Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu stone mastic asphalt đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LÊ THANH HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẬT LIỆU STONE MASTIC
ASPHALT ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE
VÀ CHỐNG NỨT MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG ASPHALT
TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - NĂM 2021


ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

LÊ THANH HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA VẬT LIỆU STONE MASTIC
ASPHALT ĐẾN KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE
VÀ CHỐNG NỨT MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG ASPHALT

TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

Chun ngành:
Mã số:

Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông
9 58 02 05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS. Phạm Cao Thăng
2. PGS.TS. Nguyễn Hoàng Long

HÀ NỘI - NĂM 2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.

TẬP THỂ HƢỚNG DẪN
Ngƣời hƣớng dẫn 1

Hà Nội, tháng

Ngƣời hƣớng dẫn 2

GS.TS. Phạm Cao Thăng PGS.TS. Nguyễn Hoàng Long

năm 2021

Nghiên cứu sinh

Lê Thanh Hải


ii

LỜI CÁM ƠN
Trong thời khắc vinh dự và quan trọng với cá nhân, từ đáy lịng mình
với tất cả sự chân thành, NCS xin được nói lời tri ân sâu sắc đến GS.TS.
Phạm Cao Thăng và PGS.TS. Nguyễn Hoàng Long - những người Thầy đã
tận tình hướng dẫn, định hướng khoa học và giúp đỡ tơi trong suốt q trình
học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án.
NCS xin gửi lời cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám đốc Học viện Kỹ thuật
Quân sự, Phòng Sau đại học, Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt, Bộ mơn Cầu
đường Sân bay đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho NCS trong suốt q trình
học tập và hồn thành luận án.
NCS xin bày tỏ lòng biết ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu trường Đại
học Cơng nghệ GTVT, Phịng KHCN&HTQT, Khoa Cơng trình, Trung tâm
thí nghiệm Đường bộ cao tốc, Phịng thí nghiệm LAS-XD72, Phịng thí
nghiệm Vật liệu xây dựng - Trường Đại học GTVT, các bạn đồng nghiệp, các
TS-NCS nước ngoài, đặc biệt là PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc, TS. Nguyễn
Ngọc Lân và ThS. Vũ Thế Thuần đã tận tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu, số
liệu, vật liệu và tạo điều kiện trong q trình thí nghiệm, giúp NCS hồn
thành luận án này.

NCS xin chân thành cảm ơn thầy chủ tịch, các thầy/cô trong hội đồng
chấm luận án, các chuyên gia trong lĩnh vực đường bộ, vật liệu đã cho NCS
những đóng góp q báu trong q trình thực hiện luận án này.
Cho phép NCS chân thành cảm tạ và bày tỏ lòng biết ơn tới bố mẹ hai
bên, vợ, con cùng những người thân yêu trong gia đình, anh em, bạn bè, đồng
nghiệp đã luôn đồng hành, dành cho tôi rất nhiều sự giúp đỡ, động viên, khích
lệ trong quá trình học tập, nghiên cứu.
NCS sẽ ln khắc ghi trong lịng những tình cảm và cơng lao ấy.
Nghiên cứu sinh

Lê Thanh Hải


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................. x
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ............................................................ xii
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................... xv
MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ STONE MASTIC ASPHALT, HƢ
HỎNG LÚN VỆT BÁNH XE VÀ NỨT LỚP MẶT ĐƢỜNG BÊ
TÔNG NHỰA ........................................................................................ 3
1.1. Tổng quan về Stone Mastic Asphalt ................................................... 3
1.1.1. Khái niệm Stone Mastic Asphalt .................................................... 3
1.1.2. Ứng dụng SMA trên thế giới .......................................................... 4
1.1.2.1. SMA tại Mỹ .............................................................................. 4

1.1.2.2. SMA tại châu Âu ...................................................................... 5
1.1.2.3. SMA tại Úc ............................................................................... 8
1.1.2.4. SMA tại New Zealand .............................................................. 9
1.1.2.5. SMA tại Trung Quốc .............................................................. 10
1.1.2.6. SMA cho mặt đường sân bay ................................................. 11
1.1.2.7. SMA cho mặt cầu ................................................................... 12
1.1.2.8. Bảng tổng hợp các yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp SMA sử
dụng trên thế giới ............................................................................................ 14
1.1.2.9. Các kết quả nghiên cứu khác về SMA trên thế giới ............... 15
1.1.3. Ứng dụng SMA ở Việt Nam ......................................................... 16
1.1.3.1. Sử dụng hỗn hợp SMA cho mặt cầu Thăng Long .................. 16
1.1.3.2. Sử dụng hỗn hợp SMA cho mặt cầu Thuận Phước ................ 16
1.1.3.3. Sử dụng hỗn hợp SMA cho mặt cầu Cần Thơ ........................ 17
1.1.3.4. Các kết quả nghiên cứu khác về SMA ở Việt Nam ................ 17
1.1.4. Các ưu điểm của hỗn hợp SMA .................................................... 18
1.2. Một số nhận xét về kết quả nghiên cứu tổng quan SMA ............... 20
1.2.1. Ứng dụng SMA trên thế giới ........................................................ 20
1.2.1.1. Thành phần vật liệu chế tạo ................................................... 20


iv
1.2.1.2. Cấp phối ................................................................................. 20
1.2.1.3. Yêu cầu kỹ thuật ..................................................................... 21
1.2.2. Ứng dụng SMA ở Việt Nam ......................................................... 21
1.2.2.1. Thành phần vật liệu chế tạo ................................................... 21
1.2.2.2. Cấp phối ................................................................................. 22
1.2.2.3. Yêu cầu kỹ thuật ..................................................................... 22
1.3. Thực trạng LVBX trên mặt đƣờng BTN ở Việt Nam và trên thế
giới .............................................................................................................. 22
1.3.1. Thực trạng LVBX mặt đường mềm ô tô ở Việt Nam................... 22

1.3.2. Thực trạng LVBX mặt đường mềm ô tô trên thế giới .................. 23
1.4. Các nguyên nhân gây biến dạng xô dồn, lún lớp BTN mặt đƣờng 24
1.4.1. Điều kiện nhiệt độ tại Việt Nam ................................................... 24
1.4.2. Yếu tố vật liệu, thành phần cấp phối ............................................ 25
1.4.3. Điều kiện khai thác ....................................................................... 27
1.5. Các biện pháp hạn chế LVBX trên thế giới và ở Việt Nam ........... 28
1.5.1. Các biện pháp hạn chế LVBX trên thế giới .................................. 28
1.5.1.1. Giải pháp về vật liệu .............................................................. 28
1.5.1.2. Một số giải pháp sử dụng phụ gia với chất kết dính nhựa
đường............................................................................................................... 30
1.5.1.3. Giải pháp hồn thiện kết cấu phối hợp sử dụng vật liệu cải
thiện ................................................................................................................. 31
1.5.2. Các biện pháp khắc phục hạn chế LVBX tại Việt Nam ............... 32
1.5.2.1. Ban hành các Quyết định liên quan đến kiểm soát LVBX ..... 32
1.5.2.2. Kiểm soát tải trọng xe ............................................................ 33
1.5.2.3. Các nghiên cứu khác về giải pháp khắc phục LVBX ở Việt
Nam ................................................................................................................. 33
1.6. Các phƣơng pháp dự báo LVBX ...................................................... 34
1.6.1. Phương pháp của Liên Bang Nga ................................................. 35
1.6.2. Phương pháp cơ học thực nghiệm của Mỹ ................................... 38
1.7. Hƣ hỏng nứt trên mặt đƣờng BTN................................................... 39
1.7.1. Khái niệm ...................................................................................... 39
1.7.2. Thí nghiệm kháng nứt của hỗn hợp BTN trên thế giới................. 41
1.7.3. Thí nghiệm kháng nứt của hỗn hợp BTN ở Việt Nam ................. 43
1.8. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .................................................... 43


v
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN VẬT LIỆU, PHƢƠNG
PHÁP THIẾT KẾ HỖN HỢP STONE MASTIC ASPHALT ĐỂ HẠN

CHẾ LÚN VỆT BÁNH XE VÀ NỨT MẶT ĐƢỜNG BÊ TÔNG
NHỰA .................................................................................................. 45
2.1. Nghiên cứu thành phần vật liệu của hỗn hợp SMA........................ 45
2.1.1. Bộ khung cốt liệu của hỗn hợp SMA............................................ 45
2.1.2. Sự hình thành khung cốt liệu thơ .................................................. 46
2.1.3. Các tính chất liên quan đến đặc tính thể tích của hỗn hợp SMA.. 47
2.1.3.1. Độ rỗng dư (Va) của hỗn hợp SMA........................................ 47
2.1.3.2. Độ rỗng hỗn hợp vật liệu khoáng (VMA) của hỗn hợp SMA 48
2.1.3.3. Độ rỗng lấp đầy bitum (VFA) của hỗn hợp SMA .................. 49
2.1.3.4. Độ rỗng cốt liệu thô trong hỗn hợp SMA sau khi đầm .......... 50
2.1.4. Ảnh hưởng của cốt liệu đến chất lượng hỗn hợp SMA ................ 54
2.1.5. Thành phần và cấp phối của hỗn hợp SMA.................................. 55
2.1.6. Cốt liệu lớn trong hỗn hợp SMA .................................................. 57
2.1.7. Mastic ............................................................................................ 58
2.2. Phƣơng pháp thiết kế hỗn hợp SMA................................................ 64
2.3. Trình tự thiết kế hỗn hợp SMA ........................................................ 65
2.4. Khả năng chống nứt của hỗn hợp SMA........................................... 66
2.5. Phƣơng pháp thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của vật liệu
BTN - theo tiêu chuẩn ASTM D8225 - 19 thông qua chỉ số CTIndex ......... 67
2.5.1. Mơ tả thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của vật liệu BTN
(IDEAL-CT) .................................................................................................... 67
2.5.2. Điểm quyết định để tính tốn chỉ số CTIndex ................................. 68
2.5.3. Cơng thức tính CTIndex ................................................................... 69
2.5.4. Quy trình thí nghiệm ..................................................................... 70
2.6. Phân tích tác động của tải trọng đến biến dạng LVBX lớp BTN
mặt đƣờng ...................................................................................................... 71
2.6.1. Sơ đồ tác dụng của tải trọng.......................................................... 71
2.6.2. Phân loại biến dạng lún ................................................................. 72
2.7. Cấu trúc và cƣờng độ kháng cắt của hỗn hợp BTN ....................... 73
2.7.1. Cấu trúc của hỗn hợp BTN ........................................................... 73

2.7.2. Bộ khung cốt liệu của hỗn hợp BTN ............................................ 73
2.7.3. Cường độ kháng cắt của BTN....................................................... 75


vi
2.7.3.1. Thành phần lực nội ma sát .................................................... 75
2.7.3.2. Thành phần lực dính .............................................................. 75
2.8. Nghiên cứu lựa chọn giải pháp tăng sức kháng cắt cho BTN áp
dụng trong điều kiện Việt Nam .................................................................... 76
2.8.1. Giải pháp tăng hệ số nội ma sát .................................................... 76
2.8.2. Giải pháp tăng lực dính ................................................................. 78
2.8.3. Lựa chọn phương pháp thí nghiệm xác định cường độ kháng cắt
của hỗn hợp BTN ............................................................................................ 80
2.8.3.1. Thí nghiệm cắt động............................................................... 80
2.8.3.2. Thí nghiệm xác định lực dính bằng cắt phẳng Leutner ......... 80
2.8.3.3. Phương pháp thí nghiệm xác định góc nội ma sát φ và lực
dính đơn vị C theo Tiêu chuẩn Liên Bang Nga ............................................... 80
2.9. Kết luận chƣơng 2 .............................................................................. 82
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÀNH
PHẦN CỐT LIỆU, CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP STONE
MASTIC ASPHALT TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM ................... 84
3.1. Lựa chọn thành phần vật liệu và kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật .. 84
3.1.1. Cốt liệu thơ, cốt liệu mịn và bột khống ....................................... 84
3.1.2. Chất kết dính ................................................................................. 84
3.1.3. Chất ổn định .................................................................................. 85
3.1.4. Phụ gia sasobit .............................................................................. 85
3.2. Thiết kế thành phần cấp phối các loại BTN .................................... 86
3.3. Thiết kế thí nghiệm và trình tự phân tích thống kê xử lý số liệu .. 87
3.3.1. Thiết kế thí nghiệm ....................................................................... 87
3.3.2. Loại bỏ số liệu ngoại lai và đánh giá độ chụm ............................. 88

3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm hàm lƣợng sợi, và hàm lƣợng nhựa
sử dụng trong hỗn hợp SMA ........................................................................ 88
3.4.1. Kết quả phân tích độ rỗng dư ........................................................ 89
3.4.2. Phân tích độ ổn định Marshall (S) ................................................ 90
3.4.3. Phân tích độ dẻo Marshall (F)....................................................... 91
3.5. Xác định hàm lƣợng chất kết dính tối ƣu của hỗn hợp SMA với các
hàm lƣợng sợi cellulose khác nhau .............................................................. 93
3.5.1. Lập kế hoạch thí nghiệm ............................................................... 93


vii
3.5.2. Thí nghiệm kiểm tra xác định sự liên kết đá chèn đá ................... 93
3.5.3. Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng nhựa tối ưu ................... 94
3.5.4. Kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật đối với hỗn hợp SMA thiết kế ..... 95
3.5.4.1. Thí nghiệm kiểm tra hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp ........ 96
3.5.4.2. Tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp SMA12,5 thiết kế
với hàm lượng sợi: 0,2%; 0,3% và 0,5% ........................................................ 96
3.6. Lựa chọn chỉ tiêu nghiên cứu thí nghiệm và cơng tác chế tạo mẫu ..
.............................................................................................................. 97
3.6.1. Lựa chọn chỉ tiêu cơ học của BTN trong nghiên cứu thí nghiệm 97
3.6.2. Chế tạo mẫu và quy hoạch thí nghiệm .......................................... 98
3.7. Thí nghiệm xác định hệ số nội ma sát (tgφ) và lực dính đơn vị (C) ..
.............................................................................................................. 99
3.7.1. Kế hoạch thí nghiệm ..................................................................... 99
3.7.2. Trình tự thí nghiệm xác định hệ số nội ma sát và lực dính đơn vị 99
3.7.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích ................................................. 101
3.8. Thí nghiệm xác định hệ số dẻo (m) và năng lƣợng kích hoạt biến
dạng nhớt dẻo (U) ........................................................................................ 104
3.8.1. Kế hoạch thí nghiệm ................................................................... 104
3.8.2. Trình tự thí nghiệm xác định m và U .......................................... 104

3.8.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích ................................................. 106
3.9. Thí nghiệm đánh giá LVBX ............................................................ 108
3.10. Thí nghiệm cƣờng độ kéo uốn....................................................... 109
3.10.1. Phương pháp thí nghiệm cường độ kéo uốn ............................. 109
3.10.2. Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn ................................... 110
3.10.3. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn và phân tích ................. 111
3.11. Thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp BTN ... 111
3.11.1. Kế hoạch thí nghiệm ................................................................. 111
3.11.2. Kết quả thí nghiệm và bình luận ............................................... 112
3.12. Thí nghiệm đánh giá sức kháng ẩm ............................................. 119
3.12.1. Phương pháp thí nghiệm ........................................................... 119
3.12.2. Kết quả thí nghiệm và thảo luận ............................................... 119
3.13. Thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi tĩnh................................... 120
3.13.1. Phương pháp thí nghiệm ........................................................... 120


viii
3.13.2. Kế hoạch thí nghiệm mơ đun đàn hồi tĩnh ................................ 121
3.13.3. Kết quả thí nghiệm và phân tích ............................................... 122
3.14. Thí nghiệm đánh giá mơ đun đàn hồi động ................................. 123
3.14.1. Trình tự thí nghiệm mơ đun đàn hồi động ................................ 123
3.14.2. Kết quả thí nghiệm mơ đun động.............................................. 124
3.15. Kết luận chƣơng 3 .......................................................................... 130
CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG HỖN HỢP STONE MASTIC ASPHALT
LÀM MẶT ĐƢỜNG CẤP CAO TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
............................................................................................................ 131
4.1. Một số lƣu ý về thiết kế, chế tạo hỗn hợp SMA trong điều kiện Việt
Nam ............................................................................................................ 131
4.1.1. Một số lưu ý về các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho hỗn hợp
SMA .............................................................................................................. 131

4.1.2. Một số lưu ý về thiết kế hỗn hợp SMA....................................... 132
4.1.3. Các giai đoạn thiết kế hỗn hợp SMA .......................................... 132
4.2. Một số lƣu ý về công nghệ chế tạo và thi công hỗn hợp SMA ..... 132
4.3. Nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp SMA trong KCAĐM cấp cao ở Việt
Nam ............................................................................................................ 137
4.3.1. Quy mô giao thông trên các tuyến đường ô tô cấp cao ở Việt Nam
....................................................................................................................... 137
4.3.2. KCAĐM áp dụng cho đường ô tô quy mô giao thông lớn ở Việt
Nam ............................................................................................................... 138
4.3.3. Tính tốn ứng dụng hỗn hợp SMA làm lớp mặt trong kết cấu mặt
đường mềm ô tô ở Việt Nam theo 22 TCN 211-06 ...................................... 138
4.3.4. Đề xuất cấu tạo KCAĐM áp dụng cho đường ô tô quy mô giao
thông lớn ở Việt Nam .................................................................................... 140
4.4. Ứng dụng tính tốn đánh giá LVBX cho mặt đƣờng ơ tơ ............ 140
4.5. Ứng dụng tính tốn đánh giá LVBX cho mặt đƣờng sân bay ..... 143
4.6. Phân tích sơ bộ chi phí xây dựng lớp mặt ..................................... 146
4.7. Kết luận chƣơng 4 ............................................................................ 148
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 149
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .... 151
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................. 153


ix
A. TIẾNG VIỆT ...................................................................................... 153
B. TIẾNG ANH ....................................................................................... 155
C. TIẾNG NGA ....................................................................................... 161
D. TÀI LIỆU TRÊN INTERNET .......................................................... 162


x

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Asphalt Concrete - Bê tông nhựa
American Association of State Highway Transportation Officials
- Hiệp hội giao thông quốc gia và đường cao tốc Mỹ
ASTM
American Society of Testing Materials - Hiệp hội vật liệu thử
nghiệm Mỹ
AĐM
Áo đường mềm
BTA (BTN) Bê tông asphalt (Bê tông nhựa)
BTNC
Bê tông nhựa chặt
BTNR
Bê tông nhựa rỗng
BTNP
Bê tông nhựa polime
BTXM
Bê tông xi măng
CHC
Cất hạ cánh
CHK
Cảng hàng khơng
CHLB
Cộng hịa liên bang
CPĐD
Cấp phối đá dăm
DGA
Dense-Graded Asphalt Mix - Hỗn hợp bê tông nhựa cấp phối chặt
ĐL

Đường lăn
EAPA
European Asphalt Pavement Association - Hiệp hội mặt đường
bê tông nhựa Châu Âu
GTVT
Giao thông vận tải
LVBX
Lún vệt bánh xe
HMA
Hot Mix Asphalt - Hỗn hợp bê tông nhựa nóng
ICAO
International Civil Aviation Organization - Tổ chức Hàng khơng
Dân dụng Quốc tế
IDEAL-CT Indirect tensile asphalt cracking test - Thí nghiệm nứt bằng
phương pháp kéo gián tiếp bê tông nhựa
KCAĐ
Kết cấu áo đường
KCAĐM Kết cấu áo đường mềm
L.A.
Los Angeles Abrasion - Độ hao mòn Los Angeles
MEPDG
Mechanistic Empirical Pavement Design Guide - Hướng dẫn
thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm
NAPA
National Asphalt Pavement Association - Hiệp hội mặt đường bê
tông nhựa quốc gia - Mỹ
NAA
National Aggregate Association - Hiệp hội cốt liệu quốc gia - Mỹ
AC
AASHTO

xi
NCAT
NCHRP
NMAS
QĐ
QĐ 858
QĐ 1617
QL
SĐ
SMA
SHRP
TCN
TCVN
TPP
TSR
TWG
Va
VCA
VCAMIX
VCADRC
VFA
VMA
WTSAIR
PRDAIR

National Center for Asphalt Technology - Trung tâm công nghệ
asphalt quốc tế - Mỹ
National Cooperative Highway Research Program - Chương

trình nghiên cứu đường bộ quốc gia - Mỹ
Nominal Maximum Aggregate Size - Cỡ hạt lớn nhất danh định
của cốt liệu
Quyết định
Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ GTVT
Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ngày 29/4/2014 của Bộ GTVT
Quốc lộ
Sân đỗ
Stone Mastic Asphalt (Stone Matrix Asphalt)
Strategic Highway Research Plan - Chương trình nghiên cứu
chiến lược đường bộ - Mỹ
Tiêu chuẩn Ngành
Tiêu chuẩn Việt Nam
TAF-PACK-PREMIUM
Tensile Strength Ratio - Hệ số cường độ chịu kéo
Technical Working Group - Nhóm cơng tác kỹ thuật - Mỹ
Air Voids - Độ rỗng dư
Voids in Coarse Aggregate - Độ rỗng cốt liệu thô
Voids in Coarse Aggregate Mix - Độ rỗng cốt liệu thô trong hỗn
hợp SMA đã đầm chặt
Volume of coarse Aggregate - Dry Rodded condition - Độ rỗng
cốt liệu thô ở trạng thái đầm khô
Voids Filled with Asphalt - Độ rỗng lấp đầy bitum
Voids in the Mineral Aggregate - Độ rỗng cốt liệu
Độ dốc hình thành độ sâu LVBX trong khơng khí ở 60oC, 10.000
chu kỳ (Phương pháp B)
Độ sâu LVBX tương đối của mẫu thử trong khơng khí ở 60oC,
10.000 chu kỳ (Phương pháp B)

xii

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 1.1. Yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp SMA sử dụng trên thế giới ............ 14
Bảng 1.2. Tổng số giờ nắng tại một số trạm quan trắc chia theo Tỉnh, thành
phố và Năm [24].............................................................................................. 25
Bảng 1.3. Thành phần cấp phối của ba loại BTNC 12,5 tại Việt Nam ........... 25
Bảng 1.4. Giới hạn chiều sâu lún mặt đường .................................................. 37
Bảng 1.5. Bảy thí nghiệm nứt đã được chọn bởi NCHRP 9-57...................... 41
Bảng 2.1. Thể tích ống nghiệm tương ứng kích thước danh định cốt liệu ..... 52
Bảng 2.2. Độ dày ống trụ thí nghiệm tương ứng thể tích ống ........................ 52
Bảng 2.3. Thành phần cấp phối của SMA và các loại hỗn hợp BTN ............. 55
Bảng 2.4. Một số yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu thô ........................................ 58
Bảng 2.5. Bảy giai đoạn của đường cong chuyển vị tải trọng ........................ 68
Bảng 2.6. Yêu cầu kỹ thuật của hỗn hợp SMA............................................... 83
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm các yêu cầu kỹ thuật đối với cốt liệu .............. 84
Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cơ bản của PMB III và PMB III pha sasobit ................. 85
Bảng 3.3. Số lượng mẫu thí nghiệm xác định hàm lượng nhựa tối ưu ........... 93
Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm VCADRC và VCAMIX ........................................ 93
Bảng 3.5. Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế (0% sợi cellulose) ...... 94
Bảng 3.6. Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế (0,2% sợi cellulose) ... 94
Bảng 3.7. Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế (0,3% sợi cellulose) ... 95
Bảng 3.8. Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa thiết kế (0,5% sợi cellulose) ... 95
Bảng 3.9. Kết quả kiểm tra hệ số cường độ chịu kéo gián tiếp ...................... 96
Bảng 3.10. Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp SMA ứng với hàm lượng bitum
thiết kế (hàm lượng sợi 0,2%) ......................................................................... 96
Bảng 3.11. Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp SMA ứng với hàm lượng bitum
thiết kế (hàm lượng sợi 0,3%) ......................................................................... 96
Bảng 3.12. Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp SMA ứng với hàm lượng bitum
thiết kế (hàm lượng sợi 0,5%) ......................................................................... 97

Bảng 3.13. Số lượng thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học phục vụ tính tốn theo
tiêu chuẩn của Liên Bang Nga ........................................................................ 98


xiii
Bảng 3.14. Số lượng thí nghiệm các chỉ tiêu phục vụ tính tốn kết cấu áo
đường mềm theo 22TCN 211-06 .................................................................... 99
Bảng 3.15. Số lượng thí nghiệm đánh giá tính năng của các loại hỗn hợp .... 99
Bảng 3.16. Số lượng mẫu thí nghiệm xác định hệ số nội ma sát (tgθ) và lực
dính đơn vị (C) của vật liệu BTN.................................................................... 99
Bảng 3.17. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số C, θ của hỗn
hợp SMA sử dụng bitum PMBIII ................................................................. 101
Bảng 3.18. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số C, θ của hỗn
hợp BTNC 858 sử dụng bitum PMBIII ........................................................ 102
Bảng 3.19. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số C, θ của hỗn
hợp BTNC 356 sử dụng bitum PMBIII ........................................................ 102
Bảng 3.20. Bảng tổng kết quả xác định hệ số nội ma sát (tgθ) và lực dính đơn
vị (C) của 3 loại hỗn hợp BTN...................................................................... 102
Bảng 3.21. Số lượng mẫu thí nghiệm xác định hệ số dẻo (m) và năng lượng
kích hoạt biến dạng nhớt dẻo (U) của hỗn hợp BTN .................................... 104
Bảng 3.22. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số m, U của hỗn
hợp SMA sử dụng bitum PMBIII ................................................................. 106
Bảng 3.23. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số m, U của hỗn
hợp BTNC 858 sử dụng bitum PMBIII ........................................................ 106
Bảng 3.24. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định chỉ số m, U của hỗn
hợp BTNC 356 sử dụng bitum PMBIII ........................................................ 107
Bảng 3.25. Bảng tổng kết quả xác định hệ số m và U .................................. 107
Bảng 3.26. Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn ..................................... 110
Bảng 3.27. Kết quả thí nghiệm cường kéo uốn mẫu SMA nóng .................. 111
Bảng 3.28. Kết quả thí nghiệm cường kéo uốn mẫu BTNC 858 nóng ......... 111

Bảng 3.29. Kế hoạch thí nghiệm đánh giá khả năng kháng nứt của hỗn hợp
BTN - theo tiêu chuẩn ASTM D8225 ........................................................... 112
Bảng 3.30. Giá trị của chỉ số kháng nứt CTIndex ............................................ 113
Bảng 3.31. Giá trị giới hạn tối thiểu chỉ số kháng nứt CTIndex ...................... 114
Bảng 3.32. Giá trị độ dốc của đường cong chuyển vị - tải trọng .................. 114
Bảng 3.33. Giá trị góc dốc của đường cong chuyển vị - tải trọng ................ 114


xiv
Bảng 3.34. Năng lượng phá hủy Gf ............................................................... 117
Bảng 3.35. Số lượng thí nghiệm mơ đun đàn hồi tĩnh của BTN .................. 121
Bảng 3.36. Mô đun đàn hồi tĩnh của các hỗn hợp ở 15oC ............................ 122
Bảng 3.37. Mô đun đàn hồi tĩnh của các hỗn hợp ở 30oC ............................ 122
Bảng 3.38. Mô đun đàn hồi tĩnh của các hỗn hợp ở 60oC ............................ 122
Bảng 4.1. Tiêu chuẩn thành phần hạt của hỗn hợp SMA12,5 ...................... 131
Bảng 4.2. Yêu cầu tiêu chuẩn kỹ thuật của hỗn hợp SMA ........................... 131
Bảng 4.3. Thông số đặc trưng của các lớp vật liệu dùng trong tính tốn ..... 139
Bảng 4.4. Kết quả xác định chiều dày và mô đun đàn hồi ............................ 139
Bảng 4.5. Kết quả tính tốn tổng biến dạng dẻo tương đối và chiều sâu vệt lún
lớp BTN cho mặt đường ô tô của các loại hỗn hợp ...................................... 142
Bảng 4.6. Một số loại tàu bay lớn đang khai thác tại sân bay Nội Bài và Tân
Sơn Nhất ........................................................................................................ 144
Bảng 4.7. Kết quả tính tốn tổng biến dạng dẻo và chiều sâu vệt lún mặt
đường sân bay của SMA ............................................................................... 145
Bảng 4.8. Kết quả tính tốn tổng biến dạng dẻo và chiều sâu vệt lún lớp BTN
cho mặt đường sân bay của BTNC 858 ........................................................ 145
Bảng 4.9. Kết quả tính tốn tổng biến dạng dẻo và chiều sâu vệt lún lớp BTN
cho mặt đường sân bay của BTNC 356 ........................................................ 145
Bảng 4.10. Bảng tổng hợp chi phí xây dựng................................................. 147

xv

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hỗn hợp SMA ..................................................... 3
Hình 1.2. Hiện tượng LVBX trên Đại lộ Đơng Tây [119].............................. 23
Hình 1.3. Sơ đồ phân bố sự làm việc của các lớp áo đường mềm .................. 31
Hình 1.4. Nứt mỏi ở mặt đường BTN [25] ..................................................... 40
Hình 2.1. Minh họa các loại bộ khung của hỗn hợp ....................................... 45
Hình 2.2. Các thành phần cơ bản của hỗn hợp SMA...................................... 45
Hình 2.3. Các hạt được gia tải theo phương thẳng đứng ................................ 46
Hình 2.4. Phân bố tải giữa các hạt cốt liệu thơ ............................................... 46
Hình 2.5. Phân chia thể tích của các phần tử hỗn hợp khống ....................... 50
Hình 2.6. Bộ khung đã được đầm của hỗn hợp cốt liệu .................................. 50
Hình 2.7. Độ rỗng cốt liệu thơ ở trạng thái đầm khơ VCADRC ....................... 51
Hình 2.8. Độ rỗng cốt liệu thô trong hỗn hợp SMA đầm chặt VCAMIX ......... 51
Hình 2.9. Độ rỗng cốt liệu trong hỗn hợp SMA đầm chặt.............................. 51
Hình 2.10. Ba đặc trưng hình dạng của cốt liệu .............................................. 54
Hình 2.11. Đường cong cấp phối của SMA và các loại hỗn hợp BTN .......... 56
Hình 2.12. Thể tích cốt liệu thơ, mastic và lỗ rỗng của hỗn hợp SMA .......... 59
Hình 2.13. Lấp đầy khoảng trống giữa các hạt cốt liệu thô (hạt chủ động)
bằng các hạt bị động ........................................................................................ 59
Hình 2.14. Khái niệm về bitum cố định và bitum tự do ................................. 61
Hình 2.15. Lấp đầy các lỗ trỗng trong bột khống ......................................... 62
Hình 2.16. Thí nghiệm xác định độ chảy nhựa của hỗn hợp SMA ................ 64
Hình 2.17. Thiết bị thí nghiệm và đường cong chuyển vị - tải trọng sau khi
nén mẫu bằng phương pháp thí nghiệm IDEAL-CT ...................................... 68
Hình 2.18. Minh họa về điểm PPP75 và độ dốc |m75| ...................................... 69
Hình 2.19. Các lực gây biến dạng xơ dồn, lún lớp BTN ................................ 71
Hình 2.20. Phân loại biến dạng lún ................................................................. 73

Hình 2.21. Cấu trúc của các loại hỗn hợp BTN khác nhau ............................ 74
Hình 2.22. Mơ phỏng hiệu ứng Dilatancy lớp vật liệu mặt đường ................. 77
Hình 2.23. Sơ đồ phân bố lực tác động của bánh xe trong lớp SMA [50] ..... 77


xvi
Hình 2.24. Mơ hình thử nghiệm mẫu BTN theo GOST 12801-1998 ............. 81
Hình 3.1. Chất ổn định - sợi cellulose ............................................................. 85
Hình 3.2. Đường cong cấp phối của hỗn hợp SMA........................................ 86
Hình 3.3. Đường cong cấp phối của hỗn hợp BTNC 858............................... 87
Hình 3.4. Đường cong cấp phối của hỗn hợp BTNC 356............................... 87
Hình 3.5. Ảnh hưởng của các yếu tố đến độ rỗng dư ..................................... 89
Hình 3.6. Biểu đồ tổng hợp độ rỗng dư Va của hỗn hợp SMA ...................... 90
Hình 3.7. Ảnh hưởng của các yếu tố đến độ ổn định Marshall ...................... 90
Hình 3.8. Biểu đồ tổng hợp độ ổn định Marshall (S) của hỗn hợp SMA ....... 91
Hình 3.9. Ảnh hưởng các yếu tố Bitum, Cellulose đến độ dẻo Marshall ....... 92
Hình 3.10. Biểu đồ tổng hợp độ dẻo Marshall (F) của hỗn hợp SMA ........... 92
Hình 3.11. Khoan rút lõi mẫu BTN .............................................................. 100
Hình 3.12. Nén mẫu theo mơ hình marshall và mơ hình nén dọc trục ......... 100
Hình 3.13. Mẫu SMA và BTNC 858 sau khi nén theo mơ hình dọc trục ..... 101
Hình 3.14. Mẫu SMA và BTNC 858 sau khi nén theo mơ hình marshall .... 101
Hình 3.15. Hệ số nội ma sát và lực dính đơn vị của 3 loại hỗn hợp BTN .... 103
Hình 3.16. Năng lượng phá hoại mẫu theo hai mơ hình ............................... 104
Hình 3.17. Khoan rút lõi mẫu và ngâm mẫu trong bể ổn nhiệt .................... 105
Hình 3.18. Nén mẫu theo dọc trục với tốc độ 3mm/phút.............................. 106
Hình 3.19. Hệ số dẻo (m) và năng lượng kích hoạt biến dạng nhớt dẻo (U) 107
Hình 3.20. Mẫu SMA nóng và SMA ấm sau khi chạy LVBX ..................... 108
Hình 3.21. Mẫu BTNC 858 nóng và BTNC 858 ấm sau khi chạy LVBX ... 108
Hình 3.22. Biểu đồ chiều sâu LVBX của các loại hỗn hợp BTN ................ 109
Hình 3.23. Thí nghiệm kéo uốn mẫu ............................................................ 110

Hình 3.24. Tồn bộ mẫu sau khi thí nghiệm kéo uốn ................................... 110
Hình 3.25. Mẫu thí nghiệm sau khi đúc bằng máy đầm xoay ...................... 112
Hình 3.26. Mẫu thí nghiệm sau khi phá hoại ................................................ 112
Hình 3.27. Q trình thí nghiệm xác định chỉ số kháng nứt CTIndex ............. 113
Hình 3.28. Đường cong lực - chuyển vị của các tổ mẫu ............................... 115
Hình 3.29. Biểu đồ độ dốc m75 và góc dốc của đường cong lực - chuyển vị ở
giai đoạn sau khi phá hoại ............................................................................. 115


xvii
Hình 3.30. Giá trị độ dốc và góc dốc của đường cong chuyển vị - tải trọng 116
Hình 3.31. Kết quả thí nghiệm năng lượng phá hủy (Gf) ............................. 116
Hình 3.32. Ảnh hưởng và tương tác của các yếu tố đến chỉ số CTIndex ........ 117
Hình 3.33. Kết quả thí nghiệm chỉ số kháng nứt CTIndex .............................. 118
Hình 3.34. Tương quan giữa chỉ số kháng nứt CTIndex với góc dốc (°) và độ
dốc |m75| ......................................................................................................... 118
Hình 3.35. Hệ số cường độ chịu kéo (TSR) của 4 loại hỗn hợp BTN .......... 120
Hình 3.36. Thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi tĩnh .................................. 120
Hình 3.37. Thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi tĩnh .................................. 121
Hình 3.38. Mơ đun đàn hồi tĩnh của 3 loại hỗn hợp BTN ............................ 122
Hình 3.39. Q trình thí nghiệm mơ đun đàn hồi động ................................ 124
Hình 3.40. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến |E*| ................................ 125
Hình 3.41. Biểu đồ ảnh hưởng giữa các yếu tố đến |E*| ............................... 126
Hình 3.42. Ảnh hưởng của tần số đến |E*| của 4 loại BTN .......................... 126
Hình 3.43. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến |E*| của 4 loại BTN ...................... 127
Hình 3.44. Mơ đun đàn hồi động |E*| của các hỗn hợp ứng với các điều kiện
thí nghiệm khác nhau .................................................................................... 129
Hình 4.1. Trình tự và thời gian trộn SMA với chất ổn định dạng xốp [78].. 134
Hình 4.2. Thiết bị tự động đưa chất ổn định vào buồng trộn [78] ................ 134
Hình 4.3. Trộn sợi cellulose thủ cơng tại trạm trộn ...................................... 134

Hình 4.4. Không sử dụng lu bánh lốp để lu lèn mặt đường SMA [84] ........ 136
Hình 4.5. Ống theo dõi việc cung cấp chất ổn định và ngắt ống cấp chất ổn
định để kiểm tra khối lượng cân [78] ............................................................ 137
Hình 4.6. KCAĐ đề xuất áp dụng cho đường ô tô có quy mơ giao thơng lớn ở
Việt Nam ....................................................................................................... 140
Hình 4.7. Biểu đồ quan hệ mức biến dạng dẻo tương đối; Chiều sâu vệt lún
của lớp BTN theo từng mức nhiệt độ ............................................................ 142
Hình 4.8. Biểu đồ quan hệ mức biến dạng dẻo; chiều sâu lún của lớp BTN
theo các mức nhiệt độ cho mặt đường sân bay ở khu vực sân đỗ................. 145
Hình 4.9. Biểu đồ quan hệ chiều sâu lún của lớp BTN theo các mức nhiệt độ
cho mặt đường sân bay ở khu vực đường lăn và cất hạ cánh ....................... 146


1

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu
BTN là loại vật liệu phổ biến sử dụng cho các lớp kết cấu mặt đường ô
tô tại Việt Nam. Trên nhiều tuyến quốc lộ, tuyến đường ô tô cấp cao có quy
mơ giao thơng lớn ở Việt Nam thường xuất hiện các hư hỏng như nứt, LVBX
làm suy giảm cường độ và tuổi thọ của KCAĐ. LVBX trên mặt đường BTN
xuất hiện từ đầu những năm 2000 đến nay, khi lưu lượng khai thác trên các
tuyến quốc lộ, tình trạng trục xe quá tải tăng cao. Đặc biệt trong khoảng thời
gian từ năm 2009 đến 2014, nhiều tuyến đường xuất hiện hư hỏng LVBX,
thậm chí hư hỏng sau một thời gian ngắn đưa vào khai thác. Đây là vấn đề
không chỉ xảy ra ở Việt Nam mà cũng xảy ra ở các quốc gia trên thế giới có
nền khoa học kỹ thuật phát triển.
LVBX xuất hiện khi ứng suất cắt trượt do tải trọng bánh xe gây ra, có
giá trị lớn hơn cường độ kháng cắt trượt của BTN, sẽ gây ra biến dạng dẻo lớp
BTN. Q trình tích tụ các biến dạng dẻo trên đường do trùng phục tải trọng,

sẽ tạo thành các vệt lún lớp BTN trên mặt đường. Trong điều kiện khí hậu
nắng nóng của Việt Nam, sức kháng cắt của BTN bị suy giảm. Để khắc phục
hiện tượng LVBX lớp BTN, cần nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu có
cường độ kháng cắt cao khi ở điều kiện nhiệt độ môi trường cao.
Hiện nay, ở Việt Nam đang có hiệu lực song song TCVN 8819:2011,
22TCN 356-06 và QĐ 858. Những điều chỉnh trong QĐ 858 của Bộ GTVT
tập trung vào khuyến cáo thiết kế BTN có cấp phối thơ, đảm bảo khung cốt
liệu chịu lực, nâng cao khả năng kháng LVBX của BTN. Tuy nhiên, trong
q trình thực hiện, khơng ít nhà thầu, đơn vị thi công đã sử dụng cấp phối
quá “thô” dẫn đến một số đoạn đường BTN có hiện tượng phân bố cốt liệu
không đồng đều, là nguyên nhân làm cho mặt đường dễ bị bong tróc, thấm
nước, nứt mỏi, làm suy giảm tuổi thọ mặt đường.
Hỗn hợp SMA có nguồn gốc ở Đức vào cuối những năm 1960, sau đó
phổ biến ở Châu Âu, Mỹ, New Zealand, Nhật Bản,… SMA được sử dụng cho
các mặt đường ô tô lưu lượng giao thông lớn, đường đua F1, đường sân bay,
mặt cầu và các loại mặt đường thường xuyên chịu tải trọng xe nặng. Nhiều
kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng hỗn hợp SMA có ưu điểm
như: Tăng sức chịu tải của KCAĐ, tăng độ nhám mặt đường, tăng sức kháng
cắt trượt của hỗn hợp, giảm hiện tượng LVBX. Với hàm lượng chất kết dính
cao, độ rỗng dư thấp và tác dụng của chất ổn định, giúp tăng khả năng kháng
biến dạng, kháng nứt của hỗn hợp, góp phần tăng tuổi thọ mặt đường.


2
Chính những căn cứ trên, lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của
vật liệu Stone Mastic Asphalt đến khả năng chống lún vệt bánh xe và chống
nứt mặt đường bê tông asphalt trong điều kiện Việt Nam” là cần thiết, có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục đích nghiên cứu
Với mục đích nghiên cứu về khả năng áp dụng vật liệu Stone Mastic

Asphalt trong xây dựng cơng trình giao thông ở Việt Nam, luận án tập trung
nghiên cứu về thành phần, những đặc tính cơ học của vật liệu, tiêu chuẩn kỹ
thuật, khả năng và hiệu quả ứng dụng của vật liệu Stone Mastic Asphalt.
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Hỗn hợp SMA với cỡ hạt lớn nhất danh định 12,5mm làm lớp mặt cho
KCAĐM.
4. Phạm vi nghiên cứu
Phân tích tổng quan tình hình sử dụng hỗn hợp SMA, LVBX và nứt ở
Việt Nam và trên thế giới;
Phân tích các ngun nhân chính dẫn đến q trình hình thành và phát
triển LVBX và nứt trên mặt đường BTN;
Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần vật liệu BTN đến sức kháng
trượt và kháng nứt của BTN;
Nghiên cứu thí nghiệm trong phịng, xác định các chỉ tiêu kỹ thuật của
hỗn hợp SMA và các loại BTNC đối chứng phục vụ tính tốn dự báo LVBX
và tính tốn thiết kế kết cấu lớp BTN mới trong điều kiện Việt Nam.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
- Phân tích, làm rõ cơ sở khoa học việc sử dụng lớp SMA. Nghiên cứu
bản chất lý thuyết của hỗn hợp SMA, sự hình thành liên kết đá chèn đá làm
tăng khả năng kháng lún vệt bánh xe.
- Phân tích ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của SMA trong điều
kiện Việt Nam. Hệ thống hoá được các tiêu chuẩn thí nghiệm đánh giá chất
lượng của SMA;
- Đề xuất phương pháp thiết kế hỗn hợp, lựa chọn thành phần cấp phối,
các yêu cầu vật liệu, các chỉ tiêu cơ lý của SMA ở Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Xác định được các chỉ tiêu kỹ thuật của SMA khi thiết kế KCAĐ theo
tiêu chuẩn 22TCN 211-06;
- Mơ hình hóa và phân tích KCAĐM cấp cao sử dụng lớp SMA trong

điều kiện Việt Nam.


3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ STONE MASTIC ASPHALT, HƢ
HỎNG LÚN VỆT BÁNH XE VÀ NỨT LỚP MẶT ĐƢỜNG BÊ
TÔNG NHỰA
1.1. Tổng quan về Stone Mastic Asphalt
1.1.1. Khái niệm Stone Mastic Asphalt
Stone Mastic Asphalt (viết tắt là SMA), hoặc thuật ngữ “Splittmastixasphalt” theo tiếng CHLB Đức, hoặc “Stone Matrix Asphalt” theo cách
gọi ở các tiêu chuẩn của Mỹ và Ấn Độ có nguồn gốc ở CHLB Đức vào cuối
những năm 1960. Sau đó, SMA được sử dụng phổ biến ở Châu Âu, Mỹ,
Brazil, Australia, New Zealand, Nhật Bản, Trung Quốc… SMA được dùng
cho các loại mặt đường ơ tơ có lưu lượng giao thông lớn, mặt đường sân bay,
mặt cầu và các mặt đường thường xuyên chịu tải trọng xe nặng. Tại Việt
Nam, hiện có một số cách gọi khác nhau: hỗn hợp mastic nhựa đá dăm, bê
tông đá vữa nhựa. Trong luận án kiến nghị gọi là SMA.
Tiêu chuẩn AASHTO M325 của Mỹ định nghĩa như sau: “SMA là hỗn
hợp BTN nóng bao gồm hai phần - bộ khung cốt liệu thô và một lượng lớn
vữa asphalt. Hỗn hợp phải có bộ khung cốt liệu với tiếp xúc đá chèn đá. Cốt
liệu thơ là lượng cốt liệu tích lũy trên sàng 4,75mm (sàng số 4)”.
Theo tiêu chuẩn của châu Âu - EN 13108-5 thì SMA được định nghĩa
như sau: “SMA là hỗn hợp BTN cấp phối gián đoạn với chất kết dính là bitum,
bao gồm bộ khung cốt liệu thơ nghiền kết dính với nhau bởi vữa mastic”.

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hỗn hợp SMA


4

Bản chất của SMA là hỗn hợp gồm hai thành phần là Mastic và đá dăm
[50], trong đó thành phần Mastic gồm cốt liệu mịn, bột đá, nhựa đường và cốt
sợi ổn định nhựa (xem Hình 1.1). Điểm đặc biệt của SMA là hỗn hợp vật liệu
khống có cấp phối gián đoạn (gap-gradation), chứa một tỷ lệ cao cốt liệu thô
đan xen với cốt liệu nhỏ tạo nên bộ khung đá vững chắc (đá chèn đá - stone
on stone) có tác dụng chống lại biến dạng vĩnh cửu (LVBX).
Nhìn chung, hỗn hợp SMA chứa hàm lượng cốt liệu thô tối thiểu là
70%, cốt liệu mịn chiếm 12-17% và bột đá chiếm 8-13% theo khối lượng hỗn
hợp vật liệu khoáng. Chất kết dính có hàm lượng từ 6,0-7,5% theo khối lượng
hỗn hợp. Để ổn định chất kết dính, ngăn ngừa hiện tượng chảy nhựa trong hỗn
hợp SMA, một hàm lượng sợi cellulose từ 0,2-0,3% theo khối lượng hỗn hợp
được thêm vào trong q trình trộn khơ. Độ rỗng dư của hỗn hợp SMA thông
thường từ 3-4% [50,53,78,92].
1.1.2. Ứng dụng SMA trên thế giới
1.1.2.1. SMA tại Mỹ
Tại Mỹ, hỗn hợp SMA đầu tiên được sử dụng ở Bang Winconsin năm
1991, tiếp theo đó là các Bang Michigan, Georgia, và Missouri. Mùa hè năm
1997, ít nhất 28 tiểu bang đã hồn thành việc xây dựng các tuyến đường (với
lưu lượng giao thông lớn) sử dụng hơn 3 triệu tấn SMA ở hơn 100 dự án. Các
chuyên gia của NCAT đã tiến hành khảo sát chất lượng các tuyến đường được
xây dựng từ năm 1992 đến 1996, kết quả công bố cho thấy hỗn hợp SMA vẫn
đạt hiệu năng cao tại các khu vực có lưu lượng giao thơng lớn và tải trọng
nặng. Chi phí xây dựng ban đầu lớn sẽ được bù đắp bởi việc tăng hiệu năng
của vật liệu mặt đường [86]. Dựa trên kinh nghiệm của các dự án này, NCAT
đã có những nhận xét về cấp phối hỗn hợp SMA như sau: (i) Hơn 95% cốt
liệu lọt qua sàng 12,5mm; (ii) < 30% lọt qua sàng 4,75mm (tức là lượng tích
lũy trên sàng 4,75mm ≥ 70%); (iii) 8-10% lọt qua sàng 0,075mm.
Để chế bị mẫu SMA, có thể sử dụng thiết bị đầm xoay hoặc đầm
Marshall. Tiêu chuẩn kỹ thuật SMA tại Mỹ trước đây là AASHTO MP8 (2007)
và AASHTO PP 41-02 (2002) hướng dẫn thiết kế theo phương pháp Marshall.

Đến năm 2012, đã được thay thế bằng tiêu chuẩn AASHTO M325-08 (2012)
và AASHTO R46-08 (2012), thiết kế theo phương pháp Superpave sử dụng
đầm xoay (SGC). SMA được thiết kế theo các chỉ tiêu về đặc tính thể tích như
độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu và sự hình thành liên kết đá chèn đá [55,78].


5
Theo tiêu chuẩn của Mỹ [31,33], quy định chặt chẽ các giá trị VMA và
VCA để đảm bảo tiếp xúc đá chèn đá. VMA ≥ 17 và VCA (độ rỗng cốt liệu
thô xác định theo AASHTO T19), VCAMIX ≤ VCADRC. Hàm lượng cốt liệu
thơ (tích lũy trên sàng 4,75mm) từ 65-80%; Độ rỗng dư 3-4%; Hàm lượng
bitum 6-7% (thấp hơn 6% có thể ảnh hưởng đến độ bền của hỗn hợp SMA);
Hệ số cường độ chịu kéo (TSR) ≥ 80%; Độ chảy bitum ≤ 0,3%. Hỗn hợp
SMA được thiết kế theo phương pháp Marshall với 2×50 chày/1 mặt, độ ổn
định Marshall ≥ 6200 N, độ dẻo Marshall từ 2-4 mm. Chất ổn định khuyến
cáo sử dụng là sợi celloluse với hàm lượng 0,3% và sợi khoáng là 0,4%.
1.1.2.2. SMA tại châu Âu
Các nước châu Âu đã nghiên cứu áp dụng và ban hành các tiêu chuẩn
liên quan đến hỗn hợp SMA. Năm 2006, Ủy ban tiêu chuẩn Châu Âu đã ban
hành tiêu chuẩn cho SMA: EN 13108-5 (Bituminous mixtures - Material
specifications - Part 5 - Stone Mastic Asphalt) [71]. SMA được ứng dụng làm
lớp mặt đường ô tô, sân bay và các khu vực khác phù hợp với tất cả các loại
thời tiết và giao thông. Theo EN 13108-5, SMA gồm các loại sau: SMA D4,
D5, D6, D8, D10, D11, D12, D14, D16, D20 và D22. Thiết kế theo phương
pháp Marshall với độ rỗng dư từ 1,5-8,0%. Hàm lượng cốt liệu thô từ 6580%. Hàm lượng bitum từ 5,0-7,6% [60,61]. Theo báo cáo của Hiệp hội mặt
đường BTN châu Âu (EAPA) năm 2018, tất cả các nước châu Âu đều ghi
nhận những kinh nghiệm tích cực với hỗn hợp SMA, đặc biệt là các đặc điểm
bề mặt, độ bền, sự thoải mái khi đi xe và tính bền vững. Hiệu suất của SMA
trên tuyến đường có tải trọng xe nặng là rất tốt.
a) SMA tại CHLB Đức

Trong nỗ lực giải quyết tình trạng hư hỏng lớp phủ mặt đường gây ra
bởi các phương tiện giao thơng bánh xe có đinh, Tiến sĩ Zichner - kỹ sư người
Đức và là giám đốc Trung tâm thí nghiệm xây dựng đường bộ tại Strabag Bau
AG đã phát minh ra hỗn hợp SMA. Tiến sĩ Zichner đã đặt tên hai hỗn hợp
MASTIMAC và MASTIPHALT vào năm 1968 và được Mỹ cấp bằng sáng
chế số 3797951 - ngày 19/3/1974. Trong sáng chế này, tỷ lệ gần đúng của
thành phần hỗn hợp SMA được xác định là 70% cốt liệu thơ, 12% bột
khống, 8% nhựa và 10% cát nghiền. Bằng sáng chế cũng chỉ ra mức độ cần
thiết của các chất phụ gia ổn định. Như vậy, hỗn hợp được mô tả ở trên giống
với quan niệm hiện đại về hỗn hợp SMA. Lớp mặt đường đầu tiên sử dụng


6
hỗn hợp MASTIMAC đã được thi công vào ngày 30/7/1968, tại thành phố
cảng Wilhelmshaven ở miền bắc nước Đức trên phố Freiligrath Stre [78].
Tính đến năm 1996, hơn 100 triệu m2 SMA đã được rải trên toàn CHLB Đức
[60]. Tại CHLB Đức, tên gọi Splittmastixasphalt được chính thức đưa vào
quy chuẩn kỹ thuật ZTV bit-StB 1984 năm 1984. Sau đó quy chuẩn kỹ thuật
SMA tiếp tục được bổ sung cập nhật vào các năm 1994, 1998 và 2001, 2007
và 2009 (ZTV Asphalt-StB 07, TV Asphalt-StB 07). Tiêu chuẩn vẫn tiếp tục
được bổ sung và cập nhật trong các năm 2013, 2014 và 2015.
Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế cho mặt đường SMA ở CHLB Đức đưa ra
3 loại hỗn hợp SMA có các kích thước hạt lớn nhất danh định khác nhau: 5S;
8S và 11S. Tiêu chuẩn cũng quy định chỉ sử dụng các cốt liệu có chất lượng
cao để chế tạo hỗn hợp SMA. Đối với hỗn hợp SMA dạng 11S và 8S (dùng
cho mặt đường chịu tải trọng xe nặng) yêu cầu 100% cốt liệu được sử dụng
phải là cốt liệu nghiền. Độ rỗng dư yêu cầu từ 3-5%.
Các loại sợi cellulose dùng làm phụ gia giúp ổn định trong hỗn hợp
SMA như Technocel 1004, TOPCEL và hiện nay là VIATOP. Hàm lượng sợi
từ 0,3-1,5%. Chất kết dính được sử dụng phổ biến là bitum 50/70 và PmB

25/55-55 với hàm lượng tối thiểu 6,5% [60,61].
b) SMA tại Cộng hoà Séc
Tại Cộng hoà Séc, SMA được sử dụng rộng rãi từ năm 1991. Trong
năm 1995, khoảng 230.000 tấn SMA đã được sản xuất đáp ứng cho 2,5 triệu
m2. Tiêu chuẩn kỹ thuật của SMA là Czech Standard ČSN 73 6121. Trước
đây, hai loại SMA phổ biến nhất là AKMS (SMA 0/11) và AKMS (SMA
0/16), hiện nay là 3 loại SMA 8S, SMA 11S và SMA 16+. Cốt liệu phải đảm
bảo là cốt liệu nghiền, có hình dạng tốt và có chỉ số LA ≤ 20%. Hàm lượng
cốt liệu thơ từ 62-74%; Loại bitum sử dụng chủ yếu là PmB 45 hoặc PmB 65.
Hàm lượng bitum từ 6,5-7,8%. Thiết kế theo phương pháp Marshall 2×50
chày/1 mặt, độ ổn định Marshall ≥ 6,0kN; Độ rỗng dư từ 3,0-4,5%. Độ chảy
nhựa thí nghiệm theo tiêu chuẩn EN 12697-18 không quá 0,3%. Sử dụng chất
chống chảy nhựa với hàm lượng từ 0,3-1,5% (nếu dùng sợi celloluse thì
khuyến cáo sử dụng là 0,3%). Trong q trình thi cơng, khơng được phép sử
dụng lu bánh lốp. Xử lý bề mặt để tăng cường khả năng chống trượt ban đầu.
Khuyến cáo chiều dày lớp SMA như sau: SMA 8S dày từ 2,5-4,0cm; SMA
11S dày từ 3,5-4,5cm và SMA 16+ dày từ 4,0-6,0cm;