1. Đặc điểm cấu tạo và yêu cầu đối với kết cấu áo đường mềm
1.1. Kết cấu áo đường mềm
Là kết cấu nhiều lớp vật liệu phù hợp với chức năng làm việc của mỗi lớp bao gồm: Lớp mặt bằng các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có xử lý nhựa như bê tông nhựa, đá dăm trộn nhựa, thấm nhập nhựa, láng nhựa, cấp phối đá dăm, cấp phối sỏi cuộn với gia cố hoặc không gia cố bi tum, xi măng, vôi, các phế thải công nghiệp như xỉ lò cao, xỉ than v.v...; lớp nền đất đáy móng áo đường.
1.2. Yêu cầu đối với kết cấu áo đường mềm
Đảm bảo các lớp vật liệu của áo đường có đủ cường độ chịu lực dưới tác động của xe chạy và ổn định đối với tác động của các nhân tố thiên nhiên như độ ẩm, nhiệt độ, mưa lũ, biến đổi khí hậu v.v...; đảm bảo cường độ chung của tổng thể kết cấu nền - mặt đường trong suốt thời hạn thiết kế quy định. Cụ thể là hạn chế được các hiện tượng hư hỏng mặt đường dưới các dạng khác nhau.
2. Các hiện tượng hư hỏng chủ yếu của mặt đường bê tông nhựa
Mặt đường bê tông nhựa là loại mặt đường mềm được sử dụng phổ biến trên đường ô tô cấp cao (cấp I, II, III) và đường ô tô cao tốc của Việt Nam hiện nay. Vì vậy dưới đây sẽ đi sâu phân tích các hiện tượng hư hỏng chủ yếu của loại mặt đường BTN.
2.1. Chiều sâu hằn lún vệt bánh xe trên mặt đường của nhiều tuyến đường phát triển ở mức độ nghiêm trọng làm ảnh hưởng tới an toàn giao thông, tốc độ xe chạy, chất lượng khai thác của đường... Theo quy định đối với đường ô tô cao tốc và đường cấp cao có VTK ≥ 80km/h, ngưỡng cho phép chiều sâu hằn lún vệt bánh xe ≤ 5mm. Theo kết quả đo đạc, khảo sát của Tổng cục Đường bộ Việt Nam thực hiện trong tháng 3/2013 như sau:
Địa phận khu QLĐB IV quản lý dài 620km thì có khoảng 70Km, chiếm 11,29% xuất hiện chiều sâu hằn lún vệt bánh xe vượt quá ngưỡng cho phép; địa phận khu QLĐB V quản lý thì có khoảng 90km trên chiều dài 593km chiếm 15,18% vượt quá ngưỡng chiều sâu cho phép; các đoạn có chiều sâu vệt hằn lún vệt bánh xe ≥ 7 cm lớn hơn trị số cho phép đến 14 lần với tổng diện tích vệt lún 150.000m2, nơi bị lún nặng nhất là 12 - 15cm lớn hơn trị số cho phép đến 24 - 30 lần.
Theo kết quả khảo sát trên đường dẫn cầu Thanh Trì của công ty Obayashi (Nhật Bản) thì như sau:
Đoạn đường có hằn lún vệt bánh xe lớn ≥ 10cm xuất hiện ở làn bên phải dành cho xe đi chậm chủ yếu là xe tải nặng và xe container theo hướng Hải Phòng - Hà Nội có lưu lượng xe lưu thông lớn. Đoạn đường có hằn lún vệt bánh xe nhỏ hơn, khoảng 3,5cm cũng xuất hiện ở làn xe bên phải dành cho xe đi chậm, chủ yếu là xe tải và xe container, hướng Hà Nội - Hải Phòng.
2.2. Lớp mặt bê tông nhựa bị nứt gãy do ứng suất kéo - uốn tại bề mặt đáy của các lớp BTN khi xe chạy vượt quá trị số ứng suất kéo uốn RKU cho phép của vật liệu BTN và do hiện tượng “mỏi” của BTN phát triển theo thời gian khai thác mặt đường.
2.3. Mặt đường bị chảy nhựa, trượt trồi, lượn sóng, bong tróc bề mặt, trơn trượt, bị bào mòn, v.v...
Trong các dạng hư hỏng nói trên vấn đề thực tế cấp thiết, nóng bỏng cần được nghiên cứu tìm ra nguyên nhân và giải pháp khắc phục là sự cố hằn vệt bánh xe xuất hiện tương đối phổ biến và chiều sâu vệt hằn lún bánh xe vượt quá ngưỡng cho phép rất nhiều lần trên các tuyến đường cao tốc và các đường QL của nước ta.
Trước tình hình nghiêm trọng về hiện tượng xuất hiện chiều sâu hằn lún vệt bánh xe vượt quá ngưỡng cho phép có tính phổ biến đã có ảnh hưởng rất lớn tới an toàn giao thông, tốc độ xe chạy trên đường, chất lượng khai thác đường nói chung, lãnh đạo Bộ GTVT, Tổng cục Đường bộ, các đơn vị quản lý và NCKH trong và ngoài Bộ GTVT đã tổ chức nhiều hội nghị, hội thảo khoa học, nhiều bài báo chuyên đề nhằm tìm ra các nguyên nhân chủ yếu và các giải pháp khắc phục. Các ý kiến tham luận rất phong phú, đã phát hiện ra nhiều nguyên nhân khác nhau của hiện tượng phát sinh vệt hằn lún bánh xe nghiêm trọng như hiện nay và kiến nghị các giải pháp khắc phục chủ yếu. Nhiều nghiên cứu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường được triển khai và đạt được những kết quả bước đầu đối với một số trường hợp, nhưng không hiệu quả đối với nhiều trường hợp do các giải pháp đề xuất thường thiếu tính đồng bộ, thiếu giải pháp cốt lõi nhằm khắc phục triệt để từ gốc rễ nguyên nhân phát sinh chiều sâu hằn lún vệt bánh xe vượt quá ngưỡng cho phép ở mức độ báo động trên các tuyến đường cao tốc và các đường Quốc lộ cấp cao như hiện nay.
3. Các ý kiến khác nhau về nguyên nhân chủ yếu, nguyên nhân cốt lõi củahiện tượng phát sinh hằn lún vệt bánh xe nghiêm trọng và giải pháp khắc phục
3.1. Ý kiến 1: Nguyên nhân chủ yếu là do chất lượng bi tum, thiết kế thành phần bê tông nhựa chưa phù hợp. Giải pháp khắc phục: Quản lý chặt chẽ nguồn gốc bi tum nhập; sử dụng loại bi tum phù hợp; nên sử dụng loại bi tum polymer; áp dụng phương pháp thiết kế thành phần bê tông nhựa của các nước tiên tiến, trong đó có tiêu chuẩn của Hoa Kỳ (AAASHTO).
Bình luận: Ý kiến 1 có logic bởi vì hiện tượng phát sinh hằn lún vệt bánh xe nghiêm trọng là ở lớp mặt BTN, vì vậy chất lượng bi tum sử dụng và thành phần hỗn hợp BTN thường được nhiều người quan tâm đầu tiên và dễ dàng thuyết phục dư luận. Tuy nhiên trong thực tế có nhiều tuyến đường, nhiều đoạn đường đã và đang thi công sử dụng loại bi tum thông thường (không phải loại bi tum polymer) và hỗn hợp BTN theo Tiêu chuẩn hiện hành, nhưng chỉ có một số đoạn cá biệt mặt đường bị hằn lún vệt bánh xe nghiêm trọng. Vì vậy việc sử dụng bi tum polymer và các loại hỗn hợp BTN cải tiến sử dụng bi tum polymer thay thế cho bi tum thông thường, BTN có bổ sung epoxy, cốt sợi các loại như BTN polymer cải tiến PMA (Polymer Modified Asphalt), bê tông ma tít nhựa đá dăm SMA (Stone Mastic Asphalt), bê tông nhựa đúc Guss Asphalt, v.v... phải được cân nhắc kỹ bằng luận chứng kinh tế - kỹ thuật vì chúng là các giải pháp đắt tiền; các yêu cầu về công nghệ sản xuất hỗn hợp BTN và thi công rải mặt đường phức tạp hơn nhiều so với các loại BTN thông thường; tránh hiện tượng lạm dụng việc sử dụng các công nghệ hiện đại, và tính năng cao của các loại BTN cải tiến, nhưng giá thành vượt trội đáng kể trong những trường hợp không cần thiết. Nguyên nhân chủ yếu xuất hiện vệt hằn lún bánh xe lớn đâu có phải chỉ do không sử dụng loại bitum polymer, không sử dụng các loại BTN cải tiến thay cho các loại nhựa và loại BTN thông thường sử dụng hiện nay nếu chưa có các giải pháp khắc phục những sai sót về khâu thiết kế cấu tạo áo đường, khâu tính toán chiều dày các lớp vật liệu áo đường, nếu chưa có các giải pháp liên quan đến quá trình thi công v.v...
3.2. Ý kiến 2: Nguyên nhân chủ yếu: Là do không tuân thủ quy trình thi công BTN như trong khâu trộn vật liệu, nhiệt độ trộn quá thấp hoặc quá cao, quá trình vận chuyển hỗn hợp BTN thiếu biện pháp giữ nhiệt độ cần thiết đến địa điểm thi công; đảm bảo nhiệt độ tối thiểu khi kết túc lu lèn; rải BTN trên lớp móng ẩm ướt thậm chí khi mưa; lu lèn chưa đủ độ chặt yêu cầu đối với BTN; công tác giám sát kiểm tra chất lượng trong quá trình thi công... Giải pháp khắc phục: Xây dựng khung tiêu chí lựa chọn nhà thầu thi công mặt đường BTN trên đường ô tô cao tốc và đường ô tô cấp cao đáp ứng các yêu cầu về trang thiết bị trạm trộn BTN, máy rải, máy lu, phòng thí nghiệm hiện trường; đội ngũ cán bộ quản lý, cán bộ kỹ thuật, công nhân kỹ thuật; lựa chọn đơn vị giám sát từ quá trình chế tạo hỗn hợp BTN đến khâu rải BTN tại hiện trường.
Bình luận: Ý kiến 2 liên quan đến quá trình thi công xây lắp, là một trong điểm yếu hiện nay trong xây dựng mặt đường BTN. Các giải pháp khắc phục những tồn tại trong thi công hiện nay có tính cấp thiết để nâng cao chất lượng xây dựng mặt đường BTN, hạn chế hư hỏng mặt đường nói chung và hạn chế phát triển hiện tượng vệt hằn lún bánh xe nói riêng. Tuy nhiên không thể đánh giá đó là nguyên nhân chủ yếu nếu chưa có các giải pháp khắc phục về thiết kế, cấu tạo các lớp tạo áo đường, khâu kiểm tra tính toán các lớp vật liệu của tổng thể kết cấu nền/ mặt đường v.v...
3.3. Ý kiến 3: Nguyên nhân chủ yếu: Do những năm gần đây lượng xe quá tải lưu thông trên đường tăng nhanh. Nếu tải trọng xe chạy trên đường vượt quá tải trọng tính toán quy định thì mặt đường BTN tiếp tục tích lũy biến dạng dư và chiều sâu vệt hằn lún bánh xe tiếp tục phát triển sâu thêm. Giải pháp khắc phục: Không cho phép xe quá tải, xe siêu nặng chạy trên đường cao tốc và đường quốc lộ cấp cao mà xây dựng các tuyến đường, hoặc làn đường riêng giành cho xe tải nặng lưu thông.
Bình luận: Ý kiến 3 liên quan đến ảnh hưởng của xe quá tải đến sự xuất hiện lún vệt hằn bánh xe là thực tế và có căn cứ khoa học về mặt lý thuyết. Tuy nhiên sẽ không đúng nếu xem đó là nguyên nhân chủ yếu, cốt lõi cho mọi trường hợp vì: trong thực tế có những tuyến đường dài hàng chục kilômét, nhưng cũng chỉ có một số đoạn đường ngắn có hiện tượng chiêu sâu lún vệt hằn bánh xe xuất hiện ở mức độ nghiêm trọng.
3.4. Ý kiến 4: Nguyên nhân chủ yếu: là do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu nên những năm gần đây có những thời điểm nhiệt độ không khí làm cho nhiệt độ trên mặt đường nhựa rất cao, làm cho BTN hóa mềm, cường độ chịu lực của BTN giảm đáng kể và dưới tác dụng của xe tải nặng, xe vượt tải trọng tính toán với lưu lượng xe tải ngày một tăng sẽ làm cho lớp BTN tiếp tục phát triển phần biến dạng lún không phục hồi, biến dạng dư, và chiều sâu vệt hằn bánh xe ngày một phát triển sâu hơn. Theo kết quả nghiên cứu của GS.TS. Vương Học Hải bộ môn đường trường ĐHXD từ 1993 - 1995 trên đường ô tô của Hà Nội thì với nhiệt độ không khí 350C, nhiệt độ mặt đường đo được C. Theo kết quả nghiên cứu là 62,50 của thạc sĩ Nguyễn Thị Hồng Hạnh - Trường ĐH Phương Đông theo tài liệu thống kê của trạm khí tượng Láng (Hà Nội) liên tục đến năm 2008 cho thấy nhiệt độ không khí tại Hà Nội có lúc lên đến 42,80 tính toán lý thuyết kết hợp với thực nghiệm có xét đến ảnh hưởng của cường độ bức xạ mặt trời thì nhiệt độ mặt đường BTN và BTXM có thể vượt quá 80 Giải pháp khắc phục: Nghiên cứu sử dụng loại bi tum chất lượng cao và nghiên cứu thành phần BTN, loại BTN cải tiến có khả năng chịu được nhiệt độ cao.
Bình luận: Tại sao trên nhiều tuyến đường có chiều dài hàng chục km, cùng một loại nhựa, loại BTN, cùng một đơn vị thi công, cùng một điều kiện nhiệt độ không khí, nhưng chỉ có một số đoạn ngắn mặt đường BTN bị hằn lún vệt bánh xe nghiêm trọng. Vì vậy không có tính thuyết phục cao nếu xem nhiệt độ cao do ảnh hưởng của BĐKH là nguyên nhân cốt lõi, nguyên nhân chủ yếu của vệt hằn lún bánh xe nghiêm trọng trên mặt đường BTN trong mọi trường hợp. Các giải pháp liên quan đến sử dụng loại bitum polymer thay thế cho bitum thông thường và các loại BTN cải tiến phải được cân nhắc, so sánh kinh tế - kỹ thuật, điều kiện thi công hiện nay và chỉ nên áp dụng ở những trường hợp cần thiết vì những lý do đã được phân tích đối với “Ý kiến 1” ở phần trên.
3.5. Ý kiến 5: Cũng là ý kiến của người báo cáo tham luận Nguyên nhân chủ yếu: Là do thiết kế không hợp lý lớp mặt BTN các lớp vật liệu lớp móng và lớp đất dưới lớp móng đường, do thiết kế kết cấu áo đường, do tính toán chiều dầy các C và theo C. lớp vật liệu chưa phù hợp với điều kiện xe chạy trên đường như lưu lượng xe, tải trọng xe nặng vượt quá tiêu chuẩn thiết kế, chưa phù hợp với điều kiện nhiệt độ tăng cao đột biến bất thường do ảnh hưởng của BĐKH, do vấn đề thoát nước nền - mặt đường chưa được coi trọng v.v...
Giải pháp khắc phục: Tổ chức các hội nghị, hội thảo tổng kết rút kinh nghiệm về công tác thiết kế mặt đường BTN, những thuận lợi, khó khăn, những tồn tại cần nghiên cứu hoàn thiện Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm hiện đang sử dụng (22TCN211-06), và liên hệ với thực tế của các tư vấn thiết kế khi nghiên cứu các dự án thiết kế mặt đường BTN của các tuyến đường cao tốc và đường quốc lộ cấp cao về những tồn tại trong thiết kế mặt đường BTN hiện nay.
Bình luận: Có không ít ý kiến cho rằng nguyên nhân chủ yếu xuất hiện hằn lún vệt bánh xe nghiêm trọng trên mặt đường BTN trong những năm gần đây không phải từ nền đất và các lớp móng đường, không phải vì trong Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm áp dụng hiện nay ở nước ta còn một số tồn tại với lập luận như sau:
- Nếu nền - móng yếu thì sẽ tạo thành chảo võng chứ không thể vệt hằn lún dạng rãnh sâu;
- Trên mặt cầu, lớp BTN được đặt trên lớp móng là tấm bê tông cốt thép của dầm bản mặt cầu, nhưng vẫn xuất hiện vệt hằn bánh xe vượt quá ngưỡng cho phép ở một số vị trí trong một số trường hợp.
- Hiện nay ở Việt Nam, đối với đường ô tô cao tốc cho phép sử dụng Tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm của VN 22TCN211-06 hoặc theo Tiêu chuẩn AASHTO của Hoa Kỳ và thực tế ở một số dự án đường cao tốc, kết quả tính toán chiều dày các lớp vật liệu của kết cấu áo đường không có sự khác nhau đáng kể.
Từ những phân tích nói trên đi đến kết luận: Nguyên nhân chủ yếu gây hằn lún vệt bánh xe không phải là do thiết kế, các giải pháp về thiết kế chưa phải là vấn đề cấp thiết, cần thiết có những nghiên cứu hoàn thiện để khắc phục hiện tượng vệt hằn lún bánh xe trên mặt đường BTN hiện nay. Nguyên nhân chủ yếu là các vấn đề liên quan đến khâu sản xuất hỗn hợp BTN và khi thi công rải BTN.
4. Kết luận chung
4.1. Đặc điểm cấu tạo của áo đường mềm nói chung và bê tông nhựa nói riêng là gồm nhiều lớp vật liệu đàn hồi - dẻo - nhớt, không phải là loại vật liệu có tính đàn hồi lớn. Đặc điểm của các loại vật liệu này là dưới tác động của xe chạy thì các lớp vật liệu bị lún (biến dạng) đáng kể và khi xe chạy qua không còn tác dụng lên mặt đường thì độ biến dạng lún của các lớp vật liệu cấu tạo áo đường chỉ có thể phục hồi lại một phần và được gọi là phần lún đàn hồi thường được sử dụng để xác định mô đun đàn hồi; phần còn lại không có thể phục hồi và sẽ tích lũy theo số lần tác động của xe chạy và theo quy luật đường cong dạng hàm số mũ. Đặc điểm nói trên là nguyên nhân xuất hiện chiều sâu lún vệt bánh xe tích lũy, phát triển theo thời gian và có tính vĩnh cửu dưới tác động của lưu lượng xe, đặc biệt là đối với xe tải nặng lưu thông trên đường.
4.2. Tất cả các lớp cấu tạo áo đường như lớp mặt, lớp móng lớp đất đáy móng đều tham gia vào trị số biến dạng không phục hồi (biến dạng dư) của tổng thể kết cấu áo đường; độ biến dạng không phục hồi của mỗi lớp chịu ảnh hưởng tương hỗ về khả năng biến dạng không phục hồi của các lớp khác... Tùy theo điều kiện cụ thể về thiết kế kết cấu áo đường, thiết kế các lớp vật liệu của áo đường, chất lượng thi công áo đường, điều kiện giao thông để kết luận các nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng phát sinh hằn lún vệt bánh xe nghiêm trọng trên đoạn đường khảo sát, trước tiên là những vấn đề liên quan đến các tồn tại trong thiết kế áo đường đối với đoạn đường khảo sát.