Xin giới thiệu với người đọc bài viết của tác giả Nguyễn Thanh Thủy – một chuyên gia có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế mặt đường ô tô & sân bay.
1. MỞ ĐẦU
Ở Việt Nam, kết cấu áo đường cứng được áp dụng ngày càng rộng rãi trong xây dựng công trình giao thông. Trước đây, các kỹ sư tư vấn thường sử dụng “Tiêu chuẩn thiết kế áo đường cứng đường ô tô” – 22TCN 223-95. Tuy nhiên, theo quy định tại Thông tư 12/2012/TT-BGTVT, yêu cầu kỹ thuật chính trong thiết kế là “Quy định tạm thời về thiết kế mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối trong xây dựng công trình giao thông” ban hành theo quyết định số 3230/QĐ-BGTVT ngày 14/12/2012. Sau khi nghiên cứu, tác giả nhận thấy có một số điểm khác biệt trong thiết kế các khe nối (khe liên kết) so với các hướng dẫn thiết kế mà tác giả (với tư cách là một chuyên gia có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế mặt đường ô tô – sân bay) đã áp dụng và có kết quả tốt. Vì vậy tác giả xin chia sẻ một số hướng dẫn về thiết kế khe liên kết trong áo đường cứng, chủ yếu được tham chiếu theo hướng dẫn của Cục Đường bộ liên bang Mỹ (sau đây gọi tắt là FHWA). Hy vọng rằng những hướng dẫn này sẽ ít nhiều hữu ích cho các kỹ sư đường của VEC Consultant trong việc thiết kế áo đường cứng.
2. KHÁI QUÁT
1. Chất lượng áo đường cứng phụ thuộc rất nhiều vào sự làm việc đúng đắn của khe liên kết giữa các tấm. Đa số các hư hỏng của áo đường BTXM xuất phát từ hư hỏng tại các khe liên kết. Một số hư hỏng thường thấy là:
– Cập kênh (faulting): Chênh lệch cao độ giữa 2 tấm liền kề tại khe nối khi có bánh xe chạy qua;
– Phụt vật liệu (pumping): Khi có bánh xe chạy qua khe nối, nước ở đáy tấm BTXM phọt lên qua khe nối và kéo theo vật liệu móng. Nguyên nhân của hiện tượng này là chất bịt kín bị hỏng, nước từ bề mặt chui xuống kết cấu qua khe nối. Hiện tượng này cũng là nguyên nhân dẫn đến cập kênh (faulting);
– Phồng (blowup): Mặt đường bị lồi lên tại khe nối do các tấm bê tông dãn nở dưới tác dụng của nhiệt độ;
– Nứt vỡ, bong tróc (spalling);
– Gẫy góc (corner break);
– Nứt gãy giữa tấm…
Các yếu tố thể hiện sự làm việc đúng đắn của khe liên kết (như sự truyền tải trọng đúng thiết kế qua khe liên kết, quá trình ninh kết của bê tông) đã được nhận biết thông qua các nghiên cứu và qua kinh nghiệm thực tế. Kết hợp các yếu tố này vào công tác thiết kế, thi công và duy tu, bảo dưỡng áo đường cứng sẽ đảm bảo khe liên kết làm việc đúng đắn trong suốt thời gian phục vụ của áo đường. Bất kể vật liệu bịt kín khe là loại gì, việc định kỳ bịt kín lại khe phải được thực hiện để đảm bảo khe liên kết luôn làm việc đúng như thiết kế. Tình trạng làm việc của khe liên kết cũng phụ thuộc vào tiêu chuẩn thiết kế , chất lượng vật liệu, chất lượng thi công và quy trình bảo dưỡng.
2. Khe liên kết của áo đường BTXM thường được gọi tên theo chức năng, dưới đây là một số khe thường được sử dụng:
– Khe co ngang: Rãnh được tạo bởi công cụ (cưa) hoặc ván khuôn khi thi công áo đường, nó tạo ra một tiết diện bị giảm yếu, nhờ thế mà điều chỉnh được vị trí vết nứt ngang sinh ra do sự thay đổi kích thước tấm BTXM. Khe này có phương vuông góc với tim tuyến và là loại khe chiếm tỷ lệ về khối lượng lớn nhất trong áo đường BTXM;
– Khe dọc: Khe giữa 2 tấm, cho phép cong, vênh nhau , nhưng vẫn đảm bảo 2 tấm không tách xa nhau và không có vết nứt dọc. Loại khe này song song hoặc trùng với tim tuyến, tốt nhất là trùng với đường phân làn xe.
– Khe thi công: Có thể là khe ngang hoặc dọc. Khe này ngăn cách giữa 2 tấm bê tông được thi công đổ bê tông ở 2 thời điểm khác nhau;
– Khe giãn: Khe được đặt tại các vị trí đặc biệt nhằm đảm bảo sự giãn nở của áo đường mà không gây hư hại cho chính bản thân áo đường và kết cấu bên cạnh.
3. KHE CO NGANG
Chức năng chính của khe co ngang là kiểm soát hiện tượng nứt của áo đường dưới tác dụng của ứng suất kéo và uốn trong tấm BTXM. Các ứng suất này sinh ra trong quá trình thủy hóa xi măng, do tác động của tải trọng hoặc môi trường. Do chiếm một tỷ lệ lớn về khối lượng, chất lượng của khe co ngang có ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng của áo đường. Một khe bị hỏng thể hiện qua các hiện tượng cập kênh và/hoặc nứt vỡ. Một khe đã suy giảm khả năng làm việc thường dẫn đến các hư hỏng như gẫy góc, phồng, nứt giữa tấm…Các vết nứt giữa tấm này làm việc giống như các khe liên kết và phát triển các hư hỏng tương tự. Có 3 yếu tố dưới đây cần xem xét khi thiết kế khe ngang:
1. Khoảng cách giữa các khe: Phụ thuộc vào cấu tạo áo đường (chiều dày, có cốt thép hay không, loại móng), điều kiện địa phương (nhiệt độ khi khai thác và khi thi công) và đặc trưng của tải trọng truyền qua khe nối. Theo tác giả, cách tính toán được quy định trong 22TCN 223-95 áp dụng hoàn toàn phù hợp trong điều kiện Việt Nam;
2. Truyền tải trọng qua khe nối: Tải trọng xe cần phải được truyền một cách có hiệu quả từ một tấm BTXM sang tấm bên cạnh để giảm thiểu độ võng tại khe nối. Độ võng được giảm thiểu sẽ làm giảm nguy cơ phụt vật liệu móng và hiện tượng cập kênh. Sự truyền tải trọng qua khe nối được thực hiện thông qua sự cài vào nhau của các hạt vật liệu khi khe nối được tạo bằng hiện tượng tự nứt của bê tông hoặc thông qua thanh truyền lực (dowel bars). Khuyến cáo sử dụng sử dụng thanh truyền lực tại các khe liên kết. Khi làm việc, thanh truyền lực cho phép tải trọng truyền qua khe nối, nhưng không hạn chế chuyển vị của khe nối sinh ra do hiện tượng giãn nở nhiệt của bê tông. Nghiên cứu cho thấy rằng thanh truyền lực có đường kính càng lớn thì hiệu quả truyền tải càng lớn và hiện tượng cập kênh càng giảm. Kích thước thanh truyền lực, khoảng cách giữa các thanh được quy định khác nhau trong các tiêu chuẩn 22TCN223-95 và Quy định tạm thời (quyết định số 3230/QĐ-BGTVT), và khác với hướng dẫn của FHWA. FHWA khuyến cáo sử dụng thanh truyền lực có đường kính không nhỏ hơn 1/8 chiều dày tấm BTXM và không nhỏ hơn 32mm (i.25inch). Thanh truyền lực được đặt ở giữa tấm theo chiều dày. Thanh truyền lực phải làm từ vật liệu chống gỉ để tránh bị kẹt và ngăn cản chuyển vị của khe nối. Thép bọc epoxy và thép không gỉ được xem là thích hợp dùng làm thanh truyền lực.
3. Hình dạng khe và tính chất của chất bịt kín (sealant):
– Chất bịt kín có tác dụng ngăn cản sự xâm nhập của nước và các vật rắn vào khe và vào kết cấu áo đường. Người ta nhận thấy rằng không thể thi công và duy trì khe nối kín nước hoàn toàn. Tuy nhiên, chất bịt kín có tác dụng giảm thiểu lượng nước xâm nhập vào kết cấu, từ đó mà giảm thiểu các hiện tượng hư hỏng như cập kênh và phòi phụt vật liệu móng. Vật rắn cũng phải được ngăn cản không lọt vào khe nối, chúng có thể cản trở việc giãn nở do nhiệt độ của tấm bê tông, gây ra hiện tượng phồng mặt đường tại khe nối;
– Tính chất của chất bịt kín có ảnh hưởng quan trọng đến chất lượng của khe. Những vật liệu bịt kín khe cao cấp, như silicon hoặc nén tạo hình trước được khuyến cáo sử dụng để làm kín tất cả các loại khe (ngang, dọc, khe thi công). Tuy giá thành cao, nhưng chúng cho chất lượng làm kín tốt hơn và tuổi thọ cao hơn. Khi thi công khe nối, phải tuân theo một quy trình nghiêm ngặt và đặc biệt phải chú ý đến việc sử dụng chất bịt kín theo đúng hướng dẫn của nhà sản suất;
– Khi sử dụng chất bịt kín silicon, tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng chất bịt kín trong khe nối là từ 1:2 đến 1:1. Để đạt được kết quả tốt nhất, chiều rộng cắt khe nên vào khoảng 1cm. Bề mặt của chất bịt kín nên chìm xuống (thấp hơn) từ 6mmđến 10mm so với bề mặt tấm bê tông để tránh bị bào mòn bởi tác động của bánh xe. Để đảm bảo hình dạng của chất bịt kín trong khe nối đúng theo yêu cầu và chất bịt kín không dính vào mặt đáy của khe nối, cần phải sử dụng thanh lót (backer rod). Thanh lót được làm bằng nhựa xốp với các bọt khí kín, có đường kính lớn hơn 1.25 lần chiều rộng cắt khe để đảm bảo chèn chặt;
– Khi sử dụng chất bịt kín tạo hình trước, khe nối phải được thiết kế sao cho chất bịt kín luôn luôn ở trạng thái bị nén từ 20% đến 50%. Bề mặt của chất bịt kín nên chìm xuống (thấp hơn) từ 3mm đến 10mm so với bề mặt tấm bê tông để tránh bị bào mòn bởi tác động của bánh xe.
4. KHE DỌC
1. Khe dọc sử dụng để làm giảm ứng suất do cong vênh tấm và thường cần phải sử dụng khi chiều rộng tấm vượt quá 4.5m. Khi chiều rộng tấm không vượt quá 4.5m thì không cần sử dụng khe dọc. Khe dọc nên được làm trùng với đường phân làn xe để cải thiện tính năng khai thác của áo đường.
2. Sự truyền tải trọng qua khe nối dọc được thực hiện nhờ các khớp nối nhân tạo (ngàm) hoặc tự nhiên (do bê tông tự nứt). Để ngăn chặn hiện tượng trôi tấm bê tông (các làn xe tách rời nhau) và hiện tượng cập kênh, nên bố trí các thanh liên kết tại các khe dọc. Tuy nhiên không nên liên kết quá 4 làn xe (tổng chiều rộng quá 15m) để tránh hiện tượng nứt dọc tấm. Trong trường hợp có quá 4 làn xe trên cắt ngang, khe dọc không có thanh liên kết nên bố trí tại vị trí phân cách 2 chiều xe chạy. Thanh liên kết được đặt ở giữa tấm theo chiều dày.
3. Theo hướng dẫn của FHWA, khi sử dụng thanh liên kết bằng thép có giới hạn chảy là 2800kg/cm2, nên sử dụng thanh liên kết có chiều dài 76cm với Ø16, dài 61cm với Ø13.Khi thép có giới hạn chảy là 4200kg/cm2, nên sử dụng thanh liên kết có chiều dài 102cm với Ø16, dài 81cm với Ø13. Các chiều dài này được tính toán trên cơ sở sự tương ứng về ứng sất làm việc cho phép của thanh thép với lực ma sát giữa thép và bê tông . Khoảng cách giữa các thanh liên kết tùy thuộc vào chiều dày tấm bê tông và khoảng cách đến cạnh (tấm) tự do gần nhất. Khoảng cách lớn nhất giữa các thanh liên kết được khuyến nghị như bảng sau:
4. Thanh liên kết không được đặt ở khoảng cách nhỏ hơn 38cm so với khe ngang. Khi sử dụng thanh liên kết có chiều dài trên 81cm với các khe chéo, thanh liên kết không được đặt ở khoảng cách nhỏ hơn 46cm so với khe ngang.
5. Thép chống gỉ được khuyến nghị sử dụng làm thanh liên kết vì sự ăn mòn có thể làm giảm khả năng làm việc của thanh liên kết. Thông thường, trong điều kiện Việt Nam, thép làm thanh liên kết phù hợp là thép có gờ (thép vằn) và được sơn chống gỉ khoảng 10cm tại giữa thanh.
6. Khuyến nghị khe dọc được tạo bằng cưa và chèn kín để ngăn cản nước mặt lọt vào cấu trúc của áo đường. Khe để chứa chất bịt kín nên được cắt rộng khoảng 1cm và sâu khoảng 2.5cm.
5. KHE THI CÔNG
1. Khe thi công ngang: Khe thi công ngang thay thế cho một khe co ngang thông thường, tại vị trí 2 tấm bê tông được thi công ở 2 thời điểm khác nhau. Để đảm bảo chất lượng, khe thi công ngang nên được làm thẳng góc. Khe thi công ngang cũng được bố trí thanh truyền lực, cắt khe và trám khe giống như khe co ngang thông thường.
2. Khe thi công dọc:
– Với khe thi công dọc, việc sử dụng ngàm truyền lực phải được suy xét cẩn thận vì bề mặt tấm tại vị trí có ngàm thường hay bị nứt gãy. FHWA khuyến nghị không dùng ngàm truyền lực khi tấm có chiều dày nhỏ hơn 26cm. Trong trường hợp này, thanh liên kết phải được thiết kế cho cả chức năng truyền lực;
– Khi chiều dày tấm >=26cm, có thể sử dụng ngàm để truyền lực. FHWA khuyến nghị sử dụng ngàm có kích thước như hình dưới đây. Dùng ngàm có kích thước lớn hơn có thể làm giảm khả năng chịu cắt của tấm BTXM tại khe và dẫn đến hỏng khe. Với khe có ngàm, vẫn cần sử dụng thanh liên kết. Nên xem xét tăng số lượng và/hoặc kích thước thanh liên kết thay cho việc sử dụng ngàm. Việc tăng chi phí thép sẽ được bù đắp bằng giảm lượng chi phí nhân công ban đầu và chi phí bảo dưỡng về sau;
– Khoảng cách lớn nhất giữa các thanh liên kết, cắt và chèn khe cũng được áp dụng như với khe dọc thông thường;
– Thanh liên kết nhất thiết phải được neo chắc vào bê tông. Thanh liên kết phải được chôn vào dung dịch bê tông tươi khi thi công;
– Thanh liên kết cong không được khuyến khích sử dụng.
6. KHE GIÃN
1. Thiết kế và bảo dưỡng tốt các khe co có thể loại bỏ sự cần thiết phải sử dụng khe giãn, trừ trường hợp tại vị trítiếp giáp với các kết cấu cố định. Thực tế trong những năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã không áp dụng khe giãn nữa. Khi sử dụng khe giãn, các tấm bê tông có xu thế chuyểnvị và khép dần (làm giảm chiều rộng) khe giãn lại trong vòng vài năm. Vì vậy một vài khe co liền kề sẽ rộng ra và giảm độ kín khít.
2. Khe giãn thường có bề rộng khoảng 2cm. Vật liệu chèn khe (filler) thông thường được đặt thấp hơn 2cm÷2.5cm so với bề mặt tấm BTXM để có không gian cho chất bịt kín. Các thanh truyền lực bằng thép trơn là phương pháp truyền lực được sử dụng rộng rãi nhất cho khe giãn. Thanh truyền lực cho khe giãn được chế tạo đặc biệt với các mũ nhựa ở 1 đầu thanh để tạo ra khoảng trống dự phòng cho trường hợp khe bị khép lại do các tấm bê tông giãn dài ra.
Nguyễn Thanh Thủy – P. KT&PTDA – VECC
Yêu thích
Theo dõi 
Chia sẻ
Bộ sưu tập
Thẻ cầu vòng
Tác giả