Nghiên cứu, đề xuất phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa rỗng thoát nước phù hợp với điều kiện Việt Nam

ThS. Nguyễn Văn Thành PGS. TS. Vũ Đức Chính PGS. TS. Nguyễn Xuân Khang Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Trần Ngọc Huy TS. Lê Hồng Lượng

TÓM TẮT: Trong bài báo, tác giả phân tích các phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa rỗng (BTNR) thoát nước đang được áp dụng phổ biến trên thế giới và đề xuất phương pháp áp dụng phù hợp với điều kiện Việt Nam.

TỪ KHÓA: Bê tông nhựa rỗng thoát nước, phương pháp thiết kế, phương pháp Marshall, đầm xoay Superpave.

Abstract: In this paper, authors analyse the mix design methods of Porous Asphalt that is being applied widely in the world and propose the mix design method suitable for Vietnam.

Keywords: Porous Asphalt, mix design method, Marshall method, Superpave Gyratory Compactor.

 

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hỗn hợp BTNR sử dụng cấp phối hở (Open-Graded), có độ rỗng dư cao, chiều dày thông thường từ 4 - 5cm; có ưu điểm chính là tăng khả năng thoát nước mặt đường, cải thiện tầm nhìn khi trời mưa, tăng độ nhám/sức kháng trượt, giảm thiểu tiếng ồn khi xe chạy, giảm thiểu tác động độ chói của đèn ô tô; được sử dụng chủ yếu cho đường cao tốc và đường ô tô cấp cao. Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNR đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam là yêu cầu quan trọng đối với các kỹ sư.

Hiện nay, trên thế giới sử dụng phổ biến 02 phương pháp thiết kế hỗn hợp BTNR là: (1) Phương pháp Marshall và (2) phương pháp Superpave sử dụng đầm xoay, được quy định tại ASTM D7064 [2], [3], [4], [5], [6].  

Tại Việt Nam, do còn hạn chế về kinh nghiệm, công nghệ và trình độ quản lý công tác thiết kế, thi công hỗn hợp BTNR, do vậy cần thiết phải nghiên cứu lựa chọn và đề xuất phương pháp thiết kế phù hợp.

2. NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP BTNR

Phương pháp Marshall, điển hình như tiêu chuẩn của Nhật Bản được Công ty Taiyu Kensetsu (Nhật Bản) đề xuất áp dụng thí điểm tại Việt Nam [1]. Vì vậy, việc phân tích phương pháp của Nhật Bản với phương pháp sử dụng đầm xoay theo ASTM D7064 là cần thiết.

2.1. Nội dung và trình tự thiết kế

Nội dung và trình tự thực hiện của 2 phương pháp bao gồm 4 bước sau: (1) Lựa chọn vật liệu; (2) lựa chọn cấp phối cốt liệu tối ưu; (3) lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu; (4) xác định các chỉ tiêu đặc tính của hỗn hợp BTNR thiết kế. Chi tiết được trình bày tại Bảng 2.1:

Bảng 2.1. Nội dung, trình tự thiết kế thành phần hỗn hợp BTNR

 

TT	Phương pháp Marshall (tiêu chuẩn Nhật Bản) [1], [3]	Phương pháp sử dụng đầm xoay (tiêu chuẩn ASTM D7064) [5]
1	Lựa chọn vật liệu (cốt liệu thô, cốt liệu mịn, bột khoáng, nhựa đường)
2	Lựa chọn cấp phối cốt liệu tối ưu
	Chọn cấp phối nằm giữa đường bao để thiết kế, nếu thỏa mãn các yêu cầu quy định tại dòng 4 và 5 thì đó là cấp phối tối ưu	Lựa chọn 3 cấp phối để thí nghiệm. Cấp phối cốt liệu tối ưu được chọn là cấp phối có khả năng tạo nên tiếp xúc đá chèn đá (stone-on-stone contact).
3	Lựa hàm lượng nhựa tối ưu
3.1	Đầm mẫu hỗn hợp BTNR theo phương pháp Marshall,  2x50 chày	Đầm mẫu hỗn hợp BTNR theo phương pháp đầm xoay, 50 đầm xoay
3.2	Lựa hàm lượng nhựa tối ưu, dựa trên các chỉ tiêu:	Lựa hàm lượng nhựa tối ưu, dựa trên các chỉ tiêu:
	- Độ ổn định Marshall: ≥ 3,5 kN
	- Độ rỗng dư: 18% - 22%	- Độ rỗng dư: ≥ 18%
	- Tổn thất Cantabro: ≤ 20%	- Tổn thất Cantabro: ≤ 20%
	- Độ chảy nhựa (Drain-off): Có xem xét, nhưng không quy định cứng.	- Độ chảy nhựa (Drain-down): ≤ 0,3%
	- Tỷ lệ độ rỗng liên thông: ≥ 13%
4	Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu đặc tính của BTNR
	- Độ ổn định động: ≥ 3000 lần/mm	- Tỷ số cường độ chịu kéo gián tiếp (TSR): ≥ 80%
	- Hệ số thấm: ≥ 0,01cm/giây

2.2. Sự giống nhau giữa 2 phương pháp

Theo Bảng 2.1, sự giống nhau giữa 02 phương pháp là:

- Lựa chọn vật liệu cho BTNR: Nhìn chung, cả 2 phương pháp đều lựa chọn cốt liệu thô, cốt liệu mịn, bột khoáng, nhựa đường có các chỉ tiêu kỹ thuật cao, tương tự hoặc tốt hơn như với BTNC làm lớp mặt trên của mặt đường; sử dụng nhựa đường cải thiện polymer.

- Các chỉ tiêu phục vụ cho việc lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu: Độ rỗng dư, tổn thất cantabro và độ chảy nhựa đều được sử dụng ở cả 2 phương pháp. Độ chảy nhựa theo phương pháp của Nhật Bản không đưa ra quy định rõ ràng như của ASTM D7064.

Hình 2.1: Thiết bị đầm mẫu Marshall và thiết bị đầm xoay Superpave

2.3. Sự khác nhau giữa 2 phương pháp

Theo Bảng 2.1, ngoài những điểm khác nhau của hai phương pháp như phương pháp đầm mẫu, các chỉ tiêu thí nghiệm xác định đặc tính của BTNR, thì sự khác nhau cơ bản của hai phương pháp này là cách chọn cấp phối cốt liệu tối ưu. Cụ thể như sau:

2.3.1. Chọn cấp phối cốt liệu tối ưu theo phương pháp của Nhật Bản

Tương tự như phương pháp Marshall dùng cho BTNR đang áp dụng tại châu Âu và tại một số bang của Mỹ, phương pháp này không lựa chọn được ngay cấp phối cốt liệu tối ưu như ASTM D7064, cấp phối cốt liệu tối ưu chỉ được xác định đồng thời với hàm lượng nhựa tối ưu khi các chỉ tiêu của mẫu hỗn hợp BTNR thỏa mãn yêu cầu quy định.

2.3.2. Chọn cấp phối cốt liệu tối ưu theo ASTM  D7064

Theo ASTM D7064, cấp phối cốt liệu tối ưu là cấp phối mà các hạt cốt liệu thô (hạt nằm trên sàng 4,75mm) trong hỗn hợp tạo thành bộ khung cốt liệu có khả năng tiếp xúc đá chèn đá (stone-on-stone contact) được xác định như sau:

2.3.2.1. Xác định độ rỗng của cốt liệu thô trong cốt liệu (VCA_DRC)

Chọn 3 cấp phối cốt liệu thử nghiệm. Với mỗi cấp phối, tiến hành đầm mẫu theo phương pháp “dry-rodded” theo hướng dẫn tại ASTM C29/29M. Độ rỗng của cốt liệu thô trong cốt liệu (VCA_DRC) được xác định theo công thức (1):

Trong đó:

 

G_CA - Tỷ trọng khối của cốt liệu thô (thí nghiệm theo ASTM C127).

ƴ_s - Khối lượng thể tích của phần cốt liệu thô khi đầm mẫu theo phương pháp “dry-rodded” (kg/m³) (theo ASTM C 29/29M);

ƴ_w - Khối lượng riêng của nước (998 kg/m³).

2.3.2.2. Xác định độ rỗng của cốt liệu thô trong hỗn hợp BTNR (VCA_MIX)

Với mỗi cấp phối thử nghiệm, tạo mẫu hỗn hợp BTNR với hàm lượng nhựa khoảng 6,0% - 6,5% để chế tạo hỗn hợp, đầm 2 mẫu hỗn hợp bằng đầm xoay với số chày đầm là 50 đầm xoay (đầm theo AASHTO T312).

Xác định độ rỗng dư của mẫu (V_a) và độ rỗng của cốt liệu thô trong hỗn hợp (VCA_MIX) theo công thức (2) và (3).

 

Trong đó:

P_CA - Phần trăm (%) cốt liệu thô trong hỗn hợp BTNR;

G_mb - Tỷ trọng khối của hỗn hợp BTNR đã đầm;

G_mm - Tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp BTNR ở trạng thái rời;

G_CA - Tỷ trọng khối của phần cốt liệu thô.

2.3.2.3. Lựa chọn cấp phối tối ưu cho BTNR

Cấp phối cốt liệu tối ưu là cấp phối thỏa mãn điều kiện sau: VCA_MIX < VC_ADRC  và V_a ≥18%. ASTM D7064 cũng quy định, trường hợp nếu chuẩn đường bao cấp phối cốt liệu cho BTNR được chứng minh là sử dụng tốt thì không cần sử dụng 3 cấp phối để thử nghiệm xác định cấp phối tối ưu, mà chỉ cần sử dụng 1 cấp phối. 

2.3.2.4. Nhận xét

- Ưu điểm của phương pháp ASTM D7064 là xác định được ngay cấp phối tối ưu và sau đó chỉ cần sử dụng cấp phối tối ưu này để tạo mẫu hỗn hợp BTNR với các hàm lượng nhựa đường khác nhau, thí nghiệm các chỉ tiêu theo quy định tại ASTM D7064 để xác định hàm lượng nhựa tối ưu.

- Hạn chế của phương pháp này là chỉ áp dụng với các cốt liệu có kích cỡ hạt lớn nhất danh định nhỏ hơn hoặc bằng 12,5mm.

2.4. Phân tích lựa chọn phương pháp thiết kế phù hợp

Mặc dù chưa đưa ra cơ sở để xác định cấp phối tối ưu sao cho các hạt cốt liệu thô trong hỗn hợp tạo thành bộ khung cốt liệu có khả năng tiếp xúc đá chèn đá như ASTM D7064, nhưng phương pháp của Nhật Bản cũng đã bổ sung một số chỉ tiêu đánh giá đặc tính của BTNR mà ASTM D7064 chưa áp dụng, cụ thể như:

- Độ ổn định động: Tương tự như chỉ tiêu chiều sâu hằn lún vệt bánh (HLVB), nhằm đánh giá khả năng HLVB của BTNR.

- Hệ số thấm: Nhằm đánh giá khả năng thấm nước của mẫu BTNR và mặt đường BTNR. Chỉ tiêu này ít được áp dụng tại Mỹ.

- Tỷ lệ độ rỗng liên thông: Nhằm đánh giá được tính liên thông của độ rỗng dư trong hỗn hợp BTNR, đảm bảo cho các lỗ rỗng liên thông nhau (không bị tắc).

Hiện nay, thiết bị đầm xoay hầu như ít có và ít được sử dụng tại Việt Nam. Phương pháp thiết kế theo ASTM D7064 cũng chưa được áp dụng phổ biến tại các bang của nước Mỹ. Phương pháp Marshall không những được áp dụng tại Nhật Bản mà còn được áp dụng tại nhiều nước trên thế giới như Trung Quốc, châu Âu và cả nước Mỹ. Vì vậy, việc áp dụng phương pháp của Nhật Bản tại Việt Nam là phù hợp. Tuy nhiên, cũng cần xem xét bổ sung, điều chỉnh một số nội dung sau cho phù hợp với điều kiện Việt Nam cũng như thế giới, cụ thể là:

- Nghiên cứu sử dụng chỉ tiêu “Độ sâu hằn lún vệt bánh xe” (HLVBX) (mẫu ngâm trong môi trường nước) thay thế chỉ tiêu “Độ ổn định động” (mẫu trong môi trường không khí) vì: Chỉ tiêu độ sâu HLVBX đang áp dụng phổ biến tại Việt Nam, thí nghiệm trong môi trường nước sẽ đánh giá đúng chất lượng và khả năng kháng hằn lún của BTNR với độ rỗng dư lớn.

- Bổ sung chỉ tiêu thí nghiệm “Tỷ số cường độ chịu kéo gián tiếp (TSR)” ≥ 80%. Chỉ tiêu này đang được thế giới áp dụng có hiệu quả nhằm đánh giá độ nhạy ẩm của mẫu BTNR. Nếu BTNR không thỏa mãn chỉ tiêu này thì phải sử dụng nhựa đường có tính năng cao hơn hoặc sử dụng phụ gia để tăng khả năng dính bám đá-nhựa.

3. KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ

- Hiện nay, trên thế giới có 2 phương pháp thiết kế thành phần hỗn hợp BTNR là phương pháp Marshall và phương pháp Sperpave sử dụng đầm xoay. Phương pháp Marshall được sử dụng tại nhiều nước, trong đó có Nhật Bản (đã được áp dụng trong dự án thí điểm tại Việt Nam). Phương pháp Superpave xử dụng đầm xoay (ASTM D7064) được áp dụng tại một số bang của Mỹ.

- Phương pháp Marshall theo tiêu chuẩn của Nhật Bản mặc dù chưa xác định ngày được cấp phối tối ưu để cho các hạt cốt liệu thô trong hỗn hợp tạo thành bộ khung cốt liệu có khả năng tiếp xúc đá chèn đá như ASTM D7064, nhưng đã bổ sung một số chỉ tiêu đánh giá đặc tính của BTNR mà ASTM D7064 chưa áp dụng (độ ổn định động, hệ số thấm, tỷ lệ độ rỗng liên thông). Phương pháp này đã áp dụng thành công trong dự án thử nghiệm tại Việt Nam. Do vậy, đề xuất sử dụng phương pháp Marshall áp dụng tại Việt Nam, có bổ sung các chỉ tiêu “Độ sâu HLVBX” thay thế chỉ tiêu “Độ ổn định động” và “Tỷ số cường độ chịu kéo gián tiếp (TSR)” ≥ 80%.

Tài liệu tham khảo

[1]. Quy định kỹ thuật tạm thời về thiết kế, thi công và nghiệm thu lớp mặt đường bê tông nhựa rỗng thoát nước có sử dụng phụ gia Tafpack-Super (Ban hành kèm theo Quyết định số 431/QĐ-BGTVT ngày 4/02/2016 của Bộ GTVT).

[2]. Lily D. Poulikakos, Shigeki Takahashi (October 2006), Manfred N. Part 1 - Evaluation of Improved Porous Asphalt by Various Test Methods, Report No.113/13 (Empa No. FE 860076) Laboratory 113, Road Engineering/Sealing Components.

[3]. Road Pavement in Japan-Technical Standard and Latest Technology, Japan Road Association, 2010.

[4]. JTG F40:2004, Technical Specifications for Construction of Highway Asphalt Pavement.

[5]. ASTM D7064:2004, Standard Practice for Open-Graded Friction Course (OGFC) Mix Design.

[6]. BS EN 13108-7:2006, Bituminous mixtures - Material specifications, Part 7: Porous Asphalt.