Khe dãn asphalt cho cầu BTCT - Một công nghệ đáng chú ý

1- MỞ ĐẦU

Khe dãn tấm asphalt còn gọi là khe nút asphalt ( APJ ) hoặc khe mềm, là một trong những khe dãn cầu đơn giản nhất, từ khái niệm đến sự dễ dàng trong lắp đặt và sửa chữa với giá thành thấp. Nó là loại khe không vết nối, thường được dựa vào việc sử dụng các vật liệu và kỹ thuật độc quyền sáng chế dẫn đến sự tạo thành của khung cốt liệu kích thước đơn được làm no bằng mastic bitum biến tính cao. Cơ bản nó gồm có matrix của chất liên kết asphalt/ cốt liệu với thiết kế hỗn hợp xác định và tấm liên kết kim loại và thanh đệm. Dạng khe dãn này là sự cải tiến của khe dãn chìm. Các khe dãn này được tạo ra ở các nước Châu Âu như Anh, Pháp, Italia trong những năm cuối thập kỷ 70 của thế kỷ 20. Nó thay thế cho các khe phủ đầu bản với vật liệu bịt kín rót nóng. Chất liên kết của khe dãn này được sử dụng rất tốt trong khí hậu lạnh của phương Bắc cũng như khí hậu nóng của phương Nam . Hiện nay, APJ được sử dụng cho các nhịp cầu giản đơn và rất thích hợp cho sự phục hồi các cầu với các điều kiện giao thông đông đúc. Tính đàn hồi lớn hơn của chất liên kết đã đảm bảo khả năng chống mỏi lớn hơn và thích hợp các dịch chuyển đa chiều. Các nhà chế tạo khẳng định rằng nó có khả năng chuyển vị dọc ± 25 mm mà không tạo thành vết nứt ở nhiệt độ thấp và có thể hấp thụ các chuyển vị ngang và quay trong khi vẫn duy trì được sự chống thấm nước.

APJ là tấm asphalt mềm dẻo, bắc qua giữa mố ( trụ ) và mặt cầu, giữa các nhịp phục vụ như là khe dãn, điển hình rộng giữa 500mm và 610mm, không nông hơn 50mm và bắc nhịp giữa bê tông và / hoặc các phần bê tông và / hoặc asphalt. Thiết diện ngang điển hình được chỉ ra ở hình 1.

2. CÁC NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA APJ

Khi nghiên cứu về hoạt động của loại khe dãn này người ta thấy rằng nguyên lý hoạt động của APJ chủ yếu bao gồm sự liên hợp tác động của chất liên kết đàn nhớt đặc biệt với khung cốt liệu kích thước đơn. APJ có được sự bền vững là do sự tiếp xúc đó được duy trì trong mỗi trạng thái biến dạng. Với phương thức đó, các lực thẳng đứng được truyền. Vì vậy cốt liệu cần phải chắc - có cường độ cao. Các cốt liệu được trải và đầm nén trên lớp mặt, tạo ra khả năng di động của khung cốt liệu chống lại sự biến dạng truyền có thể. Ngoài ra, khung cốt liệu của các lỗ rỗng phân bố đồng đều này được tạo thành. Các lỗ rỗng của mỗi lớp phải được lấp đầy với chất liên kết bitum để chế tạo ra vật thể asphalt có thể nén và có thể biến dạng được. Do các tính chất đàn nhớt đặc biệt của chất liên kết phân tán đồng đều, sự biến dạng được truyền từ kết cấu như là hậu quả của các lực - có thể được chống đỡ. Chất liên kết đàn nhớt cũng có khả năng liên kết khỏe giữa các cốt liệu với nhau và với các sườn bên cạnh và đáy khe tạo ra hệ thống làm đầy khe kín nước và kín bùn đất.

Những lý do này dẫn tới các yêu cầu tính năng đối với APJ như sau:

• Độ mềm dẻo
• Khả năng chịu mỏi
• Tính liên kết
• Độ kín khít
• Độ bền vững

3. CÁC VẬT LIỆU

Khe nối cơ bản gồm có thanh đỡ tấm thép liên kết, hỗn hợp chất liên kết asphalt/ cốt liệu và khoảng trống kết cấu mặt đường

• Thanh đỡlàm việc như là nút bịt kín để giữ chất liên kết ban đầu giữa tấm thép liên kết và khoảng trống kết cấu mặt đường cho tới khi chất liên kết, có khả năng chịu nhiệt.
• Tấm thép liên kết(còn gọi tấm thép khe hở) là nhôm, thép các bon và thép kết cấu hàn được để giữ hỗn hợp chất liên kết/ cốt liệu khỏi bị đùn ép vào trong khe hở khe dãn. Nó giữ chất liên kết ở đáy của khoảng trống kết cấu mặt đường trong suốt quá trình lắp đặt.
• Hỗn hợp chất liên kết/ cốt liệuđược tạo ra bởi chất liên kết đàn nhớt có thể chịu được sự thay đổi của các chuyển động, có khả năng duy trì tính mềm dẻo trên các khoảng nhiệt độ rộng và các cốt liệu cấp phối gián đoạn. Chất liên kết là vật liệu nhiệt dẻo gồm có hỗn hợp bitum biến tính bằng polyme, các chất độn khoáng và các phụ gia hóa học - có tính chống chảy tốt dưới các nhiệt độ cao và tính chất bám dính tốt đối với bê tông và khe dãn mềm asphalt.
• Các cốt liệucó kích thước đơn chọn từ các đá granite, balsan, đá dăm hoặc nhóm gabro. Cốt liệu cần có khả năng chống va đập, chống vỡ, mài mòn đánh bóng và tạo vẩy. Cốt liệu được rửa 2 lần và khô, cân trước đựng vào các bao trước lúc đưa ra hiện trường.

4. CÁC DẠNG HƯ HỎNG

4.1. Các dạng hư hỏng do sự cố vật liệu

Các APJ có nhiều uu điểm trên tất cả các mối nối khác như là lắp đặt và sửa chữa tương đối dễ và tương đối rẻ. Tuy nhiên, hợp phần độc nhất của APJ cũng có một vài nhược điểm, chú ý nhất là vật liệu cư xử rất khác nhau như là hàm số của nhiệt độ. Vì vậy khi tạo thành khe dãn nó rất nhạy cảm với sự cố và dễ dẫn đến hư hỏng. Xác định các nguyên nhân và các dạng đi vào của nước vào trong APJ là liên quan tới sự xác định các tính chất vật liệu yêu cầu và các sự cải thiện đối với hệ như là toàn bộ.

a) Sự mất liên kết

Sự mất liên kết thường hay được nói đến như là sự tách, là sự hư hỏng độ bám dính vật liệu giữa APJ và bề mặt phân cách mặt đường bên cạnh được chỉ ra ở hình 2. Nguyên nhân gây ra mất liên kết là do sự xâm nhập của nước. Do hỗn hợp APJ là không thấm nước, nước sẽ nằm lại ở bề mặt phân cách APJ/ mặt đường, hợp. Sự tụ tập này của nước làm dãn nở vật liệu ở bề mặt phân cách và vì vậy sẽ gây nên sự mất liên kết. Nguyên nhân khác của sự mất liên kết có liên quan tới việc sử dụng các lớp lót trên các lớp phủ mặt đường thẳng đứng.

b) Sự hình thành vết nứt (sự chẻ tách do kéo)

Các vết nứt sâu hoàn toàn dọc và ngang trong APJ tạo ra trực tiếp các đường cho nước đi vào trong khe dãn và gây ra rò rỉ. Nguyên nhân là do vật liệu đạt tới các biến dạng úa mức hoặc ứng suất gây ra chuyển vị mối nối, mỗi vật liệu và ứng suất nhiệt vượt quá các khả năng vật liệu ở nhiệt độ thấp.

c) Sự hình thành vết nứt phản ảnh

Sự hình thành vết nứt phản ảnh sinh ra trong APJ khác với dự kiến ban đầu. Do tấm thép liên kết khe hở phủ qua khe hở dãn, sự hình thành vết nứt phản ảnh không sinh ra ở trên khe hở này, mà vết nứt phát triển ở các cạnh của tấm khe hở.

d) Sự hình thành vệt lún bánh xe

Ở APJ, sự hình thành vết lún bánh xe xẩy ra trong suốt thời kỳ của thời tiết nóng, chủ yếu trong suốt mùa hè. Bởi vì vật liệu APJ là mềm và dễ uốn ở các nhiệt độ nóng hơn nên nó có thể giãn như giãn nhiệt cầu, mặc dầu nó cũng tạo ra một khả năng cảm nhận cao đối với sự hình thành vệt lún bánh xe trong các đường xe chạy.

e) Sự lồi lõm của mặt đường

Sự lồi lõm mặt đường là khuyết tật bề mặt được gây ra bởi sự đánh bật ra của các hạt cốt liệu và mất chất liên kết asphalt. Nói chung nó được sinh ra bởi sự hãm phanh hoặc tăng tốc của xe cộ và thường được định vị trên các gò hoặc các đường cong hoặc có chỗ giao nhau. Nó cũng có thể liên hợp với sự chuyển chỗ thẳng đứng.

f) Sự xô đẩy / ép đẩy

Sự xô đẩy / ép đẩy sẽ ảnh hưởng tới khả năng của APJ trong việc cung cấp chuyển tiếp bằng phẳng lên trên APJ và có thể lan truyền các sự cố khác - có thể dẫn tới sự hư hỏng mối nối.

g) Sự tách

Sự tách là sự tập trung của các vật liệu thô hoặc mịn ở một vùng đặc biệt ở lớp phủ mặt đường. Các hỗn hợp asphalt có sự cố này là do không tuân theo các yêu cầu cấp phối và chất liên kết yêu cầu trong quá trình chế tạo cuối.

h) Sự rỉ nhựa

Sự rỉ nhựa là hiện tượng khuyết tật bề mặt được định nghĩa như là sự thừa chất liên kết bitum sinh ra trên bề mặt mặt đường. Sự cố này được liên hợp với sự cố khác gọi là kéo ra ngoài. Nó như là sự chuyển chỗ hoặc sự kéo của hỗn hợp APJ khỏi khe dãn bởi xe cộ. Hai sự cố trên được liên hợp với nhau. Trong trường hợp này vật liệu chất liên kết bị chảy ra khỏi khe dãn do sự kéo của xe cộ đi qua. Sự cố này sẽ ngăn cản sự chuyển tiếp bằng phẳng và có thể lan truyền các sự cố sau này. Dạng này xảy ra trong thời tiết nóng.

i) Các hư hỏng khác

- Sự đánh bóng

- Vỡ nứt.

4.2. Các dạng hư hỏng khe dãn

Trong phần trên đã trình bày về các nguyên nhân của sự hư hỏng APJ là do sự cố vật liệu. Ở phần này, các xem xét khác có thể dẫn tới hư hỏng APJ gồm có hình học, nhiệt độ và các phương pháp lắp đặt.

a) Các chuyển vị và nhiệt độ

<Khi thiết kế APJ cần đánh giá nhiệt độ cực trị cho tính toán chuyển vị cầu dự đoán trước.

b) Các vấn đề về hình học

<Những điều sau đây cần được chú ý trước lúc lựa chọn APJ cho sử dụng:

- Độ sâu lắp đặt

- Chiều rộng lắp đặt

- Chiều dài lắp đặt

- Góc xiên

5. CÁC LỢI ÍCH VÀ HẠN CHẾ

Loại khe dãn tấm asphalt có những lợi ích và những hạn chế chính sau:

* Các lợi ích

§Hoàn toàn kín nước, mềm dẻo ở tất cả các hướng, loại bỏ được nhu cầu về hệ cơ. Thích ứng với sự chuyển vị ngang tổng 25mm.

§Cung cấp bề mặt chạy xe bằng phẳng, không gia tăng tiếng ồn bề mặt.

§Có độ mài mòn và khả năng chống trượt tốt

§Có thể lắp đặt được trên các cầu mới và cầu đang khai thác cũng như cầu tạm

§Lắp đặt nhanh, giảm tối thiểu thời gian đóng đường

§Không phải bảo dưỡng bởi vì nó không chứa các phần cơ. Nó có thể gắn các hệ thống thoát nước vào để khử nước ngầm khỏi vùng cận kề sát.

§Có thể lắp đặt lên trên một phần chiều rộng hoặc toàn bộ đường xe chạy.

* Các hạn chế

Các khe dãn này có những hạn chế cần được lưu ý. Các tính chất vật liệu thay đổi theo nhiệt độ. Chúng mềm và dễ uốn dẻo, rão ở các nhiệt độ nóng, dễ hình thành vệt lún bánh xe với lưu lượng giao thông nặng, nhấp nhô với lưu lượng giao thông chậm, một vài vật liệu khe nối có thể bị gián đoạn bởi sự ảnh hưởng qua lại của bánh xe ô tô như các lực phanh hãm ngang hoặc các lực rung động thẳng đứng. Chúng có thể bị kéo ra ngoài, phân lớp, hình thành vết nứt và đạp vỡ ở bề mặt phân cách mặt đường - khe giãn. Đây chính là các dạng hư hỏng chủ yếu và là các hạn chế của loại khe dãn này mà các nhà thiết kế cần phải hiểu rõ nắm vững. Các khe dãn này không được thiết kế cho, và không được sử dụng đối với, chứa đựng các chuyển vị thẳng đứng khác nhau, khi có thể xảy ra ở các mối nối dọc. Ở những nới giao thông gây ra cac độ lệch đứng khác nhau ngang qua khe giãn vượt quá 6mm hoặc những nơi có lưu lượng giao thông dừng cao, và những nơi đường ô tô chịu tăng tốc và phanh hãm đáng kể, đoạn dốc chuyển tiếp đường ô tô, các phần đường ô tô ở vùng lân cận các tín hiệu điều khiển giao thông và giao lộ loại khe dãn này cũng không được sử dụng. Ngoài ra, hiệu quả áp dụng thấp đối với những nơi có độ nghiêng cao và chịu các chuyển động quay lớn.

6. KẾT LUẬN

Sự lắp đặt nhanh của khe dãn Asphalt là rất nhiều thuận lợi cho các dự án cầu và cầu vượt. Tuy nhiên, sự lắp đặt là thành công chỉ sau khi lựa chọn đúng các cốt liệu, thiết kế hỗn hợp đúng và chất lượng chất liên kết.

Tóm lại, khe dãn Asphalt được ưa chuộng hơn các khe khác do các nguyên nhân sau:

1) Nó cho phép xây dựng các dự án cầu mới/ nâng cấp ở tốc độ nhanh hơn.

2) Nó được lắp đặt trong khoảng vài giờ và rất thuận lợi dưới các giao thông nặng.

3) Nó là khe dãn bằng phẳng nhất cung cấp sự thoải mái chạy xe tốt nhất