Với áp lực gia tăng hạ tầng giao thông, Canada phải xem xét việc xây dựng đường bêtông xi măng nhiều hơn so với đường bêtông asphalt truyền thống. Nước Mỹ đư hoàn toàn nhận thấy các lợi thế của hạ tầng đường bêtông xi măng và hiện có trên 30% đường bêtông xi măng cao tốc liên bang [1]. Tại Canađa tuy nhiên lại chỉ có mạng nhỏ đường cao tốc bêtông xi măng. Quebec là địa phương có số lượng đường cao tốc bêtông xi măng lớn nhất nước, tuy nhiên chỉ có 4%. Trong bài báo này phân tích sự hiểu biết khái quát lợi thế kinh tế, môi trường và sử dụng đường cao tốc bêtông xi măng.

• Hình 1. Đường cao tốc ở Canada

Sự khác biệt giữa đường bêtông xi măng và bêtông asphalt

Sự khác nhau lớn nhất giữa đường bêtông xi măng và đường bêtông asphalt là đường bêtông xi măng có cấu trúc cứng và đường bêtông asphalt có cấu trúc mềm.Thuật ngữ cứng và mềm mô tả đường sẽ ứng xử như thế nào dưới tác động của tải giao thông và môi trường.

Mặt đường mền là đường phủ bêtông asphalt. Theo mặt cắt nó gồm lớp trên cùng là bêtông asphalt, lớp dưới là lớp base và subbase. Lớp base và subbase thường là sỏi hoặc đá dăm. Các lớp này ở phía trên lớp đất đầm chặt (compacted subgradecompacted soil). 

Còn đối với đường bêtông xi măng thì lớp mặt phủ bêtông xi măng cứng với lớp dưới là lớp base và lớp đất đầm (compacted subgrade - compacted soil).

Khác nhau cơ bản giữa hai kiểu đường cứng và mềm là ứng xử phân bố và truyền tải nén tới lớp đất đầm (compacted subgrade) như mô tả trong hình 2. Lớp phủ bêtông cứng sẽ phân tán tải nén lên một diện tích rộng của lớp đất đầm (compacted subgrade). Trong khi đó đường bêtông asphalt mềm được chế tạo với các vật liệu yếu và kém cứng hơn sẽ không phân bố tải rộng như đường bêtông xi măng. Do vậy đường bêtông asphalt thường cần nhiều lớp hơn, dày hơn để truyền tối ưu tải xuống lớp đất đầm [2].

• Hình 2. Cấu trúc và khả năng truyền tải nén của các loại đường 

a) Đường BT xi măng (cứng) - ứng suất nén < 0,2 MPa 
b) Đường BT asphalt (mềm) - ứng suất nén >0,2 MPa
(Độ cứng của đường BTXM phân tán tải lên diện tích rộng tạo ứng suất nén thấp lên lớp bên dưới) 

Tuổi thọ các loại đường

Một trong những ưu thế của bêtông xi măng là có độ bền cao hơn và tuổi thọ cấu trúc lâu hơn. Khái niệm bền lâu được quy về lâu hơn và ít phải sửa chữa bảo trì hơn. Số liệu báo cáo của công ty tư vấn ERES Inc. năm 1998 cho thấy tuổi thọ của đường asphalt là 17 năm còn của đường bêtông xi măng là 34 năm []. Báo cáo này cũng cho thấy đường cao tốc asphalt đòi hỏi công tác bảo trì trong mỗi 3-5 năm và sửa chữa lớn trở nên thường xuyên hơn sau năm thứ 17. Đối với đường bêtông xi măng thì khác, yêu cầu sửa chữa nhỏ đầu tiên sau 12 năm và sửa chữa bề mặt bêtông ở năm thứ 18.[3]

Đường bêtông xi măng giảm các hạn chế tải trọng vào mùa xuân.

Độ bền của bêtông xi măng là một ưu điểm rõ rệt thể hiện trong mùa xuân tan băng. Sau khi được xây dựng, đường bêtông xi măng sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự yếu theo mùa của lớp đất đầm bên dưới vào mùa xuân tan băng như đối với đường bêtông asphalt. Nghiên cứu thí nghiệm đường của AASHTO [4] dưới đây cho thấy 61% đường bêtông asphalt hỏng trong các điều kiện của mùa xuân so với 5,5% của bêtông ximăng trong hình 3.

• Hình 3. Tỷ lệ hỏng đường theo mùa

Mặc dầu thiết kế đường bêtông asphalt có sự thay đổi kể từ khi các thí nghiệm trên được tiến hành, tuy nhiên vấn đề cường độ của cấu trúc bêtông asphalt vẫn còn tồn tại vào mùa xuân tuyết tan. Do vậy Vụ quản lý giao thông (DOT) vẫn duy trì quy định hạn chế tải trọng xe nhằm giảm thiểu hỏng đường trong mùa xuân.

Thực tế là Bộ Giao thông Quebec (MTQ) áp dụng quy định hạn chế tải trọng xe trên tất cả hệ thống đường cao tốc liên bang (TCH) vào mùa xuân.
Do lớp phủ bêtông xi măng phân tán tải của các ph−ơng tiện đến lớp cấu trúc cốt liệu dưới nên bêtông xi măng không bị tổn hại trong các điều kiện mùa xuân như bêtông asphalt. Do vậy các xe chở nặng có thể chở đủ tải trên các con đường bêtông xi măng vào mùa xuân tan băng. Thành phố Winnipeg đưa các thông cáo hằng năm trên phương tiện thông tin đại chúng chỉ dẫn khi nào bắt đầu hạn chế tải xe trên đường asphalt và có nêu rõ các hạn chế này không áp dụng đối với đường bêtông xi măng [5].

Đường bêtông xi măng không bị xô, lún

Các xe tải nặng có thể tạo các vết lún trên đường asphalt, trong khi dừng hay khởi động, các xe tải nặng có thể tạo xô bề mặt đường. Các vị trí rẽ hay các khu vực giao cắt giao thông trên đường asphalt cũng là nơi hay xuất hiện các khuyết tật xô thành gờ do bản chất mềm của vật liệu asphalt. Tuy nhiên bề mặt cứng của bêtông xi măng lại ngăn chặn được các khuyết tật này do chúng không lún, xô.

• Hình 4. Hiện tượng lún đường asphalt 

Đường bêtông xi măng làm giảm khoảng trượt di khi dừng gấp của phương tiện giao thông

Đối với người sử dụng thì bề mặt cứng của đường bêtông là quan trọng về khía cạnh an toàn. Trong mùa mưa, các vết lún trên đường asphalt sẽ là nơi tụ nước và làm tăng khả năng trượt của bánh xe (hiệu ứng thuỷ phi cơ - hydroplaning). Hơn nữa, độ ẩm cao tại các vết lún sẽ dễ trở thành băng vào mùa đông tăng khả năng trượt của bánh xe ô tô.

Nghiên cứu của trường Đại học Ilinois có tên “Xem xét an toàn của các lún, xô bề mặt đường asphalt” cho thấy rằng tất cả các khoảng trượt dài khi dừng gấp trên bề mặt đường bêtông xi măng ngắn hơn so với đừơng asphalt, đặc biệt khi đường asphalt có các vết lún và ướt như nêu trong hình 5. Các số liệu ở đây không tính hiệu ứng trượt nước (hydroplaning). Nếu tính cả hiệu ứng trượt nước (hydroplaning) thì các khoảng trượt dài khi dừng gấp của đường asphalt còn cao hơn [4].

Hình 5. Khoảng cách trượt dài khi dừng gấp đo được của 2 loại xe ôtô trên đường bêtông xi măng và đường asphalt ở tốc độ 100 km/h (Lưu ý rằng đường bêtông không lún nên số liệu của điều kiện ướt/ lún tương tự ướt/nhẵn).

Đường bêtông xi măng cho phép tiết kiệm nhiên liệu đối với xe tải nặng

Xe tải nặng gây biến dạng lớn hơn trên mặt đường mềm so với mặt đường cứng. Biến dạng tăng này của lớp phủ là cách hấp thụ một phần năng lượng của xe. Do vậy có thể đưa ra giả thuyết là khi xe chạy trên đường mềm sẽ tốn nhiên liệu và năng lượng hơn [6] đường bêtông xi măng làm giảm biến dạng đường và do vậy tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Sự khác biệt về các tính năng tiêu thụ nhiên liệu của xe tải nặng chạy trên đường bêtông xi măng và đường asphalt được tiến sĩ John P. Zaniewski phát hiện. Năm 1982, tiến sĩ John P. Zaniewski l0 th0nh viên của nhóm độc lập tiến hành nghiên cứu cho Cơ quan đường cao tốc liên bang (FHWA) để hoàn thiện bảng chi phí định mức xe vận chuyển được nghiên cứu trước đó của Ngân hàng thế giới và chính phủ Brazin. Sự nghiên cứu tương quan giữa các thiết kế đường cao tốc và chi phí vận chuyển được xem xét với nhiều yếu tố cấu thành trong đó có tiêu thụ nhiên liệu. Các kết quả phân tích nghiên cứu cho thấy tiết kiệm nhiên liệu tiêu thụ có thể lên tới 20% đối với xe tải hạng nặng chạy trên đường bêtông xi măng so với đường asphalt [6].

Công ty Detroit Diesel xem xét loại mặt đường khi xác định hiệu quả sử dụng nhiên liệu phương tiện vận tải trên chương trình máy tính Spec Manager 2.1. Chương trình này phân bổ các yếu tố bề mặt đường là 1,0 đối với đường bêtông xi măng, là 1,2 đối với đường asphalt nguội và 1,5 đối với đường asphalt nóng. Sau đó chương trình được chạy với các số liệu loại xe tải thông dụng với các biến hằng số, duy có kiểu mặt đường là thay đổi, kết quả máy tính cho thấy tiêu thụ nhiên liệu ít hơn 8% đối với mặt đường bêtông xi măng so với đường asphalt nguội và 17,5% thấp hơn so với đường asphalt nóng khi chạy tốc độ 100 km/h [7].

Để khẳng định tiềm năng tiết kiệm nhiên liệu ở khí hậu Canada, Uỷ ban nghiên cứu quốc gia Canada (NRC) đã tiến hành một năm nghiên cứu theo đặt hàng của Hội xi măng Canada. Nghiên cứu cho thấy trung bình tiết kiệm 11% tiêu hao nhiên liệu khi xe tải nặng chạy trên đường bêtông xi măng [8]. Bảng 1 dưới tổng hợp các dự toán tiết kiệm nhiên liệu từ các nguồn nghiên cứu.

Bảng 1 . Dự toán tiết kiệm nhiên liệu khi chạy trên đường bêtông xi măng so với đường asphalt:

 

Đường bêtông xi măng làm tăng tầm nhìn ban đêm

Lớp phủ bêtông xi măng đường được biết có khả năng làm tăng tầm nhìn của lái xe ban đêm. Bêtông xi măng có màu sáng tự nhiên và phản xạ ánh sáng của đèn ô tô cũng như đèn đường tốt hơn đường asphalt sẫm màu hơn. Sự khác biệt này được thấy rõ qua các ảnh trong hình 6 dưới đây.

• Hình 6. Chiếu sáng trên mặt đường BT xi măng và asphalt

Cả hai đường cao tốc 407 ở Ontario và 440 ở Quebec đều đều lắp các đèn chiếu sáng trên km thấp hơn so với đường asphalt do phản xạ ánh sáng tốt hơn.

Đường bêtông xi măng tạo tiện lợi và chất lượng hơn

Vụ vận tải và công ích Nova Scotia (TPW) kết thúc 5 năm nghiên cứu đoạn tiếp giáp của đường asphalt và bêtông xi măng xây dựng năm 1994 trên đường cao tốc 104 xuyên Canada [9]. Kết quả nghiên cứu được kết luận năm 1999 cho thấy trong thời gian đầu đường asphalt cho sự tiện nghi và êm hơn khi chạy, tuy nhiên sau một thời gian ngắn thì laị thể hiện kém hơn đường bêtông xi măng.

Các số liệu nghiên cứu so sánh của TPW cho thấy mặc dầu ban đầu đường asphalt mới có chỉ số tiện lợi khi chạy (RCI) cao hơn tuy nhiên no lại nhanh chóng bị hỏng nên đường bêtông xi măng có mặt đường bền hơn lại chiếm ưu thế hơn, xem hình 7. Chỉ số tiện lợi khi chạy (RCI) ở năm thứ 5 của đường bêtông xi măng là 7,4 và của đường asphalt là 6,9 [9].

• Hình 7. Kết quả thí nghiệm so sánh chỉ số tiện lợi RCI (Lưu ý là chỉ số RCI càng cao thì tiện lợi khi chạy trên đường càng cao)

Vụ vận tải và công ích Nova Scotia (TPW) cũng sử dụng thiết bị đo biến dạng (Profilograph) để đo chỉ số biến dạng khi chạy trên đường (PRI) thể hiện sự nhẵn của đường (chỉ số càng cao, đường càng cứng). Các kết quả đo trong 5 năm cho thấy sau 1 năm đường asphalt mới và đường bêtông xi măng mới có gần như cùng độ nhẵn. Trong 4 năm tiếp theo, đường bêtông xi măng duy trì độ nhẵn của mình còn đường asphalt bắt đầu hỏng. Hình 8 cho thấy cấu trúc của hai loại đường hoạt động như thế nào. Cần lưu ý rằng độ nhám (roughness) của mặt đường asphalt cao hơn 2 lần của mặt đường bêtông xi măng sau 5 năm sử dụng ( 6,8 mm/100m của đường bêtông ximăng so với 16,2 mm/100 m của đường asphalt) [9].

• Hình 8. So sánh kết quả đo chỉ số biến dạng khi chạy PRI (độ nhám) trên các loại đường (Lưu ý: chỉ số PRI càng thấp chạy càng êm) 

Dựa trên các kết quả này có thể nói rằng sự tiện lợi và êm hơn khi chạy trên đường bêtông xi măng so với đường asphalt trong thời gian dài trên đường cao tốc.

Chạy trên đường bêtông xi măng ít tiếng ồn

Mức tiếng ồn bên đường cũng liên quan đến dân cư khi xác định vật liệu làm mặt đường. Kết quả nghiên cứu của Vụ vận tải và công ích Nova Scotia (TPW) khẳng định rằng đường BTXM không gây tiếng ồn cao hơn đáng kể. Kết quả nghiên cứu 5 năm cho thấy mức tiếng ồn của bên đường BTXM trung bình cao hơn 2-4 dexibel so với đường asphalt [9]. Cần lưu ý rằng độ ồn khi nói chuyện bình thường là 60-70 dexibel, còn nói thì thầm là 20 dexibel.

Theo báo cáo “Thông tin về mức độ ồn môi trường yêu cầu để bảo vệ sức khoẻ v0 phúc lợi dân chúng với an toàn lề đường thích hợp” của EPA - Cơ quan môi trường Mỹ, nêu rằng sự thay đổi thấp hơn 5 dexibel được coi là không đáng kể [10].

Báo cáo của Vụ Giao thông Mỹ năm 1996 có kết luận rằng “Đường bêtông xi măng được xây dựng tốt đáp ứng tính năng của đường asphalt đầm chặt cả về yếu tố an toàn và độ ồn” [11].

Báo cáo của Vụ Giao thông Wiscosin kết luận rằng “Có thể (rất đơn giản và không tốn kém) xây dựng đường BTXM với các tính năng ma sát mong muốn. Loại đường này là “hàng xóm tốt”, an toàn, bền lâu và tiện lợi cho người sử dụng” [12].