Bài viết hưởng ứng Kỷ niệm 20 năm ngày thành lập Nghành Cầu Đường-Khoa Xây dựng ĐH BKĐN

LỚP PHỦ MẶT BÊ TÔNG NHỰA TRÊN BẢN MẶT CẦU THÉP Ks Mai Triệu Quang, Công Ty Cổ phần Tư vấn XDCT GT5, Cựu SV 91X3

Sự làm việc của lớp phủ bê tông nhựa trên mặt cầu thép-loại bản trực hướng dưới tác dụng của tải trọng xe cộ và các điều kiện về môi trường là rất phức tạp. Kết cấu bản mặt cầu thép có cấu tạo hình học đặc biệt và các tấm bản thép có độ đàn hồi gây ứng suất và biến dạng lớn trong lớp phủ mặt cầu. Đặc biệt tải trọng trùng phục của xe cộ gây ra hiện tượng mỏi trong BTN, là một yếu tố đặc biệt quan trọng khi thiết kế và lựa chọn lớp BTN phủ mặt cầu. Bài viết này cung cấp thông tin về một số loại vật liệu mới đang được áp dụng cho mặt cầu thép trên thế giới, thông qua đó đưa ra đề xuất kết cấu phủ mặt cầu treo Thuận Phước-Đà Nẵng cùng các bước thực nghiệm nên tiến hành để triển khai thành công việc ứng dụng vật liệu mới trong Dự án quan trọng này. The behavior of bituminous surfacings on steel orthotropic decks under heavy truck traffic and environmental conditions is highly complex. Both the geometry of the structure and the high flexibility of metallic plates make the deformations and stresses severe in steel bridge surfacings. In particular, the repeated loading makes the fatigue strength an important parameter for the design of such bituminous wearing courses. This paper presents information of some candidate surfacing material for steel orthotropic decks, and through that a specific proposal for surfacing of Thuan Phuoc suspension bridge in the Da Nang City is given with suggested experimental program for successful application of new material in this important Project.

I. Mở đầu Bê tông nhựa trên mặt cầu, đặc biệt là mặt cầu thép, ngoài các chức năng yêu cầu như đối với Bê tông nhựa trên đường, còn phải có các chức năng riêng biệt khác. Lớp BTN này phải đảm bảo kín nước để đóng vai trò lớp phòng nước, phải đủ độ đàn hồi để chịu được các trạng thái ứng suất-biến dạng xuất hiện trong lớp này dưới tác dụng của hoạt tải phân bố, vốn rất khác so với lớp phủ của mặt đường mềm thông thường. Ngoài ra do các vệt bánh xe có chiều hướng cố định ở 1 vị trí (xe chạy đúng làn) nên yêu cầu chống lún vệt bánh xe (rutting) và nứt do mỏi (fatigue cracks) cũng là chỉ tiêu rất quan trọng trong việc chọn loại vật liệu áp dụng trên mặt cầu. Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu bài bản về vấn đề này và hầu như tất cả các Dự án cầu đều có thiết kế và áp dụng loại BTN đặc biệt dùng riêng trên mặt cầu, đặc biệt là bản mặt cầu thép với các Dự án đã triển khai và có báo cáo đánh giá hiệu quả. Các dạng hư hỏng thường thấy ở mặt đường trên bản mặt cầu thép Nứt lớp mặt do mỏi - Dạng nứt đặc trưng trên mặt cầu thép

Trang 1 / 8

Bài viết hưởng ứng Kỷ niệm 20 năm ngày thành lập Nghành Cầu Đường-Khoa Xây dựng ĐH BKĐN

Ở Việt Nam, sau thực tế hư hỏng trước tuổi thọ dự kiến của mặt đường bê tông nhựa trên mặt cầu thép (Cầu Thăng Long ở Hà Nội, Cầu Trần Thị Lý ở Đà Nẵng), Viện Khoa Học Công Nghệ GTVT cũng đã bắt đầu thực hiện một số nghiên cứu bước đầu và đề xuất về BTN trên mặt cầu áp dụng ở Việt Nam, trong đó phân tích khá chi tiết về ưu nhược điểm của từng loại vật liệu đề xuất. `

Hư hỏng mặt đường trên mặt cầu Nguyễn Văn Trỗi (Đà Nẵng), nhiều nhất ở các nhịp phía đông.

Hư hỏng lớp phủ mặt cầu Thăng Long-Hà Nội

II. Định hướng về vật liệu áp dụng: Hiện trên thế giới có nhiều loại vật liệu đang được áp dụng cho bản mặt cầu thép: +Guss Asphalt hay được dùng ở Đức, Nhật Bản +Stone Mastic Asphalt hay dùng ở Châu Âu và kể cả ở Nhật (dùng cho lớp trên) +Bê tông nhựa Pôlimer hay dùng ở Mỹ và mới đây là Trung Quốc (Cầu Nanjing II bắc qua sông Yangtze)

Trang 2 / 8

Bài viết hưởng ứng Kỷ niệm 20 năm ngày thành lập Nghành Cầu Đường-Khoa Xây dựng ĐH BKĐN

Trong 3 loại vật liệu lớp phủ mặt cầu thường được sử dụng trên thế giới, Guss Asphalt (Bê tông nhựa đúc) do giá thành quá cao và yêu cầu về công nghệ thi công tương đối phức tạp, chỉ có thể thực hiện thành công nếu có Nhà thầu chuyên nghiệp mà điều này thực sự chưa đáp ứng được ở Việt Nam. Bài viết này do đó chỉ tập trung giới thiệu kỹ 2 loại vật liệu là BTN Pôlime và SMA, đặc biệt là vật liệu SMA.

2.1 BTN Pôlimer:

Đã được áp dụng khá phổ biến trên thế giới và thực tế đã dùng thử nghiệm ở Việt Nam từ năm 1997. Điểm khác biệt căn bản trong hỗn hợp bê tông nhựa là thay thế nhựa đường truyền thống bằng nhựa đường đã được cải tiến bằng cách thêm vào các phụ gia gốc pôlime hoặc cao su để có những đặc tính mong muốn tuỳ mục đích sử dụng. Nhựa cải tiến Polime đã sẵn sàng

Nbựa đường được bơm đến bồn trộn

Bồn trộn thẳng đứng

Nhựa cải tiến Polime (PMB)

Bồn trữ nhựa PMB

Xe bồn vận chuyển

Sơ đồ quy trình sản xuất nhựa đường cải tiến polime Một số Dự án đã sử dụng nhựa đường cải tiến Polimer ở Việt Nam: ƒ ƒ ƒ

ƒ

Dự án Đường cao tốc Hà Nội - Cầu Giẽ dùng nhựa đường Shell Caribit DA Thực hiện năm 1998, dùng làm lớp BTN chống trượt. Dự án nâng cấp Quốc Lộ 51 dùng nhựa đường Shell Caribit DA Thực hiện năm 1997, Dùng làm lớp BTN chống trượt. Dự án Cải tạo QL1 Đông Hà-Quảng Ngãi dùng nhựa đường Shell Multiphalte, Thực hiện năm 2002, dùng làm lớp BTN chống chảy và xô dồn nhựa trên đèo dốc (Đoạn đèo Hải Vân Km894-Km914) Dự án Cải tạo QL1 Quảng Ngãi-Nha Trang dùng nhựa đường Shell Cariphalte Thực hiện năm 2005 Làm lớp BTN chống chảy và xô dồn nhựa trên đèo dốc (Một số đoạn trên Đèo Cả và đèo Rọ Tượng thuộc Phú Yên-Khánh Hoà)

Một số Dự án sắp triển khai sẽ sử dụng nhựa đường cải tiến Polimer ở Việt Nam: ¾ Đường cao tốc Cầu Giẽ-Ninh Bình, Trung Lương-Mỹ Thuận và các đường cao tốc khác (Hà Nội-Hải Phòng, Việt Trì-Lào Cai, Dầu Dây- Đà Lạt, Đà Nẵng-Quảng Ngãi, Tuyến tránh Đà nẵng….). ¾ Cải tạo sân bay Cần Thơ, sân bay Đà Nẵng ¾ Mặt đường trên cầu Cần Thơ (bản mặt cầu thép)

Trang 3 / 8

Bài viết hưởng ứng Kỷ niệm 20 năm ngày thành lập Nghành Cầu Đường-Khoa Xây dựng ĐH BKĐN

Quy trình công nghệ thi công BTN Pôlimer không khác gì với bê tông nhựa thông thường theo TCN của Việt Nam, ngoại trừ nhiệt độ thi công (cả trộn, rải và đầm lèn) cao hơn so với bê tông nhựa sử dụng nhựa đường truyền thống từ 15-20oC. Hiện Viện Khoa học Công Nghệ GTVT đang có đề tài soạn quy trình cho loại BTN này, dự kiến sẽ trình duyệt và ban hành vào khoảng cuối năm 2006. Do vậy tài liệu này không đề cập chi tiết đến Bê tông nhựa Pôlimer.

2.2 Vật liệu đá vữa nhựa (Stone Mastic Asphalte-SMA)

Được phát triển lần đầu tiên tại Đức vào cuối những năm 60, hỗn hợp đá vữa nhụa (SMA) có khả năng chống lún và độ bền cao, làm các lớp thảm mỏng, dùng cho các đường có tải trọng xe cộ lớn. Điểm khác biệt cơ bản của SMA với bê tông nhựa chặt thông thường là dùng cấp phối gián đoạn và nhựa đường được cải tiến để cung cấp thêm một số chức năng theo yêu cầu của vị trí ứng dụng. So sánh thành phần SMA và bê tông nhựa chặt thông thường(Cấp phối liên tục).

Vật liệu đá vữa nhựa

Bê tông nhựa chặt

SMA bao gồm một lượng lớn các cốt liệu thô gắn kết với nhau tạo nên một bộ khung cốt liệu đá chèn đá nhằm chống lại sự biến dạng lâu dài. Bộ khung đá được lấp kín bằng bitum mát tít và bột khoáng, và có thêm các sợi hữu cơ để tạo độ ổn định cho bitum và ngăn sự chảy tách của nhựa đường trong thời gian vận chuyển và thi công. Cấu tạo điển hình của SMA bao gồm 70-80% cốt liệu thô, 8-12% bột khoáng, 6.0-7.0% vật liệu dính kết và 0.3% sợi. Cỡ sàng (mm)

Phần trăm lọt sàng (theo trọng lượng) Cỡ

Cỡ

Cỡ

BTN mịn CP gián đoạn BTN chặt SMA BTN rỗng

Hàm lượng nhựa

Cỡ sàng(mm)

Đường cong cấp phối Trang 4 / 8

Bài viết hưởng ứng Kỷ niệm 20 năm ngày thành lập Nghành Cầu Đường-Khoa Xây dựng ĐH BKĐN

SMA có khả năng kháng lún vệt bánh xe là nhờ vào bộ khung bằng đá đã tạo nên mối liên kết chặt hơn giữa các vật liệu đá so với ở hỗn hợp trộn nhựa đường cấp phối kín truyền thống (DGA). Độ bền của lớp dính kết được cải thiện là nhờ vào việc gia tăng hàm lượng bitum, lớp bitum dày lên và độ rỗng giảm xuống. Để giảm thiểu sự chảy tách nhựa đường trong quá trình vận chuyển và thi công, thông thường người ta thêm một lượng nhỏ xenluloza hoặc sợi vô cơ. SMA được sử dụng cho rất nhiều mục đích, có thể là làm lớp BTN thoát nước, chống trơn trượt, lớp thảm mỏng, lớp phủ mặt cầu….do vậy không có chỉ dẫn thiết kế chính xác nào cho hỗn hợp trộn SMA. Các yếu tố cần thiết như bộ khung cốt liệu thô và vữa mác tít, cấu tạo mặt đường và độ ổn định của hỗn hợp trộn đa phần được quyết định tuỳ thuộc mục đích sử dụng, bằng việc lựa chọn thành phần cấp phối cốt liệu, loại và tỷ lệ bột khoáng và nhựa đường. Vật liệu Cốt liệu được dùng trong SMA phải có chất lượng tốt, có hình dạng hạt chuẩn, có khả năng chống ép vỡ và chống hiện tượng tròn cạnh do mài mòn. Vật liệu dính kết được sử dụng trong SMA hiện nay thường dùng nhựa đường cải tiến Polyme các cấp (PMBs), vớI ưu thế gia tăng khả năng chống lún vệt bánh xe và chống chảy nhựa. Sợi xenluloza là thành phần được dùng rất phổ biến trong sản phẩm SMA. Các loại sợi khác như sợi thuỷ tinh, sợi len cứng, sợi polyester và cả sợi len tự nhiên đều có thể được sử dụng, nhưng chỉ có sợi xenluloza là đạt hiệu quả kinh tế nhất. Thành phần sợi thường chiếm 0.3% (tính theo khối lượng) trong hỗn hợp trộn. Sản xuất SMA cũng được trộn và chứa trong trạm trộn sử dụng phương pháp trộn nóng truyền thống. Tại các trạm trộn, sợi dạng bó hoặc sợi đã được tách rời được bỏ trực tiếp vào máy trộn. Thời gian trộn có thể được kéo dài nhằm đảm bảo sợi được trộn đều trong máy trộn và nhiệt độ được kiểm soát nhằm tránh hiện tượng quá nóng, làm hỏng sợi. Cần đặc biệt chú ý đến các trống trộn để đảm bảo bột khoáng và sợi được trộn đều vào hỗn hợp và không bị mất mát quá nhiều qua hệ thống hút bụi. Nên sử dụng hệ thống rót bột khoáng để truyền trực tiếp bột khoáng vào trống thay vì sử dụng phễu tiếp cốt liệu. Có thể trộn thêm các sợi thông qua hệ thống được thiết kế riêng cho việc tiếp các vật liệu tái chế. Thi công rải SMA Sự khác biệt đầu tiên trong việc thi công SMA so với bê tông nhựa chặt là quy trình đầm chặt: không thể sử dụng lu lốp nhiều bánh do có thể gây ra hiện tượng dính bánh lu và bóc tách vật liệu do loại vật liệu này có chứa khá nhiều nhựa có thể cả trên bề mặt. Việc cho thông xe trên mặt đường khi SMA vẫn còn ấm cũng sẽ tạo ra hiện tượng như trên. Thông thường thì chỉ nên cho lưu thông xe cộ khi nhiệt độ bề mặt nhựa đường xuống dưới khoảng 40°C. Phương pháp đầm chặt phù hợp là sử dụng lu bánh thép nặng và không rung. Nếu không có lu bánh thép nặng thì có thể sử dụng lu rung thay thế, nhưng nên để chế độ rung ở mức tối thiểu nhằm tránh làm vỡ các hạt cốt liệu thô hoặc đẩy nhựa đường lên trên bề mặt của lớp rải. Việc sử dụng polymer bổ sung vào chất dính kết có thể làm giảm độ linh động của hỗn hợp nên cần phải tăng cường đầm chặt để có thể đạt được các yêu cầu cao về độ đầm chặt. Đáp Trang 5 / 8

Bài viết hưởng ứng Kỷ niệm 20 năm ngày thành lập Nghành Cầu Đường-Khoa Xây dựng ĐH BKĐN

ứng được các tiêu chuẩn cao về độ chặt và giảm độ rỗng được coi là nhân tố quan trọng trong tính năng hoạt động của tất cả các sản phẩm SMA. Chiều dày tối thiểu của lớp SMA bằng 2.5-3 lần cỡ hạt cốt liệu tối đa danh định. Các ưu điểm 1. SMA tạo ra một kết cấu lớp mặt đường bền, có độ nhám bề mặt và khả năng kháng lún vệt bánh xe tốt. 2. Độ nhám bề mặt của SMA tương tự như của bê tông nhựa rỗng nên độ ồn do xe cộ lưu thông trên bề mặt SMA thấp hơn độ ồn trên bề mặt BTN chặt, nhưng có thể bằng hoặc cao hơn một chút so với trên bề mặt BTN rỗng. 3. Có thể sản xuất và đầm nén SMA trong trạm trộn và với thiết bị có sẵn dùng cho hỗn hợp trộn nóng thông thường với quy trình được điều chỉnh như trên. 4. Có thể sử dụng SMA tại các nút giao và tại các điểm có cường độ lưu thông xe cộ cao mà không thể sử dụng được BTN rỗng. 5. Lớp mặt SMA có thể giúp làm giảm hiện tượng nứt phản ánh từ dưới lớp mặt đường nhờ sự mềm dẻo của vật liệu mác-tíc. Ngoài ra độ bền mỏi cũng cao hơn loại BTN truyền thống. 6. Độ bền của SMA có thể bằng hoặc hơn BTN chặt và cao hơn nhiều so với BTN rỗng. Các nhược điểm 1. Chi phí vật liệu tăng hơn do thành phần các vật liệu dính kết, bột khoáng và sợi nhiều hơn BTN thông thường. 2. Thời gian trộn và thời gian tiếp thêm bột khoáng kéo dài có thể làm giảm năng suất. Nhiệt độ sản xuất và thảm cao hơn BTN thông thường nên chi phí máy móc cũng sẽ lớn hơn. 3. Khả năng chống trượt ban đầu có thể thấp cho đến khi màng nhựa phía trên bị mòn khỏi đỉnh bề mặt do quá trình lưu thông xe cộ. Để khắc phục điểm này, trong một số trường hợp cần thiết phải rải thêm đá mạt sạch lên bề mặt SMA trước khi thông xe. III

Kiến nghị cụ thể cho mặt cầu Thuận Phước-Đà Nẵng: Cầu Thuận Phước-Đà Nẵng là cây cầu treo dây võng có nhịp dài nhất Việt Nam. Kết cấu bản mặt cầu nhịp chính là dầm hộp thép với mặt cầu là thép bản được gia cường bằng các bản trực hướng. Theo thiết kế được duyệt, lớp phủ mặt cầu dùng BTN thông thường dày 7cm.

Căn cứ vào các tài liệu thu thập được về hiện tượng hư hỏng sớm của lớp phủ mặt cầu thép, cả trên thế giới và ở Việt Nam, việc đề xuất một loại vật liệu phủ mặt cầu mới cho cây cầu quan Trang 6 / 8

Bài viết hưởng ứng Kỷ niệm 20 năm ngày thành lập Nghành Cầu Đường-Khoa Xây dựng ĐH BKĐN

trọng này là hết sức cần thiết. Trên thế giới đã có nhiều nơi tiến hành tính toán ứng suất và biến dạng trong các lớp phủ mặt cầu, nhưng sau đó đều phải tiến hành đánh giá thực nghiệm kiểm chứng lại theo thực tế để tìm ra vật liệu tối ưu và có báo cáo cho từng trường hợp cụ thể. Ở Việt Nam thực ra chưa có một nghiên cứu chi tiết nào được thực hiện cho loại vật liệu phủ mặt cầu thép nên cũng khó đưa ra được khuyến cáo rõ ràng cho Chủ đầu tư. Tuy nhiên căn cứ vào thông tin đã có về khả năng chịu lực của vật liệu SMA ở các Dự án cầu trên thế giới và các đoạn thử nghiệm mặt đường ở Việt Nam, tham khảo đồ án của cầu Cần Thơ (Cửu Long), là cầu treo có bản mặt cầu thép tương tự cầu Thuận Phước, do Tư vấn Nhật Bản thiết kế, phương án đề xuất cho mặt cầu Thuận Phước là sử dụng 2 lớp SMA (Giống thiết kế lớp phủ mặt cầu Cần Thơ), cụ thể như sau:

Các bước nên tiến hành: -Chủ đầu tư ký Hợp đồng với một đơn vị thí nghiệm chuyên ngành, có kinh nghiệm về vật liệu mới này để thiết lập công thức trộn, lập đề cương và làm các thí nghiệm kiểm soát chất lượng sản xuất và thảm SMA đồng thời lập báo cáo theo dõi và đánh giá định kỳ hàng năm. Thời gian theo dõi tối thiểu 5 năm. Năm đầu tiên cần thực hiện 2 kỳ kiểm tra. -Đây là công việc đặc biệt, nên tách khỏi khối lượng của cầu chính và mời các Nhà thầu chuyên nghiệp (kể cả Nhà cung cấp vật liệu) tham gia đấu thầu, để có thể lựa chọn được Nhà thầu phù hợp đảm bảo cho sự thành công của việc áp dụng vật liệu mới. -Nên tiến hành một đoạn thử nghiệm thực tế trước khi làm đại trà. Tốt nhất là chọn 1 nhịp phía đông trên mặt cầu Nguyễn Văn Trỗi Đà Nẵng, là nơi có kết cấu bản mặt cầu thép tương tự và có lớp BTN đã hư hỏng.

Trang 7 / 8

Bài viết hưởng ứng Kỷ niệm 20 năm ngày thành lập Nghành Cầu Đường-Khoa Xây dựng ĐH BKĐN

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9 10. 11. 12.

The Shell Bitumen Handbook, Fifth edition - David Whiteoak, John Reads Báo cáo đề xuất giải pháp các lớp mặt cầu của Hãng Shell - Hội thảo về phương án sửa chữa mặt cầu Thăng Long-Hà nội ngày 15 tháng 12 năm 2005. Báo cáo khảo sát tình trạng hư hỏng mặt cầu Thăng Long-Viện Khoa Học công nghệ Bộ GTVT. Quy định Kỹ thuật Thi công lớp tạo nhám SMA trên Quốc lộ 1 đoạn Hà Nội-Cầu Giẽ Quy định Kỹ thuật và Báo cáo kết quả kiểm tra chất lượng đoạn thử nghiệm lớp SMA trên Quốc lộ 51. Tiêu chuẩn Kỹ thuật Thi công mặt đường trên mặt cầu thép Cần Thơ. Tiêu chuẩn Kỹ thuật Thi công mặt đường BTN dùng nhựa đường Multiphalt cho đèo Hải Vân Quốc lộ 1A-Tư vấn Hyder Tiêu chuẩn Kỹ thuật Thi công mặt đường BTN dùng nhựa đường Pôlime cho đèo Rọ tượng và Đèo Cả Quốc lộ 1A-Tư vấn Wilbur Smith Polymer Concrete Wearing Surface System for Orthotropic Steel Deck Bridge - Vellore S. Gopalaratnam and Arthur M. Dinitz Research of Structural Properties of Asphalt Pavement System on Orthotropic Stell Bridge Deck in Full scale Test- Lageng Shao, Yuzhi Li, Li Zhang, School of Highway EngineeringChangsha University Of Science and Technology. Characterisation of Some Candidate Surfacing Materials for Orthotropic Steel Bricdge Decks-T Medani, M Huurman and AAA Molenaar Department of Road and Railway Engineering, Faculty of Civil Enginerring and GeoSciences, Delft University of Technology, the Netherlands Design Aspects for Wearing Course on Orthotropic Stell Bridge Decks – Medani T.O., Scarpas A., Kolstein M.H. and Molenaar A.A.A – Faculty of Civil Enginerring and GeoSciences, Delft University of Technology, the Netherlands.

Trang 8 / 8