Các dạng hỗn hợp vật liệu nhựa đường và ứng dụng của chúng

Các hỗn hợp vật liệu nhựa đường rất đa dạng, từ loại đá dăm đồng đều kích cỡ trộn nhựa (đá dăm đen) đến mastic nhựa. Tuy nhiên, có thể phân loại các hỗn hợp vật liệu nhựa đường ở Anh thành 2 loại: hỗn hợp asphalt và hỗn hợp đá nhựa (macadam).

Sự khác nhau cơ bản giữa hỗn hợp asphalt và hỗn hợp đá nhựa là:

Cấp phối cốt trong asphalt thường bao gồm cốt liệu lớn tương đối đồng đều kích cỡ với một tỷ lệ lớn cốt liệu mịn và rất ít cốt liệu cỡ vừa. Như vậy cấp phối hạt của hỗn hợp asphalt là cấp phối gián đoạn. Trong hỗn hợp đá nhựa cấp phối cốt liệu là cấp phối liên tục.

·        Cường độ của hỗn hợp asphalt phụ thuộc vào độ cứng của hỗn hợp cát/chất độn/nhựa đường, nghĩa là với vữa nhựa, muốn đạt được cường độ yêu cầu thì cần dùng nhựa đường tương đối đặc và hàm lượng chất độn (bột đá) cao; cường độ của hỗn hợp đá nhựa đạt được chủ yếu nhờ nội ma sát của cốt liệu với nhựa đường có độ mềm (độ kim lún) vừa phải.

·        Vì hỗn hợp asphalt chứa nhiều chất độn (bột đá) có tỉ diện bề mặt lớn nên chúng đòi hỏi hàm lượng nhựa đường tương đối cao; còn hỗn hợp đá nhựa có ít cốt liệu nhỏ do vậy hàm lượng nhựa đường yêu cầu ít hơn; đối với hỗn hợp đá nhựa chức năng của nhựa đường là “bôi trơn” (giảm ma sát) trong quá trình đầm nén, bao bọc các hạt cốt liệu và dính các hạt cốt liệu với nhau.

·        Hỗn hợp asphalt có độ rỗng thấp gần như kín nước và đảm bảo độ bền lâu dài đối với tải trọng lớn; đá nhựa có độ rỗng tương đối cao có khả năng bị thấm nước và không lâu bền như hỗn hợp asphalt.

Các thành phần đặc trưng được giới thiệu ở bảng 1. Qua bảng 1 ta thấy rằng từ đá dăm đen đến vữa nhựa độ cứng của nhựa đường tăng dần, hàm lượng bột đá, cát tăng còn lượng hạt lớn giảm.

Bảng 1 – Các thành phần đặc trưng của hỗn hợp vật liệu nhựa đường khác nhau

	Đá dăm đen	Cấp phối liên tục	Cấp phối gián đoạn	Vữa nhựa Mastic
Cốt liệu lớn (% trọng lượng) Cốt liệu nhỏ (% trọng lượng) Bột đá (% trọng lượng) Nhựa đường (% trọng lượng)	86,0 7,0 3,0 4,0	52,0 38,0 5,0 5,0	30,0 53,0 9,0 8,0	30,0 26,0 32,0 12,0
Cốt liệu lớn (% thể tích) Cốt liệu nhỏ (% thể tích) Bột đá (% thể tích) Nhựa đường (% thể tích)	64,5 5,1 2,1 8,3	44,1 32,2 4,2 11,5	25,7 46,0 7,8 17,5	27,5 18,9 27,0 26,6
Độ rỗng (% thể tích) Độ ki, lún của nhựa đường	20,0 100-300	8,0 100-200	3,0 35-100	<1,0 15-25

1   Asphalt

Asphalt hay asphalt rải nóng là hỗn hợp cốt liệu khoáng, bột đá và nhựa đường được thi công ở nhiệt độ tới 2300C. Trong quá trình làm việc, asphalt phân bố áp lực tải trọng chủ yếu qua hỗn hợp vữa gồm cốt liệu nhỏ, cát, bột khoáng và nhựa đường. Do vậy để chống lại biến dạng dưới áp lực của tải trọng, hỗn hợp phải có độ cứng lớn; điều đó đạt được nhờ sử dụng nhựa đường tương đối đặc quánh và hàm lượng bột khoáng khá cao. Trong suốt quá trình làm việc asphalt là vật liệu kín nước và bền lâu. Hai loại asphalt được dùng ở Anh Quốc là asphalt rải nóng và vữa nhựa. Asphalt rải nóng được sử dụng rải rộng trong việc phủ lớp mặt đường của các tuyến lộ chính, trong khi đó việc sử dụng vữa nhựa trong thi công đường chỉ hạn chến trong một số dạng đặc biệt.

1.1   Vữa nhựa

Vữa nhựa thi công theo phương pháp thủ công được sử dụng thành công lần đầu tiên tại các con đường dành riêng cho người đi bộ ở Pari vào năm 1835, sau đó được sử dụng ở Luân Đôn vào năm 1836. Hiện có các số liệu lưu trữ cho thấy có nhiều đường phố quan trọng ở Luân Đôn được phủ mặt bằng vữa nhựa vào giữa những năm 1870-1873, bao gồm các phố Lombard, Moorgate, Carter Lane. Tiếp theo các kết quả đạt được, việc sử dụng vữa nhựa tiếp tục tăng lên trong những năm sau đó trong chiến tranh thứ nhất (1914-1918) và được áp dụng khá rộng rãi cho cả đường thị trấn, đường quốc gia cũng như đường thành phố.

Ngày nay, vữa nhựa bao gồm hỗn hợp vữa của nhựa đường, cốt liệu hạt nhỏ và một phần cốt liệu lớn. Chi tiết đầy đủ về vật liệu được giới thiệu trong tiêu chuẩn BS 1446:1973 và BS 1447:1988 của Anh Quốc. Các đặc điểm chính của vữa nhựa được nêu trong BS 1447; vật liệu trong tiêu chuẩn BS 1446 ít được sử dụng vì phải nhập khẩu nhựa đường có nguồn gốc đá đầu tự nhiên. Trong BS 1447, cốt liệu nhỏ là đá vôi được tìm thấy trong tự nhiên với lượng lọt sàng 75 m là 40%-55% và lượng sót trên sàng 2,36 mm không vượt quá 3%. Tỷ lệ cốt liệu lớn và các hạt khác được lựa chọn tùy thuộc yêu cầu ứng dụng. Thông thường cốt liệu được trộn với nhựa đường có độ kim lún 15-25 pen.

Việc sản xuất vữa nhựa thường khá phức tạp. Vữa nhựa có thể được trộn theo tùng mẻ để dùng ngay; khi đó cốt liệu dùng với nhựa đường được trộn trong một thùng lớn với các lưỡi gạt quay chậm, như vậy chỉ cốt liệu nhỏ được trộn với nhựa đường theo từng mẻ 25 kg và để nguội, những mẻ này có thể được cất giữ và cung cấp cho công trường khi cần thiết; chúng được trộn lại trong thùng nhựa vữa nhựa riêng cùng với một tỷ lệ lớn theo yêu cầu.

Vữa nhựa thường được những người thợ rải nhựa đường có kinh nghiệm và kỹ năng tốt rải bằng thủ công, họ dùng những tấm gỗ để làm khuôn và san vật liệu ở nhiệt độ 175-2300C cho tới khi vữa nhựa cứng kết lại. Chiều dày lớp vữa nhựa có thể thay đổi từ 20 mm đến 50 mm tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Vữa nhựa có khả năng chấm thấm nước cao, độ rỗng của nó nói chung chưa tới 1%. Sự đòi hỏi khắt khe như vậy được đáp ứng trong phạm vi tương đối nhỏ, rải đồng thời không dùng máy rải. Một diện tích rải lớn hon như mặt cầu Humber đã được thực hiện gần như là một ngoại tệ. Các máy rải vữa nhựa trên các đường của Đức không tương thích vì các hỗn hợp asphalt của Đức khác với vữa nhựa của Anh theo BS 1446 và BS1447.

Tỷ lệ hạt cốt liệu nhỏ cao đa tạo cho mặt đường nhẵn mịn nhưng có độ nhám kém. Để khắc phục được nhược điểm này, các giải pháp xử lý khác nhau đã được áp dụng. Rải lớp đá găm tạo nhám là một giải pháp. Lớp đá găm được rải trong khi vật liệu vẫn còn đủ dẻo để một phần các hạt đá được găm chặt vào lớp mặt vữa nhựa dưới áp lực của lu nhẹ. Trên mặt đường bộ hành và đường  cho xe nhẹ, việc tạo nhám có thể đạt được bằng cách rải một lớp cát thô đặc biệt trên bề mặt. Phương pháp tạo nhám khác được thực hiện trên bề mặt bãi đỗ xe là lun lèn tạo độ sóng bề mặt trong khi vữa nhựa còn nóng.

1.2   Asphalt rải nóng (HRA)

HRA được sử dụng đầu tiên ở Anh quốc vào năm 1895 ở Kings Road, Chelsea Pelham Street, Kensington. Thật không may, vật liệu đã bị hỏng trong vòng một vài tháng do hàm lượng bột đá và cấp phối cát không thích hợp.

Một trong những người đi tiên phong trong sử dụng HRA là kỹ sư người Mỹ Clifford Richardson. Trong quá trình khảo nghiệm mặt đường asphalt ở Mỹ và châu Âu, Richardson đã đến Anh vào năm 1896. Dựa trên những kinh nghiệm bản thân, ông đã đề nghị sử dụng hỗn hợp asphalt giống như một lớp thảm nhựa-cát và nó đã được thực hiện thành công trong nhiều năm. Loại vật liệu này đã tạo lập cơ sở cho nhiều tiêu chuẩn asphalt đầu tiên của Anh quốc BS. Năm 1935, hai tiêu chuẩn này đã được kết hợp thành một tiêu chuẩn duy nhất BS 594. Từ đó đến nay BS 594 đã được sửa đổi sáu lần. Trong phiên bản cuối cùng (1985) nó được chia thành 2  phần, mỗi phiên bản thể hiện những quan điểm khác nhau trong lĩnh vực công nghệ xây dựng đường bao gồm các dữ liệu nghiên cứu.

Như đã đề cập ở phần trên, một trong các đặc tính quan trọng nhất của HRA là cấp phối cốt liệu gián đoạn, điều đó có nghĩa là nó chứa rất ít cỡ hạt trung gian (2,36 mm-10 mm) như vậy thành phần hỗn hợp sẽ gồm cát, chất độn khoáng (bột khoáng) mịn và nhựa đường với cốt liệu lớn (kích cỡ thường là 14 mm). Mặc dù cốt liệu lớn làm tăng độ cứng của vật liệu nhưng vai trò của nó còn làm tăng khối lượng hỗn hợp và như vật tăng tính kinh tế của vật liệu. Chính cấp phối cốt liệu gián đoạn đã tạo cho lớp áo đường bằng HRA (bê tông nhựa nóng) các đặc tính chịu đựng lâu bền trước tác động của thời tiết và tải trọng nặng mà không bị nứt gãy.

BS 594:1985 chỉ rõ hàm lượng cốt liệu lớn khác nhau của hỗn hợp asphalt làm lớp mặt đường và các lớp mỏng. Hỗn hợp cho lớp mỏng trên và mỏng dưới thường chứa 60% cốt liệu thô, ở mức độ như vậy áp lực được phân bố bao hàm cả ma sát giữa cốt liệu và vữa nhựa. Hàm lượng nhựa đường trong hỗn hợp cho lớp mỏng thường thấp hơn lớp mặt vì hàm lượng hạt mịn, bột khoáng trong lớp móng thấp hơn và kích cỡ hạt lớn để thích hợp với chiều dày lớp móng trên không nhỏ hơn 150 mm.

Hỗn hợp lớp mặt có thể chứa 0%, 15%, 30%, 40% hoặc 55% cốt liệu lớn. Lớp mặt có chiều dày 40 mm với hỗn hợp chứa 30% cốt liệu lớn được áp dụng rộng rải, mặc dù vậy lớp mặt với chiều dày 50 mm và hàm lượng cốt liệu lớn chiếm tới 40% cũng ngày càng trở nên phổ biến. Việc tăng chiều dày lớp vật liệu làm tăng một cách đáng kể thời gian đầm nén vật liệu và do đó cũng cải thiện khả năng làm việc trong mùa đông của vật liệu. Với hàm lượng cốt liệu lớn đạt 40%, người ta có thể tạo nên một bề mặt lớp phủ tốt và đủ độ nhám bằng cách lu lèn găm vào bề mặt asphalt một lượng đá găm được trộn nhựa đường sơ bộ trước với kích thước cỡ 14mm - 20mm. BS 594 nêu chi tiết các yêu cầu về hình dạng, kích cỡ và tỷ lệ rải của lớp đá găm này. Các thuộc tính cần thiết của đá găm như độ mài mòn, độ trơn nhẵn thường được xác định trong các tài liệu riêng, trong đó có lưu ý đến các yêu cầu cụ thể của từng con đường / dự án được thi công. Hỗn hợp lớp mặt chứa tới 55% cốt liệu lớn thì không cần có lớp đá găm mà vẫn đạt độ nhám cần thiết. Thực ra với hàm lượng cốt liệu lớn vượt quá 45% thì lớp đá găm tạo nhám rất khó găm chặt được vào bê tông nhựa.

Thành phần của asphalt rải nóng (HRA) được chỉ ra trên toán đồ hình 2. Chức năng của 4 thành tố có thể tóm lượt như sau:

·        Cốt liệu lớn: tăng khối lượng hỗn hợp làm tăng tính kinh tế và độ ổn định của HRA.

·        Cốt liệu nhỏ: tạo thành phần chính của vữa asphalt là thành tó quan trọng nhất ảnh hưởng đến khả năng làm việc và phạm vi ứng dụng của vật liệu bê tông nhựa.

·        Bột khoáng (chất độn): vai trò của bột khoáng có thể được nhìn nhận theo hai khía cạnh; thứ nhất: bột khoáng được coi là có vai trò làm thay đổi tỷ lệ cốt liệu nhỏ, do vậy tạo nên hỗn hợp đặc hơn, tăng tỉ diện bề mặt của các cốt liệu thành phần; thứ hai (và có lẽ đúng hơn khi nhìn nhận vai trò của bột khoáng) là bột khoáng cùng với nhựa đường tạo nên chất vừa kết dính bọc cốt liệu vừa bôi trơn bề mặt cốt liệu trong quá trình làm chặt hỗn hợp tạo nên hỗn hợp vữa nhựa asphalt. Thuộc tính của vữa asphalt sẽ phụ thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu mịn và độ nhớt của nhựa đường.

·        Nhựa đường có vai trò như chất bôi trơn trong quá trình đầm nén và như một chất kết dính dẻo có độ nhớt cao trong quá trình làm việc; 5 cấp độ của nhựa đường dùng tương ứng với độ kim lún là 35: 35, 40, 50, 70, 100; nhựa đường có độ kim lún 35 và 40 chỉ được dùng chủ yếu với đường có lượng giao thông cao; nhựa đường có độ kim lún 70 và 100 thường được dùng cho đường có lượng giao thông thấp hơn; còn nhựa đường có độ kim lún 50 được dùng cho các đường giao thông khác nhau.

Asphalt rải nóng là một loại vật liệu có chất lượng cao được dùng chủ yếu cho các đường có lượng giao thông cao như đường cao tốc, đường liên tục địa và thấp hơn các đường phố. Theo truyền thống, các chỉ tiêu thành phần HRA xác định chất lượng, tỷ lệ cuả cốt liệu và nhựa đường được sử dụng tùy thuộc điều kiện khí hậu và tải trọng. Bằng cách thay đổi các phương án khác nhau, lớp mặt nhựa đường nhựa được thiết kế nhờ thí nghiệm Marshall.

Năm 1989, hơn 60 triệu m2 mặt đường asphalt rải nhựa nóng đã được xây dựng ở Anh quốc. Nếu việc thiết kế, chế tạo, đầm nén được tuân thủ thì các con đường thi công bằng vật liệu này sẽ còn được phục vụ tốt trong thế kỷ tới.

2   Vật liệu đá nhựa (Coated Macadam)

Coated Macadam được làm từ hắc ín là loại vật liệu đá trộn nhựa được sử dụng sớm nhất ở Anh quốc. Các ghi chép sớm nhất về việc sử dụng đá nhựa được thấy ở Gloucestershire vào năm 1832 và ở Nottinghamshire vào năm 1884. Đá trộn nhựa được bắt đầu được sử dụng khi nhựa đường trở nên dồi dào hơn ở lúc giao thừa giữa hai thế kỷ. Thuật ngữ Macadam được dùng để tưởng nhớ kỹ sư xây dụng đường nổi tiếng người Scotlen: John London Macadam. Macadam nhận thấy rằng để lớp cốt liệu đá nghiền có cường độ tốt nhất cần phải sử dụng hỗn hợp cốt liệu có các kích cỡ khác nhau có nghĩa là phải dùng một hệ thống cấp phối hạt. Macadam giải thích rằng khoảng trống giữa các cốt liệu lớn sẽ được lấp đầuy bởi các cốt liệu nhỏ tạo nên một lớp cốt liệu có kết cấu hở tương đối chặt. Việc sản xuất hỗn hợp đá dăm trộn nhựa, một sự phát triển nguyên lý Macadam, đã đặt nền móng cho sự phát triển của công nghệ sản xuất đá trộn nhựa vào những năm giữa thế kỷ 20.

Hỗn hợp có thể được chia thành 3 cấp độ cốt liệu và nhựa đường. Chức năng của từng thành tố có thể tóm tắt như sau:

 Thành phần của hỗn hợp đá nhựa

·        Cốt liệu lớn: tạo nên bộ khung cốt chính, chèn móc giữa các hạt cốt liệu nhằm phân bố đều áp lực tải trọng xuống nền móng.

·        Cốt liệu nhỏ: lấp một phần hoặc đầy các lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn.

·        Bột khoáng: làm tăng độ nhớt của chất kết dính do đó tăng độ dính bám của nhựa với cốt liệu, giảm nguy cơ nhựa đường bị tách khỏi cốt liệu, cùng với nhựa đường góp phần lấp kín các lỗ rỗng bé.

·        Nhựa đường: làm việc như một chất bôi trơn trong quá trình đầm nén, chất chống thấm, chất kết dính, góp phần lấp lỗ rỗng nhỏ trong hỗn hợp đặc, làm tăng cường độ của hỗn hợp.

Chỉ tiêu thành phần của hỗ hợp đá nhựa như hàm lượng nhựa đường, cấp phối cốt liệu được nêu trong BS 4087: 1988; có thể đơn cử các loại hình vật liệu như :

Lớp móng dưới bằng đá nhựa đặc chắc

Lớp móng trên bằng đá nhựa đặc chắc

Lớp móng có cấp phối hở

Mặt đường đá nhựa không có lớp móng

Lớp mặt đá nhựa cấp phối hở

Lớp mặt đá nhựa cấp phối kín

Lớp mặt đá nhựa đầm chặt

Lớp mặt đá nhựa hạt vừa

Lớp mặt đá nhựa cốt liệu mịn

Lớp mặt hở (cho phép thấm nước)

2.1  Hỗn hợp đá nhựa hạt vừa và hở

Hỗn hợp đá nhựa hạt vừa và hở được dùng cho cả lớp mặt đường và lớp móng. Đặc điểm của vật liệu này là chúng có hàm lượng hạt nhỏ thấp, có khả năng làm việc tốt trong quá trình thi công, với độ rỗng sau khi đầm nén từ 15-20%. Để ngăn ngừa nước mặt xâm nhập vào kết cấu áo đường, cần thi công một lớp mặt có chức năng một màng chống thấm nước.

Cường độ của vật liệu được hình thành phần lớn do lực chèn móc giữa các hạt cốt liệu và một phần do lự dính kết của nhựa đường. Một trong những chức năng chính của nhựa đường là tạo cho lớp mặt có khả năng chống kéo, ngăn ngừa sự bung bật, mất mát các hạt cốt liệu nhỏ ở bề mặt lớp vật liệu dưới áp lực lớn của xe cộ. Hỗn hợp được gia công bằng nhựa đường có độ kim lún 200 hoặc 300 hoặc nhựa lỏng, việc lựa chọn nhựa đường phụ thuộc  vào cường độ giao thông và điều kiện khí hậu tại mùa thi công.

Cấu trúc của lớp mặt có vai trò quan trong quyết định độ nhám của mặt đường. Hỗn hợp đá nhựa cốt liệu vừa và hở có cấu trúc thích hợp với điều kiện giao thông vừa và nhỏ ví dụ như giao thông nội bộ, bãi đỗ xe con, sân chơi. Loại vật liệu này đóng góp đáng kể vào cường độ chung của toàn bộ kết cấu đường.

Đặc tính thấm nước của loại vật liệu này được coi là một lợi thế khi dùng làm đường băng sân bay và đường giao thông nặng để ngăn ngừa nước mặt và giảm sự tóe nước  (dưới bánh xe); chúng dược dùng để phổ biến làm lớp tạo ma sát ở phi trường và xa lộ. Hỗn hợp đá nhựa hở được giới thiệu trong tiêu chuẩn Anh quốc BS 987:1988.

2.2   Lớp đá nhựa cấp phối kín và đặc

Lớp móng trên và móng dưới bằng vật liệu đá nhựa đặc kín được dùng phổ biến trong 25 năm gần đây trong xây dựng đường và thích hợp cho điều kiện giao thông nặng. Hàm lượng cốt liệu nhỏ cao đã tạo cho vật liệu đặc kín với độ rỗng 5-10% có khả năng phân bố tải trọng tốt, độ bền chống biến dạng cao, độ đàn hồi tốt cho phép chống lại nứt gẫy dưới tải trọng lặp lại (chịu mỏi tốt).

Tiêu chuẩn lớp mặt đường bằng đá nhựa “đặc kín” cỡ hạt 10 mm và 14 mm được nêu trong BS 4987: 1973. Tuy nhiên với cả hai loại vật liệu này, qua ảnh 3 ta thấy chúng còn có một độ rỗng tương đối cao và chắc chắn là không thể hoàn toàn có khả năng chống thấm nước. Trong BS 4987 năm 1988 hai loại vật liệu này được đổi tên là đá nhựa cấp phối “kín” và giới thiệu thêm một hỗn hợp vật liệu đá nhựa kín mới có cỡ hạt tối đa 6mm dùng làm lớp mặt có độ rỗng nhỏ. Hỗn hợp đá nhựa đặc kín dùng làm lớp mặt chỉ phù hợp với đường có tải trọng giao thông vừa và nhẹ; chúng không có tuổi thọ cao và không đủ độ bám yêu cầu trên đường giao thông nặng và tốc độ lớn.

2.3   Vật liệu đá nhựa cường độ cao.

Vật liệu đá nhựa đặc kín được dùng một cách hiệu quả làm lớp móng trên và móng dưới có cường độ cao trong hầu hết các đường có lượng giao thông lớn trong suốt ¼ thế kỷ. Tuy nhiên để khắc phục sự tăng trưởng lượng giao thông, tải trọng xe cộ, đòi hỏi phải có những lớp móng có sức bền và cường độ cao hơn những lớp móng truyền thống. Một loại vật liệu như vậy được ra đời với tên gọi đá nhựa cường độ cao (HDM), được chế tạo trên cơ sở lớp vật liệu đá nhựa đặc nhưng có hàm lượng bột khoáng cao hơn (8%) và dùng nhựa đường cứng hơn (độ kim lún 50).

Hai thay đổi này trong thành phần hỗn hợp đá nhựa đã làm tăng độ cứng động học lên 3 lần. Điều đó cho phép giảm 10% - 15% chiều dày khi dùng lớp móng vật liệu đá nhựa đặc kín mà vẫn bảo đảm khả năng làm việc như nhau. Lợi thế này rất hấp dẫn cho công tác nâng cấp cải tạo đường cho những công trình mà cao độ lớp mặt bị khống chế, nơi cần lắp đặt các loại ống công tác hoặc chiều cao mặt cầu bị hạn chế bắt buộc phải giảm bớt chiều dày kết cấu đường so với điều kiện thi công bình thường. Một phương án so sánh khác, nếu ta dùng cùng một chiều dày như lớp vật liệu đá nhựa kín thông thường thì tuổi thọ của lớp đá nhựa cường độ cao sẽ lớn hơn.

2.4   Đá nhựa cấp phối hạt mịn

Trước khi đưa vào tiêu chuẩn BS 4987: 1988, loại vật liệu này được gọi là asphalt nguội hạt nhỏ. Dù được gọi như vậy nhưng vật liệu này vẫn thuộc loại đá nhựa (macadam). Đại đa số hỗn hợp đá nhựa được gia công với nhựa có độ kim lún 200, 300  hoặc nhựa cutback độ chảy 100 giây và do vậy chúng phải được rải và đầm nén ở nhiệt độ 80-1000C; tuy nhiên, nhựa cutback cũng được dùng để chế tạo lớp đá nhựa rải nguội và để dự trữ trong các kho chứa.

Khi mới rải xong, đá nhựa hạt nhỏ có độ rỗng cao vì thế nó dễ bị ảnh hưởng của nước, do vậy cần lưu ý khi lựa chọn cốt liệu. Độ rỗng giảm dần dưới tải trọng đầm lèn của xe cộ và hỗn hợp đầm trở nên kín nước. Lớp vật liệu này thường có chiều dày 15-25mm, khi sử dụng như lớp phủ bề mặt không nhất thiết phải tính vào chiều dày kết cấu làm tăng cao độ mặt đường. Lớp vật liệu này chỉ làm gia tăng chút ít cường độ của kết cấu đường. Theo quan điểm như vậy, yêu cầu lớp đường phía dưới phải chịu tải trọng tốt và tốt nhất là có khả năng không thấm nước. Hơn nữa, lớp bề mặt phải đều đặn (có chiều dày đồng đều) và như vậy lớp phía dưới có tác dụng bù vá và có chiều dày thay đổi.

3   Bê tông nhựa asphalt

Giống như đá nhựa, hỗn hợp bê tông asphalt có cấp phối cốt liệu liên tục nhưng hàm lượng hạt lớn ít hơn, nhiều cốt liệu nhỏ và bột khoáng hơn, nhựa đường đặc hơn một chút và hàm lượng cao hơn. Bê tông asphalt có nguồn gốc từ Mỹ và được phát triển để đáp ứng yêu cầu xây dựng mặt đường băng sân bay có độ bền, độ cứng lớn dưới áp lực tải trọng lớn, áp lực hơi cao của lốp máy bay ở Anh quốc, bê tông asphalt được dùng cho sân bay và thường được gọi là Marshall asphalt. Bê tông asphalt ít được sử dụng ở Anh quốc bởi lẻ, thứ nhất: nó đòi hỏi kết cấu phía dưới có độ cứng rất cao, nếu độ cứng không đủ nó sẽ bị nứt gãy dưới biến dạng của mặt đường gây ra bởi tải trọng nặng; thứ hai: bề mặt có độ nhám nhỏ và do vậy yêu cầu phải xử lý lớp mặt tạo nhám với đường có tốc độ xe chạy cao.

Cường độ, độ ổn định của bê tông  asphalt được hình thành phần lớn nhờ sự chèn móc giữa các cốt liệu và tăng thêm môt phần nhờ hồ vữa: cát – bột khoáng – nhựa đường. Thành phần của bê tông nhựa được xác định bởi quy phạm thiết kế hỗn hợp Marshall của Viện Asphalt Mỹ với mục đích nhằm đạt tới hàm lượng nhựa đường hợp lý nhất, hỗn hợp có độ đặc và độ ổn định lớn nhất. Kết quả là ta pha trộn được một hỗn hợp cốt liệu và nhựa đường đạt yêu cầu kinh tế, có độ bền độ ổn định tốt dưới tác dụng của xe cộ trong quá trình làm việc đồng thời cho phép dễ thi công (rải và đầm nén) để có được một độ rỗng không quá  3-5%. Hàm lượng nhựa đường tương tự như với hỗn hợp đá nhựa đặc kín nhưng độ quánh của nhựa đường cao hơn, thường hay dùng loại có độ kim lún 70, 100. Trong quá trình thi công (rải, đầm nén), độ đầm nén phải được kiểm tra giám sát chặt chẽ để đảm bảo đạt được độ chặt đầm nén lớn nhất.

4   Lớp tại nhám, lớp đá nhựa thấm nước

Hàng năm ở Anh quốc, các con đường, sân bay đều bị ẩm ướt nhiều giờ, tương đương với 100 trận mưa với lượng tới 1 inch/trận. Điều đó cho thấy những con đường trên một số phần lãnh thổ nước Anh có thể bị ướt tới 50% thời gian trong năm. Để khắc phục nước mặt và sự trơn trượt trên đường băng sân bay, vào giữa những năm 1950, Bộ công trình hàng không đã thử nghiệm lớp vật liệu đá nhựa hở tạo nhám cỡ hạt 10 mm (ngày nay được biết như là lớp tạo nhám mặt phi trường). Lớp vật liệu này được thiết kế cho phép nước thấm qua một lượng nhất định xuống tới lớp không thấm nước phía dưới mặt đường băng , sau đó theo các rãnh ngang chảy vào các rãnh thoát được lấp đày các hạt cốt liệu. Các thử nghiệm đã chứng tỏ hiệu quả tốt nhất của lớp ma sát / thoát nước và từ năm 1962 một số lượng lớn các đường băng sân bay dân dụng và quân sự đã được phủ mặt bởi lớp tạo ma sát.

Trên những con đường ở Anh quốc, người ta ước tính có đến 10 % tai nạn trong mùa mưa là do nước tóe lên từ các xe chạy nhanh (đặc biệt là xe tải). Chi phí cho các tai nạn gây ra bởi sự tóe nước có thể chiếm tới 1/3 so với các tai nạn do trơn trượt bởi đường ẩm ướt. Tiếp theo thành công của lớp tạo ma sát 10 mm cho sân bay, Phòng nghiêm cứu vận tải và đường (TRRL) đã phát triển thành công vật liệu đá nhựa thấm nước 20 mm.

4.1   Sự phát triển của vật liệu đá nhựa thấm nước

Từ năm 1967, một số lượng lớn các thử nghiệm đã được thực hiện để xác định mức độ phù hợp của lớp vật liệu đá nhựa thấm nước đối với những con đường có lưu lượng giao thông cao. Szatkowski và Brown đã cho rằng lớp vật liệu đá nhựa được chế tạo với cốt liệu lớn nói chung có độ rỗng, độ thấm nước và độ nhám cao nhất, tuy vậy với một số cỡ hạt cốt liệu, các giá trị này giảm đáng kể trong một ít năm đầu sau khi rải. Tuy nhiên, sự giảm tóe nước vẫn còn hiệu quả trong một thời gian dài hơn khi vật liệu được chế tạo với cốt liệu cỡ 20 mm; thời gian kéo dài ít nhất là 3 năm với lượng giao thông cao (>7000 xe/ngày đêm/làn xe) và tới 6 năm với lượng giao thông trung bình (2500 xe/ngày đêm/làn xe). Dù sao lớp mặt đường vẫn còn tốt cho nhiều năm sau ngay cả khi hiều quả của thuộc tính giảm tóe nước đã suy giảm và cuối cùng tuổi thọ của nó có thể kéo dài tới 15 năm. Các kết quả thử nghiệm tiếp theo đã kết luận rằng khả năng kháng trượt của lớp vật liệu này với cốt liệu 20 mm tương tự như các lớp rải mặt đường khác được sản xuất với cùng loại cốt liệu. Mối quan hệ giữa sức kháng trượt với tốc độ xe, với cốt liệu 20 mm tương hợp với độ nhám cũng gần như quan hệ thu được ứng với lớp mặt asphalt rải nóng.

Về mặt kết cấu, 40mm vật liệu đá nhựa thấm nước dùng nhựa đường có độ kim lún 100 hoặc 200 thì tương đương với 16 mm HRA hoặc 20 mm đá - nhựa đặc kín. Tuy nhiên nếu dùng nhựa đường epoxy thay cho nhựa đường thông thường thì độ cứng động học của đá nhựa tăng lên một cách đáng kể và cường độ của nó bằng hoặc lớn hơn HRA. Nhựa đường chứa polyme như etylen vinyl axetat, styren-bitadien-styren có độ cứng động học nằm giữa hai loại trên.

4.2   Ích lợi của lớp đá nhựa thấm nước

4.2.1   Sự giảm tóe nước

Mối nguy hại do sự tóe nước của lốp xe trên đường ướt nước đặc biệt khi xe chạy với tốc độ cao, đã được thừa nhận từ rất lâu; sự tóe nước làm hạn chế tầm nhìn một cách bất thường và như vậy nó trở nên rất nguy hiểm. Những thí nghiệm bổ sung cuối cùng đã chứng tỏ rằng sự tóe nước có thể giảm đi đáng kể nhờ lớp đá nhựa thấm nước. Vật liệu đá nhựa thấm nước có độ rỗng cao (tới 25%) và dĩ nhiên sẽ hấp thu nước mưa như một miếng bọt xốp. Một lớp rải dày 40 mm bằng vật liệu đá nhựa thấm nước có thể hấp thu một lượng mưa 8 mm trước khi trở nên bão hòa. Lớp vật liệu này làm như một lớp thoát nước, nó có khả năng cho nước chảy qua vật liệu gần như thoát hết nước bề mặt, giải quyết được tình trạng nước đọng trên mặt đường.

4.2.2   Khả năng giảm tiếng ồn

Mặt đường được rải bằng vật liệu cấu trúc thô làm tăng tiếp xúc giữa lốp xe chạy với tốc độ cao với bề mặt đường trong điều kiện thời tiết ẩm ướt, nhờ vậy nó giúp duy trì tính kháng trượt tốt. Mối quan hệ giữa tiếng ồn và thuộc tính ma sát của mặt đường đã được TRRL nghiên cứu. Thuộc tính ma sát được đánh giá bằng chiều sâu rót cát (chiều sâu cấu trúc) và bằng sự thay đổi tỷ lệ phần trăm hệ số lực hãm bằng thí nghiệm hãm phanh ở tốc độ 130 km/h và 50 km/h. Công trình thí nghiệm này đã kết luận rằng, tiếng ồn lớn nhất do phương tiện gây ra là một hàm số của hàm số vĩ mô (chiều sâu rót cát) và là hàm logarit của sự thay đổi tỷ lệ phần trăm hệ số hãm phanh. Điều đó có nghĩa là trên thực tế với mặt đường thông thường không thể vừa đạt được độ bám (khả năng chống trượt) cao lại vừa giảm tiếng ồn.

Tuy vậy, thật may mắn, mối quan hệ đó lại không đúng với đá nhựa thấm nước, nơi cơ chế của sự phân tán nước khỏi bề mặt lại hoàn toàn khác. Các báo cáo của một số lớn thí nghiệm hiện trường tiếp sau đó về tiếng ồn do xe chạy trên đường hở tạo nhám đã được công bố. Công trình này cuối cùng đã chứng minh rằng tiếng ồn do xe chạy trên mặt đường đá nhựa thấm nước thấp hơn đáng kể so với khi xe chạy trên mặt đường thông thường có cùng độ nhám (thấp hơn 3-4 dB(A) trong điều kiện khô ráo và thấp hơn 7-8 dB(A) trong điều kiện ẩm ướt). Nghiên cứu mới đây ở Hà lan cũng đã chỉ ra rằng do cấu trúc của vật liệu đá nhựa thấm nước, nó có thể hấp thụ đáng kể tiếng ồn do xe cộ gây nên.

4.3   Nhượt điểm của đá nhựa thấm nước

Mặc dù đá nhựa thấm nước có nhiều ưu điểm nhưng cũng còn có một số nhược điểm cần phải khắc phục.

Sai số về hàm lượng nhựa đường của loại vật liệu này bị khống chế khá khắc khe. Nếu lượng nhựa đường quá thấp thì sẽ không đủ để bao bọc cốt liệu, hoặc màng nhựa đường quá mỏng đến mức chúng bị oxy hóa nhanh chóng và mặt đường nhanh chóng bị hư hỏng. Mặc khác nếu lượng nhựa đường qua cao (hoặc nhiệt độ của hỗn hợp quá cao), nhựa đường có thể chảy ra khỏi cốt liệu trong quá trình vận chuyển, dẫn đến tình trạng tỷ lệ nhựa đường trong hỗn hợp không đồng đều. Trong một số trường hợp nhựa đường còn bị chảy ra từ bồn chứa các phương tiện vận chuyển.

Cho đến tận năm 1984, việc xác định hàm lượng nhựa đường cho hỗn hợp đá nhựa thấm nước mới được thực hiện ở Anh quốc bằng thử nghiệm với sai số tối thiểu. Tuy nhiên, TRRL đã thực hiện một thí nghiệm mô phỏng lượng chảy thoát nhựa đường của vật liệu đã được trộn. thí nghiệm liên quan tới việc cất giữ vật liệu đá nhựa thấm nước trong một rỗ bằng kim loại đục lỗ trên một cái khay đã được cân trước để hứng lấy nhựa đường đã chảy ra (từ đá nhựa trong rỗ). Thí nghiệm được tiến hành hai lần với mỗi hàm lượng nhựa  đường. Lượng nhựa đường còn lại được vẽ như một hàm tương quan với lượng nhựa đường “tiêu chuẩn” không bị chảy thoát. Tuy nhiên, lượng chảy thoát nhựa đường này tăng lên đáng kể cho tới một đỉnh khi qua đó thì lượng nhựa đường thực tế còn lại trong hỗn hợp giảm, điều này được xem như hiệu quả “tuyết lỡ”. Thí nghiệm này xác định lượng nhựa đường chảy thoát thực hiện trong phòng thí nghiệm nhằm xác định lượng chảy thoát của nhựa đường trong thực tế; TRRL đang tiến hành các khảo cứu về vấn đề này.

Việc cho thêm bột vôi vào hỗn hợp đã làm tăng đáng kể tính nhớt của nhựa đường và do vậy làm giảm lượng nhựa đường chảy ra khỏi cốt liệu. Lượng bột vôi cũng làm tăng cường lực dính, lực này rõ ràng là có ích cho vật liệu rỗng nơi bị bão hòa nước trong thời gian dài. Vì lớp vật liệu đá nhựa thấm nước và lớp tạo nhám theo định nghĩa là vật liệu hở thấm nước, màng nhựa đường trong vật liệu sau khi đầm nén thường xuyên bị tiếp xúc với oxy trong không khí. Thực tế là nhựa đường bị oxy hóa tương đối nhanh. Sự giảm độ kim lún của nhựa đường ở hiện trường của lớp vật liệu tạo nhám sân bay theo các năm tuổi từ 1-9 năm. Sau 9 năm nhựa đường có độ kim lún 20 “độ kim lún giới hạn”, tức là khi độ kim lún dưới 20 thì nhựa đường sẽ bị hư hại.

Trong thử nghiệm đường một cách toàn diện ở A38, các kết quả ban đầu cho thấy rằng vôi tôi và một vài chất polyme trong quá trình làm việc có thể làm giảm mức độ oxy hóa của nhựa đường trên đường. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự oxy hóa nhựa đường sẽ giảm xuống nếu thêm vào hỗn hợp 0,5% -1% vôi tôi. Người ta cho rằng vôi tôi hấp thụ các sản phẩm oxy hóa làm cho chúng không thể tham gia vào các phản ứng oxy hóa tiếp theo.

Việc dọn bỏ băng tuyết khỏi mặt đường bằng vật liệu đá nhựa thấm nước đòi hỏi một lượng muối lớn hơn từ 2-3 lần so với mặt đường asphalt rải nóng (HRA). Đó là do hai lẽ sau: thứ nhất, nếu tuyết bị lèn chặt vào lỗ rỗng của đá nhựa rỗng, muối có xu hướng làm chuyển dời tuyết từ nơi này đến nơi khác, làm chuyển dời vật liệu bị đầm chặt vào các khe hở của bánh xe; thứ hai khi tuyết tan tạo nên một lớp bùn nước mặn thoát nước dưới bề mặt xe chạy và làm mất hiệu quả của muối. Mặc dù lượng muối xử lý tăng lên bị lãng phí và rõ ràng làm tăng chi phí bão dưỡng, lợi ích chủ yếu là sự tăng giao thông công cộng và giảm tiếng ồn xe cộ cho dân cư vùng lân cận còn vượt trội hơn nhiều so với giá trị lượng muối cần thiết phải tăng thêm.

5   So sánh sự làm việc của các lớp vật liệu mặt đường khác nhau

Các kỹ sư đường thường xuyên phải cân nhắc với sự lựa chọn các lớp vật liệu mặt đường khác nhau. Trong phạm vi khá rộng, sự quyết định lựa chọn được căn cứ vào chi phí xử lý, sự đòi hỏi thực tế của từng con đường và lợi ích của từng loại vật liệu mặt đường khác nhau. Năm 1975, TRRL đã tiến hành một thử nghiệm về đường khá đầy đủ để so sánh tính năng làm việc của các lớp mặt bằng đá nhựa tạo nhám hở, lớp đá nhựa thấm nước, asphalt rải nóng, đá nhựa đặc, Delugrip (một vật liệu mang tên chủ nhân độc quyền sở hữu) và bằng lớp láng bề mặt. Một sự so sánh đơn giản các thuộc tính khác nhau của các lớp vật liệu sau 6 năm làm việc được giới thiệu ở bảng 2. Tương tự, bảng 3 cho thấy sự so sánh mức hiệu dụng của các loại vật liệu: đá nhựa thấm nước, asphalt rải nóng, lớp láng mặt trên một loại các yếu tố khác nhau. Các giá trị cho ở hai bảng chỉ có tính gần đúng dùng để tham khảo. Tuy nhiên, chúng cũng cung cấp cho các kỹ sư các dữ liệu thực giúp họ lựa chọn vật liệu phù hợp nhất với điều kiện thực tế yêu cầu.

Bảng 2 – Quan hệ biểu kiến giữa các lớp vật liệu mặt đường khác nhau sau 6 năm

Các yếu tố	Mức ưu điểm (1=xấu ; 5=tốt)
	Đá-nhựa tạo nhám hở	Đá-nhựa thấm nước	“Delugrip”	Đá-nhựa đặc	Asphalt rải nóng	Láng mặt
Cường độ Tuổi thọ Kháng trượt (ở tốc độ thấp) Kháng trượt (ở tốc độ cao) Chất lượng vận hành Khả năng loại trừ tóe nước Giảm ồn Dễ áp dụng Diện tích mặt đường/ 1 đơn vị chi phí	3 3 5 4 4 3 4 3 2	3 2 5 5 3 5 4 3 2	4 3 5 3 5 2 4 3 1	4 2 5 4 5 1 3 3 2	4 4 4 4 3 2 2 2 1	- 3 5 5 1 3 1 4 5

Bảng 3 – Mối quan hệ giữa các ưu điểm của các loại vật liệu : lớp láng mặt, đá nhựa thấm nước và asphalt rải nóng

Các yếu tố	Mức hiệu quả
	Lớp láng mặt	Đá – nhựa thấm nước	Asphalt rải nóng
Kháng trượt Chiều sâu rắc cát (độ nhám vĩ mô) Tuổi thọ trung bình Cường độ Chất lượng xe chạy Giảm ồn Giảm tóe nước Dễ thi công Diện tích mặt đường/ 1 đơn vị chi phí	1 1 1 1 1 1 2 4 6	1 1 2 3 4 4 6 1 2	1 1 3 6 4 2 1 1 1