Luận án nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng lún vệt bánh xe có xét đến đặc tính mỏi của bê tông nhựa chặt làm lớp mặt đường việt nam

Thiết bị này dùng để đánh giá ảnh hưởng của vật liệu và các lớp kết cấu mặt đường, trong đó có xác đi ̣nh LVBX với các điều kiện mô phỏng sát với điều kiện của mặt đường thực tế như

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, hiê ̣n tượng lún vệt bánh xe (LVBX) xuất hiê ̣n nhiều ta ̣i các tuyến quốc lô ̣, các tuyến đường có qui mô giao thông lớn gây mất an toàn cho người tham gia giao thông cũng như gây bức xúc trong dư luâ ̣n xã hô ̣i Các cơ sở nghiên cứu, đào ta ̣o trong nước như: Viê ̣n Khoa ho ̣c và Công nghê ̣ GTVT, Trường đa ̣i ho ̣c Giao thông vâ ̣n tải

và các chuyên gia trong nước trong thời gian qua đã nỗ lực triển khai các nghiên cứu, đề xuất các giải pháp để khắc phu ̣c LVBX, tuy nhiên cho đến nay LVBX vẫn xuất hiê ̣n tại nhiều tuyến đường, thậm chí ngay sau khi đưa vào khai thác

Mặt đường bê tông nhựa cần phải được thiết kế sao cho khắc phục được cả LVBX và nứt do mỏi dưới tác động của tải trọng xe và nhiệt độ môi trường Nếu thiết kế hỗn hợp BTN quá thiên về nâng khả năng kháng LVBX thì mặt đường BTN dễ có xu hướng bị nứt mỏi và ngược lại

Vì vâ ̣y, viê ̣c nghiên cứu tìm hiểu bản chất, các nhân tố ảnh hưởng đến LVBX, về nứt mỏi và đề xuất giải pháp giảm thiểu LVBX có xem xét đến giảm thiểu nứt mỏi của mă ̣t đường bê tông nhựa Viê ̣t Nam là cần thiết và mang tính thời sự

2 Ti ́nh cần thiết của luâ ̣n án

Để đưa ra được các giải pháp khắc phu ̣c LVBX có xem xét đến giảm thiểu nứt do mỏi trên các tuyến đường bô ̣ Viê ̣t Nam, việc nghiên cứu đă ̣c tính LVBX có xem xét đến đặc tính mỏi trên cơ sở kết quả nghiên cứu trên thế giới, từ đó đánh giá được nguyên nhân gây hư

hỏng LVBX cũng như giảm thiểu nứt do mỏi đã xảy ra trên nhiều đoa ̣n tuyến Quốc lô ̣ nước

ta hiện nay và đề xuất giải pháp vừa giảm thiểu LVBX cũng như tăng độ bền mỏi là cần thiết

Quyết định số 858/QĐ–BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ GTVT “Hướng dẫn áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường BTN nóng đối với các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn” (QĐ 858/QĐ-BGTVT) [1] đang được áp du ̣ng phổ biến ở nước ta QĐ 858/QĐ-BGTVT đã đưa

ra quy đi ̣nh rõ về “cấp phối thô” (nhiều đá dăm), “cấp phối mi ̣n” (ít đá dăm) và áp du ̣ng

“cấp phối thô” cho mặt đường bê tông nhựa (BTN) có quy mô giao thông lớn; quy đi ̣nh về thiết kế cấp phối cốt liê ̣u theo đường cong chữ S nhằm giảm thiểu LVBX Tuy nhiên không ít nhà thầu xây dựng la ̣m du ̣ng quy đi ̣nh này, sử du ̣ng cấp phối quá “thô” cho BTN dẫn đến không ít đoa ̣n đường BTN có hiê ̣n tượng phân bố cốt liê ̣u không đồng đều, quá ít nhựa đường, dẫn đến mă ̣t đường dễ bi ̣, bong tróc, thấm nước, nứt mỏi làm suy giảm tuổi tho ̣ Vì

vậy, viê ̣c nghiên cứu đánh giá mức đô ̣ thô của “cấp phối thô” cho BTN, qua đó khuyến nghi ̣

“cấp phối thô” phù hợp ứng với loa ̣i cốt liê ̣u, loa ̣i nhựa đường là cần thiết nhằm đảm bảo

lớ p BTN vừa cải thiê ̣n LVBX, vừa cải thiê ̣n sức kháng mỏi để kéo dài tuổi tho ̣ Để có cơ sở đưa ra “cấp phối thô” phù hợp, cần thiết phải thí nghiê ̣m LVBX kết hợp với thí nghiê ̣m mỏi

trên các tâ ̣p mẫu BTN với cấp phối cốt liê ̣u có mức đô ̣ “thô” khác nhau để đưa ra các khuyến nghị, đề xuất nhằm giảm thiểu hư hỏng LVBX và nứt mỏi mă ̣t đường BTN nước ta

3 Đối tươ ̣ng và pha ̣m vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luâ ̣n án là bê tông nhựa chă ̣t (BTNC) rải nóng

Phạm vi nghiên cứu của luâ ̣n án bao gồm nghiên cứu đánh giá nguyên nhân gây LVBX

củ a BTN trên mô ̣t số tuyến đường có hư hỏng LVBX; nghiên cứu đề xuất “cấp phối thô” phù hợp cho BTN sử du ̣ng các loa ̣i nhựa đường khác nhau nhằm giảm thiểu LVBX và nứt

mỏ i mă ̣t đường BTN

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử du ̣ng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên kết quả nghiên cứu của thế giới và Viê ̣t Nam trong những năm gần đây liên quan đến LVBX, nứt mỏi của BTN làm cơ sở tìm ra các nguyên nhân gây LVBX nước ta; nghiên cứu phương pháp và lựa cho ̣n thiết bi ̣ thí nghiê ̣m LVBX, thí nghiê ̣m mỏi áp du ̣ng cho nghiên cứu thực nghiê ̣m

Nghiên cứu thực nghiê ̣m được tiến hành trên các tổ mẫu BTN (BTNC 12,5; BTNC 19

vớ i các loa ̣i “cấp phối thô” khác nhau, các loa ̣i nhựa đường khác nhau (nhựa đường 40/50, 60/70, PMBIII) qua quy hoạch thực nghiê ̣m, qua thí nghiê ̣m LVBX, thí nghiê ̣m mỏi với các tổ mẫu BTN để đưa ra khuyến nghi ̣ về “cấp phối thô” phù hợp cho BTN

5 Nô ̣i dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về LVBX, nứ t mỏi của BTN và các nhân tố ảnh hưởng

- Nghiên cứu phân tích, đánh giá nguyên nhân hư hỏng LVBX trên một số tuyến đường

bộ Việt Nam hiện nay qua kết quả khảo sát hiện trường ta ̣i một số dự án điển hình có hư hỏng LVBX

- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng để đánh giá mứ c đô ̣ “thô” của cấp phối cốt liê ̣u ảnh hưởng đến LVBX, có xem xét đến đô ̣ bền mỏi cho BTNC 12,5, BTNC 19 sử du ̣ng nhựa đường 40/50, 60/70, PMB III

- Nghiên cứ u đề xuất mô ̣t số nô ̣i dung cần thiết cho BTN để cải thiê ̣n khả năng kháng LVBX, kháng mỏi của BTN

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

- Kết quả nghiên cứu lý thuyết về LVBX, nứt mỏi của BTN; các nhân tố ảnh hưởng đến LVBX, nứt mỏi; các giải pháp giảm thiểu LVBX, nứt mỏi trên cơ sở tổng kết các kết quả nghiên cứu của thế giới trong những năm gần đây là tài liê ̣u tham khảo cho các kỹ sư đường bô ̣, nâng cao kiến thức áp du ̣ng trong thực tiễn nhằm giảm thiểu hư hỏng LVBX

- Kết quả nghiên cứu thực nghiê ̣m đưa ra khuyến nghi ̣ về mức độ thô của cấp phối cốt liệu phù hợp cho BTN sử du ̣ng các loa ̣i nhựa đường khác nhau (nhựa đường 40/50; nhựa

đường 60/70; nhựa đường polime) ta ̣o điều kiê ̣n cho các nhà thầu xây dựng đường bộ trong việc lựa cho ̣n cấp phối phù hợp cho BTN nhằm ha ̣n chế cả LVBX cũng như nứt mỏi

- Những đề xuất của đề tài về độ bền mỏi khi thử nghiệm trong phòng với BTNC 12,5

sử dụng nhựa đường 60/70; điều chỉnh qui định chiều sâu LVBX của BTNC 12, 5 và BTNC

19 thiết kế theo hướng dẫn của QĐ 858/QĐ-BGTVT; lựa cho ̣n mức đô ̣ “thô” của “cấp phối thô” với loa ̣i nhựa đường khác nhau (40/50; 60/70 và PMB III) đã đóng góp cho chuyên ngành về cơ sở thiết kế hỗn hợp BTNC cũng như nâng cao chất lượng xây dựng mặt đường BTNC nhằm giảm thiểu LVBX và nứt mỏi

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận án bao gồm các chương sau:

- Chương 1: Tổng quan về lún vệt bánh xe và mỏi của bê tông nhựa chặt

- Chương 2: Phân tích nguyên nhân hư hỏng lún vệt bánh xe qua kết quả khảo sát hiện trường

- Chương 3 Nghiên cứu thưc nghiệm về lún vệt bánh xe và mỏi của bê tông nhựa chặt điển hình

- Chương 4 Đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu lún vệt bánh xe và tăng độ bền mỏi của bê tông nhựa chặt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÚN VỆT BÁNH XE

VÀ MỎI CỦA BÊ TÔNG NHỰA CHẶT

1.1 Sư ̣ cần thiết nghiên cứu lún vê ̣t bánh xe và nứt mỏi của bê tông nhựa

Mặt đường bê tông nhựa được áp du ̣ng rô ̣ng rãi trên thế giới cũng như ở Viê ̣t Nam Để

chịu được tác đô ̣ng của tải tro ̣ng xe và các yếu tố môi trường trong quá trình khai thác, mă ̣t

đường bê tông nhựa phải được thiết kế, thi công sao cho có đủ cường đô ̣, độ ổn định trong

suốt thời gian phu ̣c vu ̣

Các da ̣ng hư hỏng mă ̣t đường bê tông nhựa điển hình phát sinh trong quá trình khai

thác làm ảnh hưởng đến công năng của mă ̣t đường được thế giới tổng kết bao gồm: lún vê ̣t

bánh xe (LVBX); nứt do mỏi; nứt do nhiê ̣t

Do điều kiê ̣n khí hâ ̣u Viê ̣t Nam, nhiê ̣t đô ̣ không khí không quá thấp vào mùa la ̣nh nên

hư hỏng đă ̣c thù của mă ̣t đường bê tông nhựa Viê ̣t Nam chủ yếu là lún vê ̣t bánh xe (LVBX)

và nứt do mỏi

Do bê tông nhựa chă ̣t (BTNC) được áp du ̣ng phổ biến hiê ̣n nay ta ̣i Viê ̣t Nam nên luâ ̣n

án chỉ tâ ̣p trung nghiên cứu về loa ̣i bê tông nhựa này

Thuật ngữ bê tông nhựa (viết tắt là BTN) trong luâ ̣n án cũng tương đồng với thuâ ̣t ngữ

bê tông nhựa chă ̣t (viết tắt là BTNC)

1.2 Lu ́ n vê ̣t bánh xe

1.2.1 Kha ́ i niê ̣m về lún vệt bánh xe

Lú n vê ̣t bánh xe (rutting) là hiện tượng bề mặt của mă ̣t cắt ngang mă ̣t đường BTN

không còn giữ nguyên được hình dạng như thiết kế ban đầu, mă ̣t đường bị lún xuống tại vi ̣

trí vệt bánh xe, và hình thành các vê ̣t lún theo chiều do ̣c của đường (Hình 1-1)

Hình 1-1: Hư hỏng LVBX điển hình trên mă ̣t đường BTN tại dự án Đại lộ Đông Tây

LVBX là hiện tượng tích lũy biến dạng không hồi phục của các lớp BTN mặt đường

do ảnh hưởng của phương tiê ̣n xe lưu thông và nhiê ̣t đô ̣ môi trường gây ra trong quá trình khai thác

LVBX là da ̣ng hư hỏng điển hình của biến dạng vĩnh cửu (thuật ngữ tiếng Anh go ̣i là Permanent Deformation) Trong nhiều trường hợp, thuâ ̣t ngữ LVBX cũng đồng nhất với thuật ngữ biến da ̣ng vĩnh cửu [26]

LVBX là do tổ hợp của các nguyên nhân: Do dòng xe lưu thông (lưu lượng xe, tải trọng xe); chất lượng các lớp kết cấu áo đường (BTN mă ̣t đường, móng đường, nền đường); điều kiê ̣n khí hâ ̣u (nhiê ̣t đô ̣, đô ̣ ẩm) [26]

1.2.2 Ca ́ c da ̣ng lún vệt bánh xe

Có 3 dạng LVBX phổ biến đó là: LVBX do BTN bi ̣ chảy dẻo (Instability Rutting - Plastic Flow); LVBX do kết cấu (Structural Rutting); và LVBX tại lớp mặt BTN (Surface/Wear Rutting) [27] Ứng vớ i mỗi da ̣ng LVBX có các nguyên nhân đă ̣c thù được phân tích dưới đây

1.2.2.1 Lún vệt bánh xe do BTN bi ̣ chảy dẻo - Instability Rutting (Plastic Flow)

LVBX do BTN bi ̣ chảy dẻo là hư hỏng chủ yếu của mă ̣t đường BTN và được thế giới

tập trung nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp khắc phu ̣c

LVBX do BTN bị chảy dẻo có đă ̣c thù sau: biến da ̣ng (lún) xuất hiê ̣n ta ̣i vê ̣t bánh xe trên phạm vi he ̣p, hình thành các mô dồn (trồi) BTN dọc 2 bên vệt bánh xe Điển hình của LVBX do chảy dẻo BTN được thể hiê ̣n ta ̣i Hình 1-2

Hình 1-2: Lún vệt bánh xe chảy dẻo lớp bê tông nhựa [27]

Nguyên nhân gây ra LVBX là do BTN bi ̣ chảy dẻo, do BTN “yếu”, không đủ cường

độ kháng cắt để chống la ̣i ứng suất cắt do tải tro ̣ng bánh xe gây ra trong lớp BTN Khi đó, trong lớ p BTN xuất hiê ̣n mă ̣t cắt phá hoa ̣i do cắt (Hình 1-3), dẫn đến lớp BTN bi ̣ LVBX [28]

Hình 1-3: Cơ chế hình thành LVBX trong lớp BTN [28]

Cường đô ̣ kháng cắt  của BTN được biểu thi ̣ qua phương trình Mohr – Coulomb, được xác định theo công thức (1.1) [28] :

τ = C + σ tg  (1.1) Trong đó:

LVBX do BTN bị chảy dẻo thường xảy ra do hỗn hợp BTN mă ̣t đường không đảm

bảo chất lượng; hoă ̣c do hỗn BTN được thiết kế không chi ̣u được tải tro ̣ng xe nă ̣ng, lưu lượng xe lớn lưu thông; hoă ̣c do hỗn BTN được thiết kế không phù hợp với các đoa ̣n đường

có tốc đô ̣ xe lưu thông ha ̣n chế (đoa ̣n đường xe chạy chậm, dừng đỗ, ùn tắc)

LVBX do BTN bị chảy dẻo thường xuất hiê ̣n vào mùa nóng khi nhiê ̣t đô ̣ mă ̣t đường cao, và thường xuất hiê ̣n sớm ngay sau mô ̣t vài tháng khi thông xe hoă ̣c sau mô ̣t hai năm đưa đường vào khai thác

Những kết quả nghiên cứu trên thế giới chỉ ra rằng, LVBX do BTN bi ̣ chảy dẻo chủ yếu xảy ra trong các lớp BTN với chiều sâu khoảng 10 cm tính từ bề mặt đường Các kết quả nghiên cứu và khảo sát tại Việt Nam cũng cho kết luận tương tự [2] , vì vậy trong khoảng chiều dày này, cần thiết kế các lớp BTN phù hợp để khắc phu ̣c LVBX do BTN bi ̣ chảy dẻo

Mặt cắt

1.2.2.2 Lún vệt bánh xe do kết cấu - Structural Rutting

LVBX do kết cấu có đă ̣c thù sau: biến da ̣ng (lún) xuất hiê ̣n ta ̣i vê ̣t bánh xe trên phạm

vi rộng và không hình thành các mô dồn (trồi) BTN do ̣c theo vê ̣t bánh xe Điển hình của LVBX do kết cấu được thể hiê ̣n ta ̣i Hình 1-4

Hình 1-4: Lún vệt bánh xe kết cấu [27]

Nguyên nhân gây ra LVBX do kết cấu là do tích lũy biến da ̣ng do tải tro ̣ng lă ̣p gây ra trong nền đường (hoă ̣c trong lớp móng dưới, móng trên) trong quá trình khai thác Vì vâ ̣y, LVBX do kết cấu thường được xem là do vấn đề về kết cấu chứ không phải do vấn đề về

vật liê ̣u, chủ yếu là do kết cấu áo đường không đủ cường đô ̣ hoă ̣c do không đủ chiều dày

kết cấu để chịu ứng suất do tải tro ̣ng lă ̣p gây ra Do các lớp phía dưới biến dạng dẫn đến các lớp BTN biến dạng theo [27]

Mặc dù các lớp BTN mă ̣t đường có cường đô ̣ lớn hơn sẽ làm giảm mô ̣t phần khả năng LVBX này, tuy nhiên dưới tác đô ̣ng của tải tro ̣ng lă ̣p hoă ̣c do tác đô ̣ng bất lợi của đô ̣ ẩm môi trường, lớp mă ̣t đường BTN theo thời gian cũng bi ̣ sự suy giảm cường đô ̣ kháng cắt nên

cũng là mô ̣t trong những nguyên nhân gây ra LVBX do kết cấu

Nếu các lớp vâ ̣t liê ̣u BTN, móng, nền có chất lượng tốt, phù hợp với lượng giao thông

dự báo khi thiết kế kết cấu mặt đường thì LVBX do kết cấu vẫn có thể xảy ra như đã phân

tích trên, tuy nhiên chủ yếu xuất hiê ̣n ta ̣i cuối thời kỳ khai thác, phù hợp với quy luâ ̣t khi dự

báo LVBX Nếu không kiểm soát tốt được xe quá tải lưu thông, LVBX do kết cấu sẽ xảy ra

sớ m hơn so với dự báo

1.2.2.3 Lún vệt bánh xe lớp mặt BTN- Surface/Wear Rutting

LVBX lớ p mă ̣t BTN có đă ̣c thù sau: biến da ̣ng (lún) xuất hiê ̣n ta ̣i vê ̣t bánh xe trên phạm vi he ̣p, không hình thành các mô dồn (trồi) BTN do ̣c theo vê ̣ bánh xe Điển hình của LVBX tại lớp mặt BTN được thể hiê ̣n ta ̣i Hình 1-5

Nguyên nhân gây ra LVBX lớp mă ̣t BTN là do khiếm khuyết trong thi công, lớp BTN không đủ độ chặt (đô ̣ rỗng BTN lớn) Dưới tác đô ̣ng của tải tro ̣ng xe trùng phu ̣c, mă ̣t đường

Mặt cắt ngang ban đầu

Lớp bê tông nhựa

Nền đường hoặc các lớp phía dưới

Biến dạng của nền đường

tại vi ̣ trí vê ̣t bánh xe tiếp tu ̣c được đầm nén (đầm nén thứ cấp) dẫn đến lún tại chỗ vệt bánh

xe trùng phục [27]

LVBX lớ p mă ̣t BTN còn do nguyên nhâ ̣n cấp phối cốt liệu không hợp lý; cốt liê ̣u có

đô ̣ ẩm cao, nhiều bụi sét; thi công lớp BTN vào mùa lạnh, bị nguội nhanh nên không đảm bảo nhiệt độ đầm nén dẫn đến độ chặt không đủ

LVBX lớ p mă ̣t BTN thường xảy ra sau mô ̣t số năm khai thác, trên những đoa ̣n đường

xe lưu thông theo đúng làn đường quy đi ̣nh

Hình 1-5: Lún vệt bánh xe lớp mặt bê tông nhựa [27]

- Nhó m 2: xác đi ̣nh LVBX (biến da ̣ng vĩnh cửu) thông qua xác đi ̣nh sức kháng cắt trượt của mẫu BTN Điển hình các phương pháp thí nghiê ̣m: của Superpave (Mỹ); của trường đa ̣i ho ̣c Nottingham (vương quốc Anh); của CHLB Nga

Dưới đây phân tích các phương pháp thí nghiê ̣m này, tóm tắt các ưu, nhược điểm và phạm vi áp du ̣ng của nó

1.2.3.1 Ca ́ c phương pháp thí nghiê ̣m theo Nhóm 1

(1) Accelerated Load Testing (ALT) :

Tháng 10/2000, tại châu Âu đã thiết lập chương trình COST 347 nhằm mục đích phát triển một tiêu chuẩn châu Âu để thiết kế và đánh giá kết cấu mặt đường, trong đó sử dụng thiết bị thí nghiệm gia tốc tải trọng (Accelerated Load Testing - ALT) (thường được go ̣i là thí nghiê ̣m LVBX loa ̣i lớn- full scale) nhằm áp du ̣ng cho 18 các nước thành viên châu Âu [29]

Thiết bị này dùng để đánh giá ảnh hưởng của vật liệu và các lớp kết cấu mặt đường, trong đó có xác đi ̣nh LVBX với các điều kiện mô phỏng sát với điều kiện của mặt đường thực tế như : tải trọng, tốc độ xe chạy, nhiệt độ,…

Để tiến hành thí nghiệm, cần xây dựng một đoạn đường với kết cấu giống như ngoài hiện trường, sau đó đưa thiết bị ALT cho chạy (gia tốc) trên đoạn đường đó với các thông

số, tải trọng, tốc độ,…được cài đặt phù hợp với thực tế (Hình 1-6) Sau một khoảng thời gian thí nghiệm nhất định, các thông số đo được sẽ được phân tích và đánh giá

Thiết bị ALT của Hà Lan Thiết bị ALT của Anh Quốc

Hình 1-6: Thiết bị ALT để đánh giá LVBX và các chỉ tiêu cường đô ̣ mặt đường [29]

Đánh giá: Mă ̣c dù phương pháp này có nhiều ưu điểm, xác đi ̣nh được LVBX phù hợp

vớ i điều kiê ̣n thực tế (mô phỏng), tuy nhiên do do thiết bi ̣ đắt tiền, viê ̣c xây dựng phòng thí nghiệm cần nhiều kinh phí, với hê ̣ thống đo ứng suất, chuyển vi ̣ các lớp kết cấu rất phức ta ̣p nên ít được sử du ̣ng rô ̣ng rãi tại các nước đang phát triển

(2) Hamburg Wheel-Tracking (HWTD) :

Phương pháp Hamburg Wheel-Tracking được nghiên cứu và phát triển đầu tiên tại nước Đức, sau đó được áp du ̣ng khá phổ biến ta ̣i châu Âu, ta ̣i nhiều bang nước Mỹ và nhiều nước châu Á

Dướ i tác du ̣ng của tải tro ̣ng lă ̣p của bánh xe thép với số lần gia tải quy đi ̣nh, mẫu BTN

bị LVBX, thông qua giá tri ̣ chiều sâu LVBX để đánh giá khả năng kháng LVBX của mẫu BTN

Có 2 phương pháp dưỡng hộ mẫu khi thí nghiê ̣m, mẫu được duy trì nhiê ̣t đô ̣ trong môi trường không khí và trong môi trường nước Khi thí nghiê ̣m LVBX trong môi trường nước,

kết quả thí nghiê ̣m đánh giá được ảnh hưởng liên hợp của tải tro ̣ng gây ra LVBX và tác

đô ̣ng bất lợi do nước (ẩm) gây ra thông qua điểm bong màng nhựa (stripping point) (AASHTO T324) [30] (Hình 1-7)

Các thông số kỹ thuâ ̣t điển hình của thí nghiê ̣m này như sau :

- Mẫu BTN thí nghiệm : 2 mẫu trụ có đường kính 150 mm (dầy 62 mm) được gia công

và ghép lại thành hình số 8; hoặc mẫu tấm BTN được đầm nén có kích thước theo qui định;

- Tải trọng bánh xe: 705 N; đường kính bánh xe: 204 mm; chiều dày: 47 mm;

- Độ rỗng dư của mẫu BTN: 7 ± 2 % ;

- Nhiệt độ thí nghiệm: môi trườ ng nước, 50 0C; môi trường không khí, 60 0C

Hình 1-7: Một dạng thiết bị Hamburg Wheel-Tracking điển hình tại Viện KH&CN GTVT Tại Mỹ, thí nghiê ̣m Hamburg Wheel-Tracking thường áp du ̣ng với mẫu ngâm trong nước ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ 50 0C Bang Texas và Colorado đưa ra tiêu chuẩn LVBX cho BTN ứ ng

vớ i mác nhựa đường phân theo cấp đă ̣c tính PG (Bảng 1-1) [31] và được nhiều bang nước

Mỹ áp du ̣ng Tuy nhiên theo [31] , khuyến nghi ̣ mỗi nước có thể nghiên cứu để điều chỉnh quy đi ̣nh này cho phù hợp

Bảng 1-1: Giới ha ̣n độ sâu LVBX theo phương pháp Hamburg Wheel-Tracking [31]

Mác nhựa đường PG Số lần tác dụng tải của bánh xe thí nghiê ̣m

đa ̣t được LVBX 12, 5 mm

Tại châu Âu, thí nghiê ̣m Hamburg Wheel-Tracking thường áp du ̣ng với mẫu trong môi trường không khí, ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ 600C Khác với quy đi ̣nh của Mỹ (Bảng 1-1), tiêu chuẩn châu

Âu (EN 13108-4) [32] không quy định “cứng” về giới ha ̣n đô ̣ sâu LVBX mà đưa ra các cấp (ngưỡng) đô ̣ sâu LVBX (nhỏ hơn hoă ̣c bằng 3 mm, 5 mm, 7 mm, 9 mm, 11 mm, 13 mm, 16

mm) Ứng vớ i các cấp lưu lượng khác nhau, với tốc đô ̣ dòng xe lưu thông áp du ̣ng cho dự án cu ̣ thể, chủ đầu tư, tư vấn thiết kế sẽ lựa cho ̣n các cấp đô ̣ sâu LVBX giới ha ̣n để thiết kế Nhà thầu sẽ lựa cho ̣ cốt liệu, nhựa đường (nhựa đường thường hoă ̣c nhựa đường polime) để chế ta ̣o BTN thỏa mãn cấp LVBX đã quy đi ̣nh

Đánh giá : Phương pháp thí nghiê ̣m Hamburg Wheel-Tracking được này áp du ̣ng khá

phổ biến trên thế giới do: giá thành thiết bi ̣ không cao, thao tác thí nghiê ̣m không phức ta ̣p, đã được nhiều bang nước Mỹ, nhiều nước châu Âu sử du ̣ng để nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của vâ ̣t liê ̣u BTN đến LVBX Tiêu chuẩn đánh giá LVBX của Bang Texas và Colorado theo phương pháp này được nhiều nước chấp thuận áp du ̣ng và hiê ̣n nay Viê ̣t Nam

cũng sử du ̣ng phương pháp này để đánh giá LVBX cho BTN tại Quyết định số BGTVT, ngày 29/4/2014 “Quy định kỹ thuật về phương pháp thử độ sâu lún vệt bánh xe của bê tông nhựa xác định bằng thiết bị Wheel tracking” (QĐ 1617/QĐ-BGTVT) [4] (3) French Pavement Rutting (FRT) :

1617/QĐ-Thiết bị French Pavement Rutting (FRT) do Trung tâm nghiên cứu cầu đường Pháp (LCPC) nghiên cứu và phát triển

Phương pháp thí nghiê ̣m FRT có đă ̣c thù là: sử du ̣ng bánh xe gia tải bằng cao su; mẫu BTN thí nghiê ̣m trong môi trường không khí, nhiê ̣t đô ̣ thí nghiê ̣m 60 0C

Các thông số kỹ thuâ ̣t điển hình của thí nghiê ̣m FRT [33] như sau:

- Mẫu BTN thí nghiệm: dạng tấm hình chữ nhật 50 cm x 18 cm ; dày từ 20 mm đến

100 mm được đầm nén đa ̣t được đô ̣ rỗng dư theo quy đi ̣nh;

- Tải trọng bánh xe : 5000 N; áp suất bánh xe: 0,6 MPa;

- Độ rỗng dư của mẫu BTN: theo thiết kế hỗn hợp BTN

Tiêu chuẩn độ sâu LVBX theo phương pháp FRT (NF EN 13108-1:2010) [34] với BTN phải nhỏ hơn hoă ̣c bằng các giá tri ̣ tương ứng với các loa ̣i BTN (≤10%; ≤ 7,5% và ≤ 5% chiều dày mẫu BTN) ứng với số chu kỳ gia tải tương ứng (thường là 30 000 chu kỳ) Căn cứ vào chuẩn LVBX này, các dự án sẽ thiết kế lựa cho ̣n loa ̣i nhựa đường (nhựa thường hoặc nhựa đường polime), lựa cho ̣n cốt liê ̣u để thiết kế BTN phù hợp

Đánh giá: Mă ̣c dù phương pháp FRT có ưu điểm là sử du ̣ng bánh xe cao su, mô

phỏng tương tự với bánh xe ô tô tác đô ̣ng lên đường, tuy nhiên, do giá thành thiết bi ̣ FRT khá đắt, nên chỉ sử du ̣ng phổ biến ta ̣i Pháp

(4) Asphalt Pavement Analyzer (APA) :

Phương pháp này được nghiên cứu và phát triển tại Bang Georgia (Mỹ) và thường được sử dụng chủ yếu tại Mỹ theo AASHTO T 340-10 (2015) [35]

Phương pháp thí nghiê ̣m APA có đă ̣c thù là sử du ̣ng ống cao su để truyền áp lực từ

bánh xe gia tải bằng thép xuống mẫu BTN; mẫu BTN thí nghiê ̣m trong môi trường không khí, nhiê ̣t đô ̣ thí nghiê ̣m 64 0C (tương đương với mác nhựa đường PG 64)

Các thông số kỹ thuâ ̣t điển hình của thí nghiê ̣m APA [31] như sau:

- Kích thước mẫu BTN: 2 mẫu tru ̣ có đường kính 150 mm (dầy 75 mm) được gia công

và ghép lại thành hình số 8;

- Tải trọng bánh xe : 4450 N; Áp suất trong ống cao su 70035 KPa

- Nhiệt đô ̣ thí nghiê ̣m : thông thường quy đi ̣nh ta ̣i 64 0C (tương ứng với mác nhựa PG 64), tuy nhiên khuyến nghi ̣ thí nghiê ̣m với nhiê ̣t đô ̣ tương ứng với mác nhựa PG khác (PG 70; PG 76)

- Độ rỗng dư của mẫu BTN : 4% (đô ̣ rỗng thiết kế BTN)

Trong quá trình thí nghiê ̣m, xác đi ̣nh chiều sâu LVBX với các chu kỳ gia tải : 40, 100,

1000, 4000 và 8000 lần để đánh giá LVBX

LVBX cho BTN theo phương pháp này được đánh giá ứng với cấp lưu lượng xe (Bảng 1-2) Tuy nhiên theo Báo cáo NCHRP 673 [31] khuyến nghi ̣ các bang nước Mỹ có thể có những nghiên cứu riêng để điều chỉnh tiêu chuẩn này cho phù hợp

Bảng 1-2: Qui định độ sâu LVBX ứng với cấp lưu lượng theo phương pháp APA [31]

Cấp lưu lượng xe-ESAL (triệu tru ̣c xe) Chiều sâu LVBX lớn nhất (mm)

Đánh giá: Mă ̣c dù phương pháp APA có ưu điểm là sử du ̣ng ống cao su, nhằm mô

phỏng tương tự như bánh xe ô tô tác đô ̣ng lên đường, tuy nhiên, do giá thành thiết bi ̣ APA khá đắt, nên chỉ được sử du ̣ng ta ̣i mô ̣t số bang nước Mỹ

1.2.3.2 Ca ́ c phương pháp thí nghiê ̣m theo Nhóm 2

(1) Thí nghiê ̣m cắt mẫu bê tông nhựa SST (Superpave Shear Tester) :

Đây là sản phẩm của chương trình nghiên cứu chiến lược đường ôtô SHRP [5] , sử dụng để đo các đặc tính biến da ̣ng vĩnh cửu hỗn hợp BTN khi thiết kế, nhằm tính toán và

dự báo đặc tính cơ học của mặt đường

SST bao gồm một hệ thống thủy lực có thể tạo ra các lực dọc trục, lực cắt và áp lực không nở hông trên các mẫu BTN ở các nhiệt độ khống chế Để đánh giá và tính toán biến dạng vĩnh cửu của BTN khi sử dụng thiết bị này cần phải tiến hành 3 thí nghiệm: thí nghiệm cắt đơn giản tại chiều cao không đổi (SSCH), thí nghiệm từ biến tại chiều cao không đổi (FSCH) và thí nghiệm cắt trùng phục tại chiều cao không đổi (RSCH)

Theo quy đi ̣nh trước đây của Superpave, mẫu BTN thiết kế thỏa mãn yêu cầu khi biến

dạng của mẫu BTN đo được theo SST nhỏ hơn hoă ̣c bằng 10 mm Tuy nhiên hiê ̣n nay tiêu chuẩn này không được Superpave khuyến nghi ̣ áp du ̣ng

Đánh giá : Phương pháp SST sử du ̣ng thiết bi ̣ đắt tiền, kết quả thí nghiê ̣m chưa mô

phỏng đúng điều kiê ̣n là viê ̣c của mă ̣t đường BTN dưới tác đô ̣ng của tải trong trùng phu ̣c

củ a xe cha ̣y nên hầu như ít được áp du ̣ng hiê ̣n nay ta ̣i nhiều bang nước Mỹ

(2) Thí nghiệm cắt NAT (Nottingham Asphalt Tester) :

Đây là bộ thiết bị thí nghiệm do Trường đại học Nottingham (Vương quốc Anh) và hãng Cooper nghiên cứu chế tạo trên cơ sở nguyên lý của SHRP [6] nhưng đã được đơn giản hóa các thông số thí nghiệm cho phù hợp với người sử dụng và giá thành sản xuất Thiết bị này có thể sử dụng để đo được môđun độ cứng, đặc tính biến dạng vĩnh cửu và nứt mỏi của hỗn hợp BTN Đặc tính biến dạng vĩnh cửu được xác định trên cơ sở thí nghiệm từ biến động (RLA test) theo nguyên lý: tác động lên mẫu thí nghiệm xung tải trọng với số lượng xung, ứng suất trục lớn nhất và nhiệt độ thí nghiệm được lựa chọn theo qui định Biến dạng dọc trục tại cuối quá trình thí nghiệm được đo đạc và đánh giá làm biến dạng vĩnh cửu của hỗn hợp BTN Hiện nay Viện Khoa học và Công nghệ GTVT và Trường Đại học GTVT cũng đang sở hữu bộ thiết bị thí nghiệm NAT

Đánh giá: Phương pháp NAT, tương tự như phương pháp SST, có giá thành thiết bị

đắt tiền, chưa mô phỏng đúng điều kiê ̣n làm viê ̣c của mă ̣t đường BTN dưới tác đô ̣ng của tải trọng trùng phu ̣c xe cha ̣y nên hầu như ít được áp du ̣ng trên thế giới

(3) Thí nghiệm theo phương pháp của CHLB Nga :

Nguyên lý: đánh giá khả năng kháng LVBX của BTN trên cơ sở xác định góc nội ma sát φ và lực dính C của mẫu theo tiêu chuẩn СТП 007-97 [58]

Các mẫu BTN được chế bị có đường kính và chiều cao là 71,4 mm theo tiêu chuẩn ГОСТ 12801-84 [59]

Trước khi thí nghiệm, các mẫu được ngâm trong nước ở nhiệt độ 50 0C trong 1 giờ Sau đó 1/2 số mẫu sẽ dùng để thí nghiệm nén dọc trục và 1/2 số mẫu còn lại dùng để thí nghiệm nén theo đường sinh

Mỗi mẫu thí nghiệm nén dọc trục và thí nghiệm nén theo đường sinh xác định được mức biến dạng của mẫu tại thời điểm bị phá hoại được tính theo công thức:

2

Pl

A  (1.2) Trong đó:

A: là mức biến dạng của mẫu tại thời điểm bị phá hoại (J);

P: là lực tại thời điểm mẫu bị phá hoại (kN);

Trong đó: Am và Ac là mức biến dạng trung bình của mẫu thí nghiệm tương ứng khi nén dọc trục và nén theo đường sinh (J);

Lực dính Cл được tính toán theo công thức sau:

1(3 2 )

6

C   tg R (1.4)

Trong đó: RC là cường độ nén của BTN

Theo nguyên lý của phương pháp này, biến dạng dẻo của BTN chịu tác động của tải trọng giao thông (LVBX) sẽ không xảy ra nếu ứng suất cắt trong lớp BTN đó không vượt quá khả năng chịu cắt trung bình của vật liệu BTN đó:

доп   (1.5)

Trong đó:

τдоп: là ứng suất cắt cho phép của BTN (MPa);

τф: là ứng suất cắt lớn nhất thực tế từ bánh xe, được xác định theo bài toán hệ đàn hồi nhiều lớp (MPa);

Khả năng chịu cắt dẻo của BTN được xác định theo công thức Coulomb:

τдоп= p tgφ+C (1.6) Trong đó:

p: là ứng suất chính trong một lớp với tải trọng thiết kế (MPa);

C: là lực dính của BTN tương ứng với điều kiện làm việc của mặt đường (MPa); tgφ: là hệ số góc nội ma sát trong của BTN

Các thông số tính toán theo công thức (1.6) được xác định theo theo tiêu chuẩn ГОСТ 12801-84 [59]

Đánh giá: Bản chất của phương pháp thí nghiệm này là xác định tải trọng lớn nhất và

các biến dạng giới hạn tương ứng của các mẫu tiêu chuẩn có cùng kích thước trong 2 trạng thái ứng suất – biến dạng chịu nén dọc trục và nén theo đường sinh Do mẫu BTN để thí nghiệm là mẫu nhỏ (có đường kính và chiều cao là 71,4 mm); thí nghiê ̣m mô ̣t lần (không

lặp) đến khi phá hoa ̣i mẫu; cần sử du ̣ng nhiều hệ số thực nghiệm được xác định tùy theo từng điều kiện cụ thể, vì vậy khi áp dụng tại Việt Nam cần phải được xem xét, nghiên cứu thêm

1.2.4 Ca ́ c phương pháp dự báo lún vệt bánh xe

1.2.4.1 Phương pháp đánh giá tuổi thọ kết cấu mặt đường thông qua tiêu chuẩn LVBX

Quan hệ giữa tuổi thọ do LVBX kết cấu Nf2 (lần) với biến dạng nén thẳng đứng trên đỉnh nền đường c (m/m) được thể hiện theo công thức (1.7) Tiêu chuẩn giới hạn LVBX phải nhỏ hơn 0,4 – 0,5 inch (1,27cm)

Nf2  f4( ) c f5 (1.7)

Trong đó:

Nf2 : là tuổi thọ do LVBX kết cấu;

c : là biến dạng nén thẳng đứng trên đỉnh nền đường;

f4, f5, : là các hệ số hồi qui phụ thuộc vào loại vật liệu, môi trường tác dụng, điều kiện tải trọng và giới hạn mức độ phá hoại

Các hệ số hồi qui có thể được xác định theo các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Bảng 1-3 tổng hợp các hệ số hồi quy theo những nghiên cứu được công bố [36]

Bảng 1-3: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại LVBX [36]

3 US Army Corps of Engineers 1.807x10-15 6.527 0.5 in

4 Transport and Road Research Laboratory 1.130x10-6 3.570 0.5 in

5 UK Transport & Road Research

Laboratory – R=85%

6.180x10-8 3.950 0.4 in

6 Belgian Road Research Center 3.050x10-9 4.350 0.4 in

1.2.4.2 Phương pháp thiê ́t kế cơ học - thực nghiệm

Phương pháp thiết kế cơ học - thực nghiệm - M-E (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide) của Mỹ [37] đã đưa ra phương pháp dự báo LVBX với các lớp BTN, các lớp

mó ng và nền đường có xem xét đến tải tro ̣ng tru ̣c xe, các đă ̣c tính cơ ho ̣c của vâ ̣t liê ̣u BTN,

vật liê ̣u móng và nền đường Phương pháp thiết kế M- E đang được thế giới quan tâm và áp

RD =  ε h

(1.8) Trong đó:

RD: là LVBX của toàn bộ kết cấu mặt đường;

nsublayers: là số lượng các lớp kết cấu;

i

p: là tổng các biến dạng dẻo (strain) trong lớp dưới thứ I;

hi: là chiều dầy của lớp dưới thứ i

Trong tính toán dự báo LVBX theo phương pháp thiết kế M- E, giá trị LVBX của toàn

bộ kết cấu mặt đường có giới hạn qui định là 0,39 in (10 mm)

Đối với hỗn hợp BTN, tương quan thực nghiệm giữa tổng biến da ̣ng dẻo tích lũy với

số lần lă ̣p của tải tro ̣ng, nhiê ̣t đô ̣ được biểu thi ̣ ta ̣i công thức (1.9)

p: là biến dạng dẻo tích lũy (LVBX) tại số lần lặp thứ N của tải trọng (in/in);

r: là biến dạng đàn hồi của vật liệu nhựa, được xác định là một hàm của đặc tính hỗn hợp, nhiệt độ và tỷ lệ thời gian tác dụng tải trọng (in/in)

k1: là hàm của tổng chiều dầy các lớp nhựa (hac, in) và chiều sâu (depth, in) tới điểm tính toán Hệ số này dùng để hiệu chỉnh áp lực không nở hông tại các chiều sâu khác nhau;

Từ công thức (1.8) và (1.9) cho thấy: LVBX (RD) là hàm của tải tro ̣ng xe, số lần lă ̣p

củ a tải tro ̣ng xe; tổng chiều dầy kết cấu, đă ̣c tính biến da ̣ng của lớp bê tông nhựa; chiều dầy

lớ p bê tông nhựa; nhiê ̣t đô ̣ môi trường

1.2.4.3 Phương pháp của chương trình nghiên cứu chiến lược đường ô tô SHRP

Mỗi dạng LVBX được theo dõi, đánh giá và số liệu thu được sẽ được xử lý bằng kỹ thuật hồi quy tuyến tính để xác định sự khác nhau giữa các loại tổ hợp kết cấu mặt đường

và các điều kiện của hiện trường thử nghiệm Kết quả nghiên cứu là các phương trình hồi quy chỉ ra quan hệ giữa LVBX với các biến số độc lập là chiều dày lớp mặt đường (TS), vùng nhiệt độ (C), điều kiện độ ẩm (M), và mô đun mặt đường (ES) Phân loại các dạng LVBX để theo dõi phát triển hư hỏng mặt đường [38]

1.2.4.4 Phương pháp của Shell sử dụng tiện ích SPDM

Chương trình SPDM là chương trình độc lập dùng để tính toán LVBX xảy ra trong lớp BTN Vệt lún sâu bao gồm cả lún lớp móng và nền đường sẽ không tính toán được bằng chương trình này Phần lún do biến dạng không hồi phục của đất nền trong trường hợp tính toán này được xem như là không đáng kể

Đánh giá: Nhìn chung, các phương pháp dự báo LVBX nêu trên đều có điểm chung,

đưa ra quan hê ̣ giữa : kết cấu mặt đường ; vật liệu móng, mặt đường ; điều kiện giao thông ; điều kiện môi trường ;…với LVBX dự báo Các phương pháp dự báo LVBX thường chỉ áp

dụng với da ̣ng LVBX do kết cấu (Hình 1-4)

1.2.5 Các phương pháp xác định lún vệt hằn bánh xe ngoài hiện trường

1.2.5.1 Phương pháp đo đạc mặt cắt ngang mặt đường (Transverse Surface Profile)

Trong chương trình nghiên cứu NCHRP số 468 [39] đã đưa ra phương pháp xác định chiều sâu vệt hằn bánh xe và dự báo mức độ hư hỏng mặt đường thông qua các số liệu đo đạc mặt cắt ngang mặt đường (Transverse Surface Profile) và sử dụng phần mềm PAAP (Pevement Analysis Assistant Program) để tính toán

1.2.5.2 Phương pháp sử dụng thước đo theo ASTM E1703/E1703M

Phương pháp này được thực hiện theo ASTM E1703/E1703M [40] bằng cách đặt thước đo vuông góc với vệt hằn bánh xe và vuông góc với hướng xe chạy, tránh những vị trí tiếp xúc không liên tục như ổ gà,…Đo khoảng cách giữa đáy thước và mặt đường, từ đó xác định độ sâu LVBX lớn nhất Vị trí và số lượng điểm đo được xác định theo mức độ chính xác của số liệu đo hoặc theo yêu cầu đặt ra

Phương pháp này đơn giản, thiết bị dễ chế tạo nên được áp dụng phổ biến tại nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam

1.2.5.3 Phương pháp sử dụng thiết bị laser để đo lún vệt hằn bánh xe

Tại một số nước trên thế giới hiện nay, để nâng cao năng suất đo và tăng độ chính xác của kết quả đo khi đo LVBX trên mặt đường, nhiều nước đã sử dụng các thiết bị hiện đại với công nghệ laser để đo đạc Điển hình nhất hiện nay trong các công nghệ dùng laser để

đo LVBX trên mặt đường đó là công nghệ của Australia

Đánh giá: Hiện nay trên thế giới tại các nước phát triển thường sử dụng phương pháp

hiện đại (như thiết bị laser) để đo lún vệt bánh xe Tuy nhiên với kinh phí đầu tư trang thiết

bị còn hạn chế, một số nước đang phát triển (trong đó có Việt Nam) thường lựa chọn phương pháp đơn giản (như phương pháp sử dụng thước đo) để đo lún vệt bánh xe ngoài hiện trường

1.3 Nư ́ t do mỏi

1.3.1 Kha ́ i niê ̣m

Nứ t do nhiê ̣t (nhiê ̣t đô ̣ thấp) thường xuất hiê ̣n vào mùa la ̣nh, nhiê ̣t đô ̣ rất thấp (âm) Do

đă ̣c thù điều kiê ̣n khí hâ ̣u Viê ̣t Nam không xuất hiê ̣n nhiê ̣t đô ̣ quá thấp (âm) nên luận án không đi sâu nghiên cứu về nứt do nhiê ̣t

Tương tự như hiê ̣n tượng LVBX, nứt do mỏi của BTN xảy ra là do tác đô ̣ng của của

tải tro ̣ng trùng phu ̣c gây ra trong quá trình khai thác Khi ứng suất kéo uốn do tải trọng trùng phục gây ra trong lớp vật liệu BTN lớn hơn cường đô ̣ kéo uốn của vật liệu BTN, mă ̣t đường BTN xuất hiê ̣n nứt do mỏi

Nứ t do mỏi thường xảy ra vào mùa có nhiê ̣t đô ̣ môi trường trung bình (nhiê ̣t đô ̣ trung gian giữa nhiê ̣t đô ̣ cao nhất và thấp nhất xảy ra trong năm), trong khi LVBX thường xảy ra khi nhiệt đô ̣ môi trường cao Ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ trung gian, BTN có xu hướng cứng hơn và giòn hơn so với khi nhiê ̣t đô ̣ cao nên dưới tác đô ̣ng của tải tro ̣ng lă ̣p, BTN có xu hướng bi ̣ nứt do

mỏ i Vết nứt đầu tiên hình thành trong BTN thường rất nhỏ, khó nhâ ̣n biết Dưới tác đô ̣ng

củ a tải tro ̣ng trùng phu ̣c, những vết nứt nhỏ sẽ dần phát triển về kích thước và số lượng cho đến khi thành các vết nứt lớn hơn nhiều, và cuối cùng hình thành hê ̣ vết nứt mỏi điển hình

dạng "da cá sấu" (Hình 1-8)

Hình 1-8: Hư hỏng nứt mỏi mặt đường BTN điển hình trên Quốc lộ 5

Nứt mỏi là một trong các tiêu chuẩn quan trọng nhất để xác định tuổi thọ của kết cấu

áo đường mềm Nứt mỏi của mặt đường BTN là dấu hiệu chỉ báo mặt đường đã chịu tới số lần tải trọng trục thiết kế tính toán, đã đến thời điểm có các hoạt động cải tạo, nâng cấp phù hợp Nứt mỏi thông thường xuất hiện ở cuối thời kỳ thiết kế, được xem như là hiện tượng phát triển tự nhiên theo đúng quá trình thiết kế Nứt mỏi có thể xảy ra sớm và từ nhiều nguyên nhân khác nhau hoặc tổ hợp của nhiều nguyên nhân như: do tải trọng nặng tác dụng trùng phục nhiều lần, do mặt đường được thiết kế với chiều dày không đủ, do chất lượng của hỗn hợp BTN kém, do thoát nước nền - mặt đường kém, do các lớp phía dưới yếu [28]

1.3.2 Phương pha ́ p thí nghiê ̣m mỏi BTN theo mô hình uốn dầm 4 điểm

Mặc dù có nhiều mô hình nghiê ̣m mỏi BTN được phát triển trên thế giới như:

- Mô hình uốn dầm, bao gồm các phương pháp: thí nghiê ̣m uốn dầm 2 điểm, uốn dầm

3 điểm, uốn dầm 4 điểm, uốn dầm 5 điểm và uốn dầm trên nền đàn hồi [7]

- Mô hình kéo (nén), bao gồm các phương pháp: kéo (nén) mẫu đúng tâm do ̣c tru ̣c, ép chẻ (kéo gián tiếp), kéo (nén) lê ̣ch tâm [7]

Tuy nhiên hiê ̣n nay, phương pháp thí nghiê ̣m mỏi BTN theo mô hình uốn dầm 4 điểm (4PBT - Four Point Bending Test) được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới Vì vâ ̣y, luâ ̣n án chỉ tâ ̣p trung phân tích thí nghiê ̣m mỏi theo mô hình uốn dầm 4 điểm

1.3.2.1 Ba ̉n chất của phương pháp thí nghiê ̣m mỏi uốn dầm 4 điểm

Mô hình uốn dầm 4 điểm nhằm xác định mối quan hệ giữa độ bền mỏi với ứng suất hoặc biến dạng của mẫu dầm tiêu chuẩn dưới tác dụng của tải trọng lặp, phổ biến là tải trọng hình sin, và được qui định ta ̣i ASTM D7460 – 10 (AASHTO T 321) [41]

Để thí nghiệm mỏi cho BTN nóng hiện nay, trên thế giới chỉ áp dụng phương pháp thí nghiệm dẩm 4 điểm theo ASTM D7460 – 10 (AASHTO T 321) Mẫu thí nghiệm BTN là dầm có chiều dài 380 mm, chiều rộng 63 mm và chiều cao 50 mm khí thí nghiệm trong điều kiện khống chế biến dạng Các mẫu dầm này được chế bị bằng cách đầm mẫu bằng thiết bị đầm lăn hoặc thiết bị đầm Kneading, sau đó mẫu được cắt gọt theo kích thước qui định và tiến hành thí nghiệm trên thiết bị như Hình 1-9

Hình 1-9: Thiết bị thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm điển hình [42]

Trong quá trình thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm, mẫu dầm thí nghiệm sẽ bị tác dụng tải trọng lặp và sẽ bị phá hoại dần tới khi bị phá hoại hoàn toàn Sự phá hoại này sẽ làm giảm dần mô đun độ cứng của dầm Thông thường mẫu dầm sẽ bị phá hoại khi mô đun độ cứng giảm đi 50% giá trị ban đầu Số chu kỳ tải trọng được tác dụng lên mẫu trong khoảng

từ 1000 đến 10.000.000 hoặc lớn hơn Kết quả thí nghiệm mỏi thường được thể hiện qua biểu đồ quan hê ̣ giữa biến dạng và số chu kỳ tải trọng tác dụng (S – N), trong đó trục tung biểu thị biến dạng (S) và trục hoành biểu thị số chu kỳ tải trọng tác dụng (N) tới khi mẫu phá hoại Hình 1-10 thể hiện biểu đồ S – N điển hình của BTN từ các kết quả thí nghiệm trong phòng

Nhìn chung đường quan hệ S – N của BTN yêu cầu thí nghiệm dầm uốn 4 điểm tại các mức biến dạng khác nhau Do thí nghiệm mỏi có kết quả biến thiên lớn nên ứng với mỗi

mức biến dạng đòi hỏi phải có tập mẫu thí nghiệm phù hợp Trong thí nghiệm mỏi, nhiều thông số ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi của BTN, điển hình là hàm lượng nhựa tính theo thể tích nhựa trong hỗn hợp (Vb), độ rỗng cốt liệu (VMA) và độ rỗng dư (Va)

Trên thế giới hiện nay, nhìn chung trong các phương pháp thiết kế bê tông nhựa, độ bền mỏi chưa có qui định rõ ràng chỉ tiêu giới hạn mà được lựa chọn tùy từng trường hợp

cụ thể để đánh giá chất lượng BTN

Hình 1-10: Biểu đồ thí nghiệm mỏi S – N của BTN [31]

1.3.2.2 Nhiê ̣t độ thí nghiê ̣m mỏi

Theo Deacon et al (1994); Stuart et al (2002), lớp BTN trong kết cấu áo đường mềm

có biểu hiện mỏi hoặc suy giảm độ cứng dưới tác dụng của tải trọng lặp trong khoảng nhiệt

độ từ 10 0C đến 30 0C [7]

Trong tiêu chuẩn ASTM D7460-10 [41] có khuyến cáo, nhiệt độ thí nghiệm độ bền mỏi thường được lấy là 20 0C (đây là nhiệt độ cực hạn được lựa chọn cho hầu hết các vùng của nước Mỹ, trong đó có các bang khu vực phía Nam nước Mỹ như: Arkansas, Louisiana, Mississippi, Oklahoma và Texas có khí hậu khá tương đồng với khí hậu Việt Nam)

Theo kết quả nghiên cứu của Chương trình SHRP [5] , nhiệt độ thí nghiệm độ bền mỏi được tính theo công thức sau:

Teff (FC) = 0,8 (MAPT) – 2,7 (1.10) Trong đó:

Teff (FC) : Nhiệt độ sử dụng cho thí nghiệm độ bền mỏi tính theo (0C);

MAPT : Nhiệt độ mặt đường trung bình năm (0C);

MAPT được tính toán theo công thức:

MAPT = T20mm = Tair – 0,00618 (lat2) + 0,2289 (lat) + 42,2 (0,9545) – 17,78 (1.11)

T20mm : là nhiệt độ tại chiều sâu 20 mm tính tử bề mặt mặt đường (0C);

Số chu kỳ tới khi phá hoại mẫu

Tair : là nhiệt độ không khí trung bình nằm (0C);

lat : là vĩ độ của khu vực dự án (độ)

Công thức (1.10) cũng được sử dụng trong ASTM D7460-10 [41]

1.3.2.3 Tâ ̀n số tải thí nghiê ̣m mỏi

Sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu có tác dụng tương tự như thay đổi tốc độ đặt tải tác dụng lên vật liệu đó [7] Tần số tải được áp dụng cho mặt dưới lớp BTN thông qua chiều dài tiếp xúc của lốp xe a (cm), bề dày lớp asphalt h (cm) và tốc độ xe chạy và góc phân bố tải trọng 0 (Hình 1-11, Bảng 1-4)

Hình 1-11: Mô hình tính tần số tải thí nghiệm [7]

Trong đó:

a : chiều dài vùng tiếp xúc của lốp xe, a = 10 ÷ 40 (cm);

h : bề dày lớp bê tông asphalt, h = 5 ÷ 40 (cm);

Theo đề xuất của Shell (1978) thời gian tác dụng tải 0,02 giây, tương ứng với tần số là

8 Hz [7] đại diện cho tốc đô ̣ xe chạy từ 48 km/h đến 64 km/h,

Theo khuyến cáo trong tiêu chuẩn ASTM D7460-10 [41] tần số tải thí nghiệm thường được đặt trong phạm vi từ 5 Hz đến 10 Hz và thông thường lấy với tần số 10 Hz

1.3.2.4 Chế độ thí nghiệm mo ̉i

Thí nghiệm mỏi thường được thực hiện theo các chế độ khống chế ứng suất (ứng suất không đổi) và khống chế biến dạng (biến dạng không đổi) dưới tác dụng của tải trọng:

(1) Khống chế ứng suất (ứng suất không đổi): Duy trì một trị số ứng suất không đổi,

đồng nghĩa với một lực sẽ tác dụng lặp lại lên mẫu cho đến khi mẫu bị phá hoại Ở chế độ khống chế ứng suất, ứng suất được duy trì cố định, khi đó biến dạng sẽ phải thay đổi Chế

độ khống chế ứng suất thiên về dạng vật liệu cứng hơn (hoặc chiều dày asphalt lớn) [7]

(2) Khống chế biến dạng (biến dạng không đổi): Ở chế độ khống chế biến dạng, biến

dạng được duy trì ở một giá trị không đổi, khi đó ứng suất sẽ thay đổi Chế độ thí nghiệm khống chế biến dạng thiên hướng cho vật liệu mềm (chiều dày lớp asphalt mỏng) Qua các nghiên cứu trên thế giới [7] chế độ khống chế biến dạng thường được sử dụng rộng rãi hơn

vì có kết quả phù hợp với thực tế khai thác, nhất là khi mặt đường có chiều dầy lớp BTN nhỏ hơn 125mm (chế độ khống chế ứng suất phù hợp khi mặt đường có chiều dầy lớp BTN lớn hơn 125mm) [7]

Với thí nghiệm khống chế biến dạng, ở mức biến dạng nhỏ có thể mẫu sẽ không bị phá hoại Vậy nên điều kiện kết thúc thí nghiệm là vấn đề quan trọng cần phải xem xét Khống chế ứng suất thì thí nghiệm được tiếp tục cho đến khi mẫu dầm thực sự bị phá hoại Nhưng với chế độ khống chế biến dạng, hư hỏng sẽ khó xác định hơn bởi với một mức biến dạng không đổi đặt lên mẫu dầm, ứng suất trong dầm liên tục bị suy giảm Kết quả mẫu dầm thí nghiệm không bao giờ phá hoại thực sự đặc biệt là với những biến dạng nhỏ.Vì vậy ở chế

độ khống chế biến dạng, phá hoại thường được xác định tại điểm mà ở đó ứng suất hoặc độ cứng đạt đến một giá trị định trước, thông thường là 50% giá trị ban đầu [7]

1.3.3 Phương pha ́ p dự báo tuổi thọ mỏi của bê tông nhựa

Các kết quả nghiên cứu về mỏi BTN trên thế giới đều chỉ ra được mối tương quan giữa biến dạng/ứng suất với số lần tác dụng của tải trọng làm phá hoại vật liệu Những kết quả đó được ứng dụng để lựa chọn kết cấu áo đường có lớp BTN đảm bảo tuổi thọ mỏi Tuổi thọ mỏi của lớp BTN được tính bằng số lần tác dụng của tải trọng Nf (lần) với biến dạng kéo theo phương ngang lớn nhất ở đáy lớp BTN t (m/m) và mô đun đàn hồi E1

của BTN (MPa) theo công thức (1.12)

Tiêu chuẩn về tuổi tho ̣ mỏi của lớp BTN được quy đi ̣nh khi diện tích phần bị nứt mỏi giớ i ha ̣n từ 10-20 % diện tích mặt đường

2 3

N  f   E  (1.12) Trong đó:

Nf : là tuổi thọ mỏi của lớp BTN;

t : là biến dạng kéo theo phương ngang lớn nhất ở đáy lớp BTN;

E1 : là mô đun đàn hồi của BTN;

f1, f2, f3 : là các hệ số hồi qui phụ thuộc vào loại vật liệu, môi trường tác dụng, điều kiện tải trọng và giới hạn mức độ phá hoại

Các hệ số hồi qui có thể được xác định theo các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Bảng 1-5 tổng hợp các hệ số hồi quy theo những nghiên cứu được công bố [36]

Bảng 1-5: Các hệ số hồi quy theo mô hình phá hoại mỏi [36]

8 Austin Research Engineers 9,73x10-15 5,16 0

1.4 Ca ́ c yếu tố ảnh hưởng đến lún vệt bánh xe và nứt mỏi của bê tông nhựa

Các yếu tố ảnh hưởng đến LVBX và nứt mỏi của BTN được thế giới tổng kết phân thành hai nhóm:

- Nhó m liên quan đến BTN bao gồm: cốt liê ̣u (cốt liê ̣u thô – đá dăm, cốt liê ̣u mi ̣n –

cát); nhựa đường; thiết kế thành phần BTN; thi công lớp BTN

- Nhó m liên quan đến lưu lượng xe, tải tro ̣ng xe, nhiê ̣t đô ̣ môi trường

Các yếu tố ảnh hưởng LVBX và nứt mỏi của BTN được phân tích chi tiết dưới đây

1.4.1 Ảnh hươ ̉ ng của các yếu tố liên quan đến BTN

Theo kết quả nghiên cứu của NCHRP Report 673 [31] Các yếu tố liên quan đến BTN

có ảnh hưởng đến LVBX và nứt do mỏi của BTN được tóm tắt ta ̣i Bảng 1-6

Dựa vào Bảng 1-6 tiến hành phân tích chi tiết các yếu tố tố liên quan đến BTN ảnh hưởng đến LVBX và mỏi của BTN

1.4.1.1 Ảnh hươ ̉ ng của nhựa đường

Đô ̣ cứng (stiffness) hay chính xác hơn là mô đun đô ̣ cứng (stiffness modulus) của nhựa đường ảnh hưởng đáng kể đến LVBX và nứt mỏi của BTN Nhựa đường có đô ̣ cứng lớn hơn sẽ có khả năng kháng LVBX cao hơn, nhưng khả năng kháng mỏi thấp hơn so với nhựa đường có đô ̣ cứng nhỏ hơn

Vớ i nhựa đường phân theo mác đô ̣ kim lún, nhựa đường 40/50 có độ cứng lớn hơn so

vớ i nhựa đường 60/70

Bảng 1-6: Các yếu tố ảnh hưởng đến LVBX và mỏi của của BTN [31]

Khả năng kháng nứt

do mỏi

Đô ̣ bền/ khả

năng kháng thấm nước

Khả năng kháng phá hoại do ẩm

Tăng cấp nhiệt độ cao

của nhựa đường PG

Tăng độ cứng

(Stiffness) của nhựa

đường PG ta ̣i nhiê ̣t đô ̣

khoáng và/hoă ̣c tăng

tỷ lê ̣ bô ̣t khoáng/ nhựa

Tăng mức đầm nén

khi thiết kế hỗn hợp

dính C lớn hơn nhiều so với nhựa đường thường, vì vâ ̣y BTN sử du ̣ng nhựa đường polime

sẽ cải thiê ̣n khả năng kháng LVBX cũng như kháng mỏi hơn hẳn BTN sử du ̣ng nhựa thường Tiêu chuẩn nhựa đường theo cấp đă ̣c tính PG của SuperPave (AASHTO M320-10) [44] có ưu điểm hơn hẳn so với tiêu chuẩn phân loa ̣i nhựa đường theo đô ̣ kim lún hoă ̣c theo

đô ̣ nhớt là đã xem xét ảnh hưởng LVBX và nứt do mỏi của BTN Thí nghiê ̣m cắt đô ̣ng lưu biến DSR để xác đi ̣nh mô đun phức G* và góc pha δ của nhựa đường; qua đó xác đi ̣nh được G*/sinδ biểu thị khả năng kháng LVBX và G*.sinδ biểu thi ̣ khả năng kháng nứt mỏi

Chi ̉ tiêu đánh giá

LVBX G*/sinδ tại nhiê ̣t

đô ̣ cao

≥ 1,00 kPa với nhựa đường gốc

≥ 2,20 kPa với nhựa đường hóa già theo RTFOT

Nứ t mỏi G*sinδ tađô ̣ trung bình ̣i nhiê ̣t ≤ 5,00 MPa với nhựa đường đã hóa già theo PAV Tiêu chuẩn nhựa đường PG đưa ra chỉ tiêu đánh giá khả năng kháng LVBX và kháng

mỏ i của nhựa đường qua thí nghiê ̣m DSR (Bảng 1-7)

Dưới đây, dựa vào tiêu chuẩn phân loa ̣i nhựa đường PG để phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến ảnh hưởng đáng kể đến LVBX và nứt mỏi của BTN trong Bảng 1-7

(1) Ảnh hưở ng của cấp nhiệt độ cao nhựa đường PG:

Nhựa đường phân theo mác PG được ký hiê ̣u là PG xx-yy, trong đó xx là cấp nhiê ̣t đô ̣ cao nhất của mă ̣t đường , yy là cấp nhiê ̣t đô ̣ thấp nhất của mă ̣t đường Ví du ̣ như có các mác nhựa đường PG 64-16; PG 70-16…

Nếu khi sử du ̣ng nhựa đường PG cho dự án là PG 64-16 thì khi tăng cấp nhiê ̣t đô ̣ cao

sẽ là mác PG 70-16 Viê ̣c tăng này dẫn tới giá tri ̣ G*/sinδ ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ 70 đô ̣ C hoă ̣c 76 đô ̣ C vẫn thỏa mãn giá tri ̣ quy đi ̣nh ta ̣i Bảng 1-7, trong khi nếu không tăng thì mác nhựa PG 64-

16 chỉ có G*/sinδ thỏa mãn Bảng 1-7 ứng với nhiê ̣t đô ̣ 64 đô ̣ C Vì vâ ̣y khả năng kháng LVBX sẽ tăng đáng kể khi tăng cấp nhiê ̣t đô ̣ cao của nhựa PG, nhất là khi nhiê ̣t đô ̣ môi trường cao

Thông thường, nhựa đường PG với mác PG 70-22 trở lên được chế ta ̣o từ nhựa đường

cải thiê ̣n polime Vì vâ ̣y nhựa đường polime có khả năng kháng LVBX và kháng mỏi cao hơn so với nhựa đường thông thường

(2) Ảnh hưở ng của độ cứng (stiffness) của nhựa đường PG ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ trung bình:

Đô ̣ cứng của nhựa đường ta ̣i nhiê ̣t đô ̣ trung bình biểu thi ̣ qua giá tri ̣ G*.sinδ (Bảng 1-7) Mối quan hệ giữa G*.sinδ và khả năng kháng mỏi phụ thuộc vào chiều dày kết cấu áo đường Với kết cấu mỏng, gia tăng độ cứng nhựa đường sẽ làm giảm khả năng kháng mỏi Tuy nhiên với kết cấu dầy thì ngược lại Đó là lý do tại sao có hai mũi tên đi theo 2 hướng khác nhau ta ̣i mục có ký hiê ̣u (*) của Bảng 1-6

1.4.1.2 Ảnh hươ ̉ ng của cốt liê ̣u

(1) Ảnh hưở ng của độ góc cạnh của cốt liệu:

Cốt liê ̣u sử du ̣ng cho BTN bao gồm cốt liê ̣u thô (đá dăm) và cốt liê ̣u mi ̣n (cát) Thuô ̣c

tính bề mă ̣t cốt liê ̣u, hình da ̣ng ha ̣t cốt liê ̣u ảnh hưởng đáng kể đến góc nô ̣i ma sát  của BTN

Đá dăm, cát xay có độ nhám bề mặt cao (xù xì) sẽ làm tăng khả năng dính bám với nhựa; đá dăm hình khối lâ ̣p phương, có đô ̣ góc cạnh lớn sẽ ta ̣o nên liên kết tiếp xúc đá chèn

đá tốt, tăng góc nô ̣i ma sát , giảm khả năng biến da ̣ng dẻo của BTN nên tăng khả năng kháng LVBX

Cốt liê ̣u có độ nhám bề mặt cao, đô ̣ góc cạnh lớn sẽ ta ̣o nên BTN có cường đô ̣ cao, dẫn tớ i tăng khả năng kháng mỏi tốt

Khi tải trọng xe tác dụng lên lớ p BTN, các ha ̣t cốt liệu sẽ cài móc chă ̣t chẽ với nhau thành mô ̣t khối thống nhất, nhựa đường và cốt liệu khi đó có vai trò như màng cao su và lò

xo để đưa hỗn hợp BTN trở về trạng thái ban đầu mà không xuất hiện biến dạng dư tích lũy (LVBX) [28]

Cốt liệu tròn cạnh, bề mă ̣t nhẵn, cát tự nhiên sẽ làm giảm góc nô ̣i ma sát  của BTN, dẫn đến làm giảm khả năng kháng LVBX và kháng mỏi

(2) Ảnh hưở ng của kích cỡ ha ̣t lớn nhất danh định:

Có những nghiên cứu trước đây trên thế giới đưa ra kết quả khi tăng kích cỡ ha ̣t lớn nhất danh đi ̣nh thì giảm LVBX, tuy nhiên, công bố gần đây trên thế giới [31] cho thấy không

có quan hê ̣ rõ ràng giữa kích cỡ ha ̣t lớn nhất danh đi ̣nh với LVBX

Việc tăng kích cỡ ha ̣t lớn nhất danh định (Bảng 1-6) sẽ làm giảm khả năng kháng mỏi

cũng như làm giảm đô ̣ bền của BTN, nước thấm vào lớp BTN nhiều hơn dẫn tới tăng nhanh quá trình suy giảm cường đô ̣ BTN

(3) Ảnh hưở ng của hàm lượng bột khoáng và tỷ lê ̣ bô ̣t khoáng/ nhựa đường:

Bột khoáng có vai trò làm tăng liên kết đá nhựa, do đó làm tăng khả năng chống cắt của BTN, cải thiê ̣n đô ̣ ổn đi ̣nh của BTN khi nhiê ̣t đô ̣ cao và ảnh hưởng tới khả năng kháng LVBX trong hỗn hợp BTN

Bột khoáng và nhựa đường ta ̣o nên hỗn hợp vữa nhựa Cùng với cốt liệu, vữa nhựa đóng vai trò quan trọng trong khả năng kháng LVBX

Tỷ lê ̣ bô ̣t khoáng/nhựa đường biểu thi ̣ qua chỉ tiêu “tỷ lê ̣ bô ̣t khoáng/hàm lượng nhựa

có hiê ̣u”, FB, được xác đi ̣nh theo công thức sau [47] :

0,075

be

P FB

P

 (1.13)

Trong đó:

FB: là tỷ lê ̣ bô ̣t/hàm lượng nhựa có hiê ̣u;

P 0,075 : là tỷ lê ̣ cốt liê ̣u lo ̣t qua sàng 0,075, %;

Pbe : là hàm lượng nhựa có hiê ̣u, % khối lượng hỗn hợp

Nếu FB quá lớn, dẫn tới hoă ̣c nhựa đường không đủ để bao bo ̣c các ha ̣t bô ̣t khoáng, hoặc vữa nhựa (hỗn hợp bô ̣t khoáng - nhựa đường) sẽ quá cứng làm cho BTN có tính cứng

lớ n, dễ gây ra hư hỏng da ̣ng nứt mỏi Nếu FB quá nhỏ, dẫn tới hoă ̣c thừa nhựa đường, hoă ̣c

vữa nhựa (hỗn hợp bô ̣t khoáng - nhựa đường) sẽ quá mềm làm cho BTN có tính mềm, dễ gây ra hư hỏng da ̣ng hằn lún bánh xe Kết quả nghiên cứu trên thế giới chỉ ra rằng, ngoài việc xem xét tỷ lê ̣ bô ̣t khoáng trong BTN, cần xem xét thêm tỷ lê ̣ FB khi thiết kế hỗn hợp BTN

Về khoảng giá tri ̣ FB phù hợp, phương pháp thiết kế SuperPave (Mỹ) khuyến nghi ̣ FB

= 0,6 - 1,2; khuyến nghi ̣ cho các đường BTN áp du ̣ng cho đường liên Bang Mỹ là FB = 0,6

- 1,6; tiêu chuẩn Úc quy định từ FB = 0,6 - 1,2 và có thể mở rộng đến 1,6 Nhiều Bang của

Mỹ (Kansas, Mississippi, Oregon, Kentucky, Arkansas), của Canada (Ontario) khuyến nghi ̣

FB = 0,8 - 1,6 Tiêu chuẩn củ a Trung Quốc (JTG-F 40-2004-tham khảo để xây dựng QĐ 858/QĐ-BGTVT) khuyến nghi ̣ FB = 0,8 - 1,2 với hỗn hợp BTNC có kích cỡ lớn nhất danh

đi ̣nh không lớn hơn 19 mm

Kết quả nghiên cứu của Mỹ cho thấy, đa số các Bang đều đã quy định áp du ̣ng FB trong các tiêu chuẩn kỹ thuật, các Bang ở vùng khí hậu nóng thì FB có xu hướng cao và ngược lại các Bang vùng lạnh sử du ̣ng FB có xu hướng thấp Với hỗn hợp BTN có kích cỡ

hạt càng lớn thì sử du ̣ng FB với giá tri ̣ lớn Với hỗn hợp BTN sử du ̣ng cấp phối thô thì FB lớn hơn so với hỗn hợp BTN sử du ̣ng cấp phối mi ̣n Giá trị FB thích hợp nhất là 1,2

(4) Ảnh hưở ng của hàm lượng hạt sét của cốt liê ̣u:

Hàm lượng sét quá nhiều sẽ làm cho khả năng dính bám đá - nhựa trong BTN suy giảm, dẫn đến mă ̣t đường BTN dễ bi ̣ hư hỏng do tác đô ̣ng bất lợi của đô ̣ ẩm môi trường Dưới tác đô ̣ng bất lợi của đô ̣ ẩm, lớp BTN sẽ sớm suy giảm cường đô ̣ dẫn tới phát sinh LVBX cũng như nứt mỏi

1.4.1.3 Ảnh hươ ̉ ng của hỗn hợp BTN

(1) Ảnh hưở ng của mức đầm nén khi thiết kế hỗn hợp BTN:

Với đườ ng chi ̣u lưu lượng xe khác nhau, mức đầm nén phải được phù hợp khi thiết kế hỗn hợp BTN

Theo Asphalt Institute MS-2 [48] , mứ c đầm nén theo Marshall tương ứng là 35x2 cú đập/mặt mẫu với đường có lưu lượng giao thông thấp, 50x2 cú đập/mặt mẫu với đường có lưu lượng giao thông trung bình và 75x2 cú đập/mặt mẫu với đường có lưu lượng giao thông

lớ n

Theo SuperPave (AASHTO M320-10 [44] ), sử du ̣ng đầm xoay để thiết kế hỗn hợp BTN, mứ c đầm nén phải tăng theo mức lưu lượng giao thông (Bảng 1-8)

Vớ i đường càng có lưu lượng giao thông lớn, mức đầm nén mẫu BTN khi thiết kế hỗn

hợp cần phải tăng để đảm bảo cho mă ̣t đường có đủ cường đô ̣, chống la ̣i tác đô ̣ng tải tro ̣ng

xe lớ n gây ra LVBX và mỏi

Mặc dù tăng mức đầm nén nhưng mẫu BTN vẫn phải thỏa mãn đô ̣ rỗng BTN quy đi ̣nh,

vì vâ ̣y để thỏa mãn yêu cầu khi thiết kế hỗn hợp BTN, cốt liê ̣u phải có chất lượng cao hơn,

sử du ̣ng nhựa đường polime cho đường có mức lưu lượng giao thông lớn, dẫn đến lớp mă ̣t đường BTN có đô ̣ ổn đi ̣nh cao hơn, cường đô ̣ lớn hơn, do đó tăng khả năng kháng LVBX

và kháng nứt mỏi

Bảng 1-8: Mức đầm nén hỗn hợp BTN tương ứng với mức lưu lượng giao thông [44] Lưu lượng xe thiết kế/

(2) Ảnh hưở ng của độ rỗng dư BTN khi thiết kế:

Vớ i bê tông nhựa chă ̣t, đô ̣ rỗng dư thiết kế thường trong khoảng 3% - 6%, hợp lý nhất

vào khoảng 4% khi thiết kế hỗn hợp BTN

Khi thiết kế BTN với đô ̣ rỗng dư không phù hợp, mă ̣t đường sẽ dễ phát sinh LVBX (nếu đô ̣ rỗng hiê ̣n trường lớn hơn 7% và nhỏ hơn 3%) và nứt mỏi

(3) Ảnh hưở ng của độ rỗng cốt liệu (VMA)/hoặc hàm lượng nhựa thiết kế:

Đô ̣ rỗng cốt liê ̣u (VMA) của hỗn hợp BTN được hiểu là phầm trăm thể tích lỗ rỗng giữa các ha ̣t cốt liê ̣u sau khi đầm nén

Đô ̣ rỗng cốt liê ̣u (VMA) tính theo thể tích được xác đi ̣nh theo công thức sau:

VMA = V +Va be (1.14) Trong đó:

VMA: là độ rỗng cốt liệu (%);

Va : là độ rỗng dư BTN (%);

Vbe: là hàm lượng nhựa có hiệu, tính bằng phần trăm thể tích (%)

Ví du ̣, theo SuperPave khi thiết kế hỗn hợp BTN với cấp phối có cỡ ha ̣t lớn nhất danh

đi ̣nh 12,5 mm, đô ̣ rỗng BTN thiết kế là 4%, VMA tối thiểu là 14% thì hàm lượng nhựa tối thiểu theo thể tích là 14,0% − 4.0% = 10,0% Vì vâ ̣y viê ̣c kiểm soát VMA cũng đồng nghĩa

vớ i viê ̣c kiểm soát hàm lượng nhựa thiết kế

Khi VMA quá lớn, thì hoă ̣c đô ̣ rỗng dư BTN quá nhỏ, hoă ̣c hàm lượng nhựa thiết kế quá nhiều dẫn tới BTN dễ bi ̣ LVBX

Khi VMA quá nhỏ, thì hoă ̣c đô ̣ rỗng dư BTN quá lớn, hoă ̣c hàm lượng nhựa thiết kế quá ít dẫn tới BTN thì hỗn hợp BTN sẽ có đô ̣ bền kém, dẫn tới BTN dễ bi ̣ nứt mỏi

Vì vâ ̣y cần kiểm soát cả VMA và đô ̣ rỗng dư BTN trong quá trình thiết kế

Hàm lượng nhựa là mô ̣t trong những chỉ tiêu quan tro ̣ng trong thiết kế hỗn hợp BTN Việc lựa cho ̣n được hàm lượng nhựa thiết kế hợp lý (hàm lượng nhựa tối ưu) là vấn đề thiết

yếu để mă ̣t đường BTN có đă ̣c tính cao

Hàm lượng nhựa quá ít thì hỗn hợp BTN quá khô, cứng dẫn đến khó rải và đầm nén khi thi công BTN và dẫn đến gảm khả năng kháng mỏi, giảm cường đô ̣ lớp BTN Ngược

lại, hàm lượng nhựa quá nhiều thì hỗn hợp BTN quá dẻo, dẫn đến xô dồn BTN và giảm khả năng kháng LVBX Tương tự, đô ̣ rỗng cốt liê ̣u VMA quá nhỏ thì hàm lượng nhựa quá lớn

và ngược la ̣i

Vì vâ ̣y viê ̣c lựa cho ̣n hàm lượng nhựa hợp lý (phù hợp với cấp phối cốt liê ̣u, thỏa mãn

các quy đi ̣nh về đô ̣ rỗng dư BTN, đô ̣ rỗng cốt liê ̣u, đô ̣ rỗng lấp đầy nhựa) cần phải được thực hiê ̣n qua thiết kế hỗn hợp BTN (theo phương pháp Marshall, SuperPave…)

(4) Ảnh hưởng của độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA):

Độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) của hỗn hợp BTN được hiểu là phần trăm của độ rỗng cốt liệu (VMA) được lấp đầy nhựa VFA được xác định để cân bằng với độ rỗng dư trong hỗn hợp BTN

Độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) được xác định theo công thức :

V be

VMA (1.15) Trong đó:

VFA: là độ rỗng lấp đầy nhựa (%);

Vbe: là hàm lượng nhựa có hiệu, tính bằng phần trăm thể tích (%);

VMA: là độ rỗng cốt liệu (%)

Theo công thức (1.15), giá trị VFA chịu ảnh hưởng của VMA và Vbe Tại cùng giá trị

độ rỗng dư Va thiết kế, khi Vbe và VMA tăng, VFA sẽ tăng

VFA không những có ảnh hưởng tới chỉ tiêu đặc tính thể tích của hỗn hợp BTN (nhất

là Vbe) mà còn ảnh hưởng nhiều tới khả năng kháng LVBX và tuổi thọ mỏi của hỗn hợp BTN Khi VFA tăng, độ bền mỏi tăng, vì vậy cần phải xem xét chỉ tiêu VFA cho phù hợp khi thiết kế hỗn hợp BTN

(5) Ảnh hưở ng của đô ̣ rỗng dư BTN ta ̣i hiê ̣n trường:

Đô ̣ rỗng dư BTN ta ̣i hiê ̣n trường có ảnh hưởng đáng kể đến LVBX cũng như nứt mỏi

củ a lớp mă ̣t đường BTN

Khi đô ̣ rỗng lớp BTN quá lớn (lớn hơn 7%), nguyên nhân là do công đầm nén ta ̣i hiện trường không đủ, dẫn tới mă ̣t đường BTN dễ bi ̣ thấm nước và không khí xâm nhâ ̣p, gây ra

hư hỏng mă ̣t đường do tác đô ̣ng ẩm, nhựa đường dễ bi ̣ hóa già, dẫn tới giảm tuổi tho ̣ mă ̣t đường Công đầm nén không đủ còn làm cho cường đô ̣ lớp BTN bi ̣ suy giảm, và giảm khả năng kháng mỏi

Khi đô ̣ rỗng lớp BTN quá nhỏ (nhỏ hơn 3%), nguyên nhân là do đô ̣ rỗng BTN khi thiết kế quá nhỏ, hoă ̣c do công đầm nén ta ̣i hiê ̣n trường quá lớn thì mă ̣t đường có khả năng kháng la ̣i tác đô ̣ng của ẩm tốt, kháng mỏi tốt Tuy nhiên do đô ̣ rỗng BTN quá nhỏ nên dễ bi ̣ chảy nhựa khi nhiê ̣t đô ̣ cao, kháng LVBX kém

1.4.2 Ảnh hươ ̉ ng của lưu lượng xe, tải trọng xe, tốc độ dòng xe, nhiê ̣t độ môi trường

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của thế giới, dưới đây phân tích những ảnh hưởng lưu lượng xe, tốc đô ̣ dòng xe, nhiê ̣t đô ̣ đến LVBX và nứt mỏi

1.4.2.1 Ảnh hươ ̉ ng của lưu lượng xe

Dưới tác đô ̣ng của lưu lượng xe trùng phu ̣c trong quá trình khai thác, BTN sẽ dần suy giảm cường đô ̣ kháng cắt, dẫn tới LVBX xuất hiê ̣n và phát triển

Ảnh hưởng của lưu lượng xe (số lần tác du ̣ng của tải tro ̣ng) đến LVBX theo Eisenmann

và Hilmer [45] được thể hiện qua quan hệ sau:

y = a + b (N)0,5 (1.16)Trong đó:

y: là chiều sâu LVBX;

N : là số lần tác dụng của tải trọng;

a, b : là các hệ số xác định trong phòng thí nghiệm, phụ thuộc vào áp lực bánh

xe tác dụng xuống mặt đường và loại bánh xe

Từ công thức (1.16) nhận thấy, số lần tác dụng của tải trọng tăng theo thời gian sẽ làm tăng chiều sâu LVBX ; khi tải trọng tác dụng lớn sẽ làm tăng các giá trị a, b, khi đó sẽ làm tăng chiều sâu LVBX

Từ kết quả nghiên cứu [45] chỉ ra rằng LVBX tỷ lê ̣ với số lần xe cha ̣y (Hình 1-12)

Hình 1-12: Quan hệ giữa số lần tác dụng của tải trọng với LVBX [45]

1.4.2.2 Ảnh hươ ̉ ng của tải trọng trục xe

Xe có tải tro ̣ng tru ̣c lớn (xe quá tải) sẽ gây ra ứng xuất cắt trong lớp BTN mă ̣t đường

lớ n hơn nhiều so với cường đô ̣ kháng cắt của BTN (đã được xem xét khi thiết kế kết cấu) dẫn đến LVBX sẽ xuất hiê ̣n sớm và phát triển nhanh hơn so với dự báo

Kết quả nghiên cứu trên thế giới với số lần lă ̣p của tải tro ̣ng xe hơn 9 triê ̣u lần cho thấy, LVBX với tải tro ̣ng xe 14,5 tấn thấp hơn nhiều (chỉ bằng 15% - 20%) so với LVBX gây ra do tải tro ̣ng xe 22,5 tấn [16]

Kết quả nghiên cứu của Thu ̣y điển [46] đã chỉ rõ ảnh hưởng của tải tro ̣ng tru ̣c xe (so

vớ i tru ̣c 100 kN) đến LVBX (Hình 1-13) Kết quả cho thấy khi tải trọng trục tăng từ 100 kN lến đến 150 kN, LVBX tăng lên 140 %; khi tăng lên 180 kN, LVBX tăng lên gần 180 %

Hình 1-13: Ảnh hưởng của tải tro ̣ng tru ̣c xe đến LVBX [46]

1.4.2.3 Ảnh hươ ̉ ng của áp suất hơi bánh xe

Xe có lốp xe gia cường để tăng đô ̣ cứng, tăng áp suất hơi trong bánh xe (xe quá tải) gây tác đô ̣ng đáng kể đến LVBX Kết quả nghiên cứu của Thu ̣y Điển [46] cho thấy khi áp

lực bánh xe tăng từ 0,8 MPa đến 1,0 MPa, LVBX chỉ tăng khoảng 5% Tuy nhiên, nếu áp xuất trong bánh xe tăng cao thì LVBX tăng đáng kể (Hình 1-14)

Hình 1-14: Ảnh hưởng của áp suất hơi bánh xe đến LVBX [46]

1.4.2.4 Ảnh hươ ̉ ng của tốc độ dòng xe

Ảnh hưởng của tốc đô ̣ dòng xe đến LVBX là đáng kể Xe cha ̣y càng châ ̣m thì thời gian

tải tro ̣ng xe tác đô ̣ng trên mă ̣t đường càng lâu, dẫn tới tốc đô ̣ suy giảm khả năng kháng cắt

củ a BTN càng nhanh

Kết quả nghiên cứu của Thu ̣y điển [46] về ảnh hưởng của tốc đô ̣ dòng xe đến LVBX thể hiện ta ̣i Hình 1-15 Qua đó cho thấy khi dòng xe thay đổi từ 90 km/h xuống 50 km/h, LVBX tăng lên khoảng 200%; thay đổi xuống 10 km/h, LVBX tăng lên 900%

Hình 1-15: Ảnh hưởng của tốc đô ̣ dòng xe đến LVBX [46]

1.4.2.5 Ảnh hươ ̉ ng của nhiê ̣t độ

Vào mùa nóng, nhiê ̣t đô ̣ môi trường cao, BTN sẽ suy giảm sức kháng cắt và dưới tác

đô ̣ng của tải tro ̣ng xe (nhất là xe quá tải), mă ̣t đường dễ phát sinh LVBX

Vào mùa mát, nhiê ̣t đô ̣ môi trường thấp hơn, BTN có xu hướng cứng, dưới tác đô ̣ng

củ a tải tro ̣ng trùng phu ̣c của xe (nhất là xe quá tải), mă ̣t đường dễ phát sinh nứt do mỏi Theo kết quả nghiên cứu của Mỹ (AASHTO M 323-13 [49] ), ảnh hưởng của lưu lượng

xe (tổng tải tro ̣ng tru ̣c xe tiêu chuẩn 8,2 tấn - ESAL), tốc đô ̣ dòng xe đã được xem xét trong việc lựa cho ̣n mác nhựa đường PG cho phù hợp (Bảng 1-9)

Bảng 1-9: Lựa cho ̣n mác nhựa PG mức lưu lượng xe và tốc đô ̣ dòng xe [49]

ESAL (triệu tru ̣c xe)

Hiệu chỉnh mác nhựa PG theo tổng tru ̣c xe tiêu chuẩn

(ESAL – 8,2 tấn) và tốc đô ̣ dòng xe

Tốc đô ̣ dòng xe

Từ Bảng 1-9 cho thấy:

- Ảnh hưở ng của yếu tố nhiê ̣t đô ̣ môi trường đã được SuperPave xem xét qua viê ̣c lựa chọn mác nhựa PG phù hợp với nhiê ̣t đô ̣ của vùng mà tuyến đi qua;

- Ảnh hưở ng của yếu tố lưu lượng xe thiết kế và tốc đô ̣ dòng xe (đoa ̣n xe lưu thông

bình thường, tốc độ >70 km/h; đoa ̣n xe lưu thông ha ̣n chế, giao cắt…, tốc độ = 20 km/h-70 km/h; đoạn ùn tắc, dừng xe, tốc độ <20 km/h) đã được xem xét qua viê ̣c điều chỉnh (tăng lên từ 1 đến hai cấp) của mác nhựa đường PG (theo mác nhiê ̣t đô ̣ cao) so với mác nhựa đường PG tương ứng với vùng nhiê ̣t đô ̣ mà tuyến đi qua

Nhâ ̣n xét: Viê ̣c giảm thiểu tác đô ̣ng do LVBX, do nứt mỏi được thế giới thực hiện

bằng các giải pháp đồng bô ̣: thiết kế kết cấu phù hợp, lựa cho ̣n hỗn hợp BTN có chất lượng

tốt, sử du ̣ng nhựa đường có đă ̣c tính cao phù hợp với lưu lượng xe thiết kế và tốc đô ̣ dòng

xe (nhựa đường polime cho đường có lưu lượng lớn, đoa ̣n đường ha ̣n chế tốc đô ̣, đoa ̣n dừng đỗ xe)

1.4.3 Ảnh hươ ̉ ng của các yếu tố khác

1.4.3.1 Kê ́t cấu áo đường

Kết cấu áo đường càng bền vững thì sức chi ̣u tải của áo đường càng lớn, dẫn đến hư

hỏng trong quá trình khai thác (nứt mỏi, LVBX, biến da ̣ng…) ngày càng giảm thiểu Việc thiết kế kết cấu áo đường thỏa mãn lượng giao thông, điều kiê ̣n thời tiết khí hâ ̣u

là vấn đề quan tro ̣ng của chuyên ngành đường bô ̣ Xu hướng thiết kế kết cấu áo đường bền

vững, có đô ̣ tin câ ̣y cao, giảm thiểu hư hỏng mă ̣t đường BTN (trong đó có hư hỏng LVBX) trong quá trình khai thác được thế giới quan tâm, nhất là khi lưu lượng xe theo xu thế ngày

Kết cấu áo đường mềm có lớp móng gia cố nhựa (ATB), gia cố xi măng (đã được khuyến nghi ̣ ta ̣i 22 TCN 211-06) được xem là kết cấu bền vững phù hợp với đường có lưu lượng lớn, giảm thiểu hư hỏng mă ̣t đường, trong đó có LVBX

1.4.3.2 Chất lượng vật liệu, thiết kế hỗn hợp và thi công bê tông nhựa

Công tác kiểm soát chất lượng vật liệu, thiết kế hỗn hợp và thi công BTN đóng vai trò quyết định tới tuổi thọ của mặt đường BTN Kiểm soát tốt chất lượng vật liệu, thiết kế hỗn hợp và quá trình thi công BTN sẽ hạn chế được hư hỏng LVBX và mỏi sau này

Đối với nhà thầu thi công phải có trách nhiê ̣m, có năng lực, có hê ̣ thống quản lý chất lượng vâ ̣t liê ̣u, thiết kế hỗn hợp BTN, chế tạo BTN tại trạm trộn, thi công để mặt đường

BTN ổn định chất lượng theo quy đi ̣nh Trong tiêu chuẩn TCVN 8819:2011 [8] , QĐ 858/QĐ-BGTVT [1] đã qui định chặt chẽ nội dung này

Đối với tư vấn giám sát, cần giám sát chă ̣t chẽ về vâ ̣t liê ̣u, thiết kế hỗn hợp BTN trong phòng và ta ̣i tra ̣m trô ̣n, các công đoa ̣n thi công mă ̣t đường BTN

Trong giai đoạn thiết kế BTN, cần xem xét thực hiện một số nội dung để chế tạo BTN

có chất lượng cao, giảm thiểu hư hỏng LVBX và nứt mỏi;

- Lựa cho ̣n cấp phối phù hợp khi thiết kế BTN ta ̣i giai đoa ̣n thiết kế sơ bô ̣

- Kiểm soát tính ổn đi ̣nh của cấp phối đã lựa cho ̣n khi thiết kế BTN ta ̣i giai đoa ̣n thiết

kế hoàn chỉnh (ta ̣i tra ̣m trô ̣n)

- Không được áp du ̣ng công thức thiết kế cấp phối cốt liê ̣u được xem là phù hợp của

dự án này cho mô ̣t dự án khác nếu vâ ̣t liê ̣u sử du ̣ng (đá dăm, cát, bô ̣t khoáng) khác nhau Trong giai đoạn thi công BTN, cần lưu ý những nội dung sau:

- Lựa chọn máy rải BTN có hệ thông đầm sơ bộ hoạt động tốt, đầm sơ bộ, tạo phẳng lớp BTN mới rải thì mới không gây hiện tượng kém bằng phẳng mặt đường

- Việc lu lèn phải đảm bảo đúng công đoạn, số lần lu với tải trọng lu và tốc độ lu phù hợp đã được phê duyệt thông qua quá trình thi công thử nghiệm

- Cần đảm bảo nhiệt độ BTN trong các công đoạn (trộn, vận chuyển, rải, lu lèn) dẫn tới chất lượng mặt đường BTN không bảo đảm

1.5 Ca ́ c kết quả nghiên cứu liên quan đến lún vệt bánh xe và nứt mỏi của bê tông nhựa

1.5.1 Trên thế giơ ́ i

Các kết quả nghiên cứu trên thế giới liên quan đến LVBX và nứt mỏi của BTN được

tó m tắt ta ̣i mu ̣c 1.2 và mu ̣c 1.3 nêu trên

Để giảm thiểu tác đô ̣ng bất lợi của LVBX, nứt mỏi gây ra trên mă ̣t đường BTN, thế giớ i triển khai đồng bô ̣ các nhóm giải pháp sau:

- Nhó m giải pháp về thiết kế kết cấu: Khảo sát dòng xe phù hợp để dự bảo lưu lượng

xe, tải tro ̣ng tru ̣c xe thiết kế có đô ̣ tin câ ̣y cao; thiết kế kết cấu có tính bền vững, chiều dày

lớ p mă ̣t BTN lớn với 3 lớp BTN

- Nhó m giải pháp về BTN: Thiết kế thành phần BTN phù hợp, lựa cho ̣n cốt liê ̣u có đô ̣ nhám bề mă ̣t cao, đô ̣ góc ca ̣nh lớn, sử du ̣ng cát nghiền, lựa cho ̣n nhựa đường phù hợp, có

tính năng cao (nhựa đường polime) cho đường có lưu lượng lớn, phù hợp với tốc đô ̣ dòng

xe

- Nhó m giải pháp về thi công: Tuân thủ quy trình công nghê ̣ về thi công mă ̣t đường BTN, các lớp móng, nền đường Quản lý chă ̣t chẽ chất lượng thi công

- Nhó m giải pháp về kiểm soát tải tro ̣ng xe: đưa ra chế tài ma ̣nh để kiểm soát, ha ̣n chế

xe quá tải (xe có tải tro ̣ng vượt quá quy đi ̣nh khi thiết kế kết cấu)

1.5.2 Tại Việt Nam

Để khă ́c phu ̣c LVBX trên hê ̣ thống đường quốc lô ̣ trong những năm gần đây, Bô ̣

GTVTV, các cơ sở nghiên cứu, đào ta ̣o đã có nhiều nội dung liên quan, trong đó điển hình

có những kết quả sau:

1.5.2.1 Tiêu chuẩn ky ̃ thuật, văn bản pháp quy

(1) TCVN 8819:2011 - Tiêu chuẩn thi công và nghiê ̣m thu mă ̣t đường bê tông nhựa [8] :

- TCVN 8819:2011 đã chỉnh sửa 22 TCN 249-98 [9] (Quy trình công nghê ̣ thi công và nghiệm thu các lớp mă ̣t đường bê tông nhựa) trên cơ sở tham khảo Asphalt Institue và các

dự án ODA xây dựng đường bô ̣ trong nước

- Đã đưa ra quy đi ̣nh kỹ thuâ ̣t cho 04 loa ̣i BTNC với cỡ ha ̣t lớn nhất danh đi ̣nh là 19 mm; 12,5 mm; 9,5 mm và 4,75 mm

- Đã đưa ra quy đi ̣nh kỹ thuâ ̣t thiết kế hỗn hợp BTN theo Marshall, quy đi ̣nh kỹ thuâ ̣t thi công và nghiê ̣m thu lớp BTN mă ̣t đường

- Về đường bao cấp phối hỗn hợp BTN được xây dựng trên cơ sở tham khảo Asphalt Institue và SuperPave, tuy nhiên không quy đi ̣nh về “cấp phối thô” (nhiều đá dăm), “cấp phối mi ̣n” (ít đá dăm)

(2) Quyết định số 858/QĐ–BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ GTVT [1] “Hướng dẫn áp dụng

hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường BTN nóng đối với các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn”:

- Đã đưa ra hướng dẫn áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu nền mặt đường đối với các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn (trên cơ sở chi tiết quy đi ̣nh của 22 TCN 211-06 [3] )

- Đã đưa ra hướng dẫn áp dụng tiêu chuẩn thiết kế hỗn hợp BTNC cho tuyến đường ô

tô có quy mô giao thông lớn: tiêu chuẩn kỹ thuâ ̣t với BTNC 12,5 và BTNC 19, BTNC 25

- Đã đưa ra quy đi ̣nh kỹ thuâ ̣t thiết kế hỗn hợp BTN theo Marshall, quy đi ̣nh kỹ thuâ ̣t thi công và nghiê ̣m thu lớp BTN mă ̣t đường (quy đi ̣nh chă ̣t chẽ hơn, chi tiết hơn so với TCVN 8819:201, phù hợp với đường có quy mô giao thông lớn)

- Đã đưa ra tiêu chuẩn đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liê ̣u cho BTN, quy đi ̣nh rõ về

“cấp phối thô” áp du ̣ng cho đường có quy mô giao thông lớn (Bảng 1-10) Ứng với từng loại BTNC, nếu lượng lọt sàng qua cỡ sàng khống chế nhỏ hơn giá trị quy định tại Bảng 1-10 thì là “cấp phối thô”, ngược lại là “cấp phối mịn”

Bảng 1-10: Quy đi ̣nh cấp phối thô theo QĐ 858/QĐ-BGTVT [1]

Loại BTNC

“cấp phối thô” Cỡ sàng khống chế (mm)

Lượng lọt sàng qua cỡ sàng khống chế (%)

- Đã quy đi ̣nh về thiết kế cấp phối cốt liê ̣u theo đường cong chữ S: “với nhánh trên ngắn nằm sát với giới hạn trên và nhánh dưới nằm gần với giới hạn dưới của phạm vi cấp phối quy định để cố gắng giảm tỉ lệ cỡ hạt ≤ 0,6mm, còn nhánh giữa của chữ S có độ dốc lớn nhằm tăng tỉ lệ các cỡ hạt trung gian (cỡ hạt 4,75~9,5 mm và cỡ hạt 9,5~12,5 mm) (3) Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ngày 29/4/2014 “Quy định kỹ thuật về phương pháp thử độ sâu vệt hằn bánh xe của BTN xác định bằng thiết bị Wheel tracking" [4]

- Đã quy đi ̣nh trình tự thử nghiệm xác định độ sâu LVBX của mẫu BTN bằng thiết bị Wheel Tracking theo 3 phương pháp A, B và C (Phương pháp A áp du ̣ng với mẫu ngâm trong nước ta ̣i 50 0C; Phương pháp B áp du ̣ng với mẫu trong môi trường không khí ta ̣i 60

0C; Phương pháp C áp du ̣ng với mẫu trong môi trường không khí ta ̣i 60 0C và xác đi ̣nh qua giá tri ̣ Đô ̣ ổn đi ̣nh đô ̣ng - DS)

- Đã đưa ra quy đi ̣nh kỹ thuâ ̣t về chỉ tiêu LVBX khi thí nghiê ̣m LVBX theo Phương pháp A (Bảng 1-11)

Bảng 1-11: Quy định kỹ thuật về độ sâu LVBX theo QĐ 1617/QĐ-BGTVT [4]

(4) 22 TCN 319 – 04 - Yêu cầu kỹ thuâ ̣t, phương pháp thử nhựa đường polime [10] :

- Đã đưa ra tiêu chuẩn kỹ thuâ ̣t của 03 mác nhựa đường cải thiê ̣n polime (PMB I, PMB

II, PMB III)

- Đã đưa ra pha ̣m vi áp du ̣ng cho 03 loa ̣i nhựa đường polime này làm BTN cho đường

bộ, đường sân bay

(5) Thông tư số 27/TT-BGTVT ngày 28/07/2014 “Quy định về quản lý chất lượng vật liệu nhựa đường sử dụng trong xây dựng công trình giao thông” [11] :

- Được xây dựng trên cơ sở tham khảo TCVN 7493:2005 [12] (Bitum – Yêu cầu kỹ thuật), có bổ sung chỉnh sửa để nâng cao chất lượng mác nhựa đường 60/70, 40/50 áp du ̣ng cho BTN

- Đã bổ sung thêm một số chỉ tiêu mới để kiểm soát tốt hơn chất lượng nhựa đường như: Chỉ số đô ̣ kim lún PI (Penetration Index), Đô ̣ nhớt đô ̣ng (Dynamic Viscosity) ta ̣i 60 đô ̣

C, Tổn thất khi nung TFOT, Đô ̣ kéo dài ở 25 đô ̣ C sau TFOT

1.5.2.2 Đê ̀ tài nghiên cứu khoa học công nghệ

(1) Đề tài nghiên cứu cấp Bộ GTVT 2009 “Nghiên cứu biến dạng kéo dài của mặt đường BTN và đề xuất phương pháp xử lý” [6] ThS.Bùi Ngo ̣c Hưng làm Chủ nhiệm đề tài Kết quả:

- Đã nghiên cứu phân tích toàn diện từ lý thuyết đến thực nghiệm (lần đầu tiên tại Việt Nam) về biến dạng vĩnh cửu (LVBX) của BTN Việt Nam Từ đó đã có những đánh giá thực trạng và các giải pháp cải thiện khả năng kháng hư hỏng LVBX cho BTN Việt Nam

- Đã đề xuất phương pháp chế bị mẫu đường kính D = 150 mm từ phương pháp đầm nén Marshall cải tiến (ASTM D5581) cho thí nghiệm xác định chiều sâu LVBX trên thiết

bị Hamburg Wheel Tracking

- Bướ c đầu đề xuất loại BTN và các chỉ tiêu qui định cho hỗn hợp BTN nhằm giảm thiểu khả năng kháng LVBX tại Việt Nam

- Đã phân tích và lựa chọn phương pháp dự báo chiều sâu LVBX cho mặt đường BTN phù hợp với điều kiện của Việt Nam hiện nay

(2) Đề tài nghiên cứu cấp Bộ GTVT 2014 “Nghiên cứu lựa cho ̣n kết cấu và vâ ̣t liê ̣u cho kết

cấu áo đường mềm trên các tuyến đường có xe tải tro ̣ng nă ̣ng phù hợp với điều kiê ̣n nhiê ̣t ẩm” [23] Kết quả:

- Đã đưa ra phân vùng nhiê ̣t đô ̣ các khu vực khí hâ ̣u (các tỉnh) Viê ̣t Nam làm cơ sở lựa chọn mác nhựa đường theo đô ̣ kim lún (nhựa đường 60/70; nhựa đường 40/50) và đi ̣nh hướng lựa cho ̣n mác nhựa đường theo cấp đă ̣c tính PG (đi ̣nh hướng cho tương lai khi nước

ta áp du ̣ng) sử du ̣ng làm BTN mă ̣t đường

- Bướ c đầu đã đưa ra các kết cấu áo đường phù hợp cho tuyến đường có lượng giao thông lớn (kết cấu 3 lớp BTN tầng mă ̣t, kết cấu có lớp móng gia cố xi măng, gia cố nhựa…)

- Nội dung 3 (Chương 3) của Đề tài “Nghiên cứu thực nghiê ̣m, đánh giá, lựa cho ̣n BTN thích hợp cho đường có giao thông quy mô lớn, tải tro ̣ng nă ̣ng” do NCS Bùi Ngo ̣c Hưng thực hiê ̣n (chủ trì đề mu ̣c), đã triển khai nghiên cứu thực nghiê ̣m bước đầu đánh giá

mứ c đô ̣ thô của cấp phối áp du ̣ng cho BTNC 12,5 và BTNC 19 sử du ̣ng nhựa đường 40/50, 60/70, PMBIII Một số kết quả đã đưa vào luâ ̣n án

1.5.2.3 Luâ ̣n án tiến sỹ

(1) Luận án tiến sỹ “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi bê tông asphalt làm lớp mặt đường tại Việt Nam” của tác giả Trần Thiện Lưu (Luâ ̣n án bảo vê ̣ thành công

vào tháng 5/2015 ta ̣i Trường Đa ̣i ho ̣c Giao thông vâ ̣n tải) [7] Kết quả:

- Đã khảo sát đô ̣ bền mỏi của mẫu BTNC 12,5, BTNC 19 (QĐ 858/QĐ-BGTVT) qua thí nghiệm uốn dầm 4 điểm, chế đô ̣ thí nghiê ̣m khống chế biến dạng, với các các thông số thí nghiê ̣m: nhiệt độ 10 0C, 20 0C ; tần số 5 Hz và 10 Hz; mức biến da ̣ng 100 µ, 200 µ và

400 µ với 01 cấp phối cu ̣ thể tương ứng với loa ̣i BTNC 12,5, BTNC 19

- Đã đưa ra kết quả về đô ̣ bền mỏi tỷ của mẫu BTNC 12,5, BTNC 19 tỷ lệ thuận của nhiệt độ, tỷ lệ nghịch của tần số và mức biến dạng (bao nhiêu) Đã xác định được đường đặc trưng mỏi và phương trình độ bền mỏi cho loại BTNC 12,5 và BTNC 19 trong điều kiện nghiên cứu này

- Đã đưa ra kết quả về độ bền mỏi của BTNC 19 kém hơn so với loại BTNC 12,5 ta ̣i điều kiện thí nghiệm 10 0C, 10 Hz

- Đã kiểm toán mỏi lớp BTN trong thiết kế kết cấu áo đường; sử dụng kết quả nghiên cứu để dự báo tuổi thọ mỏi cho lớp BTN

- Luận án chỉ sử du ̣ng 01 đường cong cấp phối cốt liê ̣u cho mỗi loa ̣i BTNC 12,5 hoă ̣c BTNC 19, không khảo sát ảnh hưởng của “cấp phối thô” đến đô ̣ bền mỏi của BTN

(2) Luận án tiến sỹ “Nghiên cứu ảnh hưởng cốt sợi thủy tinh phân tán đến khả năng chống mỏi và chống lún vệt bánh xe của bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam” của tác giả Vũ Phương Thảo (Luâ ̣n án bảo vê ̣ thành công vào tháng 5/2015 ta ̣i Trường Đa ̣i ho ̣c Giao thông

vận tải) [13] Kết quả:

- Đã phân tích được ảnh hưởng của cốt sợi phân tán cải thiện đặc tính chống mỏi và chống LVBX của bê tông nhựa;

- Đã lựa chọn phương pháp thí nghiệm mỏi uốn dầm 4 điểm, chế đô ̣ thí nghiê ̣m khống chế ứng suất; phương pháp thí nghiê ̣m LVBX trong môi trường không khí, nhiê ̣t đô ̣ mẫu 60

0C để thí nghiê ̣m mẫu BTNC 12,5 với loa ̣i nhựa đường 40/50 và PMBIII theo TCVN 8819:2011, hàm lượng sợi thủy tinh khác nhau (0%; 0,1%; 0,3%; 0,5%)

- Đã đề xuất công thức hỗn hợp bê tông nhựa gia cường sợi thủy tinh phân tán với hàm lượng sợi tốt nhất 0,3%, sử dụng nhựa PMBIII và nhựa 40/50 Đã đưa ra định lượng hiệu quả cải thiê ̣n khả năng chống mỏi và chống LVBX của bê tông nhựa cốt sợi thủy tinh phân tán với bê tông nhựa đối chứng là 2 loại nhựa PMBIII và 40/50;

- Luận án chỉ sử du ̣ng 01 đường cong cấp phối cốt liê ̣u cho mỗi loa ̣i BTNC 12,5, không khảo sát ảnh hưởng của “cấp phối thô” đến LVBX và đô ̣ bền mỏi của BTN

1.6 Những vấn đề tồn tại cần giải quyết trong luận án

Qua phân tích những kết quả nghiên cứu của thế giới về các nhân tố ảnh hưởng của

nứ t mỏi, của LVBX đến BTN; qua những kết quả thực hiê ̣n ta ̣i Viê ̣t Nam trong những năm

gần đây, những vấn đề tồn ta ̣i cần được giải quyết trong luâ ̣n án này được lựa cho ̣n như sau

1.6.1 Về a ̉ nh hưởng của mức độ thô của “cấp phối thô” đến lún vệt bánh xe

1.6.1.1 Phân ti ́ch

- TCVN 8819:2011 không đưa ra quy đi ̣nh về “cấp phối thô”

- SuperPave (AASHTO M320-10 [44] ) có đưa ra quy đi ̣nh này, nhưng không có khuyến nghi ̣ rõ ràng, khuyến nghi ̣ khi thiết kế hỗn hợp BTN thì sử du ̣ng 03 loa ̣i cấp phối,

“cấp phối thô”, “cấp phối mi ̣n” và lựa cho ̣n cấp phối nào trên cơ sở kết quả thiết kế

- QĐ 859 đưa ra quy đi ̣nh về “cấp phối thô” và hướng dẫn thiết kế cấp phối theo đường cong chữ S áp du ̣ng cho đường có qui mô giao thông lớn nhằm giảm thiểu LVBX

- Luận án tiến sỹ của tác giả Trần Thiện Lưu, Vũ Phương Thảo chưa khảo sát ảnh hưởng của mức đô ̣ thô của “cấp phối thô” đến ảnh hưởng LVBX và đô ̣ bền mỏi của BTN

- Hiện nay, nhiều nhà thầu thi công áp du ̣ng cấp phối “quá thô” để thiết kế hỗn hợp BTN Thực tế vẫn có những đoa ̣n dự án xảy ra LVBX hoă ̣c nứt do mỏi

1.6.1.2 Lựa chọn

- “Cấp phối thô” áp du ̣ng cho BTN thường tỷ lê ̣ thuâ ̣n với khả năng kháng LVBX, do

đó, để đánh giá ảnh hưởng của mức đô ̣ “thô” của “cấp phối thô” đến chất lượng mă ̣t đường BTN phải xem xét đến ảnh hưởng kháng mỏi của BTN, theo kết quả phân tích ta ̣i mu ̣c 1.2

và mu ̣c 1.3 thì ảnh hưởng của BTN đến LVBX và nứt mỏi là hai chỉ tiêu có xu thế ngược nhau

- Vì vâ ̣y, luâ ̣n án lựa cho ̣n nô ̣i dung chính để nghiên cứu là ảnh hưởng của mức đô ̣ thô

củ a “cấp phối thô” của BTN đến LVBX có xem xét đến đô ̣ bền mỏi của BTN để đưa ra những khuyến nghi ̣ về mức đô ̣ thô của “cấp phối thô” phù hợp cho BTN (BTNC 12,5; BTNC 19) vớ i các loa ̣i nhựa đường khác nhau, các loa ̣i cốt liê ̣u đá dăm điển hình cho khu vực Miền

Bắc

- Để đánh giá ảnh hưởng của mức đô ̣ thô của “cấp phối thô” của BTN có liên quan đến nhựa đường, ngoài viê ̣c sử du ̣ng nhựa đường 60/70 đang được áp du ̣ng phổ biến hiê ̣n nay, luận án còn tâ ̣p trung vào loa ̣i nhựa đường 40/50 đang được khuyến nghi ̣ áp du ̣ng ta ̣i

QĐ 858/QĐ-BGTVT và TCVN 8819:2011 nhưng hầu như chưa được sử du ̣ng ta ̣i Viê ̣t Nam

cũng như loa ̣i nhựa đường cải thiê ̣n polime PMB III được đánh giá có nhiều tính năng tốt nhưng áp du ̣ng khá ha ̣n chế cho đường bô ̣ hiê ̣n nay

1.6.2 Về nguyên nhân gây lún vệt bánh xe cu ̉ a mă ̣t đường bê tông nhựa xảy ra trong như ̃ng năm gần đây

1.6.2.1 Phân ti ́ch

Từ năm 2011 đến nay, LVBX xảy ra nhiều trên các tuyến đường tại Việt Nam Viê ̣n Khoa học và Công nghê ̣ GTVT đã triển khai kiểm đi ̣nh tại các đoa ̣n đường đó Tuy nhiên, chưa xác đi ̣nh rõ các nguyên nhân đă ̣c thù liên quan đến LVBX

1.6.2.2 Lựa chọn

Qua phân tích trên, luâ ̣n án lựa cho ̣n nô ̣i dung đánh giá nguyên nhân gây LVBX trên

một số tuyến Quốc lô ̣ tại Viê ̣t Nam để nghiên cứu Trên cơ sở kết quả nghiên cứu trên thế giớ i về những nguyên nhân gây ra LVBX, luâ ̣n án sử du ̣ng kết quả kiểm đi ̣nh của Viê ̣n Khoa

học và Công nghê ̣ GTVT để phân tích, đưa ra nguyên nhân

1.6.3 Về ảnh hưởng liên quan đến đồng thời lún vệt bánh xe và độ bền mo ̉i của bê tông nhựa

Để có thể phân tích đánh giá nguyên nhân hư hỏng LVBX trên mô ̣t số tuyến đường trong nướ c gần đây cũng như đánh giá được ảnh hưởng của mức đô ̣ “thô” của cấp phối cốt liệu BTN theo QĐ 858/QĐ-BGTVT cần thiết phải nghiên cứu các ảnh hưởng liên quan đến đồng thởi cả LVBX và đô ̣ bền mỏi của BTN trên cơ sở tổng kết các kết quả nghiên cứu của thế giới trong những năm gần đây (chương 1)

Với phân tích nêu trên, để xem xét ảnh hưởng đồng thởi cả LVBX và đô ̣ bền mỏi của

BTN, nghiên cứu sinh lựa chọn tên luận án tiến sỹ “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng

đến biến dạng lún vệt bánh xe có xét đến đặc tính mỏi của bê tông nhựa chặt làm lớp mặt đường Việt Nam”