Ứng dụng lớp phủ mặt đường Micro surfacing trong công tác bảo trì đường bộ

ThS. Lâm Hữu Quang ThS. Vũ Văn Thắng Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải Người phản biện PGS. TS. Vũ Đức Chính TS. Nguyễn Quang Phúc

TÓM TẮT: Bài báo trình bày về ưu điểm của lớp phủ mặt đường Micro surfacing trong công tác bảo trì đường bộ và đánh giá kết quả thử nghiệm Micro surfacing trên 3 đoạn quốc lộ được triển khai theo công nghệ của Công ty Elsamex Maintenance Services Limited, India.

TỪ KHÓA: Lớp phủ mặt đường Micro surfacing, nhũ tương, độ nhám, sức kháng trượt, bảo trì.

Abstract: This paper presents advantages of Micro Surfacing wearing course in Road maintenance and evaluates Results of Micro surfacing Trial Application on Three Trial sections under National Highway carried out byElsamex Maintenance Services Limited, India company.

KEYWORDS: Micro Surfacing wearing course, emulsion, roughness, skid resistance, maintenance.

1. Đặt vấn đề

Hệ thống quốc lộ, đường cao tốc Việt Nam có tổng chiều dài 18.744km có kết cấu mặt đường bê tông nhựa, bao gồm 104 tuyến quốc lộ, 5 đoạn tuyến cao tốc. Trong tương lai, hệ thống đường cấp cao nước ta sẽ phát triển mạnh hơn nhằm đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa, hành khách.

Để duy trì và kéo dài tuổi thọ của tuyến đường, cần thiết phải có chiến lược cũng như công nghệ bảo trì mặt đường. Việc áp dụng kịp thời các phương pháp bảo trì, sửa chữa một cách liên tục có thể duy trì mặt đường trong tình trạng tốt và loại trừ việc phải xây dựng lại đường dẫn đến tốn kém hơn nhiều so với kinh phí đầu tư cho công tác bảo trì.

Trên thế giới, công tác bảo trì, sửa chữa mặt đường ô tô rất được chú trọng, nhất là công tác bảo trì phòng ngừa. Theo kết quả nghiên cứu của Ngân hàng thế giới, với cùng một giải pháp bảo trì, nhưng ở thời điểm bảo trì khác nhau cho thấy, khi thực hiện công tác bảo trì trong giai đoạn bảo trì phòng ngừa thì chỉ tốn chi phí khoảng 01 USD, nhưng nếu triển khai công tác bảo trì ở giai đoạn sau này, khi mặt đường giảm chất lượng đáng kể thì chi phí phải tốn đến từ 4 - 5 USD hoặc lớn hơn.

Những công nghệ bảo trì phòng ngừa được nghiên cứu áp dụng phổ biến trên thế giới có hiệu quả hiện nay có thể kể đến là: Phun nhựa (Fog seals); vữa nhựa (Slurry seals); vữa nhựa polymer (Micro surfacing), trong đó lớp phủ mỏng Micro surfacing có ưu điểm hơn hẳn.

2. CÔNG NGHỆ MICRO SURFACING TRONG BẢO TRÌ ĐƯỜNG BỘ

Micro surfacing là hỗn hợp bao gồm: Cốt liệu, nhũ tương nhựa đường polymer gốc axit phân tách sớm, nước, bột khoáng và các chất phụ gia được phối trộn với nhau theo tỷ lệ thiết kế.

Micro surfacing được thi công bằng hệ thống thiết bị chuyên dụng hiện đại, tự hành. Vật liệu (đá dăm, bột khoáng, nhũ tương, chất phụ gia) được tự dộng cân đong theo đúng tỷ lệ thiết kế, được trộn với nhau trong thùng trộn và được rải trên mặt đường bê tông nhựa cũ với chiều dày thích hợp qua tốc độ di chuyển của thiết bị chuyên dụng.

Chiều dày lớp Micro surfacing thường từ 3,6mm - 10,8 mm. Có thể cho phép thông xe ngay sau 2 giờ sau khi rải Micro surfacing.

Micro surfacing được sử dụng rộng rãi ở các nước trong công tác bảo trì mặt đường nhằm mục đích sau:

- Sửa chữa khuyết tật bề mặt như bong bật, chảy nhựa; nâng cao sức kháng trượt mặt đường; cải thiện độ gồ ghề và hằn lún của mặt đường; làm chậm quá trình ô xy hóa và già hóa mặt đường; ngăn nước xâm nhập vào kết cấu mặt đường.

Để đảm bảo chất lượng lớp phủ mỏng Micro surfacing, vật liệu (đá dăm, bột khoáng, nhũ tương polymer) phải được tuyển chọn có chất lượng tốt, việc thiết kế hỗn hợp Micro surfacing phải theo đúng quy định.

 Có 2 phương pháp thiết kế hỗn hợp Micro surfacing được áp dụng phổ biến trên thế giới là phương pháp của ISSA (Hiệp hội Vữa nhựa quốc tế) và phương pháp của ASTM (ASTM D6372). Các phương pháp này đã đưa ra các tiêu chuẩn vật liệu cho Micro surfacing, hướng dẫn cách thiết kế hỗn hợp Micro surfacing với các chỉ tiêu thí nghiệm tương ứng.

Hai phương pháp thiết kế hỗn hợp Micro surfacing này nhìn chung không có sự khác nhau nhiều, trong đó phương pháp của ISSA được áp dụng rộng rãi hơn.

Lớp phủ mặt đường Micro surfacing chỉ được rải trên kết cấu áo đường có đủ cường độ tương ứng với lưu lượng xe và tải trọng trục xe đã thiết kế, mặt đường trước khi rải hỗn hợp Micro surfacing phải đảm bảo bề rộng vết nứt không quá 6mm.

3. TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI MICRO SURFACING TẠI CÁC ĐOẠN THỬ NGHIỆM

Theo chỉ đạo của Bộ GTVT tại văn bản số 10985/BGTVT-KHCN ngày 19/8/2015 của Bộ GTVT về việc chấp thuận hồ sơ thử nghiệm công nghệ Micro surfacing trong công tác bảo trì đường bộ và tại văn bản số 13023/BGTVT-KHCN ngày 30/9/2015 của Bộ GTVT về việc chấp thuận bổ sung địa điểm thử nghiệm công nghệ Micro surfacing trong công tác bảo trì đường bộ, các đoạn thi công thử nghiệm công nghệ Micro surfacing bao gồm 3 đoạn thử nghiệm:

- Đoạn 1: Từ Km455+000 - Km455+850, thuộc đường Hồ Chí Minh đoạn qua tỉnh Hòa Bình.

- Đoạn 2: Từ Km213+950 - Km214+450, thuộc QL1 đoạn qua tỉnh Hà Nam.

- Đoạn 3: Từ Km257+000 - Km257+500, thuộc QL1 đoạn qua tỉnh Ninh Bình.

Công tác thi công thí điểm tại 3 đoạn do Công ty Elsamex Maintenance Services Limited, India và đối tác thực hiện theo công nghệ của Công ty Elsamex, dưới sự giám sát của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT và sự chứng kiến của các bên liên quan với hệ thống thiết bị chuyên dụng và thiết bị đã sử dụng.

 Công nghệ bảo trì đường bộ sử dụng lớp phủ Micro surfacing đã được đưa vào thử nghiệm ở Việt Nam từ tháng 12/2015. Việc nghiên cứu đánh giá hiệu quả của công nghệ này là cần thiết để phục vụ công tác bảo trì đường bộ một cách có hiệu quả.

4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

4.1. Kết quả thí nghiệm trong phòng

4.1.1. Vật liệu sử dụng

- Đá dăm: Sử dụng 01 loại đá 0 - 7mm lấy từ mỏ Sunway - Hòa Thạch - Quốc Oai - Hà Nội;

- Bột khoáng: Bột khoáng sử dụng là xi măng Nghi Sơn PCB40;

- Nhũ tương: Là nhũ tương nhựa đường gốc axit phân tách sớm được cải tiến thêm polymer (CQS - 1hP) do Công ty Elsamex Maintenance Services Limited, India phối hợp với Công ty Transmeco sản xuất;

- Phụ gia: Do Công ty Elsamex Maintenance Services Limited, Ấn Độ cung cấp.

4.1.2.Yêu cầu đối với hỗn hợp Micro surfacing

Hỗn hợp Micro surfacing cóthành phần cấp phối và phạm vi áp dụng được quy định tại Bảng 4.1.

Bảng 4.1. Cấp phối hỗn hợp cốt liệu Micro surfacing

Cỡ sàng mắt vuông, mm	Lượng lọt qua sàng, % khối lượng	Sai số (%)
9,5	100	0
4,75	70 - 90	± 5
2,36	45 - 70	± 5
1,18	28 - 50	± 5
0,600	19 - 34	± 5
0,300	25-Dec	± 4
0,150	18-Jul	± 3
0,075	15-May	± 2
Phạm vi nên áp dụng	Phù hợp cho đường cao tốc (theo TCVN 5729:2012); đường ô cấp I, cấp II, cấp III (theo TCVN 4054:2005); đường đô thị (không bao gồm “các đường chuyên dụng khác”) (theo TCXDVN 104:2007)	-

Liều lượng sử dụng của hỗn hợp Micro surfacing được đưa ra tại Bảng 4.2.

Bảng 4.2.Lượng sử dụng của hỗn hợp Micro surfacing

Tính chất	Micro surfacing
Lượng dùng trung bình của cốt liệu ở trạng thái khô (kg/m2) (không có nước)	8,1 - 16,3
Hàm lượng nhựa (% cốt liệu ở trạng thái khô)	5,5 - 10,5

Hỗn hợp Micro surfacing có các chỉ tiêu kỹ thuật theo quy định tại Bảng 4.3.

Bảng 4.3. Các chỉ tiêu quy định của hỗn hợp Micro surfacing

 

TT	Chỉ tiêu	Phương pháp thử	Quy định
1	Thời gian trộn ở 25ºC, (giây)	ISSA TB 113	≥ 120
2	Thí nghiệm độ bào mòn của mẫu ngâm nước	ISSA TB 100
	Ngâm 1 giờ, (g/m2)		≤ 538
	Ngâm 6 ngày, (g/m2)		≤ 807
4	Độ bong tróc ướt	TB 114	Tối thiểu 90%
5	Độ kết dính ướt (Wet Cohesion) @ Tại thời điểm 30 phút (Đông kết) @ Tại thời điểm 60 phút (Thông xe)	TB 139	≥ 12kg.cm ≥ 20kg.cm

Nhũ tương nhựa đường sử dụng cho hỗn hợp Micro surfacing là loại nhũ tương nhựa đường polymer gốc axit phân tách sớm (CQS-1hP) do Công ty Elsamex Maintenance Services Limited, Ấn Độ phối hợp với Công ty Transmeco sản xuất cung cấp có các chỉ tiêu kỹ thuật theo quy định tại Bảng 4.4.

Bảng 4.4. Các chỉ tiêu quy định của nhũ tương nhựa đường

 

TT	Các chỉ tiêu	Đơn vị	Phương pháp thử		Quy định
			Theo tiêu chuẩn gốc	Tương ứng TCVN	Nhỏ nhất	Lớn nhất
I	Nhũ tương nhựa đường Polime gốc axit phân tách sớm
1	Độ nhớt Saybolt Furol ở 25oC		ASTM D244	TCVN 8817-2 : 2011	20	100
2	Điện tích hạt		ASTM D244	TCVN 8817-5 : 2011	Dương
3	Hàm lượng nhựa thu được sau thử nghiệm bay hơi		ASTM D244	TCVN 8817-10 : 2011	62
4	Độ ổn định lưu trữ, 24h		ASTM D244	TCVN 8817-3 : 2011		1,0
5	Thí nghiệm sàng		ASTM D244	TCVN 8817-4:2011		0,10
II	Thí nghiệm trên mẫu nhựa thu được từ thử nghiệm chưng cất
1	Độ kim lún (25ºC; 100g; 5giây)	0,1 mm	ASTM D5	TCVN 7495:2005	40	90
2	Điểm hóa mềm	ºC	ASTM D36	TCVN 7497:2005	57
3	Độ đàn hồi ở 25ºC (mẫu kéo dài 20cm)		AASHTO T 301-2003		50
4	Độ kéo dài ở 25oC, 5 cm/min	cm	ASTM D113-99	TCVN 7496:2005	40
5	Độ hòa tan trong Trichloroethylene		ASTM D44	TCVN 7500:2005	97,5

Cốt liệu đá dùng cho hỗn hợp Micro surfacing được lấy từ mỏ Sunway - Hòa Thạch - Quốc Oai - Hà Nội có các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu được dùng trong hỗn hợp Micro surfacing phải thỏa mãn các yêu cầu quy định tại Bảng 4.5.

Bảng 4.5. Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho cốt liệu

TT	Các chỉ tiêu	Đơn vị	Phương pháp thử		Quy định
			Theo tiêu chuẩn gốc	Tương ứng TCVN
1. Cốt liệu mịn
1.1	Thành phần hạt và mô đun độ lớn		AASHTO T27	TCVN 7572-2: 2006	≥ 2
1.2	Hệ số đương lượng cát		ASTM D2419 (AASHTO T176)		≥  65
1.3	Độ góc cạnh			TCVN 8860-7: 2011	≥ 43
2. Cốt liệu thô
2.1	Độ hao mòn LosAngeles		ASTM C131 (AASHTO T96)	TCVN 7572-12:2006	≤  25
2.2	Hàm lượng hạt thoi dẹt		ASTM D4791	TCVN 7572-13: 2006	≤ 15

Bột khoáng dùng trong hỗn hợp Micro surfacing là xi măng Nghi Sơn PCB40 có các chỉ tiêu quy định tại Bảng 4.6.

Bảng 4.6. Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho xi măng

TT	Chỉ tiêu	Đơn vị	Phương pháp thử		Quy định
			Theo tiêu chuẩn gốc	Tương ứng TCVN
1	Thành phần hạt (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng)		AASHTO T37	TCVN 7572-7:2006
	Cỡ sàng 0,6mm				100
	Cỡ sàng 0,3mm				95 - 100
	Cỡ sàng 0,075mm				70 - 100
2	Độ ẩm		AASHTO T255	TCVN 4196:1993	`<=` 1,0

4.2. Kết quả thiết kế hỗn hợp Micro surfacing trong phòng

4.2.1.  Mục đích thiết kế

Tìm ra tỷ lệ phối hợp của các loại vật liệu (đá dăm, cát, bột khoáng, nhũ tương nhựa đường, phụ gia và nước) để thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của hỗn hợp Micro surfacingtheo quy định.

4.2.2. Trình tự thiết kế hỗn hợp Micro surfacing

- Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu sử dụng để thiết kế hỗn hợp Micro surfacing;

- Phối trộn tỷ lệ cấp phối: Sử dụng 01 loại đá dăm 0 - 7mm để làm cấp phối hỗn hợp Micro surfacing (Loại III);

- Tính toán hàm lượng tối ưu của nước, bột khoáng và chất phụ gia;

- Tính toán hàm lượng tối ưu của nhũ tương.

4.2.3.  Đường cong cấp phối thiết kếhỗn hợpMicro surfacing sau khi phối trộn

Hình 4.1: Đường cong cấp phối thiết kếhỗn hợpMicro surfacing

 4.2.4. Kết quả lựa chọn hàm lượng xi măng, nước, phụ gia và nhũ tương tối ưu

- Xi măng: 1,0% theo khối lượng cốt liệu.

- Nước: 10,0% theo khối lượng cốt liệu.

- Phụ gia: 1,2% theo khối lượng cốt liệu.

- Nhũ tương: 10,0% theo khối lượng cốt liệu.

4.2.5. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp Micro surfacingđượcđưa ra tại Bảng 4.7.

Bảng 4.7. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp Micro surfacing

TT	Nội dung	Đơn vị	Kết quả thí nghiệm	YCKT
1	Thời gian trộn ở 25oC	s	165	≥ 120
2	Thí nghiệm độ bào mòn của mẫu ngâm nước, ngâm nước trong 1 giờ	g/m2	333,6	≤ 538
3	Thí nghiệm độ bào mòn của mẫu ngâm nước, ngâm nước trong 6 ngày	g/m2	338.54	≤ 807
4	Độ kết dính ướt ở 30 phút	kg.cm	17	≥ 12
5	Độ kết dính ướt ở 60 phút	kg.cm	21,5	≥ 20
6	Độ bong tróc ướt	%	98	Tối thiểu 90%

Nhận xét: Hỗn hợp Micro surfacing có các chỉ tiêu thí nghiệm thỏa mãn theo quy định YCKT.

4.3. Kết quả thử nghiệm hiện trường

4.3.1. Kết quả khảo sát, thử nghiệm trên các đoạn thí điểm trước khi thi công

Công tác khảo sát, thử nghiệm trên các đoạn thí điểm trước khi thi công bao gồm:

- Khảo sát hiện trạng mặt đường cũ; khảo sát lưu lượng giao thông; đo mô-đun đàn hồi bằng cần đo võng Benkelman; đo độ bằng phẳng bằng thước 3 mét; độ nhám xác định bằng phương pháp rắc cát; sức kháng trượt xác định bằng con lắc Anh; đo vệt hằn lún bánh xe bằng thước thép.

Kết quả khảo sát thử nghiệm cho thấy: Các địa điểm thử nghiệm đáp ứng đủ các quy định theo đề cương thử nghiệm đã được phê duyệt để tiến hành thử nghiệm.

4.3.2. Kết quả kiểm tra trong quá trình thi công

Công tác chuẩn bị, thi công đoạn thí điểm nhìn chung đã tuân theo chỉ dẫn kỹ thuật và dưới sự giám sát, hướng dẫn trực tiếp của các chuyên gia của Công ty Elsamex Maintenance Services Limited, Ấn Độ.

4.3.3. Kết quả thí nghiệm, kiểm tra sau khi thi công

Công tác thí nghiệm, kiểm tra đánh giá sau khi thi công (0 - 72 giờ, 1 tháng, 3 tháng, 6 tháng) bao gồm các nội dung sau:

- Nhận xét, đánh giá tình trạng chung mặt đường; đo độ bằng phẳng bằng thước 3 mét; độ nhám xác định bằng phương pháp rắc cát; sức kháng trượt xác định bằng con lắc Anh; đo vệt hằn lún bánh xe bằng thước thép.

4.3.4. Tình trạng chung mặt đường sau khi rải hỗn hợp Micro surfacing

- Mặt đường bằng phẳng, không có hiện tượng nứt vỡ hư hỏng;

- Cải thiện khả năng bảo vệ mặt đường cũ ngăn nước xâm nhập vào kết cấu mặt đường;

- Bề mặt đường nhám hơn so với mặt đường trước khi rải hỗn hợp Micro surfacing.

4.3.5. Độ bằng phẳng mặt đường bằng thước 3 mét

Độ bằng phẳng mặt đường đo bằng thước 3m trên 3 đoạn thử nghiệm đạt yêu cầu theo Tiêu chuẩn TCVN 8864:2011.

4.3.6. Đo độ nhám bằng phương pháp rắc cát

Hình 4.2: Biểu đồ so sánh độ nhám rắc cắt theo thời gian

 

Nhận xét: Độ nhám mặt đường sau khi rải hỗn hợp Micro surfacing đo bằng phương pháp rắc cát cải thiện so với trước khi rải hỗn hợp Micro surfacing và suy giảm không đáng kể theo thời gian khai thác.

4.3.7. Sức kháng trượt bằng con lắc Anh

Hình 4.3: Biểu đồ so sánh sức kháng trượt theo thời gian

 

Nhận xét: Sức kháng trượt mặt đường sau khi rải hỗn hợp Micro surfacing đo bằng phương pháp con lắc Anh cải thiện so với trước khi rải hỗn hợp Micro surfacing và suy giảm không đáng kể theo thời gian khai thác.

5. KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ

- Bảo trì đường bộ là một chiến lược quan trọng nhằm kịp thời khắc phục các hư hỏng xuất hiện trong quá trình khai thác, các hư hỏng xuất hiện do các yếu tố bất lợi của môi trường; duy trì hệ thống đường bộ luôn ở tình trạng kỹ thuật tốt; nâng cao chất lượng khai thác, kéo dài tuổi thọ của công trình, tiết kiệm chi phí đầu tư.

- Micro surfacing là một công nghệ mới, có nhiều ưu điểm, tăng khả năng kháng trượt mặt đường nên được sử dụng có hiệu quả trong bảo trì mặt đường bê tông nhựa.

- Công tác thử nghiệm Micro surfacing bước đầu tại Việt Nam đã được tiến hành nghiêm túc, theo đúng đề cương được Bộ chấp thuận, dưới sự hỗ trợ của các chuyên gia đến từ Tây Ban Nha và Ấn Độ. Kết quả cho thấy đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, bước đầu đã chứng minh được hiệu quả kỹ thuật khi sử dụng hỗn hợp Micro surfacing: (1) Có tác dụng kéo dài tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa; (2) có khả năng chống thấm nước thâm nhập vào mặt đường bê tông nhựa; (3) có hiệu quả kinh tế cao (nếu so sánh kinh tế trong cả vòng đời của mặt đường có rải hỗn hợp Micro surfacing với mặt đường không rải hỗn hợp Micro surfacing); (4) ngoài ra, việc sử dụng hỗn hợp Micro surfacing có nhiều lợi ích khác về khai thác (do không phải cấm đường lâu, thiết bị thi công ít, cơ động) và môi trường.

- Tiếp tục theo dõi đánh giá các đoạn đường thử nghiệm Micro surfacing để có cơ sở tổng kết đánh giá hiệu quả của công nghệ Micro surfacing trong bảo trì đường bộ Việt Nam.

Tài liệu tham khảo

[1]. ASTM D6372-05, Standard Practices for Desing, Testing and Construction of Micro surfacing (Tiêu chuẩn Thiết kế, Thí nghiệm và thi công Micro surfacing).

[2]. ISSA A143: 2010, Recommended Performance Guideline For Micro Surfacing (Chỉ dẫn về tính năng cho Micro Surfacing).

[3]. Giới thiệu về công nghệ Micro surfacing của Công ty Elsamex Maintenance Services Limited, Ấn Độ.

[4]. Báo cáo kết quả của Viện Khoa học và Công nghệ, 6/2016.