Ảnh hưởng của cấu trúc cốt liệu đến độ ổn định của hỗn hợp bê tông nhựa

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 31 ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC CỐT LIỆU ĐẾN ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA INFLUENCE OF MINERAL STRUCTURE ON THE STABILITY OF ASPHALT CONCRETE Nguyễn Văn Long1, Phan Văn Quảng2 1Trường Đại học GTVT TP HCM, 2Phân viện phía Nam - Viện Khoa học Công nghệ GTVT Tóm tắt: Sự xuất hiện của các loại biến dạng dẻo trên mặt đường bê tông nhựa (BTN), đặc biệt là lún vệt bánh xe đang thu hút sự quan tâm của các nhà quản lý, các chuyên gia nghiên cứu và cả xã hội. Một trong những hướng giải quyết vấn đề này là sử dụng BTN có cấp phối cốt liệu hợp lý. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của cấu trúc cốt liệu đến độ ổn định của BTN. Trên cơ sở đó, nhóm tác giả khuyến nghị giải pháp sử dụng BTN nhiều đá dăm làm lớp mặt nhằm hạn chế sự xuất hiện của các loại biến dạng dẻo trên mặt đường. Từ khóa: Bê tông nhựa, biến dạng dẻo, cấu trúc cốt liệu, chỉ số dẻo, độ ổn đỉnh, lún vệt bánh xe. Abstract: The appearance of different types of plastic deformation in asphalt concrete pavements, especially rutting now attract the attention of regulators, researchers and the whole of society. Optimized aggregate gradation for structural asphalt is one of the method to solve the problem. This paper presents the results of experimental studies on influence of aggregate on the asphalt concrete stability. Therefore, the authors propose solutions that using higher value of crushed aggregate in asphalt concrete’s surface of the structure to minimize the plastic deformation of pavements. Keywords: Asphalt concrete, plastic deformation, mineral structure, flow, stability, rutting. 1. Giới thiệu Với mục tiêu phát triển kinh tế xã hội, Chính phủ Việt Nam đã tập trung đầu tư phát triển cơ sở hạ tầng giao thông, nhiều công trình đường bộ đã được xây dựng, nâng cấp theo hướng công nghiệp hóa - hiện đại hóa với công nghệ tiên tiến. Tuy nhiên, một thực trạng khá phổ biến hiện nay là nhiều tuyến đường vừa mới đưa vào khai thác đã xuất hiện sớm các loại biến dạng dẻo trên mặt đường BTN, đặc biệt là lún vệt bánh xe. Đây là vấn đề đang thu hút sự quan tâm của toàn xã hội. Theo [1], biến dạng lún vệt bánh xe xuất hiện là do nhiều nguyên nhân: Chất lượng vật liệu với sự tích lũy biến dạng dẻo ở trong nền đất, trong các lớp vật liệu của kết cấu áo đường; tác động của tải trọng nặng; sự bào mòn bề mặt áo đường dưới tác dụng của tải trọng bánh xe và cả yếu tố nhiệt độ. Sự xuất hiện của các loại biến dạng dẻo trên mặt đường BTN là một trong những nguyên nhân ảnh hưởng đến khả năng khai thác của các tuyến đường, làm giảm an toàn giao thông, tăng chi phí vận tải và sửa chữa đường. Một trong những hướng giải quyết vấn đề này là sử dụng các loại BTN có các chỉ tiêu cường độ cao và ổn định làm lớp mặt kết cấu áo đường [1]. Theo [2], các chỉ tiêu cường độ và độ ổn định của BTN có thể được cải thiện theo các hướng dưới đây: - Sử dụng nhựa đường cải tiến; - Sử dụng vật liệu gia cường (sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi Cellulose phân tán, ..) để cải tiến thành phần BTN; - Sử dụng cốt liệu có chất lượng tốt và thiết kế cấp phối hợp lý. Theo [3], độ ổn định và chỉ số dẻo của BTN phụ thuộc vào hàm lượng và kích cỡ của cốt liệu. Hàm lượng đá dăm càng cao thì độ bền của BTN càng lớn. Trong nội dung bài báo này, nhóm tác giả đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng đá dăm trong hỗn hợp đến độ ổn định của các loại BTN sau: - BTN C9.5 với các hàm lượng đá dăm tương ứng là 20, 25 và 30 %; - BTN C12.5 với các hàm lượng đá dăm tương ứng là 35, 40 và 45 %; - BTN C19 với các hàm lượng đá dăm tương ứng là 50, 57 và 64 %. Bài báo là kết quả của đề tài nghiên 32 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 cứu khoa học cấp trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, mã số KH1505 theo quyết định 879/QĐ- ĐHGTVT-KHCN ngày 15/10/2015. 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc cốt liệu đến độ ổn định của BTN Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm LAS XD78 thuộc Phân viện phía Nam – Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải và phòng thí nghiệm Công ty Cổ phần Đầu tư xây dựng BMT. 2.1. Thiết kế cấp phối BTN Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng các vật liệu có nguồn gốc như sau: - Đá được lấy tại mỏ Tân Đông Hiệp thuộc Công ty Cổ phần Khoáng sản và Xây dựng Bình Dương, thỏa mãn yêu cầu của [4]; - Cát được lấy tại mỏ cát sông Đồng Nai, thỏa mãn yêu cầu của [4]; - Bột khoáng được lấy tại trạm trộn BTN của công ty Bình An tại Tân Đông Hiệp, thỏa mãn yêu cầu của [4]; - Nhựa đường Petrolimex 60/70, thỏa mãn yêu cầu của [5]. Hỗn hợp BTN được thiết kế theo phương pháp Marshall [6]. Thành phần cấp phối các hỗn hợp BTN được thể hiện tại hình 1 đến hình 3. Hàm lượng nhựa tối ưu của các loại BTN được thể hiện tại bảng 1. Bảng 1. Hàm lượng nhựa tối ưu của các loại BTN. Các chỉ tiêu Hàm lượng nhựa theo hỗn hợp, % BTN C9.5, 20% đá dăm 5.20 BTN C9.5, 25% đá dăm 5.15 BTN C9.5, 30% đá dăm 5.10 BTN C12.5, 35% đá dăm 5.05 BTN C12.5, 40% đá dăm 5.00 BTN C12.5, 45% đá dăm 4.95 BTN C19, 50% đá dăm 4.90 BTN C19, 57% đá dăm 4.85 BTN C19, 64% đá dăm 4.80 Hình 1. Thành phần cấp phối BTN C9.5 với các hàm lượng đá dăm khác nhau. Hình 2. Thành phần cấp phối BTN C12.5 với các hàm lượng đá dăm khác nhau. Hình 3. Thành phần cấp phối BTN C19 với các hàm lượng đá dăm khác nhau. Tiến hành chế bị các tổ mẫu thí nghiệm theo phương pháp Marshall. 2.2. Kết quả thí nghiệm Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của các loại BTN được thể hiện tại các bảng 2 và 3, các hình 4 và 5. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 21-11/2016 33 Bảng 2. Độ ổn định và chỉ số dẻo của các hỗn hợp BTN với các hàm lượng đá dăm khác nhau. Loại BTN Độ ổn định, kN Chỉ số dẻo, mm Độ ổn định còn lại, % BTN C9.5, 20% đá dăm 10.02 3.94 92.68 BTN C9.5, 25% đá dăm 10.42 3.92 92.95 BTN C9.5, 30% đá dăm 10.88 3.86 93.23 BTN C12.5, 35% đá dăm 11.55 3.74 93.95 BTN C12.5, 40% đá dăm 12.43 3.70 90.31 BTN C12.5, 45% đá dăm 12.52 3.61 90.32 BTN C19, 50% đá dăm 13.99 3.44 91.52 BTN C19, 57% đá dăm 13.99 3.51 91.67 BTN C19, 64% đá dăm 15.92 3.30 92.69 Theo [1], [7] 8.0 1.5÷4.0 80 Bảng 3. Các đặc trưng về độ rỗng của các hỗn hợp BTN với các hàm lượng đá dăm khác nhau. Loại BTN Độ rỗng dư Độ rỗng cốt liệu Độ rỗng lấp đầy (%) (%) (%) BTN C9.5, 20% đá dăm 3.90 15.10 74.17 BTN C9.5, 25% đá dăm 4.24 15.40 72.50 BTN C9.5, 30% đá dăm 4.20 15.07 72.14 BTN C12.5, 35% đá dăm 4.33 15.01 71.16 BTN C12.5, 40% đá dăm 4.43 15.07 70.62 BTN C12.5, 45% đá dăm 4.58 15.12 69.72 BTN C19, 50% đá dăm 4.34 14.75 70.58 BTN C19, 57% đá dăm 4.42 14.80 70.16 BTN C19, 64% đá dăm 4.59 14.83 69.09 Theo [1], [7] 4.0÷6.0 - - Các kết quả thí nghiệm cho thấy: - Khi hàm lượng đá dăm tăng, độ ổn định Marshall của BTN tăng, còn chỉ số dẻo của hỗn hợp giảm; - Hầu hết các chỉ tiêu cơ lý của tất cả các hỗn hợp BTN trong nghiên cứu này đều thỏa mãn yêu cầu tại [1] và [7]. Đ ộ ổ n đ ịn h M ar sh al l, k N Hình 4. Quan hệ giữa độ ổn định Marshall và hàm lượng đá dăm. C h ỉ số d ẻo , m m Hình 5. Quan hệ giữa độ dẻo và hàm lượng đá dăm. 3. Ảnh hưởng của hàm lượng đá dăm đến khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTN C19 Thực tế cho thấy, BTN C19 thường được khuyến cáo sử dụng làm lớp mặt cho kết cấu áo đường mềm để cải thiện khả năng kháng lún vệt bánh xe. Vì vậy, trong nghiên cứu này nhóm tác giả chọn hai loại BTN C19 có hàm lượng đá dăm cao nhất là 57% và 64% để tiến hành thí nghiệm đánh giá khả năng kháng lún vệt bánh xe. Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Công ty Cổ phần Đầu tư xây dựng BMT trên thiết bị Hamburg Wheel Tracker. Thí nghiệm và tiêu chuẩn đánh giá theo phương pháp A trong môi trường nước ở 50°C, tần số tác dụng tải (25 ± 2.5) chu kỳ/phút và áp lực bánh xe 0,7MPa theo [8]. Mẫu thử có dạng tấm với các kích thước 320mm x 260mm x 50mm được đầm nén bằng thiết bị đầm lăn theo phụ lục C của [8]. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên 34 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 21, Nov 2016 các hình 6 và 7 cho thấy hai mẫu BTN C19 với hàm lượng đá dăm 57% và 64% có chiều sâu vệt lún bánh xe sau 15.000 lượt tác dụng tải tương ứng là 6mm và 4,6mm, thỏa mãn [8]. Khi hàm lượng đá dăm tằng từ 57% lên 64%, chiều sâu vệt lún bánh xe giảm 30,43%. Số lượt tác dụng tải C h iề u s âu v ệt l ú n b án h x e, m m Hình 6. Chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTN C19, 57% đá dăm. Số lượt tác dụng tải C h iề u s âu v ệt l ú n b án h x e, m m Hình 7. Chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTN C19, 64% đá dăm. 4. Kết luận và khuyến nghị Trong điều kiện về vật liệu và thí nghiệm như trong nghiên cứu này, các tác giả rút ra một số kết luận như sau: - Độ ổn định Marshall và chỉ số dẻo của BTN phụ thuộc vào cấu trúc cốt liệu. Khi hàm lượng đá dăm tăng thì độ ổn định Marshall của hỗn hợp tăng, còn chỉ số dẻo giảm. Điều này chứng tỏ với các cấp phối càng nhiều đá dăm thì hỗn hợp BTN càng ổn định đối với các loại biến dạng dẻo; - Đối với hỗn hợp BTN C19, khi hàm lượng đá dăm tăng từ 57% lên 64%, chiều sâu vệt lún bánh xe giảm 30,43%; - Nhóm tác giả khuyến nghị sử dụng các loại BTN nhiều đá dăm làm lớp mặt kết cấu áo đường mềm để hạn chế sự xuất hiện các loại biến dạng dẻo trên mặt dường Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Long, Nguyễn Đức Sỹ (2015), Nguyên nhân và giải pháp hạn chế lún vệt bánh xe trên mặt đường BTN, Tạp chí Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải, 2015, số 14 – 2/2015, trang 63-66. [2] Строкин, А.С. (2009) Повышение сдвигоустойчивости и срока службы дорожных покрытий путем применения асфальтобетона каркасной структуры на модифицированном битуме, 178с. [3] Блягоз А.М., Матуа В.П., Матуа Р.В., Мирончук С.А. (2012), Лабораторные исследования влияния структуры минерального остова на деформативные свойства асфальтобетона, Журнал «Новые технологии», 2012, Вып. 3, с. 75- 80. [4] Bộ khoa học và Công nghệ (2011), TCVN 8819-2011, Mặt đường BTN nóng – yêu cầu thi công và nghiệm thu. [5] Bộ khoa học và Công nghệ (2005), TCVN 7493-2005, Bitum – Yêu cầu kỹ thuật. [6] Bộ khoa học và Công nghệ (2011), TCVN 8820-2011, Hỗn hợp BTN nóng – thiết kế theo phương pháp Marshall. [7] Bộ Giao thông vận tải (2014), 858/QĐ- BGTVT, Quyết định về việc ban hành hướng dẫn áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường BTN nóng đối với các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn. [8] Bộ Giao thông vận tải (2014), QĐ 1617/QĐ- BGTVT, Quyết định Ban hành Quy định kỹ thuật về phương pháp thử độ sâu vệt hằn bánh xe của BTN xác định bằng thiết bị wheel tracking. Ngày nhận bài: 3/10/2016 Ngày chuyển phản biện: 6/10/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 18/10/2016 Ngày chấp nhận đăng: 27/10/2016