Nghiên cứu ảnh hưởng của nước biển đến độ ổn định và độ dẻo marshall của bê tông nhựa chặt theo thời gian

ThS. NCS. Nguyễn Văn Tươi Trường Cao đẳng Giao thông vận tải II TS. Nguyễn Quang Phúc Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: GS. TS. Phạm Duy Hữu PGS. TS. Nguyễn Thanh San

Tóm tắt: Bài báo phân tích các kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng ảnh hưởng của nước biển đến độ ổn định và độ dẻo Marshall đối với các mẫu bê tông nhựa chặt BTNC19 và BTNC12.5 theo thời gian khu vực Đà Nẵng.

Từ khóa: Marshall ổn định, marshall dòng chảy, nước biển, muối.

Abstract: The article analyzes the results of empirical studies influence of sea water to Marshall stability and flow of dense-graded HMA asphalt samples BTNC12.5, BTNC19 over time in Danang.

Keywords: Marshall stability, marshall flow, sea water, salt.

 1. Đặt vấn đề

Việt Nam là quốc gia biển với bờ biển dài 3.444km và hơn 4.000 hòn đảo lớn nhỏ. Quy hoạch chi tiết đường bộ ven biển Việt Nam theo Quyết định số 129/2010/QĐ-TTg, ngày 18/01/2010, sẽ xây dựng tuyến đường bộ ven biển với chiều dài khoảng 3.041 km, đi qua tất cả 28 tỉnh, thành phố, bắt đầu tại cảng Núi Đỏ, Mũi Ngọc, xã Bình Ngọc, TP. Móng Cái (tỉnh Quảng Ninh) tới cửa khẩu Hà Tiên (tỉnh Kiên Giang). Biến đổi khí hậu, nước biển dâng ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều mặt trong đời sống xã hội của con người, là một thách thức lớn đòi hỏi phải có những nghiên cứu thích ứng đối với tất cả các ngành, trong đó có xây dựng đường bộ.

Bài báo phân tích ảnh hưởng của nước biển đến độ ổn định và độ dẻo marshall của 2 loại bê tông nhựa chặt phổ biến làm lớp trên của kết cấu mặt đường theo thời gian trong phòng thí nghiệm. Đây là một trong những kết quả của tổng thể nghiên cứu kết cấu mặt đường thích ứng với biến đổi khí hậu và nước biển dâng tại Trường Đại học GTVT.

2. Phá hoại kết cấu mặt đường bê tông nhựa do nước biển

Sự phá hoại mặt đường do muối đã được ghi nhận và nghiên cứu ở nhiều nước như Ấn Độ, Úc, Nam Phi, Trung Đông, Bắc Mỹ… từ những năm 1980 [6]. Sự phá hoại của muối trong nước biển đến bê tông nhựa bao gồm dạng phá hoại vật lý và phá hoại hóa học. Các dạng phá hoại mặt đường do muối trong nước biển chủ yếu là phồng rộp, bong tách, nứt, lún, ổ gà…

Phá hoại vật lý: Ở những tuyến đường ven biển khi mức nước cao hoặc do bão gió, thủy triều sẽ làm cho hơi nước chứa muối xâm nhập vào bề mặt đường. Tại gần bề mặt đường, muối trong nước trở nên bão hòa và kết tinh tăng thể tích gây nên phá hoại vật lý cho lớp bê tông nhựa như bong tróc, phồng rộp dạng vòm hoặc tan rã (Hình 2.1). Mức độ hòa tan và kết tinh của các loại muối trong nước biển phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm không khí. Muối NaCl kết tinh khi độ ẩm dưới 76% và hòa tan khi độ ẩm trên 76%. Trong một ngày có thể xảy ra nhiều chu kỳ hòa tan (đêm) - kết tinh (ngày) tăng giảm áp lực tinh thể hóa dẫn đến phá hoại mỏi lớp mặt đường bê tông nhựa.

Phá hoại hóa học: Tính trung bình, nước biển có lượng muối hòa tan khoảng 3,5%. Phổ biến trong nước biển có các ion dương Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ và các ion âm Cl^-, SO₄^2-, NO₃^2-, CO₃^2-. Dưới tác dụng hóa học các ion trong nước biển làm giảm liên kết đá - nhựa, giảm lực dính của chất liên kết asphalt (bitum - bột khoáng) gây bong tách, rời rạc và mặt đường bị phá hoại. Các phản ứng hóa học còn làm thay đổi thành phần hóa của cốt liệu dẫn đến giảm độ cứng, độ dai và độ bền của đá. Những nghiên cứu trên thế giới đã kết luận nước biển ảnh hưởng đến hỗn hợp đá nhựa nhiều hơn hẳn so với nước ngọt [3,5,6].

Các lớp xử lý nhựa càng mỏng càng dễ bị phá hoại do muối trong nước biển. Lớp thấm bám và lớp dính bám đặc biệt nhạy cảm sự phá hoại của muối, các phân tử muối kết tinh sẽ làm bề mặt các lớp này “bột hóa” làm giảm liên kết giữa các lớp vật liệu chỉ trong 2 - 3 ngày đầu.

Hình 2.1: Phá hoại mặt đường bê tông nhựa do muối

 

3. Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng đánh giá ảnh hưởng theo thời gian của nước biển đến độ bền marshall của mẫu bê tông nhựa

Nghiên cứu được thực hiện 1 năm từ tháng 8/2014 đến tháng 8/2015 tại Phòng thí nghiệm LAS-XD73 - Trung tâm Kỹ thuật Đường bộ 3 (RTC3).

Nghiên cứu đối với 2 loại BTNC19 và BTNC12.5 được thiết kế và thi công cho Dự án Đầu tư xây dựng công trình mở rộng QL1A. Vật liệu sử dụng: Nhựa đường: 60/70 Petrolimex; đá dăm: Mỏ đá Hốc Khế - Hoài Nhơn; cát vàng: Sông Túy Loan; bột khoáng: Kim Đỉnh - Long Thọ; nước biển: Xuân Thiều, Liên Chiểu, Đà Nẵng có thành phần hóa học như Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Thành phần các ion chính có trong nước biển

- Đối với BTNC19: Thiết kế theo TCVN8819: 2011 và Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014, đường cấp phối thiết kế như Hình 3.1a, hàm lượng nhựa sử dụng 5,00% theo tổng khối lượng hỗn hợp, độ rỗng dư 4,51%, khối lượng thể tích 2.439g/cm³.

- Đối với BTNC12.5: Thiết kế theo TCVN8819: 2011 và Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 đường cấp phối thiết kế như Hình 3.1b, hàm lượng nhựa sử dụng 5,33% theo tổng khối lượng hỗn hợp, độ rỗng dư 4,42%, khối lượng thể tích 2.393g/cm³.

Mẫu được chế tạo và thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN8860-1: 2011, mỗi tổ mẫu có 3 mẫu, tổng số mẫu: 2 loại BTN x 6 điều kiện x 3 mẫu/tổ = 36 mẫu.

Sau khi đầm chặt, mẫu được để trong không khí ở nhiệt độ phòng 28 ngày sau đó dưỡng hộ mẫu, có 6 điều kiện dưỡng mẫu: Không ngâm (đối chứng); Ngâm nước biển 1 tháng, 3 tháng, 6 tháng, 9 tháng và 12 tháng.  Đối với mẫu ngâm trong nước biển thì duy trì mức nước biển ngâm ngập cao hơn mặt mẫu 5cm, 24h thay nước biển một lần. Sau khi dưỡng hộ mẫu đủ thời gian thì tiến hành thí nghiệm. Thí nghiệm marshall theo các quy định của tiêu chuẩn hiện hành.

Hình 3.1: Thí nghiệm marshall

 3.1. Kết quả thí nghiệm và phân tích

Phân tích độ chụm theo ASTM D6927-2015 (tương đương AASHTO T245-2013) với chuẩn đánh giá độ chụm qua hệ số biến thiên C_v hoặc khoảng chấp nhận R chênh lệch 2 kết quả so với giá trị trung bình:

- Độ ổn định marshall: C_v £ 6% hoặc R £ 16% so với giá trị trung bình.

- Độ dẻo Marshall: C_v £ 9% hoặc R £ 26% so với giá trị trung bình.

Kết quả thí nghiệm và đánh giá độ chụm như ở Bảng 3.2 đối với BTNC19 và Bảng 3.3 đối với BTNC12.5. Các thí nghiệm đều đảm bảo độ chụm theo chuẩn hệ số biến thiên C_v.

Sử dụng phần mềm xử lý thống kê Minitab phân tích và vẽ được các biểu đồ với khoảng tin cậy CI = 95% (95% confidence intervals) như Hình 3.1.

Những kết luận rút ra từ thí nghiệm:

- Độ ổn định của các mẫu bê tông nhựa giảm dần có ý nghĩa thống kê theo thời gian, tốc độ giảm nhanh sau 3 tháng ngâm mẫu trong nước biển;

- Độ dẻo của các mẫu bê tông nhựa tăng dần có ý nghĩa thống kê theo thời gian, tốc độ tăng nhanh sau 3 tháng ngâm mẫu trong nước biển;

- Độ ổn định của BTNC12.5 cao hơn có ý nghĩa thống kê so với độ ổn định của mẫu BTNC19 ở các thời gian ngâm mẫu; không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê độ dẻo của BTNC19 so với BTNC12.5; không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê tốc độ suy giảm độ ổn định của BTNC19 và BTNC12.5.

Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm BTNC19

Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm BTNC12.5

 

Hình 3.2: Phân tích kết quả thí nghiệm marshall của mẫu BTNC12.5 và BTNC19 ngâm trong nước biển theo thời gian

 Những kết luận này cũng phù hợp với các công bố trên thế giới gần đây [3,5,6]. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để giảm tác hại của những phá hoại lý - hóa của nước biển đến kết cấu mặt đường mềm:

- Thiết kế cao độ đường đỏ hợp lý đảm bảo khu vực hoạt động của nền đường không bị ẩm ướt do nước mao dẫn, thoát nước tốt cho nền mặt đường;

- Đầm chặt các lớp nền, móng đường giảm độ rỗng để hơi nước không xâm nhập lên các lớp mặt bê tông nhựa;

- Lựa chọn vật liệu đá ổn định tốt với nước chứa muối. Thiết kế bê tông nhựa có chiều dày màng nhựa đủ để chậm bị lão hóa, bong tách. Khống chế độ rỗng BTN hợp lý vừa đảm bảo khả năng chống hằn lún, vừa đảm bảo giảm thiểu sự xâm nhập của không khí và nước. Sử dụng phụ gia tăng độ ổn định nước như vôi, xi măng hay các phụ gia dạng lỏng.

4. Kết luận và kiến nghị

Qua kết quả thực nghiệm trong phòng có thể rút ra những kết luận và kiến nghị sau:

- Thời gian ngâm mẫu trong nước biển có ảnh hưởng lớn đến độ ổn định và độ dẻo marshall của bê tông nhựa;

- Độ ổn định marshall giảm dần và độ dẻo Marshall tăng dần theo thời gian ngâm mẫu trong nước biển. Sau thời gian 3 tháng ảnh hưởng của nước biển đến tính chất của BTN càng lớn. Sau 6 tháng các mẫu BTN đều không thỏa mãn với tiêu chuẩn độ ổn định lớn hơn hoặc bằng 8kN và độ dẻo từ 2-4 mm;

- Loại BTNC12.5 có độ ổn định cao hơn so với BTNC19;

- Không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê tốc độ suy giảm cường độ của mẫu BTNC12.5 so với BTNC19.

Những nghiên cứu ảnh hưởng của nước biển đến tổng thể kết cấu mặt đường mềm cần tiếp tục được thực hiện nhằm đề xuất cao độ thiết kế, loại vật liệu và công nghệ phù hợp, sử dụng các kết cấu mặt đường bê tông xi măng để giảm thiểu tác hại của biến đổi khí hậu, nước biển dâng o

 Tài liệu tham khảo

[1]. AASHTO T 245-13 (2013), Standard Method of Test for Resistance to Plastic Flow of Asphalt Mixtures Using Marshall Apparatus.

[2]. ASTM D6927 - 15 (2015), Standard Test Method for Marshall Stability and Flow of Asphalt Mixtures.

[3]. Ahmed Ebrahim Abu El-Maaty Behiry (2013), Laboratory evaluation of resistance to moisture damage in asphalt mixtures, Ain Shams Engineering Journal, Egypt.

[4]. Alejandro Alberto Euán-Avilés, et al (2013), Salinity and its effects on roads: A complete literature review, Characterization of affected coastal roads in Yucatan, Universidad Autónoma de Querétaro, Querétaro, México.

[5]. OTILIA PIRLEA, et al (2013), The Influence of Sea Water on Promenade Pavement, Recent Advances in Civil and Mining Engineering, ISBN: 268 978-960-474-337-7.

[6]. Ministry of Works, Transport & Communications (2001), The Prevention and Repair of Salt Damage to Roads and Runways, Guide to the Prevention and Repair of Salt Damage to Roads and Runways, ISBN 99912 - 0 - 380 - X.

[7]. AUSTROADS TECHNICAL REPORT (2007), Managing the Impacts of Rising Watertables and Salinity on Remaining Pavement Life: Report of 2005/2006 Activities, ISBN 978-1-921329-01-2.

[8]. AUSTROADS TECHNICAL REPORT (2008), Impact of Rising Watertables and Salinity on Pavement Performance, ISBN 978-1-921551-00-0.

[9]. AUSTROADS TECHNICAL REPORT (2004), Salinity and Rising Water Tables - Risks for Road Assets, ISBN 0 85588 694 3.