ĐẶT VẤN ĐỀ I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ở Việt Nam cũng nhƣ phần lớn các quốc gia trên thế giới, giao thông và giao thông đƣờng bộ luôn đƣợc xem là điều kiện tiên quyết cho sự phát triển kinh tế, xã hội. Bê tông nhựa (BTN) là vật liệu đƣợc sử dụng phổ biến để làm tầng mặt cho các tuyến đƣờng cấp cao, đƣờng đô thị. Mặt đƣờng BTN có nhiều ƣu điểm nhƣ: mặt đƣờng êm thuận, bằng phẳng, ít bụi, ít gây tiếng ồn, cƣờng độ tƣơng đối cao, mặt đƣờng kín không cho nƣớc thấm xuống nền, móng phía dƣới, có thể cơ giới hóa toàn bộ các khâu từ chế tạo sản xuất đến thi công, có thể thông xe ngay sau khi thi công, dễ bảo dƣỡng sửa chữa.
Tuy nhiên, loại mặt đƣờng này vẫn có các nhƣợc điểm cơ bản: nhạy cảm với nhiệt độ, dễ biến dạng khi nhiệt độ cao, nứt khi nhiệt độ thấp, lún không hồi phục tích lũy dƣới tải dụng trùng phục của tải trọng xe chạy, bong tróc trong điều kiện ẩm, trƣợt trồi, xô dồn khi chịu lực ngang lớn. Những nhƣợc điểm này đã đƣợc bộc lộ rõ trong thực tế khai thác của mặt đƣờng bê tông asphalt sử dụng bitum thông thƣờng ở điều kiện nhiệt độ môi trƣờng cao, lƣu lƣợng giao thông lớn và tải trọng trục xe nặng. Thực tế khai thác mặt đƣờng BTN ở Việt Nam cho thấy đã có nhiều sự cố hƣ hỏng sớm mặt đƣờng trên các trục quốc lộ chính: lún vệt bánh xe ở Quốc lộ 5, Quốc lộ1, đại lộ Đông-Tây, đƣờng dẫn cầu Thanh Trì, đƣờng vành đai III-Hà Nội; hƣ hỏng lớp phủ mặt Cầu Thăng Long; lún vệt bánh xe sâu ở đƣờng vào cảng Cát Lái. Việc xuống cấp về chất lƣợng của các công trình trên đã ảnh hƣởng không nhỏ tới sự phát triển kinh tế- xã hội, chính phủ phải bỏ ra một số lƣợng tiền lớn để việc sửa chữa, khắc phục hậu quả, đồng thời, ngƣời tham gia giao thông cũng bị ảnh hƣởng cả về vật chất lẫn tinh thần.
Trong khoảng 05 năm gần đây, Bộ GTVT đã có khá nhiều các hoạt động để hạn chế và dần khắc phục các hƣ hỏng của mặt đƣờng BTN. Đầu tiên là chiến dịch kiểm soát xe quá tải, tiếp đến là rà soát và tăng cƣờng công tác quản lý chất lƣợng thi công: từ vật liệu thành phần, thiết kế hỗn hợp và chất lƣợng thi công mặt đƣờng. Tiếp đến là các nỗ lực nghiên cứu và tìm kiếm giải pháp vật liệu cải tiến, có khả năng sử dụng tốt trong điều kiện khai thác khó khăn nhƣ nhiệt độ cao, tải trọng lớn, lƣợng mƣa và độ ẩm cao sử dụng vật liệu và áp dụng công nghệ cải tiến tại các vị trí đặc biệt nhƣ lớp phủ mặt cầu, đoạn dốc cao, đƣờng cua gấp, đoạn qua trạm thu phí, nút giao cắt. Ở nhiều nƣớc trên thế giới nhƣ Anh, Mỹ, Nhật bản, Ukraina …việc nghiên cứu luan an -2- và đƣa vào sử dụng hỗn hợp BTN có chất kết dính là bitum epoxy làm tầng mặt cho các tuyến đƣờng chịu tải trọng nặng, làm lớp phủ mặt cầu thép đã cho kết quả tốt với sự khắc phục đƣợc rất rõ một số nhƣợc điểm của mặt đƣờng BTN sử dụng chất kết dính bitum thông thƣờng.
Việt Nam cũng đã có một công trình thực tế sử dụng bê tông nhựa epoxy (BTNE) là lớp phủ mặt cầu Thuận Phƣớc – Đà Nẵng. Đáng tiếc là ứng dụng đầu tiên này đã không thành công. Lớp phủ bê tông nhựa epoxy trên mặt cầu Thuận Phƣớc vì thế đã đƣợc thay thế gần nhƣ hoàn toàn bằng hỗn hợp BTN sử dụng bitum polime PMB (BTNP). Các nghiên cứu trƣớc khi áp dụng vật liệu này cũng vào công trình cầu Thuận Phƣớc cũng khá hạn chế.
Hiện nay, ở Việt Nam, epoxy có thể có các nguồn cung trong nƣớc và nƣớc ngoài, nhƣng chƣa có nghiên cứu nào đánh giá khả năng sử dụng bitum có epoxy làm chất kết dính cho hỗn hợp BTN. Đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất cơ học vả khả năng sử dụng bitum epoxy làm chất kết dính cho hỗn hợp asphalt tại Việt Nam” là đề tài cần thiết. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Với mục đích nghiên cứu về khả năng áp dụng BTNE trong xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam, luận án tập trung nghiên cứu về thành phần, những đặc tính cơ học vật liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật, khả năng và hiệu quả ứng dụng của BTNE. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU III.
Thử nghiệm để đánh giá khả năng sử dụng bitum-epoxy (BE) làm chất kết dính bitum cải tiến cho bê tông nhựa cải tiến và đề xuất hàm lƣợng epoxy cho BE làm chất kết dính cho BTNE;; 2. Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa epoxy (BTNE), đánh giá BTNE thông qua các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu có đối chứng với loại bê tông nhựa cải tiến phổ biến sử dụng ở Việt Nam, là BTNP sử dụng PMB III; 3. Phân tích, tổng hợp và đề xuất các loại kết cấu áo đƣờng có sử dụng bê tông nhựa epoxy ở Việt Nam III.2 Nội dung nghiên cứu Nội dung luận án tập trung vào một số vấn đề sau: luan an -3- 1. Nghiên cứu tổng quan về BE và BTNE, các nghiên cứu về vật liệu cũng nhƣ ứng dụng vật liệu trong xây dựng đƣờng ô tô ở trong nƣớc và ngoài nƣớc; 2.
Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá vật liệu BE với các hàm lƣợng epoxy khác nhau, đối chứng với các chỉ tiêu kỹ thuật của PMB, đánh giá khả năng sử dụng BE làm chất kết dính cho BTNE làm lớp mặt kết cấu đƣờng ô tô và phân tích lựa chọn hàm lƣợng epoxy cho BE làm chất kết dính cho BTNE; 3. Đề xuất phƣơng pháp thiết kế thành phần hỗn hợp BTNE và các chỉ tiêu cơ lý để đánh giá BTNE, nghiên cứu thực nghiệm trong phòng các chỉ tiêu cơ lý của BTNE để đánh giá khả năng và phạm vi sử dụng vật liệu BTNE ; 4. Nghiên cứu đề xuất các kết cấu mặt đƣờng điển hình sử dụng BTNE. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Ý nghĩa khoa học: Luận án nghiên cứu bản chất lý thuyết của hỗn hợp BE và BTNE, phân tích ƣu nhƣợc điểm và phạm vi áp dụng của loại vật liệu mới này với những điều kiện Việt Nam.
Hệ thống hoá đƣợc các tiêu chuẩn thí nghiệm đánh giá chất lƣợng của BE và BTNE. Ý nghĩa thực tiễn: Dựa trên các kết quả nghiên cứu trong phòng so sánh đánh giá BTNE và các loại BTN khác, từ đó đề xuất phƣơng pháp thiết kế thành phần hỗn hợp, đề xuất các thí nghiệm và tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng vật liệu BTNE. Trên cơ sở các đặc tính cơ lý thu đƣợc từ thực nghiệm, luận án đề xuất một số loại kết cấu mặt đƣờng có sử dụng BTNE trong xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam. luan an -4- CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ BITUM-EPOXY VÀ BÊ TÔNG NHỰA EPOXY TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ô TÔ Bitum-epoxy (BE) và bê tông nhựa epoxy (BTNE) đã đƣợc sử dụng trên thế giới khá hiệu quả và cũng đã từng đƣợc áp dụng ở Việt Nam trong xây dựng mặt đƣờng ô tô. Với mức độ chƣa phổ biến và kinh nghiệm chƣa thành công ở Việt Nam trong việc ứng dụng vật liệu này, cần có những nghiên cứu về loại, tỷ lệ, phƣơng pháp thiết kế, các chỉ tiêu đánh giá và phạm vi ứng dụng loại vật liệu này trong xây dựng mặt đƣờng ở Việt Nam. Chƣơng 1 phân tích tổng quan về sử dụng bitum-epoxy và bê tông nhựa epoxy từ đó lựa chọn đƣợc loại epoxy làm các cơ sở nghiên cứu thực nghiệm ở các chƣơng tiếp theo. Bitum Epoxy và bê tông nhựa Epoxy 1.
Tổng quan về phụ gia cải thiện tính năng của bitum 1. Xu thế sử dụng hỗn hợp BTN cải tiến trong xây dựng đường ô tô Bitum dầu mỏ truyền thống đáp ứng tốt các yêu cầu về xây dựng đƣờng ô tô và sân bay thông thƣờng. Với các thay đổi về nhiệt độ khai thác do biến đổi khí hậu, lƣu lƣợng xe và tải trọng xe tăng lên do phát triển kinh tế, vật liệu làm đƣờng cần đƣợc cải tiến để phù hợp với yêu cầu xây dựng đƣờng ô tô và sân bay cấp cao. Bitum cải tiến với các ƣu điểm là tăng khả năng chịu lực và chịu biến dạng của kết cấu mặt đƣờng BTN đƣợc nghiên cứu và áp dụng để đáp ứng các yêu cầu đó.
Để tối ƣu hóa hiệu quả của bitum cải tiến ngƣời ta thƣờng sử dụng chúng kết hợp với các cốt liệu có chất lƣợng cao. Tuy nhiên có một hạn chế là hỗn hợp BTN cải tiến có giá thành cao hơn so với hỗn hợp BTN truyền thống. Quan điểm và yêu cầu về bitum cải tiến dùng trong xây dựng mặt đường ô tô Thành phần chủ yếu của bitum cải tiến là bitum và phụ gia. Có nhiều loại phụ gia đƣợc sử dụng, phổ biến là lƣu huỳnh, mangan hữu cơ, bột cao su và các polyme dẻo nhiệt [56].
Phụ gia có thể trộn trực tiếp vào BTN khi sản xuất hỗn hợp hoặc đƣợc trộn với bitum tại nhà máy sản xuất bitum để đƣợc sản phẩm là các bitum cải tiến. Bitum là vật liệu có tính đàn - nhớt. Tính chất này ảnh hƣởng rất lớn đến đặc tính kỹ thuật của BTN, đặc biệt là tính chống biến dạng dƣ và nứt. Một trong những vai trò cơ bản của chất cải tiến bitum là hạn chế biến dạng dƣ và hạn chế luan an -5- tích lũy biến dạng dƣ trong điều kiện nhiệt đô cao và/hoặc lƣợng giao thông lớn.
Có thể đạt đƣợc điều này bằng cách làm cứng hóa bitum hoặc bằng cách tăng tính đàn hồi của bitum để giảm biến dạng dẻo (nhớt) từ đó làm giảm biến dạng dƣ. Tăng độ cứng của bitum sẽ làm tăng độ cứng động học của hỗn hợp BTN. Do đó cải tiến khả năng phân tán lực của vật liệu trong hỗn hợp BTN làm tăng độ bền của kết cấu. Tăng thành phần dẻo của bitum sẽ góp phần cải tiến độ đàn hồi của BTN, tính chất quan trọng cần có do phải chịu ứng suất kéo lớn.
Việc cải thiện đặc tính biến dạng của bitum để áp dụng cho đƣờng có tải trọng xe lớn thƣờng đi đôi với yêu cầu duy trì hoặc cải thiện đặc tính kháng nứt mỏi để đảm bảo tuổi thọ sử dụng của mặt đƣờng.