LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA CẤP PHỐI ĐÁ TRỘN NHỰA DÙNG TRONG THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM

Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 1: VAI TRÒ VÀ VỊ TRÍ CÁC LỚP VẬT LIỆU DÙNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM 1.1 Trình tự kết cấu áo đường mềm 1.2 Nền đường 1.3 Móng đường 1.4 Mặt đường CHƯƠ

-@&? -

“NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA CẤP PHỐI ĐÁ TRỘN NHỰA DÙNG TRONG

THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG MỀM”

LUẬN ÁN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

MÃ SỐ : 60 – 58 – 30

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN MẠNH HÙNG

LỜI CẢM ƠN

Bằng Luận án Thạc sỹ KHKT này, tác giả đã nhận được sự giúp

đỡ rất nhiều của các thầy giáo hướng dẫn, các bạn đồng nghiệp và các

cơ quan liên quan

Lời đầu tiên, tác giả xin trân trọng cảm ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Mạnh Hùng, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tác giả xin trân trọng gửi lời cám ơn đến toàn thể các Thầy cô trong Bộ môn Đường bộ - khoa Công trình, Phòng đào tạo đại học và sau đại học của Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập, làm cơ sở cho quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Tác giả cũng trân trọng cảm ơn Phòng thí nghiệm trọng điểm đường bộ III (Viện KHCN GTVT) và các đồng nghiệp đã tận tình giúp

đỡ tôi hoàn thành luận án này

Xin trân trọng cảm ơn!

Đồng Nai, ngày 10 tháng 5 năm 2010

Tác giả

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết nghiên cứu đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

3 Phương pháp nghiên cứu

4 Nội dung nghiên cứu

CHƯƠNG 1: VAI TRÒ VÀ VỊ TRÍ CÁC LỚP VẬT LIỆU DÙNG

TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM

1.1 Trình tự kết cấu áo đường mềm

1.2 Nền đường

1.3 Móng đường

1.4 Mặt đường

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CẤP PHỐI

ĐÁ TRỘN NHỰA TRÊN THẾ GIỚI VÀ NƯỚC TA

2.1 Khái niệm và phân loại cấp phối đá trộn nhựa (sau đây gọi tắt là đá trộn nhựa)

2.2 Chỉ tiêu kỹ thuật đạt được của đá trộn nhựa

2.3 Tình hình sử dụng đá trộn nhựa trong kết cấu áo đường mềm trên thế giới

2.4 Tình hình sử dụng đá trộn nhựa trong kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU KỸ

THUẬT CỦA ĐÁ TRỘN NHỰA

3.1 Đánh giá nguồn vật liệu đá qua nghiền để chế tạo đá trộn nhựa 3.2 Thiết kế cấp phối đá trộn nhựa

3.2.1 Phương pháp thiết kế thành phần cấp phối đá trộn nhựa

3.2.2 Yêu cầu vật liệu sử dụng chế tạo cấp phối đá trộn nhựa

3.2.3 Các phương pháp thí nghiệm

3.2.3.1 Tiêu chuẩn áp dụng đầm chặt mẫu

3.2.3.2 Độ ổn định, chỉ số dẻo qui đinh ước và thương số Marshall 3.2.3.3 Độ ỗn định còn lại (Retained Stability) sau khi ngâm mẫu ở

600C, 24 giờ, sau đó đem thí nghiệm như trên 3.2.3.4 Độ rỗng cốt liệu (Voids in mineral aggregate) và độ rỗng

của cấp phối đá trộn nhựa (Air voids) 3.2.3.5 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi, độ bền chịu kéo của

cấp phối đá trộn nhựa

3.3 Đúc mẫu phục vụ công tác thí nghiệm (TN) trong phòng

3.3.1 Thành phần cấp phối các cở hạt của hỗn hợp đá trộn nhựa

3.3.2 Xác định hàm lượng nhựa dự kiến cho các cấp phối đá trộn nhựa 3.3.3 Đúc mẫu phục vụ thí nghiệm:

3.3.4 Xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho cấp phối đá trộn nhựa

3.3.5 Yêu cầu thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của cấp phối đá trộn nhựa

3.4 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật dùng trong tính toán

3.4.1 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của cấp phối đá trộn nhựa 3.4.2 Xác định độ bền chịu kéo uốn của cấp phối đá trộn nhựa thông qua kết quả thí nghiệm ép chẻ

3.4.3 Xác định cường độ chịu nén của cấp phối đá trộn nhựa

3.4.4 Xác lập quan hệ biểu thị sự biến đổi theo nhiệt độ

3.4.4.1 Biểu đồ quan hệ Mô đun đàn hồi theo nhiệt độ

3.4.4.2 Biểu đồ quan hệ Cường độ chịu nén theo nhiệt độ

3.4.4.3 Biểu đồ quan hệ Cường độ ép chẻ theo nhiệt độ

3.4.4.4 Biểu đồ quan hệ độ bền kéo uốn theo nhiệt độ

3.4.5 Bảng so sánh các chỉ tiêu của cấp phối đá trộn nhựa với Bê tông nhựa trong 22TCN 211-06

3.4.6 Đưa ra chỉ tiêu trong tính toán và điều kiện kiểm toán

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG VÀO TÍNH TOÁN KẾT CẤU MẶT

4.3 Công nghệ chế tạo và thi công đá dăm trộn nhựa

4.3.1 Công nghệ chế tạo cấp phối đá trộn nhựa

4.3.2 Thi công cấp phối đá trộn nhựa

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ VÀ DỰ KIẾN HƯỚNG

NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

5.1 Kết luận

5.1.1 Tổng kết các kết quả nghiên cứu của đề tài thu được

5.1.2 Khả năng áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế

5.1.3 Đánh giá hiệu quả của các kết quả nghiên cứu

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết nghiên cứu đề tài

Giao thông vận tải là một bộ phận quan trọng trong kết cấu hạ tầng kinh tế - xã hội, cần ưu tiên đầu tư phát triển đi trước một bước với tốc độ nhanh, bền vững nhằm tạo tiền đề cho phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh, phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước

Phát triển kết cấu hạ tầng giao thông một cách đồng bộ, hợp lý; kết hợp phát triển từng bước vững chắc với những bước đột phá đi thẳng vào hiện đại tạo nên mạng lưới hoàn chỉnh, liên hoàn, liên kết giữa các phương thức vận tải, giữa các vùng lãnh thổ, giữa đô thị và nông thôn trên phạm vi toàn quốc, đồng thời coi trọng công tác bảo trì, đảm bảo khai thác hiệu quả, bền vững kết cấu hạ tầng giao thông hiện

có

Hệ thống quốc lộ và đường tỉnh phải được đưa vào đúng cấp kỹ thuật; mở rộng và xây dựng mới các quốc lộ có nhu cầu vận tải lớn; xây dựng hệ thống đường bộ cao tốc Các tuyến đường bộ đối ngoại đạt tiêu chuẩn kỹ thuật của đường bộ khu vực

Hiện nay, nhu cầu xây dựng hệ thống đường giao thông cấp cao ngày càng lớn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của công tác vận tải bằng đường bộ

Với kết cấu mặt đường mềm cấp cao hiện nay, lớp móng đường chủ yếu làm bằng vật liệu cấp phối đá dăm rời rải trực tiếp dưới lớp mặt là bê tông nhựa nóng (BTN) Như vậy, chiều dày lớp móng trong kết cấu mặt đường khá dày, tiêu tốn nhiều vật liệu đá, ảnh hưởng đến

cao độ nền của các công trình hiện hữu hai bên tuyến đường xây dựng

Để giảm chiều dày móng đường là vật liệu rời và tăng cường sự ổn định cũng như quá trình truyền tải từ lớp mặt BTN đến lớp móng, nhất

thiết phải sử dụng lớp vật liệu đá trộn nhựa để tăng khả năng chịu lực

của lớp móng và giảm chiều dày của lớp móng cấp phối đá dăm Hiện nay, trên thế giới nhiều nước đã dùng lớp cấp phối đá trộn nhựa (ĐTN)

để làm lớp chuyển tiếp nối lớp mặt BTN với móng cấp phối đá dăm, phù hợp hơn về mô hình cơ học mặt đường mà lại đảm bảo lâu dài độ

êm thuận và tuổi thọ cho lớp BTN

Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam, việc sử dụng vật liệu cấp phối

đá trộn nhựa làm lớp móng cho mặt BTN còn chưa được rộng rãi, do chưa có quy trình, quy phạm áp dụng Mặt khác, các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của vật liệu cấp phối ĐTN dùng trong tính toán còn chưa được phổ cập Vì vậy, “Nghiên cứu xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của cấp phối đá dăm trộn nhựa dùng trong thiết kế mặt đường mềm” là rất cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

- Bổ sung nguồn vật liệu làm lớp móng mặt BTN trong áo đường mềm;

- Làm giảm chiều dày kết cấu móng áo đường;

- Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của cấp phối đá dăm trộn nhựa

để áp dụng trong tính toán kết cấu áo đường mềm theo 22TCN 211-06 của Bộ Giao thông vận tải

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu đá khai thác tại một số mỏ của tỉnh Đồng Nai: Mỏ đá Hóa

An, Tân Cang, Sóc Lu,

Xác định một số chỉ tiêu kỹ thuật của cấp phối đá trộn nhựa với nguồn vật liệu cấp phối đá dăm khu vực Miền đông nam bộ (Đồng Nai)

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết phương pháp thiết

kế hỗn hợp cấp phối đá trộn nhựa; lý thuyết về thí nghiệm (TN) các hỗn hợp vật liệu dùng nhựa đường làm chất dính kết

Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo các mẫu thử tại phòng thí nghiệm, TN đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của cấp phối ĐTN phụ thuộc vào nhiệt độ

Trên cơ sở các số liệu TN từ thực nghiệm đánh giá khả năng sử dụng cấp phối đá trộn nhựa và hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của giải pháp

đề xuất

5 Nội dung nghiên cứu:

Nội dung luận văn được trình bày trong 5 chương bao gồm:

Chương I: Vai trò và vị trí các lớp vật liệu dùng trong kết cấu mặt

đường mềm Chương II: Tổng quan tình hình sử dụng cấp phối đá trộn nhựa trên

thế giới và ở nước ta

Chương III: Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của cấp phối đá

trộn nhựa

Chương IV: Ứng dụng vào tính toán kết cấu mặt đường mềm

Chương V: Kết luận & Kiến nghị

CHƯƠNG I: VAI TRÒ VÀ VỊ TRÍ CÁC LỚP VẬT LIỆU DÙNG TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM

1.1 Trình tự kết cấu áo đường mềm

Áo đường mềm là kết cấu nhiều lớp gồm: Tầng mặt làm bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có trộn nhựa hay tưới nhựa đường

và tầng móng làm bằng các loại vật liệu khác nhau đặt trực tiếp trên khu vực tác dụng của nền đường hoặc trên lớp đáy móng

Kết cấu tổng thể áo đường mềm: (Xem sơ đồ hình 1.1) [4]

Cụ thể:

• Tầng mặt áo đường mềm cấp cao có thể có nhiều lớp gồm lớp

tạo nhám, tạo phẳng hoặc lớp bảo vệ, lớp hao mòn ở trên cùng (đây là các lớp không tính vào bề dày chịu lực của kết cấu mà là các lớp có chức năng hạn chế các tác dụng phá hoại bề mặt và trực tiếp tạo ra chất lượng bề mặt phù hợp với yêu cầu khai thác đường) rồi đến lớp mặt trên và lớp mặt dưới là các lớp chịu lực quan trọng tham gia vào việc hình thành cường độ của kết cấu

áo đường mềm

• Tầng móng cũng thường gồm lớp móng trên và lớp móng dưới,

thường là những vật liệu hạt rời như cấp phối đá dăm, cấp phối sỏi đỏ,…

• Tùy loại tầng mặt, tùy cấp hạng đường và lượng xe thiết kế, kết

cấu áo đường có thể đủ các tầng lớp nêu trên nhưng cũng có thể chỉ gồm một, hai lớp đảm nhiệm nhiều chức năng

Hình 1-1: Sơ đồ kết cấu tổng thể áo đường mềm [4]

1.2 Nền đường

Phần thân đường trong phạm vi bằng 80-100cm kể từ đáy kết cấu

áo đường trở xuống Đó là phạm vi nền đường cùng với kết cấu áo đường chịu tác dụng của tải trọng bánh xe truyền xuống

Thiết kế tổng thể nền mặt đường có nghĩa là ngoài việc chú trọng các giải pháp thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường còn phải chú trọng đến các giải pháp nhằm tăng cường cường độ và độ ổn định cường độ đối với khu vực tác dụng của nền đường

Trong một số trường hợp còn cần bố trí lớp đáy móng (hay lớp đáy áo đường) thay thế cho 30cm phần đất trên cùng của khu vực tác

dụng của nền đường (có nghĩa là lớp đáy móng trở thành một phần của khu vực tác dụng)

Lớp đáy móng có các chức năng sau:

• Tạo một lòng đường chịu lực đồng nhất (đồng đều theo bề rộng),

có sức chịu tải tốt;

• Dẫn nước mặt thoát khỏi móng đường, ngăn chặn ẩm thấm từ

trên xuống nền đất và từ dưới lên tầng móng áo đường;

• Tạo điều kiện cho xe máy đi lại trong quá trình thi công áo

đường không gây hư hại nền đất phía dưới (nhất là khi thời tiết xấu)

1.3 Móng đường

Lớp móng chủ yếu thu nhận tác dụng của lực thẳng đứng của tải trọng xe chạy truyền qua lớp mặt rồi phân bố rộng lực thẳng đứng này lên lớp đệm và nền đường, vì vậy lớp móng phải đủ cường độ và độ cứng nhưng có thể không xét tới độ hao mòn Dù lớp móng không ảnh hưởng của nhân tố khí hậu mạnh như lớp mặt, nhưng vẫn có khả năng chịu ảnh hưởng của nước ngầm và nước mặt thấm vào nên kết cấu của lớp này cũng phải có độ ổn định đối với nước

Mặt của lớp phải có độ bằng phẳng, có độ dốc ngang như độ dốc ngang của lớp mặt để đảm bảo cho chiều dày lớp mặt được đồng đều Vật liệu dùng làm lớp móng gồm có: các loại vật liệu hạt như cấp phối

đá dăm; cấp phối sỏi cuội, cát, đất dính; cấp phối đồi; xỉ phế thải công nghiệp; đá dăm; đất hoặc các lớp móng làm bằng các loại vật liệu hạt

có gia cố các loại nhựa đường, chất liên kết vô cơ (xi măng, vôi và tro bay,…)

Lớp móng có thể gồm hai lớp: lớp móng dưới có tác dụng phân chia bớt tải trọng để giảm bớt chiều dày lớp móng trên và thường làm bằng vật liệu tại chổ phù hợp yêu cầu Đối với lớp móng thấm nước hoặc lớp móng nằm trên nền đất trương nở thì bố trí đường thấm thoát nước cho toàn bộ nền đường hoặc hai mép đường để thoát nước thấm vào lớp này tránh làm hỏng lớp mặt

1.4 Mặt đường

Mặt đường là lớp kết cấu trực tiếp tiếp xúc với bánh xe và các tác động biến đổi khí hậu trong năm Nó tiếp nhận tác dụng tương đối lớn của tải trọng xe chạy (lực thẳng đứng, đặc biệt là lực nằm ngang và lực xung kích), lại chịu ảnh hưởng bất lợi của sự xâm thực của nước mưa

và của sự thay đổi nhiệt độ Do đó, lớp mặt phải có cường độ và độ ổn định của kết cấu tương đối cao so với các lớp khác, đồng thời phải chịu mài mòn tốt, ít thấm nước, bằng phẳng và nhám

Chất lượng sử dụng của mặt đường chủ yếu phụ thuộc vào lớp mặt Ví dụ: Lớp mặt làm bằng bêtông xi măng, bêtông nhựa, đá dăm trộn nhựa,… có cường độ cao, bền, bằng phẳng, có khả năng chịu được lượng giao thông lớn, đảm bảo xe chạy với tốc độ cao quanh năm thì thuộc về mặt đường cấp cao Các loại lớp mặt của đường thứ cấp (cấp cao thứ yếu) gồm có mặt đường thấm nhập nhựa, mặt đường đá dăm (đá sỏi) trộn nhựa tại đường, mặt đường láng nhựa,… Loại mặt đường này có cường độ thấp, còn bụi, độ bằng phẳng kém chỉ thích hợp với đường ít xe, tốc độ chạy xe không cao Mặt đường đất cải thiện hoặc gia cố với vật liệu hạt thường cho cường độ và độ ổn định với nước thấp, chỉ có thể thu nhận lượng giao thông nhỏ, xe chạy với tốc độ thấp

và không thông xe được vào mùa mưa, giá thành xây dựng thấp nhưng khối lượng duy tu bảo dưỡng lớn, giá thành vận tải cao

Mặt đường cần có một độ dốc ngang nhất định để đảm bảo thoát nước Trừ các đoạn có bố trí siêu cao, mặt cắt ngang của đường thường làm theo hình khum, thường gọi là độ mui luyện mặt đường Lớp mặt

có độ bằng phẳng và độ ổn định đối với nước tương đối tốt, tính thấm nước nhỏ thì có thể làm độ dốc ngang nhỏ, ngược lại phải bố trí độ dốc ngang lớn hơn Dốc ngang của mặt đường có các loại lớp mặt khác nhau có thể lấy theo bảng 1-1[16]:

Bảng 1-1: Độ dốc ngang thiết kế mặt đường

Loại lớp mặt của mặt đường Độ dốc ngang

(%)

Các loại mặt đường nhựa khác, đá lát hoàn chỉnh 1,5 – 2,5

Đá lát nữa hoàn chỉnh, đá lát không hoàn chỉnh 2,0 – 3,0

Đá dăm (sỏi sạn) và các vật liệu hạt 2,5 – 3,5

Nhận xét Chương 1:

Kết cấu nhiều lớp của áo đường mềm sẽ phản ánh sự lựa chọn hợp lý về vật liệu dùng trong thiết kế Đó là để vừa đáp ứng yêu cầu về nhóm tải trong vận chuyển, vừa thỏa mãn trạng thái ứng suất sinh ra trong lòng các lớp kết cấu dưới tác dụng của tải trọng trục xe tính toán

Hình 1-2 cho thấy trạng thái ứng suất pháp (σz) và ứng suất chịu kéo uốn (σr) sinh ra dưới tác dụng của trục xe tiêu chuẩn 10T có thông

số [2]:

- Đường kính đường tròn tương đương vệt tiếp xúc bánh xe:

D=31,3 cm (qui ra bán kính a=0,1565 m)

- Áp lực bánh xe tính toán p=0,65 Mpa

Hình 1-2: Phân bố ứng suất σz và σr trong áo đường mềm dưới tác

dụng của tải trọng tính toán Đây là kết cấu tương đối phù hợp với các dạng kết cấu áo đường mềm khu vực phía Nam (Việt Nam) Trình tự các lớp từ trên xuống gồm:

- Bê tông nhựa nóng (BTN) dày :12cm

- Cấp phối đá trộn nhựa (ĐTN) dày :18cm

- Cấp phối đá dăm (CPĐD) dày :20cm

- Nền đường có E o =30Mpa

Thay vì trong kết cấu của chúng ta thường sử dụng lớp móng cấp phối đá dăm rất dày để đặt trực tiếp lớp mặt 12cm BTN thì áo đường ở Hình 1-2 đã đưa vào 18cm cấp phối ĐTN Việc chọn và thiết kế cấp

phối ĐTN “nối” lớp móng CPĐD với lớp mặt BTN đã phát huy được

ưu điểm của loại vật liệu dính kết là có khả năng chịu kéo uốn cao để gánh chịu ứng suất σr lớn nhất sinh ra ở đáy lớp này Cấp phối ĐTN phải đủ dày nhưng có hàm lượng nhựa ít hơn nhiều so với BTN Thực

tế vật liệu BTN có ứng suất đang nằm ở vùng nén (không phải vùng chịu uốn)

Như vậy cần lưu ý: Trong thiết kế kết cấu áo đường mềm không nên để móng dạng vật liệu rời (làm việc theo nguyên lý cài chặt) gánh chịu ứng suất max σr sinh ra dưới tác dụng của tải trọng ở mùa bất lợi

Khu vực phía Nam có mùa bất lợi là mùa mưa Trong mùa mưa, nền

đường sẽ yếu đi, và yêu cầu hỗn hợp vật liệu sử dụng nhựa đường làm chất kết dính phải đảm bảo điều kiện chịu kéo uốn, không nứt mặt đường

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH SỬ DỤNG CẤP PHỐI ĐÁ TRỘN NHỰA TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở NƯỚC TA

2.1 Khái niệm và phân loại cấp phối đá trộn nhựa (sau đây gọi tắt là đá trộn nhựa)

Cấp phối đá trộn nhựa được hiểu như một hỗn hợp cốt liệu đá có đường cấp phối liên tục hoặc gián đoạn trộn nóng với nhựa đường tại trạm trộn

Về bản chất, thành phần cấp phối đá trộn nhựa hầu như không có bột khoáng Nghĩa là khi sản xuất cấp phối đá trộn nhựa ở trạm trộn, không có công đoạn cấp bột khoáng Vì lẽ đó mà hàm lượng nhựa đường dùng để trộn không cao, các chỉ tiêu kỹ thuật của cấp phối đá trộn nhựa cũng kém hơn so với BTN

Vật liệu đá, cát,… đáp ứng yêu cầu sử dụng chế tạo BTN thì đều dùng được để sản xuất cấp phối đá trộn nhựa Chất dính kết trong hỗn hợp trộn nóng của cấp phối đá trộn nhựa là nhựa đường bán cứng có độ kim lún khác nhau Người thiết kế sẽ lựa chọn, đề xuất loại nhựa đặc bán cứng căn cứ vào đặc điểm khí hậu của vùng hay khu vực mà tuyến đi qua Ví dụ: Khu vực phía Nam, nóng nhiều, dùng loại nhựa đường có độ kim lún 50/60 sẽ hợp lý hơn loại 60/70

Công nghệ chế tạo và thi công cấp phối đá trộn nhựa cũng tương tự như BTN Cốt liệu đá, cát đều phải qua tang sấy tới nhiệt độ yêu cầu Nhựa đặc bán cứng (ở thể lỏng) tiếp tục được gia nhiệt tới nhiệt độ trộn Hệ thống cấp liệu tự động đưa các nhóm đá khác nhau tuyển lại qua sấy vào buồng trộn theo đúng thành phần thiết kế Tại đây, đá được trộn, bọc đều nhựa Thành phẩm cấp phối đá trộn nhựa được chuyển qua phễu chứa giữ nhiệt để cung cấp đủ khối lượng cho xe ben chở tới công trường thi công

Chất lượng cấp phối đá trộn nhựa được đánh giá qua các thí nghiệm xác định chỉ tiêu kỹ thuật tương tự như BTN Trong đó phải kể tới:

- Mô đun đàn hồi của cấp phối đá trộn nhựa chịu ảnh hưởng của

biến đổi nhiệt độ, t o C;

- Độ bền ép chẻ của cấp phối đá trộn nhựa chịu ảnh hưởng của

biến đổi nhiệt độ, t o C;

- Độ bền và độ dẻo Marshall

Cấp phối đá trộn nhựa được lựa chọn thường thiên về đường cong có cở hạt lớn hơn dùng cho BTN Tùy thuộc các mục đích khác nhau, có thể vẫn là hình thức cấp phối đá trộn nhựa nhưng sử dụng đường cong cấp phối gián đoạn (hở) để tạo nhám, thì gọi là lớp tạo nhám Ví dụ như [3] :

- Open-Graded Friction Course (OGFC) là loại đá trộn nhựa

rỗng chịu ma sát, độ rỗng của hỗn hợp khoảng 15% và không có yêu cầu về độ rỗng tối thiểu Tiêu chuẩn yêu cầu về vật liệu đá cũng thấp hơn tiêu chuẩn về vật liệu đá của cấp phối đá trộn nhựa xốp của Châu

Âu (Porous European Mixes PEM) Loại này chỉ dùng để làm lớp mặt,

nó có tác dụng làm giảm lượng nước dưới lốp xe khi mặt đường ẩm ướt Với độ rỗng lớn, nó thu nhận tiếng ồn của mặt đường do đó làm giảm tiếng ồn do lốp xe gây ra khoảng 50% (khoảng 10dBA)

- Porous European Mixes (PEM) là loại cấp phối đá trộn nhựa

xốp Châu Âu, độ rỗng khoảng (18-20)%, tiêu chuẩn vật liệu cao hơn loại OGFC và yêu cầu dùng loại nhựa đường có cải tiến

- Asphalt Treated Permeable Bases (ATPB) là loại móng thoát

nước có xử lý nhựa đường, yêu cầu về tiêu chuẩn kỹ thuật ít nghiêm ngặt hơn loại OGFC vì chúng được dùng làm lớp bên dưới với mục đích thoát nước cho các lớp mặt bên trên như bê tông nhựa chặt, bê

tông nhựa rỗng chịu ma sát, bê tông xi măng,… Asphalt Treated Permeable Bases (ATPB) cũng giống cấp phối đá trộn nhựa chặt nhưng với phạm vi đường bao cấp phối rộng hơn và hàm lượng nhựa đường thấp (từ 2,5 – 4,5 % trọng lượng đá dăm) và thường chỉ dùng làm lớp móng

2.2 Chỉ tiêu kỹ thuật đạt được của đá trộn nhựa

Hiện nay, trong 22TCN 211-06 [4] mới bổ sung đưa vào chỉ tiêu kỹ thuật của đá dăm đen nhựa đặc chêm chèn:

- Mô đun đàn hồi ở 10-15 o C đạt 800-1000 Mpa;

- Mô đun đàn hồi ở 30 o C đạt 350 Mpa

Ngoài ra, chưa có số liệu nào nêu rõ chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của đá trộn nhựa

Trên thế giới, nhiều nước ở Châu Âu từ thế kỷ trước đã sử dụng cấp phối đá trộn nhựa trong kết cấu áo đường mềm Vì vậy, ít nhiều chúng ta có thể tham khảo được những thông tin cần thiết

Trong cuốn sách “Cơ học mặt đường “[2] , các tác giả nghiên cứu khoa học đường bộ tại Trường đại học kỹ thuật Bralislava và Viện VUIS (Bralislava) đã giới thiệu các đặc trưng đàn hồi và biến dạng dùng trong tính toán kết cấu áo đường mềm (bảng 2-1 và bảng 2-2):

Bảng 2-1: Đặc trưng đàn hồi và biến dạng dùng trong tính toán của vật

liệu dính kết với nhựa đường

Tên vật liệu Mô đun đàn hồi E (Mpa)

0oC +10o

C +11oC +25oC +27oC

Bê tông nhựa BTN-I và 7500 5800 5500 3200 3000

tối thiểu đạt 3kN 4500 3100 3050 1300 1250

Đá thấm nhập nhựa hạt to 1900 1100 1100 (500) (500)

Hệ số Poát –Xông (µ) cho

tất cả vật liệu 0,21 0,33 0,33 0,44 0,44

Bảng 2-2: Độ bền chịu kéo uốn dùng trong tính toán của vật liệu dính

kết với nhựa đường

Bê tông nhựa BTN-I và

BTN-II, độ bền Marshall tối

Từ hai bảng trên ta có nhận xét: Hỗn hợp đá trộn nhựa loại I (ĐTN-I)

có chất lượng đạt tương đương với bê tông nhựa loại III (BTN-III) Điều này cho thấy khả năng sử dụng ĐTN-I làm mặt đường địa phương và mặt đường chịu tải trọng nhẹ là rất lớn

2.3 Tình hình sử dụng đá trộn nhựa trong kết cấu áo đường mềm trên thế giới

Nhiều nước có nền công nghiệp phát triển ở Châu Âu như Pháp, Tiệp Khắc (cũ), Đức,… đã sử dụng rộng rãi lớp ĐTN trong kết cấu áo đường mềm

ngay từ đầu Thập niên 70 của thế kỷ trước Kết quả nghiên cứu khoa học đường bộ đã chỉ ra rằng: Giải pháp kỹ thuật dùng móng cấp phối đá dăm (hay cấp phối sỏi cát) gia cố ximăng (XM) không những giảm được chiều dày chung toàn kết cấu mà còn có tác dụng tốt cho khả năng bảo vệ chống nhiễm lạnh áo đường Độ sâu nhiễm lạnh là một trong những điều kiện kiểm toán quan trọng khi thiết kế đường ở các nước có mùa đông, nhiệt độ không khí lạnh dưới 0oC

Bảng 2-3 giới thiệu dạng kết cấu định hình No 9 về mặt đường mềm ở Pháp, năm 1977 [2].

Kết cấu định hình cho thấy: Lớp ĐTN có chiều dày thay đổi từ 12÷18cm đã được đưa vào sử dụng và đóng vai trò lớp móng trên của mặt đường BTN Lớp dưới là lớp cấp phối đá dăm gia cố ximăng

Định hình mặt đường mềm của Tiệp Khắc (cũ) đã phản ánh sự đa dạng hơn

về điều kiện “làm việc”

Định hình được lập với:

- Mô đun đàn hồi chung của nền đường E o =30; 45 và 60 Mpa

- Lớp áo đường dưới cùng còn gọi là lớp bảo vệ, có thể là:

• Cát (hạt trung);

•Đất cấp phối gia cố cơ học;

•Đất gia cố ximăng

Chiều dày lớp này là một tham số thay đổi

Móng đường là cấp phối đá dăm (CPĐD) hoặc CPĐgcxm Móng đường cũng được coi là một tham số thay đổi

Bảng 2-3: Định hình kết cấu áo đường mềm No 9 của Pháp, 1977

Ghi chú bảng 2-3:

(1) BTN: là bê tông nhựa nóng (2) ĐTN: là cấp phối đá trộn nhựa nóng (3) CPĐgcxm: là Cấp phối đá dăm gia cố ximăng

Kết quả chung của định hình cho phép nhận xét:

Ø Nếu sử dụng móng CPĐD (vật liệu rời) sẽ có lớp ĐTN đủ dày mang ý nghĩa như lớp móng trên để đặt BTN lên đó

Ø Nếu sử dụng móng CPĐgcxm đạt cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi từ 7 đến 12 Mpa (loại I), từ 6 đến 11 Mpa (loại II) thì cho phép thảm trực tiếp lớp mặt BTN

Kết cấu định hình dưới đây (Hình 2-1) đáp ứng tổng trục xe thiết kế (10T) khai thác Ne=1 x 107[2]

Hình 2-1: Định hình kết cấu áo đường mềm;

N e =1 x 10 7 trục xe thiết kế 10T

Trường hợp dùng vật liệu đất gia cố ximăng đạt cường độ chịu nén ở 7 ngày tuổi từ 2,5 đến 3,5 Mpa (loại I), từ 1,8 đến 2,5 Mpa (loại II) làm móng, lại cần lớp ĐTN làm lớp móng trên

2.4 Tình hình sử dụng đá trộn nhựa trong kết cấu áo đường mềm ở Việt Nam

Có thể nói: Cho tới cuối thể kỷ XX, chúng ta vẫn chưa thấy hồ sơ thiết

kế chính thống nào đưa ĐTN vào sử dụng Đến đầu thế kỷ XXI, vẫn còn nhiều dự án thiết kế móng cấp phối đá dăm có chiều dày lớn như [6]:

(1) Đường rừng Sát – Cần Giờ:

(2) Đường ĐT 741 – tỉnh Bình Dương

(3) Đường xa lộ Hà Nội mở rộng

(4) Đường cao tốc Sài Gòn – Trung Lương

(5) Đường cao tốc Hà Nội – Hải Phòng

Hình 2-2: Kết cấu áo đường mềm của một vài dự án đã thi công ở khu

vực Tp HCM và Hà Nội

Như vậy, chỉ có kết cấu mới được duyệt cho đường cao tốc Hà Nội – Hải Phòng đã đưa vào sử dụng lớp đá dăm đen (tương đương như lớp ĐTN) nối giữa lớp CPĐD với BTN Kết cấu của đường cao tốc Sài Gòn – Trung Lương đã thay lớp đá dăm đen bằng BTN hạt thô

Nhận xét chương 2:

Đá trộn nhựa có ý nghĩa rất lớn trong kết cấu áo đường mềm Tuy nhiên, ở khu vực Tp HCM nói riêng và cả nước nói chung, chúng ta còn chưa chú trọng đầu tư nghiên cứu để có thể sử dụng đại trà ĐTN vào lĩnh vực thiết

kế, thi công và nghiệm thu kết cấu áo đường

Hiện nay, móng CPĐD đang được thiết kế phổ biến cho nhiều nhóm tải trọng vận chuyển, kể cả đường cao tốc có tổng trục xe khai thác trong suốt thời gian (tuổi thọ) thiết kế đường đạt cao hơn 1x107 trục xe tiêu chuẩn Vì lẽ

đó, CPĐD có chiều dày quá lớn, dẫn tới bất lợi về kết cấu và trạng thái ứng suất chịu kéo uốn sinh ra khi chịu tải, sớm gây biến dạng, mất bằng phẳng mặt đường Xấu hơn, có thể làm nứt mặt BTN

ĐTN đã được sử dụng nhiều ở Châu Âu Các chỉ tiêu kỹ thuật ở bảng 2-1 và bảng 2-2 cũng chính là thước đo tham khảo giúp phân loại ĐTN, để chúng ta đánh giá được chất lượng ĐTN nghiên cứu trong luận văn

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU KỸ

THUẬT CỦA ĐÁ TRỘN NHỰA

3.1 Đánh giá nguồn vật liệu đá qua nghiền để chế tạo đá trộn nhựa

Hiện nay, tình hình nguồn đá qua nghiền sàng ở các mỏ đá trên địa bàn tỉnh Đồng Nai khá dồi dào, có 24 mỏ đá đang khai thác, tập trung ở Tp Biên Hòa, các huyện Thống Nhất, Trảng Bom, Long Thành, Vĩnh Cửu, Định Quán, Nhơn Trạch, Xuân Lộc

Đá qua nghiền được phân loại theo kích thước mắt sàng thành các nhóm vật liệu:

Đá gốc phổ biến có màu xanh hoặc sáng xanh (như đá mỏ Hóa An, tỉnh Đồng Nai) hay màu xám đen (như đá mỏ Thường Tân, tỉnh Bình Dương)

Nghiên cứu mới nhất về đá macma ( 1

2

2O <

Na O K

) và đá trầm tích ( 1

2

Na O K

) đã xác định được hàm lượng SO3 trong đá gốc Đây là thành phần hóa có tác

dụng làm phân rã và làm yếu vật liệu đá khi bị hút ẩm, gặp nước (xem bảng 1):

3-Bảng 3-1: Kết quả phân tích thành phần hóa của đá (%) [6]

- LOI: là lượng mất khi nung (PP thử ASTM C141-03)

Căn cứ phân loại nhóm kích thước hạt đá qua nghiền sàng, căn cứ hỗn hợp CPĐD và cấp phối đá 0x4 trong hệ thống các mỏ đá hiện nay, cho phép đánh giá: Vật liệu đá đáp ứng được yêu cầu của ĐTN và không sử dụng đá có thành phần SO3

3.2 Thiết kế cấp phối đá trộn nhựa

3.2.1 Phương pháp thiết kế thành phần cấp phối đá trộn nhựa

Nếu ĐTN đã có nhiều cấp phối quy định riêng thì việc thiết kế chỉ còn căn cứ vào kết quả phân tích thành phần hạt của các nhóm vật liệu đá, cát rồi phối theo tỉ lệ phần trăm sao cho đạt được được đường cong nằm trong miền qui định Như vậy, về bản chất, thiết kế ĐTN cũng tương tự như thiết kế BTN [7], [10],…,[13] Khác chăng là khi thiết kế ĐTN không dùng đến thành phần bột khoáng

Hiện nay, hệ thống qui trình của Ngành và Việt Nam đều chưa qui định cụ thể về miền cấp phối đá trộn nhựa Tuy nhiên, căn cứ vào miền tiêu chuẩn của cấp phối đá dăm trong 22TCN 334-06 [1], căn cứ

vị trí và vai trò làm lớp móng trên cho kết cấu áo đường mềm, nối móng dưới là cấp phối đá dăm với lớp mặt bê tông nhựa, trong luận văn, tác giả đã chọn miền nghiên cứu, khảo sát tính chất cơ lý và chỉ tiêu kỹ thuật của đá trộn nhựa ở hình 3-1 Đây là miền cấp phối đá dăm

có Dmax=25mm (Dmax25), nhưng kích thước cỡ hạt bột khoáng gần như bằng không

Khi thiết kế có thể xảy ra trường hợp: Đường cong cấp phối

không nằm lọt hẳn trong miền qui định Muốn hiệu chỉnh, cần bổ sung thêm hoặc bớt đi lượng cở hạt nào đó thiếu hay thừa của kết quả phân tích thành phần hạt

Về lý thuyết: Đường cong cấp phối của hỗn hợp đá sử dụng nhựa

đường làm chất dính kết hoặc dùng trong gia cố thường lấy theo lý thuyết cấp phối của Fuller, Talbot hay Ivanốp [5], [14] và [15].

1 10

Đường cấp phối hạt mịn

Đường cấp phối hạt thô

Hình 3-1: Biểu đồ cấp phối ĐTN

Fuller cho rằng: Đường cong cấp phối có độ chặt càng lớn khi càng

gần với đường cong Parabol Và đường cong lý tưởng của Fuller có dạng:

.44,14100

.50

2 1

d P

.33,16100

.5,37

2

d P

.20100

.)25

Như vậy: Công thức của Fuller là trường hợp riêng của công thức Talbot

Lý thuyết cấp phối Ivanôp được xây dựng trên cơ sở thực nghiệm

Ivanôp và Okhotina đã đưa ra luận điểm cấp phối tốt nhất như sau:

1 Cấp phối hạt có kích cỡ kề nhau chênh nhau 2 lần, sẽ tương đương nhau về độ rỗng khi tỷ lệ khối lượng của các hạt kề nhau không đổi

2 Độ rỗng của cấp phối sẽ nhỏ nhất nếu:

§ Kích thước các hạt chèn vào lỗ rỗng các hạt to hơn sẽ lần

lượt giảm đi 16 lần;

§ Khối lượng các loại hạt sau (hạt nhỏ hơn) bằng 43% khối

lượng các loại hạt trước (hạt lớn hơn);

§ Hệ số K=0,43 được gọi là hệ số giảm khối lượng

3 Khi chọn cấp phối có kích cỡ hạt chênh nhau 1/8, 1/4, 1/2 thì độ rỗng của cấp phối sẽ lớn hơn và do đó hạt chèn phải tăng lên Vì vậy, để cấp phối vẫn có được độ chặt lớn nhất (độ rỗng nhỏ nhất) thì:

Khối lượng các hạt sau (hạt nhỏ hơn) sẽ bằng 55%; 66% và 81% khối lượng các hạt trước (hạt lớn hơn)

Hệ số K=0,55; 0,66 và 0,81 tương ứng với cỡ hạt chênh nhau 1/8; 1/4

Bảng 3-2: So sánh lý thuyết cấp phối của Ivanôp với Talbot

Bảng 3-3: Công thức xác định thành phần cấp phối theo Talbot

Công thức cấp phối theo Talbot

Yêu cầu chung là về cường độ, độ mài mòn, hình dạng, độ nhám

bề mặt và khả năng dính bám với nhựa

Nên chọn cốt liệu có gốc kiềm như đá vôi vì chúng có khả năng dính bám tốt với nhựa Nếu phải dùng loại cốt liệu gốc axít thì phải có biện pháp cải thiện khả năng dính bám với nhựa bằng các chất tăng hoạt tính bề mặt như trộn thêm vôi bột hoặc xi măng với liều lượng thích hợp ( thường khoảng 2%) Căn cứ vào loại hỗn hợp, vị trí lớp lưu lượng giao thông để chọn cốt liệu cho phù hợp

Loại đá, nguồn cung cấp để tạo cấp phối đá trộn nhựa, các chỉ tiêu

cơ lý phải đảm bảo yêu cầu theo quy định sau (bảng 3-4) [4]

Bảng 3-4: Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho đá dăm dùng trong cấp phối

đá trộn nhựa Stt Các chỉ tiêu cơ lý của đá

Lớp mặt

Lớp móng

Phương pháp thí nghiệm

Lớp trên Lớp

dưới Loại

lanh) của đá dăm xay từ cuội

sỏi không lớn hơn, %

5 Hàm lượng cuội sỏi được xay

vỡ trong tổng số cuội sỏi, %

khối lượng, không nhỏ hơn

100 80 80 70 Bằng mắt

6 Tỷ số nghiền của cuội sỏi

Rc = Dmin/dmax không nhỏ hơn 4 4 4 4

Bằng mắt kết hợp bằng sàng Ghi chú: Dmin: Cỡ nhỏ nhất của cuội sỏi đem xay

dmax: Cỡ lớn nhất của viên đá đã xay ra được

• Cát:

Vai trò của cát trong hỗn hợp đá trộn nhựa là chèn kẻ hở giữa cát hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc của hỗn hợp Có thể dùng cát thiên nhiên hay cát xay, có các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với qui phạm như khi dùng cho bê tông nặng

Cát dùng loại cát thiên nhiên hoặc cát xay Cát phải cứng, có cấp phối tốt, hạt dạng hình khối, sạch và không lẫn tạp chất, có khả năng dính bám tốt với nhựa Không dùng cát thiên nhiên có hàm lượng thạch anh trên 6%, cát nghiền từ đá granít thạch anh và các đá gốc axít khác

để làm mặt đường cao cấp Cát nghiền phải được chế tạo từ đá có cường độ không nhỏ hơn đá để chế tạo đá dăm

Các chỉ tiêu yêu cầu đối với cát cho theo bảng 3-5 [13]:

Bảng 3-5: Chỉ tiêu yêu cầu của cát