Từ thập niên 1940, Mỹ đã nghiên cứu và đề xuất ra loại kết cấu mặt đường sử dụng BTNR nhằm khắc phục tình trạng thoát nước trên mặt kém tạo thành màng nước - hiệu ứng hydroplaning - giữa
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, kết cấu mặt đường tại Việt Nam, đặc biệt là ở Thành phố Hồ Chí Minh, chủ yếu sử dụng bê tông nhựa chặt (BTNC) hai lớp Lớp dưới là BTNC hạt trung được thảm trên móng cấp phối đá dăm, trong khi lớp trên cùng là BTNC hạt mịn, tạo thành một khối chặt rắn chắc Kết cấu này mang lại ưu điểm về cường độ cao và khả năng chống thấm nước.
Lớp BTNC hạt mịn ở trên cùng có cấp phối liên tục và hàm lượng hạt lớn ít, dẫn đến độ rỗng nhỏ (3~6%) và độ nhám vĩ mô thấp Điều này làm giảm sức kháng trượt của mặt đường, gây nguy cơ trơn trượt và mất an toàn cho xe chạy, đặc biệt trong điều kiện thời tiết mưa, không đáp ứng yêu cầu khai thác ở tốc độ cao.
Mặt đường không thấm nước gây ra tình trạng nước chảy lan khi trời mưa, tạo bụi nước mù mịt cản trở tầm nhìn và ảnh hưởng đến an toàn giao thông, đặc biệt trong các đô thị lớn có mật độ lưu thông cao Để cải thiện sức kháng trượt, nhiều giải pháp đã được nghiên cứu, như lớp bê tông nhựa mỏng VTO và Novachip, nhưng vẫn chưa khắc phục triệt để hiện tượng hydroplaning do độ rỗng của bê tông nhựa chỉ từ 10-15% Thêm vào đó, lớp tăng cường mỏng (dưới 3 cm) không được tính vào kết cấu, và chi phí vật liệu cùng công nghệ thi công cao cũng là rào cản lớn cho việc áp dụng tại các đô thị như thành phố Hồ Chí Minh.
Gần đây, lớp mặt đường bê tông nhựa chặt hạt mịn đã xuất hiện hiện tượng hằn lún vệt bánh xe, một phần do việc sử dụng nhiều cốt liệu nhỏ Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã tư vấn cho Bộ Giao thông ban hành quyết định số 858/BGTVT ngày 26/3/2014, khuyến cáo sử dụng bê tông nhựa với thành phần hạt thô hơn và ít mịn hơn nhằm hạn chế hiện tượng hằn lún Tuy nhiên, đến nay, hiện tượng này vẫn chưa được khắc phục triệt để.
Tại Nhật Bản, các thử nghiệm cho thấy mặt đường BTNR, mặc dù có độ rỗng cao hơn, nhưng lại có vệt hằn lún bánh xe nhỏ hơn so với mặt đường BTNC Tại Anh, thử nghiệm BTNR ở Burton năm 1987 cho thấy tỷ lệ vệt hằn lún chỉ nhỏ hơn 2 mm/năm sau 8 năm khai thác, được coi là chấp nhận được Mặc dù sự biến dạng của mặt đường phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ giao thông, khí hậu và tải trọng, nhưng BTNR rỗng vẫn cho thấy khả năng hạn chế vệt hằn bánh xe tốt hơn so với BTNC (Daines, 1992).
Bê tông nhựa rỗng (BTNR) với độ dày 4-5cm và độ rỗng dư cao khoảng 20% mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với lớp phủ bê tông nhựa mỏng có độ nhám cao VTO Loại bê tông này giúp hạn chế suy giảm sức kháng trượt khi trời mưa, tăng khả năng chống ồn và đủ cường độ để tính toán kết cấu, do đó đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên thế giới trong những năm gần đây.
Từ thập niên 1940, Mỹ đã phát triển kết cấu mặt đường BTNR để cải thiện khả năng thoát nước, giảm thiểu hiện tượng hydroplaning giữa mặt đường và bánh xe trong điều kiện mưa lớn Giải pháp này không chỉ nâng cao an toàn giao thông bằng cách loại bỏ màng nước mà còn tăng cường khả năng chống ồn Hiện nay, BTNR đã trở nên phổ biến tại Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản và Trung Quốc.
Vào những năm 1970, Viện Franklin Philadelphia, Mỹ đã phát minh ra kết cấu mặt đường bê tông nhựa rỗng (porous asphalt pavement) không sử dụng cốt liệu chứa hạt mịn nhỏ hơn 600 µm hay lọt qua sàng No30, cho phép nước thấm qua mặt đường nhựa xuống dưới Dưới mặt đường nhựa là lớp móng bằng cốt liệu sạch, có kích cỡ đồng nhất và độ rỗng lớn khoảng 40% Nước mưa thấm qua mặt đường nhựa, được giữ lại bởi lớp móng đá và thẩm thấu từ từ xuống đất, hoặc được dẫn đi nhờ các hệ thống ống dẫn.
Mặt đường bê tông nhựa rỗng có hiệu quả thoát nước tốt nhờ cấu trúc hở, cho phép nước thấm qua, giúp khắc phục tình trạng đọng nước Điều này không chỉ tăng độ nhám, đảm bảo an toàn cho xe chạy mà còn giảm khả năng hằn lún mặt đường Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng loại mặt đường này tại đô thị thành phố Hồ Chí Minh là cần thiết.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu việc trải thảm lớp bê tông nhựa rỗng trên mặt đường cũ giúp nước mưa được hút xuống lớp dưới và chảy ra hai bên, từ đó chống trơn trượt, đảm bảo độ nhám, và tăng cường độ ổn định, nâng cao an toàn giao thông cho mặt đường.
Phương pháp nghiên cứu
Thử nghiệm trong phòng các chỉ tiêu cơ lý là cần thiết để lựa chọn vật liệu như đá, cát, bột khoáng và nhựa đường Việc sử dụng các loại phụ gia tăng cường độ và độ dính kết giữa các hạt cốt liệu là quan trọng để đảm bảo bê tông nhựa đường (BTNR) có độ thấm nước cao.
Thử nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa rỗng Thử nghiệm độ thấm của bê tông nhựa rỗng
Tổng hợp đánh giá các kết quả thử nghiệm nhằm so sánh với quy trình trong và ngoài nước, hướng tới việc lựa chọn giải pháp kết cấu và công nghệ thi công hợp lý cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh.
Kết cấu của luận văn:
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, kết cấu luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về bê tông nhựa rỗng thoát nước
Chương 2: Thành phần hỗn hợp và chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu cho bê tông nhựa rỗng thoát nước
Chương 3: Thiết kế, thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa rỗng thoát nước ở Thành phố Hồ Chí Minh và phạm vi ứng dụng.
TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA RỖNG THOÁT NƯỚC
Định nghĩa về bê tông nhựa nóng
Theo tiêu chuẩn TCVN 8819:2011, hỗn hợp bê tông nhựa nóng (BTNN) là sự kết hợp của các cốt liệu như đá, cát và bột khoáng, được phối trộn theo tỷ lệ xác định Các cốt liệu này được sấy nóng và trộn đều trước khi kết hợp với nhựa đường theo tỷ lệ thiết kế Hỗn hợp BTNN được sản xuất tại các trạm trộn chuyên dụng.
Phân loại bê tông nhựa
Theo cấp phối cốt liệu, bê tông nhựa nóng (BTNN) được phân loại thành ba loại chính: cấp phối chặt, cấp phối rỗng và cấp phối gián đoạn.
Cấp phối chặt, hay còn gọi là cấp phối liên tục, được phát triển từ năm 1872 bởi De Smedt và đã được thử nghiệm tại Công viên Battery và Đại lộ 5 ở New York Hiện nay, BTNN cấp phối chặt là sản phẩm truyền thống phổ biến trên toàn thế giới, phù hợp cho mọi cấp đường và có thể sử dụng làm lớp móng, lớp liên kết hoặc lớp mặt Với độ rỗng thấp từ 3-6%, BTNN cấp phối chặt đảm bảo mặt đường không bị thấm nước Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của ngành giao thông vận tải đã đặt ra câu hỏi về tính khả thi của việc sử dụng cấp phối chặt cho các tuyến đường siêu trường, siêu trọng, đường cao tốc và đường cảng, dẫn đến việc quy mô sử dụng chúng trong các cấp đường này ngày càng thu hẹp.
Hình 1.1 Ảnh mô phỏng và mẫu khoan hiện trường BTNN cấp phối chặt [7]
- Cấp phối rỗng được chia làm 2 loại: cấp phối rỗng nhám và cấp phối rỗng thoát nước
Cấp phối rỗng nhám (open-graded friction course) có độ rỗng lớn hơn 15% và chỉ được sử dụng cho lớp mặt mỏng Từ năm 1950, loại cấp phối này đã được áp dụng rộng rãi tại Mỹ Ngoài khả năng tạo ma sát và chống trượt nhờ độ nhám thích hợp, BTNN cấp phối rỗng nhám còn giúp giảm bắn tóe nước khi mưa và giảm tiếng ồn trên mặt đường Loại cấp phối này rất phù hợp cho lớp mặt của các đường cao tốc, đường đua, cũng như những đoạn đường đèo và dốc.
Tuy nhiên cấp phối này được khuyến cáo không nên dùng ở những nút giao thông và khu vực xe lưu thông tốc độ chậm
+ Cấp phối rỗng thoát nước (asphalt-treated permeable base) BTNN cấp phối rỗng có chức năng thoát nước cho mặt đường được thiết kế với độ rỗng cao >18%
Hình 1.2 Ảnh mô phỏng và mẫu khoan hiện trường BTNN cấp phối rỗng[7]
Cấp phối gián đoạn, bao gồm BTNN cấp phối gián đoạn và hỗn hợp đá vữa nhựa (SMA), được thiết kế theo nguyên tắc đá chèn đá, tạo ra một bộ khung vững chắc và chịu lực tốt Đây là sản phẩm ưu việt, đặc biệt hiệu quả trong việc chống đùn trồi và các biến dạng mỏi Hỗn hợp đá vữa nhựa SMA, được phát minh bởi Cộng hòa liên bang Đức từ năm 1960, nổi bật với những tính năng vượt trội Do đó, cấp phối gián đoạn được khuyên dùng cho các tuyến đường siêu trường, siêu trọng, cũng như các nút giao thông và khu vực giao thông tốc độ chậm.
Hình 1.3 Ảnh mô phỏng và mẫu khoan BTNN cấp phối gián đoạn [7]
* Phân loại theo nhiệt độ
1 Bê tông nhựa nóng: Hỗn hợp được rải và đầm chặt ở nhiệt độ tối thiểu từ
2 Bê tông nhựa ấm: Hỗn hợp được rải và đầm chặt ở nhiệt độ tối thiểu từ 90 0 c
3 Bê tông nhựa nguội: Được trộn, rải và đầm chặt ở nhiệt độ thông thường
* Phân loại theo cốt liệu Bê tông nhựa hạt thô, bê tông nhựa hạt trung, bê tông nhựa hạt mịn và bê tông nhựa hạt cát
Phân loại theo kết cấu sử dụng Bê tông nhựa lớp loại I, bê tông nhựa loại II
* Phân loại theo kích cỡ lớn nhất của viên đá hoặc cát
Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định của bê tông nhựa chặt, được phân ra 4 loại [6]:
- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 12,5 mm), viết tắt là BTNC 9,5;
- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là
19 mm), viết tắt là BTNC 12,5;
- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là
25 mm), viết tắt là BTNC 19;
- Bê tông nhựa cát, có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 9,5 mm), viết tắt là BTNC 4,75
* Phân loại theo hàm lượng của đá dăm (cỡ hạt từ 5mm trở lên) [6]
Loại A bê tông Asphalt nhiều đá dăm , khi đá dăm chiếm 50-65% khối lượng
Loại B bê tông Asphalt vừa đá dăm , khi đá dăm chiếm 35-50% khối lượng
Loại C bê tông Asphalt ít đá dăm , khi đá dăm chiếm 20-35% khối lượng
Loại D bê tông Asphalt thiên nhiên
Loại G bê tông Asphalt cát nghiền.
Bê tông nhựa rỗng thoát nước
Bê tông nhựa rỗng thoát nước là loại bê tông nhựa có cấu trúc cốt liệu hở, được liên kết bằng vật liệu bitum cải tiến, giúp nâng cao cường độ Sau khi đầm lèn, bê tông này có độ rỗng cao khoảng 20% Nó thường được sử dụng ở lớp trên cùng của vật liệu chặt kính như BTN chặt, nhằm mục đích ngăn chặn nước mưa thấm xuống mặt đường, cho phép nước chảy trong lớp bê tông nhựa rỗng và thoát ra ngoài qua hệ thống ống dẫn hoặc tràn ra hai bên, giữ cho mặt đường khô ráo.
Hình 1.4 Bê tông nhựa thông thường và Bê tông nhựa rỗng thoát nước
1.3.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu bê tông nhựa rỗng trên thế giới
1.3.1.1 Tình tình nghiên cứu tại Mỹ
Mỹ chủ yếu áp dụng lớp tạo nhám cấp phối hở dạng VTO (Open Graded Friction Courses - OGFC) với độ rỗng dư từ 12-16% và chiều dày thảm từ 1,5cm đến 2cm Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, nhiều Bang đã gặp phải các vấn đề bất cập liên quan đến OGFC, dẫn đến việc không còn sử dụng loại lớp này nữa Các hư hỏng thường gặp với OGFC bao gồm
Suy giảm tính năng của OGFC là vấn đề chính, thường do bụi hoặc muối tan băng làm tắc lỗ rỗng, dẫn đến mất chức năng thấm và thoát nước Điều này làm giảm đáng kể chu kỳ tuổi thọ của lớp OGFC, đặc biệt là trong môi trường đô thị, nơi vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn.
Vấn đề thứ hai là hiện tượng bong tróc (raveling) của lớp OGFC, khi lớp này chỉ có tuổi thọ khoảng 6 đến 8 năm, trong khi cấp phối mịn truyền thống có tuổi thọ trung bình lên đến 13 năm Điều này cho thấy tuổi thọ của lớp OGFC chỉ bằng gần một nửa so với BTN truyền thống.
Cơ chế hư hỏng của OGFFC cho thấy rằng từ khi phát hiện những lỗ hư hỏng nhỏ cho đến khi chúng phát triển ra toàn mặt chỉ mất vài tuần đến một tháng Tốc độ hư hỏng và bong tróc diễn ra rất nhanh, gây khó khăn và tốn kém trong việc xử lý các hư hỏng này.
Yêu cầu về vật liệu ở các Bang nước Mỹ khác nhau, với Bang Georgia yêu cầu vật liệu có khả năng chịu mài mòn tốt và các mặt vỡ của đá tương đối cao Bang Arizona yêu cầu sử dụng nhựa đường cao su làm vật liệu dính kết cho lớp OGFC, trong khi các Bang khác chủ yếu sử dụng nhựa đường cải tính để đảm bảo hiệu quả tối ưu cho lớp cấp phối mở Chỉ có Bang Wyoming vẫn sử dụng nhựa đường thường.
Giá trị cường độ của vật liệu lớp OGFC thường thấp hơn so với bê tông nhựa chặt cấp phối hạt mịn trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, thực tế cho thấy kết quả thí nghiệm vệt hằn bánh xe của OGFC lại tốt hơn so với bê tông nhựa chặt cấp phối hạt mịn.
Bang Arizona (ADOT) đã sử dụng cấp phối hở từ năm 1954 nhằm nâng cao khả năng kháng trượt và thoát nước nhanh của mặt đường khi mưa ADOT từng áp dụng nhựa đường thường với OGFFC và nhựa đường cao su (AR-OGFC) Nghiên cứu kéo dài 10 năm cho thấy AR-OGFC vượt trội hơn OGFC về khả năng chống nứt, vệt hằn bánh xe, độ bằng phẳng, và giá trị kháng trượt Mặc dù chi phí sửa chữa AR-OGFC cao hơn 1,3 lần so với OGFC, nhưng tuổi thọ trung bình của AR-OGFC là 13 năm, gấp đôi so với 7 năm của OGFC, cho thấy lựa chọn nhựa đường cao su tiết kiệm chi phí hơn trong dài hạn Ngoài ra, AR-OGFC còn giảm tiếng ồn lên đến 5.7 dB(A) theo nghiên cứu của trung tâm nghiên cứu bang Arizona năm 1996.
1.3.1.2 Tình tình nghiên cứu tại Châu Âu
Tại Châu Âu, BTNR, hay lớp Porous Asphalt, thường được sử dụng với độ dày từ 4cm đến 5cm Trong những năm gần đây, BTNR đã trở thành lựa chọn phổ biến, ban đầu được gọi là Friction Course, dùng làm lớp kháng trượt cho sân bay quân dụng, sau đó được áp dụng trên các đường quốc lộ Ở Anh, nó được gọi là đường thấm nước Macadam, ở Pháp là lớp bê tông nhựa thoát nước, và ở Đức là lớp BTN tĩnh âm Năm 1992, Châu Âu thống nhất tên gọi BTNR cho loại hỗn hợp BTN có độ rỗng dư từ 20% trở lên Mục đích chính của việc sử dụng hỗn hợp này là cải thiện tầm nhìn, tăng độ nhám khi lái xe trong mưa và giảm tiếng ồn khi xe chạy.
Tình hình nghiên cứu sử dụng BTNR tại Châu Âu được phân tích dưới đây:
1 Bê tông nhựa rỗng tại Vương quốc Anh
Phòng thí nghiệm đường bộ và vận tải Anh Quốc (Transport and Road Research Laboratory - TRRL) đã bắt đầu nghiên cứu về BTNR từ những năm trước đây.
Vào năm 1970, nghiên cứu của TRRL về đặc tính của BTNR không đạt được kết quả như mong đợi do kỹ thuật nhựa đường cải tính chưa hoàn thiện Tuy nhiên, gần đây, với sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ vật liệu, tình hình đã có những cải thiện đáng kể.
Năm 1995, các đoạn đường thí nghiệm BTNR đã chứng minh khả năng giảm tiếng ồn do xe chạy và bắn nước trong trời mưa Nghiên cứu từ Anh Quốc cho thấy, khi lắp dụng cụ đo nước bắn lên sau lốp xe ở tốc độ cao, lượng nước bắn khi xe chạy trên lớp BTNR chỉ bằng khoảng 5% đến 10% so với lớp BTNC thông thường Mặc dù lượng nước bắn có thể tăng theo thời gian sử dụng, nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với BTNC hạt mịn TRRL đánh giá đây là một bước đột phá mới nhờ tính năng vượt trội của nhựa đường cải tiến Nếu không có nhựa đường cải tiến, lớp BTNR dày 1 đến 2 inch sẽ dễ bị hư hỏng bong tróc trong thời gian ngắn do tải trọng giao thông.
2 Bê tông nhựa rỗng tại Pháp
BTNR tại Pháp chủ yếu sử dụng nhựa đường biến tính với phụ gia từ bột lốp xe cao su phế thải và chất chống ô xy hóa Loại nhựa đường này cải thiện tính dẻo, tăng tính dính kết, kháng mỏi và lão hóa Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho thấy tính ưu việt của nhựa đường biến tính chỉ tồn tại trong thời gian đầu, và sau một thời gian dài, tính ổn định kém, đặc biệt khi chịu ô xy hóa, có thể dẫn đến hiện tượng cứng và gãy ở nhiệt độ thấp.
3 Bê tông nhựa rỗng tại Đan Mạch Đan Mạch là một nước rất coi trọng việc bảo vệ môi trường ở Châu Âu, chính phủ Đan Mạch rất coi trọng việc sử dụng BTN rỗng, đặc biệt chú ý đến khả năng giảm tiếng ồn do xe chạy Nghiên cứu những năm 1990 của Cục quản lý đường bộ Đan
Sử dụng BTNR trên các đường cao tốc ngoại ô cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giảm tiếng ồn do xe chạy Công trình thử nghiệm bao gồm 5 đoạn, trong đó có 2 đoạn sử dụng BTNC với hạt mịn có đường kính lớn nhất 12mm, một đoạn sử dụng BTNR với hạt kính có đường kính danh định lớn nhất 12mm, và 2 đoạn còn lại là BTNR với hạt kính có đường kính danh định lớn nhất 8mm, với độ rỗng dư từ 18% đến 22%.
Kết luận chung
Những thuận lợi và khó khăn khi sử dụng BTNR làm lớp thoát nước mặt ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh
Thành phố Hồ Chí Minh đang nỗ lực xây dựng một thành phố văn minh, hiện đại, với mục tiêu trở thành Hòn ngọc Viễn Đông Để đạt được điều này, thành phố đã đề xuất các dự án xây dựng cơ sở hạ tầng hiện đại và khắc phục tình trạng ngập nước, với tổng kinh phí lên đến 72 nghìn tỷ đồng được trình lên Quốc hội.
Dự án xây dựng 6 cống kiểm soát triều tại các khu vực Bến Nghé, Tân Thuận, Phú Xuân, Mương Chuối, Cây Khô, và Phú Định, kết hợp với tuyến đê bao ven sông Sài Gòn, sẽ kéo dài từ Vàm Thuật đến sông Kinh với tổng chiều dài hơn 7,8 km.
TP HCM dự kiến chi 950 tỷ đồng để xây dựng 3 hồ điều tiết nhằm giải quyết tình trạng ngập úng ở khu trung tâm Hồ Gò Dưa tại quận Thủ Đức sẽ là hồ lớn nhất với diện tích 95 ha và vốn đầu tư 600 tỷ đồng Hồ Khánh Hội ở quận 4 có diện tích 4,8 ha với kinh phí 300 tỷ đồng, trong khi hồ Bàu Cát tại quận Tân Bình rộng 0,4 ha với vốn đầu tư 50 tỷ đồng Bên cạnh đó, thành phố cũng có kế hoạch mở rộng và gia cố một số hồ cảnh quan trong công viên để chuyển đổi thành hồ điều tiết nước.
- Theo nghị quyết Đại hội Đảng bộ TP HCM lần thứ X, Bí thư Thành ủy Đinh
La Thăng quyết tâm đưa thành phố Sài Gòn trở lại vị trí "Hòn ngọc Viễn Đông" nổi tiếng, khẳng định vai trò đầu tàu phát triển kinh tế sau 40 năm giải phóng Tuy nhiên, để duy trì vị thế này, thành phố cần một cơ chế vận hành mới và nguồn năng lượng hiện đại, không thể tiếp tục dựa vào than đá và diesel, mà phải chuyển sang năng lượng nguyên tử để phát triển nhanh chóng.
Thành phố Hồ Chí Minh nằm gần các tỉnh như Bình Dương và Đồng Nai, nơi có nhiều mỏ đá chất lượng cao Ngoài ra, thành phố còn sở hữu một mạng lưới giao thông đường bộ và đường thủy phát triển, thuận lợi cho việc vận chuyển.
- Ngân sách còn hạn chế, hiện TP chỉ mới đầu tư những công trình quy mô nhỏ, không thể thoát nước nhanh trong trường hợp có mưa lớn
- Bê tông nhựa rỗng thoát nước không phát huy tác dụng vào những ngày triều cường thường xảy ngập trên diện rộng.
THIẾT KẾ, THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG NHỰA RỖNG THOÁT NƯỚC Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG
Chương 3: Thiết kế, thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa rỗng thoát nước ở Thành phố Hồ Chí Minh và phạm vi ứng dụng
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG NHỰA RỖNG THOÁT NƯỚC
1.1 Định nghĩa về bê tông nhựa nóng
Theo tiêu chuẩn TCVN 8819:2011, hỗn hợp bê tông nhựa nóng (BTNN) là sự kết hợp của các cốt liệu như đá, cát và bột khoáng với tỷ lệ phối trộn xác định Các cốt liệu này được sấy nóng và trộn đều trước khi kết hợp với nhựa đường theo tỷ lệ thiết kế Hỗn hợp BTNN được sản xuất tại các trạm trộn chuyên dụng.
1.2 Phân loại bê tông nhựa
Theo cấp phối cốt liệu, bê tông nhựa nóng (BTNN) được phân loại thành ba loại chính: cấp phối chặt, cấp phối rỗng và cấp phối gián đoạn.
Cấp phối chặt, hay còn gọi là cấp phối liên tục, được phát triển từ năm 1872 bởi De Smedt và đã được thử nghiệm tại Công viên Battery và Đại lộ 5 ở New York Hiện nay, BTNN cấp phối chặt là sản phẩm truyền thống phổ biến trên toàn thế giới, phù hợp cho mọi cấp đường và có thể sử dụng làm lớp móng, lớp liên kết hoặc lớp mặt Với độ rỗng thấp từ 3-6%, BTNN cấp phối chặt đảm bảo mặt đường không bị thấm nước Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của ngành giao thông vận tải đã đặt ra câu hỏi về tính khả thi của việc sử dụng cấp phối chặt cho các tuyến đường siêu trường, siêu trọng, đường cao tốc và đường cảng, dẫn đến việc quy mô sử dụng chúng trong các cấp đường này ngày càng thu hẹp.
Hình 1.1 Ảnh mô phỏng và mẫu khoan hiện trường BTNN cấp phối chặt [7]
- Cấp phối rỗng được chia làm 2 loại: cấp phối rỗng nhám và cấp phối rỗng thoát nước
Cấp phối rỗng nhám (open-graded friction course) có độ rỗng lớn hơn 15% và chỉ được sử dụng cho lớp mặt mỏng Từ năm 1950, loại cấp phối này đã được áp dụng rộng rãi tại Mỹ Ngoài việc tạo ma sát và chống trượt nhờ độ nhám thích hợp, BTNN cấp phối rỗng nhám còn giúp giảm bắn tóe nước khi mưa và giảm tiếng ồn trên mặt đường Loại cấp phối này rất phù hợp cho các lớp mặt đường cao tốc, đường đua, và những đoạn đường đèo, dốc.
Tuy nhiên cấp phối này được khuyến cáo không nên dùng ở những nút giao thông và khu vực xe lưu thông tốc độ chậm
+ Cấp phối rỗng thoát nước (asphalt-treated permeable base) BTNN cấp phối rỗng có chức năng thoát nước cho mặt đường được thiết kế với độ rỗng cao >18%
Hình 1.2 Ảnh mô phỏng và mẫu khoan hiện trường BTNN cấp phối rỗng[7]
Cấp phối gián đoạn, bao gồm BTNN cấp phối gián đoạn và hỗn hợp đá vữa nhựa (SMA), được thiết kế theo nguyên tắc đá chèn đá, tạo ra một bộ khung vững chắc và chịu lực tốt Đây là sản phẩm ưu việt, đặc biệt hiệu quả trong việc chống đùn trồi và các biến dạng mỏi Hỗn hợp đá vữa nhựa SMA, được phát minh bởi Cộng hòa liên bang Đức từ năm 1960, nổi bật với những tính năng vượt trội Do đó, cấp phối gián đoạn được khuyên dùng cho các tuyến đường siêu trường, siêu trọng, cũng như các nút giao thông và khu vực giao thông tốc độ chậm.
Hình 1.3 Ảnh mô phỏng và mẫu khoan BTNN cấp phối gián đoạn [7]
* Phân loại theo nhiệt độ
1 Bê tông nhựa nóng: Hỗn hợp được rải và đầm chặt ở nhiệt độ tối thiểu từ
2 Bê tông nhựa ấm: Hỗn hợp được rải và đầm chặt ở nhiệt độ tối thiểu từ 90 0 c
3 Bê tông nhựa nguội: Được trộn, rải và đầm chặt ở nhiệt độ thông thường
* Phân loại theo cốt liệu Bê tông nhựa hạt thô, bê tông nhựa hạt trung, bê tông nhựa hạt mịn và bê tông nhựa hạt cát
Phân loại theo kết cấu sử dụng Bê tông nhựa lớp loại I, bê tông nhựa loại II
* Phân loại theo kích cỡ lớn nhất của viên đá hoặc cát
Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định của bê tông nhựa chặt, được phân ra 4 loại [6]:
- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 12,5 mm), viết tắt là BTNC 9,5;
- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là
19 mm), viết tắt là BTNC 12,5;
- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là
25 mm), viết tắt là BTNC 19;
- Bê tông nhựa cát, có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 9,5 mm), viết tắt là BTNC 4,75
* Phân loại theo hàm lượng của đá dăm (cỡ hạt từ 5mm trở lên) [6]
Loại A bê tông Asphalt nhiều đá dăm , khi đá dăm chiếm 50-65% khối lượng
Loại B bê tông Asphalt vừa đá dăm , khi đá dăm chiếm 35-50% khối lượng
Loại C bê tông Asphalt ít đá dăm , khi đá dăm chiếm 20-35% khối lượng
Loại D bê tông Asphalt thiên nhiên
Loại G bê tông Asphalt cát nghiền
1.3 Bê tông nhựa rỗng thoát nước
Bê tông nhựa rỗng thoát nước là loại bê tông nhựa có cấu trúc cốt liệu hở, được liên kết bằng vật liệu bitum cải tiến, giúp nâng cao cường độ Sau khi đầm lèn, bê tông này có độ rỗng cao khoảng 20% Nó thường được sử dụng ở lớp trên cùng của vật liệu chặt kính như BTN chặt, nhằm mục đích ngăn chặn nước mưa thấm xuống mặt đường, cho phép nước chảy trong lớp bê tông nhựa rỗng và thoát ra ngoài qua hệ thống ống dẫn hoặc tràn ra hai bên, giữ cho mặt đường khô ráo.
Hình 1.4 Bê tông nhựa thông thường và Bê tông nhựa rỗng thoát nước
1.3.1 Tổng quan kết quả nghiên cứu bê tông nhựa rỗng trên thế giới
1.3.1.1 Tình tình nghiên cứu tại Mỹ
Mỹ chủ yếu áp dụng lớp tạo nhám cấp phối hở dạng VTO (Open Graded Friction Courses - OGFC) với độ rỗng dư từ 12-16% và chiều dày thảm từ 1,5cm đến 2cm Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, nhiều Bang đã gặp phải những vấn đề bất cập liên quan đến OGFC, dẫn đến việc không còn sử dụng loại lớp này nữa Các hư hỏng thường gặp với OGFC bao gồm
Suy giảm tính năng của OGFC là vấn đề chính, thường do bụi hoặc muối tan băng làm tắc lỗ rỗng, dẫn đến mất chức năng thấm và thoát nước Điều này làm giảm chu kỳ tuổi thọ của lớp OGFC, đặc biệt là ở các thành phố, nơi vấn đề này càng trở nên nghiêm trọng hơn.
Vấn đề thứ hai là hiện tượng bong tróc (raveling) của lớp OGFC, khi lớp này chỉ có tuổi thọ khoảng 6 đến 8 năm, trong khi cấp phối mịn truyền thống có tuổi thọ trung bình lên đến 13 năm Điều này cho thấy tuổi thọ của lớp OGFC chỉ bằng gần một nửa so với BTN truyền thống.
Cơ chế hư hỏng của OGFFC cho thấy rằng từ khi phát hiện những lỗ hư hỏng nhỏ đến khi chúng phát triển ra toàn mặt chỉ mất vài tuần đến một tháng Tốc độ hư hỏng và bong tróc diễn ra rất nhanh, gây khó khăn và tốn kém trong việc xử lý các hư hỏng này.
Yêu cầu về vật liệu ở các Bang nước Mỹ khác nhau, với Bang Georgia yêu cầu vật liệu có khả năng chịu mài mòn tốt và các mặt vỡ của đá cao Bang Arizona yêu cầu sử dụng nhựa đường cao su làm vật liệu dính kết cho lớp OGFC, trong khi các Bang khác chủ yếu sử dụng nhựa đường cải tính để đảm bảo hiệu quả cho lớp cấp phối mở Chỉ có Bang Wyoming vẫn sử dụng nhựa đường thường.
Giá trị cường độ của vật liệu lớp OGFC thường thấp hơn so với bê tông nhựa chặt cấp phối hạt mịn trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, thực tế cho thấy kết quả thí nghiệm vệt hằn bánh xe của OGFC lại tốt hơn so với bê tông nhựa chặt cấp phối hạt mịn.
Bang Arizona (ADOT) đã sử dụng cấp phối hở từ năm 1954 nhằm nâng cao khả năng kháng trượt và thoát nước nhanh của mặt đường khi mưa ADOT từng áp dụng nhựa đường thường với OGFFC và nhựa đường cao su (AR-OGFC) Nghiên cứu kéo dài 10 năm cho thấy AR-OGFC vượt trội hơn OGFC về khả năng chống nứt, vệt hằn bánh xe, độ bằng phẳng, và giá trị kháng trượt Mặc dù chi phí sửa chữa AR-OGFC cao hơn 1,3 lần so với OGFC, nhưng tuổi thọ trung bình của AR-OGFC là 13 năm, gấp đôi so với 7 năm của OGFC, cho thấy lựa chọn nhựa đường cao su tiết kiệm chi phí hơn trong dài hạn Ngoài ra, AR-OGFC còn giảm tiếng ồn lên đến 5.7 dB(A) theo nghiên cứu của trung tâm nghiên cứu bang Arizona năm 1996.
1.3.1.2 Tình tình nghiên cứu tại Châu Âu
Tại Châu Âu, BTNR, hay lớp Porous Asphalt, được biết đến như lớp thoát nước với độ dày từ 4cm đến 5cm Trong những năm gần đây, BTNR đã được sử dụng rộng rãi, ban đầu mang tên Friction Course, phục vụ cho các sân bay quân dụng và sau đó được áp dụng trên các đường quốc lộ Ở Anh, nó được gọi là đường thấm nước Macadam, ở Pháp là lớp bê tông nhựa thoát nước, và ở Đức là lớp BTN tĩnh âm Năm 1992, Châu Âu thống nhất tên gọi BTNR cho loại hỗn hợp BTN có độ rỗng dư từ 20% trở lên Mục đích chính của việc sử dụng hỗn hợp này là cải thiện tầm nhìn, tăng độ nhám khi lái xe trong mưa và giảm tiếng ồn khi xe chạy.
Tình hình nghiên cứu sử dụng BTNR tại Châu Âu được phân tích dưới đây:
1 Bê tông nhựa rỗng tại Vương quốc Anh
Phòng thí nghiệm đường bộ và vận tải Anh Quốc (Transport and Road Research Laboratory - TRRL) đã bắt đầu nghiên cứu về BTNR từ những năm trước đây.