Trung tâm kỹ thuật đường bộ 3

Biện pháp giảm thiểu nứt phản ánh trong kết cấu mặt đường mềm

Các nhân tố góp phần gây nứt trong lớp móng gia cố xi măng gồm các đặc tính vật liệu của lớp móng, hàm lượng xi măng, qui trình thi công...

Cập nhật: 1/11/2024

Danh mục tin tức: Tin tức công nghệ

CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU NỨT PHẢN ÁNH CỦA LỚP MÓNG GIA CỐ XI MĂNG

TRONG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG MỀM

Hồ Văn Quân¹, Phạm Thái Uyết²

¹Đại học Sư phạm Kỹ thuật; vanquan0877@gmail.com

²Trung tâm Kỹ thuật đường bộ 3; phamthaiuyetrtc3@gmail.com

TÓM TẮT:

Việc sử dụng các lớp móng gia cố xi măng (GCXM) như cấp phối đá dăm GCXM, cát GCXM, ... trong kết cấu mặt đường mềm góp phần làm tăng chất lượng và tuổi thọ của kết cấu mặt đường do các đặc trưng của nó. Nứt mỏi sẽ giảm vì lớp móng GCXM có độ cứng lớn làm giảm độ võng dọc và ứng suất kéo trong lớp mặt bê tông nhựa (BTN). Tuy nhiên, các lớp móng GCXM cũng có thể là nguồn gốc của các vết nứt co ngót trong lớp móng có thể phản ánh thông qua bề mặt các lớp BTN. Nếu các vết nứt này đủ rộng thì chúng có thể làm giảm độ bằng phẳng, thấm nước, truyền tải trọng qua các vết nứt kém và tăng ứng suất trong lớp BTN, cuối cùng dẫn đến hư hỏng và giảm tuổi thọ của mặt đường. Các nhân tố góp phần gây nứt trong lớp móng GCXM bao gồm các đặc tính vật liệu của lớp móng, hàm lượng xi măng, qui trình thi công, tải trọng giao thông và sự kiềm chế áp đặt trên lớp móng GCXM của lớp móng dưới. Bài báo này sẽ phân tích các cơ chế, nhân tố gây nứt và kiến nghị một số biện pháp giảm thiểu nứt phản ánh của lớp móng GCXM trong kết cấu mặt đường mềm.

Từ khóa: Lớp móng gia cố xi măng, nứt phản ánh, kết cấu mặt đường mềm.

1. GIỚI THIỆU

Tuy nhiên, lớp móng GCXM cũng có thể là nguồn gốc của các vết nứt co ngót trong lớp móng mà có thể phản ánh thông qua bề mặt các lớp BTN. Nếu các vết nứt này đủ rộng thì chúng có thể làm giảm độ bằng phẳng, thấm nước, truyền tải trọng qua các vết nứt kém và tăng ứng suất trong lớp BTN, cuối cùng dẫn đến hư hỏng và giảm tuổi thọ của kết cấu mặt đường.

Ba điều kiện cần thiết để các vết nứt phản ánh xảy ra trong lớp mặt BTN [21]: (1) Các vết nứt trong lớp móng GCXM phải đủ rộng để tạo ra ứng suất tập trung dưới đáy của lớp BTN; (2) Không có phương pháp làm giảm ứng suất tập trung dưới đáy của lớp BTN; Và (3) lớp BTN đủ giòn để nứt do sự truyền lên của ứng suất tập trung.

Các nhân tố góp phần gây nứt trong lớp móng gia cố xi măng bao gồm các đặc tính vật liệu của lớp móng, hàm lượng xi măng, qui trình thi công, tải trọng giao thông và sự kiềm chế áp đặt trên lớp móng GCXM của lớp móng dưới. Công trình nghiên cứu của Garrett et al [3] đã chỉ ra rằng các vết nứt rộng (lớn hơn 3- 6 mm) trong các lóp móng GCXM chủ yếu là do co ngót khô (mất nước) chứ không phải là do hydrat hóa của xi măng hoặc sự thay đổi nhiệt độ. Các vết nứt này dễ thấm nước gây mất sự khóa móc cốt liệu tại các vết nứt, tách lớp và làm hư hỏng cục bộ mặt đường dọc theo các vết nứt.

2. CƠ CHẾ GÂY NỨT TRONG LỚP MÓNG GCXM VÀ NỨT PHÁN ÁNH QUA LỚP BTN

2.1. Nứt phản ánh

Các vết nứt trong các lớp móng GCXM, bất kể nguyên nhân gì đều có thể dẫn đến tập trung ứng suất và gây nứt trong lớp mặt BTN. Các vết nứt trong lớp mặt BTN có xu hướng theo cùng một dạng như các vết nứt trong lớp móng GCXM và được gọi là nứt phản ảnh [21] (Hình 1). Cách duy nhất để xác định một vết nứt trên bề mặt của lớp BTN là nứt phản ánh thì phải khoan mẫu trên mặt đường và thấy rõ những vết nứt ở vị trí tương tự trong lớp móng GCXM và lớp BTN.

2.2. Cơ chế gây nứt trong lớp móng GCXM

Nứt trong lớp móng GCXM là do sự thay đổi thể tích (co ngót). Sự co ngót này có thể xảy ra vì một số lý do như: xi măng hydrat hóa sau khi đầm chặt, sự thay đổi nhiệt độ và khô do bay hơi [4, 6]. Độ co ngót lớn nhất xảy ra khá sớm trong lớp móng GCXM (thường trong vòng vài tháng đầu). Khi lớp móng GCXM co ngót, sự chuyển động của nó bị chống lại bởi ma sát từ lớp móng dưới gây ứng suất kéo trong lớp móng GCXM. Vì lớp móng GCXM có cường độ kéo hạn chế nên các lực gây co ngót có thể gây nứt. Các vết nứt co ngót hẹp (< 3 mm) thường không gây hại cho kết cấu mặt đường, các vết nứt này vẫn đảm bảo sự truyền tải trọng thông qua sự khóa móc cốt liệu giữa hai mặt của vết nứt và có thể không phản ánh qua lớp BTN, đồng thời các vết nứt co ngót hẹp thường đủ kín để giảm thiểu xâm nhập của ẩm vào các lớp móng dưới và không gây ra các vấn đề hư hỏng về kết cấu. Tuy nhiên, nếu vết nứt co ngót đủ rộng (3-6 mm) chúng có thể dẫn đến sự truyền tải kém, tăng ứng suất cục bộ và gây nứt phản ánh qua lớp BTN làm giảm độ bằng phẳng, thấm nước, cuối cùng dẫn đến hư hỏng và giảm tuổi thọ của mặt đường.

Nứt phản ánh qua lớp BTN nếu nó xảy ra, có thể xảy ra nhanh chóng (trong vòng một vài tháng) hoặc có thể kéo dài trong nhiều năm, đặc biệt là trong trường hợp các vết nứt co ngót ở lớp móng GCXM hẹp và chiều dày lớp BTN bên trên lớn. Tùy thuộc vào mức độ co ngót và cường độ chịu kéo của lớp móng GCXM mà các vết nứt co ngót có thể cách nhau từ 1- 20 m [15].

Ngoài cơ chế nứt do co ngót, nứt mỏi do tải trọng giao thông gây ra trong lớp móng GCXM cũng có thể gây ra nứt phản ánh qua lớp BTN bên trên nếu chiều dày của lớp móng GCXM quá mỏng [17].

2.3. Cơ chế gây nứt phản ánh trong lớp mặt BTN

Cơ chế cơ bản được cho là dẫn đến nứt phản ánh trong lớp mặt BTN là những chuyển động thẳng đứng và chuyển động nằm ngang của mặt đường [7, 12].

Chuyển động nằm ngang là vì sự giãn nở và co lại của lớp móng GCXM do sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm (Hình 2.a). Chuyển động ngang của móng GCXM bị nứt dưới đáy lớp BTN gây ra ứng suất kéo cao ngay khu vực trên vết nứt, điều này xảy ra bởi vì ở nhiệt độ thấp thì lớp BTN cứng, giòn và không thể chịu được ứng suất lớn do nhiệt độ gây ra. Chuyển động thẳng đứng là những chuyển động khác nhau ở vết nứt trong lớp móng GCXM bên dưới và được gây ra bởi tải trọng giao thông. Tải trọng giao thông có thể gây ra sự chuyển động thẳng đứng khác nhau ở hai bên của vết nứt (Hình 2.b), mức độ chuyển động này phụ thuộc vào sự khóa móc cốt liệu giữa hai mặt nứt cũng như với mức độ uốn cong của lớp móng GCXM, các chuyển vị thẳng đứng gây ra ứng suất cắt trong lớp BTN. Ngoài sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm trong lớp móng GCXM bên dưới, tổng số chuyển động tại các vết nứt còn bị ảnh hưởng bởi chiều dài tấm và độ cứng của lớp BTN bên trên.

3. CÁC NHÂN TỐ GÂY NỨT TRONG LỚP MÓNG GCXM

Các nhân tố góp phần gây nứt lớp móng GCXM bao gồm:

3.1. Loại vật liệu

Nghiên cứu của George [6] cho thấy các loại vật liệu làm móng GCXM có chứa nhiều lượng hạt mịn (chẳng hạn như hạt sét) có sự co ngót lớn hơn so với các loại vật liệu có lượng hạt mịn ít hơn. Vật liệu chứa lượng hạt mịn nhiều có diện tích bề mặt lớn hơn và thường đòi hỏi độ ẩm cao hơn khi đầm nén cùng độ chặt. Ngoài ra, hàm lượng xi măng cần thiết cho vật liệu có nhiều hạt mịn thường cao hơn so với vật liệu có ít hạt mịn hơn để đạt đủ cường độ yêu cầu. Cả hai yếu tố này góp phần làm cho độ ẩm của vật liệu chứa nhiều hạt mịn cao hơn và do đó co ngót khô cao hơn.

3.2. Hàm lượng xi măng

Xi măng thủy hóa đóng góp vào co ngót ít hơn các nhân tố khác. Tuy nhiên, khi lượng xi măng quá mức có thể làm trầm trọng thêm nứt theo hai cách: Thứ nhất, tăng hàm lượng xi măng gây tiêu thụ nhiều nước hơn trong quá trình thủy hoá, làm tăng sự co ngót khô. Thứ hai, hàm lượng xi măng cao hơn tạo nên độ cứng và cường độ (cả nén và kéo) cao hơn. Cường độ kéo cao hơn dẫn đến các vết nứt bị giãn cách xa hơn, nhưng do vật liệu chịu tổng co ngót tối thiểu bằng với vật liệu có hàm lượng xi măng thấp hơn nên chiều rộng của mỗi vết nứt riêng lẻ là rộng hơn [21]. Các nghiên cứu về vật liệu cấp phối GCXM của Kai Cui [8] và Wang Yan [20] cũng kết luận là độ co ngót tăng tỉ lệ thuận với hàm lượng xi măng. Do đó, để giảm thiểu ảnh hưởng của hàm lượng xi măng vào co ngót thì không để hàm lượng xi măng vượt quá hàm lượng cần thiết vừa đủ đạt cường độ yêu cầu. TCVN 8858:2011, thi công và nghiệm thu lớp móng cấp phối GCXM [18] qui định hàm lượng xi măng tối thiểu là 3-4%.

3.3. Độ chặt và độ ẩm đầm nén

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của độ đầm chặt đối với độ co ngót của vật liệu GCXM đã được báo cáo [6, 9]. Một hỗn hợp có độ đầm chặt lớn sẽ làm giảm khả năng co ngót bởi vì các hạt cốt liệu được lèn chặt ép sát vào nhau làm giảm độ rỗng. Do đó, việc tăng độ chặt và giảm độ ẩm của vật liệu GCXM có thể làm giảm co ngót, độ co ngót thu được ít nhất đối với vật liệu GCXM ở độ chặt cao nhất và độ ẩm thấp nhất. Ngoài ra, độ đầm chặt lớn hơn sẽ dẫn đến sự ma sát và chèn móc cốt liệu tốt hơn làm giảm sự phát triển của các vết nứt. Nghiên cứu của Bhandari [1] cho biết việc đầm nén vật liệu GCXM trong cối Proctor cải tiến làm giảm 50% độ co ngót so với đầm nén trong cối Proctor tiêu chuẩn, độ ẩm tối ưu khi đầm nén trong cối cải tiến cũng nhỏ hơn khi đầm nén trong cối tiêu chuẩn, điều này cũng giúp làm giảm độ co ngót.

3.4. Bảo dưỡng

Sau khi thi công, lớp móng GCXM lập tức bắt đầu mất độ ẩm thông qua bay hơi. Vật liệu GCXM mất độ ẩm sẽ gây ra khô nhanh và co ngót nhiều hơn, đồng thời không đủ độ ẩm cho xi măng tiếp tục hydrat hóa dẫn đến làm giảm cường độ cuối cùng.

Công trình nghiên cứu của George [6] cho thấy rằng việc bảo dưỡng kéo dài có lợi ích hạn chế co ngót khô cuối cùng. Bảo dưỡng làm chậm lại co ngót nhưng không giảm co ngót đáng kể. Lợi ích rõ ràng của việc bảo dưỡng kéo dài là tỉ lệ xi măng thủy hóa nhiều hơn làm tăng cường độ nén và kéo của vật liệu GCXM. Một nghiên cứu khác của George [5] về ảnh hưởng của điều kiện bảo dưỡng đến hình dạng nứt của lớp móng GCXM, Ông đã kết luận rằng việc bảo dưỡng kéo dài dẫn đến độ rộng vết nứt hẹp hơn và khoảng cách giữa các vết nứt dài gấp đôi so với điều kiện bảo dưỡng chuẩn. Điều này có thể giải thích là do sự gia tăng cường độ và giảm co ngót khô của vật liệu GCXM.

4. CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM THIỂU NỨT PHẢN ÁNH

Các phương pháp kiểm soát nứt phản ánh về cơ bản rơi vào hai loại: Làm giảm chiều rộng các vết nứt trong lớp móng GCXM thông qua sử dụng vật liệu, qui trình thi công và sử dụng một lớp vật liệu trung gian làm giảm ứng suất đặt ở giữa lớp móng GCXM và lớp BTN.

4.1. Về vật liệu làm móng GCXM

Gồm một số biện pháp sau:

- Sử dụng hàm lượng xi măng tối thiểu trong hỗn hợp. Lượng xi măng vừa đủ nên được sử dụng để đạt được các tính chất và cường độ mong muốn của vật liệu GCXM, hàm lượng xi măng nhiều hơn nữa là không cần thiết, không kinh tế và có thể dẫn đến co ngót và nứt nhiều hơn. Do đó, phải tiến hành thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định hàm lượng xi măng tối thiểu thỏa mãn các yêu cầu của dự án.

- Sử dụng các phụ gia khoáng. Các phụ gia khoáng khác nhau đã được nghiên cứu để giảm khả năng co ngót của vật liệu GCXM như tro bay, xỉ lò cao. Nghiên cứu của Sastry [13] trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng hỗn hợp tro bay và xi măng làm giảm co ngót khô mà không mất cường độ lâu dài, ngoài ra, tốc độ đông kết của hỗn hợp chứa tro bay và xi măng chậm lại làm giảm nứt. El-Rahim et al [2] sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng trong vật liệu GCXM và kết luận rằng, các vết nứt co ngót hẹp hơn so với các vết nứt xảy ra trong vật liệu không có phụ gia tro bay.

- Qui định độ chặt và độ ẩm thi công của lớp móng GCXM. Như trên đã phân tích, một vật liệu GCXM có độ chặt lớn sẽ làm giảm co ngót đồng thời độ chặt càng lớn thì độ ẩm càng bé. Vì vậy độ chặt thi công tối thiểu của lớp móng GCXM là nên bằng độ chặt đầm nén trong phòng thí nghiệm và độ ẩm thi công tối đa là nên bằng độ ẩm tối ưu trong phòng thí nghiệm. Tài liệu [18] qui định độ chặt thi công của lớp cấp phối GCXM bằng độ chặt đầm nén trong phòng thí nghiệm và độ ẩm thi công cho phép sai số nhỏ hơn 1% so với độ ẩm tối ưu.

4.2. Phương pháp tạo vi vết nứt trước

Nội dung của phương pháp là áp dụng một tải trọng lên lớp móng GCXM bằng cách sử dụng một lu rung loại nặng lu từ 2-4 lượt/điểm vào thời điểm 1-2 ngày sau khi kết thúc lu lèn cuối cùng. Việc này sẽ tạo ra một mạng lưới vi vết nứt gần nhau trong lớp móng GCXM làm giảm ứng suất co ngót trong giai đoạn đầu của bảo dưỡng và làm giảm sự phát triển của các vết nứt co ngót rộng. Hơn nữa, các vi vết nứt được thực hiện ngay sau khi thi công nên phương pháp này sẽ không ảnh hưởng đến khả năng chụi lực tổng thể của kết cấu mặt đường vì các vi vết nứt sẽ tự lành lại nhờ sự thủy hóa của xi măng và lớp móng GCXM sẽ tiếp tục tăng cường độ theo thời gian.

Phương pháp này được báo cáo lần đầu tiên ở Áo vào năm 1995 bởi Litzka et al [11]. Họ sử dụng một lu rung lu 5 lượt/điểm trong khoảng 24 đến 72 giờ sau khi đầm nén cuối cùng lớp móng GCXM. Họ kết luận rằng các vi vết nứt ngăn cản sự phát triển của các vết nứt ứng suất lớn hơn và ngăn ngừa nứt phản ánh qua lớp BTN. Scullion [14] đã báo cáo về một dự án gồm ba đoạn đường được xây dựng sử dụng phương pháp tạo vi vết nứt trước và một đoạn đường được xây dựng thông thường để đối chứng. Kết cấu mặt đường gồm 15 cm đất gia cố vôi, 15 cm móng trên GCXM và 5 cm BTN. Ba phần được gây nứt trước bằng một lu rung 12 tấn với tốc độ khoảng 3,2 km/h. Kết quả cho thấy cường độ trung bình của lớp móng GCXM giảm khoảng 30% sau hai lần lu và giảm thêm 15-20% sau hai lần lu bổ sung. Cường độ sau 6 tháng trong ba phần nứt trước tương đương hoặc vượt cường độ ban đầu trước khi tạo nứt trước, như vậy các phần nứt trước tiếp tục tăng cường độ theo thời gian. Chiều dài vết nứt đo được ở các phần nứt trước sau sáu tháng cho thấy nứt đã giảm đáng kể so với phần không nứt trước (đối chứng) được ghi ở bảng 1.Tương tự, một số dự án nghiên cứu hiện trường của Sebasta et al [16] sau đó cũng kết luận rằng phương pháp tạo vi vết nứt trước không làm hư hại mặt đường, cường độ của móng GCXM được phục hồi giống như ở các phần không tạo vi vết nứt trước, làm giảm độ rộng và chiều dài của vết nứt co ngót trong lớp móng GCXM bất kể hàm lượng xi măng.

4.3. Sử dụng lớp vật liệu trung gian làm giảm ứng suất tập trung

Phương pháp này sử dụng một lớp vật liệu mềm đặt giữa lớp móng GCXM và lớp BTN làm giảm ứng suất. Điều này có thể thực hiện bằng các biện pháp sau đây:

- Sử dụng một lớp láng nhựa (1 hoặc 2 lớp) đặt giữa lớp móng GCXM và lớp BTN. Tính mềm dẻo của lớp láng nhựa sẽ giúp làm giảm ứng suất tập trung trong lớp BTN, đồng thời lớp láng nhựa kiêm luôn lớp màng bảo dưỡng đảm bảo lớp móng GCXM không bi mất ẩm do bay hơi [21]. Ngoài ra, lớp láng nhựa cũng là lớp bảo vệ bề mặt lớp móng GCXM cho các phương tiện thi công đi lại trong quá trình thi công.

- Sử dụng một lớp vật liệu địa kỹ thuật (ĐKT) tổng hợp (như vải ĐKT, lưới ĐKT, ô ĐKT, sợi thủy tinh, ...) hoặc lưới thép bố trí giữa lớp móng GCXM và lớp BTN [21]. Các lớp vật liệu này có tác dụng giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo ở đáy lớp BTN và ngăn chặn các vết nứt không phản ánh qua lớp mặt BTN.

- Sử dụng một lớp vật liệu hạt thô cấp phối hở gia cố nhựa với độ rỗng 20-30%, hàm lượng nhựa thấp khoảng 3%, chiều dày tối thiểu 75 mm đặt giữa lớp móng GCXM và lớp BTN [8, 19, 22]. Lớp vật liệu này có đặc điểm là độ rỗng lớn và mô đun đàn hồi cao hoạt động như một lớp đệm làm giảm rung động, đồng thời hấp thụ hoặc phân bố độ võng khác nhau tại các vết nứt trên lớp móng GCXM. Chức năng này rất khác so với lớp BTN rỗng thông thường. Chính đặc tinh này làm cho lớp vật liệu hạt thô cấp phối hở gia cố nhựa có thể ngăn chặn sự phát triển của các vết nứt từ lớp móng GCXM qua lớp mặt BTN.

5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Có nhiều phương pháp giảm thiểu nứt phản ánh từ lớp móng GCXM thông qua lớp phủ BTN trong kết cấu mặt đường mềm như đã trình bày. Ngoài việc kiểm soát tốt chất lượng trong quá trình thi công như mức độ trộn kỹ vật liệu, độ ẩm, thời gian khi bắt đầu trộn đến khi kết thúc đầm nén, độ chặt đầm nén và qui trình bảo dưỡng. có thể sử dụng một số biện pháp sau:

- Độ chặt và độ ẩm khi thi công lớp móng GCXM nên lớn hơn độ chặt lớn nhất và nhỏ hơn độ ẩm tối ưu trong phòng thí nghiệm, cụ thể hệ số độ chặt thi công lớp móng GCXM nên là 1,02-1,05 và độ ẩm thi công nên nhỏ hơn độ ẩm tối ưu 1-2%.

- Sử dụng hàm lượng xi măng tối thiểu để vật liệu GCXM có đủ cường độ tối thiểu đáp ứng theo yêu cầu thiết kế.

- Nên sử dụng tro bay thay thế một phần xi măng hoặc kết hợp với xi măng làm chất liên kết. Việc sử dụng tro bay với một hàm lượng nhất định ngoài việc làm giảm nứt do co ngót, còn có tác dụng giảm chi phí xây dựng và xử lý chất thải góp phần bảo vệ môi trường.

- Phương pháp tạo vi vết nứt trước nên được thử nghiệm, đánh giá và áp dụng ở nước ta, bời vì phương pháp này đã được áp dụng rất thành công ở nhiều nước trên thế giới, hơn nữa công nghệ của phương pháp này khá đơn giản và không tốn kém.

- Phương pháp sử dụng lớp vật liệu trung gian giảm ứng suất cũng được sử dụng khá phổ biến ở các nước phát triển, một số dự án xây dựng đường ở nước ta cũng đã sử dụng phương pháp này. Tuy nhiên phương pháp này thường có chí phí xây dựng cao. Ngoài ra, cũng có thể kết hợp phương pháp này với phương pháp tạo vi vết nứt trước sẽ giảm thiểu hoặc loại bỏ nứt phản ánh đồng thời có thể giảm được chiều dày của các lớp phủ BTN bên trên.

TIN TỨC KHÁC

TIN TỨC NỔI BẬT

TIN TỨC MỚI