Nghiên cứu sử dụng vật liệu lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon để giảm thiểu vệt hằn bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa luận văn thạc sỹ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Tính cấp thiết của đề tài Một số tuyến đường chính của Thành phố Hồ Chí Minh cũng như các tỉnh hiện nay mặt đường có hiện tượng bị lún vệt hằn bánh xe khi xe tải trọng nặng chạy qua như

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Một số tuyến đường chính của Thành phố Hồ Chí Minh cũng như các tỉnh hiện nay mặt đường có hiện tượng bị lún vệt hằn bánh xe khi xe tải trọng nặng chạy qua như Đại lộ Đông Tây, Quốc lộ 22B, Quốc lộ 52, Quốc lộ 1A,… Nguyên nhân là do thiết kế kết cấu áo đường chưa hợp lý, lớp móng trên làm bằng cấp phối đá dăm – là loại vật liệu hở, không đủ sức chịu tải với những xe

có tải trọng lớn, dẫn đến lớp bê tông asphalt phía trên bị lún tại vệt bánh xe,

độ bằng phẳng của mặt đường không còn đảm bảo Do vậy, để giảm thiểu vệt hằn bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa, cần phải sử dụng vật liệu lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon để gia tăng cường độ làm tăng khả năng chịu lực của các lớp bê tông asphalt này

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu sử dụng hai loại vật liệu là lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon

để gia tăng cường độ của lớp bê tông asphalt Giảm thiểu vệt hằn bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa nhất là với các tuyến đường có nhiều xe tải trọng nặng chạy qua

III Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu giảm thiểu vệt hằn bánh xe cho mặt đường bê tông asphalt bằng phương pháp sử dụng vật liệu lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon để gia tăng cường độ cho lớp bê tông asphalt, nhất là với các tuyến đường có nhiều

xe tải trọng nặng

IV Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng xác định các chỉ tiêu của bê tông asphalt

có sử dụng vật liệu lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon Khi thí nghiệm có đối chứng với bê tông asphalt thông thường (không sử dụng hai loại vật liệu trên) Từ đó đưa ra các kết luận và đề xuất kiến nghị

V Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu, đánh giá dựa trên kết quả thí nghiệm các mẫu bê tông asphalt sử dụng vật liệu lưới sợi thủy tinh và lưới sợi cacbon

VI Kết cấu của luận văn:

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

SỬ DỤNG LƯỚI ĐỊA KỸ THUẬT ĐỂ GIA CƯỜNG

CHO BÊ TÔNG ASPHALT

1.1 Bê Tông Asphalt

1.1.1 Tổng quan về Bê tông nhựa (BTN) [9]:

Bê tông asphalt là vật liệu khoáng–bitum xây dựng đường, nhận được khi làm đặc hỗn hợp bê tông asphalt Hỗn hợp bê tông asphalt bao gồm đá dăm (hoặc sỏi), cát, bột khoáng, bitum dầu mỏ, phụ gia Hỗn hợp được thiết

kế hợp lý và gia nhiệt từ 120–1600C Thành phần của bê tông asphalt theo khối lượng thông thường như sau: đá dăm: 20–65%; cát: 30–66%; bột khoáng: 4–14%; bitum: 5–7%; và phụ gia tuỳ theo kết quả thí nghiệm

Trên cơ sở kết dính hữu cơ (bitum, guđrông, nhũ tương) trong xây dựng đường thường dùng các vật liệu hỗn hợp khoáng và chất kêt dính hữu cơ Phổ biến nhất và có chất lượng cao nhất từ vật liệu khoáng–bi tum là bê tông asphalt Bê tông asphalt là sản phẩm nhận được khi làm đặc và rắn chắc hỗn hợp asphalt–bê tông

Hỗn hợp bê tông asphalt bao gồm: đá dăm, cát, bột khoáng và bi tum được lựa chọn thành phần hợp lý, nhào trộn và gia công thành một hỗn hợp đồng nhất Cốt liệu lớn làm tăng khối lượng hỗn hợp, làm giảm giá thành của

bê tông asphalt và tăng cường độ và độ ổn định Cốt liệu nhỏ khi trộn với bitum tạo thành vữa asphalt làm tăng tính dẻo của hỗn hợp, ảnh hưởng đến khả năng làm việc và phạm vi ứng dụng của bê tông asphalt Bột khoáng làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ làm hỗn hợp đặc hơn và tăng tỷ lệ bề mặt của các cốt liệu, nó kết hợp với bitum tạo nên chất kết dính mới bao bọc và bôi trơn

bề mặt cốt liệu Chất lượng của bê tông asphalt phụ thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu, bột khoáng và độ quánh/ nhớt của bitum

Bê tông asphalt là tốt nhất so với các hỗn hợp vật liệu khoáng–bitum khác ở chỗ nó có độ đặc, cường độ, độ ổn định và độ bền cao do sự tham gia của bột khoáng trong thành phần

Bê tông asphalt được sử dụng làm lớp phủ mặt đường có lượng giao thông cao như đường cao tốc, đường thành phố và sân bay

Bê tông asphalt đòi hỏi kết cấu phía dưới có độ cứng cao để đảm bảo không bị nứt gẫy trong quá trình khai thác Đồng thời việc cải tiến độ nhám

để đảm bảo cho xe chạy với tốc độ cao là vấn đề còn đang tiếp tục nghiên cứu

Cường độ và độ ổn định của bê tông asphalt được hình thành nhờ sự liên kết giữa cốt liệu với bột khoáng và bitum Thành phần của bêtông asphalt

có thể được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn của Viện Asphalt Hoa Kỳ Thành phần hỗn hợp vật liệu khoáng theo các tiêu chuẩn này về căn bản là giống nhau Tuy nhiên, vấn đề lượng bitum tối ưu còn có những điểm chưa thống nhất

Các tính chất của bê tông asphalt phụ thuộc vào nhiệt độ thi công và nhiệt độ khai thác Theo các tài liệu quốc tế thì bê tông asphalt có thể khai thác ở nhiệt độ từ –500C đến +600C Các giải pháp để tăng cường độ ổn định nhiệt của bê tông asphalt cần đặc biệt lưu ý khi sử dụng bê tông asphalt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Trong quá trình khai thác bê tông asphalt chịu ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và thời tiết nên nó bị già đi, nứt nẻ, bị mài mòn

và biến dạng làm giảm tuổi thọ khai thác của bê tông asphalt Tuổi thọ trung bình của các lớp phủ mặt đường bằng bê tông asphalt khoảng 10 đến 15 năm Trong điều kiện thiết kế, thi công, bảo dưỡng và khai thác hợp lý thì tuổi thọ tối đa có thể đạt đến 20 năm

Yêu cầu về thành phần hỗn hợp, tính chất của bê tông asphalt và phương pháp thiết kế thành phần đã được ghi rõ trong tiêu chuẩn TCVN và

TCN GTVT Có thể tham khảo tiêu chuẩn 9128–84 hoặc 2.05.02–85 hoặc 12801–84 của Nga; tiêu chuẩn của Viện Asphalt Hoa Kỳ

Bê tông asphalt đã được sử dụng để xây dựng khoảng 50% các con đường trên toàn thế giới và khoảng 15% các con đường ở Việt Nam

Bê tông asphalt còn có thể sử dụng làm vỉa hè, khu vui chơi giải trí, công trình thể thao và các công trình thuỷ lợi Bê tông asphalt chủ yếu có màu đen nhưng trong điều kiện yêu cầu cũng có thể chế tạo bê tông asphalt có màu khác

1.1.2 Cấu trúc của BTN và nguyên lý hình thành cường độ của mặt đường BTN [8,9]:

1.1.2.1 Cấu trúc của BTN

Tính chất vật lý, cơ học của BTN phụ thuộc vào chất lượng, tỉ lệ thành phần các vật liệu chế tạo và cấu trúc bê tông Cấu trúc phụ thuộc vào tỉ lệ của các vật liệu và độ chặt của hỗn hợp

Về mặt cấu trúc, BTN là một vật liệu xây dựng có cấu trúc thuộc loại cuội kết nhân tạo, trong đó các cốt liệu khoáng vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết asphalt

Cấu trúc của vật liệu khoáng trong BTN được chia làm 3 loại: có khung, bán khung và không có khung

Cấu trúc có khung: là cấu trúc trong đó hệ số lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt của bộ khung cát, đá dăm bằng chất liên kết bitum là nhỏ hơn hoặc bằng 1 Như vậy các chất liên kết nhựa không dễ chuyển động, những hạt đá dăm và cát tiếp xúc với nhau trực tiếp hoặc thông qua lớp liên kết bitum tạo cấu trúc

Bộ khung có thể chỉ là đá dăm Trong trường hợp này đá dăm không chuyển động được cùng với hỗn hợp vữa ( hỗn hợp gồm cát, bột khoáng và bitum)

Sự có mặt các khung cứng không gian làm tăng đọ ổn định của lớp phủ mặt đường Cấu trúc khung quen thuộc thường chứa lượng bột khoáng từ 4-10%

và lượng bitum từ 5-7%

Cấu trúc bán khung của vật liệu khoáng là cấu trúc có các phần cục bộ của hạt đá dăm tập trung lớn hơn thể tích của vữa asphalt

Trong bê tông nhựa không có khung, hạt đá dăm và cát bị dịch chuyển

do lượng thừa của chất kết dính bitum (hệ số lấp đầy lỗ rỗng lớn hơn 1) Cường độ và độ kết dính của cấu trúc này giảm khi bị tác dụng nhiệt làm cho lớp phủ mặt đường bị biến dạng dẻo

Sự tạo nên cấu trúc tối ưu của BTN phụ thuộc vào thành phần, chất lượng vật liệu, công nghệ sản xuất và việc lựa chọn tối ưu thành phần hỗn hợp BTN

1.1.2.2 Nguyên lý hình thành cường độ của mặt đường BTN [9]

Theo N.N Ivanov: cuờng độ BTN phụ thuộc vào thành phần lực dính

& góc ma sát trong

- Lực ma sát: do sự ma sát giữa các hạt có kích thước lớn Các hạt cốt liệu càng sần sùi, sắc cạnh và đồng đều lực ma sát càng lớn Lực ma sát ít thay đổi theo nhiệt độ & thời gian tác dụng của tải trọng nhưng thay đổi nhiều theo hàm lượng nhựa

- Lực dính:

+ Lực dính tương hỗ C1: do sự móc vướng vào nhau của các hạt phụ thuộc vào độ lớn và độ sắc cạnh của hạt; ít thay đổi khi nhiệt độ - độ ẩm - tốc độ biến dạng thay đổi nhưng sẽ giảm khi BTN chịu tải trọng trùng phục của xe cộ và hỗn hợp kém

+ Lực dính phân tử C2: do lực dính bám tác dụng tương hỗ giữa nhựa với cốt liệu và lực dính bên trong của bản thân nhựa Lực dính bám tác dụng tương hỗ giữa nhựa với cốt liệu : phụ thuộc vào tỉ diện cốt liệu, tính chất hấp phụ của cốt liệu đối với nhựa Lực dính kết bên trong của bản thân nhựa phụ thuộc vào cấu trúc, độ nhớt của nhựa; nhiệt độ & tốc độ biến dạng

1.1.3 Phân loại Bê tông asphalt [9]:

Bê tông asphalt là vật liệu khoáng–bitum có chất lượng cao Ngoài ra còn có các loại hỗn hợp khác như: vật liệu đá nhựa macadam, đá nhựa cấp phối đặc, đá nhựa cường độ cao, đá nhựa hạt mịn (vữa asphalt), hỗn hợp tạo nhám, đá nhựa thấm nước Sự khác nhau cơ bản giữa hỗn hợp asphalt và đá nhựa là cấp phối của hỗn hợp Cấp phối cốt liệu trong asphalt thường bao gồm cốt liệu lớn, cốt liệu mịn và bột đá Trong các hỗn hợp đá nhựa thường ít

sử dụng bột đá Các hỗn hợp tạo nhám và đá nhựa thấm nước thường sử dụng các cấp phối gián đoạn

Bê tông nhựa còn có thể được chế tạo từ các loại bitum polyme hoặc các loại nhũ tương bitum

Cường độ của bê tông asphalt thay đổi từ 1–15MPa vàphụ thuộc vào nhiệt độ Bê tông asphalt có thể được phân loại theo các yếu tố sau:

Theo các tiêu chuẩn quốc tế và 22TCN 249–98 của Bộ Giao thông vận tải qui định như sau:

Hỗn hợp bê tông asphalt và bê tông asphalt được phân loại theo các đặc điểm sau:

Theo nhiệt độ thi công: Hỗn hợp bê tông asphalt trong lớp phủ mặt

đường được chia ra loại nóng, ấm và nguội Hỗn hợp nóng được rải và bắt đầu làm khi nhiệt độ không nhỏ hơn 1200C Hỗn hợp này thường dùng bi tum

có độ quánh 40/60, 60/70 và 70/100 Hỗn hợp ấm được rải và bắt đầu làm đặc khi nhiệt độ không nhỏ hơn 900C và thường dùng bitum lỏng số 1, 2, 3 Hỗn hợp nguội dùng bi tum lỏng có độ nhớt 70/130 được rải ở nhiệt độ không khí không nhỏ hơn 50C và được giữ ở nhiệt độ thường

Theo độ đặc (hoặc độ rỗng dư): Theo chỉ tiêu độ rỗng dư bê tông

asphalt được chia làm 3 loại: loại đặc có độ rỗng 2–5%, loại rỗng có độ rỗng 6–12% và loại rất rỗng có độ rỗng 12–25% theo thể tích

Theo độ lớn của hạt cốt liệu: Theo đường kính lớn nhất của hạt vật

liệu khoáng được chia ra 3 loại: loại lớn (Dmax ≤40mm), loại trung bình (Dmax ≤20mm) và loại nhỏ (hỗn hợp hạt nhỏ và hỗn hợp cát Dmax ≤5mm)

Theo tiêu chuẩn Mỹ bê tông asphalt chia làm 21 loạiký hiệu là số Lamã

và có chỉ tiêu phụ là a, b, c, d Ví dụ Ia, , IId Với Dmax là 2,5 in, 1,5 in, 1

in, 0,5 in và 3/8 in, Dmin là mắt sàng số N0200 (0,071 mm)

Theo hàm lượng giữa đá dăm (hoặc sỏi) và cát:Bê tông asphalt nóng

hoặc ấm, đặc được chia làm 3 loại: loại A nếu tỷ lệ đá dăm–hỗn hợp cốt liệu trong khoảng 50–65%; loại B: 35–50%; loại C: 20–35%; loại D: bê tông asphalt cát thiên nhiên; loại G: bê tông asphalt cát nghiền Bê tông asphalt nguội được chia làm 2 loại: BN: 35–50%; CN: 20–35% Bê tông asphalt cát rải nguội được ký hiệu: DN và GN

Theo chất lượng của vật liệu và tính chất cơ lý: Bê tông asphalt còn chia ra loại sau:

I, II, và III: Bê tông asphalt đặc và nóng

I,II: Bê tông asphalt nóng rỗng và rất rỗng

I,II: Bê tông asphalt nguội

Về cơ bản cách phân loại bê tông theo các tiêu chuẩn là thống nhất tuy

có quy định khác nhau về đơn vị đo kích thước hạt cốt liệu và kí hiệu loại bê tông Theo tiêu chuẩn Việt Nam và Nga đơn vị đo là mm, tiêu chuẩn Anh, Mỹ

là in

1.1.4 Các yêu cầu chung đối với Bê tông asphalt [9]:

Bê tông asphalt là một loại vật liệu đặc biệt với các tính chất thay đổi nhiều theo nhiệt độ của môi trường và theo mùa Vào mùa hè nhiệt độ bê tông trong lớp phủ mặt đường có thể đạt 50–600C, cường độ chỉ còn 1–1.5MPa, bê tông asphalt trở nên dẻo và có thể bị chảy Về mùa đông cường độ đạt từ 10–15MPa, bê tông asphalt trở nên đàn hồi thậm trí có thể dòn

Trong cả năm mức độ tải trọng chuyển động trên mặt đường là không đổi Như vậy việc thiết kế thành phần bê tông, thiết kế kết cấu mặt đường, thiết kế công nghệ thi công là một bài toán rất là phức tạp để đảm bảo yêu cầu thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong các điều kiện thay đổi nhiệt độ khác nhau Bài toán đó được giải quyết bằng cách lựa chọn dạng, kiểu, vật liệu, kết cấu mặt đường hợp lý có xét đến sự phù hợp giữa điều kiện vận tải

và khí hậu Bê tông asphalt cần đảm bảo các yêu cầu về cường độ, độ ổn định, biến dạng ở nhiệt độ cao và chống lại sự phá hoại do nứt ở nhiệt độ thấp Khi đảm bảo được các yếu tố trên bê tông asphalt có thể đạt tuổi thọ từ 15 đến 20 năm

1.1.5 Các tính chất của BTN [9]:

Các tính chất của hỗn hợp BTN và BTN đã đầm nén làm mặt đường bao gồm tính chất lên quan đến sự tương tác của vật liệu khoáng với bitum, đặc tính thể tích và tính chất cơ học

Sự tương tác giữa vật liệu khoáng với bitum là một yếu tố quan trọng tạo thành cấu trúc BTN Nó có ảnh hưởng quyết định đến cường độ, tính biến dạng, khả năng chịu nước và chịu nhiệt của BTN Sự tương tác của vật liệu khoáng với bitum là sự tổng hợp các quá trình lý hóa xảy ra rất phức tạp Cho đến nay các quá trình đó chưa được nghiên cứu một cách hoàn chỉnh, song nó bao gồm các mặt sau đây:

- Bề mặt vật liệu khoáng hấp thụ lớp bitum;

- Bitum khuyêch tán có chọn lọc vào trong vật liệu khoáng, do đó có thể làm thay đổi căn bản tính chất của bitum hấp thụ;

- Sự thay đổi tính chất của vật liệu khoáng do sự tương tác của nó với bitum

Đặc tính thể tích của bê tông asphalt bao gồm các chỉ tiêu: độ rỗng dư (VIM), độ rỗng cốt liệu (VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA) Các giá trị này phải nằm trong giới hạn quy định đảm bảo lớp bê tông asphalt có khả năng

chống biến dạng, chống chảy bitum dưới tác động của tải trọng xe và yếu tố nhiệt độ môi trường, hạn chế sự xâm nhập của nước vào hỗn hợp trong quá trình khai thác

Để xác định các chỉ tiêu đặc tính thể tích của bê tông asphalt, cần thiết phải thí nghiệm và tính toán các chỉ tiêu sau:

– Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của vật liệu thành phần: tỷ trọng của cốt liệu thô (đá dăm), tỷ trọng của cốt liệu mịn (cát thiên nhiên, cát xay từ đá), tỷ trọng của bitum, tỷ trọng của bột khoáng

– Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của hỗn hợp bê tông asphalt: tỷ trọng biểu kiến của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông asphalt, tỷ trọng khối của hỗn hợp bê tông asphalt ở trạng thái rời (chưa đầm), tỷ trọng khối của hỗn hợp bê tông asphalt khi đã được đầm nén, tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bê tông asphalt ở trạng thái rời (chưa đầm)

Các tính chất cơ học của BTN: bao gồm các chỉ tiêu liên quan đến cường độ của hỗn hợp bê tông asphalt sau khi đầm nén nhằm đảm bảo cho kết cấu lớp bê tông asphalt có đủ cường độ và độ bền sau khi xây dựng và trong quá trình khai thác dưới tác động của tải trọng xe chạy và các yếu tố môi trường

Khi tải trọng bánh xe tác dụng xuống mặt đường, có hai ứng suất được truyền tới mặt đường bê tông asphalt: ứng suất thẳng đứng và ứng suất nằm ngang Với ứng suất thẳng đứng sinh ra biến dạng lún của kết cấu mặt đường

và gây ra ứng suất kéo lớn nhất dưới đáy lớp vật liệu bê tông asphalt Hỗn hợp bê tông asphalt vì vậy cần phải bền chắc và đủ khả năng đàn hồi để chống lại ứng suất nén và ngăn không cho xuất hiện biến dạng vĩnh cửu

BTN phải có đủ cường độ kéo để chống lại các ứng suất kéo sinh ra ở đáy lớp bê tông asphalt và có đủ độ đàn hồi để chống lại các tác động của tải trọng mà không sinh ra hiện tượng nứt mỏi

Cùng với các tác động của tải trọng và môi trường, mặt đường bê tông asphalt sẽ dần dần bị hư hỏng theo ba hình thức chính dưới đây phụ thuộc vào cơ chế chịu tải trọng xe chạy và điều kiện môi trường, đó là:

Các tính chất cơ học của bê tông có thể phân theo các nhóm sau:

– Các tính chất cơ học phục vụ cho thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt: được tiến hành phục vụ việc thiết kế lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp bê tông asphalt Mẫu bê tông asphalt thiết kế vừa phải thoả mãn các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích, vừa phải thoả mãn các tính chất cơ học được quy định tương ứng với phương pháp đó Phương pháp thiết kế bê tông asphalt được áp dụng khá phổ biến trên thế giới và được biết nhiều ở Việt Nam có thể kể đến là:

+ Phương pháp thiết kế Marshall;

+ Phương pháp thiết kế Hveem;

+ Phương pháp thiết kế theo Liên bang Nga (Liên xô cũ);

+ Phương pháp thiết kế Super Pave

– Các tính chất cơ học của bê tông asphalt phục vụ cho tính tóan kết cấu: tuỳ thuộc các phương pháp tính toán thiết kế kết cấu mặt đường khác nhau, trong đó quy định các chỉ tiêu cơ học của bê tông asphalt cần thiết phục

vụ tính toán xác định chiều dày cần thiết của lớp bê tông asphalt mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và các yếu tố môi trường

Phân nhóm các phương pháp thí nghiệm cơ học của bê tông asphalt theo phương của lực tác dụng trên mẫu thì có các loại:

– Thí nghiệm với lực tác động theo phương đường kính của mẫu hình trụ tròn;

– Thí nghiệm với lực tác động dọc trục mẫu hình trụtròn;

– Thí nghiệm với lực tác động 3 trục trên mẫu hình trụ tròn;

– Thí nghiệm cắt;

– Thí nghiệm kéo;

– Thí nghiệm kéo uốn trên mẫu hình dầm

Phân nhóm các phương pháp thí nghiệm cơ học theo kiểu tác dụng của lực thì có các loại:

– Thí nghiệm với lực gia tải tĩnh;

– Thí nghiệm với lực gia tải động, nhiều chu kỳ gia tải

1.1.6 Ưu nhược điểm mặt đường BTN và Đánh giá hiện trạng một số tuyến đường tại Việt Nam:

1.1.6.1 Ưu điểm:

- Kết cấu chặt kín

- Có khả năng chịu nén, cắt, uốn và tác dụng của tải trọng ngang

- Chịu tải trọng động tốt, ít hao mòn, ít sinh bụi

- Mặt đường bằng phẳng, có độ cứng vừa phải nên xe chạy tốc độ cao

rất êm thuận, ít gây tiếng ồn

- Công nghệ thi công quen thuộc, có thể thi công cơ giới hóa hoàn toàn

1.1.6.2 Nhược điểm:

- Cường độ giảm khi chịu tác dụng của nhiệt độ cao và tác dụng lâu dài

của nước mặt

- Độ nhám giảm nhiều khi mặt đường bị ẩm ướt

- Mặt đường bị hóa già theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng trùng

phục, thời tiết

- Công tác duy tu sửa chữa khó khăn, khó trả lại hiện trạng ban đầu về

màu sắc, độ bằng phẳng

1.1.6.3 Đánh giá hiện trạng một số tuyến đường tại Việt Nam [6]:

Để tiến hành nghiên cứu đánh giá hư hỏng mặt đường bê tông asphalt nguyên nhân do xô dồn, nứt trượt và vệt hằn bánh xe

Ba tuyến QL có điều kiện địa hình và điều kiện khai thác khác nhau đã được lựa chọn bao gồm: QL3 (Km 229 - Km 237); QL1A (Km 223 - Km 232

và Km 387+100 - Km 709+400)

QL3 đoạn từ Km 229 - Km 237: Đoạn tuyến được thi công vào năm

2010, với quy mô cấp hạng kỹ thuật như sau: Đường cấp IV miền núi, bề rộng mặt cắt ngang 5.5m, độ dốc ngang 1.5-2.5 %, độ dốc dọc trung bình 6% Kết cấu lớp mặt gồm 2 lớp: Lớp mặt trên là asphalt hạt trung dày 7cm, lớp mặt dưới là bê tông asphalt hạt trung cũ dày 5cm, giữa 2 lớp mặt được tưới dính bám bằng nhũ tương phân tách chậm loại CSS-1 với tỷ lệ 0.5 l/m2 Sau khi đưa vào khai thác một thời gian, đến năm 2011 ở lớp mặt trên đã xuất hiện các hiện tượng hư hỏng cục bộ điển hình như: Lớp mặt bị xô dồn, bị nứt trượt, lún vệt hằn bánh xe, ổ gà Theo số liệu khảo sát của Tổng cục Đường bộ Việt Nam và cơ quan hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) thực hiện vào tháng 3 năm 2012, thực trạng hư hỏng điển hình lớp mặt bê tông asphalt được thể hiện như Hình 1.1 và Hình 1.2 Tỷ lệ các dạng hư hỏng điển hình trên đoạn tuyến được thể hiện ở Hình 1.3

Hình 1.1: Lớp mặt bị xô trượt trên Hình 1.2: Lớp mặt bị nứt trên QL3 (Km 229 - Km 237) QL3 (Km 229 - Km 237)

Hình 1.3: Tỷ lệ các dạng hư hỏng điển hình lớp mặt trên

QL3 (Km 229 - Km 237)

Trên cơ sở dữ liệu khảo sát thu được, hình ảnh được tiến hành phân tích,

đánh giá và định lượng từng dạng hư hỏng theo tiêu chuẩn ASTM D6433-07 Kết quả phân tích thu được trên đoạn tuyến Km 229 đến Km 237 thuộc QL3, gồm: Diện tích hư hỏng lớp mặt bị xô dồn là 2526,41 m2 (chiếm 4.51%); nứt trượt là 1042,23m2 (chiếm 1.86%); lún vệt hằn bánh xe là 838,23m2 (chiếm 1.5%) và diện tích ổ gà là 81,79m2 (chiếm 0.15%) tổng diện tích đoạn phân

tích Số liệu nghiên cứu khảo sát cho thấy hầu hết các vị trí bị hư hỏng đều nằm trong các đường cong nằm hay ở các đoạn có độ dốc dọc lớn, nơi mà kết cấu mặt đường chịu tác động bất lợi nhất do lực đẩy ngang của áp lực bánh xe gây ra

Mặt khác, với kết cấu lớp mặt bê tông asphalt hạt trung thảm trên lớp

bê tông asphalt hạt trung được khai thác từ năm 2005 nên đã mất mát một phần độ nhám mặt đường Hơn nữa, với lượng dùng chất tưới dính bám là 0.5 l/m2 là cao hơn so với khuyến cáo của sổ tay chỉ dẫn sử dụng nhũ tương của Asphalt Institute [2009] và NCHRP report 712 [2012], có thể làm tăng khả năng gây trượt giữa các lớp mặt, đặc biệt khi nhiệt độ mặt đường lên cao Như vậy, nguyên nhân chủ yếu gây nên các dạng hư hỏng mặt đường trên đoạn tuyến này có thể do áp lực ngang lớn do thay đổi tốc độ chạy xe tại các đoạn có bố trí đường cong và dốc dọc lớn, độ nhám bề mặt lớp bê tôngasphalt mặt dưới và lượng dùng chất tưới dính bám chưa hợp lý

Quốc lộ 1A đoạn từ Km 223 - Km 232 (đi qua địa phận tỉnh Hà

Nam): Đoạn tuyến này được thi công xong và đưa vào khai thác vào năm

2010 với quy mô đường 6 làn xe Tổng chiều dầy kết cấu áo đường là 57cm Trong đó, lớp mặt trên là bê tông asphalt hạt mịn dày 5cm; lớp mặt dưới là bê tông asphalt hạt trung dày 7cm Giữa hai lớp này được tưới nhựa dính bám nhũ tương loại CSS-1h với lượng dùng 0,5 l/m2 Sau khi đưa vào khai thác, đến năm 2011, trên mặt đường đã xuất hiện các dạng hư hỏng cục bộ và đến năm 2012, Trung tâm Kỹ thuật đường bộ thuộc Tổng cục Đường bộ Việt Nam đã tiến hành khảo sát đánh giá thực trạng hư hỏng mặt đường Số liệu sau khi khảo sát được thống kê với tỷ lệ các dạng hư hỏng như sau: lún vệt hằn bánh xe là 17368,9 m2 (chiếm 9,9%); xô dồn là 4876,65 m2(chiếm 2,78%); nứt trượt là 701,8 m2 (chiếm 0,4%); ổ gà là 8 m2 (chiếm 0,0046%) và

nứt mỏi là 177,05 m2 (chiếm 0,1%) Hình 1.4 và Hình 1.5 thể hiện thực trạng

và tỷ lệ các dạng hư hỏng lớp mặt bê tông trên đoạn tuyến khảo sát

dẫn sử dụng nhũ tương của Asphalt Institute [2009] và NCHRP report 712 [2012] Đây cũng có thể là yếu tố làm tăng khả năng gây trượt giữa các lớp mặt đặc biệt khi nhiệt độ mặt đường lên cao So với đoạn tuyến Quốc lộ 3 (Km 229 - Km 237), tỷ lệ hư hỏng xô dồn và nứt trượt trên đoạn tuyến khảo sát này thấp hơn Điều này có thể do độ nhám của lớp mặt dưới cao hơn và loại chất tưới dính bám sử dụng hợp lý hơn

Quốc lộ 1A đoạn từ Km387+100 - Km709+400 (Đoạn tuyến đi qua 3

tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Quảng Bình): Kết cấu áo đường gồm 4 lớp: lớp mặt trên là bê tông asphalt (BTA) hạt mịn dày 5cm, lớp mặt dưới là BTA hạt thô dày 7cm, lớp móng trên là CPĐD I dày 15cm, lớp móng dưới là CPĐD II dày 30cm Theo số liệu khảo sát, diện tích hư hỏng lún vệt hằn bánh xe trên đoạn tuyến là 161608m2 (chiếm 5,58%), diện tích xô dồn lớp mặt là 10940m2 (chiếm 0,38%) Thực trạng hư hỏng điển hình lớp mặt bê tông asphalt và tỷ lệ các dạng hu hỏng được thể hiện ở Hình 1.6 và Hình 1.7

Hình 1.6: Hư hỏng xô trượt lớp mặt bê tông asphalt QL1A (Km 641+700)

và trước các trạm thu phí Ở một số vị trí, hiện tượng lún vệt hằn bánh xe xảy

ra trên đường thẳng ở làn dành cho xe tải nặng

Ở đoạn tuyến khảo sát này, có thể dự báo nguyên nhân chủ yếu dẫn tới

hư hỏng xô dồn và hằn vệt bánh xe là do suy giảm khả năng chống trượt và chống cắt của lớp bê tông asphalt khi nhiệt độ môi trường tăng cao cũng như yếu tố lực trượt ngang khi thay đổi tốc độ

Qua kết quả nghiên cứu và phân tích số liệu khảo sát, thống kê và đánh giá hư hỏng xô dồn và nứt trượt lớp mặt bê tông asphalt trên một số tuyến quốc lộ

thuộc khu quản lý Đường bộ II và IV nêu trên, bài báo rút ra một số kết luận

sau:

- Các dạng hư hỏng xô dồn và nứt trượt chiếm một tỷ lệ đáng kể trong các dạng hư hỏng điển hình lớp mặt bê tông asphalt đối với kết cấu mặt đường mềm ở Việt Nam hiện nay Trong đó, hư hỏng do xô dồn chiếm từ (0.38 - 4.51)%, nứt trượt từ (0.4 - 1.86)% và hằn vệt bánh xe từ (1.5 - 9.9)%

Tỷ lệ các dạng hư hỏng này thay đổi tùy thuộc vào điều kiện địa hình tuyến

dự án, vào điều kiện khí hậu khu vực tuyến khai thác cũng như vào loại, tỷ lệ chất tưới dính bám, và độ nhám lớp bê tông asphalt mặt dưới;

- Tỷ lệ hư hỏng xô dồn và nứt trượt xuất hiện chủ yếu ở những vị trí kết cấu lớp mặt bê tông asphalt chịu áp lực ngang lớn do thay đổi tốc độ chạy xe tại các đoạn có bố trí đường cong, dốc dọc lớn và trước các trạm thu phí;

- Các dạng hư hỏng này cũng liên quan chặt chẽ đến các nguyên nhân

do loại và tỷ lệ chất tưới dính bám, nhiệt độ môi trường và đặc điểm bề mặt lớp dưới gây ra

1.1.7 Khắc phục tình trạng "hằn lún vệt bánh xe" trên mặt đường nhựa - cần một số giải pháp đồng bộ [15]:

Mặt đường bê tông atphan (concret asfalt), sau đây gọi tắt là ‘‘bê tông nhựa” (BTN) là loại mặt đường mềm, phủ kín, được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam từ những năm thập niên 90 trên cơ sở tiếp cận lý thuyết và công nghệ thi công, nghiệm thu mặt đường BTN theo tiêu chuẩn của Liên Xô (cũ), sau đó là

hệ thống tiêu chuẩn của các nước phương tây mà điển hình là qui phạm AASHTO (Mỹ), được đưa vào TCVN 1990 qua các lần cập nhật, điều chỉnh vào năm 1998 và gần đây nhất là TCVN 8819:2011 “Mặt đường BTN nóng – yêu cầu thi công và nghiệm thu”

Từ khi BTN được áp dụng rộng rãi trên mạng lưới quốc lộ và hầu hết các tỉnh lộ, cùng với sự phát triển vượt bậc về kinh tế – xã hội của đất nước

gắn với sự gia tăng đáng kể lưu lượng vận tải, trong đó có nhiều xe tải trọng lớn và xe quá tải lưu thông, trong vòng 10 năm gần đây, hiện tượng hằn, lún vệt bánh xe (HLVBX) xảy ra ngày càng nghiêm trọng, rộng khắp, nhất là trên các trục đường chính làm hư hỏng mặt đường, gây trơn trượt, mất lái, ảnh hưởng lớn đến an toàn khai thác đường bộ

Theo số liệu khảo sát thống kê của Tổng Cục ĐBVN, tình trạng HLVBX xảy ra ở hầu hết các trục quốc lộ chính có lưu lượng xe lớn và nhiều

xe tải trọng nặng lưu thông Những vị trí dễ xảy ra HLVBX thường gắn với những đoạn tuyến chịu tác động cơ học, lực ngang của bánh xe tác động mạnh hơn do xuất hiện các yếu tố hình học như độ dốc, đường cong nằm hoặc ở các

vị trí thay đổi tốc độ đột ngột (trạm thu phí, ngã tư có đèn hoặc biển báo giao thông…) Hiện tượng HLVBX có đặc điểm chung là thường chỉ xuất hiện trên các làn xe có tải trọng nặng Đối với mặt cắt ngang đường có 4 làn xe, trên làn xe tải không có tải trọng nặng và các làn xe con thường không thấy hiện tượng này HLVBX không chỉ xuất hiện trên các trục đường đã khai thác nhiều năm mà cả trên những đoạn đường mới hoàn thành, đưa vào khai thác như QL18 Uông Bí – Hạ Long, tuyến tránh TP Vinh và cả trên một số đoạn đường cao tốc Trên QL1A đoạn Cục đường bộ II (Khu đường bộ IV trước đây) quản lý có 70/620km, chiếm 13% chiều dài có HLVBX độ sâu 2~10cm; đoạn Cục đường bộ III (Khu quản lý đường bộ V trước đây) quản lý có 90/593km, chiếm 15% chiều dài có HLVBX độ sâu trên 7cm, chỗ lún sâu nhất 12-15cm; đoạn Cục đường bộ IV (Khu quản lý đường bộ VII trước đây) quản lý riêng đoạn Ninh Thuận – Bình Thuận có 16/245km chiếm 7% chiều dài có HLVBX, nhiều chỗ hằn lún nghiêm trọng tạo thành mặt đường “sống trâu” với rãnh hằn khá sâu

Khi nghiên cứu một số tuyến đường bộ khác ít xuất hiện HLVBX điển hình như đường Hồ Chí Minh có thể nhận thấy lưu lượng xe trên các tuyến đường này là thấp và ít có dòng xe tải trọng nặng, số lượng lớn lưu thông

Thực ra, HLVBX trên mặt đường nhựa là hiện tượng phổ biến đối với nhiều quốc gia nhưng với mức độ cho phép xuất hiện HLVBX nhỏ từ 10~25mm (Ấn Độ 20mm, Mỹ 25mm, Úc 20mm…) Vượt quá mức độ này phải có biện pháp khắc phục để đảm bảo an toàn khai thác Tuy nhiên, HLVBX ở nước ta với độ sâu 100~150mm, cá biệt lên tới 170mm nhưng chưa được khắc phục kịp thời sẽ gây nguy hiểm, mất an toàn cho các phương tiện tham gia giao thông

Trong vài năm gần đây, ngành GTVT đã có nhận thức, đánh giá đầy đủ

về “hiểm họa” HLVBX, nhiều tổ chức, các nhân các nhà khoa học đã có nghiên cứu vấn đề này và đưa ra các nhận định về nguyên nhân, giải pháp khắc phục đồng bộ, điển hình là Tổng Cục ĐBVN, Viện KH&CN GTVT hoặc các chuyên gia của Hội KHKT Cầu đường VN… Bộ GTVT đã tổ chức nhiều Hội nghị, Hội thảo chuyên đề quanh nội dung này và vào tháng 6/2014,

Bộ trưởng Bộ GTVT đã quyết định thành lập “Tổ nghiên cứu các giải pháp khắc phục hiện tượng HLVBX đối với mặt đường bê tông nhựa” do một Thứ trưởng làm Tổ trưởng Thành phần của tổ gồm các cơ quan quản lý chức năng, các cơ quan nghiên cứu, một số Tổng công ty xây lắp, Hội KHKT Cầu đường VN và một số nhà khoa học, chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực này Thông báo ban đầu của Hội nghị Tổ chỉ đạo đã tổng hợp được các kết quả nghiên cứu trước đó, ý kiến của các chuyên gia và phân công nhiệm vụ nghiên cứu phát hiện nguyên nhân, đề xuất giải pháp theo 03 nhóm: Nhóm thứ nhất tập trung vào các nội dung về tiêu chuẩn, qui chuẩn, giải pháp thiết

kế, thí nghiệm; Nhóm thứ hai tập trung vào các nội dung liên quan đến công tác thi công, nghiệm thu, kiểm soát vật liệu đầu vào, giám sát chất lượng nội

bộ; Nhóm thứ ba rà soát nghiên cứu các qui định về quản lý Việc rà soát nghiên cứu nội nghiệp, đồng thời được phối hợp với kế hoạch kiểm tra hiện trường và tổ chức các thí nghiệm đánh giá được kết quả thực tiễn

Nội dung nghiên cứu của nhóm thứ nhất là hết sức cần thiết vì từ trước đến nay, nhiều chuyên gia đã có ý kiến về việc các tiêu chuẩn thiết kế, qui trình qui phạm thiết kế áo đường BTN (bao gồm lớp móng và mặt đường) đang áp dụng ở nước ta hiện nay là lạc hậu, chưa cập nhật được các phương pháp luận, tiêu chuẩn thiết kế mới nhất là về tính đa dạng và sự phù hợp của lớp áo đường BTN đối với từng cấp hạng đường và từng vùng miền có điều kiện tự nhiên, thổ nhưỡng, khí hậu khác nhau và sự cần thiết phải áp dụng thiết kế đặc biệt đối với lớp móng cấp phối, các lớp BTN và lớp phủ bề mặt đối với các trục đường chính với mật độ lưu thông lớn có nhiều xe nặng tham gia Nhiều công trình nghiên cứu ở các nước tiên tiến như Viện nghiên cứu công trình công cộng Nhật Bản (PWRI) cho thấy, chỉ riêng việc nghiên cứu lớp phủ bề mặt BTN có phụ gia, vừa có tính năng chịu nhiệt, cường độ cao, vừa tạo bề mặt nhám và có khả năng hấp thụ, thoát nước mặt đã thực hiện một cách kỹ lưỡng, bài bản tại trung tâm thí nghiệm với sơ đồ đường xe chạy thử theo vòng xoay liên tục chiều dài 870m và 628m đúng với sơ đồ tải trọng, tốc

độ xe chạy qui định và số lần trùng phục tải trọng để có kết quả đánh giá, kết luận và đưa ra các khuyến nghị áp dụng cần thiết cho tư vấn và các cấp có có thẩm quyền khi nghiên cứu thiết kế và phê duyệt kết cấu áo đường trong dự

án TKKT

Nhóm thứ hai đề cập đến các nội dung về thi công, nghiệm thu áo đường BTN và kiểm soát vật liệu đầu vào, bao gồm nhựa đường, đá, bột đá, thiết kế tổ hợp cấp phối BTN… Các giải pháp được đề cập của nhóm này có tác động trực tiếp đến các chủ thể chính gồm nhà thầu xây lắp, nhà cung ứng vật liệu xây dựng, tư vấn giám sát, kiểm định và Ban QLDA

Nhiều Hội nghị chất lượng do Bộ GTVT tổ chức thời gian qua đã chỉ rõ những bất cập thể hiện qua sự thiếu chuyên nghiệp và trình độ năng lực, công nghệ yếu kém của nhà thầu Hệ thống máy móc thiết bị cũ kỹ bao gồm: Trạm trộn, máy rải thảm BTN, lu lèn không được kiểm định, sửa chữa thường xuyên cùng với những khiếm khuyết, nghi vấn trong việc cung cấp vật liệu đầu vào, đặc biệt là nguồn cung cấp nhựa đường đặt ra câu hỏi lớn về nguyên nhân vì sao chỉ trong vài năm qua, các hãng cung cấp nhựa đường có tên tuổi như Shell, Caltex cùng rút khỏi thị trường Việt Nam ? Rõ ràng là cần thiết phải xây dựng các nhà thầu thi công BTN và các nhà cung cấp vật liệu đầu vào theo hướng chuyên nghiệp, có công nghệ thi công ổn định, hiện đại từ dây chuyền thiết bị, đội ngũ nhân lực đến hệ thống kiểm soát, quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn ISO để đảm bảo việc thi công hạng mục đặc chủng mặt đường BTN không bị rơi vào tình trạng manh mún, nhỏ lẻ, thiếu chuyên nghiệp như hiện nay

Nhóm thứ ba với các nội dung về thể chế, quản lý liên quan đến hoạt động, quản lý chất lượng của các chủ thể chủ đầu tư, Ban QLDA, tổ chức tư vấn giám sát, kiểm định chất lượng trong quá trình thi công, nghiệm thu, kể từ khâu lựa chọn nhà thầu, ký kết hợp đồng và quản lý thực hiện hợp đồng trong quá trình thi công Chế tài xử lý trách nhiệm các bên cần được đề cập cụ thể ngay trong các điều khoản hợp đồng, làm cơ sở pháp lý để các bên liên quan thực hiện Theo nguyên tắc “Chất lượng sản phẩm được qui định từ nơi sinh

ra nó”, việc xử lý trách nhiệm từng chủ thể cần bám sát chức năng nhiệm vụ, quyền hạn cụ thể được qui định trong hợp đồng xây lắp, hợp đồng cung cấp vật liệu… và phù hợp với các qui định của hệ thống pháp luật về quản lý đầu

tư xây dựng

Đồng thời, phải có sự rà soát, chấn chỉnh công tác quản lý khai thác và bảo trì tuyến đường sau khi được bàn giao đưa vào sử dụng Trong đó, cần

đặc biệt chú trọng việc kiểm soát xe quá tải là một trong những nguyên nhân trực tiếp gây hiện tượng HLVBX và công tác sửa chữa, duy tu thường xuyên, đảm bảo sớm khắc phục hiện tượng này, không gây mất ATGT

Để kiểm soát tải trọng xe, thời gian qua, Tổng cục ĐBVN đã triển khai quyết liệt việc bố trí các trạm cân tĩnh và 67 trạm cân di động trên mạng lưới quốc lộ toàn quốc Số liệu phân tích của tư vấn tại 03 trạm cân lắp đặt tại QL1

và QL10 cho thấy, tỷ lệ xe vượt tải quá mức cho phép 24 tấn/trục chiếm 49% lượng xe tải, trong đó số xe vượt mức 30tấn/trục chiếm 50%, vượt mức 40tấn/trục chiếm 42% Khoảng 16% số xe tải trọng trục vượt hai lần cho phép, trong đó có một số xe tổng tải trọng lên đến 110~116 tấn (số liệu tại văn bản số 2516/TCĐBVN-KCHT&ATGT ngày 13/6/2013)

Rõ ràng là với kết cấu áo đường BTN được thiết kế gần như chỉ theo một mẫu ‘‘mặc định” từ nhiều năm nay với những lỗ hổng trong thi công, nghiệm thu do sự thiếu chuyên nghiệp của các chủ thể gây nên, cùng với sự tác động trực tiếp của dòng xe vừa lớn về mật độ, vừa vượt xa tải trọng trục cho phép đã tạo nên HLVBX trên các làn xe tải nặng như hiện nay

Cũng cần có sự phân biệt giữa hiện tượng vết hằn bánh xe xảy ra trên

bề mặt các lớp BTN phía trên và hiện tượng lún mặt đường BTN xảy ra do việc thi công các lớp móng cấp phối hoặc đắp nền đường không đảm bảo chất lượng, hoặc do việc xử lý nền đất yếu phía dưới không triệt để Quá trình nghiên cứu đề xuất các giải pháp khắc phục HLVBX cần khảo sát, kiểm định, đánh giá, phân loại hiện tượng và các nhóm nguyên nhân chính xác để có biện pháp xử lý phù hợp

HLVBX là vấn đề kỹ thuật phức tạp mà ngành GTVT đang phải đối diện Với những nỗ lực tập trung như hiện nay, bằng các giải pháp đồng bộ ngành sẽ đạt được các mục tiêu trước mắt (ngắn hạn), trung hạn và dài hạn là:

Từng bước khắc phục hiện tượng HLVBX hiện nay trên các tuyến đường bộ, đưa ra các giải pháp mới, kịp thời áp dụng vào việc thiết kế, thi công, nghiệm thu áo đường BTN trên các dự án sắp hoàn thành tới đây như dự án nâng cấp

mở rộng QL1A, QL14 và một số đường cao tốc mới, và hoàn thành các nội dung nghiên cứu theo ba nhóm công việc nêu trên để cập nhật, hoàn thiện hệ thống qui trình qui phạm hiện hành về thiết kế, thi công và nghiệm thu mặt đường BTN Những giải pháp đồng bộ, toàn diện này sẽ là thách thức lớn đối với các chủ thể tham gia xây dựng giao thông trong những nỗ lực vươn lên tự đổi mới, hoàn thiện mình và đối với những nhà quản lý trong việc chuẩn bị đủ các điều kiện cả về thực tiễn và lý luận để kiên định thực hiện kế hoạch đề ra

1.2 Giới thiệu chung về lưới địa kỹ thuật

1.2.1 Lưới địa kỹ thuật – Vai trò và ứng dụng trong công nghệ composite [1]

Lưới địa kỹ thuật (hay còn gọi là lưới sợi cacbon, lưới sợi thuỷ tinh) là vật liệu có độ bền rất cao, là loại sợi chứa ít nhất 90% nguyên tử cacbon được kiểm soát chặt chẽ trong quá trình nhiệt phân sợi nguyên liệu ban đầu Còn sợi graphite là sợi có trên 99% nguyên tố cacbon

Có nhiều loại sợi khác nhau dùng làm nguyên liệu sản xuất sợi cacbon như sợi polyacrylonitrile (PAN), sợi xenlulo (viscose rayon, cotton), dầu mỏ, than đá hoặc một số loại sợi phenolic

Lưới địa kỹ thuật đã được thương mại từ 1960 trong hàng không, không quân và các yêu cầu ứng dụng vật liệu nhẹ

Hiện nay, lưới địa kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi trong hàng không, công nghiệp và giao thông

Lưới địa kỹ thuật tối ưu về độ bền, độ cứng, nhẹ và kháng nứt, nhiệt độ cao, là chất trơ hóa

Sợi carbon trên thị trường thường có đường kính 7 - 10μm được cấu tạo

từ khoảng 30.000 sợi đơn Các sợi đơn gồm những tấm graphit mỏng thẳng, xoắn hoặc cuộn vào nhau Tính chất của sợi phụ thuộc vào sự định hướng của các tấm graphit đó

Nói vậy không có nghĩa sợi carbon không có nhược điểm, sợi carbon dòn và có thể dẫn điện và tạo điều kiện cho quá trình ăn mòn điện hoá kim loại

Vì vậy, các chi tiết làm từ sợi carbon thường có lớp vật liệu khác như nhựa tráng phủ bên ngoài

Bảng 1.1 thống kê lượng lưới địa kỹ thuật được sử dụng trên thế giới

Trong đó lưới địa kỹ thuật Pitch hầu như sản xuất ở Nhật Theo Công

ty TNHH Mitsubishi Rayon (Tokyo, Nhật Bản), một công ty chuyên sản xuất sợi carbon, lượng sợi carbon ứng dụng trong các mặt hàng liên quan tới thể thao trên toàn thế giới đã đạt ngưỡng 5.000 mặt hàng

Tóm lại, sợi carbon bền khi nó ít lẫn các nguyên tố khác và sắp xếp trật

tự

Những lợi ích mang lại từ loại sợi carbon là quá rõ ràng: nó có trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với thép nhưng lại có độ bền lớn hơn nhiều so với thép

Ngoài ra, những lợi ích quan trọng của sợi carbon còn phải kể đến như sức khả năng chịu kéo giãn lớn, tính đàn hồi thấp

Chính những yếu tố này đã đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ cứng cho kết cấu hình nón ở mũi máy bay siêu âm

Trong tương lai, chắc chắn sợi carbon vẫn là một loại vật liệu nhẹ đáng tin cậy cho rất nhiều hãng sản xuất trên thế giới

Vấn đề bây giờ cần giải quyết là giá cả cho loại vật liệu ưu việt này vẫn

ở mức quá cao khiến nó chưa được áp dụng thực sự phổ biến trong nhiều lĩnh vực

Hình 1.8 Mô phỏng sợi Carbon phóng to Hình 1.9 Hình ảnh sợi Carbon

1.2.2 Quá trình sản xuất lưới địa kỹ thuật

Lưới địa kỹ thuật được sản xuất bằng cách nhiệt phân có kiểm soát các sợi hữu cơ đã chọn trên nhằm loại oxy, nitơ, hydro để tạo thành sợi carbon

Cơ tính sợi carbon càng cao khi tăng cấu trúc tinh thể và mức độ định hướng sợi, cũng như giảm các khuyết tật trên sợi

Cách tốt nhất để có được sợi carbon định hướng cao là chọn sợi nguyên liệu định hướng cao, sau đó duy trì mức độ định hướng này trong quá trình

ổn định và carbon hóa

1.2.3 Phân loại sợi cacbon:

Dựa vào nguyên liệu sợi ban đầu, sợi carbon được phân ra:

- Sợi carbon PAN

- Sợi carbon Rayon

- Sợi carbon Pitch

a Sợi carbon PAN: việc chuyển từ sợi PAN thành sợi carbon qua 3

giai đoạn chính:

• Ổn định oxy hóa: sợi PAN được kéo căng và oxy hóa đồng thời ở nhiệt

độ 200 - 300°C, chuyển sợi PAN nhựa nhiệt dẻo sang dạng có cấu trúc lặp lại nhưng không còn tính chất nhựa nhiệt dẻo

• Carbon hóa: sau khi oxy hóa, sợi được carbon hóa ở 1000°C, không cần kéo căng trong môi trường khí trơ vài giờ Trong quá trình này, những nguyên

tố không phải carbon bị tách ra và bay hơi để hình thành sợi carbon, lúc này khối lượng chỉ còn 50% so với khối lượng sợi PAN ban đầu

• Graphite hóa: sợi được xử lý nhiệt 1500 - 3000°C sẽ cải thiện trật tự, mức độ định hướng của tinh thể

b Sợi carbon Rayon

• Ổn định: là một quá trình oxy hóa xảy ra theo các bước:

♦ Nhiệt độ 25 - 150°C: khử vật lý nước

♦ Nhiệt độ 150 - 240°C: khử nước trong phân tử xenlulo

♦ Nhiệt độ 240 - 400°C: tách liên kết vòng thơm, cắt các liên kết ester

và một số liên kết C-C theo cơ chế gốc tự do

• Carbon hóa: nhiệt độ 400 - 700°C, lượng carbon còn lại sẽ chuyển thành lớp giống graphite

• Graphite hóa: nhiệt độ 700 - 2700°C, kéo căng tạo ra sợi có mođun cao

do định hướng tốt theo chiều dọc

c Sợi cacbon Pitch (từ dầu mỏ, than đá)

• Chuẩn bị nguyên liệu: điều chỉnh khối lượng phân tử, độ nhớt, định hướng cố kết

• Kéo sợi và se sợi: Pitch được chuyển thành sợi, một số đã có sắp xếp thẳng hàng, định hướng

• Ổn định: duy trì hình dáng sợi khi nhiệt phân, nhiệt độ 250 - 400°C

• Carbon hóa: nhiệt độ carbon hóa 1000 - 1500°C

1.2.4 Tại sao sợi carbon nhẹ và bền?

Sợi carbon được tạo thành từ những nguyên tố carbon (hơn 90%) và các nguyên tố carbon này nhẹ hơn nguyên tố kim loại

Kim cương, than củi, than hoạt tính và graphite (than chì) đều được cấu thành từ những nguyên tử carbon và sợi cacbon cũng thuộc nhóm này và có tính chất giống kim cương

Kim cương là vật liệu cứng và bền nhất trong khi graphite mềm và trơn Sự khác nhau này là do cấu trúc tinh thể khác nhau

Than củi mềm là do cấu trúc tinh thể sắp xếp không theo trật tự trong khi cấu trúc tinh thể kim cương rất trật tự và đồng đều nên rất bền

Kim cương có cấu trúc carbon 3 chiều, sợi carbon có cấu trúc mạng lưới 2 chiều với các nguyên tố carbon sắp xếp trật tự thẳng hàng và quấn lấy nhau

Tóm lại, sợi carbon bền khi nó ít lẫn các nguyên tố khác và sắp xếp trật

tự

1.2.5 Sự khác nhau giữa sợi carbon và các vật liệu carbon khác

Cả sợi carbon và than củi đều thuộc nhóm vật liệu carbon Cả hai có cấu trúc tinh thể của graphite nhưng trật tự sắp xếp và cách sắp xếp thẳng hàng khá khác nhau

Với sợi carbon, nguyên tử carbon sắp xếp thẳng hàng và trật tự, tạo thành cấu trúc mặt lưới, các lớp xếp chồng và quấn vào nhau

Trong khi than củi, lớp cấu trúc này vô định hình, không trật tự và không quấn lấy nhau nên vật liệu này có độ bền thấp hơn

Graphite cũng có cấu trúc giống than củi nhưng sắp xếp có trật tự hơn Graphite tự nhiên chủ yếu được sản xuất ở Trung Quốc, Ấn Độ

1.2.6 Tính chất và ứng dụng của sợi carbon PAN và sợi PITCH

a Sợi carbon PAN:

Là một khối tập hợp của sợi liên tục (sợi đơn), đường kính 5 - 7 micron

và tỷ trọng 1.74 - 1.95 g/cm3

Sản phẩm tập hợp nhiều loại sợi đơn khác nhau tạo thành bó sợi như 1K (1000 filaments), 3K (3000 filaments), 6K (6000 filaments), 12K (12000 filaments) và 24K (24000 filaments, được ứng dụng chính trong ngành hàng không, thể thao do tỷ trọng thấp, độ bền kéo và mođul đàn hồi cực cao

Sợi carbon PAN đóng vai trò chính sợi carbon trên thị trường, loại bó sợi dày (trên 40K) hoặc loại có độ bền kéo thấp hơn chủ yếu ứng dụng trong công nghiệp

Sợi carbon PAN phân loại theo mođun đàn hồi: mođun đàn hồi tiêu chuẩn (240 MPa), mođun đàn hồi trung gian (300MPa) và mođun đàn hồi cao (350MPa)

b Sợi carbon PITCH:

Có hai loại: sợi liên tục và không liên tục tương ứng quá trình se sợi Sợi carbon PITCH cũng được phân loại thành loại đẳng hướng (graphite hóa nghiêm ngặt) và loại bất đẳng hướng (graphite hóa dễ dàng)

Loại sợi carbon PITCH đẳng hướng thường là sợi không liên tục, đường kính 12-18 micron, tỷ trọng 1.6 g/cm3 và có mođun thấp (40GPa), độ bền và tính dẫn nhiệt thấp do sự định hướng và kết tinh thấp của các nguyên

tố carbon

Với giá thành cạnh tranh, sợi carbon PITCH đẳng hướng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp khối lượng nhẹ, ổn định hóa chất kháng nhiệt và kháng mài mòn

Mặt khác, sợi carbon PITCH không đẳng hướng được xem như sợi carbon PITCH pha trung gian, thường là sợi liên tục, đường kính 7- 10 micron Tỷ trọng 1.7 - 2.2 g/cm3

Các chuẩn sợi này là 1K, 2K, 3K, 6K và 12K

Mođun đàn hồi thấp từ 6GPa tới 53GPa trong khi sợi cacbon PAN không thể đạt được giá trị này

Loại có mođun đàn hồi cao (trên 350 MPa) có khả năng gia công rất tốt

do độ bền kéo cao (hơn 2.5GPa) và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, thể thao do độ cứng cao hơn sắt và khối lượng nhẹ (nhẹ hơn 50% so với sắt)

Loại sợi carbon có mođun đàn hồi cực cao (trên 600GPa) có độ cứng rất cao, dẫn nhiệt tương đương hoặc cao hơn kim loại và nhẹ

1.2.7 Sợi carbon có tái chế được không?

Hiện nay có thể xay sản phẩm composite sợi carbon thành bột độn vào sản phẩm mới nhằm giảm giá thành và giảm hiện tượng oxy hóa

Ngoài ra, phương pháp nhiệt phân sản phẩm composite sợi carbon cũng đang được nghiên cứu

1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng lưới địa kỹ thuật trong xây dựng đường ô tô trên thế giới và trong nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

a Giới thiệu chung [16]

Một số nước trên thế giới đã nghiên cứu ứng dụng lưới địa kỹ thuật để nâng cao khả năng chịu lực cho lớp bê tông asphalt như Cộng hòa Liên Bang Đức, Thụy Sĩ

Trong một vài năm gần đây lưới địa kỹ thuật đã được sử dụng thành công để tăng độ bền của bề mặt đường bê tông asphalt Những lưới này làm giảm vết nứt mỏi cũng như nứt do nhiệt trên áo đường bê tông asphalt và kết quả có thể giảm thiểu chi phí bảo dưỡng sửa chữa đường trong quá trình khai

thác Tác dụng của lưới địa kỹ thuật là tăng cường sức chịu tải, xử lý và ngăn ngừa các vết nứt, lún bề mặt

Hình 1.10 Hiện tượng lún mặt đường trên Đại lộ Đông Tây - TP.HCM

Sợi lưới carbon tăng cường độ cấu trúc của lớp gia cố mặt đường bê tông asphalt Lưới sợi Carbon có giá trị về mặt cường độ tương đương với một lớp bê tông nhựa có độ dày 3-4cm Nó cung cấp các lựa chọn phục hồi thú vị cho khu vực nội thành Ví dụ, một lớp áo đường cũ có thể bị nghiền nhỏ đến độ sâu 3cm và được sửa chữa với lưới sợi Carbon cũng như một lớp

bê tông asphalt mặt đường mới có chiều dày 3cm Giá trị kết cấu của lớp bê tông asphalt mặt đường có gia cố 3cm thì tương ứng với lớp bê tông asphalt không gia cố dày 6-7cm Khi mài mòn đến độ sâu 3cm thì khu vực lề đường

có gia cố không bị ảnh hưởng Bởi vì hiện tại, cái mức độ cũ được duy trì sau khi sửa chữa còn trục chính thì không được nâng lên mức độ mới Điều này làm cho lưới sợi carbon là một lựa chọn tốt liên quan đến chi phí Hơn thế nữa các bước xây dựng thì sẽ làm giảm thiểu và tiết kiệm được nguồn tài nguyên Tại trung tâm Nghiên cứu vật liệu EMPA Dübendorf/CH lưới quy ước được

so sánh với lưới bi-tum S&P cho mặt đường có sẵn

Trong những hướng dẫn khác nhau của Châu Âu và tiêu chuẩn xây dựng đường thì lớp liên kết phải lớn hơn 15kN là yêu cầu bắt buộc giữa lớp mặt đường cũ và mới, chỉ tiêu đó cũng được áp dụng cho mặt đường asphalt

có gia cố Giá trị này không thể đạt được khi sử dụng lớp trung gian không

dính kết truyền thống Lưới tiêu chuẩn đáp ứng một phần tiêu chí này khi đặt trong sự kết hợp với lớp phủ SAMI

Hình 1.11 Mẫu lưới sợi carbon Hình 1.12 Lưới sợi carbon

Hình 1.13 Mẫu S&P carbophalt G

hỗn hợp atphalt chèn qua lưới cấu trúc và bitum được hòa tan Trong quá trình nén của sự pha trộn atphalt mới, các hạt sẽ tạo một sự liên kết với lớp atphalt

cũ có sẵn thông qua sự di chuyển của các bó cáp Những bó cáp cũng dịch chuyển theo phương dọc để điều chỉnh với lớp mặt đường không bằng phẳng trước đó Nhờ vào công nghệ S&P “bắt đầu của những mối nối dưới tác dụng nén chặt của nhiệt”, lớp kết dính cần thiết của lớp atphalt có gia cố sẽ được hoàn thiện

b Nghiên cứu tại EMPA/CH về dầm chịu uốn 4 điểm [16]

Tại trung tâm nghiên cứu EMPA/CH, lớp phủ mặt đường bitum với những loại khác nhau về sự gia cố đã được kiểm tra, sử dụng dầm chịu uốn 4 điểm Chúng cho thấy hai điển hình về hình dạng phá vỡ

Hình 1.15 Mẫu thử không có lưới Hình 1.16 Mẫu thử có lưới

Trong khi ở lớp bê tông asphalt không có lưới (hình 1.15), vết nứt phát triển ở giữa của mẫu thử dẫn đến đứt gãy mẫu thử, lớp bê tông asphalt được gia cố lưới carbon (hình 1.16) cho thấy sự phân bố lại ứng suất và phân bố vết nứt tối ưu

c Tác động của lưới sợi carbon [16]

Trong thử nghiệm mạng lưới polyester truyền thống được so sánh với chất tráng trước bitum và lưới sợi carbon

Lưới polyester với mô đun đàn hồi căng 15 kN/mm² uốn cong theo tải trọng và do đó không có khả năng hấp thụ cường độ hoạt động trên mặt đường bê tông asphalt Lưới tráng trước chất bi-tum "S & P Glasphalt G" với

độ co giãn căng modulus 70kN/mm² hấp thụ lực căng trong lớp bê tông asphalt và do đó thích hợp cho việc giảm các vết nứt trong lớp mặt đường asphalt Tải trọng cuối cùng có thể được tăng cường hơn nữa với mạng lưới sợi carbon "S & P Carbophalt G" Lưới sợi carbon với một mô đun đàn hồi căng 240 kN/mm2 làm khả năng chịu lực của lớp asphalt được gia cố đáng kể

và cải thiện sức kháng với các vết nứt ( Biểu đồ hình 1.17 và 1.18)

Hình 1.17 Sự phá hoại (khả năng kết cấu) cũng như sức bền kháng nứt của lớp mặt đường

có gia cố tăng lên đáng kể qua lưới sợi các-bon

Hình 1.18 Lưới sợi carbon so với các lớp trung gian khác

d Ảnh hưởng của nhiệt độ [16]

Các thử nghiệm so sánh ảnh hưởng của nhiệt độ ở -10°, 0° cũng như ở +10°C, trên một lớp không có gia cố và một lớp asphalt được gia cố bằng lưới sợi các bon

Lưới sợi các-bon “S&P Carbophalt G“ tăng sức kháng nứt cũng như tải trọng cuối cùng trong tất cả các phạm vi nhiệt độ, ở -10°, 0° cũng như ở +10°C (Biểu đồ hình 1.19)

2.2.1

Hình 1.19 Ảnh hưởng của nhiệt độ (ở -10°, 0° cũng như ở +10°C)