Nghiên cứu đánh giá biến dạng lún vệt hằn bánh xe của mẫu thử bê tông asphalt hai lớp

 

ª PGS. TS. Đào Văn Đông Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải ª ThS. NCS. Nguyễn Ngọc Lân Trường Đại học Giao thông vận tải ª KS. Vũ Tự Trọng Sở Giao thông vận tải tỉnh Bắc Ninh ª KS. Bùi Thị Quỳnh Anh Công ty Cổ phần Xây dựng & Thương mại Trình Nhất Người phản biện: PGS. TS. Trần Thị Kim Đăng TS. Nguyễn Quang Phúc

Tóm tắt: Biến dạng lún vệt hằn bánh xe là một chỉ tiêu quan trọng được dùng để đánh giá tính biến dạng không hồi phục của bê tông asphalt ở nhiệt độ cao. Hiện nay, biến dạng lún vệt hằn bánh xe của bê tông asphalt thường được xác định ở trong phòng thí nghiệm trên mẫu thử bê tông asphalt 1 lớp có kích thước theo quy định. Bài báo này đưa ra các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đánh giá biến dạng lún vệt hằn bánh xe trên mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp sử dụng các vật liệu tưới dính bám là nhũ tương CRS-1 với tỷ lệ 0,5 l/m²; nhũ tương CRS-1P với tỷ lệ 0,5 l/m² và 0,9 l/m². Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, có sự khác biệt đáng kể về đặc tính biến dạng lún vệt hằn bánh xe của các mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp so với những mẫu thử 1 lớp và giữa những mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp sử dụng các loại và tỷ lệ vật liệu tưới dính bám khác nhau.

Từ khóa: Lún vệt hằn bánh xe, tốc độ lún, độ ổn định động, vật liệu tưới dính bám, bê tông asphalt 2 lớp.

Abstract: Rutting is an important indicator used to assess the permanent deformation of asphalt concrete at high temperatures. Currently, rutting of asphalt concrete usually determined in the laboratory on single asphalt layer samples. This paper presents rutting resistance of several double-layered asphalt samples. Tack coats are asphalt emulsion CRS-1 at the application rate of 0.5 l/m²; CRS-1P at the application rate of 0.5 l/m² and 0.9 l/m². Results of experimental studies show that there are significant differences in the permanent deformation properties of the double-layered asphalt samples compared with single asphalt layer samples and between several double-layered asphalt samples used different tack coat type and application rate. 

Keywords: Rutting, wheel tracking slope, dynamic stability, tack coat, double-layered asphalt test.

1. Mở đầu

Biến dạng lún vệt hằn bánh xe là biến dạng không hồi phục theo chiều dọc của kết cấu mặt đường bê tông asphalt tại những vị trí trùng phục của tải trọng bánh xe. Lún vệt hằn bánh xe cũng có thể là do sự trượt dẫn tới việc xô ngang giữa lớp bê tông asphalt phía trên với lớp phía dưới. Hiện nay, biến dạng lún vệt hằn bánh xe của bê tông asphalt thường được đánh giá thông qua thí nghiệm trong phòng trên những mẫu thử 1 lớp hình trụ tròn hoặc mẫu hình vuông có kích thước theo tiêu chuẩn thí nghiệm quy định [1, 9, 11]. Tuy nhiên, khi tham gia chịu lực trong kết cấu áo đường mềm, tổng độ lún vệt hằn bánh xe mặt đường còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác, trong đó có yếu tố liên quan đến điều kiện dính bám giữa 2 lớp bê tông asphalt [8, 12, 13, 14]. Các kết quả nghiên cứu gần đây về đánh giá độ lún vệt hằn bánh xe trên những mẫu thử gồm 2 lớp bê tông asphalt có sự khác biệt rõ rệt so với những mẫu thí nghiệm gồm 1 lớp theo quy định tiêu chuẩn thí nghiệm [12]. Đồng thời, các kết quả nghiên cứu dự báo độ lún vệt hằn bánh xe theo phương pháp cơ học thực nghiệm của các tác giả Rafiqul A. Tarefder và các cộng sự [14] cho thấy tổng độ lún vệt hằn bánh xe trong trường hợp các lớp bê tông asphalt không dính bám lớn hơn khoảng 47% so với trường hợp các lớp dính chặt hoàn toàn. Cho đến nay, các nghiên cứu đánh giá tổng độ lún vệt hằn bánh xe trên mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp để xem xét yếu tố liên quan đến ảnh hưởng của các lớp kết cấu phía dưới cũng như ảnh hưởng của chất lượng lớp dính bám giữa 2 lớp bê tông asphalt vẫn còn hạn chế. Do vậy, việc nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tổng biến dạng lún vệt hằn bánh xe trên những mẫu thử 2 lớp bê tông asphalt là cần thiết. Bài báo đưa ra những kết quả nghiên cứu thực nghiệm đánh biến dạng lún vệt hằn bánh xe của những mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp khi sử dụng các loại và tỷ lệ vật liệu tưới dính bám khác nhau thông qua thiết bị thí nghiệm Wheel tracking test.

2. Phương pháp thí nghiệm đánh giá biến dạng lún vệt hằn bánh xe của bê tông asphalt trong phòng thí nghiệm

2.1. Tiêu chuẩn và thiết bị thí nghiệm

Hiện nay, ở Việt Nam, để đánh biến dạng lún vệt hằn bánh xe của bê tông asphalt trong phòng thí nghiệm, có thể sử dụng Hướng dẫn theo Quyết định 1617 của Bộ GTVT ban hành năm 2014 [2], hoặc các tiêu chuẩn EN 12697-22 [11], AASHTO T234-04 [9].

Đi kèm với các tiêu chuẩn thí nghiệm trên, một số thiết bị thí nghiệm sau có thể được sử dụng để thí nghiệm đánh giá biến dạng lún vệt hằn bánh xe của bê tông asphalt: Thiết bị Asphalt Pavement Analyzer (APA); thiết bị Hamburg Wheel Tracking Device (HWTD) hoặc thiết bị French Rutting Tester (FRT).

2.2. Nguyên lý thí nghiệm

Nguyên lý thí nghiệm vệt hằn bánh xe đối với mẫu thử bê tông asphalt là xác định độ sâu vệt hằn bánh xe và tốc độ hình thành độ sâu vệt hằn bánh xe sau một số chu kỳ nhất định của bánh xe có tải trọng tiêu chuẩn lăn trên mẫu thí nghiệm đặt trong không khí hoặc trong nước có nhiệt độ tiêu chuẩn (nhiệt độ thí nghiệm từ 40^oC đến 60^oC).

3. Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá biến dạng lún vệt hằn bánh xe của mẫu thử bê tông asphalt hai lớp

3.1. Thành phần hỗn hợp bê tông asphalt hai lớp

Hai hỗn hợp bê tông asphalt chặt, nóng loại có kích thước hạt lớn nhất danh định bằng 19 mm (AC 19) và loại có kích thước hạt lớn nhất danh định bằng 12,5mm (AC12,5) được thiết kế cho hai lớp. Tỷ lệ phối trộn các thành phần vật liệu được thiết kế theo TCVN 8820: 2011 và TCVN 8819:2011. Bảng 3.1 thể hiện tỷ lệ phối trộn và kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp bê tông asphalt cho hai lớp.

Bảng 3.1. Tỷ lệ phối trộn và kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp bê tông asphalt thiết kế

 3.2. Chế tạo mẫu thử

Các mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp, gồm lớp dưới là AC19 có chiều dày 7 cm, lớp trên là AC12,5 dày 5cm. Kết cấu này phù hợp với chỉ dẫn của tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm 22TCN 211-06 và là kết cấu hiện đang được sử dụng phổ biến ở các dự án đường bộ ở Việt Nam. Để đạt được độ rỗng dư thiết kế, mỗi lớp bê tông asphalt được đầm 120 vòng xoay, áp lực đầm 600 kPa ở nhiệt độ 145^oC bởi thiết bị đầm xoay Troxler 4140 [13]. Giữa các lớp bê tông asphalt được xử lý bằng các loại nhũ tương phân tách nhanh CRS-1 với tỷ lệ 0,5 l/m², nhũ tương phân tách nhanh polymer CRS-1P với các tỷ lệ 0,5 l/m² và 0,9 l/m². Các mẫu thử sau khi đầm nén được gia công cắt để ghép mẫu hình số 8 theo Mục 6.1.3 của Chỉ dẫn 1617 của Bộ GTVT ban hành năm 2014 [2].

3.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích đánh giá

Tương quan kết quả thí nghiệm xác định tốc độ lún sau 10³ chu kỳ (WTS_AIR), độ ổn định động (DS) và độ lún cuối cùng (RD) của các mẫu thử bê tông asphalt 1 lớp và 2 lớp sử dụng nhũ tương dính bám CRS-1/0,5 l/m² và CRS-1P/0,5 & 0,9 l/m² được thể hiện ở Hình 3.1, Hình 3.2 và Hình 3.3.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, các tổ mẫu bê tông asphalt 2 lớp đều cho kết quả thí nghiệm tốc độ lún, độ ổn định động và độ lún cuối cùng lớn hơn so với các mẫu thử 1 lớp truyền thống. Đặc biệt, với tổ mẫu 2 lớp sử dụng nhũ tương CRS-1 với hàm lượng dính bám 0,5 l/m² cho kết quả vệt hằn bánh xe lớn hơn gần gấp 2,3 lần (giá trị trung bình), tốc độ lún trung bình cao hơn gấp 2,61 lần và độ ổn định động thấp hơn 2,56 lần so với tổ mẫu 1 lớp truyền thống.

Trong số các tổ mẫu bê tông asphalt 2 lớp, đã có sự khác biệt rất lớn về biến dạng vệt hằn bánh xe khi sử dụng loại vật liệu tưới dính bám khác nhau. Khi sử dụng nhũ tương CRS-1 với tỷ lệ tưới dính bám 0,5 l/m² cho tốc độ lún trung bình là 0,095 (mm/10³ chu kỳ), độ ổn định động trung bình bằng 2.166 (lần/mm), và tổng độ lún vệt hằn bánh xe trung bình là 2,78 mm. Nhưng khi sử dụng nhũ tương CRS-1P với cùng tỷ lệ tưới dính bám 0,5 l/m² thì tốc độ lún trung bình giảm chỉ còn 0,05 mm/10³ chu kỳ (giảm 46,7%), độ ổn định động trung bình tăng thành 3.769 lần/mm (tăng 82,4%), và tổng độ lún vệt hằn bánh xe trung bình giảm chỉ còn là 1,60mm (giảm 42,4%). Như vậy, loại chất kết dính sử dụng để tưới dính bám có ảnh hưởng rất nhiều đến tổng độ lún vệt hằn bánh xe. Điều này có thể là do nhũ tương CRS-1P cho chất lượng dính bám giữa 2 lớp bê tông asphalt tốt hơn so với nhũ tương CRS-1. Kết quả là khả năng chống trượt của các mẫu thử sử dụng nhũ tương CRS-1P khi chịu tác dụng của tải trọng thí nghiệm tốt hơn.

Hai tổ mẫu 2 lớp cùng sử dụng nhũ tương CRS-1P tưới dính bám nhưng hàm lượng tưới khác nhau cũng cho tốc độ lún, độ ổn định động và tổng độ lún vệt hằn bánh xe khác nhau. Cụ thể, với tổ mẫu sử dụng hàm lượng CRS-1P 0,5 l/m² có tốc độ lún là 0,05mm/10³ chu kỳ, độ ổn định động là 3.769 lần/mm, và tổng độ lún là 1,60mm, nhưng khi tăng hàm lượng tưới dính bám lên 0,9 l/m² thì tốc độ lún trung bình tăng lên thành 0,067mm/10³ (tăng 34,7%), độ ổn định động giảm còn 3.198 lần/mm (giảm 15,1%), và tổng độ lún lại tăng lên thành 1,74mm (tăng gần 9%). Điều này có thể là do hàm lượng tưới dính bám 0,9 l/m² đã vượt quá lượng tưới cần thiết, dẫn đến chiều dày màng bitum tại bề mặt dính bám quá lớn. Ở nhiệt độ cao (60^oC) chiều dày màng bitum này làm giảm nội sát giữa bê tông asphalt lớp dưới với lớp trên, dẫn đến khả năng trượt tương đối giữa 2 lớp bê tông asphalt khi thí nghiệm. Kết quả là tổng độ lún vệt hằn bánh xe tăng lên. Như vậy, tổng độ lún vệt hằn bánh xe thí nghiệm trên mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp không chỉ phụ thuộc vào tính chất của 2 lớp bê tông asphalt mà còn phụ thuộc vào tính chất của lớp vật liệu tưới dính bám.

Tương quan so sánh độ lún vệt hằn bánh xe những mẫu thử 1 lớp và 2 lớp bê tông asphalt so với giới hạn độ lún tối đa cho phép theo Hiệp hội giao thông Australia [10] được thể hiện ở Hình 3.4.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, nếu lấy giới hạn độ lún vệt hằn bánh xe thí nghiệm trong môi trường không khí ở 60^oC là 3,5mm [10] thì độ lún vệt hằn bánh xe trung bình của những mẫu thử 1 lớp thấp hơn 65,4%, những mẫu thử 2 lớp bê tông asphalt sử dụng vật liệu dính bám CRS-1/0,5 l/m², CRS-1P/0,5 l/m² và CRS-1P/0,9 l/m² thấp hơn lần lượt 20,6%, 54,3%, và 50,9% so với giới hạn độ lún tối đa cho phép theo báo cáo của Hiệp hội giao thông Australia [10].

4. Kết luận và kiến nghị

4.1. Kết luận         

Thông qua các kết quả nghiên cứu thực nghiệm đánh giá biến dạng lún vệt hằn bánh xe trên mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp, một số kết luận sau được rút ra:

- Kết quả thí nghiệm độ lún vệt hằn bánh xe những mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp cho giá trị cao hơn những mẫu thử bê tông asphalt 1 lớp. Cụ thể những mẫu thử 2 lớp sử dụng nhũ tương dính bám CRS-1/0,5 l/m² cao hơn 129,7%, những mẫu thử 2 lớp sử dụng nhũ tương dính bám polymer CRS-1P/0,5 l/m² cao hơn 32,2%, những mẫu thử 2 lớp sử dụng nhũ tương dính bám polymer CRS-1P/0,9 l/m² cao hơn 42,1% so với giá trị độ lún những mẫu thử bê tông asphalt 1 lớp AC12,5.

- Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng cho thấy, nếu thay đổi loại vật liệu tưới dính bám giữa 2 lớp bê tông asphalt của mẫu thử bê tông asphalt 2 lớp thì đặc tính biến dạng vệt hằn bánh xe cũng được cải thiện đáng kể. Cụ thể, khi sử dụng nhũ tương CRS-1 với tỷ lệ tưới dính bám 0,5 l/m² cho tốc độ lún trung bình là 0,095 (mm/10³ chu kỳ), độ ổn định động trung bình bằng 2.166 (lần/mm) và tổng độ lún vệt hằn bánh xe trung bình là 2,78mm. Nhưng khi sử dụng nhũ tương CRS-1P với cùng tỷ lệ tưới dính bám 0,5 l/m² thì tốc độ lún trung bình giảm chỉ còn 0,05mm/103 chu kỳ (giảm 46,7%), độ ổn định động trung bình tăng lên 3.769 lần/mm (tăng 82,4 %), và tổng độ lún vệt hằn bánh xe trung bình giảm chỉ còn là 1,60mm (giảm 42,4%).  

- Ngoài ra, với hai tổ mẫu 2 lớp cùng sử dụng nhũ tương CRS-1P tưới dính bám nhưng hàm lượng tưới khác nhau cũng thể hiện đặc tính biến dạng khác nhau. Cụ thể, với tổ mẫu sử dụng hàm lượng CRS-1P 0,5 l/m² có tốc độ lún là 0,05mm/10³ chu kỳ, độ ổn định động là 3.769 lần/mm và tổng độ lún là 1,60mm, nhưng khi tăng hàm lượng tưới dính bám lên 0,9 l/m² thì tốc độ lún trung bình tăng lên thành 0,067 mm/10³ (tăng 34,7%), độ ổn định động giảm còn 3.198 lần/mm (giảm 15,1%) và tổng độ lún lại tăng lên thành 1,74mm (tăng gần 9%).

- Nếu lấy giới hạn độ lún vệt hằn bánh xe thí nghiệm trong môi trường không khí ở 60^oC là 3,5mm [AP-T249-13] thì độ lún vệt hằn bánh xe trung bình của những mẫu thử 1 lớp thấp hơn 65,4%, những mẫu thử 2 lớp bê tông asphalt sử dụng vật liệu dính bám CRS-1/0,5 l/m², CRS-1P/0,5 l/m² và CRS-1P/0,9 l/m² thấp hơn lần lượt 20,6%, 54,3%, và 50,9%.

4.2. Kiến nghị

Từ các kết quả nghiên cứu, một số kiến nghị sau được đề xuất:

- Mở rộng phạm vi nghiên cứu để có thể xây dựng được mối quan hệ giữa áp lực bánh xe thí nghiệm với độ lún vệt hằn bánh xe. Trên cơ sở đó có thể dự báo được nguy cơ phá hoại mặt đường do hằn vệt bánh xe khi phương tiện giao thông vượt tải trọng trục thiết kế gây nên;

- Định hướng phát triển bộ thí nghiệm mô hình quy mô nhỏ (pilot scale) ở Việt Nam để đánh giá tổng thể khả năng chịu lực, trong đó có khả năng chống vệt hằn bánh xe, cần sớm được quan tâm o.

Tài liệu tham khảo

[1]. Quyết định 858/QĐ-BGTVT (2014), Hướng dẫn áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường bê tông nhựa nóng đối với các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn, Bộ GTVT.

[2]. Quyết định 1617/QĐ-BGTVT (2014): Phương pháp thí nghiệm độ lún vệt hằn bánh xe của bê tông nhựa bằng thiết bị Wheel tracking, Bộ GTVT.

[3]. TCVN 8819: 2011 (2011), Tiêu chuẩn kỹ thuật thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông Asphalt rải nóng, Bộ GTVT.

[4]. TCVN 8820: 2011 (2011), Tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt rải nóng, Bộ GTVT.

[5]. TCVN 8817: 2011 (2011), Tiêu chuẩn nhũ tương nhựa đường gốc axit, Bộ GTVT.

[6]. 22TCN 211: 2006 (2006), Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu áo đường mềm, Bộ GTVT.

[7]. TCVN 7493: 2005 (2005), Bitum - Yêu cầu kỹ thuật, Bộ GTVT.

[8]. N.N.Lân và N.Q.Phúc, Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của điều kiện dính bám giữa các lớp đến tính năng khai thác của mặt đường bê tông asphalt, Tạp chí GTVT, tr.213-218, số 10/2013.

[9]. AASHTO T 324-04 (2004), Hamburg Wheel-Track Testing of Compacted Hot-Mix Asphalt.

[10]. Australasian road transport and traffic agencies (2013), EME Technology Transfer to Australia: An Explorative Study, AP-T249-13.

[11]. BS EN 12697-22-2004, Bituminous mixtures-Test methods for hot mix asphalt- Part 22 Wheel tracking.

[12]. Jun Yang et al (2006), Evaluation of Rutting Resistance of Double-layered Asphalt Mixes, Road materials and Pavement design, Pages 533-542.

[13]. Model 4140 Gyratory compactor (2006), Manual of operation and maintenance, Troxler Electronic Laboratoties, USA.

[14]. Mariana R. Kruntcheva et al (2005), Effect of Bond Condition on Flexible Pavement Performance, ASCE.