Thi công đường bê tông nhựa tạo tiền đề để phát triển kinh tế xã hội và công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Việt nam đang đầu tư xây dựng, phát triển hệ thống đường ô tô cấp cao và cao tốc.Ở Việt Nam, lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám đã được áp dụng trên một số đườngcao tốc, tuy nhiên mới ở mức độ thử nghiệm, chi phí cao và bị lệ thuộc vào công nghệngoại nhập.
Muốn làm chủ công nghệ sản xuất vật liệu bê tông nhựa tạo nhám, trước hết phảinghiên cứu xác định được thành phần vật liệu hợp lý của lớp bê tông nhựa tạo nhám đểvừa đạt được độ rỗng cần thiết, độ bền, độ nhám yêu cầu, phù hợp với điều kiện cụ thểcủa Việt Nam
Cấu trúc và thành phần hỗn hợp của bê tông nhựa thông thường
Cấu trúc bê tông nhựa
Bê tông nhựa là một vật liệu xây dựng, trong đó các cốt liệu khoáng vật được kết dính với nhau nhờ chất liên kết asphalt.
Bê tông nhựa là một vật liệu gồm hai thành phần cấu trúc: một là khung sườn vật liệu khoáng vật gồm: đá và cát, hai là chất liên kết asphalt gồm bitum và bột khoáng. Để điều chỉnh cấu trúc của bê tông nhựa theo yêu cầu sử dụng, có thể xem bê tông nhựa là một hệ thống gồm ba cấu trúc thành phần [1]:
● Cấu trúc vi mô: gồm nhựa và bột khoáng tạo thành chất liên kết asphalt.
● Cấu trúc trung gian: gồm cát và các chất liên kết asphalt tạo thành vữa asphalt.
● Cấu trúc vĩ mô: gồm đá dăm và vữa asphalt tạo thành hỗn hợp bê tông nhựa.
+ Về cấu trúc vi mô: thấy rõ quan hệ số lượng, sự bố trí và tương tác giữa bitum
và bột khoáng – thành phần phân tán hoạt động nhất của bê tông nhựa. Cường độ bê tông nhựa biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào hàm lượng bột khoáng, vào tỉ số nhựa bitum và bột khoáng. Khi lượng nhựa nhiều, bột khoáng ít, các hạt bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc trực tiếp với nhau. Khi bột khoáng tăng lên tỉ lệ bitum/bột khoáng giảm, đến lúc lượng nhựa vừa đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng và các hạt tiếp xúc với nhau có định hướng, nếu tiếp tục tăng bột khoáng lên nữa, bitum sẽ không đủ để tạo màng bọc khắp các hạt, khi đó cấu trúc vi mô sẽ tăng lỗ rỗng, các hạt không liên kết được với nhau, cường độ sẽ giảm.
+ Cấu trúc trung gian: khi đưa cát vào chất liên kết asphalt để tạo thành vữa asphalt thì sẽ làm giảm cường độ của hệ thống vì cát đã làm giảm tính đồng nhất của hỗn hợp. Cấu trúc trung gian cũng ảnh hưởng khá lớn đến cường độ, độ biến dạng, độ
chặt và các tính chất khác nhau của bê tông nhựa.
+ Cấu trúc vĩ mô: cốt liệu đá được bao bọc bởi bitum nhựa đường là một yếu tố cơ bản để làm thành cấu trúc vĩ mô của bê tông nhựa. Cấu trúc này được xác định bằng quan hệ số lượng, vị trí tương hỗ, độ lớn của đá dăm. Đá dăm được liên kết với nhau
thành một khối sườn không gian trong vữa asphalt.
Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa thông thường
Các thành phần vật liệu cơ bản của hỗn hợp bê tông nhựa bao gồm các cốt liệu hạt thô (đá dăm) và hạt mịn (cát) có thành phần cỡ hạt tuân theo một quy luật nhất định, nhựa đường (bitum) và bột khoáng (bột đá vôi, xi măng,…). Các tính chất của bê tông nhựa phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và chất lượng tương tác giữa cốt liệu và chất dính kết. Mỗi thành phần trong hỗn hợp bê tông nhựa đóng một vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ với nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làm lớp mặt đường. Các đặc tính của vật liệu thành phần và ảnh hưởng của chúng đến độ bền khai thác và tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa.
+ Cốt liệu: bao gồm cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt mịn với chức năng tạo bộ khung chịu lực cho hỗn hợp. Thành phần kích cỡ hạt cốt liệu phải đảm bảo thỏa mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn được quy định cho mỗi loại bê tông nhựa khác nhau, với mục đích tạo khung chịu lực bền vững mà vẫn đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu. Cấp phối cốt liệu là phân bố thành phần cỡ hạt theo % của tổng khối lượng được xác định bằng thí nghiệm bộ sàng tiêu chuẩn. Cấp phối cốt liệu là đặc tính quan trọng nhất của hỗn hợp cốt liệu, nó ảnh hưởng đến hầu hết các đặc tính quan trọng của hỗn hợp, bao gồm độ cứng, độ ổn định, độ bền, độ thấm nước, độ linh động, khả năng chịu mỏi, cường độ chống trượt và khả năng chống lại các hư hỏng do ảnh hưởng của nước. Chính vì vậy, thiết kế thành phần cấp phối của hỗn hợp bê tông nhựa là quan trọng nhất đối với thiết kế thành phần bê tông nhựa
Kích thước hạt lớn nhất trong hỗn hợp cốt liệu là yếu tố quan trọng để đảm bảo đặc trưng khai thác tốt của hỗn hợp bê tông nhựa mặt đường, kích cỡ hạt lớn nhất là cỡ sàng lớn nhất thiết kế để có được một số phần trăm nhất định (thường là 10%) hạt cốt liệu trong mẫu thí nghiệm sót lại trên đó. Hiện nay, khi thiết kế hỗn hợp asphalt xu thế sử dụng cỡ hạt lớn nhất lớn để giảm thiểu khả năng hình thành lún vệt bánh xe. Sử dụng cỡ hạt lớn còn cho khả năng giảm hàm lượng nhựa đường cần thiết và giảm giá thành.
+ Chất liên kết Nhựa đường là chất kết dính hữu cơ, có thể
ở dạng cứng hoặc dạng nhớt lỏng có thành phần chủ yếu là hiđrôcácbon cao phân tử và một số hợp chất khác. Nhựa đường (bitum) bao gồm các thành phần chính là asphaltenes, resin và các chất thơm/no (oils) thể hiện theo hình 1.1. Asphaltenes là chất rắn không kết tinh, vô định hình, màu nâu hoặc đen, có thành phần chính là cácbonhyđrô – ngoài ra còn có nitơ, lưu huỳnh và ôxy. Asphaltenes được coi là chất thơm phức hợp cao phân tử Tăng hàm lượng asphaltenes sẽ tạo bitum đặc với độ kim lún thấp hơn, điểm hoá mềm cao hơn và độ nhớt cao hơn. Asphaltenes chiếm khoảng 5% đến 25% thành phần của nhựa đường. Resin là chất rắn hoặc nửa rắn, có màu nâu. Tương tự như
asphaltenes, thành phần hoá học cũng bao gồm cácbon, hyđrô- ngoài ra còn có nitơ, lưu huỳnh và ôxy. Tính phân cực mạnh của thành phần này giúp tạo tính dính kết của bê tông nhựa.
>>Xem thêm: Báo giá làm đường nhựa
Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám OGFCA
Cốt liệu
Bê tông nhựa tạo nhám cấp phối hở-OGFCA (Open Graded Friction Courses
Asphalt) là loại cấu trúc khung dạng vĩ mô (hình 1.3), hỗn hợp bao gồm các hạt cốt liệulớn đồng dạng, có một ít hoặc không có hạt cốt liệu nhỏ và bột khoáng; hỗn hợp vật liệuđược thiết kế sao cho vật liệu đầm nén đạt được độ rỗng dư từ 18%÷25% So với bê tông nhựa chặt, độ nhám vĩ mô được cho bởi các hạt cốt liệu thô, độ nhám vi mô được cho cả cốt liệu thô và cốt liệu mịn. Với vật liệu bê tông nhựa tạo
nhám cấp phối hở giới hạn cốt liệu mịn; do vậy độ nhám vi mô và vĩ mô chủ yếu có được do cốt liệu thô trong thành phần vật liệu tạo nên.
Chất liên kết
Khi thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám, kinh nghiệm các
nước chất liên kết thông thường sử dụng là bitum cải tiến, việc sử dụng nhựa này nhằm cải thiện đặc tính biến dạng và độ bền của bê tông nhựa khi sử dụng nơi có nhiệt độ, độ ẩm thay đổi bất thường
Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường
Độ nhám vi mô (micro-texture): Độ nhám vi mô là độ xù xì bề mặt của hạt cốt
liệu lộ ra trên mặt đường và thường khó nhìn thấy. Độ nhám vi mô là cơ sở để tạo nên độ bám-sức kháng trượt giữa bánh xe và mặt đường. Việc tăng độ nhám vi mô được thực hiện thông qua tuyển chọn loại cốt liệu đá có thuộc tính độ nhám vi mô cao.
Độ nhám vĩ mô (macro-texture): Độ nhám vĩ mô tạo ra các kênh thoát nước. Bằng cách làm giảm áp lực nước ở trước và xung quanh lốp xe, độ nhám vĩ mô làm giảm hiệu ứng màng nước giữa lốp xe và mặt đường khi trời mưa, cho phép một diện tích lớn của lốp xe vẫn duy trì sự tiếp xúc ma sát với mặt đường khi xe chạy với tốc độcao (v ³ 65 km/h), nhằm tạo điều kiện để độ nhám vi mô phát huy tác dụng kháng trượt.
Các yếu tố ảnh hưởng khác đến độ nhám mặt đường nhựa
Thiết kế thành phần
Cấp phối cốt liệu Một cấp phối cốt liệu hợp lý sẽ đảm bảo đá dăm (hạt trên sàng 5mm) trở thành khung sườn chịu lực chính, hạt cát là vật liệu chèn để tăng cường các liên kết
– Hình khối, góc cạnh của cốt
liệu: Để cho các hạt cốt liệu nhô lên bề mặt đường không bị gãy vụn, đảm bảo độ nhám vĩ mô và độ bền bề mặt của lớp nhám thì các hạt cốt liệu phải có dạng hình khối, hạn chế hạt dẹt.
– Cốt liệu thô nổi lên mặt đường: Trên bề mặt bê tông nhựa sau khi lu lèn thì cốt liệu thô trên bề mặt tiếp xúc, làm tăng ổn định của sườn đá dăm, bột khoáng tương tác với nhựa tạo thành chất liên kết Asphalt vừa có tác dụng liên kết khung cốt liệu, vừa lấp một phần vào lỗ rỗng còn lại. Hàm lượng đá dăm đủ mới tạo thành được khung sườn chịu lực cho BTN và tạo độ nhám cho hỗn hợp.
Hàm lượng đá dăm ít, giữa các viên đá là vữa nhựa (cát + chất liên kết Asphalt). Hình ảnh này được mô tả là các viên đá “bơi” trong vữa nhựa. Lúc này độ nhám ban đầu của mặt đường đã thấp; ngoài ra trong quá trình khai thác, dưới tác dụng trùng phục của xe cộ, các viên đá có xu thế “chìm dần” xuống dưới nên độ nhám ngày càng giảm. Mặt đường BTN trơn, nhẵn rất dễ xảy ra hiện tượng trượt khi trời mưa.
● Hàm lượng nhựa
Một hàm lượng nhựa hợp lý, vừa đủ bao bọc và liên kết cốt liệu khoáng chất
cũng cho phép cải thiện độ nhám của mặt đường BTN. Hàm lượng nhựa quá cao sẽ làm cho BTN kém ổn định nhiệt, dưới tác dụng trùng phục của xe cộ khi nhiệt độ cao, lượng nhựa thừa này có xu thế “nổi trồi” lên bề mặt BTN, làm giảm độ nhám, mặt đường cũng sẽ trơn trượt khi trời mưa.
● Bột khoáng
Bột khoáng dùng cho BTN được nghiền từ đá là loại đá gốc các-bô-nát. Loại bột khoáng này khi tiếp xúc với nhựa sẽ đảm bảo có được các tương tác hóa học trong nhựa ở bề mặt tiếp xúc giữa nhựa và các cốt liệu; các liên kết này rất bền vững dưới tác dụng của nhiệt, nước và tải trọng.
● Tính dính bám giữa nhựa và cốt liệu
Dính bám giữa cốt liệu và nhựa cũng đóng vai trò quyết định. Các hấp phụ bề mặt của cốt liệu là hấp phụ lý học sẽ bền vững, thay đổi được tính nhớt của nhựa, làm nhựa không có xu thế “tách rời”, “nổi trồi” trong quá trình khai thác sau này
Trong quá trình thi công
Chất lượng chế tạo thành phần hỗn hợp
● Mức độ phân tầng của hỗn hợp
Hỗn hợp BTN không đồng đều do thời gian trộn quá ngắn, do vận chuyển, san rải không đảm bảo sẽ làm cho hỗn hợp vật liệu BTN không đồng đều.
● Chất lượng công tác bù phụ
Việc phủ hỗn hợp hạt nhỏ khi bù phụ (thường chỉ có cát, bột khoáng và nhựa) sẽ làm mất độ nhám vĩ mô của mặt đường.
● Kỹ thuật lu lèn BTN
Việc chống dính bánh lu bằng nước nhiều khi diễn ra quá mức mà không được kiểm soát cũng có ảnh hưởng đến độ nhám của mặt đường. Nước thấm vào mặt đường BTN đang nóng sẽ khuếch tán rất mạnh, tách nhựa ra khỏi đá, làm cho bề mặt lớp BTN rời rạc, nhanh bị bào mòn, độ nhám giảm. Ngoài ra, do nhiều lớp tạo nhám mặt đường có chiều dày rất nhỏ, lại sử dụng nhựa đường polime cải thiện dẫn tới nhiệt độ của chúng giảm rất nhanh, do đó quá trình lu lèn phải làm nhanh và chính xác để tránh nhiệt độ xuống quá thấp, lu lèn sẽ không đảm bảo yêu cầu kĩ thuật.
c) Đặc trưng khai thác
● Lưu lượng xe chạy
Với đoạn đường có lưu lượng xe lớn trong khoảng thời gian dài thì độ nhám mặt đường sẽ bị ảnh hưởng xấu do tác động bào mòn của lốp xe. Ngoài ra, lưu lượng xe lớn cũng ảnh hưởng tới khả năng bong bật cốt liệu, nứt, lún, làn sóng…ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường.
● Thành phần dòng xe
Dòng xe có thành phần càng nhiều xe nặng, áp lực lên mặt đường cũng như tác động bào mòn mặt đường càng lớn dẫn tới độ nhám mặt đường giảm.
● Tính chất của đoạn đường (lực ngang nhỏ hay lớn)
Xét riêng đến xe chạy trên đường thì hiện tượng trơn trượt là do lực ngang, do đó trên các đoạn đường có lực ngang lớn, khả năng xảy ra tai nạn do trơn trượt tăng lên. Các hiện tượng trơn trượt của lốp xe này cũng sẽ làm hiện tượng bào mòn mặt đường tăng lên đáng kể dẫn tới độ nhám mặt đường giảm.
>> Xem thêm: Báo giá bê tông nhựa nóng
Giải pháp thi công lớp vật liệu bê tông nhựa nhám
Sản xuất vật liệu tại trạm trộn
Nội dung kiểm tra chất lượng sản xuất vật liệu tại trạm trộn, trước hết cần phải đảm bảo chất lượng thành phần vật liệu Ngoài ra yêu cầu cần thiết khác cần giám sát chặt chẽ đó là nhiệt độ trộn để đảm bảo vật liệu bê tông nhựa nhám có chất lượng cao. Nếu nhiệt độ trộn quá nóng, hỗn hợp này có thể dễ nhạy cảm hơn độ chảy nhựa; hạ thấp nhiệt độ có thể không loại bỏ độ ẩmtừ hỗn hợp hoặc việc trộn quá nguội làm cho quá trình lu lèn càng khó khăn. Nhiệt độhỗn hợp bê tông nhựa nhám khi ra khỏi thùng trộn xả và ôtô tải được chọn trên cơ sở tham khảo chỉ dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất nhựa đường polyme. Hỗn hợp vật liệu bê tông nhựa tạo nhám không nên lưu trữ trong thời gian khoảng 2 giờ để tránh chảy nhựa
Vận Chuyển
Vận chuyển bê tông nhựa nhám quan tâm chính ở nhiệt độ đầm nén thích hợp, cần giới hạn thời gian vận chuyển, hạn chế cự ly vận chuyển, hoặc qui định một nhiệtđộ đến mức tối thiểu.
Yêu cầu xe vận chuyển hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám là loại xe tự đổ có thùng xe bằng kim loại, cách nhiệt và có tấm phủ để giảm thiểu sự mất mát nhiệt độ của hỗn hợp
Rải bê tông nhựa
Máy rải hỗn hợp BTN lớp tạo nhám: dùng loại máy rải bêtông nhựa thông thường, có gắn thiết bị cảm biến, có khả năng tự điều chỉnh chiều dày một cách chính xác; lưu ý quan trọng đối với vật liệu BTN tạo nhám do thành phần cốt liệu thô nhiều
đó là tránh phân tầng khi rải.
Lu lèn bê tông nhựa
Lu lèn cần đảm bảo ở nhiệt độ đúng theo qui định. Độ rỗng dư của vật liệu bê
tông nhựa nhám làm cho nhiệt độ mặt đường nguội nhanh hơn, do vậy cần kết thúc đầm nén nhanh hơn. Lu bánh lốp, lu rung không nên sử dụng lu lèn trên lớp vật liệu bê tông nhựa nhám, chỉ được dùng lu bánh thép tĩnh loại hai bánh sắt tải trọng 5 – 6 tấn.
