Chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa chặt dính kết với nhựa đường có độ kim lún thấp và nhiệt độ hóa mềm cao

TS. Nguyễn Mạnh Hùng Viện Khoa khọc Công nghệ Giao thông vận tải ThS. Tô Văn Lợi Ban QLDA Đường sắt đô thị TP. Hồ Chí Minh ThS. Trần Anh Tuấn Công ty CP Tư vấn Xây dựng 625 Người phản biện: TS. Dương Tất Sinh

Tóm tắt: Bài viết giới thiệu kết quả nghiên cứu bê tông nhựa chặt (BTNC) 19 dính kết với nhựa đường có độ kim lún thấp, nhiệt độ hóa mềm cao. Các chỉ tiêu kỹ thuật đạt được cho thấy, BTN có khả năng chịu nhiệt, đáp ứng yêu cầu chống hằn lún vệt bánh xe (HLVBX).

Từ khóa: Bê tông nhựa chặt, độ kim lún, nhiệt độ.

Abstract: This report introduces the research results of BTNC19 using bitumen binder with a low Penetration grade and higher softening temperature. The technical paramters showed the ability to anti-rutting deformation.

Keywords: Asphalt tight, penetration levels, temperature.

 1. Đặt vấn đề

HLVBX sớm vượt quá giới hạn cho phép trên mặt đường BTN đang trở thành vấn đề nóng hiện nay ở nhiều dự án mở rộng, nâng cấp đường QL. Nguyên nhân đã được nhiều đơn vị chức năng đánh giá nhưng chưa có giải pháp kỹ thuật nào có tính khả thi cao khi sử dụng BTN dính kết với nhựa đường 60/70.

Ảnh hưởng trùng phục của dòng xe tải nặng tác dụng lên mặt đường khi BTN bị nhiệt dẻo ở nhiệt độcao đã làm phát sinh biến dạng dư và tích lũy biến dạng gây HLVBX. Đây là hiện tượng xảy ra trong suốt thời gian khai thác đường và được các nước phát triển ràng buộc vào điều kiện kiểm toán sao cho kết thúc tuổi thọ thiết kế mặt đường thì HLVBX phải nhỏ hơn hoặc bằng giới hạn cho phép ứng với cấp đường và tổng trục xe tích lũy.

Như vậy, quy trình thiết kế áo đường mềm của chúng ta cần được nghiên cứu bổ sung điều kiện này. Tuy nhiên, trước mắt chúng ta có thể hạn chế ảnh hưởng nhiệt dẻo của BTN ở nhiệt độcao dưới hình thức:

- Sử dụng miền cấp phối BTN nhiều đá dăm;

- Sử dụng nhựa đường có độ kim lún thấp, nhiệt độ hóa mềm cao.

Đó chính là nội dung nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng BTN nóng ở dự án đầu tư xây dựng công trình mở rộng QL1A, đoạn qua tỉnh Khánh Hòa^[1] (Sau đây gọi tắt là dự án).

2. Nội dung thực hiện

2.1. Thiết kế cấp phối BTN

Cấp phối BTNC19 trong đề tài lấy từ kết quả thiết kế phục vụ dự án. Đường cong cấp phối mẫu BTN được giới thiệu ở Hình 2.1. Tỷ lệ phối trộn có ^[2]:

- Đá 19 - 25 chiếm 9,14%;

- Đá 10 - 19 chiếm 30,06%;

- Đá 5 - 10 chiếm 18,48%;

- Đá 0 - 5 chiếm 48,32%;

- Bột khoáng chiếm 5,3%.

- Hàm lượng nhựa đường 60/70:

+ Tính theo hỗn hợp: a_hh=4,55%;

+ Tính theo cốt liệu: a_cl=4,77%.

- Phụ gia tăng tính dính bám:

+ Wetfix Be: 0,3% trọng lượng nhựa đường bán cứng 60/70.

Hình 2.1: Đường cong cấp phối BTNC19

 

2.2. Chế tạo nhựa đường có độ kim lún thấp, nhiệt độ hóa mềm cao

Kết quả phối trộn giữa nhựa đường cứng với nhựa đường bán cứng 60/70 đã làm thay đổi đáng kể độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm (Hình 2.2). Mẫu nhựa lựa chọn làm chất dính kết gọi là mẫu nhựa cải tiến có:

- Độ kim lún đạt 36,7 (0,1mm);

- Nhiệt độ hóa mềm đạt 57,05^oC;

- Tỷ lệ phối trộn: 30% nhựa cứng, 70% nhựa đường bán cứng 60/70.

Hình 2.2: Quá trình thí nghiệm và biểu đồ biến đổi độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm khi tăng % nhựa cứng

 

Đúc mẫu thí nghiệm

Để loại trừ các sai số thô trong công tác thí nghiệm (TN) mẫu BTN phải tuân thủ yêu cầu sau:

- Đúc riêng từng mẫu một TN;

- Cân đong đúng liều lượng, đảm bảo tính đồng nhất của thành phần hỗn hợp BTN;

- Nhiệt độ tạo mẫu như nhau;

- Khuôn tạo mẫu được ủ trong tủ sấy đạt ít nhất bằng nhiệt độ tạo mẫu;

- Đầm mẫu bằng máy tự động;

- Công đầm cho mỗi mặt là 75 chày (2x75 chày).

Mỗi tổ gồm 3 mẫu, đúc phục vụ TN khảo sát các chỉ tiêu kỹ thuật dưới đây phụ thuộc vào nhiệt độ:

- Cường độ chịu nén ở 10^oC, 30^oC và 50^oC;

- Mô-đun đàn hồi ở 10^oC, 30^oC và 50^oC;

- Độ bền ép chẻ ở  10^oC, 30^oC và 50^oC;

- Độ bền và độ dẻo Marshall ở 60^oC, 70^oC và 75^oC.

Mẫu nhựa cải tiến không sử dụng phụ gia Wetfix Be. Mẫu đối chứng nhựa 60/70 có dùng phụ gia Wetfix Be. Các mẫu đúc thí nghiệm cường độ chịu nén (R_n), mô-đun đàn hồi (E_đh) và độ bền ép chẻ (R_ech) đều có chiều cao bằng đường kính mẫu (H=D).

2.3. Kết quả thí nghiệm

2.3.1. Cường độ chịu nén

Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén được tập hợp trong Bảng 2.1, quan hệ biến đổi R_n phụ thuộc vào nhiệt độ được biểu thị ở Hình 2.3.

Ở 50^oC, cường độ chịu nén của BTN sử dụng nhựa cải tiến đạt 3,27MPa, tăng 70% so với BTN dùng nhựa 60/70 + phụ gia Wetfix Be.

Bảng 2.1. Tập hợp giá trị trung bình R_n

 

Hình 2.3: Quan hệ biến đổi Rn phụ thuộc vào nhiệt độ

 

2.3.2. Mô-đun đàn hồi

Kết quả thí nghiệm mô-đun đàn hồi được tập hợp trong Bảng 2.2, quan hệ biến đổi E_đh phụ thuộc vào nhiệt độ được biểu thị ở Hình 2.4. Mô-đun đàn hồi ở 50^oC của BTN sử dụng nhựa cải tiến đạt 746MPa, tăng 70% so với BTN dùng nhựa 60/70 + phụ gia Wetfix Be.

Bảng 2.2. Tập hợp giá trị trung bình E_đh

 

Hình 2.4: Quan hệ biến đổi Eđh phụ thuộc vào nhiệt độ

 

2.3.3. Độ bền ép chẻ

Kết quả thí nghiệm độ bền ép chẻ được tập hợp trong Bảng 2.3, quan hệ biến đổi R_ech phụ thuộc vào nhiệt độ được biểu thị ở Hình 2.5. Độ bền ép chẻ ở 50^oC của BTN sử dụng nhựa cải tiến vẫn cho giá trị cao, đạt 0,70Mpa, tăng 176,80% so với BTN dùng nhựa 60/70 + phụ gia Wetfix Be.

Bảng 2.3. Tập hợp giá trị trung bình R_e,ch

 

Hình 2.5: Quan hệ biến đổi Re,ch phụ thuộc vào nhiệt độ

 

2.3.4. Độ bền và độ dẻo Marshall

Ngoài nhiệt độ 60^oC, độ bền Marshall của BTN còn được thí nghiệm khảo sát thăm dò ở 70 và 75^oC. Kết quả thí nghiệm được tập hợp trong Bảng 2.4, quan hệ độ bền khả năng chịu nhiệt Marshall (SM) và độ dẻo (PM) phụ thuộc vào nhiệt độ được biểu thị ở Hình 2.6.

Ở 75^oC, độ bền Marshall của BTN sử dụng nhựa cải tiến đã đạt tới 9,03kN > 8kN (theo quy trình yêu cầu ở 60^oC). Ngược lại, mẫu BTN dùng nhựa 60/70 + phụ gia Wetfix Be chỉ đạt 6,64KN < 8kN. Thí nghiệm ủ mẫu 24h liền ở 75^oC của BTN sử dụng nhựa cải tiến cũng cho giá trị 8,45kN. Điều này rất có ý nghĩa với BTN sử dụng nhựa đường cải tiến nêu trên.

Bảng 2.4. Tập hợp giá trị trung bình độ bền và dẻo Marshall

 

Hình 2.6: Quan hệ biến đổi độ bền Marshall theo nhiệt độ

2.4. Nhận xét, đánh giá

Từ kết quả thí nghiệm xác định chỉ tiêu kỹ thuật của BTNC19 sử dụng nhựa cải tiến và nhựa đối chứng 60/70 + phụ gia Wetfix Be cho phép nhận xét:

- Nhựa cải tiến có các chỉ tiêu cơ lý phù hợp với vùng có khí hậu nóng tốt hơn nhựa bán đường bán cứng 60/70;

- Công nghệ sử dụng nhựa đường cải tiến đúc mẫu trong phòng và thi công cũng giống như công nghệ sử dụng nhựa đường bán cứng 60/70;

- Trong vai trò hỗn hợp nhựa đường, các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNC19 dính kết với nhựa cải tiến đều phản ánh tính ưu việt hơn hẳn mẫu đối chứng dùng nhựa đường bán cứng 60/70 + phụ gia Wetfix Be, đặc biệt ở nhiệt độ cao.

Như vậy, đối với dự án ở tỉnh Khánh Hòa, có thể sử dụng nhựa đường cải tiến làm chất dính kết (thay cho nhựa đường bán cứng 60/70 + phụ gia Wetfix Be) dùng để chế tạo hai lớp BTN tầng mặt có khả năng chịu nhiệt cao, hạn chế ảnh hưởng nhiệt dẻo ở BTN, chống lại biến dạng dư do trùng phục tải trọng nặng gây ra.

3. Kết luận và kiến nghị

3.1. Kết luận

Sử dụng nhựa đường có độ kim lún thấp, nhiệt độ hóa mềm cao, làm chất dính kết cho BTN sẽ đáp ứng được yêu cầu chống lại biến dạng dư sớm gây HLVBX vượt quá giới hạn cho phép.

3.2. Kiến nghị

- Để nhựa cải tiến có thể ứng dụng đại trà, các đơn vị chức năng của Bộ GTVT cần sớm nghiên cứu, xác định các chỉ tiêu kỹ thuật (mang tính pháp lý cao) để dùng trong tính toán kết cấu áo đường mềm cho các loại BTN này.

- Tương tự với nhựa đường polime (nhựa có khả năng chịu nhiệt rất cao), có được các chỉ tiêu kỹ thuật của BTN polime sẽ cho phép tính toán kết cấu BTN tầng mặt phối hợp giữa BTN 60/70 (lớp dưới) với BTN polime (lớp trên) để có mặt đường chịu lưu lượng xe lớn và chống lại biến dạng dư do nhiệt độ cao. Nhưng giá thành xây dựng sẽ hợp lý, giúp BTN polime trở thành sự lựa chọn thông thường cho các cấp đường cần thiết.

Tài liệu tham khảo

[1]. Trần Anh Tuấn (2015), Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lượng BTN nóng đang sử dụng ở tỉnh Khánh Hòa, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật. TP. Hồ Chí Minh.

[2]. Công ty CP Tư vấn Xây dựng Vĩnh Đức (01/2015), Hồ sơ thiết kế liều lượng bê tông nhựa chặt 19 (BTNC19), BTNC 12.5 (BTNC12.5), Khánh Hòa.