Phát triển kết cấu móng đường trên thế giới và Việt Nam

Sự phát triển về kết cấu đường ôtô trên thế giới

Từ khi loài người nguyên thủy đã biết dùng tay để vạch lối, dùng chân để dò đường để mưu sinh, trải qua quá trình lịch sử phát triển để đáp ứng nhu cầu giao thương từ các phương tiện thô sơ bằng sức kéo của gia súc đến phương tiện cơ giới hóa cũng với sự tăng dần tải trọng các xe ôtô rồi các đoàn tàu. Có thể nói rằng xây dựng đã phát triển khá rực rỡ từ thời cổ đại, họ đã sớm sử dụng vật liệu trong xây dựng cầu, đường và công trình dân dụng.

Lịch sử các con đường được xây dựng từ 4000 năm (TCN) ở vùng Lưỡng Hà. Sau đó thì đường dần phát triển từ thời kỳ Roma cho đến hiện đại ngày nay như theo Hình 1.

Những buổi ban đầu mặt đường được lát bởi các tấm vữa vôi hình lục giác Hình 1a, đến cuối thế kỷ thứ 18 ở vùng Shropshire của Anh được thiết kế bởi kỹ sư xây dựng Thomas Telford người Scotland lớp đá nhỏ trên làm mặt và có mui luyện để thoát nước trên 2 lớp móng đá đến lớp đá hộc Hình 1b.

Đến đầu thế kỷ thứ 19, kỹ sư xây dựng John Loudon McAdam cũng là người Scotland làm kết cấu đường như Hình 1c, chính là người phát minh ra đá dăm (đá được nghiền cùng kích cỡ khi lu phải tưới nước vào).

Sau đó kết cấu mặt đường dần dần được cải tiến, năm 1848 ở Nottingham sử dụng lớp rải mặt đường gắn các hạt lại với nhau do phương tiện đi lại trên mặt đá của kết cấu Macadam gây bắn đá và bụi. Sau đó, gudrong than đá được gia nhiệt lên và tưới trên bề mặt được đặt tên là (Tarmacadams chính là lớp đá dăm đen ngày nay). Nhựa gudrong quá nhạy cảm với nhiệt nên ở Anh đã sử dụng nhựa đường nhập từ Mexico. Năm 1909, sinh ra đạo luật cải thiện đường bộ sử dụng các vốn nhà nước rồi xây dựng Nhà máy Lọc dầu Shell Haven năm 1920 và phát triển cho đến nay.

Kết cấu mặt đường hiện đại ngày nay thì các lớp base và subbase được thay bằng vật liệu cấp phối để dễ lu chặt hơn so với thuở ban đầu dùng đá dăm cùng kích cỡ.

Ngày nay thì việc sử dụng lớp móng kết cấu mặt đường như Hình 1d các lớp kết cấu đường (subbase, roadbase hay đến lớp mặt gồm có basecourse) rồi đến lớp mặt trên cùng. Với lớp basecourse là lớp chịu lực thuộc phần mặt đường thường được dùng chất kết dính để tạo thành lớp vật liệu liền khối truyền chịu tải đều lên lớp roadbase, lớp móng mặt đường roadbase là lớp chịu tải chính và làm vai trò giảm ứng suất tác động lên lớp dưới của nó là subbase, cũng có thể là lớp thoát được nước ra ngoài.

Lớp subbase là lớp móng có tác dụng giảm ứng suất lên nền đất và được rải trên lớp vật liệu K98 (hay là lớp nền thượng) bằng phẳng chịu lực tốt. Nói chung nền đường là một kết cấu rất vững chắc và nhiều lớp có E giảm dần theo chiều sâu.

Tại châu Âu đã có các tiêu chuẩn cho lớp móng mặt đường theo EN 13242:2013 không gia cố và có gia cố chất kết dính, trong đó có nói đến hầu hết các loại cốt liệu có thể dùng cho lớp móng mặt đường là: Cốt liệu tự nhiên, cốt liệu tái chế, cốt liệu xỉ lò cao, cốt liệu xỉ thép.. bộ tiêu chuẩn EN 14227 và có các phần riêng cho móng đường gia cố xi măng, tro bay, xỉ lò cao nghiền mịn, đất gia cố vôi, đất gia cố tro bay, đất gia cố xỉ lò cao nghiền mịn.

Kết cấu móng đường ở Việt Nam

Ở Việt Nam, sự phát triển của lớp móng mặt đường gắn liền với lịch sử xây dựng hệ thống đường bộ, từ trước 1945 đến giai đoạn sau này, chịu ảnh hưởng từ điều kiện kinh tế, chiến tranh và công nghệ xây dựng.

Ban đầu chủ yếu sử dụng vật liệu tự nhiên như đất nện hoặc đá dăm macadam như châu Âu. Đường đất truyền thống (như đường Thiên lý thời phong kiến), năm 1930 người Pháp đầu tư xây dựng khoảng 15.000 km đường bộ, trong đó có 2.000 km được rải nhựa, lớp móng chủ yếu sử dụng đất nện hoặc đá dăm đơn cỡ là phương pháp đá dăm nước (Macadam).

Sau năm 1945, ngành GTVT tập trung xây dựng hạ tầng phục vụ kháng chiến. Các tuyến đường được tập trung xây dựng phục vụ chiến dịch Điện Biên Phủ năm 1954. Lớp móng mặt đường chủ yếu là làm sử dụng vật liệu sẵn có để phục vụ chiến tranh như đất nện và đá dăm nước, đất gia cố chất kết dính cũng được sử dụng sớm.

Quy mô các tuyến đường vào thời kỳ đó chỉ tương đương cấp VI dùng cho ôtô tải trọng từ 2,5 tấn đến 5 tấn, kết cấu móng chủ yếu là đá hộc, sau được hạ xuống là đá ba (kích cỡ 20 - 30 cm), tiếp tục sau đó thay bằng đá dăm nước.

Vào năm 1967, Ủy ban kiến thiết cơ bản Nhà nước cho xuất bản tập: Quy phạm kỹ thuật chung và tạm thời về thi công và nghiệm thu các công trình kiến thiết cơ bản do Chủ nhiệm Ủy ban Ban kiến thiết cơ bản Nhà nước Trần Đại Nghĩa ký ban hành có hiệu lực từ ngày 01/01/1968 căn cứ theo Nghị định số 209/CP ngày 12/12/1962 của Hội đồng Chính phủ. Kết cấu đường chỉ cơ bản là lớp mặt và lớp nền, lúc bấy giờ lớp mặt là sỏi ong trộn vôi, đất sét trộn vôi, gạch vỡ, đất nung, xỉ lò cao, đất dính trộn cát và trộn đất dính, mặt đường đá lát, bê tông xi măng mác 150 trở lên trên 10 cm cát, tưới nhựa 3kg/m² trên lớp đá dăm, đá dăm láng nhựa.

Năm 1970, bắt đầu sử dụng bê tông Asphalt và móng biết đến là đá dăm nên dùng ở dạng cấp phối tuy nhiên thời kỳ đó móng chính vẫn là đá dăm nước và trên lớp đá hộc tương tự như kết cấu của mặt đường Telford ở Anh vào cuối thế kỷ 18.

Từ những năm 1980, mặt đường bê tông xi măng được sử dụng ở một số đoạn đặc biệt QL1A, kết cấu móng bắt đầu sử dụng cấp phối đá dăm (loại I và II) để dễ lu lèn hơn so với đá dăm nước.

Một thời gian dài, Việt Nam đã dùng kết cấu mặt đường mà có móng là đá hộc giống như châu Âu đã tạo ra các túi bùn và làm cao su mặt đường do tác dụng trùng phục của tải trọng, vào năm 1995 lớp vật liệu đá hộc không được sử dụng nữa mà thay vào là đá nhỏ hơn như đá dăm nước và cấp phối đá dăm (CPDD).

Đến nay, cơ bản lớp móng CPDD còn được sử dụng rộng rãi và cơ bản đã thành định hình như lớp móng trên là CPDD loại I (lớp Base), lớp móng dưới là CPDD loại II (lớp subbase), cùng với đó đã có các tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8857 về lớp móng cấp phối thiên nhiên, TCVN 8859 về lớp móng CPDD, TCVN 8858 về lớp móng CPDD và cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng, TCVN 10379:2014 về đất gia cố chất kết dính vô cơ, hóa chất hay gia cố tổng hợp để làm lớp móng đường, TCVN 10186:2014 về cát gia cố xi măng trong kết cấu áo đường, TCVN 13694-2023 về cốt liệu tái chế từ phế thải xây dựng để làm lớp móng mặt đường.

Để hoàn chỉnh thêm các loại móng đường nhất là móng gia cố chất kết dính vô cơ, cần bổ sung thêm các tiêu chuẩn riêng về móng gia cố vôi, gia cố tro bay, gia cố xỉ lò cao, gia cố hỗn hợp các loại chất kết dính ngoài việc móng gia cố xi măng như hiện nay. Cần khuyến khích thúc đẩy việc sử dụng lớp vật liệu móng liền khối để tạo ra nền đường vững chắc cho các loại đường.

Hoàn thiện các tiêu chuẩn yêu cầu kỹ thuật, thi công, nghiệm thu móng đất cốt liệu gia cố xi măng, vôi, tro bay nhiệt điện, xỉ lò cao nghiền mịn nhất là sắp tới làm móng của đường sắt phần là móng mặt bằng lớp vật liệu để đạt K, K₃₀ hay E_Vd cho đường sắt không đá ba lát. Vật liệu làm cốt liệu cho lớp móng mặt đường cần mở rộng thêm các vật liệu xỉ thép, vật liệu xỉ nhiệt điện, vật liệu đá thải khai thác mỏ.

Những năm gần đây trên thế giới đã đưa vào sử dụng lớp móng bằng vật liệu toàn khối thay được chiều dày lớp vật liệu rời của lớp subbase và base làm giảm đáng kể chiều dày của tổng thể kết cấu tính từ nền đường. Các ứng dụng này cũng nên sớm đưa vào sử dụng ở Việt Nam như lớp móng là vật liệu gia cố bằng chất kết dính, thì có thể sử dụng được các loại vật liệu rời gồm: Cát mặn, xỉ thép, xỉ nhiệt điện, cốt liệu từ phế thải xây dựng, phế thải kính vỡ và các loại đất khác nhau đều có thể sử dụng mà không phải chọn lọc.