Kết quả nghiên cứu bước đầu vật liệu bê tông nhựa vữa xi măng tự chèn

TS. Nguyễn Mạnh Hùng  KS. Cao Đình Vũ Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Nguyễn Quang Phúc

Tóm tắt: Bài báo trình bày tóm tắt kết quả nghiên cứu bước đầu về vật liệu bê tông nhựa (BTN) vữa xi măng tự chèn. Vật liệu này có cường độ chống cắt trượt cao và nhiều chỉ tiêu kỹ thuật vượt trội khác nên có khả năng chịu tải trọng nặng hoặc rất nặng. Nó thường sử dụng cho các công trình như: Sân bay, bến cảng, kho hàng, đường chuyên dụng, nút giao thông, trạm thu phí, bãi đỗ… Kết quả ứng dụng ở nhiều nước phát triển và nghiên cứu bước đầu trong bài báo cho thấy: Vật liệu có chất lượng tốt, có thể nghiên cứu sâu hơn để áp dụng rộng rãi tại Việt Nam.

Từ khóa: Mặt đường bán mẫu, mặt đường đá dăm chèn vữa, bê tông nhựa xi măng, mặt đường nhựa cải tiến.

Abstract: This paper presents summary of result initial study about materials asphalt concrecte cement motar insertion order. This material has high intensity shear slip and superior physical characteristics else should there be able to withstanding heavy or very heavy load. It is often used for projects such as airport, port, warehouse, specialized road, interchanges, toll stations, parking,... Results application in many developed countries and original research in master thesis show that good quality of this materials, can further study to apply widely in Vietnam.

Keywords: Semi-flexible pavement, grouted macadam, salviacim, densiphalt, asfaltocementový beton, resin modified pavement.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, áo đường mềm đang chiếm vị trí ưu thế trong các dạng kết cấu áo đường xây dựng cơ sở hạ tầng GTVT, phục vụ quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Trong đó, dạng mặt đường phổ biến là BTN.

Kinh tế phát triển đòi hỏi lưu lượng và phương tiện lưu thông qua lại giữa các tỉnh thành, địa phương ngày càng tăng. Xe tải (kể cả xe vượt tải) trong thành phần dòng xe đã chiếm tỷ lệ đáng kể làm gia tăng trọng tải tác dụng xuống mặt đường. Qua thực tế xây dựng và khai thác trên một số tuyến quốc lộ đã xảy ra hiện tượng biến dạng dư sớm vượt quá giới hạn cho phép (gây hiện tượng lún trồi), ảnh hưởng tới yêu cầu nhanh, an toàn và êm thuận trong vận chuyển.

Vài năm gần đây, ngành GTVT đã có nhận thức, đánh giá đầy đủ về “hiểm họa” hằn, lún vệt bánh xe. Nhiều tổ chức, cá nhân, các nhà khoa học đã có nghiên cứu vấn đề này và đưa ra các nhận định về nguyên nhân. Trong đó, có sự giảm thể tích của BTN do tác dụng đầm nén của bánh xe và ảnh hưởng trùng phục của dòng xe tải nặng tới lớp mặt BTN đang ở điều kiện bất lợi về nhiệt dẻo (mùa nóng).

Để bảo đảm tiêu chí chống hằn lún vệt bánh xe, đặc biệt đối với đoạn tuyến có lưu lượng xe lớn, giải pháp kỹ thuật lựa chọn là sử dụng vật liệu mới có cường độ chống cắt trượt cao. Một trong số các vật liệu đáp ứng được điều này và có nhiều chỉ tiêu kỹ thuật vượt trội khác chính là BTN vữa xi măng tự chèn.

BTN vữa xi măng tự chèn là thuật ngữ gọi theo tiếng Việt. Trong đó, bộ khung cốt liệu hình thành từ BTN rỗng, phần lỗ rỗng trong BTN được lấp đầy bằng loại vữa xi măng (đặc biệt) mác cao tự chèn. Do các lỗ rỗng giữa bộ khung cốt liệu được chèn kín bằng vật liệu có tính đóng rắn với cường độ cao nên hạn chế được sự giảm thể tích dưới tác dụng của tải trọng cũng như nâng cao cường độ của vật liệu này so với các sản phẩm BTN thông thường khác.

Hiện tại, ở nước ta, vật liệu này chưa được ứng dụng vào xây dựng mặt đường, kho bãi, sân bay, bãi đỗ xe, trạm xe buýt... Tuy nhiên, đã có đơn vị ở phía Nam (Công ty Infrasol) bước đầu tiếp cận và nghiên cứu ứng dụng vật liệu này vào công trình “Sửa chữa, duy tu đường dẫn cao tốc Bình Thuận - Chợ Đệm (từ trụ đèn T08/07 đến trụ đèn T07/37) - bên phải tuyến hướng từ Chợ Đệm đi QL1”, huyện Bình Chánh, TP. Hồ Chí Minh trên làn dành cho xe tải lưu thông. Sau thời gian hơn 14 tháng khai thác, đoạn thử nghiệm chưa xuất hiện biến dạng dư. Kết quả thử nghiệm này một lần nữa khẳng định đặc tính kỹ thuật vượt trội của vật liệu BTN vữa xi măng. Nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng BTN vữa xi măng ở nước ta là cần thiết.

2. Kết quả nghiên cứu

2.1. Chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu

Trên cơ sở tham khảo, tổng hợp các quy định kỹ thuật, kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của các nước trên thế giới như: Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Cộng hòa Séc... về BTN vữa xi măng, có thể tổng hợp các yêu cầu kỹ thuật trong Bảng 2.1, 2.2 và 2.3[4], [5], [7].

 

2.2. Thiết kế vữa xi măng tự chèn

Thành phần vữa xi măng gồm xi măng poóc lăng PCB50, chất độn khoáng vật (cát, bột đá), chất hóa dẻo (Sika Viscoceret 3000-20 loại G), chất chống co ngót (Intraplast Z-HV) và nước.

Để lựa chọn được tỷ lệ thích hợp cho vữa xi măng tự chèn đáp ứng yêu cầu về độ nhớt lấp đầy các lỗ rỗng trong BTN cấp phối hở cũng như đạt được cường độ cần thiết, góp phần nâng cao khả năng chịu tải của hỗn hợp BTN vữa xi măng, công tác thiết kế hỗn hợp vữa đã thực hiện trên nhiều mẫu phối trộn thành phần vật liệu. Từ đó, xác định thành phần vữa phối trộn tối ưu, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật. Kết quả tuyển chọn xem Bảng 2.4.

Bảng 2.4. Độ nhớt và cường độ của mẫu vữa

 

Từ kết quả thu được ở Bảng 2.4, cho phép lựa chọn công thức số 5 (cấp phối tối ưu) dùng để sản xuất vữa xi măng tự chèn.

2.3. Thiết kế đường cong cấp phối và xác định hàm lượng nhựa tối ưu

Vật liệu đá qua nghiền lấy từ mỏ Tân Đông Hiệp (tỉnh Bình Dương) được thí nghiệm phân tích thành phần hạt và xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu. Nhựa đường Petrolimex 60/70 cũng được thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý;

Tỷ lệ phối trộn thành phần hạt các loại cốt liệu được thiết kế thỏa mãn yêu cầu theo AASHTO M43(Size Number 67);

Hàm lượng nhựa tối ưu được xác định trước tiên theo công thức lý thuyết [6]: 

 

 

 

 

 

- K - Hệ số thực nghiệm của các nước Đông Âu, phụ thuộc vào quy mô giao thông và loại mặt đường thiết kế như: Đường ô tô hay sân bay, có thể lấy từ 3,75 đến 4,25. Tuy nhiên, ở điều kiện Việt Nam với đặc điểm nóng ẩm, nhiệt độ không âm nên tác giả kiến nghị chọn hệ số K từ 2,7 đến 3,2 đối với BTN chặt và từ 2,0 đến 2,5 đối với BTN rỗng có độ rỗng dư lớn hơn 10%.

Lựa chọn 5 hàm lượng nhựa xung quanh giá trị tính toán, các hàm lượng nhựa này sai khác nhau 0,2% (1,96%, 2,16%, 2,36%, 2,56% và 2,76%) . Trộn và tạo mẫu hỗn hợp BTN rỗng theo phương pháp Marshall, tuân thủ đúng trình tự của Tiêu chuẩn TCVN 8820:2011.

Thí nghiệm các chỉ tiêu của 5 tổ mẫu hỗn hợp ứng với 5 hàm lượng nhựa lựa chọn. Vẽ biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa với độ rỗng dư và độ chảy nhựa từ đó lựa chọn được hàm lượng nhựa tối ưu.

Công thức thiết kế và các chỉ tiêu kỹ thuật được thể hiện ở Bảng 2.5:

Bảng 2.5. Thành phần hỗn hợp và các chỉ tiêu kỹ thuật

 

2.4. Đúc mẫu xác định các chỉ tiêu kỹ thuật

- Đúc mẫu

Mẫu thí nghiệm khảo sát mô-đun đàn hồi vật liệu và cường độ chịu nén là mẫu hình trụ có khuôn đường kính 101,6mm và chiều cao 101,6 + 2mm (3 mẫu cho mỗi loại tuổi và nhiệt độ thí nghiệm). Mẫu thí nghiệm ép chẻ (3 mẫu cho mỗi loại tuổi và nhiệt độ thí nghiệm) và độ ổn định kháng nước (6 mẫu) là mẫu Marshall có đường kính 101,6mm và chiều cao là 63,5 + 1,3mm. Khối lượng mẫu được tính sao cho mẫu có dung trọng ứng với độ rỗng dư thiết kế và chiều cao mẫu cần đạt được.

- Rót vữa xi măng tự chèn

Trước khi rót vữa, mẫu được giữ ở nhiệt độ phòng (27⁰C) tối thiểu 4 giờ. Để kiểm soát hàm lượng vữa được chèn vào mẫu thử, trước khi rót vữa phải xác định được thể tích của vữa cần thiết chèn kín lỗ rỗng cho từng mẫu thử. Sau khi kết thúc rót vữa khoảng 10 phút, tiến hành cào loại bỏ vữa dư trên bề mặt mẫu cho đến khi lộ mặt các hạt cốt liệu BTN thì dừng, đồng thời bảo dưỡng mẫu trong điều kiện nhiệt độ phòng trong thời gian 3 ngày tuổi. Tổ hợp mẫu đúc, rót vữa và hoàn thành (Hình 2.1).

Hình 2.1: Mẫu đúc, rót vữa và hoàn thiện

 

- Thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật

Thí nghiệm xác định chỉ tiêu mô-đun đàn hồi vật liệu được thực hiện theo 22 TCN 211-06, cường độ chịu nén theo 22 TCN 62-84, độ bền chịu kéo gián tiếp theo TCVN 8862:2011 và độ ổn định kháng nước theo AASHTO T283. Kết quả được tập hợp trong Bảng 2.6[3]:

Bảng 2.6. Các chỉ tiêu kỹ thuật của BTN vữa xi măng

 

3. Phạm vi ứng dụng

Với đặc tính kỹ thuật về cường độ vượt trội so với BTN chặt thông thường nên BTN vữa xi măng sẽ phù hợp làm lớp phủ cho tầng mặt của các công trình chịu tải trọng nặng như:

- Đường sân bay (bến đậu, bãi chứa hàng, sàn nhà sửa chữa máy bay...);

- Cầu cảng (bến bãi bốc xếp container, hàng hóa...);

- Đường vào cảng, đường khu công nghiệp;

- Đường chịu tải trọng nặng hoặc rất nặng;

- Đường ở vị trí nút giao có mật độ xe lớn;

- Đường ở trạm thu phí, bến đỗ và ga xe buýt...

Ví dụ: Hình 2.2 là trình tự lớp cùng các đặc trưng đàn hồi và biến dạng dùng trong tính toán của kết cấu áo đường bán cứng với trục xe tiêu chuẩn 120kN và trục xe quá tải 160kN. Kết quả chạy lời giải theo chương trình Alizé Lcpc (Pháp) cho chúng ta biết trạng thái ứng suất (s_r, s_z) và biến dạng (e_z) ở nhiệt độ tính toán t = 30⁰C  (Bảng 3.1):

Bảng 3.1. Ứng suất và biến dạng do tải trọng gây ra tính theo Alizé Lcpc của Pháp

 

 

Hình 3.1: Sơ đồ và chỉ tiêu kỹ thuật của các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường bán cứng (liên kết lớp là chặt chẽ)

 

 

Kiểm toán điều kiện ứng suất chịu kéo uốn lớn nhất s_r,max (dấu “- ”) sinh ra ở đáy lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng và điều kiện ứng suất pháp s_z tác dụng xuống nền đường được tính theo 22 TCN 211:06. Tổng trục xe khai thác tích lũy trong thời hạn thiết kế được lấy phù hợp cho mọi điều kiện kiểm toán. Tổng hợp kết quả tính từ [3] được giới thiệu ở Bảng 3.2, 3.3. Kết luận: Kết cấu trên đáp ứng điều kiện “làm việc” khi vượt tải.

Bảng 3.2. Kết quả kiểm toán khả năng làm việc của kết cấu áo đường theo [1]

 

Bảng 3.3. Kết quả kiểm toán khả năng làm việc của kết cấu áo đường theo [1]

 

4. Kết luận và kiến nghị

- Vật liệu BTN vữa xi măng có các chỉ tiêu kỹ thuật như: Cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn và mô-đun đàn hồi cao hơn nhiều so với BTN thông thường và phát triển theo thời gian. Đó là vật liệu rất thích hợp làm lớp phủ tầng mặt cho kết cấu áo đường chịu tải trọng nặng hay rất nặng, cần ổn định nhiệt cao chống lại biến dạng dư, khắc phục hiện tượng gây lún trồi …

- Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới đã chứng minh đây là loại vật liệu có chất lượng tốt, cường độ cao.

- Lưu ý:

+ Khả năng xuất hiện các vết nứt mặt do co ngót nên cần có biện pháp phun chất bảo dưỡng hiệu quả (hoặc các phương pháp khác), tránh để mất nước nhanh.

+ Đảm bảo vữa sản xuất ra có độ sệt đồng nhất nhằm đạt mức độ tự chèn cao để đáp ứng chất lượng yêu cầu.

+ Thời gian thông xe chậm hơn so với mặt đường BTN chặt: Sau 3 ngày tuổi cho xe nhẹ, sau 5 ngày tuổi cho xe tải vừa và sau 7 ngày tuổi cho xe tải nặng.    

- Do vậy, cần có nghiên cứu đầy đủ cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu sẽ xây dựng và hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu cho phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ GTVT (2006), Áo đường mềm - Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế 22TCN 211:06, NXB. GTVT, Hà Nội.

[2]. 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 sỹ kỹ thuật, Trường Đại học GTVT, Hà Nội.

[3]. Cao Đình Vũ (2016), Nghiên cứu ứng dụng, giải pháp kỹ thuật và công nghệ thi công bê tông nhựa - xi măng trong xây dựng đường khu vực phía Nam, Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học GTVT, Hà Nội.

[4]. Anderton, G. L (2000), Engineering properties of resin modified pavement (RMP) for mechanistic design, ERDC/GL TR-00-2, U.S. Army Engineer Research and Development Center, Vicksburg, MS, U.S.

[5]. Bc. Lukáš hruška (2012), Asfaltocementový beton, Diplomová práce, Vysoké učení technické v Brně, Česká republika.

[6]. Kolektiv Katedry (1981), Na1vody pro cvičení ze silničního stavitelství II, Silnični laborator, česká republika.

[7]. www.euclidchemical.com/fileshare/ProductFiles/MiscProductFiles/Densiphalt.pdf (EUCODensit,  Densiphalt^® Handbook).