Đánh giá các đặc tính khai thác vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám và đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng khai thác

TS. Nguyễn Phước Minh Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Mạnh Hùng PGS. TS. Trần Thị Kim Đăng

Tóm tắt: Hiện nay, tại Việt Nam, phát triển hệ thống đường cao tốc đang là mục tiêu chiến lược phát triển GTVT đường bộ, vật liệu lớp bê tông nhựa (BTN) tạo nhám đang được sử dụng nhiều cho lớp mặt đường. Đánh giá các đặc tính khai thác của nó gồm: Độ nhám theo thời gian, hệ số độ bám bề mặt, độ rỗng dư còn lại, độ hút nước… là những đặc tính khai thác rất quan trọng của vật liệu, nhằm xem xét và qua đó kiểm tra chất lượng vật liệu, thiết kế thành phần cũng như đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng khai thác BTN lớp tạo nhám có hiệu quả hơn.

Từ khóa: Bê tông nhựa, đường cao tốc, tạo nhám.

Abstract: Currently in Vietnam developed highway system is a target for strategic development of road transport, Asphalt concrete friction courses material is designed to be used more for pavement layers. Evaluation of its mining properties include: Roughness over time, the coefficient of friction, the remaining residual porosity, absorbent characteristic... is the exploitation of the material is important, in order to consider and thereby check the quality of materials, design elements and offer solutions to improve the quality of mining rough asphalt layers create more effective.

Keywords: Asphalt, highways, textured.

1. Đặt vấn đề

Nghiên cứu các đặc tính khai thác BTN lớp tạo nhám mặt đường ô tô chính là xem xét độ nhám và độ hút nước bề mặt vật liệu thông qua việc kiểm tra độ rỗng dư của vật liệu BTN. Chỉ tiêu độ nhám và độ hút nước bề mặt là hai đặc tính khai thác có ý nghĩa quan trọng đối với BTN lớp tạo nhám trên các tuyến đường có tốc độ cao (V > 65km/h). Việc đảm bảo duy trì khả năng làm việc của hai chỉ tiêu này trên bề mặt xe chạy góp phần nâng cao độ an toàn chạy xe, giảm thiểu những rủi ro do tai nạn xe chạy ở tốc độ lớn; đặc biệt hơn chính là độ bám bánh xe mặt đường được duy trì khi trời mưa to do hiệu ứng màng nước (hydroplaning) bị triệt tiêu, cũng như hiện tượng bắn nước, bụi nước sau bánh xe (Hình 1.1) không bị ảnh hưởng tầm nhìn xe chạy.

Hình 1.1: a - Hiện tượng màng nước; b - cấu trúc bề mặt của BTN chặt; c - BTN lớp tạo nhám

BTN tạo nhám là 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 cao từ 16%÷18%. So với BTN chặt, chính BTN lớp tạo nhám có độ rỗng dư cao đóng vai trò quan trọng và giải quyết được vấn đề này.

2. Đánh giá các đặc tính khai thác lớp BTN tạo nhám mặt đường ô tô

Trong quá trình khai thác, vật liệu BTN lớp tạo nhám của kết cấu áo đường mềm phải làm việc trong mọi điều kiện và chịu tác động của nhiều nhân tố: Tải trọng, khí hậu và môi trường, theo thời gian sẽ bị suy giảm.

Độ nhám và độ hút nước là yếu tố kỹ thuật đặc trưng quan trọng cho vật liệu BTN lớp tạo nhám như đã đề cập ở trên. Việc xác định độ rỗng dư mặt đường đang khai thác là rất khó khăn, từ việc chế bị mẫu thí nghiệm trong phòng và mẫu khoan hiện trường. Tác giả nghiên cứu đã thống kê xác định mối quan hệ các chỉ tiêu khai thác thông qua độ nhám vĩ mô gồm: Quan hệ giữa độ nhám vĩ mô và độ rỗng dư; độ rỗng dư và độ hút nước; xác định sự thay đổi độ nhám vĩ mô (chiều sâu rắc cát trung bình) theo thời gian, từ đó có thể biết được độ rỗng dư còn lại theo thời gian khai thác của lớp vật liệu BTN tạo nhám.

Chính nhờ mối quan hệ giữa các chỉ tiêu mà có thể giúp các kỹ sư quản lý đường nhận biết được sự suy giảm khả năng làm việc của lớp phủ BTN tạo nhám, từ đó đề ra các giải pháp duy tu bảo dưỡng thường xuyên hay định kỳ lớp phủ BTN tạo nhám một cách hợp lý.  

2.1. Nghiên cứu các chỉ tiêu đánh giá chất lượng khai thác BTN lớp tạo nhám

2.1.1. Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô

Độ nhám của vật liệu BTN tạo nên do đặc trưng của cốt liệu và thành phần cốt liệu trong hỗn hợp. Việc nghiên cứu mối quan hệ này là nhằm có biện pháp xử lý để duy trì đặc tính khai thác của nó. Số liệu tại hiện trường với gói thầu: Xây dựng đường hạ cất cánh sân bay Cần Thơ và chế bị mẫu trong phòng. Tác giả tiến hành chế bị mẫu và thu thập mẫu khoan, thí nghiệm kiểm tra giá trị gồm: Độ rỗng dư (V_a) và độ nhám vĩ mô (H_tb).

Hình 2.1: Đồ thị quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô thí nghiệm trong phòng

- Thí nghiệm trong phòng: Kết quả phân tích mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô theo công thức sau: H_tb=0,0002V_a+0,9185.        (1)

Trong đó: H_tb - Độ nhám vĩ mô (mm); V_a - Độ rỗng dư (%).

- Thí nghiệm hiện trường: Kết quả thí nghiệm và phân tích cho được mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô như công thức sau:

H_tb=0,0011V_a+0,4626                                 (2)

Hình 2.2: Đồ thị quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô tại hiện trường

2.1.2. Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước

Để đánh giá quan hệ giữa độ rỗng dư và khả năng thoát nước (độ hút nước) trên mặt đường nhám, tác giả tiến hành thí nghiệm trên tuyến cao tốc TP. Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây tại gói thầu1A - lý trình Km4 + 00 (phường Phú Hữu - quận 9 - TP. Hồ Chí Minh. Nội dung thí nghiệm kiểm tra gồm:

- Dụng cụ thí nghiệm gồm: Khung kim loại 140cm x 100cm x 5cm (Hình 2.3.);

- Sáp bịt kín các khe hở mặt đường và khung kim loại;

- Thể tích nước: Căn cứ cường độ mưa trung bình năm tại TP. Hồ Chí Minh;

- Điều kiện thời tiết: Không mưa;

- Tính toán kết quả độ hút nước:

Qt = Q₀ - Q_s    (3)

Trong đó:

Q₀ - Lượng nước tính toán ban đầu (cm³);

Q_s - Lượng nước còn lại trên bề mặt (cm³): Qs= V x S_đ  (cm³);

Sđ - Diện đọng nước trên bề mặt (cm²); V - Tốc độ dòng nước (cm/s).

Hình 2.3: Kiểm tra khả năng hút nước trên mặt đường nhám

 

Phân tích kết quả thí nghiệm có thể lập mối quan hệ giữa độ hút nước và độ rỗng dư của mặt đường nhám thể hiện theo công thức sau: 

Q_t = 150,75V_a + 7722,3     (4)

Trong đó:

Q_t - Độ hút nước bề mặt (cm³);

V_a - Độ rỗng dư (%).

Hình 2.4: Quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước

 

Nhận xét: Kết quả nghiên cứu từ mục 2.1.1 và 2.1.2 cho thấy mối liên hệ có ý nghĩa giữa độ nhám vĩ mô H_tb-V_a và Q_t-V_a cho vật liệu BTN lớp tạo nhám. Từ cơ sở này để đánh giá khả năng suy giảm độ rỗng dư V_a, hay khả năng hút nước Q_t của BTN lớp phủ tạo nhám, có thể tiến hành kiểm tra độ nhám vĩ mô (Htb) tại hiện trường (Hình 2.5) để nhận biết được giá trị các chỉ tiêu còn lại; từ đó có thể kết luận đánh giá các chỉ tiêu khai thác còn lại của vật liệu lớp tạo nhám theo thời gian, thông qua nghiên cứu mục 2.1.3 dưới đây.

Hình 2.5: Kiểm tra độ nhám vĩ mô (Htb) trên tuyến cao tốc Sài Gòn - Trung Lương

 

2.1.3. Nghiên cứu sự thay đổi độ nhám vĩ mô của mặt đường nhám theo thời gian

Hình 2.6: Khảo sát độ nhám tại lý trình Km37 +550÷Km38+150 và Km38+150÷Km38+850

Trong mục nghiên cứu này, tác giả tiến hành khảo sát độ nhám vĩ mô ngẫu nhiên tại lý trình Km37+00 và Km38+00 hướng TP. Hồ Chí Minh đi Trung Lương (Tiền Giang), thời gian khảo sát từ đầu tháng 11/2009 và đến đầu tháng 01/2010.

Qua nghiên cứu tại hiện trường cho thấy, giá trị độ nhám vĩ mô (H_tb) giảm từ 3 ÷ 7% trong 3 tháng đầu tiên khi đưa tuyến cao tốc TP. Hồ Chí Minh - Trung Lương vào khai thác (cốt liệu đá dăm cho BTN lấy tại Đồng Nai). Với kết quả nghiên cứu này cho phép tác giả đề xuất thời gian định kỳ bảo dưỡng lớp mặt đường BTN nhám cho tuyến đường cao tốc thông qua mục 2.1.4 dưới đây.

2.1.4. Nghiên cứu hiệu quả tăng nhám

Trong quá trình phục vụ, độ hút nước mặt đường sẽ bị giảm do tắc nghẽn vì nhiều lý do khác nhau, trong đó bụi bẩn, mảnh vụn xuất hiện do mặt đường và vỏ bánh xe bị mài mòn; hoặc mặt đường trở nên chặt hơn do tác động của tải trọng, khả năng nhám bề mặt và thấm nước sẽ bị giảm. Trong nội dung nghiên cứu này, tác giả tiến hành khảo sát tại lý trình Km37+550÷Km37+750 trên tuyến cao tốc TP. Hồ Chi Minh - Trung Lương, khảo sát theo hai phương pháp:

2.1.4.1. Phương pháp thổi bằng khí nén

Thiết bị và nội dung thực nghiệm gồm: Máy thổi khí nén áp lực cao; dụng cụ đo nhám bằng phương pháp rắc cát; đo độ nhám vĩ mô trước và sau khi thổi khí nén; kiểm tra đánh giá hiệu quả tăng nhám.

Hình 2.7: Hình ảnh đo nhám trước và sau khi thổi khí nén

 

Nhận xét: Qua nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường cho thấy giá trị độ nhám vĩ mô kiểm tra sau khi thổi khí nén tăng lên không đáng kể.

2.1.4.2. Phương pháp phun rữa cao áp

Hình 2.8: a - Kiểm tra độ nhám trước và b - Sau khi phun rữa cao áp

Nội dung thực hiện bao gồm: Thiết bị phun rữa cao áp; dụng cụ kiểm tra độ nhám vĩ mô bằng phương pháp rắc cát; kiểm tra độ nhám vĩ mô trước và sau khi phun rữa cao áp; đánh giá hiệu quả tăng độ nhám.

Phân tích kết quả và đánh giá cho phép lập biểu đồ giá trị độ nhám vĩ mô trước và sau phun rữa cao áp như Hình 2.9.

Nhận xét: Qua khảo sát độ nhám vĩ mô với giải pháp phun rữa nước cao áp tại hiện trường, cho thấy giá trị độ nhám vĩ mô bằng phương pháp rắc cát tăng lên đáng kể H_tb=6% sau khi phun rữa. Kết hợp kết quả nghiên cứu từ mục 2.1.3, khả năng suy giảm độ nhám vĩ mô trong thời gian 3 tháng  là 3÷7%.

Hình 2.9: Độ nhám vĩ mô sau khi phun rửa cao áp

Như vậy, có thể đề xuất thời gian theo định kỳ 3 tháng/lần bằng phương pháp phun rữa cao áp nhằm duy trì đảm bảo độ nhám khai thác lớp vật liệu BTN tạo nhám.

3. Kết luận và kiến nghị

Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa độ nhám, độ rỗng dư, độ hút nước cũng như đánh giá khả năng suy giảm độ nhám mặt đường. Từ cơ sở này có thể mở rộng nghiên cứu cho các tuyến cao tốc khác tại Việt Nam, giúp cho các kỹ sư quản lý đường cao tốc nắm được bản chất các đặc tính khai thác của vật liệu BTN lớp phủ tạo nhám; thời hạn định kỳ bảo dưỡng mặt đường, phương pháp và kỹ thuật xử lý, cũng như đưa ra giải pháp nâng cao chất lượng vật liệu BTN lớp tạo nhám tại Việt Nam.

Kiến nghị qui chế kiểm tra định kỳ độ nhám lớp phủ BTN tạo nhám trên các tuyến cao tốc, từ đó có thể đề ra giải pháp duy trì hiệu quả làm việc mặt đường nhám và có qui chế duy tu bảo dưỡng phù hợp đối với các tuyến đường cao tốc hiện nay và cho thời gian sau này.

Tài liệu tham khảo

[1]. GS. TS. Trần Đình Bửu, GS. TS. Dương Học Hải (2006), Giáo trình xây dựng mặt đường ô tô, tập II, NXB. Giáo dục.

[2]. PGS. TS. Vũ Đức Chính, KS. Phạm Kim Điện (2009), Sổ tay thiết kế hỗn hợp BTN theo phương pháp Marshall, NXB. Khoa học va Kỹ thuật.

[3]. PGS. TS. Trần Tuấn Hiệp, GS. TSKH. Hoàng Trọng Yêm (2002) dịch, Cẩm nang bitum shell, NXB. GTVT.

[4]. Nguyễn Phước Minh (2011), Nghiên cứu ứng dụng vật liệu BTN cấp phối hở cho lớp tạo nhám mặt đường có tốc độ cao, Tạp chí Khoa học GTVT, (36).

[5]. Nguyễn Phước Minh (2013), Nghiên cứu xác định thành phần vật liệu hợp lý BTN lớp tạo nhám mặt đường cấp cao tại Việt Nam, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Trường Đại học GTVT.

[6]. Technical Advisory Open Graded Friction Courses (1990), U. S. Department of Transportation Federal Highway Administration.