CÔNG TY TNHH TM-SX-DV TÍN THỊNH

Ảnh hưởng của các đặc tính nhựa đường trong thi công

Ngày đăng: 27/10/2013 22:46

Ảnh hưởng của các đặc tính nhựa đường trong ứng dụng thi công cầu đường.

Ảnh hưởng của các đặc tính của nhựa đường

đối với đặc điểm kỹ thuật trong ứng dụng thi công

Các đặc điểm kỹ thuật của hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu chịu ảnh hưởng lớn của đặc tính lưu biến (hay cơ học) và một phần của thành phần hóa học của nhựa đường. Tuy nhiên, khi hỗn hợp đã được thi công thành mặt đường thì yếu tố thành phần hóa học của nhựa đường lại đặc biệt quan trọng vì yếu tố này ảnh hưởng tới tốc độ oxy hóa của con đường, qua đó nó quyết định thời gian nhựa đường bị các phương tiện giao thông bào mòn khỏi mặt đường dài hay ngắn. Ngược lại, các yếu tố này lại bị tác động bởi sự thay đổi các đặc tính của nhựa đường do ảnh hưởng của không khí, nhiệt độ và nước. Tất nhiên có nhiều yếu tố khác tác động đến đặc tính của nhựa đường, bao gồm cả bản chất của cốt liệu, thành phần của hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu, tỷ lệ nhựa đường trong hỗn hợp (nghĩa là độ dày của lớp nhựa đường phủ trên bề mặt cốt liệu), độ chặt khi đầm nén mặt đường…tất cả những yếu tố trên ảnh hưởng đến tốc độ bền của con đường trong tương lai.

Nhựa đường là vật liệu có tính nhớt - đàn hồi và đặc tính của chúng biến động từ thuần nhớt đến đàn hồi phụ thuộc vào thời gian chịu tải và nhiệt độ. Trong quá trình trộn và đầm nến hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu, và khi hỗn hợp đã được thi công thành mặt đường và được đưa vào sử dụng ở những vùng khí hậu nóng, đặc tính của nhựa đường có thể xem là nhớt, nhưng trong hầu hết các điều kiện làm việc nhựa đường biểu hiện tính đàn hồi - nhớt và các đặc tính của chúng có thể được diễn tả bằng môđun cứng.

Bảng 1 - Các yếu tố kỹ thuật với nhựa đường trong quá trình sử dụng và trên đường

Biểu hiện trong quá trình	Điều kiện		Đặc tính quan trọng của bitum trong hỗn hợp
	Nhiệt độ (0C)	Thời gian chịu tải (s)
Ứng dụng Trộn Rải Lu lèn	Cao (>1000C) Cao cao	- - -	Độ nhớt xấp xỉ. 0,2 Pa.s Độ nhớt Độ nhớt, nhỏ nhất 5 Pa.s               Lớn nhất 30 Pa.s
Trên q/t sử dụng Biến dạng vĩnh viễn Chảy nhựa	Nhiệt độ đường cao (30-600C) Nhiệt độ đường cao (30-600C)	Dài> 10-2 Dài>10-2	Độ nhớt nhỏ nhất được xác định bằng chỉ số kim lún và điểm mềm của nhựa đường
Mặt đường bị nứt -Ứng suất giao thông -Ứng suất nhiệt Bào mòn	Nhiệt độ thường thấp Nhiệt độ thường thấp Nhiệt độ thường thấp	Ngắn(10-2) Dài Ngắn(10-3)	Độ cứng tối đa của nhựa đường

 

1   Ảnh hưởng của các đặc tính của nhựa đường trong quá trình xây dựng

1.1   Trộn  và vận chuyển

Trong quá trình trộn nhựa đường nóng phải được chuẩn bị sao cho đáp ứng mọi yêu cầu kỹ thuật để nhựa đường có thể bao phủ đều lên các hạt cốt liệu khoáng đã được sấy khô và rang nóng, trong điều kiện chu kỳ trộn xảy ra trong một thời gian tương đối ngắn (thường 30-40 giây) và điều này ảnh hưởng tới việc quyết định nhiệt độ thấp nhất. Yêu cầu khi trộn phải bảo đảm nhiệt độ đủ cao để nhựa đường phân bố đều và nhanh trên bề mặt cốt liệu, do đó phải cố gắng hết mức để giảm thiểu thời gian trộn ở nhiệt độ thấp nhất. Nhiệt độ trộn càng cao thì mức độ oxy hóa của lớp nhựa đường mỏng phủ trên bề mặt cốt liệu càng lớn.

Khi tăng nhiệt độ trộn thêm 5,5⁰C đối với thời gian trộn tiêu chuẩn 30 giây, điểm hóa mềm của nhựa đường sẽ tăng thêm 1⁰C. Do đó người ta phải quy định mức nhiệt độ tối thiểu và tối đa cho quá trình trộn. Nếu cốt liệu bị đun quá nóng có thể xảy ra hiện tượng nhựa đường sẽ bong khỏi cốt liệu trong thời gian bảo quản tại trạm trộn hay trên đường vận chuyển đến công trường và hiện tượng đó dẫn đến sự thay đổi hàm lượng nhựa đường trong hỗn hợp. Trong trường hợp này, bột khoáng có một chức năng quan trọng. Bởi vì nó được thêm vào hỗn hợp sau khi quá trình bao phủ cốt liệu đầy đủ đã hoàn tất, nó đóng vai trò ổn định hóa hay tăng độ nhớt của nhựa đường lên rõ rệt, làm giảm hiện tượng nhựa đường bị tách khỏi cốt liệu.

Kết hợp tất cả các yếu tố nêu trên, ta xác định được độ nhớt tối ưu của nhựa đường là 0,2 Pa.s (2 poise) trong quá trình trộn ở nhiệt độ trộn tiêu chuẩn. Thực tế đã chứng minh rằng nhiệt độ cần để đạt được một độ nhớt là 0,2 Pa.s có thể được ước tính bằng một cách đơn giản là cộng thêm 110⁰C vào nhiệt độ hóa mềm của nhựa đường. Một hạn chế của phương pháp này là chỉ số kim lún (PI) của nhựa đường không được xem xét tới. Có thể xác định một chính xác hơn bằng cách vẽ các điểm hóa mềm và kim lún biểu đồ số liệu thí nghiệm nhựa đường.

Khi hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu được rải trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp, hay nếu cần phải chuyển hỗn hợp trên một quãng đường dài, người ta thường tăng nhiệt độ trộn để bù cho hai yếu tố nói trên. Tuy nhiên, sự gia tăng nhiệt độ trộn sẽ thúc đẩy quá trình oxy hóa nhựa đường một cách đáng kể và sẽ làm tăng độ nhớt của nhựa đường. Nhưng nếu hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu được vận chuyển bằng xe thùng chở hàng kín, cách nhiệt tốt thì hao hụt nhiệt độ thảm chỉ ở mức không đáng kể, khoảng 2⁰C/giờ.

1.2   Rải đường và lu lèn

Cho đến khi đổ hỗn hợp nhựa đường - cốt liêu vào máy rải, nhiệt độ của hỗn hợp đã giảm tới 20⁰C so mới khi mới trộn xong, và khi hỗn hợp được rải thành thảm tại hiện trường nhiệt độ lại tiếp tục giảm đi nữa. Sự mất nhiệt phụ thuộc vào độ dày của lớp vật liệu, nhiệt độ môi trường thi công, tốc độ gió và nhiệt độ của lớp nền trải thảm. Hai yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự mất nhiệt của lớp vật liệu rải là tốc độ gió và độ dày thảm bêtông. Một khi thảm bêtông nhựa đường đã được rải trên nền đường nó phải đạt các yêu cầu kỹ thuật sau khi lu lèn mặt đường phải đạt được độ chặt thiết kế. Độ nhớt của nhựa đường thích hợp cho công tác lu lèn vào khoảng từ 5 Pa.s (50 poise) đến 30 Pa.s (300 poise). Nếu độ nhớt thấp hơn 5 Pa.s, hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu sẽ quá nhảo và ở nhiệt độ nhớt cao hơn 30 Pa.s hỗn hợp sẽ quá cứng, rất khó lu lèn chặt hơn được nữa. Nhiệt độ thấp nhất để lu lèn có thể được ước tính bằng cách cộng thêm 50⁰C vào điểm hóa mềm của nhựa đường.

2.   Ảnh hưởng của các đặc tính của nhựa đường đến các biểu hiện của hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu trong quá trình sử dụng

Sau khi hỗn hợp đã được sản xuất, rải và lu lèn, các biểu hiện của nó trong khi đường được sử dụng cũng phải được xem xét. Điều kiện quan trọng cho các đặc điểm kỹ thuật của hỗn hợp nhựa đường thường liên quan đến hoặc là nhiệt độ cao (30-60⁰C) hoặc là nhiệt độ thấp trong quá trình sử dụng (<5⁰C). Ở nhiệt độ cao thường xuất hiện tình trạng nhựa đường bị sụt lùi lên và làm mặt đường bị biến dạng. Ở nhiệt độ thấp thường xuất hiện tình trạng mặt đường bị nứt vỡ hoặc cốt liệu bị bong khỏi mặt đường.

2.1   Biểu hiện khi nhiệt độ sử dụng cao

2.1.1   Biến dạng vĩnh viễn

Về lý thuyết, sự biến dạng xuất hiện trên troàn bộ cấu trúc đường. Tuy nhiên vì hỗn hợp asphalt có độ dẫn nhiệt thấp, trong thực tế phần lớn sự biến dạng là sự biến dạng dẻo của lớp mặt. Hiện tượng biến dạng mặt đường xảy ra dưới tác động của cả tải trọng động và tải trọng tĩnh (xe chạy và xe đỗ), và đặc biệt dưới ứng suất trượt cao do xe phanh, tăng tốc hay quay đầu xe. Yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến sự biến dạng dẻo là thành phần của hỗn hợp thi công mặt đường, nhưng độ nhớt của nhựa đường lại chi phối các biểu hiện của đường dưới tác dụng của tải trọng, nhiệt độ…Hiện tượng biến dạng dẻo xuất hiện rõ nhất khi nhiệt độ mặt đường cao, với mức 60⁰C được cho là nhiệt độ tối đa. Ở nhiệt độ ảnh hưởng tích lũy là tải trọng lặp đi lặp lại trong khoảng thời gian ngắn sẽ được quyết định bởi độ nhớt của nhựa đường. Người ta ước tính rằng, trong cả mùa hè dài nóng bức ở vương quốc Anh vào năm 1976, mức độ biến dạng mặt đường bêtông asphalt do các vệt bánh xe tạo ra trên mặt đường cao gấp từ 2 đến 4 lần so với tỷ lệ biến dạng trung bình của mùa hè.

Tầm quan trọng của chỉ số kim lún (PI) của nhựa đường đã được kiểm chứng bằng một dự án thực nghiệm toàn diện trên đọan đường vượt Colnbrook. Nhiều loại nhựa đường có đặc tính lưu biến khác nhau đã được sử dụng sản xuất trong hỗn hợp bêtông asphalt rải lớp mặt đường, thi công theo phương pháp lu lèn nóng. Công việc ở một số phòng thí nghiệm đã chứng minh rằng sự biến dạng xuất hiện trong quá trình bánh xe lăn trên những đoạn đường thử nghiệm có thể dự đoán được bằng cách sử dụng thí nghiệm nén trượt bánh xe đồng trục không giới hạn. Đường cong tự biến (rào) của độ cứng hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu (S_mix) được vẽ để so sánh với độ cứng của nhựa đường (S_bit) có thể được dùng để so sánh cho các hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu khác nhau và để dự đoán sự biến dạng tương đối của chúng, với giả thiết chúng phải chịu cùng một nhiệt độ và thời gian chịu tải trọng.

Hình dạng của đường cong tự biến đối với lớp mặt đường bê tông asphalt được lu nóng điển hình có chiều dài xắp xỉ nhau được biểu diễn bởi một đường thẳng có độ dốc là 0.25 như vậy:

S_mix  =  K (S_bit)^0,25

Với những hỗn hợp có giá trị S_bit là một tỷ số đã biết:

Tỉ số S_mix  =  (Tỉ số S_bit)^0,25

Với hỗn hợp nhựa đường trong các cấu trúc đường tương tự được giả định là cùng phải chịu một mật độ giao thông:

Sự biến dạng  =  K x 1/S_mix

Với hai hỗn hợp nhựa đường có giá trị S_mix là một tỷ số đã biết

Tỷ số biến dạng  =  1/ S_mix x tỷ số

Các đường quan hệ trên có thể được sử dụng để so sánh tác động của sự thay đổi độ kim lún của nhựa đường và / hoặc PI.

Bảng 2a - Ảnh hưởng của kim lún đến sự biến dạng tương đối của các hỗn hợp ở nhiệt độ 40⁰C

Độ kim lún bitum	PI	Độ nhớt ở 400C, Pa.s	Sbit tương đối	Smix tương đối	Biến dạng tương đối
100 60 50 40 30	-0,8 -0,6 -0,5 -0,5 -0,4	6 Î103 18Î103 30Î103 40Î103 90Î103	0,2 0,6 1 1,3 3,0	0,67 0,88 1 1,07 1,32	1,5 1,1 1 0,94 0,75

 

Bảng 2b - Ảnh hưởng của chỉ số kim lún đến biến dạng tương đối của hỗn hợp ở 40⁰C

Độ kim lún bitum	PI	Độ nhớt ở 400C, Pa.s	Sbit tương đối	Smix tương đối	Biến dạng tương đối
40 40 40	-0,5 +0,5 +0,2	4Î104 1,5Î105 6Î105	1 3,8 15	1 1,41 1,97	1 0,71 0,50

Các tính toán đã được thực hiện theo các nguyên tắc nêu trên cho thấy nếu độ biến dạng của một hỗn hợp bêtông asphalt sản xuất với nhựa đường 50 pen được coi là một đơn vị chuẩn, thì một hỗn hợp được sản xuất sử dụng nhựa đường 30 pen được giả định là cùng chịu một nhiệt độ và tải trọng như nhau sẽ biến dạng bằng 0,75 đơn vị. Gỉa thiết rằng thời gian chịu tải trọng để xác định độ cứng và độ nhớt là như nhau. Ngược lại nếu sử dụng một nhựa đường 100 pen, sẽ xuất hiện một sự biến dạng là 1,5 đơn vị (xem bảng 2a). Rõ ràng việc sử dụng nhựa đường cứng hơn không cải thiện được bao nhiêu tình trạng biến dạng mặt đường.

Tăng chỉ số kim lún PI của nhựa đường sẽ nâng cao rõ rệt khả năng chống biến dạng mặt đường. Ví dụ: ở nhiệt độ t =40⁰C, một loại nhựa đường thứ nhất có độ kim lún là 40 và PI là -0,5, độ nhớt là 4Î10⁴ Pa.s trong khi đó một loại nhựa đường thứ hai có cùng độ loại kim lún nhưng lại có chỉ số kim lún PI là +2 và có độ nhớt là 6Î10⁵ Pa.s ở cùng nhiệt độ 40⁰C. Điều này mang lại cho độ nhớt và độ cứng của hai loại nhựa đường nói trên một thừa số là 15. Như vậy sử dụng một lực là hơn 0,25 thì sẽ làm tăng lên gần 2 đơn vị độ cứng của hỗn hợp. Điều đó có nghĩa là, mức độ biến dạng do tải trọng của một hỗn hợp bêtông asphalt sản xuất từ một nhựa đường có PI là +2 sẽ chỉ bằng một nửa mức độ biến dạng của hỗn hợp bêtông asphalt sản xuất từ một nhựa đừơng tiêu chuẩn (bảng 2b).

Mối quan hệ tương hỗ giữa các đặc tính của nhựa đường với cả thí nghiệm về sự hình thành vệt lún bánh xe và thí nghiệm Marshall cho thấy một mối tương quan lỏng lẻo giữa độ kim lún của nhựa đường và tính ổn định Marshall và sự biến dạng trong thí nghiệm vệt lún bánh xe. Cứ tăng điểm hóa mềm của nhựa đường lên 5⁰C thì tính ổn định Marshall được tăng lên hơn 1,3 kN và mức độ gia tăng của độ sâu vệt bánh xe giảm đi khoảng một nửa.

2.1.2   Hiện tượng nhựa đường sùi lên mặt đường

Hiện tượng nhựa đường sùi lên mặt đường xuất hiện do áp lực của xe cộ đi lại, tải trọng giao ép xuống đường làm giảm các khoảng rỗng trong khối bêtông asphalt và cuối làm nhựa đường chảy ra bề mặt đường. Tình trạng này sẽ xảy ra tồi tệ hơn nếu hàm lượng nhựa đường trong hỗn hợp quá cao hay độ rỗng trong khối bêtông asphalt quá thấp. Hiện tượng nhựa đường nổi lên mặt đường, bị các phương tiện giao thông bóc đi làm cho mặt đường nhẵn bong, trơn trượt trong điều kiện thời tiết ẩm ướt. Hiện tượng này thường xuất hiện ở hầu hết các tuyến đường có nhiệt độ cao, như vậy việc giới hạn điểm mềm hay độ nhớt của nhựa đường ở 60⁰C  sẽ hạn chế được hiện tượng này.

2.2   Các biểu hiện của nhựa đường trên mặt đường ở nhiệt độ hoạt động thấp

Tình trạng mặt đường bị hỏng do nhiệt độ thấp liên quan đến sự gãy vỡ của lớp bêtông asphalt mặt đường và tình trạng bong cốt liệu mặt đường. Một công trình nghiên cứu chuyên sâu về lưu biến học và tình trạng nứt gãy nhựa đường và hỗn hợp nhựa đường đã cho thấy biểu hiện nứt gãy có liên quan trực tiếp đến môđun độ cứng của chúng.

2.2.1   Hiện tượng nứt

Một hỗn hợp bêtông asphalt sẽ nứt khi ứng suất được lặp đi lặp lại, do sự biến dạng gây ra bởi phương tiện giao thông hoặc do sự thay đổi nhiệt độ vượt qua giới hạn chịu mỏi hay chịu vỡ của hỗn hợp. Ở nhiều nước, các điều kiện khắc nghiệt như vậy thường xuyên xuất hiện vào thời điểm nhiệt độ môi trường tăng lên 0⁰C một chút sau một theo một thời gian dài ở dưới điểm đóng băng. Dưới những điều kiện như vậy, độ ổn định của đất nền bị giảm đi rõ rệt tạo ra một sức căng lớn trong kết cấu bêtông asphalt, cộng với tải trọng giao thông nên tạo ra nguy cơ nứt đường. Hiện tượng này thường được gọi một cách nôm na là “hiện tượng nứt đường mùa xuân”.

2.2.2   Hiện tượng nứt do nhiệt độ thấp

Trong quá trình nguội dần sau khi được rải và lu lèn, hỗn hợp asphalt sẽ co uốn nhiều, tuy nhiên trong tổng thể cấu trúc một con đường được lu lèn và thiết kế tốt bản thân con đường không thể nở ra về chiều dài. Khi ứng suất tăng do nhiệt hình thành cùng với ứng suất gây ra do giao thông, có thể vượt qua mức chịu vỡ của asphalt dẫn đến hiện tượng nứt gãy do nhiệt. Đây là vấn đề đặc thù ở Trung-Tây của Bắc Mỹ, Canada và ở Siberi với nhiệt độ có thể có thể xuống tới -40⁰C.

Từ các đặc tính vỡ, độ cứng của cả nhựa đường và hỗn hợp bêtông asphalt người ta có thể dự tính được các điều kiện trong đó hiện tượng vỡ do nhiệt có khả năng xảy ra để áp dụng các biện pháp giảm ứng suất. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã cho thấy nhiệt độ tạo ra hiện tượng nứt có liên quan đến độ cứng ở nhiệt độ thấp của nhựa đường. Nhựa đường ít mẫn cảm với nhiệt độ, có nghĩa là có chỉ số PI cao, có thể giảm thiểu tình trạng “nứt” do nhiệt độ thấp. Nhựa đường mềm có thể cải thiện được tình hình, xong việc sử dụng nhựa đường mềm lại bị hạn chế do không đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật ở nhiệt độ hoạt động cao. Qua các thí nghiệm đối với các phẩm cấp nhựa đường hiện được sử dụng ở Vương Quốc Anh cho thấy các nhựa đường loại này sẽ bị nứt vỡ ở nhiệt độ -30⁰C, như vậy lý thuyết ở Vương Quốc Anh đường bộ sẽ không bị nứt gãy do nhiệt độ thấp. Cho đến gần đây ở Vương Quốc Anh đã xuất hiện hiện tượng đường bêtông asphalt bị nứt gãy ở nhiệt độ thấp, tuy với quy mô nhỏ. Tuy vậy, các cuộc điều tra trên con đường ôtô M4 ở Bershire đã tìm ra hiện tượng nứt mà ban đầu ở trên bề mặt đường rồi tiến sâu xuống qua các lớp nhựa đường. Người ta đã đưa ra giả thuyết rằng sự thay đổi nhiệt ban ngày và nhiệt đột thấp trong suốt mùa đông là nhân tố phụ thêm vào sự hình thành và phát triển các vết nứt.

2.2.3   Hiện tượng nứt liên quan đến tải trọng

Khi có một tải trọng đè lên mặt đường bêtông asphalt, một ứng suất căng và sự biến dạng bắt đầu xuất hiện ở mặt dưới các lớp liên kết nhựa đường. Nếu cấu trúc đường không phù hợp với tải trọng đè lên mặt đường hay các đặc điểm của nền đường bị thay đổi do ngấm nước, sự căng kéo vượt qua khả năng chịu tải của vật liệu, và hiện tượng nứt ở đáy lớp nhựa đường sẽ xảy ra. Tải trọng lặp đi lặp lại gây ra ứng suất kéo vượt “cường độ” kéo của hỗn hợp bêtông asphalt sẽ làm cho các vết nứt phát triển lên phía trên mặt đường, đây gọi là hiện tượng “vật liệu bị mỏi”.

2.2.4   Hiện tượng nứt dây chuyền

Người ta cho rằng hiện tượng nứt dây chuyền là kết quả của sự giãn nở do nhiệt độ gia tăng vào ban ngày và sự co uốn của các lớp bêtông ximăng nghèo làm nền đường.Sự co giãn nội tại trong khối vật liệu nền đường tạo ra sứt căng cường độ cao ngay trên các vết nứt hay tại các khe nối giữa các mẻ bêtông nền đường. Kết quả là một vết nứt hình thành trong nền đường và vết nứt đó truyền dần lên các lớp bêtông asphalt phía trên và lên tận mặt đường. Tuy nhiên, qua kiểm tra các vết nứt dây chuyền trên đường người ta đã phát hiện ra rằng các vết nứt cũng có thể được hình thành ngay trên mặt đường và ăn sâu xuống gặp các vết nứt ở tần nền đường bằng bêtông nghèo. Ngoài các ứng suất và tình trạng biến dạng do nhiệt gây ra, tải trọng do các phương tiện giao thông cũng tạo ra các xung lực theo phương thẳng đứng tại các điểm nối giữa các mẻ bêtông ximăng nghèo dưới nền đường, những xung lực này sẽ tạo ra ứng suất xé. Độ lớn của ứng suất xé này sẽ phụ thuộc vào độ dày của các lớp bêtông asphalt, độ dày lớp nền bằng bêtông ximăng nghèo, lớp đất nền và số khớp chèn giữa các tấm bêtông.

Nhìn chung, cường độ của ứng suất xé do tải trọng của các phương tiện giao thông gây ra quá nhỏ để tạo ra các vết nứt, nhưng nếu khớp chèn cơ học tại các vết nứt hiện bị hỏng, ứng suất xé có thể tăng lên và làm cho vết nứt đó lan nhanh thêm.

Một luận điểm thứ ba cho rằng các vết nứt ở trên mặt đường có thể do một sự kết hợp của tình trạng vật liệu bị co ngót do nhiệt độ thấp và sự uốn của mặt đường dưới điều kiện mùa đông lạnh giá. Dưới những điều kiện này bề mặt mặt đường làm bằng nhựa đường rất cứng và ít khả năng chịu đựng ứng suất kéo và sự biến dạng do co uốn nhiệt gây ra. Trong điều kiện thời tiết lạnh, các lớp vật liệu bên trên phải chịu độ thấp hơn các lớp bên dưới, và mức độ co ngót vật liệu khác nhau ở các lớp khác nhau làm cho khối vật liệu bị uốn cong tạo ra một ứng suất kéo ở bề mặt đường, mà lực kéo đó có thể làm nứt mặt đường, và vết nứt này sẽ ăn sâu xuống đến các vết nứt ở lớp bêtông ximăng nghèo làm nền đường.

2.2.5   Hiện tượng bong cốt liệu khỏi mặt đường

Bong cốt liệu khỏi mặt đường là hiện tượng các hạt cốt liệu không còn kết dính với nhựa đường và bị bong khỏi mặt đường. Hiện tượng này xảy ra khi có sự dịch chuyển đơn lẻ của từng hạt cốt liệu dưới hoạt động giao thông tích tụ lại đủ để tạo ra các ứng suất kéo hay sự biến dạng vượt qua cường độ chịu nứt gãy của nhựa đường. Bong cốt liệu hầu như chỉ xảy trong điều kiện nhiệt độ thấp và thời gian mặt đường và phải chịu tải ngắn khi độ cứng của nhựa đường cao. Bong cốt liệu cũng thường xảy ra khi trời mưa và có nước đọng trên mặt đường.

Các yếu tố đưa đến tinh trạng bong cốt liệu là hàm lượng nhựa đường trong bêtông asphalt thấp và mặt đường không đạt độ đầm chặt. Bong cốt liệu có thể do suy độ bám dính giữa cốt liệu và nhựa đường hoặc do lớp nhựa đường mỏng bám trên các hạt cốt liệu để liên kết chúng với nhau bị phá vỡ. Điều thứ nhất, tức là sự kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu bị phá vỡ, sẽ không xảy ra nếu ta lựa chọn được cốt liệu phù hợp. Trong phần lớn các trường hợp mặt đường bị bong cốt liệu là do đầm lèn mặt đường không đủ độ chặt hoặc hàm lượng nhựa trong bêtông asphalt quá thấp. Việc ngay từ đầu chọn đúng phẩm cấp nhựa đường thích hợp có thể giúp ta xác định mức độ đầm lèn mặt đường, đặc biệt nếu hoạt động xây dựng đường phải thực hiện trong điều kiện thời tiết bất lợi và không đảm bảo được nhiệt độ đầm phù hợp. Độ kim lún của nhựa đường càng cao hay độ cứng của nhựa đường ở nhiệt độ thấp càng thấp thì khả năng loại trừ hiện tượng bong cốt liệu khỏi mặt đường càng lớn.

2.2.5.1   Bong cốt liệu mặt đường đá nhựa

Đối với hỗn hợp nhựa đường đá nhựa có 3 dạng bào mòn có thể xác định:

·        Bong cốt liệu nhỏ: Đây là hiện tượng bong các hạt cốt liệu mịn trong khe hở trên mặt đường. Các vết bong vật liệu rất nhỏ, sau đó lại được làm kín lại dưới tác động của giao thông nên không gây tổn hại gì thêm.

·        Bong cốt liệu thô: Nếu các khe hở do bong cốt liệu hạt nhỏ không được lấp đầy dưới tác động của tải trọng giao thông, hiện tượng tiếp theo sẽ là các hạt cốt liệu trên mặt đường không được chèn chặt với nhau đưa đến tình trạng bong cốt liệu thô trên mặt đường và mất lực kết dính bên trong do nước ngấm xuống. Nước làm hỏng sự liên kết bám dính giữa nhựa đường và cốt liệu dẫn đến bong nhựa đường. Sau đó, các hạt cốt liệu nhỏ và nước bị dồn nén trong các khe nứt của đường dưới tác dụng của tải trọng giao thông sẽ xói mòn các khe hở giữa các hạt cốt liệu thô và làm đường hỏng nặng thêm. Trong thực tế, hiện tượng này thậm chí còn làm sụp móng đường, phá vỡ sự liên kết trong kết cấu nhựa đường - cốt liệu và thường biểu hiện bằng các vết nứt trên mặt đường.

·        Tình trạng bật cốt liệu thô: Bật cốt liệu thô khác với bong cốt liệu tại chỗ tải trọng giao thông làm bong tức thì các hạt cốt liệu lớn khỏi mặt đường mà trước đó chưa xảy ra tình trạng nhựa đường bị bong khỏi cốt liệu hoặc các hạt cốt liệu nhỏ bong khỏi mặt đường. Nếu tải trọng kéo của các phương tiện giao thông tạo ra lớn hơn ứng suất kéo gãy trong nhựa đường, sự kết dính giữa nhựa đường và các hạt cốt liệu sẽ bị phá vỡ đột ngột  và các hạt cốt liệu thô sẽ bị tách ra khỏi mặt đường. Như vậy, hiện tượng bật cốt liệu thô phần lớn chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp và thời gian chịu tải trọng ngắn, khi độ cứng của nhựa đường cao.

Cuộc khảo sát nhấn mạnh đến các yếu tố sau, được coi là có tác động chủ yếu đến tình trạng bong cốt liệu đối với mặt đường đá nhựa chặt.

·        Đầm lèn ban đầu không đủ chặt do:

Chiều dày trong các lớp kết cấu đường không đủ dày hoặc độ dày của một lớp không đều;

Các lớp nền không đủ chắc;

Hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu khi thi công có độ cứng quá cao.

Vì bất cứ lý do gì, nếu quá trình đầm lèn ban đầu không đủ độ chặt thiết kế sẽ làm cho nước có thể thấm xuống kết cấu đường và gây ra tình trạng mặt đường bị bong cốt liệu nặng nề như đã nói ở trên.

·        Đầm lèn thứ cấp không đủ độ chặt do lưu lượng giao thông thấp.

Hiện tượng bong cốt liệu hạt nhỏ có thể được ngăn chặn nếu quá trình đầm lèn thứ cấp được thực hiện tốt với phương tiện giao thông đảm bảo. Tuy vậy, nếu quá trình đầm lèn thứ cấp không đủ chặt, hiện tượng bong cốt liệu hạt nhỏ có thể phát triển thành bong cốt liệu hạt thô.

Rải đường trong thời gian có mưa, thời tiết ẩm ướt thường dẫn đến tình trạng đầm lèn không đủ độ chặt, trừ khi công việc được thực hiện với một sự quan tâm tối đa.

Khi thi công đường trong thời tiết ẩm ướt, mưa nhiều, thời gian để đảm bảo đầm lèn có hiệu quả rất bị giới hạn. Với các lớp vật liệu mỏng thời gian đảm bảo lèn một cách thỏa đáng có thể chỉ vào khoảng 4 phút.

Các lớp asphalt mỏng được rải trên nền lạnh sẽ nguội đi rất nhanh, cứng rất nhanh trước khi đạt độ đầm lèn thỏa đáng. Hơn nữa, các lớp mỏng thường không đủ chiều sâu để các hạt cốt liệu được định hướng và lèn xuống một cách chắc chắn.

·        Sử dụng hàm lượng nhựa đường thấp hơn nhựa đường cứng hơn:

Hàm lượng nhựa đường thấp và nhựa đường cứng hơn làm tăng độ cứng của hỗn hợp làm cho vật liệu khó đầm hơn, như vậy có thể làm gia tăng một cách đáng kể khả năng đầm lèn không đủ độ chặt thiết kế. Trong trường hợp cụ thể việc lựa chọn phẩm cấp nhựa đường có ảnh hưởng mạnh mẽ tới khả năng làm việc của hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu. Lựa chọn chính xác phẩm cấp nhựa đường là tối cần thiết, đặc biệt nếu việc thi công đường được thực hiện trong điều kiện thời tiết xấu.

Những thí nghiệm mô phỏng về vệt bánh xe lăn mài mòn mặt đường hỗn hợp nhựa đường - cốt liệu và đá nhựa thi công nguội ở 0⁰C, với việc sử dụng các phẩm cấp nhựa đường khác nhau đã cho thấy phẩm cấp nhựa đường phù hợp có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng chống bào mòn. Lượng vật liệu bị bào mòn khỏi bề mặt tăng lên một cách đáng kể khi sử dụng các phẩm cấp nhựa đường cứng hơn, tức là độ biến dạng ở điểm vỡ giảm xuống. Một chi tiết rất thú vị là asphalt nguội cốt liệu mịn nhạy cảm đối với phẩm cấp nhựa đường hơn hỗn hợp đá nhựa đường.

2.2.5.2   Tình trạng bong cốt liệu đối với asphalt lu nóng rải mặt đường

Đối với hỗn hợp asphalt lu nóng có 3  dạng bong cốt liệu.

·        Bong cốt liệu bề mặt đối với vữa asphalt

Cũng giống hỗn hợp đá nhựa, mặt đường phủ bằng vữa asphalt cũng gặp phải tình trạng bong cốt liệu. Một lượng nhỏ những hạt vật liệu mịn này bị bào mòn khỏi vữa asphalt trên mặt đường do áp lực của các phương tiện giao thông. Các khe nhỏ bị bong cốt liệu hạt nhỏ sau đó tự hàn lại dưới tác động của các phương tiện giao thông mà không có tác động xấu.

·        Bong cốt liệu hạt thô với vữa asphalt

Đây là tình trạng mặt đường bị bào mòn nhựa đường giữa các hạt cốt liệu. Quá trình này liên quan đến sự bào mòn hỗn hợp vữa asphalt giữa các viên cốt liệu. Do sự kết dính giữa các hạt cốt liệu bị phá vỡ, chúng bị bong khỏi mặt đường. Mặc dù độ rỗng trung bình của lớp mặt đường là thỏa mãn, nhưng độ rỗng quá cao do các hạt cốt liệu lớn tạo ra đạt tới từ 5-10 mm là không thể chấp nhận được. Với độ rỗng lớn như vậy lớp vật liệu mặt đường có thể bị thấm không khí và nước và dễ bị bong cốt liệu sớm.

·        Bong đá găm tạo nhám và bào mòn vữa asphalt

Để các hạt đá găm tráng nhựa đường có thể ăn sâu xuống lớp vữa nhựa đường trên mặt đường khoảng 1,5 mm, người ta rải đá găm tráng nhựa đường với mật độ khá dày. Điều đó không để tránh khỏi một phần nhỏ các đá găm tạo nhám này sẽ không được gắn chặt vào hỗn hợp asphalt , chúng sẽ bị bong ra trong ngày đầu xe lưu thông trên đường. Đây là những đặc điểm kỹ thuật đã được thừa nhận đối với loại vật liệu này, tới 5% đá găm tráng nhựa đường bị mất đi được xem là chấp nhận được.

Khi tỷ lệ tổn thất lớn xảy ra thì có thể do:

Do đặc điểm kỹ thuật của lớp vữa nhựa đường không phù hợp, các hạt đá găm tạo nhám không thể kết dính chặt với mặt đường;

Các hạt đá găm tạo nhám không thâm nhập đủ sâu xuống lớp vữa nhựa đường;

Độ bám dính giữa các hạt đá găm tráng nhựa đường và hỗn hợp asphalt không tốt.

Tình trạng các hạt đá găm tạo nhám không thâm nhập được sâu vào lớp mặt đường có thể do một hoặc nhiều lý do sau đây:

Hỗn hợp bêtông asphalt quá cứng;

Nhiệt độ của hỗn hợp asphalt quá thấp khi đầm nén;

Trong quá trình rải mặt đường hỗn hợp asphalt bị mất nhiệt quá sớm do thời tiết không thuận lợi;

Rải với mật độ quá dày các hạt đá găm tráng nhựa đường tạo nhám.

Công tác đầm nén không được thực hiện tốt.

Một phương pháp để xử lý tình trạng đá găm tạo nhám không gắn kết với mặt đường là làm nóng lại bề mặt đường bằng một thiết bị gia nhiệt bằng tia hồng ngoại. Khi mặt đường đã đạt nhiệt độ cần thiết, lu lại để đá găm thâm nhập sâu hơn xuống mặt đường. Nếu áp dụng một cách đúng kỹ thuật, phương pháp này sẽ không làm nhựa đường rắn hơn một cách đáng kể, ngoại trừ ở ngoài mặt đường.

Một phần đá găm tạo nhám bị bong khỏi mặt đường có thể do độ bám dính kém giữa đá găm tráng nhựa đường và lớp bêtông asphalt. Người ta đã phát hiện ra rằng màn nhựa đường trên bề mặt đá găm tạo nhám thể bị “cứng hóa” trong quá trình tồn chứa với khối lượng lớn ngay sau khi được sản xuất ra. Do đó màng nhựa đường trên mặt đá găm tạo nhám, không còn khả năng kết dính với hỗn hợp bêtông asphalt trong quá trình thi công. Có thể kiển tra độ bám dính của lớp màng nhựa đường tráng trên bề mặt đá găm bằng thí nghiệm cát nóng.

Khi đá găm tạo nhám bị bong ra khỏi mặt đường, lớp vữa asphalt phải chịu các tác động trực tiếp của các phương tiện giao thông. Kết quả là mặt đường bị bào mòn, xuống cấp nhanh chóng.

2.3   Ảnh hưởng của nhựa đường đến sự hình thành lớp nhám ở lớp mặt đường rải bằng asphalt lu nóng

Để duy trì một mặt đường asphalt lu nóng không trơn trượt người ta rải đá găm tráng nhựa đường lên mặt đường rồi lu lèn, còn lớp vữa bám dính cho đá găm tạo nhám được trộn bằng cát, bột khoáng và nhựa đường. Lớp vữa này sẽ có độ cứng thích hợp để các hạt đá găm thâm nhập đủ sâu xuống lớp vữa, phần còn lại phải lộ trên mặt đường để chống trượt.

Các cuộc thí nghiệm trên mặt đường một cách đầy đủ được thực hiện chung giữa Phòng nghiên cứu đường bộ và vận tải (TRRL) và Tập đoàn dầu khí quốc tế Shell vào đầu thập niên 1960 đã chứng minh rõ ràng xuất xứ hoặc chủng loại nhựa đường là nhân tố cơ bản trong “khả năng chống chịu với thời tiết” của bề mặt vữa nhựa đường trên đường. Dự án đo hệ số ma sát ngang (SFC) cao, được thực hiện trong suốt 8 năm (tiêu chuẩn hóa kết quả thu được đối với giá trị hệ số ma sát ngang mùa hè) cho thấy rõ ràng nhựa đường đã ảnh hưởng đáng kể đến hệ số ma sát ngang. Nhựa đường hiện đại trộn một phần asphalt thiên nhiên của Trinidad (TLA) có hệ số ma sát ngang (SFC) cao, trong khi nhựa đường có nguồn gốc Venezuela có giá trị SFC thấp hơn đáng kể. Sự khác nhau về đặc điểm kỹ thuật đã góp phần vào sự khác nhau trong mức độ hóa cứng của nhựa đường do sự ôxy hóa của không khí. Nhựa đường Venezuela quá bền, không bị bong khỏi bề mặt vữa, do đó qua một thời gian sử dụng đã tạo ra mặt đường nhẵn bong. Tuy nhiên, thành phần hòa tan của asphalt thiên nhiên Trinidad (TLA) trên bề mặt đường đã hóa cứng nhiều hơn rất nhiều so với chất liên kết ban đầu, mặc dù có tác động của dầu rơi từ các phương tiện giao thông xuống làm mềm hóa.

Do đó, người ta đã cho rằng, nếu tính mẫn cảm với ôxy hóa của nhựa đường Venezuela có thể được tăng lên đạt đến mức của asphalt thiên nhiên Trinidad, và nếu sự ôxy hóa là yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến tính chống chịu thời tiết, sản phẩm hỗn hợp này sẽ biểu hiện các đặc tính kỹ thuật trên đường tương tự như của TLA. Các cuộc thử nghiệm toàn diện trên đường bộ và thí nghiệm nén – oxy hóa đối với các hỗn hợp Venezuela/TLA và Venezuela/hắc ín than đá đã chứng tỏ rằng các hỗn hợp này có mức độ hóa cứng cao hơn một cách đáng kể, và trong một số trường hợp tương đương TLA.

Do đó một yêu cầu cấp thiết hiện nay là phải tiến hành các thí nghiệm để xác định các đặc tính kỹ thuật của nhựa đường có liên quan như thế nào với các đặc điểm kỹ thuật được biểu hiện trên mặt đường trong thực tế. Nhiều đặc tính của nhựa đường đã được khảo sát trong một nỗ lực nhằm tìm ra một thí nghiệm có thể phân biệt được các nhựa đường khác nhau về “tính chịu thời tiết”, do đó đưa ra một thí nghiệm để dựa vào nó loại bỏ những nhựa đường quá bền, làm cho mặt đường nhẵn và trơn sau một thời gian dài sử dụng. Green đã chứng minh rằng khả năng của nhựa đường chống chịu với thời tiết dưới tác động kết hợp của nhiều yếu tố như bức xạ cực tím của ánh sáng mặt trời, sự oxy hóa, nước mưa và sự tích tụ dầu rơi vãi trong quá trình giao thông liên quan đến hằng số điện môi của nhựa đường.

2.3.1   Các yêu cầu kỹ thuật về hằng số điện môi

Các thí nghiệm doTRRL tiến hành trên các mẫu hốn hợp asphalt không phủ đá găm cho thấy một nhựa đường 50 pen yêu càu phải có hằng số điện môi tối thiểu là 2.650, để có thể đạt được một độ nhám thích hợp trên bề mặt được rải bằng asphalt lu nóng. Các thí nghiệm thực hiện với các mẫu asphalt làm bằng nhựa đường 35 và 70 pen cho thấy khả năng chống trơn trượt liên quan đến hằng số điện môi nhưng lại độc lập với độ kim lún của nhựa đường. Kết quả là với nhựa đường 50 pen được quy định trong Quy phạm kỹ thuật chi tiết với hằng số điện môi ở 25⁰C và 1.59 kHz. Quy phạm kỹ thuật này cũng ghi rõ với nhựa đường 35 pen là 2.630 và hằng số điện môi của nhựa đường 35, 50, 70 pen.

Sử dụng thí nghiệm Marshall để tính toán thiết kế các hỗn hợp asphalt lu nóng đã có chiều hướng làm giảm một lượng nhỏ nhựa đường trong hỗn hợp;

Tỷ lệ rải đá găm tráng nhựa đường đã tăng lên, và hiện nay kỹ thuật này được áp dụng để rải tới hơn 70% diện tích mặt đường để đạt được các qui định kỹ thuật về độ nhám; như vậy diện tích mặt hỗn hợp nhựa đường tiếp xúc trực tiếp với lốp xe được giảm đi đáng kể.

Mức độ dầu và nhiên liệu rơi vãi từ các phương tiện giao thông xuống mặt đường giảm đi rõ rệt do các loại phương tiện giao thông hiện nay được trang bị hệ thống dầu – nhiên liệu hiệu quả hơn.

Trong năm 1982 người ta đã tiến hành thử nghiệm trên con đường M4, có sử dựng các nhựa đường có phạm vi hằng số điện môi rộng để đánh giá lại mức độ có thể chấp nhận được của hằng số điện môi của nhựa đường, có xét đến những thay đổi trên. Việc đo độ nhám mặt đường trong thử nghiệm này cho thấy rằng độ nhám mặt đường sẽ giảm đi không đáng kể nếu hằng số điện môi của tất cả các phẩm cấp nhựa đường giảm xuống tới giá trị tối thiểu là 2.630. Kết quả là một hằng số điện môi thống nhất là 2.630 đã được áp dụng cho các loại nhựa đường 35, 50, 70 và 100 pen.

Theo "Tài liệu kỹ thuật nhựa đường Shell Singapore"

• Ảnh hưởng Styrene-Butadiene-Styrene đến các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa đường 60/70 (16/10/2015)
• Sách (07/09/2015)
• Các dạng hỗn hợp vật liệu nhựa đường và ứng dụng của chúng (13/12/2013)
• Các loại nhựa đường cải tiến (09/12/2013)
• Độ bám dính cốt liệu của nhựa đường (11/11/2013)
• Độ bền của nhựa đường (30/10/2013)