Độ rỗng dư và các chỉ tiêu Marshall của bê tông asphalt trên mặt đường cũ bị hằn vệt bánh xe

Kết quả khảo sát và thí nghiệm cho thấy hiện tượng hằn lún vệt bánh xe của đoạn tuyến chỉ xảy ra trong bản thân lớp bê tông asphalt, lớp móng không bị biến dạng. Hiện tượng hằn lún vệt bánh xe trong trường hợp này được dự đoán là do lớp bê tông asphalt phía trên đã bị phá hoại do chảy dẻo một phần và do cấu trúc không còn duy trì được bộ khung cốt liệu chịu lực nên khả năng chịu lực thấp.

PGS.TS. ĐÀO VĂN ĐÔNG

Bộ Giao thông vận tải

KS. ĐÀO XUÂN CẨN

KS. NGUYỄN QUANG DŨNG

Trường Đại học Giao thông vận tải

Người phản biện: TS. Nguyễn Thanh Sang

                             TS. Nguyễn Tiến Dũng

Từ khóa: Bê tông asphalt (BTAP), hằn lún vệt bánh xe.

Abstract: This paper presents initial experimental results about aggregate gradation, air voids, Marshall stability and flow of asphalt concrete in rutting pavement. Samples were taken from  rutting area on a road in the North that serviced more than 10 years. Experimental results shown that rutting of the road developed in asphalt concrete layers only. It is predicted that rutting developed due to partially plastic deformation of the wearing course and interlocked structure of aggregates destroyed leading to reducing of load resistance.     

Keywords: Asphalt concrete, rutting.

1. Đặt vấn đề

Những năm gần đây, kết cấu mặt đường của một số tuyến đường giao thông ở Việt Nam xuất hiện hư hỏng vệt hằn lún bánh xe khá phổ biến. Điều này gây bất lợi về chất lượng khai thác cũng như tuổi thọ sử dụng của công trình. Vệt hằn lún bánh xe có thể do 1 hoặc cả 4 nguyên nhân chủ yếu gây nên, gồm: Biến dạng cả kết cấu nền mặt đường (lún kết cấu), do tái đầm chặt lớp BTAP do hoạt tải phương tiện giao thông gây nên, do biến dạng không phục hồi (biến dạng vĩnh cửu) của bản thân lớp BTAP và do bong, tróc vật liệu lớp mặt BTAP.

Các nghiên cứu trong phòng về vật liệu sử dụng, về thiết kế thành phần, về điều kiện tải trọng và khí hậu ảnh hưởng đến mức độ hằn lún vệt bánh xe đã được thực hiện. Các nghiên cứu thực nghiệm hiện trường gồm khảo sát, đánh giá chất lượng bê tông asphalt trên chính những đoạn đường đã bị hư hỏng vệt hằn bánh xe làm cơ sở góp phần đánh giá được tổng thể nguyên nhân gây hư hỏng hằn lún vệt bánh xe là cần thiết.

Bài báo trình bày kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật của BTAP trên một đoạn tuyến QL đã khai thác hơn 10 năm, gồm: (1) Chiều dày các lớp bê tông asphalt trong kết cấu mặt đường tại những vị trí hằn vệt bánh xe để đánh giá mức độ biến dạng của từng lớp BTAP trong kết cấu mặt đường mềm; (2) Kiểm tra cấp phối vật liệu khoáng, độ rỗng dư và các chỉ tiêu Marshall của các mẫu bê tông asphalt khoan từ hiện trường tại vị trí hằn lún vệt bánh xe để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này đến mức độ hình thành vệt hằn bánh xe.

2. Chuẩn bị mẫu thử

Nghiên cứu được thực hiện trên một đoạn tuyến 5km thuộc một QL ở phía Bắc. Kết cấu mặt đường được thiết kế và thi công 2 lớp BTAP dày tổng cộng 12cm, gồm lớp BTAP hạt thô dày 7cm và lớp BTAP hạt trung dày 5cm. Sau 10 năm khai thác, đoạn tuyến này có sự hư hỏng điển hình về vệt hằn bánh xe. Để chuẩn bị mẫu thử cho nghiên cứu thực nghiệm, công tác khoan cắt mẫu đã được tiến hành tại hiện trường với nội dung như sau:

Mẫu hình chữ nhật được cắt từ hiện trường với kích thước 200 x 400mm, chiều sâu cắt mẫu đến lớp cấp phối đá dăm; số lượng 5 mẫu/5km.

Hình 2.1: Mẫu hình chữ nhật tại km152

Mẫu hình trụ tiêu chuẩn đường kính 101,6m. Trên

mỗi km lấy 18 mẫu, khoảng cách giữa các mẫu dọc theo tuyến trung bình là 30m (Hình 2.2). Mẫu trụ được khoan tại 2 vị trí, gồm tại vị trí vệt hằn bánh xe (vệt lõm M2) và tại vị trí vệt lồi liền kề (M1). Số mẫu tại vệt M1: 6 mẫu/km x 5km = 30 mẫu; số mẫu tại vệt M2: 12 mẫu/km x 5 km = 60 mẫu. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của các lớp BTAP trình bày ở Mục 3 là giá trị trung bình thu được từ các tổ 6 mẫu đối với vệt lồi M1 và tổ 12 mẫu đối với vệt lõm M2.

Hình 2.2: Sơ đồ khoan mẫu trên tuyến ở mỗi km dọc tuyến

­­­

Công tác khoan cắt lấy mẫu được tiến hành tuần tự từ đầu tuyến đến cuối tuyến. Tất cả các mẫu được vệ sinh sơ bộ rồi vận chuyển về và bảo quản trong điều kiện phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn hiện hành [1].

Trước khi gia công mẫu, tiến hành công tác vệ sinh, đo vẽ xác định kích thước, hình dạng của các tấm chữ nhật và các mẫu hình trụ. Các mẫu thử điển hình được thể hiện trong Hình 2.3.

Hình 2.3: Các mẫu thử điển hình

3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và phân tích

3.1. Chiều dày các lớp BTAP

Các mẫu hình chữ nhật sau khi vệ sinh loại bỏ toàn bộ phần cấp phối đá dăm được tiến hành đo vẽ chiều dày. Kết quả cho thấy không có sự biến dạng ở đáy lớp BTAP phía dưới (Hình 2.3). Điều này cho thấy biến dạng hằn vệt bánh xe chỉ xảy ra ở hai lớp BTAP.

Kết quả đo chiều dày 2 lớp BTAP từ 5 mẫu hình chữ nhật và 90 mẫu hình trụ tròn cho thấy chiều dày tại vị trí vệt lồi M1 dao động trong khoảng từ 13cm đến 16cm, chiều dày tại vị trí vệt lõm dao động trong khoảng từ 9cm đến 11cm.

Các mẫu hình chữ nhật sau đó được tách thành 2 lớp [1] và sử dụng để kiểm tra thành phần cốt liệu khoáng của lớp trên và lớp dưới. Các mẫu trụ được sử dụng để kiểm tra độ rỗng dư và các chỉ tiêu Marshall. Tất cả các mẫu được gia công và làm thí nghiệm đúng theo hướng dẫn đã được quy định trong các tiêu chuẩn hiện hành [1-3].

3.2. Kết quả thí nghiệm xác định cấp phối vật liệu khoáng của BTAP lớp trên và lớp dưới

Hình 3.1: Biểu đồ đường cong cấp phối của BTAP hạt trung (lớp trên)

Biểu đồ Hình 3.2 thể hiện cấp phối vật liệu khoáng của hỗn hợp BTAP hạt trung (lớp trên) có D_max12,5. So sánh với cấp phối tiêu chuẩn theo TCVN 8819-2011 [4] cho thấy, đường cấp phối của hỗn hợp thí nghiệm về cơ bản nằm lọt trong giới hạn cấp phối tiêu chuẩn. Riêng cỡ hạt 12,5mm có lượng lọt sàng nhỏ hơn so với giới hạn dưới của cấp phối tiêu chuẩn (89,7% so với 90%). Nếu xét riêng về mặt cấp phối thì đường cấp phối thí nghiệm thu được có thể đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật hiện hành. Tuy nhiên, thực tế khảo sát hiện trường và các mẫu khoan được thì lớp BTAP D_max12.5 vẫn bị hằn vệt bánh xe với giá trị khá lớn, trên 20mm. Điều này có thể dự đoán là bên cạnh chất lượng hỗn hợp vật liệu khoáng thì chất lượng về bột khoáng, chất lượng chất kết dính bitum và/hoặc mức độ vượt tải khai thác có thể là nguyên nhân gây hằn vệt bánh xe như đã xảy ra trên thực tế.

Hình 3.2: Biểu đồ đường cong cấp phối của BTN hạt thô (lớp dưới)

Kết quả thu được từ phân tích thành phần hạt của lớp BTAP hạt thô ở biểu đồ Hình 3.2 cho thấy hàm lượng lọt sàng tại các mắt sàng đã tiến sát giới hạn trên của biểu đồ đường cong cấp phối tiêu chuẩn, như tại mắt sàng 19mm hàm lượng lọt sàng là 98,87%; tại mắt sàng 12,5mm hàm lượng lọt sàng là 85,58%; tại mắt sàng 4,75mm hàm lượng lọt sàng là 56,14%. Tại một số mắt sàng khác, hàm lượng lọt sàng đã vượt ra khỏi phạm vi yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 8819-2011 [4] như tại mắt sàng 9,5mm, hàm lượng lọt sàng là 78,17%. Như vậy, cấp phối vật liệu khoáng tại vệt hằn bánh xe của lớp BTN hạt thô D_max19 đã mịn hóa so với cấp phối thiết kế ban đầu của dự án.

Cấp phối gần với phần “mịn” của cấp phối tiêu chuẩn như Hình 3.2 có thể là do việc thiết kế và thực trạng vật liệu ban đầu. Điều này cũng có thể là do trong quá trình thi công và khai thác các hạt vật liệu thô đã bị vỡ một phần làm “mịn hóa” cấp phối. Thực trạng cấp phối như vậy có thể làm giảm khả năng kháng cắt của lớp bê tông nhựa hạt thô, dẫn đến tăng mức độ hằn vệt bánh xe như thực tế hiện trường.

3.3. Kết quả kiểm tra độ rỗng dư

Độ rỗng dư được thí nghiệm xác định từ các mẫu hình trụ tròn tại cả vệt lồi M1 và vệt lõm M2 đối với cả lớp BTAP hạt trung (lớp trên) và hạt thô (lớp dưới) theo tiêu chuẩn hiện hành [3]. Kết quả thí nghiệm độ rỗng dư thu được được thể hiện trong Hình 3.3. Kết quả thu được cho thấy không có một quy luật rõ rệt về độ rỗng dư của các lớp BTAP. Tuy nhiên, có thể nhận thấy rằng, hầu hết các mẫu thử đều cho độ rỗng dư dưới 2%. Đối chiếu với quy định kỹ thuật hiện hành thì các lớp BTAP sau thời gian khai thác đều đã tiếp tục được làm chặt dưới tác động của hoạt tải khai thác, do vậy, độ rỗng dư đã giảm từ trên 3% khi thi công xuống dưới 2% tại thời điểm tiến hành lấy mẫu.

Hình 3.3: Độ rỗng dư đoạn tuyến nghiên cứu

Đối với khu vực vệt hằn bánh xe, độ rỗng dư của BTAP lớp dưới cho kết quả thấp hơn so với BTAP lớp trên. Điều này có thể dự đoán là dưới áp lực của hoạt tải, lớp BTAP phía dưới chịu tác động của áp lực nén và áp lực cắt nhỏ, chưa vượt quá khả năng chịu tải của lớp vật liệu. Do vậy, lớp BTAP phía dưới được tiếp tục đầm chặt theo thời gian. Ngược lại, lớp BTAP phía trên chịu tác động của áp lực bánh xe vượt quá khả năng chịu tải của lớp vật liệu nên đã bị xáo trộn và chảy dẻo về mặt cấu trúc vật liệu. Điều này dẫn đến việc độ rỗng dư của lớp BTAP phía trên lớn hơn lớp BTAP phía dưới.

Đối với khu vực vệt lồi, độ rỗng dư của lớp BTAP phía trên lại cho kết quả thấp hơn so với lớp BTAP phía dưới. Điều này có thể dự đoán là do khu vực vệt lồi cũng chịu áp lực của hoạt tải nhưng ít hơn so với khu vực vệt hằn. Theo thời gian, cả 2 lớp BTAP tại khu vực vệt lồi đều bị đầm chặt lại, tuy nhiên do ở phía trên chịu áp lực lớn hơn nên lớp BTAP phía trên bị đầm chặt hơn vì thế cho độ rỗng dư nhỏ hơn so với lớp BTAP phía dưới.

3.4. Kết quả kiểm tra các chỉ tiêu Marshall

Độ bền và độ dẻo Marshall được thí nghiệm đối với các mẫu hình trụ tròn theo tiêu chuẩn hiện hành [1]. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Hình 3.4 và Hình 3.5.Theo Hình 3.4, độ bền Marshall khá thấp ngoại trừ một số vị trí lớp dưới của vệt hằn. Mặc dù sau một thời gian dài khai thác, chất kết dính bitum đã hóa già nhiều, nhưng độ bền Marshall chỉ đạt được trong khoảng từ 7 đến 9kN. Giá trị độ bền Marshall thu được thấp nhất, được ghi nhận tập trung ở lớp trên của kết cấu mặt đường. Nguyên nhân có thể là do lớp BTAP phía trên đã bị phá hoại do chảy dẻo một phần và do cấu trúc không còn duy trì bộ khung cốt liệu chịu lực nên khả năng chịu lực thấp. Điều này cũng phù hợp với những phân tích, đánh giá về độ rỗng dư đã đề cập ở trên

Hình 3.4: Độ bền Marshall đoạn tuyến nghiên cứu

Biểu đồ Hình 3.5 thể hiện độ dẻo Marshall của các lớp BTAP tại hai vị trí vệt hằn và vệt lồi của đoạn tuyến 5km khảo sát. Nhìn chung, tất cả các mẫu đều đạt chỉ tiêu về độ dẻo Marshall ngoại trừ các mẫu tại lớp trên của vệt lồi. Độ dẻo Marshall của các mẫu ở lớp dưới vệt lồi tương đối tốt. Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy, độ dẻo Marshall của các lớp BTAP tại vị trí vệt lồi lớn hơn độ dẻo Marshall của các lớp BTAP tại vị trí vệt hằn.

Hình 3.5: Độ dẻo Marshall đoạn tuyến nghiên cứu

4. Kết luận và kiến nghị

Các kết quả thực nghiệm thu được trong nghiên cứu này mới chỉ là bước đầu. Số lượng mẫu thử ở một số tổ mẫu chưa nhiều nên độ tin cậy của kết quả có thể chưa cao. Để tiếp tục có cơ sở dữ liệu nhằm đánh giá nguyên nhân gây hư hỏng mặt đường bê tông asphalt do hằn vệt bánh xe, một số kết luận và kiến nghị sau có thể được rút ra:

- Hư hỏng hằn lún vệt bánh xe của đoạn tuyến nghiên cứu chỉ xảy ra trong bản thân lớp BTAP;

- Độ rỗng dư nhỏ (<3%) là biểu hiện đặc trưng của hiện tượng hằn lún vệt bánh xe;

- Sự xuất hiện vệt lồi là dấu hiệu nhận biết của dạng hằn lún vệt bánh xe chỉ xảy ra trong bản thân lớp BTAP;

- Tiếp tục nghiên cứu cấp phối vật liệu khoáng, thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt và thí nghiệm vệt hằn bánh xe đảm bảo yêu cầu trước khi thi công;

- Quản lý chặt chẽ vật liệu khoáng tại các trạm trộn để đảm bảo cấp phối theo đúng thiết kế;

- Mở rộng khảo sát thu thập mẫu thử để thí nghiệm xác định độ rỗng dư, cấp phối vật liệu khoáng và các chỉ tiêu Marshall của BTAP ở những tuyến đường bị hư hỏng do hằn vệt bánh xe. Thông qua kết quả thí nghiệm cho phép dự đoán hiện trạng cấu trúc của BTAP sau khi bị hằn vệt bánh xe. Từ đó có thể đưa ra giải pháp cho thiết kế và thi công phù hợp o

Tài liệu tham khảo

[1]. Tiêu chuẩn quốc gia (2011), TCVN 8860-1: 2011 Bê tông nhựa – Phương pháp thử – Phần 1: Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall.

[2]. Tiêu chuẩn quốc gia (2011), TCVN 8860-3: 2011 Bê tông nhựa – Phương pháp thử – Phần 3: Xác định thành phần hạt.

[3]. Tiêu chuẩn quốc gia (2011), TCVN 8860-9: 2011 Bê tông nhựa – Phương pháp thử – Phần 9: Xác định độ rỗng dư.

[4]. Tiêu chuẩn quốc gia (2011), TCVN 8819-2011 Mặt đường bê tông nhựa nóng – Yêu cầu thi công và nghiệm thu.