Hiện trên thế giới có nhiều loại vật liệu đang được áp dụng cho bản mặt cầu thép:Gus Asphalt hay được dùng ở Đức, Nhật Bản.Stone Mastic Asphalt hay dùng ở Châu Âu và kể cả ở Nhật (dùng cho lớp trên).Bê tông nhựa Pôlimer hay dùng ở Mỹ và mới đây là Trung Quốc (Cầu Nanjing II bắc qua song Yangtze).
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA CÔNG TRÌNH
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
THI CÔNG HỆ THỐNG
HẠ TẦNG KỸ THUẬT ĐÔ THỊ
ĐỀ TÀI: THI CÔNG MẶT CẦU BẰNG CÔNG NGHỆ MSA
Giảng viên: TS Hồ Anh Cương Học viên: Cao Tiến Phú
Lớp: Kỹ thuật HTĐT 22.1
Trang 21. Đặt vấn đề
Sự làm việc của lớp bê tông phủ nhựa trên mặt cầu thép – loại bản trực hướng dưới tác dụng của tải trọng xe cộ và các điều kiện về môi trường là rất phực tạp Kết cấu bản mặt cầu thép có cấu tạo hình học đặc biệt và các tấm bản thép có độ đàn hồi gây ứng xuất và biến dạng lớn trong lớp phủ mặt cầu Đặc biệt tải trọng trùng phục của xe cộ gây ra hiện tượng mỏi trong BTN, là một yếu
tố đặc biệt quan trọng khi thiết kế và lựa chọn lớp BTN phủ mặt cầu
Bê tông nhựa trên mặt cầu, đặc biệt là mặt cầu thép, ngoài các chức năng yêu cầu như đối với BTN trên đường, còn phải có các chức năng riêng biệt khác Lớp BTN này phải đảm bảo kín nước để đóng vai trò lớp phòng nước, phải đủ
độ đàn hồi để chịu được các trạng thái ứng suất – biến dạng xuất hiện trong lớp này dưới tác dụng của hoạt tải phân bố, vốn rất khác so với lớp phủ của mặt đường mềm thông thường Ngoài ra, do các vệt bánh xe có chiều hướng cố định
ở 1 vị trí (xe chạy đúng làn) nên yêu cầu chống lún vệt bánh xe (rutting) và nứt
do mỏi (fatigue cracks) cũng là chỉ tiêu rất quan trọng trong việc chọn loại vật liệu áp dụng trên mặt cầu
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu bài bản về vấn đè này và hầu như tất cả dự án cầu đều có thiết kế và áp dụng loại BTN đặc biệt dùng riêng trên mặt cầu, đặc biệt là bản mặt cầu thép với các dự án đã triển khai và có báo cáo đánh giá hiệu quả Ở Việt Nam, sau thực tế hư hỏng trước tuổi thọ dự kiến của mặt đường bê tông nhựa trên mặt cầu thép (Cầu Thăng Long ở Hà Nội, Câu Trần Thị Lý ở Đà Nẵng), Viện khoa học công nghệ GTVT cũng đã bắt đầu thực hiện một số nghiên cứu bước đầu và đề xuất về BTN trên mặt cầu áp dụng
ở Việt Nam, trong đó phân tích khá chi tiết về ưu nhược điểm của từng loại vật liệu đề xuất
Hiện trên thế giới có nhiều loại vật liệu đang được áp dụng cho bản mặt cầu thép:
- Gus Asphalt hay được dùng ở Đức, Nhật Bản
Trang 3- Stone Mastic Asphalt hay dùng ở Châu Âu và kể cả ở Nhật (dùng cho lớp trên)
- Bê tông nhựa Pôlimer hay dùng ở Mỹ và mới đây là Trung Quốc (Cầu Nanjing II bắc qua song Yangtze)
2. Giới thiệu vật liệu đá vữa nhựa (Stone Mastic Asphalt – SMA)
Hỗn hợp mát tít nhựa đá dăm SMA được người Đức tìm ra cách đây hơn 40 năm từ giải pháp trám mát tít nhựa đường thủ công để vá các vệt hằn bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa (AC) Mát tít nhựa này gồm 25% nhựa đường, 40% cát xay và 35% bột khoáng Để trám vá mặt đường, mát tít này được đun nóng và đổ đầy vào các vệt hằn bánh xe và găm rải đá dăm tạo
thành một khối đặc chắc lấp đầy vết hằn bánh xe, sau đó mới lu lèn Đây chính
là hỗn hợp mát tít nhựa đá dăm đầu tiên với tỉ lệ mát tít nhựa/đá dăm là 30/70.
Nhưng giải pháp này không thích hợp khi phải vá sửa trên diện rộng do phải thực hiện thủ công Nếu sử dụng công nghệ như đối với AC thì một phần nhựa sẽ bị chảy xuống trong khi trộn, vận chuyển, rải và đầm lèn nên sau khi thi công, hỗn hợp không đạt được chất lượng yêu cầu Cần có thêm phụ liệu trộn vào nhựa đường, cát xay và bột khoáng tạo thành một loại mát tít ổn định, không bị chảy nhựa khi vận chuyển, rải và lu lèn Phụ liệu ổn định nhựa thích hợp lúc bấy giờ là sợi amiăng với tỉ lệ ban đầu là 1%, sau giảm xuống còn 0,5 - 0,7% Ban đầu, hỗn hợp này được đặt tên là MASTIMAC vì gồm MASTI, rút gọn của từ Mastixasphalt và MAC, rút gọn của từ Macadam Năm
1984, Quy chuẩn kỹ thuật “ZTV bit-StB 1984” của Đức đối với hỗn hợp này được ban hành Tên gọi Splittmastixasphalt (mát tít nhựa đá dăm - SMA) được chính thức đưa vào Quy chuẩn này Châu Âu cũng đã ban hành các tiêu chuẩn EN về SMA Sau chuyến tham quan châu Âu năm 1990 của các chuyên gia Mỹ, hỗn hợp vật liệu này được áp dụng nhanh chóng ở Mỹ và đưa vào các tiêu chuẩn dưới tên gọi Stone Mastic Asphalt Có thể định nghĩa “SMA là hỗn
Trang 4hợp asphalt gồm các vật liệu khoáng có cấp phối gián đoạn, chất kết dính và phụ liệu ổn định nhựa”.
Vật liệu khoáng được sử dụng cho SMA phải là đá dăm, cát hạt thô và bột khoáng có cường độ cao, dính bám tốt Các vật liệu khoáng này có cấp phối gián đoạn theo nguyên lí “đá chèn đá” để tăng khả năng chịu lực nhưng
sẽ tạo ra những lỗ hổng lớn Chất kết dính có thể là các loại nhựa đường thông thường, nhựa pô li me cải tiến với hàm lượng khá cao, tối thiểu là 6,5
- 7,2% Phụ liệu ổn định nhựa khi được trộn với nhựa đường sẽ làm cho nhựa đường trở nên quánh hơn nhờ tính chất hút thấm nhựa của nó và do đó sẽ ngăn được hiện tượng chảy nhựa để tạo thành mát tít nhựa Có như vậy, các
lỗ hổng của cấp phối gián đoạn mới được lấp đầy bằng mát tít nhựa tạo thành một khối đặc chắc có các tính chất chống mài mòn, chống trượt cao, cường độ nén uốn, kéo uốn cao, độ rỗng dư nhỏ, quá trình lão hóa chậm Phụ liệu ổn định nhựa có thể là các loại vật liệu dạng sợi (a mi ăng, xen lu lô, sợi hóa học ), dạng bột (bột cao su, bột chất dẻo) Phụ liệu ổn định nhựa được sử dụng chủ yếu hiện nay là sợi xen lu lô, còn sợi a mi ăng nay bị cấm dùng Mặc
dù phụ liệu ổn định nhựa chiếm một tỉ lệ rất nhỏ trong SMA, khoảng 3 đến 15 phần ngàn, nhưng lại là thành phần không thể thiếu Kết quả nghiên cứu áp dụng SMA ở Việt Nam trong thời gian qua tuy đã có đề cập đến “phụ gia ổn định”, “phụ gia chống chảy”, “sợi phụ gia” nhưng đã không coi chúng là một trong 3 thành phần không thể thiếu của SMA Còn có quan niệm cho rằng, không cần sử dụng phụ liệu ổn định nhựa để chế tạo SMA mà chỉ cần dùng nhựa pô li me Nếu dùng vật liệu khoáng có cấp phối gián đoạn và hàm lượng nhựa cao nhưng không sử dụng phụ liệu ổn định nhựa thì hỗn hợp thu được không thể là SMA với các tính năng cần thiết, nhất là độ rỗng dư sẽ khá cao như kết quả nghiên cứu của nhiều tài liệu đã công bố Độ rỗng thực tế vượt quá quy định qua kết quả kiểm tra lớp phủ mặt cầu Thăng Long sau khi xảy
ra nứt vừa qua cũng là một ví dụ Chính vì vậy nên phụ liệu ổn định nhựa, một
Trang 5trong 3 thành phần không thể thiếu của SMA đã được đưa vào qui chuẩn của các nước.
Với cấp phối thành phần như vậy, so với các loại bê tông nhựa thì SMA
là một loại hỗn hợp asphalt có cấu trúc bền vững hơn, có độ bền bề mặt, độ đàn hồi, khả năng chống mỏi cũng như khả năng chống lão hóa, sức kháng mài mòn và sức kháng trượt cao hơn, hạn chế được nứt bề mặt, có tuổi thọ tương đương hoặc cao hơn, độ ồn do chạy xe gây ra thấp hơn nhưng công nghệ chế tạo, thi công và việc vận chuyển lại tương tự Do vậy, SMA được sử dụng có hiệu quả cao để làm lớp phủ của kết cấu áo đường vừa đóng vai trò lớp chịu lực trực tiếp, nhất là vai trò chống lại hiện tượng lún vệt hằn bánh
xe, vừa đóng vai trò lớp tạo nhám So với AC dùng để làm lớp phủ thì giá thành tính cho một đơn vị khối lượng của SMA cao hơn từ 20- 30% nhưng dùng SMA sẽ có chiều dày bé hơn và giảm được chi phí chống ồn Các chuyên gia đường bộ Mỹ cho biết, do chu kỳ đại tu đối với lớp phủ bằng AC là 7,5 năm nhưng với SMA là 10 năm, nên tính toán cho 30 năm sử dụng thì chi phí khi dùng AC là 79 532 đô la/km, còn SMA chỉ là 50 095 đôla/km Việc áp dụng SMA để làm lớp phủ kết cấu mặt đường không những mang lại hiệu quả kinh
tế kỹ thuật mà còn là một giải pháp đã được đưa vào các quy định kỹ thuật của nhiều nước trên thế giới Lớp phủ này vừa chịu lực trực tiếp chống lại hiện tượng lún vệt hằn bánh xe vừa đóng vai trò lớp tạo nhám, lại có chu kỳ đại tu dài hơn do độ bền mỏi cao hơn AC Vì vậy việc nghiên cứu triển khai áp dụng SMA và biên dịch các tiêu chuẩn liên quan đến SMA cần được tiến hành đồng bộ để có giải pháp phù hợp đối với lớp phủ kết cấu mặt đường cấp cao ở nước ta.
Trang 6So sánh thành phần SMA và bê tông nhựa chặt thông thường
(Cấp phối liên tục).
Hỗn hợp vữa SMA
Trang 7SMA bao gồm một số lượng lớn các cố vật liệu thô gắn kết với nhau tạo nên một bộ khung cốt liệu đá chèn đá nhằm chống lại sự biến dạng lâu dài Bộ khung đá được lấp kín bằng bitum mát tít và bột khoáng, và có thêm các sợi hữu
cơ để tạo độ ổn định cho bitum và ngăn sự chảy tách của nhựa đường trong thời gian vận chuyển và thi công Cấu tạo điển hình của SMA bao gồm 70 – 80% cốt liệu thô, 8 – 12% bột khoáng, 6.0 – 7.0% vật liệu dính kết và 0.3% sợi
SMA có khả năng lún vệt bánh xe là nhờ vào bộ khung bằng đá đã tạo nên mối liên kết chặt hơn giữa các vật liệu đá so với ở hỗn hợp trộn nhựa đường cấp phối kín truyền thống (DGA) Độ bền của lớp dính kết được cải thiện là nhờ vào việc gia tăng hàm lượng bitum, lớp bitum dày lên và độ rỗng giảm xuống
Để giảm thiểu sự chảy tách nhựa đường trong quá trình vận chuyển và thi công, thông thường người ta thêm một lượng nhỏ xenluloza hoặc sợi vô cơ
SMA được sử dụng cho rất nhiều mục đích, có thể là làm lớp BTN thoát nước, chống trơn trượt, lớp thảm mỏng, lớp phủ mặt cầu… do vậy không có chỉ dẫn thiết kế chính xác nào cho hỗn hợp trộn SMA Các yếu tố cần thiết như bộ khung cốt liệu thô và vừa mác tít, cấu tạo mặt đường và độ ẩm của hỗn hợp trộn
đa phần được quyết định tùy thuộc mụ đích sử dụng, bằng việc lựa chọn thành phần cấp phối cốt liệu, loại và tỷ lệ bột khoáng và nhựa đường
2.1. Vật liệu
Cốt liệu được dùng trong SMA phải có chất lượng tốt, có hình dạng chuẩn, có khả năng chống ép vỡ và chống hiện tượng tròn cạnh do mài mòn
Vật liệu dính kết được sử dụng trong SMA hiện nay thường dùng nhựa đường cỉa tién Polyme các cấp (PMBs) với ưu thế gia tăng khả năng chống lún vệt bánh xe và chống chảy nhựa
Sợi xenluloza là thành phần được dùng rất phổ biến trong sản phẩm SMA.Các loại sợi khác như sợi thủy tinh, sợi len cứng, sợi polyester và cả sợi len tự nhiên đều có thể được sử dụng, nhưng chỉ có sợi xenluloza là đạt hiệu quả
Trang 8kinh tế nhất Thành phần sợi chiếm 0.3% (tính theo khối luọng) trong hỗn hợp trộn
2.2. Sản xuất
SMA cũng được trộn và chứa trong trạm trộn sử dụng phương pháp trộn nóng truyền thống Tại các trạm trộn, sợi dạng bó hoặc sợi đã được tách rời được bỏ trực tiếp vào máy trọn.Thời gian trộn có thể được kéo dài nhằm đảm bảo sợi được trộn đều trong máy trộn và nhiệt độ được kiểm soát nhằm tránh hiện tượng quá nóng, làm hỏng sợi
Cần đặc biệt chú ý đến các trống trộn để đảm bảo bột khoáng và sợi được trộn đều vào hỗn hợp và không bị mất quá nhiều qua hệ thống hút bụi.Nên sử dụng hệ thống rót bột khoáng để truyền trực tiếp bột khoáng vào trống thay vì
sử dụng phễu tiếp cốt liệu.Có thể trộn thêm các sợi thông qua hệ thống được thiết kế riêng cho việc tiếp cận các vật liệu tái chế
2.3. Thi công rải SMA
Sự khác biệt đầu tiên trong việc thi công SMA so với bê tông nhựa chặt
là quy trình đầm chặt: không thể sửa dụng lu lốp nhiều bánh do có thể gây ra hiện tượng dính bánh lu và bóc tách vật liệu do loại vật liệu này có chứa khá nhiều nhựa có thể cả trên bề mặt Việc cho thông xe trên mặt đường khi SMA vẫn còn ấm cũng sẽ tạo ra hiện tượng như trên Thông thường thì chỉ nên cho lưu thông xe cộ khi nhiệt độ bề mặt nhựa đường dưới 40oC
Phương pháp đầm chặt phù hợp là sử dụng lu bánh thép nặng và không rung Nếu không có lu bánh thép nặng thị có thể sử dụng lu rung thay thế, nhưng nên để chế độ rung ở mức tối thiểu nhầm tránh làm vỡ các hạt cốt liệu thô hoặc đẩy nhựa đường lên trên bề mặt của lớp rải
Trang 9Việc sử dụng polymer bổ sung vào chất dính kết có thể làm giảm độ linh động của hỗn hợp nên cần phải tăng cường đầm chặt để có thể đạt được các yêu cầu cao về độ đầm chặt Đáp ứng được các tiêu chuẩn cao về độ chặt và giảm
độ rỗng được coi là nhân tố quan trọng trong tính năng hoạt động của tất cả các sản phẩm SMA
Chiều dày tối thiểu của lớp SMA bằng 2.5 – 3 lần cỡ hạt tối đa danh định
Sau đây là các quy tắc cơ bản khi rải thảm và đầm nén SMA
- Nhiệt độ ở máy rải tối thiểu phải là 150°C
- Tiến trình rải phải được tiến hành liên tục
- Cần phải lu càng sớm càng tốt nghĩa là thiết bị đầm nén cần đi sát vào máy rải nhưng tránh không làm bóc lớp vữa nhựa.
- Với các lớp đủ dày (chiều dày lớp lớn hơn 3 lần kích cỡ hạt danh định) thì nên dùng các máy
- rải có độ tự đầm nén càng lớn càng tốt.
- Tối thiểu phải 4 lu cho mỗi làn rải
- Việc lu rung phải được thực hiện sao cho đảm bảo
- Phải lu ở nhiệt độ cao và lu sau khi lu sơ bộ bằng lu tĩnh
- Tối đa chỉ được 3 lượt lu rung Chế độ rung ở mức tối thiểu
Tốc độ lu lèn của máy lu (km/h)
Loại hình máy Lèn lượt đầu Lèn lại Lèn lượt cuối
Lu tĩnh bánh sắt 3,0 – 4,0 4,0 – 5,0 5,0 – 8,0
2.4. Các ưu điểm
SMA tạo ra một kết cấu lớp mặt đường bền, có độ nhám bề mặt và khả năng kháng lún vệt bánh xe tốt
Độ nhám bề mặt của SMA tương tự như của bê tông nhựa rỗng nên độ ồn
do xe cộ lưu thông trên bề mặt SMA thấp hơn độ ồn trên bề mặt BTN chặt, nhưng có thể bằng hoặc cao hơn một chút so với trên bề mặt BTN rỗng
Trang 10Có thể sản xuất và đầm nén SMA trong trạm trộn và với thiết bị có sẵn dùng cho hỗn hợp trộn nóng thông thường với quy trình được điều chỉnh như trên
Có thể sử dụng SMA tại các nút giao và tại các điểm có cường độ lưu thông xe cộ cao mà không thể sử dụng được BTN rỗng
Lớp mặt SMA có thể giúp làm giảm hiện tượng nứt phản ánh từ dưới lớp mặt đường nhờ sự mềm dẻo của vật liệu mác-tíc.Ngoài ra độ bền mỏi cũng cao hơn loại BTN truyền thống
Độ bền của SMA có thể bằng hoặc hơn BTN chặt và cao hơn nhiều so với BTN rỗng
2.5. Các nhược điểm
Chi phí vật liệu tăng hơn do thành phần các vật liệu dính kết, bột khoáng
và sợi nhiều hơn BTN thông thường
Thời gian trộn và thời gian tiếp thêm bột khoáng kéo dài có thể làm giảm năng suất.Nhiệt độ sản xuất và thảm cao hơn BTN thông thường nên chi phí máy móc cũng sẽ lớn hơn
Khả năng chống trượt ban đầu có thể thấp cho đến khi màng nhựa phía trên bị mòn khỏi đỉnh bề mặt do quá trình lưu thông xe cộ Để khắc phục điểm
Trang 11này, trong một số trường hợp cần thiết rải thêm đá mạt sạch lên bề mặt SMA trước khi thông xe
2.6. Các bước nên tiến hành
Chủ đầu tư ký hợp đồng với một đơn vị thí nghiệm chuyên ngành, có kinh nghiệm về vật liệu mới này để thiết lập công thức trộn, lập đề cương và làm các thí nghiệm kiểm soát chất lượng sản xuất và thảm SMA đồng thời lập báo cáo theo dõi và đánh giá định kỳ hàng năm Thời gian theo dõi tối thiểu 5 năm Năm đầu tiên cần thực hiện 2 ký kiểm tra
Đây là công việc đặc biệt, nên tách khỏi khối lượng của cầu chính và mời các Nhà thầu chuyên nghiệp (kể cả Nhà cung cấp vật liệu) tham gia đấu thầu, để
có thể lựa chọn được Nhà thầu phù hợp đảm bảo cho sự thành công của việc áp dụng vật liệu mới
Nên tiến hành một đoạn thử nghiệm thực thế trước khi làm đại trà
3. Áp dụng thực tế vào sửa chữa mặt cầu Thăng Long
Câu Thăng Long được xây dựng năm 1974 với sự trợ giúp của các chuyên gia Trung Quốc và Liên Xô, bắt đầu đưa vào khai thác từ 09/05/1985 Phần cầu chính có 5 liên dàn thép, mỗi liên gồm 3 nhịp liên tục, chiều dài mỗi liên là 336m và chiều dài toàn cầu là 1680m Do thời gian khác đã lâu, mặt cầu
đã bị hư hỏng nặng Bộ GTVT đã giao cục ĐBVN làm Chủ đầu tư dự án sửa chữa mặt cầu Thăng Long Qua thời gian nghiên cứu, Bộ GTVT đã quyết định lựa chọn loại vật liệu làm mặt đường với tên gọi SMA.Thực tế triển khai đang gặp phải sự cố nhỏ, Bộ GTVT, Cục ĐBVN đang cùng các cơ quan liên quan khắc phục.Đây là điều khó tránh khỏi khi triển khai áp dụng công nghệ mới, vật liệu mới
Kết quả nghiên cứu của Trung tâm tư vấn thiết kế và chuyển giao công nghệ xây dựng giao thông vận tải thuộc Viện khoa học và công nghệ GTVT