Trên cơ sở kết quả nghiên cứu về hằn lún vệt bánh xe (HLVBX) trên thế giới, kết quả khảo sát thực trạng có liên quan đến HLVBX trên một số tuyến đường điển hình của Việt Nam, bài báo bước đầu đánh giá hiện tượng, các nhân tố ảnh hưởng và thực trạng hư hỏng HLVBX trên mặt đường bê tông nhựa Việt Nam hiện nay và đề xuất các giải pháp cần thiết nhằm giảm thiểu HLVBX.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
HLVBX (xem ảnh trên) là hiện tượng bề mặt mặt đường bị lún xuống theo phương dọc tại vệt bánh xe trên mặt đường, biểu thị sự tích lũy liên tục của các biến dạng vĩnh cửu gia tăng dưới tác tác dụng của tải trọng lặp của bánh xe.
Trên thế giới, hiện tượng HLVBX mặt đường BTN khá phổ biến trên thế giới, và đã được thế giới quan tâm nghiên cứu, đưa ra các giải pháp khắc phục, bao gồm từ việc lựa chọn giải pháp thiết kế kết cấu mặt đường, thiết kế hỗn hợp BTN phù hợp; kiểm soát và nâng cao chất lượng vật liệu (đá dăm, cát, bột khoáng, nhựa đường) cho BTN; kiểm soát chất lượng lớp mặt đường BTN trong thi công.
Tại Việt Nam, ngoài những hư hỏng mặt đường BTN như biến dạng, xô, trượt, đẩy trồi; chảy nhựa; nứt vỡ, ổ gà…, những năm gần đây hiện tượng hằn lún vệ bánh xe (Rut depth) xuất hiện khá phổ biến, dẫn tớisự suy giảm chất lượng khai thác mặt đường, gây nguy hiểm cho xe chạy và gây bức xúc trong xã hội. Trước năm 2008 hầu như chưa có công trình nghiên cứu cụ thể nào về HLVBX do HLVBX hầu như không đáng kể. Hiện nay, mặc dù HLVBX xuất hiện nhiều, tuy nhiên việc nghiên cứu về HLVBX mới chỉ là bước đầu. Vì vậy việc nghiên cứu sâu về bản chất, nguyên nhân, giải pháp khắc phục HLVBX là cần thiết, dựa trên những những kết quả nghiên cứu HLVBX của thế giới cũng như những kết quả nghiên cứu, khảo sát trong phòng và hiện trường trên các công trình đường trong nước có HLVBX để đưa ra các giải pháp khắc phục phù hợp.
2. NHẬN DẠNG HLVBX
Kết cấu mặt đường BTN gồm nhiều lớp: các lớp BTN, các lớp móng và nền đường. dưới tác động của tải trọng lặp khi xe chạy, nhiệt độ môi trường cao, các lớp móng, mặt, nền đường không đủ khả năng chịu được tác động đó sẽ phát sinh biến dạng vĩnh cửu, dẫn tới xuất hiện HLVBX. Tùy thuộc vào cường độ, độ ổn định của các lớp kết cấu, HLVBX được phân thành các dạng sau: 1) HLVBX do lớp mặt BTN yếu; 2) HLVBX do móng, nền đường yếu; HLVBX do cà lớp mặt BTN, móng, nền đường yếu. Việc nhận dạng HLVBX là cơ sở để xem xét đánh giá nguyên nhân gây ra HLVBX và đưa ra biện pháp khắc phục phù hợp.
2.1. HLVBX do lớp mặt BTN yếu:
Hình 1
Nhận dạng: Mặt đường BTN bị hằn lún, nhưng đáy lớp BTN phẳng, không biến dạng (hình 1).
Nguyên nhân: Do hỗn hợp BTN có cường độ chịu cắt quá thấp, không đủ khả năng chịu được tác động của các tải trọng xe trùng phục, nhất là khi có nhiều xe nặng. Tuy nhiên, do lớp BTN đủ dày, chất lượng lớp móng, nền đường đảm bảo nên HLVBX không xuất hiện tại lớp phía dưới. Trường hợp này cũng xảy ra nếu HLVBX xuất hiện sớm (không quá một vài năm sau khi xây dựng xong), tác động của tải trọng trùng phục chưa đủ nhiều để HLVBX xuất hiện tại các lớp móng, nền đường.
2.2. HLVBX do lớp móng, nền đất yếu
Hình 2
Nhận dạng: lớp mặt đường BTN bị hằn lún, đáy lớp BTN bị biến dạng (hình 2).
Nguyên nhân: Nếu lớp mặt BTN đủ cường độ thì nguyên nhân chủ yếu là do chiều dầy lớp BTN quá mỏng, kết cấu mặt đường không chịu được tác động của tải trọng trùng phục, các lớp móng, nền đường bị biến dạng, dẫn tới mặt đường BTN bị biến dạng kéo theo, xuất hiện HLVBX (gọi là HLVBX kết cấu). Tuy nhiên vấn đề của chất lượng lớp móng, nền đường cũng là nguyên nhân gâyra hiện tượng này.
2.3. Do cả nền đất, móng và lớp mặt BTN yếu
Hình 3
Nhận dạng: cà lớp mặt BTN, lớp móng và nền đều bị biến dạng (hình 3).
Nguyên nhân: là tổ hợp của các nguyên nhân: do thiết kế kết cấu; do chất lượng của cả lớp mặt BTN, lớp móng và nền đường.
Theo kết quả nghiên cứu trong báo cáo NCHRP số 468, nguyên nhân HLVBX do lớp mặt BTN là chủ yếu (do sự nén chặt hỗn hợp và do từ biến), nguyên nhân do móng hoặc nền đường chỉ là thứ yếu. Nếu kết cấu mặt đường phù hợp thì HLVBX chủ yếu xuất hiện tại lớp mặt BTN với chiềusâu khoảng từ 7,5-10 cm.
3. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HLVBX
3.1. Ảnh hưởng của chất lượng BTN, móng, nền đường:
3.1.1. Chất lượng BTN:
a) Đá dăm (cốt liệu thô):
- Hàm lượng hạt dẹt: đá dăm có dạng hình khối lập phương có khả năng chèn móc với nhau tốt hơn so với loại đá có hàm lượng hạt dẹt lớn, dẫn tới BTN có cường độ, độ ổn định cao.
- Độ nhám bề mặt cốt liệu: cốt liệu có độ xù xì (độ nhám vi mô)sẽ dính bám tốt hơn với nhựa đường, tăng cường độ ma sát, khả năng chống cắt, tăng sức kháng trượt của BTN dưới tác động của tải trọng xe và nhiệt độ môi trường cao so với hạt cốt liệu tròn cạnh, bề mặt nhẵn.
- Dính bám đá - nhựa: cốt liệu có khả năng dính bám kém với nhựa đường sẽ dẫn tới liên kết đá-nhựa kém, khả năng chóng cắt của BTN kém, mặt đường dễ bị bong bật, hằn lún.
b) Cát (cốt liệu mịn):
- Thành phần hạt, độ bẩn, mô đun độ lớn ảnh hưởng đáng k đến chất lượng hỗn hợp BTN. Việc sử dụng cát bẩn, cát mịn,đá mạt không hợp chuẩn (có độ bẩn lớn, có chứa nhiều hạt mịn, không ổn định về thành phần hạt) của các cơ sở sản xuất đá dăm sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng hỗn hợp BTN, dẫn tới dễ xuất hiện HLVBX.
- Cát nghiền (cát xay) từ đá gốc được sản xuất tại các cơ sở công nghiệp có thành phần hạt ổn định, có khả năng dính bám đá - nhựa tốt hơn nhiều so với cát tự nhiên. Kết quả nghiên cứu cho thấy cát xay chế tạo BTN tăng khả năng kháng HLVBX đến 15% so với cát tự nhiên.
c) Bột khoáng:
Bột khoáng có vai trò làm tăng liên kết đá - nhựa, dẫn tới tăng khả năng chống cắt của BTN, cải thiện độ ổn định cường độ của BTN khi nhiệt độ cao. Việc quản lý khối lượng, chất lượng bột khoáng tại tmịn của cơ sở sản xuất đá dẫn tới chất lượng BTN không đảm bảo chất lượng, độ bẩn lớn, liên kết đá - nhựa kém sẽ ảnh hưởng tới khả năng kháng HLVBX. trạm trộn không tốt dẫn tới tỷ lệ bột khoáng trong hỗn hợp BTN thiếu, hoặc thay bột khoáng bằng hạt.
d) Hàm lượng nhựa:
Việc thiết kế hỗn hợp BTN để xác định được hàm lượng nhựa tối ưu là nhân tố quan trọng để hạn chế HLVBX cũng như các hư hỏng khác của mặt đường BTN (chảy nhựa, nứt mỏi…). Hàm lượng nhựa quá nhiều (thừa) là nguyên nhân gây ra HLVBX. Nhựa đường có hàm lượng Paraphin cao sẽ làm tăng độ hóa già của BTN, nhựa đường có mác không phù hợp với điều kiện nhiệt độ mội trường (độ kim lún lớn) sẽ làm tăng khả năng chảy nhựa, biến dạng khi nhiệt độ cao, tăng khả năng xuất hiện HLVBX. Nhựa polime có tính ổn nhiệt khi nhiệt độ cao, tăng khả năng liên kết đá nhựa, tăng cường độ BTN nên khả năng kháng HLVBX cao hơn so với BTN sử dụng nhựa đường thông thường.
f) Độ rỗng BTN:
- Độ rỗng (rỗng dư) BTN ảnh hưởng đáng kể đến khả năng xuất hiện HLVBX.
- Độ rỗng BTN khi thiết kế hỗn hợp đạt được giá trị khoảng 4%, sau khi lu lèn đạt được khoảng 6-7% là hợp lý. Độ rỗng BTN sau khi lu lèn dưới 3% dễ phát sinh HLVBX.
e) Chất lượng nhựa đường.
Mô phỏng nhựa đường có chất lượng tốt
3.1.2 Chất lượng lớp móng, nền đường:
- Chất lượng vật liệu lớp móng CPĐd (thỏa mãn quy định về cấp phối, lượng hạt dẹt, độ bẩn sét), chất lượng thi công (phương pháp rải, độ ẩm tối ưu, độ chặt lu lèn, công tác tưới thấm bám, dính bám) là cơ sở để tạo nên lớp móng đường đạt được độ chặt, cường độ yêu cầu, giảm thiểu khả năng biến dạng lún của lớp móng dưới tác động của tải trọng trùng phục và hạn chế được tác động của nước làm suy giảm cường độ kết cấu móng, dẫn tới xuất hiện HLVBX mặt đường.
- Móng đường bằng vật liệu đá gia cố nhựa, gia có xi măng, gia cố tổng hợp, có tính liền khối, cải thiện được cường độ, độ ổn định, tăng khả năng chống thấm nên có khả năng kháng HLVBX cao hơn so với móng rời.
- Chất lượng thi công lớp nền đường (vật liệu đất đắp, chiều dầy lu lèn, độ ẩm tối ưu phù hợp, độ chặt lu lèn) là cơ sở để tạo nên lớp nền đắp đạt được độ chặt, hạn chế được tác động của nước làm suy giảm cường độ kết nền đường, dẫn tới xuất hiện HLVBX mặt đường.
3.2. Ảnh hưởng của xe lưu thông trên đường
3.2.1. Lưu lượng xe, tải trọng xe: HLVBX tỷ lệ với lưu lượng xe(số lần tác dụng của tải trọng xe), độ lớn của tải trọng bánhxe (Eisenmann và Hilmer -1987, Brown và Cross -1989), được thể hiện qua quan hệ tại công thức (1) và hình 4.
Hình 4
3.2.2. Tốc độ xe chạy:
Tốc độ xe chạy trên đường có ảnh hưởng đáng kể đến hư hỏng HLVBX mặt đường, tốc độ xe càng thấp thì khả năng hư hỏng mặt đường (HLVBX) càng lớn. Kết quả nghiên cứu cho thấy, HLVBX lớn nhất khi xe chạy với tốc độ 20 km/h lớn gấp 2 lần so với HLVBX lớn nhất khi tốc độ xe chạy là 90 km/h. Vì vậy tại đoạn đường dừng xe, ùn xe, tại các nút giao sẽ có HLVBX lớn hơn so với đoạn đường xe lưu thông dễ dàng, xe chạy tốc độ cao.
3.3. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường
Khi nhiệt độ mặt đường tăng cao (nhất là vào mùa nóng), bê tông nhựa giảm cường độ, giảm khả năng kháng cắt dẫn tới HLVBX tăng; kết hợp với lưu lượng và tải trọng giao thông lớn dẫn tới tăng khả năng xuất hiện HLVBX trên mặt đường. Độ ẩm cao, mặt đường bị thấm nước cũng làm tăng nhanh quá trình hình thành HLVBX và gây phá huỷ kết cấu mặt đường.
3.4. Ảnh hưởng của công tác khảo sát thiết kế kết cấu mặt đường
Thiết kế kết cấu mặt đường là lựa chọn được kết cấu mặt đường hợp lý về cường độ, độ ổn định nhằm phục vụ cho việc lưu thông thuận tiện trong suốt quả trình khai thác. Trên cơ sở số liệu điều tra tải trọng trục xe, dự báo số tải trọng trục xe tính toán tại cuối thời kỳ tính toán để làm cơ sở tính toán kết cấu mặt đường, đưa ra kết cấu phù hợp. Việc khảo sát tải trọng trục, dự báo số tải trọng trục xe tính toán có độ tin cậy thấp, không phản ánh được tải trọng xe, lưu lượng xe thực tế sẽ chạy trên đường sẽ dẫn đến mặt đường hư hỏng sớm so với dự kiến, nhất là khi trên đường có lượng xe tải nặng vượt quá dự báo. Tại những vị trí đặc biệt (chỗ dừng xe, đoạn đường ra vào nút giao thông), do lượng xe ùn lớn, xe chạy với tốc độ thấp, do ảnh hưởng của lực hãm phanh, tăng tốc cần phải xem xét các yếu tố đặc thù này để đưa ra kết cấu phù hợp, hạn chế HLVBX.
4. ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG CÓ LIÊN QUAN ĐẾN HLVBX
Trong khoảng 3-5 năm trở lại đây, hư hỏng HLVBX trên mặt đường BTN đã xuất hiện ngày càng phổ biến tại Việt Nam, điển hình trên các dự án: Quốc lộ 1,Quốc lộ 3, Quốc lộ 5, đường dẫn cầu Thanh Trì, Đại lộ Đông - Tây… .
Việc xem xét đánh giá thực trạng, đưa ra những nội dung còn bất cập trong các khâu: khảo sát thiết kế kế cấu, quản lý chất lượng vật liệu (cốt liệu, bột khoáng, nhựa đường), thiết kế hỗn hợp BTN, thi công lớp BTN là cần thiết, làm cơ sở để đưa ra những biện pháp phù hợp, khắc phục những hư hỏng mặt đường BTN.