Nghiên cứu xác định thành phần vật liệu hợp lý lớp bê tông nhựa tạo nhám mặt đường cấp cao ở Việt Nam (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
--------------------------

NCS. Nguyễn Phước Minh

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VẬT LIỆU HỢP LÝ
LỚP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM MẶT ĐƯỜNG CẤP CAO
Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố
Mã số:
62.58.30.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1- PGS.TS.NGUT Trần Tuấn Hiệp
2- PGS.TS Vũ Đức Chính

TPHCM, 12/2013


-I-

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
------------------------

TpHCM, ngày

tháng 12 năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án

NCS. Nguyễn Phước Minh


-II-

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi
điều kiện giúp đỡ: Khoa Công trình; phòng Đào tạo Sau Đại học; bộ môn Đường
bộ; bộ môn Vật liệu xây dựng; Phòng thí nghiệm trọng điểm I; Phòng thí nghiệm
Trọng điểm Đường bộ III-Phía Nam-Viện khoa học công nghệ GTVT; Công ty
TNHH xây dựng và đầu tư BMT Bến Lức-Long An, Dĩ An-Bình Dương.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm PGS.TS.NGƯT Trần Tuấn Hiệp, PGS.TS.Vũ
Đức Chính, PGS.TS Bùi Xuân Cậy, GS.TS Phạm Duy Hữu, PGS.TS Trần Thị
Kim Đăng những người Thầy đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động
viên về chuyên môn và tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận
án, NCS cảm ơn TS. Nguyễn Quang Phúc giáo viên cùng bộ môn đã cung cấp
các thông tin, phần mềm mô phỏng.
Cảm ơn các thí nghiệm viên kinh nghiệm tại các phòng thí nghiệm Trọng
điểm I và III-Viện KHCN GTVT, nhân viên Công ty TNHH xây dựng và đầu tư

BMT, mỏ đá Phước Tân-Biên Hòa-Đồng Nai thuộc Công ty TNHH Hùng Vương
đã nhiệt tình cùng tôi tham gia và thực hiện các thí nghiệm trong phòng và hiện
trường vật liệu nghiên cứu.
Cảm ơn gia đình và các bạn bè đồng nghiệp, những người thân luôn ở bên
tôi để hỗ trợ.

TPHCM, 12/2013


-III-

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. II
MỤC LỤC ..................................................................................................................III
KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT........................................................................................ VI
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ VII
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................................. X

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề .................................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..............................................................................2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu..................................................2
5. Cấu trúc luận án.........................................................................................................4
Chương 1: TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA LỚP TẠO NHÁM ............................5
1.1 Cấu trúc và thành phần hỗn hợp của bê tông nhựa thông thường .............................5
1.2. Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám OGFCA.............................................8
1.2.1 Cốt liệu.............................................................................................................8
1.2.2 Chất liên kết ...................................................................................................10

1.3 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám mặt đường............................................................10
1.3.1 Khái niệm .......................................................................................................10
1.3.2 Ảnh hưởng của cốt liệu đến độ nhám mặt đường ............................................12
1.3.2.1 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô...................................................12
1.3.2.2 Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vĩ mô...................................................13
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng khác đến độ nhám mặt đường ......................................13
1.4 Tổng quan vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA...............................................16
1.4.1 Khái niệm về bê tông nhựa tạo nhám OGFCA ................................................16
1.4.2 Đặc điểm vật liệu bê tông nhựa tạo nhám OGFCA .........................................16
1.4.3 Phân tích và đánh giá tình hình sử dụng vật liệu OGFCA ở nước ngoài ..........18
1.4.3.1 Mỹ .........................................................................................................18
1.4.3.2 Châu Âu.................................................................................................23
1.4.3.3 Nam Phi .................................................................................................29
1.4.3.4 Úc ..........................................................................................................30
1.4.3.5 Châu Á...................................................................................................31
1.4.3.6 Tình hình sử dụng vật liệu BTN tạo nhám ở Việt Nam...........................34
1.5 Kết luận chương 1 .................................................................................................42


-IV-

Chương II: XÁC LẬP THÀNH PHẦN CÁC HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA LỚP
TẠO NHÁM PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................................44
2.1 Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám ...................................44
2.2 Lựa chọn thành phần cốt liệu .................................................................................45
2.2.1 Đặc trưng kỹ thuật yêu cầu cho cốt liệu ..........................................................45
2.2.2 Yêu cầu cốt liệu cho hỗn hợp OGFCA............................................................47
2.2.2.1 Kích cỡ hạt lớn nhất và loại hỗn hợp OGFCA........................................47
2.2.2.2 Thành phần vật liệu hỗn hợp ..................................................................47
2.2.2.3 Đặc điểm cấp phối cốt liệu .....................................................................48

2.2.2.4 Đề xuất các loại hỗn hợp cốt liệu cho OGFCA tại Việt Nam..................52
2.2.2.5 Lựa chọn cốt liệu cho thiết kế hỗn hợp...................................................54
2.3 Chất liên kết ..........................................................................................................55
2.4 Bột khoáng ............................................................................................................56
2.5 Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám .............................................57
2.5.1 Thiết kế thành phần hỗn hợp theo phương pháp Marshall ...............................57
2.5.1.1 Quy trình đúc mẫu hỗn hợp trong phòng thí nghiệm ..............................57
2.5.1.2 Máy móc và dụng cụ thí nghiệm ............................................................57
2.5.1.3 Trình tự đúc mẫu....................................................................................57
2.5.2 Thí nghiệm thành phần hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám .................................58
2.5.2.1 Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu và nhựa đường .......58
2.5.2.2 Tính tỷ lệ phối trộn các cốt liệu..............................................................58
2.5.2.3 Chuẩn bị mẫu hỗn hợp cốt liệu để đúc mẫu Marshall .............................59
2.5.2.4 Trộn cốt liệu với nhựa đường và đầm mẫu Marshall ..............................59
2.5.2.5 Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ lý mẫu thí nghiệm.......................62
2.5.2.6 Xác định hàm lượng nhựa tối ưu ...........................................................66
2.5.3 Xác lập thành phần các hỗn hợp và đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật....................71
2.6 Kết luận chương 2 .................................................................................................73
Chương III: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG CƠ LÝ
CÁC HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM VÀ LỰA CHỌN THÀNH
PHẦN VẬT LIỆU HỢP LÝ CỦA HỖN HỢP .........................................................75
3.1 Các loại hỗn hợp cấp phối đề xuất thí nghiệm........................................................75
3.2 Chuẩn bị vật liệu....................................................................................................77
3.3 Chế bị mẫu ............................................................................................................78
3.4 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý các mẫu thử ..........................78
3.4.1 Thực nghiệm xác định modul đàn hồi vật liệu.................................................78
3.4.2 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp ...........................................80


-V-

3.4.3 Thí nghiệm xác định hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp ..................................82
3.4.4 Thí nghiệm xác định hệ số thấm .....................................................................84
3.4.5 Thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro.....................................................87
3.4.6 Kiểm tra vệt hằn bánh xe vật liệu nghiên cứu..................................................89
3.4.6.1 Đặc điểm thử nghiệm vệt hằn bánh xe....................................................89
3.4.6.2 Mục đích của thử nghiệm vệt hằn lún bánh xe........................................91
3.4.6.3 Kết quả thử nghiệm................................................................................92
3.4.6.4 Độ rỗng dư còn lại .................................................................................94
3.5 Lựa chọn thành phần vật liệu hợp lý cho hỗn hợp ..................................................95
3.6 Kết luận chương 3 .................................................................................................96
Chương IV: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG KHAI
THÁC LỚP BÊ TÔNG NHỰA TẠO NHÁM MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ ......................98
4.1 Nghiên cứu một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng khai thác của lớp BTN tạo nhám ...... 98
4.1.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô ..........................99
4.1.2 Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước .............................101
4.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng màng nước đến điều kiện chạy xe........104
4.1.4 Nghiên cứu sự thay đổi độ nhám vĩ mô của mặt đường cao tốc theo thời gian ...109
4.1.5 Nghiên cứu hiệu quả tăng nhám bằng công nghệ phun rữa cao áp................110
4.2 Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng vật liệu bê tông nhựa tạo nhám..........113
4.2.1 Giải pháp kiểm tra sản xuất vật liệu bê tông nhựa tạo nhám tại trạm trộn......113
4.2.2 Giải pháp thi công lớp vật liệu bê tông nhựa nhám........................................114
4.2.3 Giải pháp giám sát, kiểm tra và nghiệm thu vật liệu bê tông nhựa tạo nhám ......115
4.2.4 Giải pháp quản lý khai thác vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám....................116
4.3 Kết luận chương 4 ...............................................................................................116
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................118
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO

-VI-

KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

Chữ viết
Nội dung tiếng Anh
tắt
ACFC Asphalt Concrete Friction Course
ACFC- Asphalt Concrete Friction CourseAR
Asphalt Rubber
Arizona Department of
ADOT
Transportation
American Society for Testing and

ASTM
Materials
BTNNC
BTNC
BTN
BTNP
California Department of
Caltrans
Transportation
DGAC Dense Graded Asphalt Concrete
DGHMA Dense Graded Hot Mix Asphalt
EN
European Standards
GDOT Georgia Department of Transportation
HMA
Hot Mix Asphalt
HLNTU

16

HWTD

17

ITS

18

NAPA

19

NCAT

20

OG

21

OGFCA

Open Graded Friction Course Asphalt

22
23
24
25
26

OGAC
ODOT
PA
TxDOT
VTO

Open Graded Asphalt Concrete
Oregon Department of Transportation
Porous Asphalt
Texas Department of Transportation

Very Thin Overlay

Hamburg Wheel Tracking Device
Indirect Tensle Strengh
National Asphalt Pavement
Association
National Center For Asphalt
Technology
Open Graded

Nội dung tiếng Việt
Bê tông nhựa lớp tạo nhám
Bê tông nhựa tạo nhám-nhựa
cao su
Sở Giao thông bang Arizona
Hiệp hội kiểm tra vật liệu
của Mỹ
Bê tông nhựa nhám cao
Bê tông nhựa chặt
Bê tông nhựa
Bê tông nhựa polime
Sở Giao thông bang
California
Bê tông nhựa chặt
Hỗn hợp nhựa nóng
Tiêu chuẩn Châu Âu
Sở giao thông bang Georgia
Hỗn hợp nhựa nóng
Hàm lượng nhựa tối ưu
Thiết bị kiểm tra vệt hằn

bánh xe
Cường độ chịu kéo gián tiếp
Hiệp hội mặt đường quốc
gia
Trung tâm kỹ thuật nhựa
đường quốc gia
Cấp phối hở
Bê tông nhựa lớp tạo nhám
cấp phối hở
Bê tông nhựa cấp phối hở
Sở giao thông bang Oregon
Bê tông nhựa rỗng
Sở giao thông bang Texas
Lớp rất mỏng


-VII-

DANH MỤC HÌNH VẼ
CHƯƠNG I
Hình 1.1: Cấu tạo thành phần bitum nhựa đường. ..........................................................7
Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của bitum nhựa đường. .......................................................7
Hình 1.3: Cấu trúc của hỗn hợp OGFCA. ......................................................................8
Hình 1.4: Đường cong cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa theo TCVN và của Mỹ..............9
Hình 1.5: Hình ảnh cấu trúc bề mặt bê tông nhựa chặt và bê tông nhựa cấp phối hở. .....9
Hình 1.6: Hình ảnh thể hiện cấu trúc nhám vĩ mô và vi mô mặt đường. .......................11
Hình 1.7: Hiệu ứng màng nước và vai trò của độ nhám vi mô. ....................................11
Hình 1.8: Hình ảnh các mẫu đá nghiền. .......................................................................12
Hình 1.9: Thiết bị thí nghiệm độ mài mòn LA. ............................................................13
Hình 1.10: Hình ảnh độ chảy nhựa do nhiệt độ hỗn hợp. .............................................14

Hình 1.11: Thi công lớp OGFCA tại bang California - Mỹ. .........................................22
Hình 1.12: Kết cấu mặt đường hai lớp BTN rỗng sử dụng trên tuyến cao tốc ở Hà Lan....25
Hình 1.13: Hình ảnh kết cấu áo đường hai lớp BTN rỗng ở Hà Lan.............................26
Hình 1.14: Hình ảnh sử dụng vật liệu OGFCA ở Nhật.................................................32

CHƯƠNG II
Hình 2.1: Kích cỡ cốt liệu lớn nhất cho bê tông nhựa lớp tạo nhám các nước. .............47
Hình 2.2: Thành phần cốt liệu trong hỗn hợp OGFCA các nước. .................................48
Hình 2.3: Các đường cong cấp phối của bê tông nhựa. ................................................48
Hình 2. 4: Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-A nghiên cứu. ......49
Hình 2.5:Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-B nghiên cứu. ........50
Hình 2.6: Đường cong cấp phối OGFCA các bang của Mỹ và OG-C nghiên cứu. .......50
Hình 2.7: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-A nghiên cứu........50
Hình 2.8: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-B nghiên cứu........51
Hình 2.9: Đường cong cấp phối OGFCA các nước Châu Á và OG-C nghiên cứu........51
Hình 2.10: Tỉ lệ thành phần cốt liệu và bột khoáng vật liệu OGFCA các nước ............51


-VIII-

Hình 2.11: Đường cong cấp phối OG nghiên cứu. .......................................................53
Hình 2.12: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-A. ........................................63
Hình 2.13: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-B. ........................................64
Hình 2.14: Biểu đồ đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-C. ........................................65
Hình 2.15: Biểu đồ xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp OG-A. ....................66
Hình 2.16: Biểu đồ xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp OG-B và OG-C. .....67
Hình 2.17: Độ ổn định Marshall của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng.................68
Hình 2.18: Độ dẻo Marshall của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng.......................68
Hình 2.19: Độ rỗng cốt liệu của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng. ......................68
Hình 2.20: Độ rỗng dư Va của vật liệu nghiên cứu và mẫu đối chứng. ........................69

Hình 2.21: Độ bền Marshall của các hỗn hợp nghiên cứu. ...........................................69
Hình 2.22: Độ dẻo Marshall của ba hỗn hợp nghiên cứu..............................................69
Hình 2.23: Độ ổn định còn lại của hỗn hợp nghiên cứu ở 600C so với 250C ban đầu....70
Hình 2.24: Độ rỗng dư của ba hỗn hợp nghiên cứu......................................................70
Hình 2.25: Trình tự xác lập thành phần các hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám..........72

CHƯƠNG III
Hình 3.1: Đường cong cấp phối đề xuất OG-A và mẫu đối chứng. ..............................76
Hình 3.2: Đường cong cấp phối đề xuất OG-B và mẫu đối chứng................................77
Hình 3.3: Đường cong cấp phối đề xuất OG-C và mẫu đối chứng................................77
Hình 3.4: Hình ảnh thí nghiệm xác định modul đàn hồi vật liệu nghiên cứu. ...............79
Hình 3.5: Kết quả thí nghiệm modul đàn hồi của ba hỗn hợp nghiên cứu.....................80
Hình 3.6: Sơ đồ đặt mẫu và thí nghiệm kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp. .............81
Hình 3.7: Kết quả kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp ở 250C...................................83
Hình 3.8: Kết quả kiểm tra cường độ chịu kéo gián tiếp ở 600C..................................83
Hình 3.9: Hệ số cường độ chịu kéo gían tiếp của các hỗn hợp nghiên cứu ...................83
Hình 3.10: Thiết bị kiểm tra thấm nước phòng thí nghiệm. ..........................................84
Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ độ rỗng Va và hệ số thấm nước Kv của ba hỗn hợp. .........86
Hình 3.12: Biểu đồ hệ số thấm nước Kv của các vật liệu đề xuất. .................................86


-IX-

Hình 3.13: Hình ảnh mẫu vật liệu trước và sau khi bị mài mòn trong thùng quay. .......87
Hình 3.14: Quan hệ độ mài mòn Cantabro-độ rỗng dư theo hàm lượng nhựa...............88
Hình 3.15: Tổng hợp độ mài mòn Cantabro của ba hỗn hợp nghiên cứu. .....................89
Hình 3.16: Máy đo vệt hằn lún bánh xe và thiết bị đầm mẫu........................................90
Hình 3.17: Phân tích quá trình hình thành vệt lún bánh xe và mẫu phá hoại.................91
Hình 3.18: Mẫu OG-A, OG-B và OG-C đã chế bị xong...............................................92
Hình 3.19 (a,b): Kiểm tra vệt lún bánh xe của OG-A. ..................................................93

Hình 3. 20 (a,b): Kiểm tra vệt lún bánh xe của OG-B và OG-C chiều dày 4cm và 5cm....93
Hình 3. 21: Chiều sâu vệt lún với lớp OG-A h=5cm. ...................................................94

CHƯƠNG IV
Hình 4.1: Thí nghiệm trong phòng kiệm tra quan hệ Htb và Va. ..................................99
Hình 4.2: Đồ thị quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô thí nghiệm trong phòng. .....99
Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô tại hiện trường...........100
Hình 4.4: Kiểm tra khả năng thấm nước trên mặt đường nhám. .................................102
Hình 4.5: Quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước....................................................103
Hình 4.6: Mô phỏng hiệu ứng màng nước và hiện tượng bắn nước sau bánh xe.........104
Hình 4.7: Công tác chuẩn bị thí nghiệm và đo chiều dài vệt hãm xe khi mặt đường khô
trên tuyến cao tốc Thành phố HCM - Long Thành - Dầu Dây....................................106
Hình 4.8: Công tác chuẩn bị thí nghiệm và đo chiều dài hãm xe trên mặt đường ướt......106
Hình 4.9: Biểu đồ quan hệ giữa chiều dài hãm xe với áp lực hơi, tốc độ xe thay đổi..107
Hình 4.10: Quan hệ chiều dài hãm xe trên mặt đường khô với áp lực hơi, tốc độ xe thay
đổi trên mặt đường ướt. .............................................................................................107
Hình 4.11: Hệ số bám của bánh xe với mặt đường ở trạng thái khô và ướt.................108
Hình 4.12: Công tác đảm bảo giao thông và đo nhám vĩ mô trên tuyến cao tốc..........109
Hình 4. 13: Kết quả khảo sát độ nhám vĩ mô tại lý trình Km37+550÷Km38+150......109
Hình 4.14: Kết quả khảo sát độ nhám vĩ mô tại lý trình Km38+150÷Km38+850.......109
Hình 4.15: Hình ảnh đo nhám trước và sau khi thổi khí nén.......................................110
Hình 4.16: Kiểm tra độ nhám trước a/ và sau khi phun rữa cao áp b/. ........................111
Hình 4.17: Kết quả giá trị độ nhám vĩ mô sau khi phun rửa cao áp. ...........................111


-X-

DANH MỤC CÁC BẢNG
CHƯƠNG I
Bảng 1.1: Cấp phối tiêu chuẩn OGFCA ở bang Washington-Mỹ .................................19

Bảng 1.2: Tiêu chuẩn cấp phối cốt liệu OGFCA của bang Arizona-Mỹ .......................20
Bảng 1.3: Thành phần cấp phối tiêu chuẩn hỗn hợp OGFCA của ODOT.....................20
Bảng 1.4: Qui định cấp phối sử dụng cho OGFCA của bang California-Mỹ ................21
Bảng 1.5: Thành phần cấp phối tiêu chuẩn cho OGFCA bang Georgia -Mỹ ................22
Bảng 1.6: Chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu thiết kế thành phần vật liệu OGFCA ....................23
Bảng 1.7: Thành phần vật liệu hai lớp OGFCA của Châu Âu .....................................25
Bảng 1.8: Thành phần cấp phối vật liệu OGFCA theo tiêu chuẩn ................................27
Bảng 1.9: Thành phần cấp phối cốt liệu OGFCA theo tiêu chuẩn của Anh ..................27
Bảng 1.10: Thành phần cấp phối OGFCA theo tiêu chuẩn của Nam Phi......................29
Bảng 1.11: Thành phần cấp phối cốt liệu OGFCA theo tiêu chuẩn của Úc...................30
Bảng 1.12: Thành phần cấp phối OGFCA theo tiêu chuẩn của Malaixia......................31
Bảng 1.13: Thành phần cấp phối cốt liệu của OGFCA theo tiêu chuẩn ........................32
Bảng 1.14: Yêu cầu vật liệu và qui định kỹ thuật giới hạn của OGFCA các nước. .......33
Bảng 1.15: Phương pháp thiết kế và các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của OGFCA...........34
Bảng 1.16: Kết quả thí nghiệm nhựa đường polime TPS. ............................................35
Bảng 1.17: Kết quả thí nghiệm cốt liệu thô. .................................................................36
Bảng 1. 18: Kết quả thí nghiệm cốt liệu mịn. ...............................................................36
Bảng 1.19: Kết quả thí nghiệm bột khoáng. .................................................................36
Bảng 1.20: Kết quả thiết kế thành phần cấp phối BTNR.13 .........................................37
Bảng 1.21: Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý BTNR.13.........................................37
Bảng 1.25: Thành phấn cấp phối cốt liệu của BTN Novachip. .....................................38
Bảng 1.26: Yêu cầu về các chỉ tiêu kỹ thuật của BTN Novachip .................................38
Bảng 1.27: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho đá dăm. .....................................................39
Bảng 1.28: Tiêu chuẩn nghiệm thu độ nhám mặt đường. .............................................39
Bảng 1.29: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho cát xay.......................................................39


-XI-

Bảng 1.30: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho bột khoáng. ...............................................40

Bảng 1.31: Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu của BTNNC. ..................................40
Bảng 1.32: Yêu cầu các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNNC.................................................41
Bảng 1.33: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho đá dăm. .....................................................41
Bảng 1.34: Các chỉ tiêu cơ lý qui định cho cát xay.......................................................41

CHƯƠNG II
Bảng 2.1: So sánh tỉ lệ cốt liệu trong các hỗn hợp bê tông nhựa. .................................49
Bảng 2.2: Cấp phối vật liệu OGFCA đề xuất nghiên cứu tại Việt nam.........................53
Bảng 2.3: Qui định chỉ tiêu cơ lý cốt liệu thô cho bê tông nhựa nhám [18][19]............54
Bảng 2.4: Qui định chỉ tiêu cơ lý của cát xay cho bê tông nhựa nhám [21]. .................54
Bảng 2.5: Kết quả kiểm tra nhựa đường polime PmB-I [18] ........................................55
Bảng 2.6: Thành phần hạt qui định cho bột khoáng [21]. .............................................56
Bảng 2.7: Kết quả kiểm tra cốt liệu và bột khoáng.......................................................56
Bảng 2.8: Hàm lượng nhựa dự đoán cần thiết cho ba cấp phối đề xuất.........................60
Bảng 2.9: Khối lượng mẫu thí nghiệm xác định hàm lượng nhựa tối ưu ......................61
Bảng 2.10: Đề xuất các thông số nung và trộn hỗn hợp vật liệu thí nghiệm. ................61
Bảng 2.11: Giá trị các đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-A.....................................63
Bảng 2.12: Chiều dày màng nhựa và độ chảy nhựa của hỗn hợp OG-A. ......................63
Bảng 2.13: Giá trị các đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-B.....................................64
Bảng 2.14: Chiều dày màng nhựa và độ chảy nhựa của hỗn hợp OG-B. ......................64
Bảng 2.15: Giá trị các đặc trưng kỹ thuật của mẫu đầm OG-C.....................................65
Bảng 2.16: Chiều dày màng nhựa và độ chảy nhựa của hỗn hợp OG-C. ......................65
Bảng 2.17: Đề xuất giá trị kỹ thuật giới hạn cho hỗn hợp nghiên cứu [21],[23]. ..........66
Bảng 2.18: Hàm lượng nhựa tối ưu cho ba hỗn hợp đề xuất.........................................67
Bảng 2.19: Tổng hợp kết quả và lựa chọn loại cấp phối đề xuất...................................70
Bảng 2.20: Xác lập thành phần các hỗn hợp cấp phối phục vụ nghiên cứu...................73
Bảng 2.21: Đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu cho hỗn hợp bê tông nhựa tạo nhám.....73


-XII-

CHƯƠNG III
Bảng 3.1: Đề xuất cấp phối và loại nhựa nghiên cứu. ..................................................76
Bảng 3.2: Thành phần cốt liệu ba cấp phối đề xuất nghiên cứu và đối chứng...............76
Bảng 3.3: Tổng hợp số lượng mẫu yêu cầu thí nghiệm. ...............................................78
Bảng 3.4: Kết quả kiểm tra vệt hằn bánh xe với chiều dày khác nhau ..........................94
Bảng 3.5: Tổng hợp kết quả kiểm tra đặc trưng cơ-lý của ba hỗn hợp nghiên cứu. ......95
Bảng 3.6: Thành phần vật liệu hợp lý cho bê tông nhựa lớp tạo nhám được lựa chọn.......96

CHƯƠNG IV
Bảng 4. 1: Kết quả thí nghiệm độ rỗng dư và chiều sâu rắc cát trong phòng. .............100
Bảng 4. 2: Kết quả kiểm tra độ nhám vĩ mô và độ rỗng dư tại hiện trường.................101
Bảng 4.3: Phân bố cường độ mưa tại các tỉnh Phía Nam. ...........................................103
Bảng 4.4: Quan hệ giữa độ rỗng dư và độ hút nước bề mặt........................................103
Bảng 4.5: Quan hệ áp lực hơi bánh xe, tốc độ xe và tỉ số chiều dài hãm phanh ..........106
Bảng 4.6: Quan hệ tốc độ xe và tỉ số chiều dài hãm phanh mặt đường ướt và khô. ....107
Bảng 4.7: Hệ số bám φ giữa bánh xe và mặt đường ở trạng thái khô và ướt...............108
Bảng 4.8:Kết quả kiểm tra độ nhám vĩ mô trước khi phun rữa cao áp. .......................112
Bảng 4.9: Kết quả kiểm tra độ nhám vĩ mô sau khi phun rữa cao áp. .........................112

-------------------------------------


1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Để 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.
Theo qui hoạch, đến năm 2020 hệ thống đường cao tốc của Việt Nam sẽ phủ

khắp cả nước với chiều dài xấp xỉ 6000km. Hiện tại một số tuyến cao tốc huyết mạch
như: Hà nội-Ninh Bình, Hà Nội-Lào Cai, Hà Nội-Hải Phòng, Sài Gòn-Trung Lương,
Thành phố HCM-Long Thành-Dầu Dây đã và đang được triển khai xây dựng, khai thác.
Đường cao tốc cho phép xe chạy với tốc độ trên 80km/h; với tốc độ như vậy, để
đảm bảo an toàn xe chạy, mặt đường yêu cầu phải đạt được chất lượng khai thác cao
như: độ nhám cao; độ bằng phẳng, độ ráo nước; trong đó độ nhám mặt đường là một
yếu tố đặc biệt quan trọng.
Tại các nước phát triển, người ta xây dựng lớp phủ mặt đường cao tốc bằng bê
tông nhựa rỗng có độ nhám cao, lớp vật liệu này yêu cầu phải được thiết kế, chế tạo, thi
công bằng công nghệ đặc biệt, đắt tiền.
Ở Việt Nam, lớp phủ bê tông nhựa tạo nhám đã được áp dụng trên một số đường
cao tốc, tuy nhiên mới ở mức độ thử nghiệm, chi phí cao và bị lệ thuộc vào công nghệ
ngoại nhập.
Trong tương lai với yêu cầu phát triển hệ thống đường cao tốc, đường cấp cao
tới hàng vạn kilomet thì một yêu cầu bức thiết đặt ra là làm sao để có thể làm chủ công
nghệ sản xuất lớp phủ mặt đường bằng vật liệu bê tông nhựa nhám ? Đây thực sự là
một yêu cầu hết sức cấp thiết, một đòi hỏi, một thách thức gay gắt đối với những người
làm đường Việt Nam.
Muốn làm chủ công nghệ sản xuất vật liệu bê tông nhựa tạo nhám, trước hết phải
nghiên cứu xác định được thành phần vật liệu hợp lý của lớp bê tông nhựa tạo nhám để
vừa đạt được độ rỗng cần thiết, độ bền, độ nhám yêu cầu, phù hợp với điều kiện cụ thể
của Việt Nam. Đề tài luận án “Nghiên cứu xác định thành phần vật liệu hợp lý lớp bê


2

tông nhựa tạo nhám mặt đườngcấp cao ở Việt Nam ” chính là nhằm giải quyết vấn đề
khoa học và thực tiễn đặc biệt cấp thiết đó.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án đó là xác định được thành phần vật liệu hợp lý

lớp bê tông nhựa tạo nhám mặt đường cấp cao ở Việt Nam; với thành phần cấp phối
cốt liệu dạng cấp phối hở (Open Graded), độ rỗng dư thiết kế từ 16%÷18%; đồng thời
đưa ra các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu của vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám; từ đó có thể
làm chủ công nghệ thiết kế; sản xuất; thi công và đề xuất các giải pháp nâng cao chất
lượng khai thác vật liệu bê tông lớp tạo nhám mặt đường ô tô tại Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám có độ
rỗng cao với thành phần cốt liệu dạng cấp phối hở.
 Phạm vi nghiên cứu:
+ Nghiên cứu vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám đó là kết hợp lý thuyết xây
dựng đường ô tô, kinh nghiệm sử dụng vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám
ở các nước trên thế giới và tại Việt Nam; điều tra phân tích, đánh giá hiện
trạng mặt đường ô tô, vật liệu địa phương, điều kiện địa lý tự nhiên và khí
hậu khu vực phía Nam;
+ Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường từ đó đề xuất thành
phần hợp lý của bê tông nhựa lớp tạo nhám và các khía cạnh liên quan;
+ Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng khai thác lớp bê
tông nhựa lớp tạo nhám mặt đường ô tô.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Luận án nghiên cứu đã đưa ra được các vấn đề với các nội dung có ý nghĩa bao gồm:
 Ý nghĩa khoa học
4.1 Xác lập các thành phần hỗn hợp với yêu cầu kỹ thuật đặc trưng vật liệu hỗn hợp và
qui định kỹ thuật cho vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám;


3

4.2 Lựa chọn thành phần vật liệu hợp lý hỗn hợp cho bê tông nhựa lớp tạo nhám mặt
đường ô tô; trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của các hỗn
hợp bê tông nhựa tạo nhám;

4.3 Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng khai thác lớp vật liệu bê tông nhựa tạo
nhám mặt đường ô tô với các nội dung sau:
 Nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa độ rỗng dư và độ nhám vĩ mô của lớp phủ
bê tông nhựa lớp tạo nhám;
 Nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa độ nhám vĩ mô của lớp phủ bê tông nhựa
tạo nhám và độ hút nước;
 Nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng màng nước đến điều kiện chạy xe;
 Nghiên cứu xác định sự thay đổi độ nhám vĩ mô theo thời gian của mặt đường
nhám một số tuyến cao tốc ở phía Nam;
 Nghiên cứu xác định hiệu quả tăng nhám vĩ mô và độ hút nước của mặt đường bê
tông nhựa tạo nhám bằng công nghệ phun rửa cao áp;
 Nghiên cứu thiết lập và đề xuất chế độ kiểm tra bảo dưỡng định kỳ mặt đường tạo
nhám của mặt đường cấp cao;
 Nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng khai thác vật liệu bê tông
nhựa tạo nhám trên tất cả các khâu: sản xuất; thi công; kiểm tra giám sát; nghiệm
thu chất lượng; duy tu-bão dưỡng vật liệu bê tông nhựa tạo nhám.
 Ý nghĩa thực tiễn
 Luận án nghiên cứu đã tổng quan xem xét vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám trên
các tuyến cao tốc của các nước và tại Việt nam đã sử dụng;
 Xây dựng được trình tự các bước thiết kế, phương pháp xác định thành phần hợp lý
bê tông nhựa lớp tạo nhám mặt đường ô tô phù hợp với điều kiện khai thác tại Việt
Nam.
 Xây dựng các phương pháp thực nghiệm đánh giá chỉ tiêu cơ lý vật liệu bê tông
nhựa lớp tạo nhám; yêu cầu kỹ thuật giới hạn của vật liệu phục vụ cho việc thiết kế
thành phần vật liệu bê tông nhựa nhám;
 Đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng khai thác vật liệu lớp phủ bê tông nhựa
tạo nhám cho các tuyến đường cấp cao khu vực Phía nam.


4

5. Cấu trúc luận án
Cấu trúc luận án bao gồm các chương sau:
+ Chương I: Tổng quan bê tông nhựa lớp tạo nhám.
+ Chương II: Xác lập thành phần các hỗn hợp bê tông nhựa lớp tạo nhám phục vụ
nghiên cứu thực nghiệm
+ Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý của các hỗn hợp bê tông
nhựa tạo nhám và lựa chọn thành phần vật liệu hợp lý của hỗn hợp.
+ Chương IV: Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng khai thác lớp vật liệu bê tông
nhựa tạo nhám mặt đường ô tô.

*********


5

Chương 1: TỔNG QUAN BÊ TÔNG NHỰA LỚP TẠO NHÁM
Nghiên cứu tổng quan bê tông nhựa lớp tạo nhám mặt đường ô tô cấp cao hay đường
cao tốc bao gồm các nội dung chính sau:
1) Xem xét cấu trúc và thành phần vật liệu hỗn hợp BTN truyền thống và BTN lớp
tạo nhám;
2) Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám vi mô-vĩ mô và khả năng duy trì
độ nhám theo thời gian;
3) Xem xét các loại hỗn hợp bê tông nhựa với đặc trưng độ rỗng dư và thành phần
cấp phối cốt liệu yêu cầu;
4) Tình hình sử dụng vật liệu bê tông nhựa lớp tạo nhám của các nước trên thế giới
và tại Việt Nam.
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan vật liệu bê tông nhựa truyền thống và bê tông
nhựa lớp tạo nhám trong nước và thế giới; từ đó đề xuất các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu
đối với cốt liệu, thành phần hỗn hợp và chỉ tiêu kỹ thuật giới hạn của vật liệu bê tông

nhựa lớp tạo nhám phục vụ cho công tác nghiên cứu.
1.1 Cấu trúc và thành phần hỗn hợp của bê tông nhựa thông thường
a-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


6

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.
b-Thành phần hỗn hợp bê tông nhựa [4],[7],[11]
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.


7

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 [2],[4],[6],[43],[57]: 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.

Hình 1.1: Cấu tạo thành phần bitum nhựa đường.
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.

Hình 1.2: Cấu trúc hóa học của bitum nhựa đường.


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full