Nghiên cứu đánh giá hiện tượng nứt trên mặt lớp móng đường sử dụng cấp phối đất đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng và giải pháp khắc phục

ThS. NCS. ĐỖ VĂN THÁI Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

TÓM TẮT: Bài báo trình bày về vết nứt trên móng mặt đoạn đường thử nghiệm “Sử dụng đất đá thải sau khai thác than ở Quảng Ninh gia cố xi măng làm móng mặt đường ô tô”, đồng thời đưa ra những nhận xét, đề xuất hướng khắc phục tồn tại vết nứt nêu trên.

TỪ KHÓA: Vết nứt, móng mặt đường thử nghiệm đá thải mỏ than Quảng Ninh.

ABSTRACT: This paper presents the existing road pavement crack issue on the pilot section project “Using refused soil and rock from coal mine exploitation in Quang Ninh Province for cement-stabilized sub-base layer of road pavement” and also comment, proposal direction for solving the problem.

Keywords: Cracking, quarry surface test coal quarry waste Quang Ninh.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1. Đặc điểm lớp cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh

Đất đá thải sau khai thác than ở Quảng Ninh hiện nay tồn đọng rất nhiều, đó là nguồn vật liệu tiềm năng có thể đáp ứng yêu cầu sử dụng trong xây dựng móng mặt đường ô tô hoàn toàn phù hợp với TCVN. Đá thải mỏ than Quảng Ninh là một loại vật liệu địa phương mang đặc thù nhiều điểm tương đồng cấp phối thiên nhiên để sử dụng làm móng, mặt đường ô tô cần phải qua khâu gia công nghiền sàng.

Lớp cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh được liệt vào loại vật liệu nửa cứng, có cường độ tương đối cao ngang bằng với các lớp vật liệu rời và thậm chí cao hơn cả lớp ATB (Asphalt Treated Base) - đá dăm gia cố nhựa đường, nên có thể được dùng làm các lớp móng dưới trong kết cấu áo đường cấp cao. Khi gia cố xi măng làm lớp móng trên nó có nhược điểm là bị nứt ngay sau khi thi công và trong quá trình bảo dưỡng. Hiện tượng nứt của lớp vật liệu cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng trên đoạn đường thử nghiệm tại Trường Đại học Công nghệ GTVT 278 Lam Sơn, Đồng Tâm, Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc xảy ra chủ yếu sau khi thi công và trong quá trình thành cường độ do mất nước (co ngót) và do thay đổi nhiệt độ môi trường. Nứt có thể sẽ còn tiếp tục phát triển trong quá trình khai thác do tác dụng của tải trọng ô tô trên đường.

Kiểm soát vết nứt trên mặt đường đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng là yêu cầu bắt buộc. Do có liên quan tới cấp phối cốt liệu, loại xi măng sử dụng và lượng xi măng trong hỗn hợp, bên cạnh nó còn phải kể đến công nghệ thi công, nhiệt độ môi trường, quy trình bảo dưỡng và các xử lý sau khi đã nứt. Yêu cầu chung đối với lớp vật liệu cấp phối đá thải mỏ than gia cố xi măng cho phép là vết nứt đều và có độ mở rộng vết nứt không vượt quá 0.1 inch (khoảng 3mm).

1.2. Kết cấu áo đường thử nghiệm đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng

Mục tiêu của thử nghiệm là đánh giá sự làm vịêc của lớp móng đường bằng đá thải, đối chứng với các số liệu thí nghiệm trong phòng. Dựa vào thí nghiệm đánh giá tính chất và khả năng làm việc của loại móng này trong kết cấu áo đường. Các số liệu cần quan tâm như hiện tượng nứt bề mặt do nhiệt, cường độ vật liệu… sẽ được xác định bằng các kết quả đo thực nghiệm tại hiện trường.

Quy mô thực nghiệm: Đường thử nghiệm đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng với quy mô: L = 100m; Bm = 7.0m; lề đường rộng trung bình 7m lát gạch bê tông xi măng #100 dày 5cm, thiết kế theo tiêu chuẩn cấp 4 đồng bằng, mặt đường cấp cao A2.

Về thiết kế tham chiếu Tiêu chuẩn TCVN: 4054:2005 “Đường ô tô yêu cầu thiết kế” và quy trình 22TCN 211- 06 “Áo đường mềm - Các yêu cầu chỉ dẫn thiết kế”. Về thi công tham chiếu quy trình TCVN 9436: 2011 “Nền đường - Thi công và nghiệm thu”. Đối với lớp móng dưới cấp phối đá thải mỏ than dày 18cm không gia cố thi công tham chiếu Tiêu chuẩn TCVN 8857: 2011 “Móng cấp phối thiên nhiên - Thi công và nghiệm thu”. Đối với lớp móng trên cấp phối đá thải gia cố xi măng 6% thi công tham chiếu TCVN 8858:2011 “Móng cấp phối đá dăm và cấp phối tự nhiên gia cố xi măng”. Đối với lớp láng nhựa bảo vệ mặt trên cùng thi công tham chiếu tiêu chuẩn quốc gia Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8863:2011 “Mặt đường láng nhựa nóng - Thi công và nghiệm thu”.

- Kết cấu mặt đường thử nghiệm: Lớp trên cùng là mặt đường láng nhựa nóng tiêu chuẩn 3,5 kg/m2; phía dưới tiếp giáp là lớp móng trên cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng 6%; tiếp theo là lớp móng dưới cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh (không gia cố) dày 18cm đặt trên nền không đào không đắp k95.

Hình 1.1: Kết cấu áo đường thử nghiệm có sử dụng lớp cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh

Trình tự thi công thử nghiệm: Vận chuyển đất đá thải mỏ than Quảng Ninh bằng đường thủy kết hợp đường bộ tập kết tại Trường Đại học Công nghệ GTVT; số 278 đường Lam Sơn, phường Đồng Tâm, TP. Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc.

Sản xuất tại chỗ vật liệu mới “cấp phối đá thải mỏ than” thành phần hạt theo tiêu chuẩn quy định về cấp phối đá dăm và cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng TCVN 8858: 2011 “Móng cấp phối đá dăm và cấp phối tự nhiên gia cố xi măng”.

Sử dụng trạm trộn liên hoàn (Công ty Bê tông Sông Hồng 6 - Chi nhánh Vĩnh Phúc) để trộn, vận chuyển hỗn hợp gia cố xi măng 6% và có sử dụng phụ gia kéo dài thời gian ninh kết xi măng.

Sử dụng máy ủi, san tự hành và lu tĩnh kết hợp lu rung trong quá trình thi công đường thử nghiệm;

Từ khâu thiết kế đến thi công tuân thủ quy trình quy phạm tiêu chuẩn Quốc gia tiêu chuẩn Việt Nam TCVN thiết kế, thi công và nghiệm thu hiện hành.

Tuy nhiên, vấn đề xuất hiện cần quan tâm ở đây là “vết nứt” trên bề mặt lớp móng mặt đường thử nghiệm sử dụng đất đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi măng.

2. HIỆN TƯỢNG NỨT BỀ MẶT LỚP MÓNG TRÊN ĐƯỜNG THỬ NGHIỆM CẤP PHỐI ĐÁ THẢI MỎ THAN GIA CỐ XI MĂNG

2.1. Hiện tượng nứt trên mặt

Hiện tượng vết nứt tuổi sớm trên bề mặt, xuất hiện nhiều tại thời điểm sau 24h kể từ khi kết thúc việc lu lèn. Quan sát mắt thường cho thấy vết nứt hình thành rất đa dạng có thể là nằm dọc hay nằm ngang, chi chít hoặc xiên hoặc chéo theo tim đường. Về kích thước chiều dài và chiều sâu vết nứt không lớn nhưng rất ngoằn ngoèo, chiều rộng thông thường ≤ 02mm; tập trung nhiều tại những chỗ mặt đường gia cố xi măng nổi hạt mịn lên trên bề mặt. Tại những vị trí tập trung cốt liệu lớn có mật độ đá hạt dày là chỗ đó ít xuất hiện vết nứt.

Hình 2.1: Hiện tượng nứt trên mặt

2.2. Nguyên nhân xuất hiện vết nứt

- Nguyên nhân chính có thể kể đến là do co ngót xuất phát từ chỗ giai đoạn đầu (nứt mềm) phản ứng thủy hóa của nước với xi măng làm cho nhiệt lượng toàn khối của lớp đá thải mỏ than gia cố xi măng 6% này tăng, thúc đẩy việc nước bốc hơi nhanh dẫn đến thể tích bị co ngót. Thường tại những vị trí cục bộ có độ ẩm tăng vượt quá độ ẩm cho phép trong phòng thử nghiệm (> ± 02%), quá trình đầm rung sẽ làm cho vật liệu có hiện tượng phân tầng, cốt liệu hạt to nặng sẽ chìm xuống phía dưới, cốt liệu nhỏ và mịn nhẹ nổi nên trên. Tuy nhiên, do công nghệ điều chỉnh độ ẩm thực tế trên công trường bằng vòi phun nước tạo mưa sẽ không đều và không đạt yêu cầu chuẩn được, dẫn đến cùng một công lu lèn nhưng vẫn có hiện tượng vật liệu bị phân tầng theo các cấp độ khác nhau. Như vậy, hiện tượng xuất hiện vết nứt trên bề mặt chỗ nhiều, chỗ ít và chỗ nông, chỗ sâu cũng dễ hiểu.

2.2.1. Vết nứt xiên, nứt ngang và nguyên nhân xuất hiện

Nguyên nhân chính là do co ngót trong quá trình hình thành cường độ, nước trong cấp phối đá thải mỏ than gia cố xi măng bốc hơi nhanh trong thời tiết khô ráo và nước bị giảm đi do ảnh hưởng của phản ứng thủy hóa xi măng, dẫn đến thể tích vật liệu toàn khối bị giảm, đồng thời còn phải kể đến tính co giãn vì nhiệt. Khi nhiệt độ môi trường giảm dẫn đến thể tích của lớp cấp phối đá thải cũng giảm theo. Đối với các vết nứt nhỏ thuộc dạng vết nứt phản ánh không có tiêu chuẩn cụ thể nhưng < 3mm thì hiện tượng nứt này là đúng quy luật. Tuy nhiên, tại dự án đường thử nghiệm này cũng có xuất hiện vết nứt lớn > 3mm. Các vết nứt này thường dễ quan sát vào buổi sáng sớm, đến trưa vết nứt nhỏ lại rất khó phát hiện nếu không được đánh dấu từ trước.

- Đá thải mỏ than Quảng Ninh là một loại vật liệu mới mang đặc điểm tính chất đặc trưng của cấp phối đá dăm, đồng thời có nhiều điểm tương đồng với cấp phối thiên nhiên có gia cố nghiền sàng. Như vậy, sử dụng vật liệu mới cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh ở đây gia cố xi măng theo trọng lượng riêng phải tham chiếu hai tiêu chuẩn nói trên là cần thiết. Trong tiêu chuẩn quốc gia Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN: 8858:2011 quy định đối với cấp phối đá dăm lượng xi măng tối đa 6%; lượng xi măng tối thiểu là 3%, trong khi đó cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng lượng xi măng quy định tối đa là 12%; lượng xi măng tối thiểu là 4%. Do đó, việc lựa chọn gia cố xi măng 6% với hỗn hợp cấp phối nói trên làm đường thử nghiệm có lẽ chưa phải là lớn để xảy ra vết nứt. Điều mà quan tâm nhiều có lẽ phải là công nghệ điều chỉnh độ ẩm sao cho đều và sai số nhỏ hơn sát với quy định cho phép trong phòng thí nghiệm.

- Chất lượng trộn hỗn hợp cấp phối đá thải gia cố xi măng bằng trạm trộn liên hoàn nhưng khâu san rải lu lèn còn nhiều hạn chế về kinh nghiệm: Thực tế cho thấy là thời gian bị kéo dài so với dự kiến trước thời gian ninh kết của xi măng trung bình là 1.5h mới xong kết thúc phần lu lèn, quá trình lu lèn đôi khi còn xuất hiện những chỗ vật liệu phân tầng, chỗ khô quá phải phun nước xử lý điều chỉnh độ ẩm. Mặc dù đã cố gắng nhưng không thể tiêu chuẩn như trong phòng thí nghiệm được, dẫn đến hiện tượng không đồng đều, có chỗ nhiều hạt mịn nổi nên và xuất hiện vết nứt tập trung ở chỗ đó.

- Việc bảo dưỡng thời gian đầu bằng cách phun nước và có dùng bạt dứa phủ lên rồi phun nước định kỳ. Lớp móng trên thoát nước nhanh do nắng nóng, gió khô dẫn đến môi trường nhiệt độ cao, thời điểm thi công vào mùa hè tháng cuối tháng 4/2017 (đợt nóng lặp lại lịch sử 65 năm qua).

- Nhìn chung, chọn thời điểm thi công đảm bảo tính công tác tốt đạt năng suất cao thường là vào những ngày khô ráo, nóng nắng nhưng về mặt kỹ thuật để đảm bảo chất lượng sẽ khó khăn kể cả trước khi bảo dưỡng và sau khi đã được bảo dưỡng.

2.2.2. Biện pháp khắc phục xử lý hạn chế ảnh hưởng nứt

* Tạo khe dọc, ngang mặt đường:

- Để giảm bớt ảnh hưởng tính co ngót thể tích vật liệu gia cố giai đoạn tuổi sớm tính toán bố trí tạo khe dọc, ngang mục đích làm giảm diện tích mặt thoáng, chia ô nhỏ trên lớp móng đường gia cố tiếp tục theo dõi hiên tượng nứt.

- Dùng máy cắt bê tông chuyên dụng tạo khe dọc theo tim đường theo sơ đồ sau:

Hình 2.2: Sơ họa mặt bằng phạm vi đường thử nghiệm

Bố trí cắt khe dọc, ngang rộng 6mm ở độ sâu h = 6cm (trên 30% chiều dày lớp kết cấu móng đường gia cố), nhằm tạo khe giả và gây hiệu ứng tập trung ứng xuất co ngót mặt đường gia cố xi măng tuổi sớm.

Hình 2.3: Thi công tạo khe

* Tưới nhũ tương bảo dưỡng:

Sau khi bảo dưỡng giai đoạn đầu lớp móng mặt đường gia cố bằng nước thời gian sau kết thúc lu nèn 72h tiến hành cắt khe dọc ngang đồng thời tưới nhũ tương gốc axit phủ đều trên mặt móng lấp đầy vết nứt xuất hiện trên mặt đường theo quy trình TCVN về bảo dưỡng mặt đường cấp phối đá dăm và cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng.

Hình 2.4: Bảo dưỡng bằng nhũ tương

3. ĐỀ XUẤT, KIẾN NGHỊ SỬ DỤNG VẬT LIỆU MỚI CẤP PHỐI ĐÁ THẢI MỎ THAN QUẢNG NINH

Trên cơ sở phân tích hiện tượng, nguyên nhân vết nứt nêu trên, tác giả đề xuất, kiến nghị như sau:

Cần đầu tư công tác nghiên cứu sử dụng vật liệu cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh trong thi công các lớp kết cấu áo đường cấp cao A2 trở xuống, trong đó có đường giao thông nông thôn ở địa phương Quảng Ninh và khu vực lân cận là hướng đi đúng đắn ở nước ta hiện nay. Điều đó giúp việc cho hạn chế vấn đề khai thác tài nguyên, sử dụng triệt để nguồn phế thải trong quá trình khai thác than và cũng là giải pháp bảo vệ môi trường tăng thu nhập cho Tập đoàn Than khoáng sản Việt Nam.

- Cần tổng kết, rút kinh nghiệm và tiếp tục hoàn thiện Tiêu chuẩn thiết kế - Công nghệ thi công và kiểm soát chất lượng lớp móng trong kết cấu áo đường để nhân rộng trong các dự án tiếp theo. Trong đó, cần quy định rõ hơn về kiểm soát cũng như xử lý các vết nứt của lớp móng cấp phối đá thải gia cố xi măng; quy định về những trường hợp cần sử dụng lớp chống nứt phản ánh cũng như vật liệu, quy cách và công nghệ thi công những lớp vật liệu đó.

3.1. Những lưu ý trong thiết kế, thi công và bảo dưỡng lớp đá thải gia cố xi măng

- Nên sử dụng cấp phối đá thải mỏ than khi gia cố xi măng có hàm lượng hạt nhỏ hơn 5mm thấp và có thể trộn thêm cát, tro bay có đường kính hạt ≥ 2;

- Nên sử dụng chất kết dính xi măng loại PCB kết hợp phụ gia kéo dài thời gian đông kết xi măng để giảm tỷ lệ xi măng thấp đến 5%;

- Độ ẩm hỗn hợp cấp phối đá thải mỏ than khi rải và lu lèn không được vượt quá độ ẩm tốt nhất;

- Nên thi công vào ban đêm hoặc trời không nóng quá 300C;

- Sau khi xi măng đông cứng cần bảo dưỡng ngay bằng nhũ tương nhựa đường a xít với liều lượng khoảng 0.8 - 1.0 lít/m2;

- Cấm xe ô tô và phương tiện thi công nặng đi trên lớp cấp phối đá thải gia cố xi măng trong thời gian bảo dưỡng;

- Theo dõi diễn biến nứt, đánh giá đối chiếu với tiêu chuẩn nứt cho phép và tiến hành các biện pháp xử lý nếu cần trước khi thi công lớp bảo vệ láng nhựa phía trên;

- Thi công lớp bảo vệ chống hao mòn ngay sau khi lớp cấp phối đá thải mỏ than đủ cường độ yêu cầu.

3.2. Biện pháp khắc phục

- Kiểm soát chặt chẽ vật liệu đầu vào trong quá trình sản xuất cấp phối đá thải mỏ than Quảng Ninh phải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về cường độ và thành phần hạt;

- Kiểm soát chặt chẽ công tác trộn cấp phối đảm bảo đúng hàm lượng xi măng, độ ẩm yêu cầu;

- Tuân thủ chặt chẽ qui trình lu, thời gian lu không vượt quá thời gian ninh kết của hỗn hợp;

- Kiểm soát chặt chẽ nguồn và chất lượng xi măng, độ tỏa nhiệt của xi măng giới hạn thấp;

- Kiểm soát chặt chẽ công tác bảo dưỡng sau thi công, đảm bảo việc bảo dưỡng liên tục duy trì độ ẩm tốt nhất, hạn chế ảnh hưởng nhiệt độ;

- Tiếp tục thử nghiệm với cấp phối thành phần tỷ lệ cốt liệu mới có hàm lượng xi măng nhỏ hơn.

4. KẾT LUẬN

Các hiện tượng nứt trên đoạn thử nghiệm cho thấy, hiện tượng nứt (dẫn đến nứt phản ánh sau khi phủ lớp mặt) của vật liệu đá thải sau khai thác ở Quảng Ninh phù hợp với nứt của các vật liệu gia cố khác (đá gia cố). Tuy nhiên, do tính chất vật liệu là loại vật liệu thải ra sau khai thác có những tính chất riêng, do vậy các hiện tượng xảy ra nứt cũng có những đặc trưng riêng, cần tiếp tục nghiên cứu theo dõi để có thể sử dụng có hiệu quả trong kết cấu móng đường.

Tài liệu tham khảo

[1]. Wayne S. Adaska1 and David R.Luhr (May 2004), Control of reflective cracking in cement stabilized pavements.

[2]. Mai Lan Nguyen, Juliette Blanc, Jean Pierre Kerzrého, Pierre Hornych Review of glass fiber grid use for pavement reinforcement and APT experiments at IFSTTAR.

[3]. TCVN: 4054:2005 “Đường ô tô yêu cầu thiết kế” và quy trình 22TCN 211-06 “Áo đường mềm - Các yêu cầu chỉ dẫn thiết kế”.

[4]. TCVN 9436: 2011 “Nền đường - Thi công và nghiệm thu”.

[5]. TCVN 8857: 2011 “Móng cấp phối thiên nhiên - Thi công và nghiệm thu”.

[6]. TCVN 8858:2011 “Móng cấp phối đá dăm và cấp phối tự nhiên gia cố xi măng”.

[7]. TCVN8863:2011 “Mặt đường láng nhựa nóng - Thi công và nghiệm thu”.