một số vấn đề về độ nhám mặt đờng ô tô TS. lê văn bách Liên Bộ môn Công trình Trờng Đại học Giao thông Vận tải Cơ sở II Tóm tắt: Tai nạn giao thông đờng bộ có liên quan trực tiếp hay gián tiếp đến yếu tố độ nhám của mặt đờng. Đây l chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của đờng ô tô trong khai thác nhằm đảm bảo an ton giao thông khi xe chạy với tốc độ cao. Vậy, bản chất của độ nhám l gì? Giải pháp no để nâng cao độ nhám của mặt đờng ô tô? Summary:Traffic accident of land routes has directly or indirectly involved with the surface of the road. This is the important technical standard making good use of land routes which is assured at safe communication with high speed. So, what is the point of roughness? Which is solution to raise the surface of land routes roughness? I. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, một vấn đề lớn của chuyên ngành đờng ô tô đợc các chuyên gia trên thế giới cũng nh trong nớc quan tâm, đó là vấn đề an toàn giao thông. Những tai nạn giao thông đờng bộ xảy ra ngoài các nguyên nhân do tổ chức giao thông cha tốt, do ý thức của ngời tham gia giao thông cha cao, do điều kiện địa hình hạn chế, thì một nguyên nhân không nhỏ là do tình trạng mặt đờng xấu, bị trơn trợt. Sức chống trợt của mặt đờng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn cho xe chạy với tốc độ cao, đặc biệt trong điều kiện mặt đờng bị ẩm ớt làm cho độ bám của bánh xe với mặt đờng bị suy giảm đáng kể. Nhằm nâng cao khả năng chống trợt của mặt đờng ô tô, các nhà thiết kế, xây dựng và khai thác đờng ô tô luôn tìm cách làm cho mặt đờng có độ nhám cao, lâu mòn và tơng đối ổn định cả trong khi mặt đờng bị ẩm ớt. CT 2 Việc xây dựng mặt đờng có độ nhám cao cũng đợc chú trọng một cách đặc biệt ở những đoạn đờng dốc, đờng quanh co có bán kính nhỏ, những đoạn gần đến nút giao thông, đờng trục chính đô thị, khu đông dân c. Theo thống kê của một số nớc trên thế giới thì có đến 20% số vụ tai nạn giao thông có nguyên nhân trực tiếp hay gián tiếp là do mặt đờng trơn trợt, không đủ độ nhám, hệ số bám giữa bánh xe với mặt đờng quá thấp. Trên thế giới, nhất là ở các nớc nh Anh, Mỹ, Pháp, Nga, do hệ thống đờng cao tốc đã đợc xây dựng và phát triển từ những năm 1950 nên đã có nhiều tổ chức, cơ quan chú trọng nghiên cứu về độ nhám của mặt đờng bê tông nhựa. Các kết quả nghiên cứu về độ nhám của mặt đờng đợc phản ảnh trên các lĩnh vực: - Nghiên cứu bản chất, cấu trúc của độ nhám mặt đờng, các nhân tố ảnh hởng đến độ nhám, hệ thống thí nghiệm đánh giá các ảnh hởng. - Nghiên cứu công nghệ xây dựng lớp phủ mặt đờng có độ nhám cao. - Nghiên cứu các giải pháp và thiết bị đánh giá khả năng nhám của mặt đờng. Còn ở Việt Nam, trong những năm gần đây, đất nớc ta với nhịp độ tăng trờng kinh tế xã hội ngày một cao. Giao thông thông vận tải là một trong các ngành đã và đang phát triển mạnh mẽ. Nhiều dự án lớn về xây dựng mới và nâng cấp một số đờng trở thành đờng cấp cao nh đờng Bắc Thăng Long Nội Bài, Láng Hòa Lạc, QL5, QL1A, QL18, QL14, QL51, đờng Hồ Chí Minh Một thực tế đặt ra cho các con đờng cấp cao đã và sẽ xây dựng ở Việt Nam là làm sao có thể đạt đợc tốc độ chạy xe cao phù hợp với thiết kế (90 100 km/h) mà vẫn đảm bảo an toàn giao thông. Chính vì mục tiêu đó mà việc nghiên cứu về lý thuyết cũng nh công nghệ xây dựng lớp phủ mặt đờng có độ nhám cao là một vấn đề thời sự của chuyên ngành đờng ô tô nớc ta ở hiện tại và tơng lai. Mặc dù vậy, các nghiên cứu về độ nhám ở nớc ta cho đến nay vẫn chỉ ở giai đoạn đầu. Chúng ta còn thiếu rất nhiều, từ thiết bị thí nghiệm, thiết bị thi công và cả thiết bị đánh giá. Lĩnh vực độ nhám của mặt đờng ô tô ở Việt Nam là một vấn đề còn mới mẻ, cha đợc nghiên cứu đầy đủ. Cần thiết phải có những nghiên cứu sâu và đồng bộ về các mặt nh: thiết bị thí nghiệm, nghiên cứu áp dụng các công nghệ tiên tiến trên thế giới có tính hiệu quả cao, đề xuất phơng pháp đánh giá, II. Bản chất của độ nhám mặt đờng ô tô - Các yếu tố ảnh hởng đến độ nhám của mặt đờng ô tô Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng có nhiều yếu tố ảnh hởng đến độ bám của bánh xe với mặt đờng. Về phơng diện đờng ô tô thì yếu tố chủ yếu và quan trọng nhất vẫn là độ nhám của mặt đờng. CT 2 Để nghiên cứu bản chất và các nhân tố ảnh hởng đến độ nhám, ngời ta tiến hành phân tích cấu trúc bề mặt của mặt đờng. Độ nhám bề mặt của mặt đờng đợc tạo nên bởi hỗn hợp đá - nhựa đợc lu lèn, bao gồm hai thành phần chính: nhám vĩ mô và nhám vi mô nh hình 1. Nhaựm vi moõ Nhaựm vú moõ Maởt ủửụứng Nhám vi mô Nhám vĩ mô Mặt đờng Hình 1. Sơ đồ biểu diễn độ nhám của mặt đờng bê tông nhựa - Nhám vĩ mô (nhám thô): đợc định nghĩa là độ chênh cao giữa bề mặt mặt đờng so với mặt phẳng chuẩn với các kích thớc đặc trng của bớc sóng và biên độ thấp nhất từ 0,5 mm cho đến mức mà độ chênh cao đó không ảnh hởng đến sự tác động giữa lốp xe và mặt đờng. Cụ thể hơn, nhám vĩ mô là độ nhám của toàn bộ bề mặt đờng và đợc hình thành bởi hình dáng, kích thớc của các hạt cốt liệu lộ ra trên bề mặt mặt đờng. - Nhám vi mô (nhám mịn): đợc định nghĩa là độ chênh cao giữa bề mặt mặt đờng so với mặt phẳng chuẩn với các kích thớc đặc trng của bớc sóng và biên độ nhỏ hơn 0,5 mm. Nói cách khác, độ nhám vi mô là độ nhám, độ xù xì bề mặt đờng của hạt cốt liệu lộ ra trên mặt đờng và thờng khó nhìn thấy. Vai trò của nhám vĩ mô là tạo ra các kênh thoát nớc. Bằng cách làm giảm áp lực nớc ở trớc và xung quanh lốp xe, nhám vĩ mô cho phép một diện tích lớn của lốp xe vẫn duy trì sự tiếp xúc ma sát với bề mặt mặt đờng. Điều này cho phép nhám vĩ mô phát huy tác dụng kháng trợt. Qua thực nghiệm ngời ta đã xác định đợc mối tơng quan giữa độ nhám vĩ mô đợc biểu thị bằng chiều sâu trung bình cát H (mm) theo phơng pháp rắc cát và phần trăm (%) độ giảm sức kháng trợt mặt đờng đợc đo bằng hệ số lực hãm phanh (BFC) trong khoảng tốc độ từ V = 50 km/h đến V = 130 km/h, với độ nhám vi mô coi là không đổi (chất lợng cốt liệu nh nhau, chỉ có thành phần cấp phối khác nhau). Tơng quan này đợc thể hiện ở bảng 1. Bảng 1 Chiều sâu H (mm) Độ giảm BFC (%) 0,5 30 1,0 20 1,5 10 2,0 Không đáng kể CT 2 Từ các số liệu ở bảng trên cho thấy: cùng một độ nhám vi mô nh nhau, nhng do độ nhám vĩ mô khác nhau dẫn tới khả năng suy giảm sức kháng trợt cũng khác nhau. Nguyên nhân chủ yếu là do tác động khác nhau của hiệu ứng màng nớc khi xe chạy với tốc độ cao. Về lý thuyết, với chiều sâu H = 2,0mm thì hoàn toàn triệt tiêu hiệu ứng màng nớc. Qua các phân tích trên có thể rút ra kết luận là có hai thành phần chính tạo nên sức kháng trợt của bề mặt đờng, đó là nhám vĩ mô và nhám vi mô. Nhám vĩ mô tạo ra các đờng thoát nớc một yếu tố cần thiết cho giao thông tốc độ cao, trong khi nhám vi mô tạo ra sức kháng trợt là yếu tố cần thiết cho giao thông ở tốc độ thấp và giao thông ở tốc độ cao. 1. Các yếu tố ảnh hởng đến độ nhám vĩ mô + Diện tích cốt liệu thô nổi lên mặt đờng: trong hỗn hợp bê tông nhựa thì cốt liệu lớn nhất nhô lên bề mặt đờng là nơi mà lốp xe tiếp xúc nhiều nhất. Vì thế mà nó đóng góp phần lớn vào sức kháng trợt của bề mặt mặt đờng qua cả nhám vĩ mô và vi mô. Nhám vĩ mô đạt đợc nhờ việc thiết kế tối u hàm lợng nhựa và phụ thuộc trực tiếp vào cấp phối, góc cạnh và hình khối của cốt liệu. Việc dùng một tỉ lệ lớn các cốt liệu thô trong hỗn hợp sẽ cho kết quả là một diện tích lớn các cốt liệu thô đợc nổi lên mặt đờng và do đó sẽ có độ nhám vĩ mô cao. + Hàm lợng nhựa trong hỗn hợp và hệ số đầm nén: nếu lợng nhựa quá nhiều hoặc độ đầm nén quá chặt sẽ làm giảm diện tích nổi lên mặt đờng của các cốt liệu thô, do đó làm giảm sức kháng trợt mặt đờng. Ngoài ra, tính chất vật lý của bản thân loại nhựa cũng ảnh hởng đáng kể tới độ nhám vĩ mô. Một loại nhựa có thuộc tính ổn định nhiệt cao (nhựa cải thiện) sẽ hạn chế khả năng chảy nhựa vào mùa nóng làm cho bề mặt bê tông nhựa dễ duy trì đợc diện tích cốt liệu thô hơn. + Tính chịu mài mòn của cốt liệu: độ bền của nhám vĩ mô phụ thuộc chủ yếu vào tính chịu bào mòn của cốt liệu. Cốt liệu có sức chịu bào mòn kém sẽ nhanh chóng bị mòn vẹt đi dới tác dụng của xe cộ và cho kết quả là mặt đờng bị mất sức kháng trợt. Tính chịu mài mòn của cốt liệu đợc xác định bằng thí nghiệm độ mài mòn Los Angeles. + Hình khối, góc cạnh của cốt liệu thô: để cho các hạt cốt liệu nhô lên bề mặt mặt đờng không bị gãy vụn ra, để đảm bảo độ nhám vĩ mô bền vững thì các hạt cốt liệu phải có dạng hình khối, không đợc chứa nhiều hàm lợng hạt dẹt. 2. Các yếu tố ảnh hởng đến độ nhám vi mô Đối với đá, độ bền của nhám vi mô chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính kháng mài bóng. Sức kháng mài bóng của đá đợc đánh giá bằng thí nghiệm mài bóng thông qua chỉ số mài bóng PSV (British Polish Stone Value Test, ASTM D3319). Vật liệu đá có chỉ số PSV cao chứng tỏ có sức kháng mài bóng tốt. CT 2 Đối với cát, độ bền của nhám vi mô chủ yếu phụ thuộc vào hàm lợng thạch anh và silic. Hàm lợng này càng cao thì độ bền của nhám vi mô càng lớn. III. Các phơng pháp thí nghiệm xác định độ nhám v sức kháng trợt của mặt đờng ô tô Các phơng pháp thí nghiệm đợc chia thành ba nhóm: - Nhóm thiết bị thí nghiệm đánh giá thuộc tính của cốt liệu. - Nhóm thiết bị thí nghiệm xác định độ nhám bề mặt đờng. - Nhóm thiết bị xác định sức kháng trợt khi xe chạy trên đờng. 1. Các thí nghiệm đánh giá độ nhám mặt đờng a. Phơng pháp đánh giá nhám vĩ mô Để đánh giá độ nhám vĩ mô của mặt đờng thờng dùng phơng pháp rắc cát. Hiện nay ở Việt Nam đang dùng Quy trình thí nghiệm xác định độ nhám mặt đờng bằng phơng pháp rắc cát 22TCN 65 84. Ngoài ra, để đánh giá độ nhám vĩ mô của mặt đờng còn dùng các phơng pháp: + Thiết bị MTM (Mini Texture Meter) đo chiều sâu cấu trúc bề mặt. + Thiết bị đo cấu trúc tốc độ cao HSTM (High-Speed Texture Meter). b. Phơng pháp đánh giá nhám vi mô Thờng dùng thí nghiệm xác định độ nhám bằng con lắc Anh (British Pendulum Tester ASTM D403). 2. Thí nghiệm đánh giá sức kháng trợt của mặt đờng Thờng dùng phơng pháp đo cự ly hãm xe để tìm ra hệ số bám giữa bánh xe với mặt đờng. Kết quả đo nhám trên một số tuyến đờng ở Thnh phố Hồ Chí Minh - Mục đích: đánh giá độ nhám vĩ mô bằng phơng pháp rắc cát trên một số đoạn đờng chính tại Thành phố Hồ Chí Minh. Thí nghiệm đợc thực hiện theo Quy trình thí nghiệm xác định độ nhám mặt đờng bằng phơng pháp rắc cát 22TCN 65 84. - Thí nghiệm v kết quả đo: việc đo nhám bằng phơng pháp rắc cát trên một số tuyến đờng bê tông nhựa ở Thành phố Hồ Chí Minh đợc thực hiện vào tháng 1 năm 2006. Mỗi đoạn thí nghiệm đo 10 điểm, rắc cát tại vị trí vệt xe chạy. Kết quả độ nhám trung bình đại diện cho đờng đợc thể hiện ở bảng 2. Bảng 2 STT Đoạn đờng thí nghiệm Chiều sâu cát trung bình H, mm Lý lịch đờng 1 Đờng Nguyễn Thị Minh Khai 0,35 Rải đợc 1 năm 2 Đoạn đờng Điện Biên Phủ 0,13 Đờng cũ 3 Đoạn đờng Lý Thờng Kiệt 0,48 Rải đợc 3 tháng 4 Đoạn đờng Lý Thái Tổ 0,17 Đờng cũ 5 Đoạn đờng Hùng Vơng 0,23 Đờng cũ CT 2 - Nhận xét, đánh giá: Nh vậy, đối chiếu với bảng 2 ta thấy các đoạn đờng Điện Biên Phủ, Lý Thái Tổ có chiều sâu cát trung bình H < 0,2 thì không nên dùng vì mặt đờng quá nhẵn, cần phải cải tạo lại độ nhám mặt đờng. Còn với các đoạn đờng Nguyễn Thị Minh Khai và Hùng Vơng có chiều sâu cát trung bình H = 0,2 - 0,4 thì mặt đờng tơng đối nhẵn, nên hạn chế tốc độ V < 80km/h. Với đoạn đờng Lý Thờng Kiệt vừa mới thi công nên có độ nhám trung bình (có chiều sâu cát trung bình H = 4,8). IV. Một số giải pháp công nghệ tăng cờng độ nhám của mặt đờng ô tô Qua nghiên cứu về độ nhám, ngời ta đã đa ra nhiều giải pháp công nghệ để tạo nhám hay tăng cờng sức chống trợt của bề mặt đờng ô tô: 1. Sử dụng lớp phủ mỏng bê tông nhựa cấp phối hở dùng nhựa đặc biệt. 2. Dùng biện pháp cấy đá (Chipping). 3. Sử dụng hỗn hợp cấp phối chặt có tỉ lệ cốt liệu thô lớn. 4. Biện pháp láng nhựa 1 hoặc nhiều lớp. 5. Biện pháp dùng hỗn hợp cát thô. Sau đây xin trình bày 3 giải pháp phổ biến nhất: 1. Giải pháp dùng lớp phủ mỏng bê tông nhựa cấp phối hở dùng nhựa đặc biệt (Very Thin Ovelay) Mục đích: Công nghệ lớp phủ mỏng tạo nhám là lớp phủ bê tông nhựa hở, sử dụng nhựa cải thiện, có chiều dày không vợt quá 20mm. Để bảo vệ mặt đờng khỏi sự lão hóa, nứt gãy do trợt, bong bật, tăng độ bền của lớp phủ mỏng thì thành phần chất kết dính cần đợc lựa chọn cẩn thận. Thờng dùng chất kết dính là nhựa Flexxipane HEB chất kết dính có tính thích nghi cao. 2. Giải pháp cấy đá (Chipping) Bao gồm công nghệ cấy đá trên mặt đờng bê tông nhựa cũ đang khai thác và trên mặt đờng bê tông nhựa mới. 3. Dùng hỗn hợp cấp phối chặt có tỉ lệ hạt thô lớn Giải pháp này đợc hiểu là một lớp bê tông nhựa có hỗn hợp cấp phối chặt mà kích thớc của các viên đá tuân theo một quy luật nhất định để tạo nên một độ rỗng nhỏ với mục đích tăng khả năng chịu lực của mặt đờng. CT 2 Về yêu cầu vật liệu, phải đảm bảo các yêu cầu chung về cốt liệu tạo nhám nh sau: - Giá trị độ kháng bóng: PSV > 50 - Trị số độ mài mòn Los Angeles: LA < 20% - Chỉ số độ dẹt: FI < 20% Để tăng sức kháng trợt cho bề mặt mặt đờng thì cần phải chọn lựa cấp phối sao cho các cốt liệu thô đợc lộ ra trên mặt đờng. Do đó mà trong hỗn hợp cấp phối chặt phải chọn cấp phối sao cho có một tỉ lệ lớn các cốt liệu thô hoặc cốt liệu có kích cỡ lớn nhất để cho một diện tích lớn cốt liệu thô đợc nổi lên mặt đờng. V. Kết luận 1. Tai nạn giao thông đờng bộ có liên quan trực tiếp hay gián tiếp đến yếu tố độ nhám của mặt đờng. Đây là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của đờng ô tô trong khai thác nhằm đảm bảo an toàn giao thông khi xe chạy với tốc độ cao. 2. Bản chất của độ nhám mặt đờng chủ yếu bao gồm hai thành phần: nhám vĩ mô và nhám vi mô, có vai trò tạo nên sức kháng trợt của mặt đờng hay hệ số bám giữa lốp xe và mặt đờng. Chỉ số kháng bóng của vật liệu đá PSV là một chỉ tiêu quan trọng trong thiết kế tạo nhám. Ngoài ra khi xe chạy với tốc độ cao trên mặt đờng bị đọng nớc thì nguy cơ hiệu ứng màng nớc xuất hiện, làm suy giảm sức bám giữa bánh xe với mặt đờng rất nguy hiểm cho an toàn giao thông. 3. Vấn đề độ nhám mặt đờng và các phơng pháp thí nghiệm xác định để đánh giá về nhám cũng nh các yêu cầu về vật liệu thiết kế tạo nhám đang là một yêu cầu cần thiết và cấp bách đối với nớc ta. Phải đợc đầu t đồng bộ và nghiên cứu đầy đủ, chi tiết hơn để xác định và đánh giá tổng thể về nhám. Đồng thời đi sâu tìm hiểu phân tích, đánh giá một số giải pháp công nghệ tăng cờng độ nhám mặt đờng đang đợc sử dụng rộng rải trên thế giới để đề xuất các giải pháp khả thi áp dụng ở Việt Nam. 4. Nhìn chung, độ nhám hiện trạng trên các đờng ở nớc ta còn thấp. Cần thiết phải chú ý đến các giải pháp cải thiện nhám để tăng khả năng an toàn giao thông. Ưu tiên trên các đờng trục chính, đoạn đờng đèo dốc, đoạn đầu cầu, các nút giao thông, trạm thu phí, Các giải pháp tăng cờng độ nhám phải tuyển chọn kỹ về vật liệu, nhất là giải pháp cần có nhựa cải thiện đặc biệt. Giải pháp xây dựng lớp phủ mỏng hỗn hợp bê tông nhựa cấp phối hở có sử dụng nhựa cải thiện tăng nhám tỏ ra hợp lý và hiệu quả, nhất là trong điều kiện Việt Nam nắng nóng ma nhiều. Các đề xuất 1. Trên cơ sở các tài liệu hớng dẫn của ASTM, AASHTO và các kinh nghiệm thực hành, có thể ban hành thêm một số quy trình mới về độ nhám của mặt đờng, ngoài quy trình hiện có nh phơng pháp vệt cát, 2. Để có một công nghệ thiết kế tăng độ nhám mặt đờng ô tô hoàn chỉnh, cần phải đầu t nghiên cứu và nhập các thiết bị, vật t đồng bộ trên các lĩnh vực: thí nghiệm trong phòng, thí nghiệm hiện trờng. CT 2 3. Cần thiết có những nghiên cứu khảo sát chi tiết về vật liệu đá dăm của các mỏ đá Việt Nam nhằm đánh giá chất lợng, trữ lợng của loại vật liệu này phục vụ cho các giải pháp thiết kế tăng cờng độ nhám trên các đờng ô tô của Việt Nam ở hiện tại và tơng lai. 4. Có thể tổ chức điều tra cơ bản về các thông số kỹ thuật mặt đờng, mật độ xe chạy, trên các đoạn đờng điển hình có lựa chọn của mạng lới đờng Việt Nam. Dựa trên tập số liệu khảo sát trong nhiều năm, tiến hành xử lý đánh giá chất lợng và mức độ suy giảm độ nhám của đờng theo các tơng quan với lu lợng xe, chất lợng thi công, thời gian khai thác, 5. Nghiên cứu thật đầy đủ và chi tiết hơn nữa cả lý thuyết và thực nghiệm về độ nhám và sức kháng trợt của mặt đờng ô tô. Nghiên cứu để nhập hay chế tạo các thiết bị thí nghiệm kiểu mới để nâng cao năng suất và độ tin cậy hơn các phơng pháp truyền thống là phơng pháp vệt cát rất thủ công và năng suất không cao nh hiện nay. Tài liệu tham khảo [1]. Trần Đình Bửu, Nguyễn Quang Chiêu, Nguyễn Quang Toản. Khai thác đánh giá và sửa chữa đờng ô tô, Tập 1 Nhà xuất bản Đại học và Trung học Chuyên nghiệp, năm 1993. [2]. Tiêu chuẩn kỹ thuật Công trình giao thông đờng bộ, Tập 3. Bộ Giao Thông Vận Tải, năm 1998 -1999. [3]. Lê Văn Bách. Độ nhám và độ bằng phẳng của mặt đờng bê tông atphan và ảnh hởng của nó đến điều kiện chạy xe - Đề tài nghiên cứu khoa học, năm 2004. . ủửụứng Nhám vi mô Nhám vĩ mô Mặt đờng Hình 1. Sơ đồ biểu diễn độ nhám của mặt đờng bê tông nhựa - Nhám vĩ mô (nhám thô): đợc định nghĩa là độ chênh cao giữa bề mặt mặt đờng so với mặt. một số vấn đề về độ nhám mặt đờng ô tô TS. lê văn bách Liên Bộ môn Công trình Trờng Đại học Giao thông Vận tải Cơ sở II Tóm tắt: Tai nạn giao thông đờng bộ có liên quan. dụng các công nghệ tiên tiến trên thế giới có tính hiệu quả cao, đề xuất phơng pháp đánh giá, II. Bản chất của độ nhám mặt đờng ô tô - Các yếu tố ảnh hởng đến độ nhám của mặt đờng ô tô Nhiều