Mặt đường bê tông nhựa (BTN) do có nhiều ưu điểm như: ít bụi, không ồn, tốc độ thi công nhanh, dễ đảm bảo chất lượng, dễ bảo dưỡng sửa chữa... nên đã và đang đ ược sử dụng rộng rãi trong xây dựng đường ô tô trên thế giới và Việt nam. Qua thời gian khai thác, kết cấu mặt đường bê tông nhựa bị xuống cấp, cần cải tạo nâng cấp. Trong những năm qua, được sự quan tâm của Đảng, Nhà nước và Chính phủ, Bộ GTVT đã triển khai thi công và hoàn thành nhiều dự án cầu - đường bộ, điển hình như: Cao tốc Pháp Vân-Cầu Giẽ-Ninh Bình, Hà Nội-Lào Cai, Hà Nội-Hải Phòng; các dự án trên QL1, đường HCM qua Tây Nguyên… Tuy nhiên, sau một thời gian khai thác, trên một số đoạn tuyến quốc lộ có lưu lượng, tải trọng xe lớn lưu thông đã xuất hiện lún vệt bánh xe (LVBX) trên bề mặt đường bê tông nhựa. Kết quả kiểm định của Viện trên một số dự án cụ thể (QL1 đoạn Hà Nam-Ninh Bình-Thanh Hóa; Mặt cầu bến Thủy II; QL18 đoạn Uông Bí-Hạ Long; Cầu cạn vành đai III Hà Nội; QL5 gói 9, 10, 11…) cho thấy có một số nguyên nhân chính, trong đó có nguyên nhân liên quan đến bột khoáng, nhựa đường, tỷ lệ giữa bột khoáng và nhựa đường chưa phù hợp.

Trong các tiêu chuẩn hiện có tại Việt Nam chưa có quy định cũng như các khuyến cáo về việc sử dụng hợp lý tỷ lệ giữa hàm lượng bột khoáng so với hàm lượng nhựa đường (BK/N). Trong khi đó trên thế giới tiêu chuẩn của nhiều nước đã quy định về tỷ lệ BK/N, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ BK/N có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của bê tông nhựa chặt (BTNC). Do vậy, việc nghiên cứu đề tài này là rất cần thiết. Về mặt cấu trúc, bê tông nhựa chặt là loại vật liệu nhân tạo, bao gồm bộ khung là cốt liệu và chất liên kết là nhựa đường. Trong hỗn hợp BTNC, bột khoáng là một thành phần quan trọng, do kích thước hạt rất nhỏ, tỷ diện mặt ngoài lớn nên khi trộn với hỗn hợp cốt liệu, bột khoáng sẽ bao phủ mặt ngoài các hạt cốt liệu; khi được trộng chung với nhựa đường sẽ tạo thành hỗn hợp vữa nhựa và tạo ra liên kết giữa các hạt cốt liệu, hỗn hợp vữa nhựa còn có vai trò lấp kín phần lớn các khe hở giữa các hạt cốt liệu sau khi đã được đầm chặt. Tính chất của hỗn hợp vữa nhựa có ảnh hưởng đến các thông số cường độ (chịu nén, uốn, cắt, bền mỏi…), độ ổn định (dưới ảnh hưởng của tải trọng, môi trường) và tuổi thọ của mặt đường BTNC. Tính chất cơ học của hỗn hợp vữa nhựa phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tỷ lệ phối trộn các loại vật liệu trong hỗn hợp có vai trò rất quan trọng, có tính quyết định đến tính chất, chất lượng, độ bền lâu của BTNC, và các tỷ lệ phối trộn được xác định thông qua quá trình thiết kế hỗn hợp BTNC. Tiêu chuẩn của một số nước đã quy định về tỷ lệ BK/N sử dụng cho BTNC, nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu và có công bố các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của BK/N đến các tính chất của BTNC. Tại Việt Nam, đã có một số đơn vị/tác giả nghiên cứu về ảnh hưởng của tỷ lệ sử dụng nhựa đường, BK, tỷ lệ BK/N trong hỗn hợp BTNC.

Nhằm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ giữa hàm lượng bột khoáng so với hàm lượng nhựa đường (BK/N) đến hỗn hợp vữa nhựa và hỗn hợp BTN chặt nóng (BTNC), đề xuất tỷ lệ BK/N cho BTNC hợp lý nhằm nâng cao chất lượng mặt đường BTNC trong điều kiện Việt Nam, nhóm nghiên cứu Viện Khoa học và Công nghệ GTVT - Bộ Giao thông Vận tải do TS. Nguyễn Văn Thành làm chủ nhiệm đã đề xuất và được giao thực hiện nhiệm vụ: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp vữa nhựa (bột khoáng + nhựa đường) đến một số tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa chặt nóng”. Kết quả nghiên cứu của đề tài này là cơ sở để đề xuất bổ sung, điều chỉnh một số quy định liên quan đến BK/N của BTNC.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài có các kết luận sau:

1) Tỷ lệ BK/N có vai trò rất quan trọng, có tính quyết định đến tính chất, chất lượng, độ bền lâu của BTNC. Khi được trộn với nhau, giữa bột khoáng và nhựa đường có tương tác vật lý và tương tác hóa học. Các tương tác này có tính quyết định đến chất lượng của BTNC, loại, chất lượng bột khoáng và nhựa đường, tỷ lệ BK/N sử dụng có ảnh hưởng đến các tương tác này cũng như chất lượng của BTNC.

2) Tiêu chuẩn cũng như chỉ dẫn kỹ thuật của một số nước đã quy định/khuyến cáo tỷ lệ BK/N hợp lý trong khi đó, các tiêu chuẩn, quy định hiện hành của Việt Nam đều chưa quy định hoặc khuyến cáo về BK/N.

3) Kết quả thu thập hồ sơ thiết kế các loại hỗn hợp BTN từ 22 dự án với số hồ sơ thiết kế BTNC12.5 là 38, hồ sơ thiết kế BTNC19 là 59 cho thấy kết quả cho thấy BTN12.5 và BTN19 có tỷ lệ BK/N nằm trong khoảng khá rộng; tỷ lệ BK/N của BTN12.5 có xu hướng cao hơn BK/N của BTN19. Tỷ lệ BK/N thấp nhất đều nằm trên cận dưới theo khuyến cáo của các nước và một số nhà nghiên cứu (0.8); có một số mẫu cóa BK/N lớn hơn cận trên theo khuyến cáo của một số nước (1.2 hoặc 1.6 tùy loại cấp phối sử dụng), nhưng phần lớn đều nằm trong phạm vi khuyến cáo.

4) Đề tài đã lựa chọn, thí nghiệm kiểm tra các loại vật liệu sử dụng; thiết kế được hỗn hợp BTNC12.5 (C12.5) sử dụng nhựa thông thường với hàm lượng nhựa 5,0 % (có Va = 4.0%, BK/N = 1.6); đã thiết kế được hỗn hợp BTNP12.5 (P12.5) sử dụng nhựa PMB.III với hàm lượng nhựa 5.2 % (có Va = 4.0, BK/N = 1.54). Đã lựa chọn được 3 tỷ lệ BK/N để nghiên cứu thử nghiệm là 0.6, 1.2 và 1.6; đã tiến hành các thử nghiệm trên các mẫu vữa nhựa tương ứng với 3 tỷ lệ đã lựa chọn; đối với các hỗn hợp bê tông nhựa, đã bổ sung các thử nghiệm đối với mẫu BTNC12.5 và BTNP12.5 có sử dụng BK/N = 0.9 (như vậy, các thử nghiệm đối với bê tông nhựa được chế tạo ứng với 04 tỷ lệ BK/N lần lượt là 0.6, 0.9, 1.2 và 1.6).

5) Kết quả thí nghiệm trên mẫu nhựa/vữa nhựa cho thấy đối với hỗn hợp vữa nhựa, khi BK/N tăng thì độ quánh (cứng), khả năng ổn định dưới tác dụng của hỗn hợp vữa nhựa tăng; tuy nhiên khả năng chịu mỏi lại giảm. Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu thực nghiệm của đề tài cũng như các kết quả nghiên cứu lý thuyết chưa thể đưa ra được phạm vi BK/N tối ưu nhất để thỏa mãn đồng thời cả các yêu cầu về kháng lún vệt bánh xe và độ bền mỏi.

6) Kết quả thí nghiệm trên các hỗn hợp bê tông nhựa cho thấy:

- Đối với hỗn hợp bê tông nhựa, khi BK/N tăng thì khả năng đầm chặt (với một công đầm cố định) tăng đến một giá trị tỷ lệ BK/N nhất định sau đó lại giảm; một số chỉ tiêu cơ lý (S, S’; Rkch, R’kch; TSR và Rs của BTNC12.5; FI) có quy luật tương tự; tuy nhiên các chỉ tiêu cơ lý này đạt giá trị lớn nhất ở các tỷ lệ BK/N khác nhau. Một cách tương đối, xác định được tỷ lệ BK/N trung bình để các chỉ tiêu cơ lý này cùng đạt được giá trị tối ưu là: BK/NC12.5 = (1.00 ÷ 1.30), trung bình BK/NC12.5 = 1.18; BK/NP12.5 = (0.90 ÷ 1.40), trung bình BK/NP12.5 = 1.20.

- Đối với hỗn hợp bê tông nhựa, khi BK/N tăng thì một số chỉ tiêu cơ lý (Et, LVBX) tăng theo xu hướng tốt hơn, điều này cho thấy khi BK/N tăng thì hỗn hợp bê tông nhựa cứng hơn, chịu tác dụng nén tốt hơn (thể hiện qua Et30), chịu tác dụng cắt tốt hơn (thể hiện qua Et36, LVBX).

- Đề tài đã thiết lập được tương quan thực nghiệm giữa BK/N và mô đun đàn hồi ở 30 o C và 60 o C của cả BTNC12.5 và BTNP12.5 theo các công thức (1), (2), (3), (4); kết quả thí nghiệm cho thấy khi BK/N tăng thì hỗn hợp BTN cứng hơn, chịu tác dụng nén tốt hơn (thể hiện qua Et30), chịu tác dụng cắt tốt hơn (thể hiện qua Et60). Đã thiết lập được tương quan thực nghiệm giữa BK/N và LVBX theo các công thức (5), (6). 7) Đã đề xuất sử dụng tỷ lệ BK/N = (0.8÷1.2) cho BTNC nói chung; đối với BTNC sử dụng nguồn vật liệu tương tự như đã sử dụng trong đề tài này thì khuyến nghị tỷ lệ phù hợp BK/N = (0.8÷1.2).

Như vậy, Đề tài đã hoàn thành các nội dung theo đề cương được duyệt, các sản phẩm đề tài đảm bảo yêu cầu. Tỷ lệ BK/N có vai trò quan trọng đối với chất lượng của BTNC, do vậy cần bổ sung quy định tỷ lệ BK/N trong các tiêu chuẩn thiết kế, thi công hỗn hợp BTNC.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18106/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)