TIỂU LUẬN môn học CÔNG NGHỆ mới TRONG xây DỰNG mặt ĐƯỜNG ô tô CHUYÊN đề vật liệu đá vữa nhựa (stone mastic asphalte SMA)

TIỂU LUẬN môn học, CÔNG NGHỆ mới ,TRONG xây DỰNG mặt ĐƯỜNG ôtô, CHUYÊN đề, vật liệu đá vữa nhựa,stone mastic asphalte SMA. CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀCHƯƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ1..Giới thiệu vật liệu đá vữa nhựa (Stone Mastic Asphalte SMA)2..Vật liệu3..Sản xuất4..Thi công rải MSA5.. Ưu điểm6.. Nhược điểmCHƯƠNG III: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU MỚIVật liệu mới đã được áp dụng thực tế vào sửa chữa mặt cầu Thăng Long ở Việt Nam, Cầu được sửa chữa từ tháng 102009 đến ngày 23122009 hoàn thành đưa vào khai thác

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA: CÔNG TRÌNH

BỘ MÔN ĐƯỜNG BỘ

TIỂU LUẬN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ MỚI TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

CHUYÊN ĐỀ:

Vật liệu đá vữa nhựa (Stone Mastic Asphalte - SMA)

Giảng viên hướng dẫn : ………

Sinh viên thực hiện : Tạ Đăng Tiến

Lớp : Cao học đường ô tô và đường thành phố Khoá : k17

Hà Nội, tháng 12 năm 2020

Mục lục

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ

CHƯƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Giới thiệu vật liệu đá vữa nhựa (Stone Mastic Asphalte - SMA)

2 Vật liệu

3 Sản xuất

4 Thi công rải MSA

5 Ưu điểm

6 Nhược điểm

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU MỚI

Vật liệu mới đã được áp dụng thực tế vào sửa chữa mặt cầu Thăng Long ở Việt Nam, Cầu được sửa chữa từ tháng 10/2009 đến ngày

23/12/2009 hoàn thành đưa vào khai thác

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự làm việc của lớp phủ bê tông 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 phức 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 suất 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 đề này

và hầu như tất cả các 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, Cầu 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:

+ Guss 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 sông Yangtze, cầu Cang Châu bắc qua sông Tô Châu)

CHƯƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

1 Giới thiệu vật liệu đá vữa nhựa (Stone Mastic Asphalte - SMA)

Được phát triển lần đầu tiên tại Đức vào cuối những năm 60, hỗn hợp

đá vữa nhựa (SMA) có khả năng chống lún và độ bền cao, làm các lớp thảm mỏng, dùng cho các đường có tải trọng xe cộ lớn Điểm khác biệt cơ bản của SMA với bê tông nhựa chặt thông thường là dùng cấp phối gián đoạn và nhựa đường được cải tiến để cung cấp thêm một số chức năng theo yêu cầu của vị trí ứng dụng

So sánh thành phần SMA và bê tông nhựa chặt thông thường(Cấp phối

liên tục).

Vật liệu đá vữa nhựa Bê tông nhựa chặt

SMA bao gồm một lượng lớn các cốt 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 kháng 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 vữa mác tít, cấu tạo mặt đường và độ

ổn định của hỗn hợp trộn đa phần được quyết định tuỳ thuộc mục đích sử dụng, bằng việc lựa chọn thành phần cấp phối cốt liệu, loại và tỷ lệ bột khoáng và nhựa đường

2 Vật liệu

Cốt liệu được dùng trong SMA phải có chất lượng tốt, có hình dạng hạt 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 cải tiến 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 thuỷ 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 kinh tế nhất Thành phần sợi thường chiếm 0.3% (tính theo khối lượng) trong hỗn hợp trộn

3 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 trộn 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 mát 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 các vật liệu tái chế

4 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 sử 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 xuống dưới khoảng

Phương pháp đầm chặt phù hợp là sử dụng lu bánh thép nặng và không rung Nếu không có lu bánh thép nặng thì có thể sử dụng lu rung thay thế, nhưng nên để chế độ rung ở mức tối thiểu nhằm tránh làm vỡ các hạt cốt liệu thô hoặc đẩy nhựa đường lên trên bề mặt của lớp rải

Việc 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 cốt liệu tối đa danh định

5 Các ưu điểm

a SMA tạo ra một kết cấu lớp mặt đường bền, có độ nhám bề mặt và khả năng kháng lún vệt bánh xe tốt

b 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

c Có 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

d 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

e 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

f Độ bền của SMA có thể bằng hoặc hơn BTN chặt và cao hơn nhiều

so với BTN rỗng

6 Các nhược điểm

a Chi phí vật liệu tăng hơn do thành phần các vật liệu dính kết, bột khoáng và sợi nhiều hơn BTN thông thường

b 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

c 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 này, trong một số trường hợp cần thiết phải rải thêm đá mạt sạch lên bề mặt SMA trước khi thông xe

7 Các bước nên tiến hành

a 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 kỳ kiểm tra

b 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

c Nên tiến hành một đoạn thử nghiệm thực tế trước khi làm đại trà

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG VẬT LIỆU MỚI

Vật liệu mới đã được áp dụng thực tế vào sửa chữa mặt cầu Thăng Long ở Việt Nam, Cầu được sửa chữa từ tháng 10/2009 đến ngày 23/12/2009 hoàn thành đưa vào khai thác.

Cầu Thăng Long được xây dựng năm 1974, đây là cầu quan trọng của thủ đô Hà Nội, cầu nằm trên đường Phạm Văn Đồng là trục duy nhất hiện tại đảm bảo kết nối giao thông từ nội thành Hà Nội đi sân bay Nội Bài với các tỉnh lân cận, cầu Thăng Long được xây dựng với sự trợ giúp của các chuyên gia Trung Quốc và Liên Xô, bắt đầu đưa vào khai thác từ 09/5/1985 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 khai thác đã lâu, mặt cầu đã bị hư hỏng, Bộ GTVT đã giao Cục ĐBVN (nay là Tổng 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 trong quá trình khai thác đang gặp phải sự cố nhỏ Bộ

GTVT, Tổng Cục ĐBVN, Viện khoa học công nghệ GTVT và các cơ quan liên quan đang tìm ra nguyên nhân và khắc phục Đây là điều khó tránh khỏi khi triển khai áp dụng công nghệ mới, vật liệu mới được thi công lần tiên ở Việt Nam

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 kiến nghị kết cấu mặt cầu và các yêu cầu vật liệu, hỗn hợp SMA như sau:

1 Các loại vật liệu cốt liệu

1.1 Cấp phối

Cốt liệu bao gồm đá nghiền, sỏi nghiền, xỉ, có hoặc không có cát hoặc

là một cốt liệu khoáng vụn Phần còn lại trên sàng số 8 (2.36mm) là cốt liệu thô Phần vật liệu lọt qua sàng số 8 (2.36 mm), còn lại trên sàng số 200(0.075) là cốt liệu mịn và phần còn lại qua sàng số 200 (0.075mm)

là bột khoáng

a) Cốt liệu thô

Cốt liệu thô bao gồm các hạt đá nghiền cứng, dai, bền, không dính kết với các vật liêu mà gây bất lợi cho việc dính và bao phủ với nhựa, không dính các chất hữu có và các tạp chất khác Cốt liệu thô phải thỏa mãn yêu câù trong bảng III.1

Bảng III.1 Đặc tính của cốt liệu thô

nghiệm

1 Độ mài mòn Los Angeles ≤ 25% AASHTO T96ASTM C131;

4 Độ bền Sunfatnarti 5 chu kì ≤ 12% AASHTO T104ASTM C88; 5

Thành phần hạt thoi dẹt

3:1 (Chiều dài / bề dày)

5:1 (Chiều dài / bề dày)

≤ 20%

6 Bề măt vỡ khi nghiền

Hai hoặc nhiều mặt vỡ  90%

7 Hàm lượng bụi bẩn (lượng lọt qua sàng 75 m ≤ 2% ASTM C117

b) Cốt liệu mịn

Cốt liệu mịn bao gồm các hạt đá nghiền sạch, cứng, dai, bền có góc cạnh được sản xuất bằng đá nghiền, sỏi nghiền hay xỉ Cốt liệu mịn sẽ phải không lẫn sét, bùn đất hay các tạp chất khác và không có lẫn sét cục Thành phần của cốt liệu mịn được chế tạo 100% từ công nghệ nghiền Không nên

sử dụng cát tự nhiên hay cát sông Tuy nhiên trong trường hợp sử dụng cát sông hay cát tự nhiên để đạt được các yêu cầu của thiết kế hỗn hợp, lượng cát này không được vượt quá 12% so với khối lượng của cấp phối Cốt liệu thô phải thỏa mãn yêu cầu trong bảng III.2

Bảng III.2 Đặc trưng của cốt liệu mịn

1 Độ bền Sunfatnarti ,5 chu kì ≤ 15% AASHTO T104ASTM D3744;

2 Chỉ số dẻoGiới hạn chảy ≤ 25≤ 6 ASTM D4318;AASHTO T89

3 Giá trị đương lượng cát > 40 AASHTO T176ASTM D2419

1.2 Bột khoáng

Bột khoáng sẽ được đưa vào cấp phối như là một thành phần của cốt liệu Bột đá hay xi măng Portland thông thường sẽ được sử dụng như thành phần hạt mịn Các thành phần này sẽ lọt qua sàng 0,075mm với khối lượng không nhỏ hơn 70% Tổng số khối lượng của bột khoáng trộn vào cấp phối

sẽ không nhỏ hơn 7% khối lượng của cấp phối

1.3 Nhựa đường POLIME

Nhựa đường polime sẽ là loại nhựa styrene-butadiene-styrene (SBS), PMB-III theo 22TCN 319-04, cụ thể ở bảng III.3 Việc thí nghiệm và kiểm soát chất lượng theo quy định tại 22 TCN 319-04

Bảng III.3 Đặc tính của nhựa đường Polime PMB-III (trích 22 TCN 319-04)

Điểm hoá mềm, phương pháp vòng và

Độ kim lún @ 25C, 100 g, 5 giây 22 TCN 319-04 40-70

Đặc trưng Phương phỏp thớnghiệm PMB-III

Khối lượng riờng tương đối @ 25C 22 TCN 319-04 1.00 - 1.05

Độ ổn định lu trữ (gia nhiệt ở 163oC

trong 48 giờ, sai khác nhiệt độ hóa

mềm của phần trên và dới của mẫu) 22 TCN 319-04 3.0 max

Độ nhớt ở 135oC (con thoi 21, tốc độ

cắt 18,6 s-1, nhớt kế Brookfield) 22 TCN 319-04 3.0 max

1.4 Phụ gia sợi

Cú thể cho thờm phụ gia sợi dưới dạng sợi hữu cơ hay dạng sợi cellulose để tăng ổn định Hàm lượng sợi sẽ bằng 0.3% so với khối lượng hỗn hợp SMA

1.5 Nhựa dớnh giữa 2 lớp SMA

Lớp nhựa dớnh giữa 2 lớp SMA phải là cationic, nhựa nhũ tương phõn tỏch nhanh CRS-2 or CSS-1h và phải tuõn thủ theo yờu cầu của ASTM D2397 Nhũ tương được ứng dụng là loại khụng pha loóng

2 Thiết kế hỗn hợp SMA

2.1 Thành phần của hỗn hợp

Hỗn hợp SMA phải bao gồm cấp phối cốt liệu thụ tới cốt liệu mịn và cốt liệu khoỏng, húa chất chống bong và nhựa polime

2.2 Cấp phối cốt liệu

Hỗn hợp cốt liệu sau khi phối trộn phải cú thành phần cấp phối giới hạn được mụ tả trong bảng III.4 Khi thớ nghiệm phải tuõn thủ ASTM C136 và ASTM C117 phõn bố vào khoảng giữa của cận dưới và cận trờn của phạm vi cấp phối đũi hỏi từ cốt liệu thụ tới liệu mịn

Bảng III.4 Thành phần cốt liệu

Cỡ sàng SMA 9.5Tỷ lệ phần trăm qua sàngSMA 12.5

4.75 24 -3 7 22 -3 0

2.3 Công thức trộn

Công thức gia công hỗn hợp SMA sử dụng quy trình theo Phương pháp thiết kế hỗn hợp của Marsahall, hướng dẫn của viện nghiên cứu bê tông Asphalt số 2 (MS-2), phương pháp thiết kế hỗn hợp cho bê tông asphalt và các loại hỗn hợp bê tông nhựa rải nóng khác, ấn bản thứ 6

Để đề ra công thức phối trộn cốt liệu, ít nhất 5 nhóm mẫu Marshall sẽ chuẩn bị cho mỗi lượng asphalt thay đổi 0.5% quanh giá trị 5.5% Mỗi tổ mẫu sẽ bao gồm 3 mẫu và sự lựa chọn thiết kế cấp phối sẽ tuân thủ yêu cầu trong bảng III.5 với gia số của hàm lượng nhựa 0.5% và sẽ được tuân thủ yêu cầu trong bảng số liệu III.5

Bảng III.5 Các yêu cầu cơ bản của thiết kế cấp phối SMA

Chỉ tiêu Yêu cầu Phương pháp thí nghiệm

Số lượng chày mỗi mặt mẫu

Độ ổn định Marshall, N

Độ dẻo, mm

Độ rỗng dư ,%

Độ lỗ rỗng cốt liệu khoáng %

Hàm lượng nhựa tối thiểu (bằng

phần trăm so với khối lượng của

hỗn hợp ) %

Độ ổn định Marshall còn lại , %

Độ chảy nhựa (sau 1 giờ ),%

Độ hao mòn Cantabro , %

Độ nhám (phương pháp rắc cát) ,

50

 6200 2.0 - 4.0

3 - 5

17

5.5

75

≤0.3

≤5

0.6

AASHTO T245 AASHTO T245 AASHTO T245 AASHTO T245 AASHTO T245 AASHTO T245

22TCN 249-98 ASTM D6390 ASTM D7064

22 TCN 278-01