Lý thuyết tổng quan về nhũ tương bitum

Mở đầuPhần 1: Tổng quanChương 1: Bitum dầu mỏI. Thành phần và cấu trúc bitumII. Phẩm chất của bitumIII. Ứng dụng của bitum dầu mỏChương 2: Tổng quan về nhũ tương bitumI. Nhũ tương bitumII. Lý thuyết nhũ tươngIII. Chất hoạt động bề mặtIV. Công nghệ chế tạo nhũ tương bitumPhần 2: Phương pháp nghiên cứuChương 1: Nghiên cứu chế tạo nhũ tương bitum

K IL

M

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

PHẦN I: TỔNG QUAN

CHƯƠNG I: BITUM DẦU MỎ

I Thành phần và cấu trúc bitum

I.1Thành phần của bitum

I.1.1 Nhóm chất dầu

I.1.2 Nhóm chất nhựa

I.1.3 Nhóm asphan8 I.1.4 Nhóm cacben và cacbôit

I.1.5 Nhóm axit asphan và các alhydrit

I.1.6 Nhóm parafin

I.2 Cấu trúc của bitum

II Phẩm chất của bitum II.1 Độ nhớt hay tính quánh của bitum II.2 Độ dãn dài hay tính dẻo của bitum

II.3 Tính ổn định nhiệt II.4 Tính hoá già của bitum

II.5 Tính ổn định khi đun

II.6 Nhiệt độ bốc cháy của bitum II.7 Tính thấm ướt vật liệu khoáng II.8 Tính liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng

III Ứng dụng của bitum dầu mỏ

CHƯƠNGII TỔNG QUAN VỀ NHŨ TƯƠNG BITUM

I Nhũ tương bitum

I.1 Khái niệm về nhũ tương

I.2 Phân loại nhũ tương

I.2.1 Phân loại theo pha phân tán và môi trường phân tán

I.2.2 Phân loại theo chất hoạt động bề mặt

I.2.3 Phân loại theo khả năng phân tách

I.2.4 Phân loại theo khả năng thi công (theo caltex)

I.2.5 Phân loại theo Pháp NF T66-16

I.3 Ứng dụng của nhũ tương bitum

I.4 Ưu điểm của nhũ tương trong xây dựng đường giao thông

I.5 Các tính chất và yêu cầu đối vối nhũ tương bitum

I.5.1 Độ nhớt

I.5.2 Tính đồng nhất

I.5.3 Tính ổn định khi vận chuyển và bảo quản

I.5.4 Tính dính bám của màng bitum với vật liệu khoáng

I.5.5 Khả năng phân tán phục hồi tính chất ban đầu trong thời gian tiếp xúc

với vật liệu khoáng

II Lý thuyết nhũ tương

II.1 Chế tạo nhũ tương

II.1.1 Phương pháp ngưng tụ

II.1.2 Phương pháp phân tán

II.2 Phân bố giọt trong nhũ tương

II.2.1 Hàm phân bố theo kích thước

II.2.2 Một số hàm phân bố thường gặp

II.2.2.1 Phân bố chuẩn

II.2.2.2 Phân bố chuẩn logarit

II.2.2.3 Phân bố hàm số mũ GGS

II.2.2.4 Phân bố mũ kép RRS25

II.3 Sức căng bề mặt của dung dịch chất nhũ hoá

II.4 Hiện tượng tách nhũ

K IL

M

II.5 Sự đảo tướng nhũ tương

II.6 Ổn định nhũ tương

II.6.1 Cấu tạo lớp điện tích kép

II.6.2 ổn định bằng lực đẩy điện

II.7 Lựa chọn chất nhũ hoá

III Chất hoạt động bề mặt

III.1 Chất hoạt động bề mặt anion

III.2 Chất hoạt động bề mặt cation

III.3 Chất hoạt động bề mặt mang cả hai dấu điện

III.4 Chất hoạt động bề mặt không ion

IV Công nghệ chế tạo nhũ tương bitum

IV.1 Quy trình chế tạo nhũ tương bitum

IV.2 Vấn đề còn tồn tại

PHẦN II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHŨ TƯNG BITUM

I Nghiên cứu chế tạo nhũ tương

I.1Lựa chọn chất nhũ hoá

I.2 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn và thời gian khuấy

Như chúng ta đã biết, phân đoạn cuối của dầu mỏ là bitum đã có rất

nhiều những ứng dụng trong đời sống của con người từ hơn 5000 năm qua Dù

ở dạng này hay dạng khác, nó đã được sử dụng như một chất chống thấm hoặc

kết dính

Một trong những tính chất quan trọng nhất của bitum là tính kết dính

mà con người đã tận dụng vào mục đích xây dựng mạng lưới đường giao

thông, phục vụ đời sống con người và đẩy mạnh nền kinh tế thương mại phát

triển

Hiện nay, mạng lưới đường bộ Việt Nam có chiều dài tổng cộng là

106048 Km, trong đó phần lớn là đường quốc lộ có vị trí quan trọng trong

kinh tế, chính trị và xã hội của đất nước Tuy vậy, mật độ cây số đường trên số

dân còn thấp, chất lượng đường còn yếu kém, đất nước ta lại đang trên đà phát

triển Do vậy, việc xây dựng, nâng cấp và hoàn thiện mạng lưới đường giao

thông có chất lượng cao là vấn đề cần thiết

Yêu cầu đối với mặt đường có chất lượng tốt là phải có cường độ và

tính ổn định cao, mặt đường phải nhẵn để có thể chống chịu lại áp lực của các

luồng xe chạy, đảm bảo cho xe chạy đựơc an toàn và kinh tế Ngoài ra, đường

còn phải chịu được các tác dụng xấu của các yếu tố khác như : mưa, gió, nhiệt

độ …

Như vậy, ngoài việc bố trí hợp lý các tầng lớp trong kết cấu mặt đường

thì việc lựa chọn vật liệu thích hợp cho mỗi tầng mặt đường trong điều kiện

cho phép về vật liệu và khả năng thi công là một vấn đề hết sức quan trọng

Trong nhiều loại vật liệu kết dính thì bitum là loại vật liệu có thể đáp

ứng tối đa các tính năng và yêu cầu đó Bitum trong xây dựng đường được sử

dụng theo hai phương pháp

- Công nghệ nhựa nguội : sử dụng nhựa đường dạng nhũ tương là nhự

đường ở trạng thái phân tán cao trong nước được ổn định bởi chất nhũ hoá làm

cho nhựa đường vẫn ở trạng thái lỏng ngay ở điều kiện thường Vì vậy, khi thi

công nhựa đường ở dạng nhũ tương thì không cần phải đun nóng

Nhũ tương bitum lần đầu tiên đượng sử dụng làm đường vào những

năm 1906-1914 Sau đó chúng lại bị lãng quên cho đến tận những năm hai

mươi Ban đầu thường sử dụng nhũ tương dạng anion nhưng bởi những tính

chất vượt trội, nhũ tương dạng cation dần được phổ biến hơn cho đến ngày

nay

Nhũ tương bitum được sử dụng trong các lĩnh vực duy tu bảo dưỡng,

sửa chữa, rải nhựa láng mặt, làm lớp dính bám và lớp bảo dưỡng Thấm nhập

và tưới thấm nhựa, gia cố và cấp phối Cấp phối đá nghiền hoặc sỏi cuộn trộn

nhũ tương và chế tạo vữa nhựa, hạt thô trộn rải nguội

Khi sử dụng nhũ tương bitum thi công sẽ rất dễ dàng như: Không cần

đun nóng, không gây ô nhiễm môi trường, an toàn cho công nhân và người đi

đường Có thể cho phép tiến hành thi công trên mặt đường ẩm ướt vào mùa

mưa Tiết kiệm được 15-30% bitum so với công nghệ nhựa nóng Trong nhũ

tương bitum có chứa nước nên khả năng lèn chặt mặt đường được dễ hơn Vì

vậy, việc nghiên cứu chế tạo nhũ tương bitum là rất cần thiết để đáp ứng được

yêu cầu hiện nay

Trong điều kiện cho phép ở Việt Nam, em xin trình bày lý thuyết tổng

quan về nhũ tương bitum và phương pháp nghiên cứu chế tạo ổn định nhũ

tương bitum trong bản luận văn này

I.Thành phần và cấu trúc của bitum [37]

I.1 Thành phần của bitum

Bitum dầu mỏ là một hỗn hợp phức tạp của nhiều loại hydrocacbon

khác nhau như (Alkan,naphten, các loại mạch vòng ) và một số dẫn xuất phi

kim loại khác…

Bitum có nhiều nguồn gốc khác nhau nhưng chủ yếu là sản phẩm của

công nghệ chế biến dầu mỏ và hoá dầu, ở dạng lỏng nhớt hay rắn, có màu nâu

hoặc đen, có các đặc tính kết dính và không thấm ướt Hoà tan được trong

Trong bitum người ta phân thành ba nhóm chính: Nhóm asphan, nhóm

chất nhựa và nhóm chất dầu Ngoài ra còn có mặt của các nhóm khác như:

Nhóm cacben và cacboit, nhón axit asphan và các alhydrit, nhóm parafin

Nguyên liệu cặn dầu mỏ loại aromatic hoặc naphten- aromatic là

nguyên liệu rất tốt để sản xuất bitum Ngược lại chứa nhiều parafin rắn là loại

nguyên liệu xấu nhất để sản xuất bitum

Các loại bitum có chất lượng xấu ta có thể đem biến tính bằng cách oxy

hoá bằng oxy không khí ở 170-260°c

Quá trình oxy hoá diễn ra, một bộ phận dầu sẽ chuyển sang nhựa, nhựa

sẽ chuyển sang asphanten Do đó, có thể thay đổi được thành phần của bitum

để tạo ra bitum có chất lượng tốt hơn

Gồm những hợp chất có phân tử lượng thấp từ 300-600, không mầu,

khối lượng riêng nhỏ từ 0.91- 0.925 NHóm chất dầu là môi trường pha loãng,

có tác dụng hoà tan nhựa và làm trương nở asphanten trong bitum Nếu hàm

lượng này tăng thì tính quánh của bitum sẽ giảm Trong bitum nhóm chất dầu

chiếm khoảng 45- 60%

I.1.2 Nhóm chất nhựa

Gồm những hợp chất có phân tử lượng cao hơn, khoảng từ 600- 900

Khối lượng riêng xấp xỉ bằng 1, có mầu nâu sẫm, hoà tan trong benzen,

etxăng, clorofooc Nhóm chất nhựa trung tính (tỉ lệ H/C= 1.6-1.8)làm cho

bitum có tính dẻo Nhựa axit (H/C= 1,3-1,4) làm tăng tính bám dính của bitum

đá Hàm lượng nhóm chất nhựa vào khoảng 15- 30%

I.1.3 Nhóm asphan

Là nhóm chất rắn, giòn gồm các hợp chất có phân tử lượng lớn 1000-

6000 Khối lượng riêng 1,1- 1,15, có mầu nâu sẫm hoặc đen hoà tan trong ete

và axeton Asphanten đảm bảo cho bitum có độ rắn và nhiệt độ chảy mềm cao

Hàm lượng của asphan trong bitum vào khoảng 10- 38%

I.1.4 Nhóm cacben và cacboit

Tính chất của cacben gần giống với asphanten, chỉ khác là không tan

được trong benzen và CCl4 Hoà tan được trong disulfuacacbon, có khối lượng

riêng lớn hơn 1

Cacboit là một chất rắn dạng muội, hoà tan được trong bất cứ dung môi

hữu cơ nào Hàm lượng của nhóm chất này trong bitum nhỏ hơn 1,5% Chúng

làm bitum kém dẻo

I.1.5 Nhóm axit asphan và các alhydrit

Nhóm này là những chất nhựa hoá (nhựa axit) mang cực tính bao gồm

những phân tử có chứa nhóm cacboxyl (-COOH) Nó là thành phần hoạt tính

bề mặt lớn nhất của bitum Dễ hoà tan trong rượu cồn, benzen,CCL4, khó hoà

tan trong etxăng axit asphan có khối lượng riêng nhỏ, mầu nâu sẫm, hàm

lượng có trong bitum nhỏ hơn 1% Khi hàm lượng tăng lên thì khả năng thấm

ướt và cường độ liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng dạng cacbonat

tăng lên

I.1.6 Nhóm parafin

Là những hydrocacbon ở dạng rắn Parafin có thể làm giảm khả năng

phân tán và hoà tan của asphanten vào trong các nhóm khác Có thể làm giảm

tính đồng nhất của bitum nếu tỷ lệ parafin cao, nhiệt độ hoá mềm, tính giòn

của bitum ở nhiệt độ thấp sẽ tăng lên Bitum hoá lỏng ở nhiệt độ thấp hơn so

với bitum không chứa parafin Tỷ lệ parafin trong bitum có thể lên đến 5%

I.2 Cấu trúc của bitum

Cấu trúc cơ bản của bitum là cấu trúc mixell Trong lý thuyết mixell đối

với những chất cao phân tử, Menep và Mark coi cấu trúc của chúng như một

hệ thống tinh thể (mixell) Mỗi mixell là một hệ thống phức tạp bao gồm một

số lượng lớn các phân tử có khối lượng phân tử lớn bao quanh một tinh thể

bằng những lực tương hỗ Khi lực tương hỗ lớn thì mỗi mixell là một nút của

mạng Cấu trúc mixell được coi là những pha phân tán với bitum thì pha

phân tán là asphan, xung quanh chúng là những chất nhựa và môi trường phân

tán là chất dầu Trong bitum cứng và quánh mixell chiếm một tỷ lệ rất lớn

Còn trong bitum lỏng chúng chiếm một tỷ lệ rất nhỏ đến nỗi không có tương

tác gì với nhau nên có thể chuyển động tự do trong chất dầu Quan hệ giữa

hàm lượng và cấu tạo các nhóm trong bitum (dầu, nhựa và asphan) có thể tạo

ra các cấu trúc phân tán khác nhau đó là: Sol, gel, sol- gel Mỗi loại đều có

những tính chất cơ lý nhất định

Cấu trúc sol đặc trưng cho bitum có hàm lượng chất dầu và chất nhựa

lớn Khi các mixell không tạo ra được các lực tương hỗ lẫn nhau và chuyển

động tự do trong môi trường dầu, cấu trúc sol có ở trong bitum lỏng và bitum

quánh nấu chảy Khi tỷ lệ asphan trong bitum lớn sẽ tạo nên cấu trúc gel

Trong cấu trúc gel các hạt nhân mở rộng ra, các mixell xích lại gần nhau, tạo

ra các lực tương hỗ lẫn nhau, làm nên mạng cấu trúc không gian tính chất đó

tạo nên tính đàn hồi cho chất kết dính và là đặc trưng cho cấu trúc của bitum

cứng ở nhiệt độ thấp

Cấu trúc sol- gel đặc trưng cho bitum quánh ở nhiệt độ thường Ở cấu

trúc này vật liệu sẽ có tính chất đàn hồi dẻo và tính nhớt

II.Phẩm chất của bitum

II.1 Độ nhớt hay tính quánh của bitum

Tính quánh của bitum thay đổi trong một phạm vi rộng Nó ảnh hưởng

nhiều đến tính chất cơ học của hỗn hợp vật liệu khoáng với chất kết dính,

đồng thời quyết định công nghệ chế tạo và thi công loại vật liệu sử dụng

bitum

Độ quánh của bitum phụ thuộc vào hàm lượng các nhóm cấu tạo và

nhiệt độ môi trường Khi hàm lượng nhóm asphan tăng lên và hàm lượng

nhóm chất dầu giảm đi, độ quánh của bitum tăng lên Khi nhiệt độ của môi

trường tăng cao, nhóm chất nhựa sẽ bị chảy lỏng, độ quánh của bitum giảm

Để đánh giá độ quánh của bitum người ta dùng chỉ tiêu độ xuyên kim, đo bằng

độ (1 độ bằng 0,1mm) Trị số của độ xuyên kim càng nhỏ thì độ quánh của

bitum càng cao

II.2 Độ dãn dài hay tính dẻo của bitum

Tính dẻo đặc trưng cho khả năng biến dạng của bitum dưới tác dụng

của ngoại lực Tính dẻo của bitum phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, thành

phần nhóm và được tính bằng số cm khi kéo căng 1 mẫu có thiết diện quy

định ở 25°c với tốc độ kéo là 5 cm/ phút cho tới khi mẫu thử bị đứt độ dãn dài

biểu thị cho khả năng dính dẻo, đàn hồi của bitum, cho biết tỷ lệ giữa các

thành phần của bitum Những loại bitum có trị số kéo dài càng lớn càng tốt

II.3 Tính ổn định nhiệt

Khi nhiệt độ thay đổi tính cứng và tính dẻo của bitum thay đổi Sự thay

đổi này càng nhỏ thì bitum có tính ổn định nhiệt càng cao

Tính ổn định nhiệt của bitum phụ thuộc vào thành phần hóa học của

nó Khi hàm lượng asphanten tăng lên, tính ổn định nhiệt của bitum tăng lên,

hàm lượng nhóm asphanten giảm thì tính chất này cũng giảm

II.4 Tính hóa già của bitum

Do tác động của thời tiết mà tính chất và thành phần hóa học của bitum

bị thay đổi.Người ta gọi sự thay đổi đó là sự hóa già của bitum Nguyên nhân

của sự hóa già là do thành phần nhóm asphan tăng lên, sự bay hơi của nhóm

chất dầu cũng làm tính quánh và tính giòn của bitum tăng lên làm thay đổi lớp

cấu tạo phân tử, tạo nên các hợp chất mới Quá trình hóa già của bitum dẫn

đến quá trình già hóa của bê tông asphan Độ giòn cao của bitum làm xuất

hiện các vết nứt trong lớp phủ mặt đường, tăng quá trình phá hoại do ăn mòn

Quá trình hóa già của lớp phủ mặt đường có thể chia làm hai giai đoạn Giai

đoạn 1 cường độ và tính ổn định biến dạng tăng Giai đoạn 2 bitum bắt đầu

già, cấu trúc thay đổi làm lớp phủ mặt đường bị phá hoại Tuy vậy, sự già hóa

của bitum phát triển chậm, thường sau 10 năm sử dụng sự già hóa mới ở mức

độ cao Tính già hóa có thể xác định ngay tại hiện trường hoặc bằng mẫu thử

nghiệm trong các buồng khí hậu nhân tạo

II.5 Tính ổn định khi đun

Khi dùng bitum, người ta thường đun nóng nó lên đến nhiệt độ cao

khoảng 160°c trong thời gian khá dài do đó các thành phần dầu nhẹ có thể bị

bốc hơi làm thay đổi tính chất của bitum Các loại bitum dầu mỏ loại quánh

sau thí nghiệm phải có hao hụt về trọng lượng không được lớn hơn1%, độ

II.6 Nhiệt độ bốc cháy của bitum

Nhiệt độ bốc cháy của bitum là nhiệt độ mà tại đó các chất dầu nhẹ

trong bitum bốc hơi hòa lẫn vào môi trường xung quanh tạo lên hỗn hợp dễ

cháy, khi ta đưa ngọn lửa lại gần thì bùng cháy và lan khắp bề mặt bitum

Nhiệt độ bốc cháy là một chỉ tiêu hết sức quan trọng về an toàn cho công nhân

trong khi tiến hành ra cố bitum

II.7 Tính thấm ướt vật liệu khoáng

Tính thấm ướt vật liệu khoáng của bitum phụ thuộc vào hàm lượng các

chất hoạt tính bề mặt có cực và tính chất của vật liệu khoáng, tính thấm ướt

được đặc trưng bởi góc thấm ướt Đó là góc giữa bề mặt vật liệu khoáng và

tiếp tuyến với bề mặt giọt chất kết dính tại ranh giới tiếp xúc với vật liệu Nếu

góc thấm ướt càng nhọn thì tính thấm ướt càng tốt Khi đó lực hút giữa các

phân tử giữa chất kết dính với bề mặt vật liệu khoáng gần bằng lực hút phân tử

nội tại chất kết dính Nếu như góc thấm ướt lớn thì tính thấm ướt kém, lực hút

phân tử với bề mặt vật liệu khoáng yếu Do đó, chất kết dính càng thấm ướt tốt

với vật liệu khoáng thì lực hút phân tử trong chúng càng yếu và lực dính bám

giữa chất kất dính với bề mặt vật liệu khoáng càng mạnh

Những vật liệu khoáng ghét nước là những vật liệu dính bám chất kết

dính hữu cơ tốt

II.8 Tính liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng

Sự liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng có liên quan đến quá

trình thay đổi lý hóa khi hai chất tiếp xúc tương tác với nhau Sự liên kết này

đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cường độ và tính ổn định với nước,

với nhiệt độ của hỗn hợp bitum và vật liệu khoáng

Khi nhào trộn bitum với vật liệu khoáng, các hạt khoáng được thấm ướt

bằng bitum và tạo thành một lớp hấp phụ Khi đó các phân tử bitum ở trong

lớp hấp phụ sẽ tương tác với các phân tử ở bề mặt vật liệu khoáng Tương tác

đó có thể là tương tác hóa học hay lý học

Lực liên kết hóa học lớn hơn rất nhiều so với lực liên kết lý học do đó

khi bitum tương tác hóa học với vật liệu khoáng thì cường độ liên kết sẽ lớn

nhất Liên kết của bitum với vật liệu khoáng trước tiên phụ thuộc vào tính chất

của bitum Bitum có sức căng bề mặt càng lớn nghĩa là có độ phân cực càng

lớn thì liên kết với vật liệu khoáng càng tốt

Độ phân cực của bitum phụ thuộc vào hàm lượng nhóm chất nhựa, đặc

biệt là nhựa axít Bitum chứa nhóm chất nhựa càng nhiều thì sự liên kết của nó

với vật liệu khoáng càng tốt

Liên kết của bitum với vật liệu khoáng còn phụ thuộc vào tính chất của

vật liệu khoáng Các loại đá bazơ liên kết với bitum tốt hơn các loại đá axit vì

có thể xảy ra liên kết hóa học

Sự ổn định nước của hỗn hợp trong trường hợp này phụ thuộc vào độ

hòa tan trong nước của các hợp chất mới tạo thành Nếu như các hợp chất mới

tạo thành là các muối kali, Natri của các axít hữu cơ thì nó sẽ hòa tan tốt trong

nước và như vậy làm cho hỗn hợp kém ổn định nước Nếu hợp chất đó là

những muối canxi, sắt, nhôm là những hợp chất không hòa tan trong nước thì

hỗn hợp ổn định nước Mức độ liên kết của bitum với bề mặt vật liệu đá hoa

có thể đánh giá theo độ bền của màng bitum trên bề mặt đá hoa khi nhúng

trong nước sôi Nếu sau thí nghiệm hơn 2/3 bề mặt của đá hoa vẫn được bitum

bao bọc thì độ liên kết của bitum với bề mặt đá hoa là tốt

Trường hợp hoạt tính của bitum thấp, sự liên kết của nó với bề mặt vật

liệu khoáng kém, thì cần cho thêm vào bitum chất phụ gia hoạt động bề mặt

để bitum có độ hoạt tính cần thiết

III Ứng dụng của bitum dầu mỏ

Bitum có tính quánh ( nhớt ) càng cao thì càng tốt, nhưng tính nhớt càng

cao thì bitum càng đặc và do đó bitum sẽ giòn khi thi công Vì vậy, khi chọn

mác bitum phải căn cứ vào phương pháp thi công, thiết bị thi công, điều kiện

khí hậu để chọn cho phù hợp Dưới đây là một số ứng dụng của bitum trong

xây dựng làm đường:

- Xử lý bề mặt đường ở những vùng khí hậu lạnh, chế biến các hỗn hợp

bitum - sỏi- đá dăm và hỗn hợp bê tông - asphan nóng, sử dụng bitum mác

200/300 ( Bitum có độ xuyên kim từ 200- 300mm )

- Dùng trong ngành xây dựng thuỷ lợi, xử lý các bề mặt đường giao

thông ở những vùng khí hậu ôn hoà, xây dựng mặt đường đá dăm theo phương

pháp thấm ướt ở những vùng khí hậu lạnh và ôn hoà, sử dụng bitum mác

130/200 (Bitum có độ xuyên kim từ 130- 200mm )

- Dùng để xây dựng mặt đường đá dăm theo phương pháp thấm ướt ở

những vùng khí hậu ôn hoà, chế biến các hỗn hợp bitum- khoáng sàng và bê

tông asphan nóng ở những vùng khí hậu lạnh, hay dùng để xử lý bề mặt đường

giao thông ở những vùng khí hậu ấm, sử dụng bitum mác 90/130 (Bitum có độ

xuyên kim từ 90- 130mm )

- Dùng để xây dựng đường giao thông theo phương pháp thấm ướt ở

những vùng có khí hậu ấm, chế tạo các hỗn hợp bitum- khoáng sàng và bê

tông asphan nóng, chế tạo vật liệu lợp và cách nước sử dụng bitum mác 60/90

( Bitum có độ xuyên kim từ 60- 90mm )

- Chế tạo các hỗn hợp bitum- khoáng sàng và bê tông asphan nóng để

xây dựng mặt đường ôtô ở xứ nóng sử dụng bitum mác 40/60 (Bitum có độ

xuyên kim từ 40- 60mm )

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ NHŨ TƯƠNG BITUM

I.Nhũ tương bitum [1.2]

I.1 Khái niệm

Lý thuyết nhũ tương được phát triển một cách khá ngẫu nhiên Nó là

một phần quan trọng của lý thuyết hóa học chất keo và là một phần phát triển

từ công nghệ lâu đời liên quan đến việc chế biến sữa Các điều kiện cần thiết

để tạo nên nhũ tương cũng giống như các điều kiện cần thiết để tạo nên các hệ

keo có pha phân tán rắn và môi trường phân tán lỏng Nhũ tương càng bền

vững sa lắng khi khối lượng riêng của hai pha phân tán càng gần nhau

Nhũ tương là hỗn hợp của hai chất lỏng không tan lẫn vào nhau Trong

đó một chất lỏng phân tán vào chất lỏng kia dưới dạng những hạt nhỏ li ti, và

được gọi là pha phân tán còn chất lỏng kia được gọi là môi trường phân tán

Kích thước của các giọt chất lỏng biến đổi trong phạm vi rất rộng

Để nhũ tương có tính ổn định người ta cho thêm vào một chất gọi là

chất nhũ hóa ( chất phụ gia hoạt tính bề mặt ) Chất nhũ hóa sẽ hấp phụ trên bề

mặt các giọt bitum làm giảm sức căng bề mặt ở mặt phân chia pha giữa bitum

và nước Đồng thời nó tạo ra trên bề mặt các giọt bitum một màng mỏng kết

cấu bền vững, có tác dụng ngăn cản sự kết tụ của chúng làm cho nhũ tương

được ổn định

I.2 Phân loại nhũ tương [8.9]

Người ta phân loại nhũ tương theo kiểu và loại, theo tốc độ phân tách,

theo hàm lượng nhựa chứa trong nhũ tương

I.2.1 Phân loại theo pha phân tán và môi trường phân tán

- Nhũ tương thuận: pha phân tán là bitum , môi trường phân tán là nước

-Nhũ tương nghịch: pha phân tán là nước, môi trường phân tán là bitum

I.2.2 Phân loại theo chất hoạt động bề mặt

- Nhũ tương anion hoạt tính

- Nhũ tương cation hoạt tính

- Nhũ tương không ion

- Nhũ tương là loại bột nhão

I.2.3 Phân loại theo khả năng phân tách- theo ASTM D997- 86

- Nhũ tương phân tách nhanh: RS

- Nhũ tương phân tách trung bình: MS

- Nhũ tương phân tách chậm: SS

I.2.4 Phân loại theo khả năng thi công- theo Caltex

- Premix grade: là một công thức nhũ tương có độ ổn định lớn hơn so

với loại spray grade, thích hợp để trộn với vật liệu đá có đường kính danh

nghĩa lớn hơn hoặc bằng 3mm

- Raped setting grade: là một công thức nhũ tương thích hợp để trộn với

các hạt khoáng mịn, hỗn hợp ở dạng vữa và có tốc độ phân tách nhanh

- Spray grade: là một công thức nhũ tương thích hợp với thiết bị phun

cơ học dùng để sử lý bề mặt đường ( láng mặt, làm lớp dính bám … ) và

không yêu cầu trộn với vật liệu đá

- Stable mix grade: là một công thức nhũ tương thích hợp để trộn với

các hạt khoáng rất mịn, cát nghiền Hỗn hợp ở dạng mịn và có tốc độ phân

tách chậm

I.2.5 Phân loại theo pháp NF T66-16:

- Nhũ tương cation hoạt tính, ký hiệu là C

- Nhũ tương anion hoạt tính, ký hiệu là A

Có bốn loại nhũ tương như sau:

- Nhũ tương phân tách chậm: EAL, ECL

- Nhũ tương phân tách nhanh: EAR, ECR

- Nhũ tương phân tách trung bình: ECM

- Nhũ tương siêu ổn định: EAS, ECS

I.3 Ứng dụng của nhũ tương bitum [2]

Việc lựa chọn các loại nhũ tương tùy thuộc vào mục đích sử dụng, điều

kiện khí hậu nơi tiến hành thi công Nhũ tương thường được sử dụng vào các

mục đích như sau:

- Duy tu bảo dưỡng, sửa chữa, rải lớp láng mặt, thường sử dụng nhũ

tương phân tách nhanh, nhất là loại nhũ tương cation hoạt tính

- Giải lớp thấm nhập hoặc đá trộn ở hiện trường, thường sử dụng nhũ

tương có tốc độ phân tách trung bình

- Trộn hỗn hợp cấp phối đá nhũ tương ở trạm trộn, thường sử dụng nhũ

tương phân tách chậm

- Công nghệ vữa nhựa hạt thô rải nguội để khôi phục mặt đường cũ,

thường sử dụng nhũ tương phân tách chậm hoặc loại siêu ổn định

- Làm lớp dính bám giữa hai lớp móng và mặt, làm lớp tạo màng bảo

dưỡng bê tông xi măng

- Sử dụng gia cố đất nền, móng dưới…

I.4 Ưu điểm của nhũ tương bitum trong xây dựng đường ôtô [38]

- Không cần đun nóng khi thi công

- Không gây nguy hiểm như hỏa hoạn, độc hại cho công nhân, người đi

đường

- Hồi phục nhanh chóng các tính chất cơ bản của nhựa đường Đảm bảo

nhanh chóng trả lại mặt đường cho các phương tiện lưu thông

- Có khả năng thi công trên mặt đường ẩm, điều kiện thời tiết bất lợi và

khí hậu không ổn định

- Việc tiếp tế nhũ tương phục vụ thi công rất thuận tiện vì có thể tập kết

kho ở gần chỗ thi công

- Thành phần dung môi thấp, không gây độc hại và ô nhiễm môi trường

I.5 Các tính chất và yêu cầu đối với nhũ tương bitum [19]

I.5.1 Độ nhớt

Độ nhớt của nhũ tương bitum được xác định bằng nhớt kế kỹ thuật Độ

nhớt đặc trưng cho khả năng dùng nhũ tương ở những mặt đường khác nhau

Tính chất này cơ bản phụ thuộc vào nồng độ chất kết dính trong nhũ tương

Hàm lượng bitum càng lớn thì độ nhớt của nhũ tương càng cao và tăng theo

hàm số mũ

Ví dụ: với những nhũ tương chứa lượng chất kết dính bitum trong

khoảng 50-65%, thì độ nhớt tăng không lớn khi tăng nồng độ bitum Ngược

lại khi hàm lượng bitum lớn hơn 65% thì chỉ cần thay đổi một lượng nhỏ

bitum cũng làm thay đổi đáng kể độ nhớt của nhũ tương (Hình I-1)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Hình I-1 Đồ thị sự phụ thuộc độ nhớt của nhũ tương vào hàm lượng bitum

Độ nhớt của nhũ tương thay đổi nhiều theo nhiệt độ Hiện tượng này

gọi là sự mẫn cảm với nhiệt độ Đối với mọi loại chất kết dính trong đó kể cả

nhũ tương bitum, sự mẫn cảm với nhiệt độ không phải lúc nào cũng như nhau,

ở nhiệt độ nào cũng thế Nói một cách khác giá trị của đạo hàm ở tại một điểm

trên đường cong quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ phụ thuộc vào giá trị của

nhiệt độ tại điểm đó Thực vậy, trên một khoảng hẹp nhiệt độ, có thể viết

phương trình của sự mẫn cảm với nhiệt độ như sau:

log η =aθ +b ( I-1 )

Trong đó: η là độ nhớt ( °E ) ; θ là nhiệt độ ( °C )

a và b là những hằng số phụ thuộc vào tính chất nhũ tương

Khi dùng nguội thì độ nhớt của nhũ tương không được thay đổi quá

30% nếu nhiệt độ hạ xuống từ 20-10°c hoặc tăng lên từ 20-40°c

η10C − η20C < 0 η 3 20C

η20C − η40C < 0 η 3 20C

Điều kiện công nghệ cũng ảnh hưởng đến độ nhớt của nhũ tương bitum

Sự thay đổi vận tốc dòng vào thùng khuấy sẽ làm thay đổi sự phân bố kích

thước hạt nhũ tương nếu thành phần của bitum không vượt quá 65%về khối

lượng thì độ nhớt của nhũ tương ít phụ thuộc vào vận tốc dòng nhưng khi

thành phần của bitum vượt quá 65% theo khối lượng thì sẽ làm thay đổi sự

phân bố kích thước hạt và do đó làm thay đổi đáng kể độ nhớt của nhũ tương

bitum

Một yếu tố cũng rất quan trọng tác động đến độ nhớt của nhũ tương

bitum là độ nhớt của bitum Nếu độ nhớt của bitum trong thùng khuấy thấp thì

kích thước hạt của nhũ tương sẽ giảm và có khuynh hướng làm tăng độ nhớt

của nhũ tương Điều này có thể khắc phục bằng cách thêm vào nó một lượng

nhỏ (2-4% khối lượng ) dung môi (thường là dầu hoả ) để pha loãng bitum

I.5.2 Tính đồng nhất

Tính đồng nhất của nhũ tương bitum được đặc trưng bằng hàm lượng

các giọt chất kết dính có kích thước nhỏ, xác định bằng hàm lượng nhũ tương

lọt qua sàng, có kích thước lỗ sàng bằng 0,14mm Khi đó lượng sót lại trên

sàng không được vượt quá 0,5% trọng lượng Nhũ tương không đồng nhất sẽ

gây trở ngại cho quá trình thi công, đồng thời còn đẩy nhanh quá trình kết tụ

sa lắng, gây ra hiện tượng phá nhũ

I.5.3 Tính ổn định khi vận chuyển và bảo quản

Tính ổn định khi bảo quản đặc trưng cho khả năng bảo toàn tính chất

của nhũ tương trong điều kiện nhiệt độ thay đổi Thời gian bảo quản nhũ

tương có thể kéo dài Yêu cầu đối với nhũ tương bitum không bị kết tụ hay

lắng đọng trong thời gian dài, đảm bảo độ đồng nhất

Để xác định tính ổn định khi vận chuyển và bảo quản người ta lấy nhũ

tương đã được bảo quản sau bẩy ngày kể từ lúc chế tạo cho chảy qua sàng có

kích thước lỗ sàng bằng 0,14mm Khi đó nếu như lượng còn lại trên mặt sàng

không vượt quá 0,1% theo trọng lượng thì loại nhũ tương đó được xem là ổn

định

I.5.4 Tính dính bám của màng bitum với vật liệu khoáng

Tính dính bám được kiểm tra bằng trị số bề mặt của đá răm vẫn còn

được phủ nhũ tương sau khi rửa mẫu thử nghiệm ở nhiệt độ 100°c Trị số bề

mặt phải không được nhỏ hơn 75% đối với nhũ tương anion và không nhỏ hơn

95% đối với nhũ tương cation

I.5.5 Khả năng của pha phân tán phục hồi tính chất ban đầu trong thời

gian tiếp xúc với vật liệu khoáng

Khả năng này được đặc trưng bằng tốc độ phân giải của nhũ tương Sự

phân giải của nhũ tương khi tiếp xúc với bề mặt khoáng nước sẽ tách ra, các

giọt bitum tiếp xúc với nhau, hình thành lớp dày đặc trên bề mặt của hạt vật

liệu khoáng Tốc độ đông tụ của nó càng nhanh nếu như hoạt tính của chất

nhũ hóa càng lớn Tùy theo tính chất và số lượng chất nhũ hóa mà người ta có

thể nhận được các loại nhũ tương phân giải nhanh, vừa và chậm

Tốc độ phân giải của nhũ tương được xác định bằng cách trộn nó với xi

măng hay vật liệu sỏi Sau hai phút đem mẫu sỏi ra ngoài không khí 30 phút,

đem cân Dùng vòi nước dội trong 15 phút rồi cân lại

Độ phân giải của nhũ tương:

Có hai dạng nhũ tương, dạng dầu trong nước ( pha dầu phân tán vào pha

nước ) và dạng nước trong dầu ( pha nước phân tán trong pha dầu ) Trong các

hệ này, phân tử của chất nhũ hóa tự sắp xếp bằng cách định hướng nhóm kị

nước của chúng vào pha dầu và nhóm ưa nước vào pha nước

Dạng nhũ tương được tạo ra tùy thuộc vào loại chất nhũ hóa được sử

dụng, nhiệt độ ,và khối lượng các pha được sử dụng Nói chung pha lỏng nào

dễ hòa tan chất nhũ hóa có xu hướng trở thành pha liên tục

Trong một nhũ tương, kích thước các giọt rất không đồng đều, kích

thước giọt liên quan đến phương pháp chế tạo nhũ tương và nồng độ chất nhũ

hóa Sự thay đổi trong phân bố kích thước giọt là đường cong đối với thời

gian Dựa vào đó có thể xác định độ ổn định của nhũ tương

II.1 Chế tạo nhũ tương

Có hai phương pháp chế tạo nhũ tương: phương pháp ngưng tụ và

phương pháp phân tán

II.1.1 Phương pháp ngưng tụ

Khi chất lỏng A được hòa tan vào chất lỏng B ở trạng thái có bão hòa,

nếu như trạng thái quá bão hòa này bị phá vỡ sẽ tạo thành nhũ tương Có thể

phá vỡ trạng thái quá bão hòa bằng cách hạ nhiệt độ của dung dịch hoặc thay

đổi nồng độ dung dịch để giảm độ hòa tan

Phương pháp này ít được sử dụng trong công nghiệp so với phương

pháp phân tán:

II.1.2 Phương pháp phân tán:

Phương pháp phân tán để chế tạo nhũ tương gồm hai dạng Quá trình

nhũ hóa xảy ra một cách tự nhiên với dầu có khả năng nhũ hóa hay hòa tan

Hoặc quá trình nhũ hóa xảy ra do có lực tác dụng bằng thiết bị nhũ hóa để

phân tán một pha lỏng thành những giọt nhỏ vào pha lỏng kia

II.2 Phân bố giọt trong nhũ tương

Trong đa số các trường hợp, việc biểu thị các số liệu thu được bằng hàm

phân bố sẽ thuận tiện cho việc nghiên cứu cấu trúc tập hợp giọt

II.2.1 Hàm phân bố theo kích thước

Mật độ phân bố qr(x) cho biết xác suất gặp một giọt có đường kính nào

đó của tập hợp giọt Chỉ số r chỉ ra các loại hình phân bố:

r = o : phân bố theo số giọt

r =1: phân bố theo độ dài

) (

) ( )

(

x

i r x

i i r x r

dx x q x k

x q x k x

X

X

k = : hệ số hình dạng tính theo tỷ lệ đường kính tương đương

thể