Phân tích nguyên nhân gây hư hỏng nền mặt đường và các giải pháp khắc phục

Hiện nay, rất nhiều tuyến đường bê tông nhựa ở nước ta sau thời gian ngắn đưa vào sử dụng đã xuất hiện những hiện tượng phổ biến như: Xô dồn, nứt trượt lớp mặt bê tông nhựa, hằn lún vệt

PHÂN TÍCH CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG NỀN MẶT ĐƯỜNG VÀ GIẢI

PHÁP KHẮC PHỤC

1. Nguyên nhân hư hỏng nền mặt đường

Sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế trong những năm gần đây kéo theo tăng rất nhanh về lưu lượng và tải trọng trên đường Kết cấu mặt đường bê tông nhựa được sử dụng rộng rãi và

là sự lựa chọn hàng đầu khi thiết kế các công trình đường cao tốc và đường cấp cao khác Trong thực tế, xây dựng đường ở nước ta còn một số tồn tại cần được nghiên cứu giải quyết Trong đó, vấn đề vượt tải và nhiệt độ mặt đường là hai vấn đề cần quan tâm nhằm hạn chế nguyên nhân gây hư hỏng mặt đường

Hiện nay, rất nhiều tuyến đường bê tông nhựa ở nước ta sau thời gian ngắn đưa vào sử dụng đã xuất hiện những hiện tượng phổ biến như: Xô dồn, nứt trượt lớp mặt bê tông nhựa, hằn lún vệt bánh xe, rạn nứt bong bật, lún nứt cao su, gây hư hỏng nghiêm trọng mặt đường cũng như ATGT Đây là mối quan tâm hàng đầu của các nhà quản lý giao thông và nhà xây dựng công trình

2 Các dạng hư hỏng phổ biến

Có thể phân loại các hư hỏng mặt đường bê tông nhựa thành bốn dạng hư hỏng cơ bản phổ biến là: Biến dạng mặt đường, nứt, mất mát vật liệu bề mặt và lún nứt “cao su”

2.1 Biến dạng

Biến dạng mặt đường là dạng hư hỏng phổ biến hiện nay thường thể hiện ở ba dạng hư hỏng sau: Hằn lún vệt bánh xe, lún lõm và lượn sóng

Vệt lún bánh xe thường xuất hiện dọc theo vệt bánh xe và có khuynh hướng phát triển ra phía lề đường, được hình thành do các nguyên nhân: Sự biến dạng của bê tông nhựa do tác dụng đầm nén của bánh xe, do ứng suất cắt lặp đi lặp lại của bánh xe tác dụng (đây là nhân tố

cơ bản)

Hằn lún vệt bánh xe là dạng hư hỏng do hỗn hợp vật liệu mặt đường di chuyển khi chịu tải trọng tác dụng của bánh xe Hiện tượng này có thể xảy ra do hiện tượng đầm nén thứ cấp của tải trọng giao thông hay do hỗn hợp mất ổn định trong trạng thái dẻo - chảy, thông thường

là do cả hai và phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ môi trường và điều kiện tác dụng của tải trọng

Ngoài ra, các nhân tố do vật liệu cũng ảnh hưởng đến độ lún vệt bánh xe: Thành phần cấp phối, độ nhám bề mặt cốt liệu, hình dạng hạt và cỡ hạt, loại nhựa sử dụng, độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu, phần trăm lỗ rỗng lấp đầy bằng nhựa đường, độ ẩm, nhiệt độ, độ lớn của áp lực tác dụng và số lần tác dụng của tải trọng

Giải pháp chung cho vấn đề này là cải tiến nâng cao chỉ tiêu cơ lý của bê tông nhựa theo hướng sử dụng nhựa cải tiến, biện pháp ổn định nhiệt độ cao trong hỗn hợp bê tông nhựa,

bê tông nhựa cốt sợi, sử dụng cốt liệu đá có cường độ cao, đường cong cấp phối hạt thiết kế phải trơn liên tục trong khoảng giữa hai miền giới hạn, không đột biến gẫy khúc Ngoài ra, còn phải cải tiến về khâu thiết kế, công nghệ chế tạo bê tông nhựa và thi công mặt đường bê tông nhựa

Lún và lượn sóng là hiện tượng hư hỏng do biến dạng trượt trong lớp kết cấu mặt đường có nguyên nhân chủ yếu từ độ ổn định của kết cấu mặt đường Chất lượng hỗn hợp bê tông nhựa kém, sử dụng loại nhựa không phù hợp, hàm lượng nhựa lớn và sự liên kết các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường không tốt là các nguyên nhân chính của hiện tượng này Ngoài

ra, còn có nguyên nhân kết hợp là do tải trọng ngang của bánh xe lên mặt đường

2.2 Nứt:

Nứt có nhiều loại hình nứt khác nhau, xuất phát từ các nguyên nhân khác nhau Một số dạng nứt mặt đường như nứt ngang, nứt dọc, nứt lưới, nứt hình parabol bắt nguồn từ các nguyên nhân như: Tải trọng, thi công không đảm bảo chất lượng, nhiệt độ trong hỗn hợp, độ

ẩm cao của nền đường (chứa nước), thay đổi độ ẩm và nhiệt độ trong các lớp phía dưới Sau

- Nứt do mỏi: Dạng này xảy ra khi các tải trọng tác dụng gây ra ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông nhựa Dấu hiệu sớm của dạng này là sự xuất hiện các vết nứt dài không liên tục theo vệt bánh xe, sau đó phát triển dần lên do một số điểm các vết nứt trong cấu trúc trong hỗn hợp nối lại với nhau hình thành vùng nứt lớn hơn Các vết nứt phát triển cho đến khi hình thành nứt kiểu da cá sấu Mặt đường sẽ tiếp tục nứt nặng hơn nữa đến khi xuất hiện “ổ gà”

Hư hỏng mặt đường dạng lún nứt thành ổ gà

Hiện tượng nứt mỏi xảy ra thông thường do phối hợp các nguyên nhân: Tải trọng nặng trùng phục nhiều trên mặt đường, lưu lượng và xe nặng tăng vọt quá mức dự báo của thiết kế Ngoài ra, mặt đường có bề dày nhỏ hay các lớp dưới yếu làm xuất hiện độ võng lớn trên mặt đường khi có tác dụng của tải trọng Độ võng mặt đường lớn làm tăng ứng suất kéo ở phía đáy của lớp bê tông nhựa làm phát sinh vết vứt Chất lượng xây dựng kém, đầm nén không đủ, thi công trong thời tiết bất lợi, hàm lượng nhựa thiếu, thoát nước mặt đường kém làm giảm cường

độ của nền móng bằng vật liệu không gia cố cũng góp phần làm tăng khả năng phát sinh vết nứt hay chất lượng lớp dính bám kém làm tăng ứng suất kéo dưới đáy bê tông nhựa

+ Nứt dọc: Nứt dọc thường có nguyên nhân từ việc mở rộng nền, mặt đường làm biến dạng không đều giữa các phần đường mới và đường cũ Nứt dọc theo vết lún bánh xe do ứng suất kéo của tải trọng xe gây ra vượt quá giới hạn chịu kéo của bê tông nhựa

+ Nứt thành lưới:

Là loại hư hỏng phát triển từ vết nứt ngang và nứt dọc, nguyên nhân thường là nứt do

khu vực rải bê tông bề mặt lớn Đây là hiện tượng hư hỏng có liên quan đến chiều dày bê tông nhựa chưa đạt yêu cầu hay do dính bám không tốt Quá trình xuống cấp mặt đường diễn ra khá nhanh do xuất hiện vết nứt thứ cấp và bong bật từng mảng vật liệu bề mặt

Hư hỏng mặt đường dạng nứt thành lưới

+ Nứt phản ánh: Nứt phản ánh do các nguyên nhân sau: Nứt từ khe nối của mặt đường bê tông xi măng phía dưới, truyền vết nứt do nhiệt của mặt đường bê tông nhựa cũ, truyền từ nứt Block của mặt đường phía dưới

2.3 Mất mát vật liệu bề mặt

Mất mát vật liệu bề mặt thể hiện qua việc bong tróc vật liệu do tính dính kết của chất kết dính trong hỗn hợp bê tông nhựa không đảm bảo, thường xảy ra khi có nước giữa bề mặt hạt cốt liệu và màng nhựa đường xung quanh Độ bền cố kết của cấu trúc hỗn hợp bê tông nhựa phụ thuộc vào tính dính kết trong cấu trúc vật liệu, tức là sự dính bám cốt liệu và nhựa đường, lực ma sát và chèn móc của bộ khung cốt liệu hạt Khả năng dính bám giữa bề mặt hạt cốt liệu và nhựa đường phụ thuộc vào tính chất của nhựa đường, tính chất của cốt liệu, điều kiện môi trường, điều kiện giao thông, công nghệ thi công, công nghệ chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa và phụ gia dính bám sử dụng khi chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa

Hư hỏng mặt đường dạng mất mát vật liệu bề mặt Khi nhựa đường có độ nhớt lớn, có khả năng chống lại ảnh hưởng của nước Tuy nhiên, trong quá trình trộn, nhựa đường có độ nhớt lớn sẽ yêu cầu nhiệt độ trộn cao để tạo khả năng bao bọc của nhựa đường với cốt liệu Mặt khác, nếu sử dụng nhựa đường có độ nhớt lớn lại tăng khả năng nứt ở nhiệt độ thấp hay nứt do mỏi Cho nên, để tăng khả năng dính bám của nhựa đường với cốt liệu, người ta thường dùng giải pháp hóa học hơn là giải pháp vật lý, tức là chọn loại nhựa có độ nhớt cao

2.4 Hư hỏng do lún nứt cao su (sình lún):

Dạng nứt này do nguyên nhân đất nền bị ngậm nước đạt đến mức hạn độ dẻo mà không

có lối thoát ra tạo thành một túi chứa nước (hiện tượng nước treo) Khi có tải trọng xe tác dụng tạo thành dạng lún nứt cao su Lúc thi công không xử lý tốt thoát nước hay do bề mặt đường bị rạn nứt, nước mặt có điều kiện theo kẻ nứt thâm nhập vào nền Nhiều trường hợp do mở rộng nền đường trong khu vực có ao trũng chứa nước mà không xử lý triệt để lượng nước và bùn khi san lấp cũng gây ra dạng hư hỏng này

- Hư hỏng sình lún là do mặt đường bị rạn nứt không xử lý kịp thời nên để nước mặt thấm qua các kẽ nứt thấm nhập vào nền đường, đồng thời mặt đường chịu tải trọng xe lớn nên lâu ngày dẫn đến sình lún Ngoài những vị trí hư hỏng cục bộ tư vấn đã thống kê thì xung quanh phạm vi hư hỏng mặt đường cũng đã xuất hiện những rạn nứt nhỏ, một số vị trí mặt BTN lớp trên đã bị rỗ nhẹ nên cần phải láng nhựa phủ lên trên để bảo trì mặt đường không cho phát sinh hư hỏng Các hư hỏng này cần thiết phải sửa chữa kịp thời, triệt để tránh hiện tượng phát sinh trên diện rộng gây hư hỏng toàn bộ kết cấu và gây mất an toàn giao thông

* Về hiện tượng xô dồn lớp mặt BTN

Kết cấu lớp mặt BTN của ta hiện nay chủ yếu được cấu tạo như sau, chỉ khác nhau về chiều dầy các lớp mà thôi :

- Lớp mặt BTN đặt trực tiếp trên lớp móng đá dăm cấp phối (ĐDCP) cơ sở (thường goi theo tiếng Anh là lớp base), dưới lớp móng base là lớp móng dưới (sub-base) cũng bằng ĐDCP có chỉ tiêu chất lượng thấp hơn lớp base; giữa lớp mặt BTN và lớp móng ĐDCP base được liên kết với nhau bởi một lớp nhựa thấm bám bằng nhựa nhũ tương a-xít hoặc bằng nhựa lỏng với tiêu chuẩn 0,5 – 1,3 l/m2 ( Theo TCVN 8819:2011)

- Lớp mặt BTN là loại BTN chặt (có bột khoáng) đặt trên lớp BTN cơ sở là loại BTN rỗng (không có bột đá); giữa chúng cũng được liên kết với nhau bởi lớp dính bám bằng nhựa nhũ tương hoặc nhựa lỏng với tiêu chuẩn 0,3-0,6l/m2 ( TCVN 8819:2011)

Về nguyên tắc các lớp kết cấu áo đường phải là một hệ thống các lớp được gắn kết chặt với nhau tạo thành một kết cấu liên tục để cùng nhau chịu lực do tải trọng xe chuyền xuống Nhưng vì một lý do nào đó chúng không liên kết tốt với nhau thì lớp mặt trên cùng sẽ nhanh chóng bị xô dồn do không chịu được lực trượt dọc dưới tác dụng của lực bánh xe, lực trượt này sẽ cực đại khi phanh xe

Có nhiều lý do làm lớp mặt BTN không liên kết tốt với lớp dưới, theo chúng tôi cho lý

do chính là từ nhựa tưới dính bám:

• Nếu dùng nhựa nhũ tương:

Hai đặc trưng thông số của nhũ tương axít có liên quan đến khả năng dính bám là tốc độ phân tách (thuật từ tiếng Anh là cuting) và hàm lượng nước trong nhũ tương (khoảng 40-45% nước

so với khối lượng nhựa bitum trong nhũ tương) Khi sử dụng tưới dính bám ở hiện trường người thi công phải thực hiện thông số phân tách này bằng kinh nghiệm chứ không bằng thí nghiệm kiểm tra cụ thể được:

Thông số tốc độ phân tách phụ thuộc vào nhiệt độ không khí lúc thi công, phụ thuộc vào tính chất bề mặt vật liệu lớp cơ sở bên dưới Ví dụ có bụi nhiều hay ít; nếu lớp móng là ĐDCP thì còn phụ thuộc vào tính hấp thụ hoá – lý giữa bề mặt đá với nhũ tương, đá có tính axít khác với đá có tính kiềm Do đó đòi hỏi người thi công phải có nhiều kinh nghiệm mới bảo đảm được yêu cầu sao cho nhũ tương phân tách trọn vẹn mới thi công lớp BTN bên trên Nếu chưa phân tách trọn vẹn thì hàm lượng nước có trong nhũ tương chưa bay hơi hết, sẽ còn lại một lượng nước nhất định trong lớp dính bám và đó chính là nguồn gốc gây dính bám kém Trong trường hợp vừa thi công vừa bảo đảm giao thông thì việc bảo đảm những yêu cầu này còn gặp nhiều khó khăn hơn, ví dụ trong thực tế cho thấy nhiều trường hợp xe đi lên làn đường mới tưới xong dính bám chưa đủ thời gian phân tách, do đó còn kéo theo mất ít nhiều lượng nhựa tiêu chuẩn Mặt khác về tâm lý, do chưa nhận thức đầy đủ về tầm quan trọng của lớp dính bám, xem như lớp phụ, do đó sinh coi thường, làm ẩu mà tư vấn giám sát cũng như chủ đầu tư không thể kiểm tra định lượng được Trong quy trình thi công BTN cũng chỉ quy định kiểm tra bằng mắt sự dính bám giữa 2 lớp trên mẫu khoan

• Nếu dùng nhựa lỏng:

Nhựa lỏng được lấy tách từ dây chuyền chưng cất ở nhà máy lọc dầu thô, hoặc được pha chế làm lỏng nhựa từ nhựa đặc bằng dung môi hoà tan – (Theo TCVN 8818-1:2011) Cách nào thì nhựa lỏng cũng có một hàm lượng dầu không có tác dụng dính bám Khi sử dụng làm lớp dính bám thì cũng phải chờ thời gian bốc hơi ( từ chuyên môn theo tiếng Anh là thời gian curing) trọn vẹn của lượng dầu có trong đó Thời gian này cũng phụ thuộc vào nhiệt

độ và độ ẩm không khí ở hiện trường

Do đó, cũng như nhựa nhũ tương nếu nhựa lỏng chưa bốc hơi trọn vẹn sẽ còn tồn lại một lượng dầu không có tác dụng dính bám này trong lớp nhựa dính bám, thì đó cũng là nguồn gốc gây dính bám kém, làm xô dồn lớp BTN bên trên dưới tác dụng lực bánh xe, nhất là khi phanh xe hoặc xe tải nặng chạy

Giải pháp chung cho vấn đề này tốt nhất vẫn là tuyển chọn nhà thầu có kinh nghiệm

* Về hiện tượng lún vệt xe

Đối với vật liệu BTN, biến dạng lún vệt xe là không thể tránh khỏi, nhiều nghiên cứu

về vấn đề cải tiến độ bền BTN cho thấy kết quả chỉ đem lại là: “Dưới cùng một lưu lượng xe, BTN có độ bền cao thì chiều sâu lún nhỏ hơn và tốc độ gây lún vệt xe kéo dài hơn , chứ không thể triệt tiêu được lún vệt xe”

Như vậy, cũng đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật yêu cầu , tuổi thọ mặt đường cao hơn, bién dạng lún vệt xe nhỏ hơn, tăng an toàn giao thông hơn

Giải pháp chung cho vấn đề này như nhiều nước đã áp dụng là cải tiến nâng cao chỉ tiêu

cơ lý của BTN theo hướng sử dụng nhựa bi tum cải tiến; đưa thêm cốt sợi vào BTN; đồng thời

sử dụng cốt liệu đá có cường độ cao; cấo phối cốt liệu đá, cát gần sát với đường cong cấp phối

ưu việt, như không nằm sát với đường cong cấp phối hạt giới hạn trên hay giới hạn dưới, đường cong cấp phối hạt thiết kế phải đều đặn trong khoảng giữa hai miền giới hạn, không gẫy khúc quá đáng và nhất là không chạy từ giới hạn trên xuống giới hạn dưới cho bất cứ một cấp hạt nào và người ta đặc biệt lưu ý cải tiến thành phần hạt nhỏ (filler) để ổn định nhiệt cho BTN

Để có những điều đó, đòi hỏi đổi mới một bước lớn về thiết kế, về công nghệ chế tạo BTN và thi công BTN

Đương nhiên giá thành BTN nói riêng và giá thành xây dựng mặt đường BTN nói chung sẽ cao hơn, nhưng tổng kinh phí sửa chữa, bảo trì trong quá trình khai thác cũng như giá thành vận tải và tuổi thọ mặt đường được kéo dài sẽ đem lại hiệu quả cao hơn nhiều so với phương án cũ khi chưa cải tiến công nghệ

* Về hiện tượng nứt rạn bong bật

Nứt rạn mai rùa rồi bong bật Qua tài liệu nước ngoài cho thấy hiện tượng biến dạng này cũng thường xảy ra và ở mép mặt đường với diện tích từ vài chục mét vuông đến vài trăm

mét vuông Về nguyên nhân thì có nhiều, nhưng tổng hợp lại người ta chốt thành một số nguyên nhân chính sau:

- Mặt đường BTN bị nứt rạn mai rùa cục bộ nhỏ vài chục mét vuông đến vài trăm mét vuông thì có thể là do khi chế tạo BTN tại trạm trộn có sự cố về nhiệt độ, về chất lượng vật liệu đầu vào mà chưa phát hiện ra để xử lý, làm BTN có chất lượng kém cục bộ

- Do khi thi công gặp sự cố về nhiệt độ, về khí hậu mưa nắng bất chợt, thi công không kịp trở tay và không tuân thủ yêu cầu phải đào bỏ lớp BTN kém chất lượng do gặp các sự cố này gây ra

- Do thi công để chiều dầy cục lớp BTN không bảo đảm do trục trặc nào đó của máy rải mà không phát hiện kịp thời, hoặc do lu lèn không thực hiện đúng sơ đồ lu, làm độ chặt mép đường không bảo đảm yêu cầu

- Do bảo trì không thoát nước tốt, để tình trạng nước đọng mép đường Tuy nhiên nếu biến dạng nứt rạn bong bật kéo dài, không có ý nghĩa cục bộ nữa thì vấn đề lại khác, có thể mô đuyn đàn hồi chung ( Ec) của tổng thể nền mặt đường đoạn đường

đó không phu hợp với mô đuyn đàn hồi yêu cầu nữa ( Eyc), do đoạn đường bị ảnh hưởng của thoát nước không tốt (nước mặt hay nước ngầm), làm đất nền yếu đi.trong quá trình bảo trì khai thác Cần thiết có một khảo sát thăm dò chất lượng của nền đường và mặt đường để có nhận định nguyên nhân đúng

• Ngoài ra, hiện tượng nứt rạn bong bật không có tính chất cục bộ còn do nguyên nhân lưu lượng và xe nặng tăng vượt quá mức dự báo của thiết kế Những vị trí nứt rạn này nếu không vá chữa kịp thời sẽ phát sinh ổ gà và nhanh chóng trở thành ổ trâu, ổ voi

Từ những nguyên nhân trên cho thấy giải pháp cơ bản cho vấn đề này là nâng cao năng lực của toàn hệ thống từ thiết kế đến thi công, bảo trì; đặc biệt là nhà thầu thi công phải có kinh nghiệm, nhậy bén với sự cố bất thường về chất lượng BTN xảy ra và có giải pháp xử lý kịp thời ngay

* Mặt đường BTN bị lún nứt cao su

Mặt đường bị lún cục bộ bao giờ cũng kèm theo nứt , mặt đường bị lún thường có liên quan từ kết cấu nền đến kết cấu mặt đường Các nước phát triển, trên đường cao tốc và đường ô-tô cấp cao rất hiếm gặp biến dạng này, có thể xảy ra lún nứt nhưng không lớn, dẫn đến mức

độ lún nứt kèm theo hiện tượng cao su thì hình như không có, chỉ xảy ra ít nhiều ở đường cấp thấp hơn

Khi có biến dạng cao su là do nguyên nhân đất nền bị ngậm nước đạt đến mức hạn độ dẻo ( Lp hoặc Wp) mà không có lối thoát ra ngang (tạo thành như một túi chứa nước) Khi có tải trọng ô tô tác dụng thì nước này chỉ còn cách phụt theo khe nứt lên mặt đường

Do đó, cho thấy nguyên nhân chính là thoát nước mặt đường không tốt, nước mặt có điều kiện theo kẽ nứt thâm nhập vào đất nền lâu ngày mà hình thành cao su Kỹ thuật xử lý cao su sẽ tốn kém hơn xử lý nứt

Giải pháp chính là cần xử lý vết nứt ngay bằng biện pháp tình huống để ngăn chặn không cho nước có thời gian thấm sâu vào nền đường trước khi có giải pháp khắc phục cơ bản Biện pháp xử lý tình huống có thể kể đến như phun nhựa lỏng vào kẽ nứt, nếu độ mở rộng kẽ nứt lớn hơn 3mm thì có thể trét thủ công kẽ nứt bằng hỗn hợp “nhựa – cát mịn”

Đối với đường cao tốc và đường ôtô cấp cao, giải pháp cơ bản vẫn là chế tạo BTN có

độ bền cao, ổn định nhiệt chống nứt; đồng thời thực hiện công nghệ thi công tiên tiến và sử dụng nhà thầu nhiều kinh nghiệm và có năng lực cao

3 Nguyên nhân chính gây hư hỏng mặt đường

Đối với bê tông nhựa có hai vấn đề là độ lớn, thời gian tác dụng của tải trọng, lưu lượng

xe và nhiệt độ mặt đường cần được quan tâm giải quyết vì nó ảnh hưởng đến độ bền khai thác

và tuổi thọ công trình Đây cũng là hai nguyên nhân cơ bản gây ra hư hỏng mặt đường trong điều kiện giao thông ở nước ta nói chung