất no là các hyđrô-cacbon béo dạng duỗi thẳng hoặc phân nhánh (hình 1.2), là các chất lỏng dạng nhớt có màu trắng hoặc màu vàng, chúng chiếm khoảng 5 đến 25% thành phần của nhựa đường. Kết quả của nhiều nghiên cứu chỉ rõ các yếu tố khác nhau như chiều dày màng nhựa, độ ổn định nhiệt độ của nhựa đường, độ kéo dài, độ rỗng dư, tuổi thọ của mặt đường, điều kiện giao thông, các điều kiện khí hậu. ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa thông số độ kim lún của nhựa đường và xuất hiện vết nứt trong mặt đường bê tông nhựa [6],[43].
Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám OGFCA 1.1 Cốt liệu Bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở-OGFCA (Open Graded Friction Courses Asphalt) là loại cấu trúc khung dạng vĩ mô (hình 1.3), hỗn hợp bao gồm các hạt cốt liệu lớn đồng dạng, có một ít hoặc không có hạt cốt liệu nhỏ và bột khoáng; hỗn hợp vật liệu được thiết kế sao cho vật liệu đầm nén đạt được độ rỗng dư từ 18%÷25% [37],[40].3: Cấu trúc của hỗn hợp OGFCA. Việc lựa chọn thành phần hỗn hợp cho bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở căn cứ theo các tiêu chuẩn lựa chọn vật liệu và kinh nghiệm của các nước đã sử dụng, sao cho hỗn hợp đạt được độ rỗng dư yêu cầu và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của vật liệu khi khai thác. Đặc tính cơ-lí của cốt liệu thô trong hỗn hợp là một chỉ tiêu rất quan trọng để đạt được độ nhám cao (sức kháng trượt bề mặt), đồng thời duy trì độ nhám vĩ mô và vi mô theo thời gian khai thác. 9 So với bê tông nhựa chặt, độ nhám vĩ mô được cho bởi các hạt cốt liệu thô, độ nhám vi mô được cho cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn.
Với vật liệu bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở giới hạn cốt liệu mịn; do vậy độ nhám vi mô và vĩ mô chủ yếu có được do cốt liệu thô trong thành phần vật liệu tạo nên. Thành phần vật liệu của bê tông nhựa cấp phối hở và bê tông nhựa chặt giống nhau về thành phần vật liệu gồm: cốt liệu hạt thô, cốt liệu mịn, chất liên kết và bột khoáng; tuy nhiên hàm lượng cốt liệu có sự khác nhau. Vật liệu bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở có hàm lượng hạt mịn ít hơn nhiều so với bê tông nhựa chặt (hình 1.4), với mục đích là tạo độ rỗng dư trong vật liệu cao hơn so với vật liệu bê tông nhựa thông thường, đáp ứng đặc tính nhám và thoát nước mà vật liệu mặt đường bê tông nhựa chặt chưa giải quyết được. 100 Đường cong cấp phối-BTN chặt C.9,5 90 TCVN 8819-2011 Đường cong cấp phối hở-OGFCA.9,5-Mỹ 80 70 Lîng lät qua sµng (%) 60 50 40 30 20 10 0 0,075 0,15 0,3 0,6 1,18 2,36 4,75 9,5 12,5 Cì sµng (mm) Hình 1.4: Đường cong cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa theo TCVN và của Mỹ.5: Hình ảnh cấu trúc bề mặt bê tông nhựa chặt và bê tông nhựa cấp phối hở.2 Chất liên kết Khi thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám, kinh nghiệm các nước chất liên kết thông thường sử dụng là bitum cải tiến, việc sử dụng nhựa này nhằm cải thiện đặc tính biến dạng và độ bền của bê tông nhựa khi sử dụng nơi có nhiệt độ, độ ẩm thay đổi bất thường [34],[36],[37],[39],[40],[44],[47],[48].