Nghiên cứu chế tạo bê tông nhựa nóng sử dụng bột cao su phế thải,luận án thạc sĩ khoa học kinh tế

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT CAO SU PHẾ THẢI TRONG III-2.1/ Tính quánh biểu hiện thông qua Độ kim lún 28 III-2.2/ Tính dẻo Biểu hiện thông qua Độ giãn dài 29 III-2.3/ Tính ổn định nhiệt

MỤC LỤC

MỤC LỤC MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN VÀ BTN SỬ

DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI 7

I-1.1/ Các đặc tính kỹ thuật của Bitum và ảnh hưởng của chúng đối với các

I-1.2/ CÁC LOẠI BITUM CẢI TIẾN THƯỜNG GẶP [11] 7 I-1.2.1 Cải tiến bitum bằng cách cho thêm Lưu Huỳnh 8 I-1.2.2 Cải tiến bitum bằng cách cho thêm các hợp chất mangan hữu

I-1.2.3 Cải tiến bitum bằng cách cho thêm các polyme dẻo nhiệt 9 I-1.2.4 Cải tiến bằng cách cho thêm cao su dẻo nhiệt 10

I-2 BITUM CẢI TIẾN BẰNG CÁCH CHO THÊM BỘT CAO SU 10

I-3 BÊTÔNG NHỰA SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN – BÊTÔNG NHỰA SỬ

I-3.1.1 Vai trò của BTN trong kết cấu áo đường 11 I-3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hình thành cường độ của bêtông nhựa 12 I-3.1.3 Các đặc trưng cơ bản của bêtông asphalt 13 I-3.1.4 Khả năng chống lại biến dạng không hồi phục của vật liệu

I-3.1.5 Đặc tính mỏi của vật liệu Bêtông asphalt 14 I-3.1.6 Tính chất lưu biến và mô hình lưu biến của bêtông asphalt [5] 14

I-3.3/ BÊTÔNG ASPHALT CẢI TIẾN SỬ DỤNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI 15 CHƯƠNG II: ĐỀ CƯƠNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 16

II-1.1/ Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý vật liệu: Cát; Đá; Bột khoáng; Nhựa

II-1.2/ Thiết kế Bêtông asphalt theo phương pháp Marshall (xác định hàm

II-1.2.1 Thiết kế Bêtông nhựa thông thường Tìm hàm lượng nhựa tối ưu

17

II-1.2.2 Thiết kế Bêtông nhựa sử dụng bitum có trộn bột cao su phế thải với các hàm lượng bột cao su khác nhau Tìm các hàm lượng “nhựa + Cao su”

II-1.3/ Chế bị mẫu tiến hành thí nghiệm 18 II-1.4/ So sánh BTN thông thường với BTN sử dụng bitum cải tiến bằng bột

II-1.5/ Công nghệ sản xuất bột cao su phế thải và chế tạo bêtông asphalt có sử dụng bột cao su phế thải - Khả năng áp dụng thực tiễn 19

II-2 THÍ NGHIỆM CÁC LOẠI VẬT LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO BTN 19

II-3 THIẾT KẾ BÊTÔNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP MARSHALL: 20

II-3.1/ Yêu cầu kỹ thuật của bêtông nhựa chặt (BTNC) 20

II-3.3/ Tính toán và thiết kế Cấp phối Bêtông nhựa (BTNC15): Cấp phối BTNC15 được thiết kế theo 22TCN 249-98 của bộ GTVT ban hành 22

II-3.4/ Tính toán và thiết kế Hàm lượng nhựa tối ưu 23 CHƯƠNG III: XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BITUM CẢI TIẾN BẰNG

III-1 CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ THÔNG DỤNG CỦA BITUM 26 III-2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT CAO SU PHẾ THẢI TRONG

III-2.1/ Tính quánh (biểu hiện thông qua Độ kim lún) 28 III-2.2/ Tính dẻo (Biểu hiện thông qua Độ giãn dài) 29 III-2.3/ Tính ổn định nhiệt (biểu hiện thông qua Nhiệt độ hoá mềm) 31 III-2.4/ Tính dính bám của bitum với mặt vật liệu khoáng 32 CHƯƠNG IV: XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊTÔNG NHỰA SỬ

DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI 34

IV-1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT CAO SU PHẾ THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO PHẾ

IV-1.4/ Cường độ chịu kéo–uốn của bêtông asphalt (Rku) 39 IV-1.5/ Xác định Sức kháng trượt của vật liệu Bêtông asphalt: 40

B- MỘT SỐ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ THEO PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

IV-1.6/ Độ bền marshall ở các nhiệt độ: 30oc; 45oc; 60oc; 75oc & hệ số ổn định nhiệt - độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu ở 60oc 43

IV-1.7/ Mođuyl đàn hồi ĐỘNG vật liệu bêtông asphalt (EđAC): 48 IV-1.8/ Khả năng chịu mỏi của vật liệu bêtông asphalt (Rm): 51 IV-1.9/ Xác định điểm chảy của vật liệu bêtông ásphalt (Chỉ tiêu tác giả đề

CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CAO SU PHẾ THẢI VÀ CHẾ TẠO

BÊTÔNG ASPHALT SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI 64

V-1 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CAO SU PHẾ THẢI 64

V-2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BÊTÔNG ASPHALT SỬ DỤNG BITUM CẢI

PHỤ LỤC CÁC HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC THÍ NGHIỆM (QUYỂN RIÊNG)

1- VẬT LIỆU

2- THIẾT KẾ BÊ TÔNG ASPHALT

3- THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ

Bằng Luận án Thạc Sỹ KHKT này, tác giả xin trân trọng cám ơn sự giúp đỡ tận tình của Trường ĐH GTVT, Phòng đào tạo đại học và sau đại học, Khoa công trình, Bộ môn đường bộ, các Nhà giáo: PGS.TS Nguyễn Huy Thập; PGS.TS Bùi Xuân Cậy; PGS.TS Phạm Duy Hữu

Tác giả cũng trân trọng cám ơn Phòng thí nghiệm Công ty Cổ phần Xây dựng Công trình Giao thông 710 (thuộc Tổng Công ty CTGT 6), Công

ty Caosumina, Ban Quản lý các Dự án Giao thông 9, Phân viện KHCN GTVT phía Nam và các đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

MỞ ĐẦU

“Chất lượng xây dựng các công trình giao thông đặt lên hàng đầu” đó là câu nói thường được các lãnh đạo Nhà nước, các lãnh đạo và đồng nghiệp trong ngành xây dựng công trình giao thông phát biểu trong các Hội nghị Chất lượng xây dựng mang tính bao hàm của nhiều yếu tố Kinh tế – Kỹ thuật, trong đó chúng ta không thể không nhắc đến chất lượng của các vật liệu trong kết cấu áo đường

Có thể nói những năm gần đây, nhất là từ khi nước ta mở rộng cửa hoà nhập, giao lưu với các nước trên thế giới thì Kinh tế xã hội và mạng lưới giao thông ngày càng phát triển Cùng với sự phát triển đó là sự đa dạng của các phương tiện giao thông trên đường, các tiến bộ khoa học kỹ thuật được áp dụng trong các lĩnh vực công nghệ , thiết bị, vật liệu v.v…

Hiện nay, với xu hướng kinh tế – xã hội và mạng lưới giao thông ngày càng phát triển mạnh, trên phần lớn các con đường trong mạng lưới giao thông đều sử dụng vật liệu bitum làm chất liên kết với cốt liệu để tạo ra mặt đường BTN thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật và nhu cầu sử dụng Cùng với xu hướng phát triển đó sẽ kèm theo là lưu lượng xe ngày càng tăng và xe trọng tải lớn lưu thông ngày càng nhiều, tốc độ chạy xe cao đã và đang trở thành xu thế phổ biến hiện nay Vì lẽ đó, nghành giao thông cần phải có các phương án tối ưu để kịp đáp ứng được nhu cầu thực tế trên Thế thì chúng

ta cần có định hướng như thế nào? Theo tôi cần phải thiết kế ra những con đường có kết cấu hợp lý và đặc biệt lớp áo phủ mặt đường (Bêtông nhựa) cần phải có tính ổn định nhiệt cao, chịu được lực masát lớn, có độ bám tốt, ít biến dạng, đàn hồi tốt (biến dạng sẽ được hồi phục ngay khi tải trọng đi qua) trong khi khai thác với lưu lượng xe lớn, trọng tải lớn và nhất là trong vùng khí hậu nóng (Đông Nam Á)

Trên thế giới, người ta cũng đã sử dụng nhiều phương pháp để tạo ra Bêtông ásphalt có các tính năng kỹ thuật cao Những phương pháp hay sử dụng là:

- Bitum chất lượng cao (Multiphalte) làm chất liên kết

- Phụ gia cho Bitum

- Phụ gia bột cao su trong bêtông át phan

- Phụ gia Cololymere eva (Etylene vinyl axêtat)

Trong điều kiện mật độ giao thông phát triển sẽ kéo theo các sản phẩm công nghiệp phế thải sẽ tăng lên rất lớn Trong đó lốp xe phế thải là rất nhiều, để có thể tận dụng được các phế thải này trong các ngành kỹ thuật nói chung và ngành giao thông nói riêng là một trong những vấn đề chúng ta cần quan tâm Sử dụng sản phẩm phế thải này không những giải quyết về mặt môi trường mà còn có lợi cả về mặt kinh tế và kỹ thuật trong ngành giao thông

Đó là các lý do để tôi chọn đề tài : “ NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BÊTÔNG NHỰA NÓNG GIA CỐ BỘT CAO SU PHẾ THẢI “

A- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Với cao su phế thải đã được nghiền thành bột, đem trộn vào bitum dầu mỏ làm chất kết dính với cốt liệu để tạo ra hổn hợp bêtông ásphalt Từ đó thí nghiệm các chỉ

tiêu kỹ thuật cơ bản để đánh giá ảnh hưởng của bột cao su đối với bitum dầu mỏ và hổn hợp bêtông ásphalt Qua đó, tìm ra được hàm lượng cao su thích hợp nhất có trong bitum và hàm lượng hổn hợp “bitum + cao su” tối ưu để chế tạo bêtông ásphalt, đồng thời cũng có thể định khung hàm lượng cao su có trong bitum thích hợp và hàm lượng hổn hợp “bitum + cao su” thích hợp tối ưu để chế tạo bêtông ásphalt ứng với từng hàm lượng cao su mà ta chọn (dựa theo các số liệu ta thí nghiệm và tính chất kỹ thuật của từng con đường)

Các chỉ tiêu kỹ thuật trong đề tài quan tâm là: Cường độ Mashall; Thương số Marshall; Cường độ chịu nén; Cường độ chịu kéo uốn; Khả năng chịu tải trọng trùng phục; Mođun đàn hồi Tĩnh và Động; Biến dạng dư; Độ bám trong điều kiện bất lợi; Điểm biến dạng chảy; Hệ số ổn định nhiệt v.v…

Trên cơ sở đó, rút ra kết luận và đánh giá khả năng ứng dụng của việc sử dụng hổn hợp “bitum + bột cao su” trong bêtông ásphalt để xây dựng mặt đường ở nước ta nói riêng và trong khu vực nhiệt đới nói chung

B- PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

B-1/ Phương pháp nghiên cứu

Đề tài chủ yếu được thực hiện theo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trong phòng trên cơ sở lý thuyết và một số nghiên cứu của các tác giả có đề cập đến vấn đề này Từ các thí nghiệm có được, ta xác định được qui luật hình thành và xử lý số liệu thí nghiệm Tìm và đưa ra các chỉ tiêu và thông số kỹ thuật cần thiết

Các thí nghiệm được tiến hành theo các qui trình qui phạm hiện hành và có thêm các thí nghiệm tự bản thân đề xuất chủ yếu là quan tâm đề cập đến điều kiện làm việc thực tế ngoài hiện trường (VD: khả năng chịu tải trọng trùng phục; biến dạng dư; điểm biến dạng chảy v.v…)

B-2/ Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá ảnh hưởng của bột cao su đến tính chất bitum dầu mỏ thông qua các chỉ tiêu cơ lý thông dụng: Độ kim lún; Độ kéo dài; Nhiệt hóa mềm; Độ dính bám với đá

- Đánh giá ảnh hưởng của bột cao su đến tính chất bêtông ásphalt thông qua các chỉ tiêu cơ lý thông dụng: Cường độ Marshall (ở 30oC; 45oC; 60oC; 75oC); Thương số Marshall; Cường độ chịu nén ở 20oC; 50oC); Cường độ chịu kéo uốn ở 10oC; Khả năng chịu tải trọng trùng phục ở nhiệt độ bình thường 30oC; Mođun đàn hồi Tĩnh & Động trong phòng ở 30oC (đặc biệt ở chỉ tiêu này có xét đến tính hồi phục nhanh tức là xét đến biến dạng dư); Độ bám trong điều kiện bất lợi; Điểm biến dạng chảy; Hệ số ổn định nhiệt

Các chỉ tiêu trên đều được so sánh với loại bêtông ásphalt chỉ dùng loại bitum dầu mỏ thông thường Từ đó rút ra kết luận và tìm hướng nghiên cứu tiếp

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN VÀ BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI

I-1 BITUM CẢI TIẾN [11]

I-1.1/ Các đặc tính kỹ thuật của Bitum và ảnh hưởng của chúng đối với các đặc điểm kỹ thuật trong ứng dụng

Các đặc tính kỹ thuật của hổn hợp “bitum – cốt liệu” chịu ảnh hưởng lớn của đặc tính lưu biến (hay cơ học) và một phần thành phần hóa học của bitum Tuy nhiên, khi hổn hợp đã được thi công thành mặt đường thì yếu tố thành phần hóa học của bitum lại đặc biệt quan trọng vì yếu tố này ảnh hưởng tới tốc độ oxy hóa của con đường, qua đó nó quyết định thời gian bitum bị các phương tiện giao thông bào mòn khỏi mặt đường dài hay ngắn Ngược lại, các yếu tố này lại bị tác động bởi sự thay đổi các đặc tính của bitum do ảnh hưởng của không khí, nhiệt độ và nước Tất nhiên có nhiều yếu tố khác tác động đến đặc tính của bitum, bao gồm cả bản chất của cốt liệu, thành phần hổn hợp bitum – cốt liệu, tỷ lệ bitum trong hổn hợp (nghĩa là độ dày của lớp bitum phủ trên bề mặt cốt liệu), độ chặt khi đầm nén mặt đường v.v tất cả những yếu tố trên ảnh hưởng đến độ bền của con đường tương lai

Bitum là vật liệu có tính Nhớt – Đàn hồi và đặc tính của chúng biến động từ thuần nhớt đến đàn hồi phụ thuộc vào thời gian chịu tải và nhiệt độ Trong quá trình trộn và đầm nén hỗn hợp bitum – cốt liệu, và khi hổn hợp đã được thi công thành mặt đường và đưa vào sử dụng ở những vùng khí hậu nóng thì đặc tính của bitum có thể xem là nhớt (do đó cần phải cải thiện bitum sao cho bitum có độ nhớt thấp và tăng tính đàn hồi, từ đó hổn hợp cốt liệu – bitum làm việc có tính đàn hồi hơn và phục hồi biến dạng nhanh hơn), nhưng trong hầu hết các điều kiện làm việc bitum đều biểu hiện tính Đàn hồi – Nhớt

Điều kiện quan trọng cho các đặc điểm kỹ thuật của hỗn hợp bitum thường liên quan đến là nhiệt độ cao (30 ÷ 60oC) hoặc là nhiệt độ thấp trong quá trình sử dụng (<

5oC) Ở nhiệt độ cao thường xuất hiện tình trạng bitum bị sùi lên và làm mặt đường bị biến dạng Ở nhiệt độ thấp thường xuất hiện tình trạng mặt đường bị nứt nẻ hoặc cốt liệu bị bong khỏi mặt đường

Để một phần nào giải quyết được các vấn đề xuất hiện khi bitum làm việc trong môi trường nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ thấp, ta tìm cách cải thiện một số tính chất của bitum và gọi là “BITUM CẢI TIẾN”

Một trong những vai trò cơ bản của chất cải tiến bitum là tăng tính kháng của asphalt với sự biến dạng dư khi nhiệt độ đường cao, mà không tác động xấu đến các đặc tính kỹ thuật của bitum hoặc ásphalt ở các nhiệt độ khác Có thể đạt được điều này bằng cách làm cứng hóa bitum để tổng phản ứng đàn hồi – nhớt của asphalt bị giảm đi với mức độ giảm tương ứng của độ biến dạng dư, hoặc bằng cách tăng thành phần đàn hồi của bitum, do đó giảm thành phần nhớt mà từ đó có được kết quả là làm giảm mức độ biến dạng dư so với biến dạng tổng thể

Tăng độ cứng của bitum cũng giống như tăng độ cứng động học của hỗn hợp bêtông nhựa asphalt, do đó cải tiến khả năng phân tán lực của vật liệu và tăng độ bền kết cấu và tuổi thọ thiết kế của con đường hoặc là tạo ra kết cấu có tuổi thọ và độ bền tương tự nhưng với độ dầy các lớp mỏng hơn Tăng thành phần dẻo của bitum sẽ góp phần cải thiện độ đàn hồi của bêtông asphalt, đây là tính chất quan trọng cần có do phải chịu sức căng lớn

Các chất cải biến được trộn với bitum phải có các đặc tính sau:

* Giữ được các đặc tính kỹ thuật trong thời gian bảo quản, thi công trên mặt đường và khi con đường được đưa vào sử dụng;

* Có thể chế biến bằng các thiết bị thông thường;

* Oån định về Lý – Hóa học trong thời gian bảo quản, sử dụng và trên đường;

* Đạt độ nhớt trộn và phun ở nhiệt độ sử dụng bình thường

I-1.2.1 Cải tiến bitum bằng cách cho thêm Lưu Huỳnh

- Lưu huỳnh được sử dụng trong hai loại asphalt để rải thảm đường bộ và một số sản phẩm độc quyền Asphalt được cho thêm một lượng tương đối nhỏ lưu huỳnh dưới dạng một chất hòa tan trong bitum Cách gia công thứ hai được biết đến với tên gọi là THERMOPAVE, sử dụng hàm lượng lưu huỳnh cao, lượng lưu huỳnh dư ra đóng vai trò như là một chất khoáng đúc, khi được trộn với cốt liệu sẽ tạo ra một hỗn hợp rất dễ thi công, có thể rải bằng máy mà không cần đầm bằng xe lu và khi nguội đi có khả năng chống biến dạng cao

- Lượng lưu huỳnh sẽ phản ứng với bitum phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần hóa học của bitum, xấp xỉ 15 – 18% lượng lưu huỳnh có thể bị phân tán trong bitum và ổn định trong một thời gian dài Tăng hàm lượng lưu huỳnh vượt quá ngưỡng này, một lượng lưu huỳnh lơ lửng tạm thời dư ra trong thời gian trộn thảm Khi bêtông asphalt nóng, lượng lưu huỳnh dư ra làm cho hỗn hợp bêtông dễ thi công vì lưu huỳnh là chất lỏng có độ nhớt thấp ở trong khoảng từ nhiệt độ sôi (119,3oC)của nó cho tới 160oC Khi asphalt nguội đi thì lưu huỳnh dư ra một phần sẽ lấp đầy và theo hình dạng của các lỗ rỗng, khe hở trong vật liệu đã đầm lèn, chèn móc các viên cốt liệu lại với nhau, do đó làm tăng ma sát giữa các viên cốt liệu riêng lẽ trong asphalt và đem lại một độ bền cơ học cao cho mặt đường Trong thực tế, cơ chế làm cứng lưu huỳnh không đơn giản như thế và những thay đổi trong đặc tính và biểu hiện của asphalt được cải tiến cũng phụ thuộc vào thời gian Ban đầu, độ ổn định Marshall của hỗn hợp asphalt được trộn với lưu huỳnh thường thấp hơn một chút so với bitum thông thường Tuy nhiên, sau 7 đến

21 ngày thí độ ổn định Marshall tăng lên gần gấp đôi so với vật liệu không được cải tiến

I-1.2.2 Cải tiến bitum bằng cách cho thêm các hợp chất mangan hữu cơ

Có thể nâng cao độ bền của bêtông asphalt bằng cách cho thêm vào bitum một hợp chất mangan hữu cơ, hoặc kết hợp giữa mangan hữu cơ với cacbon hữu cơ, hay hợp chất đồng hữu cơ Sản phẩm này được biết đến nhiều hơn dưới tên là CHEMCRETE Sử dụng bitum cải tiến bằng mangan hữu cơ trong asphalt và hỗn hợp đá nhựa được giải thích là cải thiện tính mẫn cảm với nhiệt độ của hỗn hợp và qua đó nâng cao các đặc tính hóa lý của chúng như độ ổn định Marshall, chống biến dạng dư

và độ cứng động học Để biết được mức độ ảnh hưởng của loại bitum cải tiến này, người ta tiến hành thí nghiệm trên các mẫu bêtông asphalt lấy từ các đoạn đường thí nghiệm Độ biến dạng ở 45oC, ngay sau khi rải bêtông đối với asphalt được cải tiến và asphalt thông thường rất giống nhau là 5mm/h, tuy nhiên sau 6 tháng độ biến dạng ở asphalt cải tiến đã giảm xuống dưới 1mm/h Việc sử dụng các chất cải tiến mangan hữu cơ trong asphalt lu nóng gần đây được TRRL đánh giá và đưa vào tài liệu qui phạm của Cục vận tải vào năm 1990

I-1.2.3 Cải tiến bitum bằng cách cho thêm các polyme dẻo nhiệt

Polyethylen, polypropylen, polyvinyl chlorid, polystyren và ethylen vinyl acetate (EVA) là các polyme dẻo nhiệt chủ yếu đã được kiểm chứng qua các thí nghiệm về các chất liên kết được cải tiến dùng cho đường bộ Bởi vì là các chất dẻo dưới tác động của nhiệt, chúng có đặc tính là mềm đi khi nóng lên và cứng lại khi nguội đi

Các polyme dẻo nhiệt khi trộn với bitum, khi ở nhiệt độ môi trường bình thường chúng liên kết với bitum và làm tăng độ nhớt của bitum Tuy nhiên, các chất polyme dẻo nhiệt không làm tăng đáng kể độ đàn hồi của bitum, khi bị nung nóng chúng có thể tách ra khỏi bitum, mà điều này có thể dẫn đến phân tán khi nguội đi Tuy vậy, chấp nhận những hạn chế này thì việc sử dụng EVA với nồng độ 5% trong bitum 70pen đã trở nên rất thông dụng Người ta thường dùng EVA phẩm cấp 45/33 (tức là EVA có MFI là 45 và hàm lượng vinyl acetat là 33) trộn với bitum 70pen Các chất đồng trùng hợp EVA dễ bị phân tán trong bitum và rất thích hợp với bitum, chúng ổn định với nhiệt ở nhiệt độ trộn asphalt thông thường

(*) Tác động của các phẩm cấp EVA 150/19 và 45/33 đến các đặc tính của bitum và asphalt lu nóng rải lớp mặt đường (Bảng I.1)

Chất liên kết

Các đặc tính của chất liên kết Các đặc tính Marshall bánh xe Độlún

Độ chảy Tỷ số

cùng với quá trình giảm nhiệt Chính vì thế cần phải sử dụng hàm lượng EVA thật hợp lý thì sẽ phát huy được các tính năng kỹ thuật

I-1.2.4 Cải tiến bằng cách cho thêm cao su dẻo nhiệt

Trong 4 nhóm chất đàn hồi dẻo nóng chính polyurethane, chất đồng trùng hợp polyether-polyester, các chất alken (olefinic) đồng trùng hợp và chất đồng trùng hợp có đoạn styren, các chất đồng trùng hợp có đoạn styren đã được chứng minh là tiềm năng lớn nhất khi được trộn với bitum

Chất đồng trùng hợp có đoạn styren thường được gọi là cao su nhiệt dẻo (TR) Cao su nhiệt dẻo có thể được tạo ra bằng cơ chế tạo chuỗi của phản ứng polyme hóa liên tục styren-butadien-styren (SBS) hoặc ctyren-isopren-styren (SIS)

Cao su dẻo nhiệt có sức bền cao và tính đàn hồi đặc biệt do liên kết ngang vật lý của phân tử trong mạng không gian ba chiều

Việc sản xuất các hỗn hợp bitum và cao su dẻo nhiệt: Chất lượng của sự phân tán polyme đạt được bị ảnh hưởng bởi các yếu tố, nhưng cơ bản là phụ thuộc vào cường độ xé tác động bởi máy trộn Khi polyme được cho thêm vào bitum nóng, bitum sẽ lập tức bắt đầu thâm nhập vào các hạt polyme làm cho các chuỗi styren của polyme phồng trương lên và dễ hòa tan hơn Một khi điều đó xảy ra, lực xé đủ lớn sẽ tác động vào các hạt trương là yếu tố quyết định có thể đạt được để sự phân tán hoàn toàn của các hạt phần tử polyme trong thời gian trộn thực tế Như vậy, cần sử dụng các máy trộn có lực xé cao hoặc trung bình để phân tán hoàn toàn cao su dẻo nhiệt vào bitum

Loại bitum cải tiến này có các tính chất cơ lý rất tốt Mức độ cải thiện khả năng chống biến dạng, mõi v.v được kiểm tra bằng các thí nghiệm do TRRL và Sheel thực hiện cho kết quả rất tốt

(*) So sánh mức độ vệt bánh xe của mặt đường được rải bằng asphalt lu nóng làm từ bitum 50pen, HD40 và CARIPHALTE DM (Bảng I.2)

Chất liên kết Các đặc tính của chất liên kết Độ lún vệt bánh xe ở

45oC (mm/h)

Kim lún ở 25oC

I-2 BITUM CẢI TIẾN BẰNG CÁCH CHO THÊM BỘT CAO SU

Polybutadien, polyisopren, cao su thiên nhiên, cao su butyl, chloropren, styrene-butadien-cao su … Tất cả đã được sử dụng cùng với bitum nhưng tác dụng của chúng chủ yếu là làm tăng độ nhớt của bitum Trong một số trường hợp cao su được sử

dụng ở dạng lưu hóa, ví dụ như những mảnh lốp tái chế, nhưng dạng này khó phân tán trong bitum, cần một nhiệt độ cao và thời gian biến đổi chuyển hóa dài và có thể tạo ra chất liên kết không đồng nhất, trong đó cao su hoạt động chủ yếu như một chất dẻo

Như chúng ta đã biết, tính năng điển hình của cao su là: độ bền, khả năng đàn hồi, độ dai v.v… ta tận dụng các tính năng đó và kết hợp vào vấn đề kỹ thuật trong ngành vật liệu rải mặt đường bộ thì chúng ta sẽ có một vật liệu mới có khả năng đàn hồi tốt, giảm được biến dạng dư, tăng khả năng chịu lực, tăng sức dai về chịu lực v.v… Hiện nay, giá thành của cao su nguyên chất rất là đắt, nếu ta đưa cao su nguyên chất để cải thiện vật liệu làm lớp rải mặt đường trong ngành giao thông không phải là thích hợp Nhưng nếu chúng ta sử dụng bột cao su phế thải thì đó là vấn đề cần quan tâm, vì bột cao su phế thải có giá thành rẻ mà chúng ta còn giải quyết đượcmôi trường Chúng

ta thấy rất rõ, hiện nay nước ta đang hòa mình vào xu hướng phát triển về mọi mặt của thế giới, mạng lưới giao thông đường bộ ở nước ta đang phát triển mạnh, lưu lượng xe tăng, nhiều thành phần xe trong đó có không ít là xe có tải trọng nặng Chúng ta thử hình dung, một năm số lốp xe phế thải sẽ là bao nhiêu khi lưu lượng xe ngày càng tăng, có lẽ là rất nhiều Thế thì chúng ta cần phải sử dụng chúng vào mục đích nào chứ! Ban đầu người ta dùng chúng để làm các công việc đơn giản như: lóc phần cao su để lấy phần bố tốt sử dụng lại; mài lấy bột cao su đem trộn với các sản phẩm cao su để làm các vật dụng; một phần đem đốt để nấu nhựa gây ô nhiểm môi trường Chính vì lẽ đó mà tôi đã cố gắng nghiên cứu vấn đề sử dụng bột cao su phế thải vào trong bêtông asphalt để cải thiện tính chất phục hồi nhanh, tăng sức dai và sức chịu lực

[4] Thật ra, việc sử dụng bột cao su trong bêtông asphalt có lịch sử lâu đời và đã được các nước phương tây áp dụng Đầu tiên phụ gia cao su được sử dụng ở mức độ nhỏ dưới dạng Latex, gần đây nó ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn Latex làm tăng tính dẻo cho bitum, nhưng làm tăng giá thành của bêtông ásphalt Bột cao su phế liệu có giá thành hạ, được nghiên cứu sử dụng rộng rãi nhất trong bêtông asphalt nóng và lớp phủ bên trên của đường Ở Việt Nam, vào những năm 1992 – 1994 đã thử nghiệm bột cao

su trong bêtông ásphalt; tuy mới dừng lại ở thí nghiệm định hướng nhưng đã nhận được các kết quả khả quan [4] Để có thể thấy rõ các tính ưu việt của bêtông asphalt sử dụng bột cao su và đáp ứng được nhu cầu lưu lượng giao thông ngày càng cao và tải trọng xe lớn trong điều kiện riêng của Việt Nam đồng thời phát huy hiệu quả về mặt kinh tế thì chúng ta cần phải nghiên cứu thêm để có nhiều số liệu hữu ích cho việc đặt nền móng của sự phát triển loại vật liệu này trong tương lai

I-3 BÊTÔNG NHỰA SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN – BÊTÔNG NHỰA SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI

I-3.1.1 Vai trò của BTN trong kết cấu áo đường

Bêtông nhựa là một thành phần cơ bản trong kết cấu áo đường, nhất là các tuyến đường cấp cao, đường cao tốc, đường chính nối các tỉnh thành, đường trong khu công

nghiệp và trong thành phố BTN chủ yếu dùng làm lớp mặt trong kết cấu áo đường Do vậy, bêtông nhựa là lớp kết cấu chịu tác dụng trực tiếp của các yếu tố môi trường (VD như : nhiệt độ, gió v.v ) và tải trọng (VD như: lực thẳng đứng, lực trượt ngang, lực mài mòn v.v ) và là lớp ngăn chặn nước mặt thâm nhập xuống các lớp móng, nền đường Chính vì thế, bêtông nhựa cần phải có các đặc điểm ưu việt mới đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật

Đặc điểm ưu việt: Chịu đựng được tải trọng, ít bị bào mòn, ít bụi, ít gây tiếng ồn trong quá trình khai thác, chịu lực ma sát và có độ bám với bánh xe chạy để đảm bảo

xe chạy với tốc độ cao, dễ bảo dưỡng sữa chữa v.v… trong quá trình khai thác Ngoài

ra, bêtông còn có nhược điểm mà hiện nay ở nước ta chưa quan tâm đúng mức và trên thế giới đang tiếp tục nghiên cứu đó là: Khả năng làm việc tốt trong mọi điều kiện nhiệt (VD: ở nhiệt độ thấp, bêtông nhựa có tính giòn nên rất dễ bị nứt nẻ Còn ở nhiệt độ cao thì bêtông nhiệt có tính mềm, dẻo nên rất dễ bị hằn vệt bánh xe mà không phục hồi lại được và bị trồi, đùn mặt đường) Đây cũng là vấn đề được đề cập và phần nào được giải quyết chủ yếu trong luận án này

I-3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hình thành cường độ của bêtông nhựa

Bêtông asphalt dùng trong xây dựng đường ôtô gồm có các thành phần là Đá, cát, bột khoáng, nhựa và một lượng phụ gia khi cần thiết theo yêu cầu sử dụng Bêtông nhựa thành phẩm khi đã được lu lèn gồm 03 pha chính

Về mặt cấu trúc bêtông nhựa là vật liệu được hình thành bởi một bộ khung sườn mà trong đó các cốt liệu (pha rắn) được sắp xếp với nhau sao cho có độ rỗng (pha khí) là nhỏ nhất và chúng được liên kết với nhau chủ yếu là nhờ chất liên kết nhựa đường (đi sâu hơn thì ta sẽ biết được bột khoáng không những có tác dụng lấp các lỗ rỗng rất nhỏ mà còn là chất phụ gia tác dụng trực tiếp lên nhựa để hình thành một chất liên kết mới có tính chất ưu việt hơn khi nhựa đường không có bột khoáng Vì bột khoáng có tỷ diện bề mặt rất cao (khoảng 250 ÷ 300 m2/kg), nó có ái lực mạnh với nhựa, biến nhựa

vốn ở trạng thái khối, giọt thành màng mỏng bao bọc dễ dàng các khoáng vật Có bột khoáng, nhựa sẽ tăng thêm khả năng dính kết, tăng cường độ và tăng ổn định nhiệt)

Như vậy, trên cơ sở là bộ khung cốt liệu được sắp xếp theo dạng cấp phối và được dính kết với nhau bằng chất dính kết nhựa đường được lèn ép dưới một tải trọng nào đó để các cốt liệu sát vào nhau và dính kết lại sẽ tạo thành sản phẩm bêtông asphalt có những đặc tính kỹ thuật như đã nêu trên Việc phát huy được đặc tính này hay đặc tính khác thì bêtông asphalt phụ thuộc rất nhiều vào sự chọn cấp phối hạt; hàm lượng nhựa; tính chất các vật liệu sử dụng; và nhất là vật liệu bitum Nếu ta dùng một số loại bitum cải tiến thì ta sẽ thấy tính chất của bêtông nhựa sẽ phát huy rất tốt (tuỳ theo từng loại bitum cải tiến mà chỉ có một số tính chất của bêtông asphalt phát huy tác dụng Do vậy, tùy theo yêu cầu sử dụng, mục đích sử dụng, tình hình thực tế mà ta chọn loại hình bitum cải tiến cho phù hợp)

I-3.1.3 Các đặc trưng cơ bản của bêtông asphalt

Bêtông asphalt có hai đặc trưng cơ học cơ bản mà ta cần phải quan tâm:

1/ Độ cứng vật liệu (là mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng)

2/ Cường độ bản thân vật liệu bêtông asphalt (xác định dạng phá hoại của chúng: mỏi và biến dạng không phục hồi)

Độ cứng của vật liệu là đại lượng biểu thị mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tương ứng trong một trạng thái làm việc nhất định

Smix =

Vật liệu bêtông asphalt có hai loại độ cứng:

+ Độ cứng đàn hồi trong điều kiện nhiệt độ thấp và thời gian tác dụng của tải trọng ngắn: Độ cứng đàn hồi của vật liệu bêtông asphalt phụ thuộc nhiều vào độ cứng của chất kết dính, độ rỗng cốt liệu (độ rỗng cốt liệu phụ thuộc vào tính chất cốt liệu và mức độ đầm nén của hổn hợp) và điều kiện chịu lực Độ cứng đàn hồi được dùng để tính biến dạng trong thiết kế mặt đường bêtông ásphalt

+ Độ cứng chảy dẻo trong điều kiện nhiệt độ cao và thời gian tác dụng của tải trọng lâu dài: Độ cứng chảy dẻo của hỗn hợp không chỉ phụ thuộc vào độ cứng của bitum, thể tích cốt liệu và hàm lượng bitum trong hỗn hợp, mà còn phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác như: cấp phối cốt liệu, hình dạng, tính chất bề mặt hạt cốt liệu, khả năng gắn kết của cốt liệu với chất liên kết, phương pháp đầm nén, mức độ đầm nén

I-3.1.4 Khả năng chống lại biến dạng không hồi phục của vật liệu Bêtông asphalt

Muốn xác định đặc trưng này, ta cần phải xác định độ cứng chảy dẻo (lúc này bêtông asphalt có độ cứng thấp nhất, ví dụ như tại nhiệt độ cao và thời gian tác dụng của tải trọng lâu) Sự thay đổi độ cứng của bêtông ásphalt trong giai đoạn này phụ thuộc các yếu tố ảnh hưởng như sau:

- Nhiệt độ càng cao, thời gian tải trọng tác dụng càng lâu thì biến dạng càng cao (lúc này bêtông ásphalt làm việc ở trạng thái Đàn hồi – Dẻo, sức chống biến dạng càng kém đi)

- Độ cứng của bitum càng lớn thì độ cứng của bêtông asphalt càng lớn và lúc này khả năng chống biến dạng càng tăng nhưng lại tăng tính giòn

- Hàm lượng bitum trong hỗn hợp càng lớn thì độ cứng của hỗn hợp bêtông ásphalt càng giảm và giảm nhanh khi độ cứng của bitum giảm (khi ở nhiệt độ cao)

- Với cùng một độ rỗng còn lại trong hỗn hợp bêtông asphalt như nhau, hỗn hợp nào sử dụng hạt có hình sắc cạnh và độ nhám bề mặt cao sẽ cho độ cứng tăng (sức chống lại biến dạng tăng lên)

I-3.1.5 Đặc tính mỏi của vật liệu Bêtông asphalt

Hiện tượng nứt gãy dưới tác dụng của tải trọng lặp có giá trị nhỏ hơn độ bền kéo uốn của vật liệu gọi là hiện tượng mỏi của vật liệu

Để nghiên cứu về đặc tính mỏi, người ta thường sử dụng thí nghiệm uốn động hay thí nghiệm Kéo – Uốn Các thí nghiệm về mỏi có thể sử dụng ứng suất không đổi hay một biến dạng không đổi Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ứng suất điều khiển không đổi cho thấy tuổi thọ mỏi của bêtông asphalt phụ thuộc vào nhiệt độ thí nghiệm và tần suất của tải trọng tác dụng Nếu nhiệt độ càng thấp hoặc tần suất tải trọng tác dụng càng thấp thì tuổi thọ của vật liệu bêtông ásphalt càng lớn

I-3.1.6 Tính chất lưu biến và mô hình lưu biến của bêtông asphalt [5]

Một trong những đặc trưng chủ yếu của hỗn hợp có dùng bitum làm chất kết dính là tính lưu biến Như ta đã biến và thấy, loại hỗn hợp này có các quá trình biến dạng liên hệ rất chặt chẽ với thời gian tác dụng của tải trọng, tốc độ đặt tải trọng Còn trị số ứng suất thì phụ thuộc vào tốc độ biến dạng và trị số biến dạng (vấn đề này dễ thấy nhất là hỗn hợp bêtông asphalt)

Trên thực tế khi sử dụng mặt đường làm bằng bêtông asphalt cho thấy tính chất biến dạng của nó còn phức tạp hơn nhiều, bao gồm cả biến dạng đàn hồi, biến dạng nhớt, biến dạng đàn hồi chậm, biến dạng dẻo tùy theo điều kiện thời tiết, nhất là nhiệt độ và loại bêtông asphalt

Có nhiều mô hình mô tả tính lưu biến của hỗn hợp có dùng bitum làm chất kết dính (cụ thể là bêtông ásphalt) như là: Mô hình Maxvel; Mô hình Kelvin; Mô hình Burger v.v… (mô tả các mô hình xin xem [5])

Nhìn chung, việc sử dụng các loại bitum cải tiến dùng làm chất kết dính cho các cốt liệu đá, cát, bột khoáng sẽ tạo nên một bêtông asphalt có các ưu điểm sau:

+ Tăng độ bám mặt đường

+ Tăng tính phục hồi biến dạng (giảm hiện tượng tích lũy biến dạng)

+ Tăng khả năng chịu lực

+ Tăng độ cứng để ở nhiệt độ cao sẽ giảm được vệt lún bánh xe

+ Giảm độ cứng để ở nhiệt độ thấp giảm nứt nẻ mặt đường do chịu tải trọng nặng và do thay đổi nhiệt độ

+ Tăng cường độ chịu mỏi

+ Tăng độ dính bám giữa cốt liệu và bitum nhằm làm giảm sự thấm nhập của nước và giảm bong bật khi chịu các tác động bên ngoài

+ Tăng tính bền vững của bitum và bêtông asphalt (làm chậm quá trình lão hóa)

+ Giảm hiện tượng chảy nhựa và hiện tượng đùn trên mặt bêtông átphalt khi ở nhiệt độ cao

+ Tăng tính dễ thi công v.v…

Không phải lúc nào sử dụng chất phụ gia đều cho ra sản phẩm bêtông nhựa đạt được tất cả các ưu việt trên mà mỗi loại phụ gia đều có các ưu điểm riêng để cải thiện một hoặc một vài đặc tính kỹ thuật nào đó của bêtông asphalt hoặc cũng có thể sẽ làm mất đi một vài ưu điểm của hỗn hợp Ngoài ra, hàm lượng chất phụ gia cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc cải thiện đặc tính kỹ thuật và kinh tế của hỗn hợp Vì vậy, tuỳ thuộc vào từng trường hợp cụ thể, từng mục đích khai thác sử dụng mà ta chọn loại phụ gia nào cho thích hợp, với hàm lượng thích hợp để vừa có lợi về kinh tế vừa cải thiện được đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp

I-3.3/ BÊTÔNG ASPHALT CẢI TIẾN SỬ DỤNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI

Đặc tính chung của vật liệu bêtông asphalt thể hiện chủ yếu là vật liệu Đàn hồi – Nhớt – Dẻo VD như: Khi lực tác dụng nhanh và giá trị ứng suất nhỏ thì vật liệu BTN có tính Đàn hồi – Nhớt Nếu ứng suất lớn và thời gian tác dụng của tải trọng lâu thì vật liệu BTN có tính chất Đàn hồi - Dẻo Cho nên, tuỳ theo điều kiện tác động bên ngoài trực tiếp vào mà ta cải thiện tính chất nào nổi trội để đáp ứng được yêu cầu

Các đặc tính của Bêtông asphalt phụ thuộc tính chất và tỷ lệ của các thành phần cấu thành nó Các đặc trưng về cường độ, độ dẻo của BTN phụ thuộc vào tính chất chất kết dính asphalt, lực dính bám của cốt liệu và chất liên kết, độ rỗng của hỗn hợp Giáo sư Ivanốp cho rằng cường độ của hổn hợp Đá – Nhựa phụ thuộc vào hai yếu tố: Lực ma sát do cốt liệu khoáng vật (tức là làm sao các bề mặt tiếp xúc của cốt liệu càng lớn càng tốt) và lực dính do chất liên kết (chất liên kết càng thể hiện tính dính bám, đàn hồi càng tốt)

Lực ma sát hầu như không thay đổi theo nhiệt độ và tốc độ biến dạng Lực dính phụ thuộc vào độ nhớt của nhựa, độ dính kết giữa cốt liệu và chất liên kết, tỷ diện bề mặt của cốt liệu Lực này chịu ảnh hưởng rất nhiều theo nhiệt độ và tốc độ biến dạng Ngoài ra, trong quá trình sử dụng, sự bốc hơi dầu gây ra việc lão hoá (sự biến cứng, mất đi tính dẻo dính) của nhựa cũng làm ảnh hưởng tiêu cực đến lực dính Do đó, ta cần phải cải thiện chất dính kết tăng về: độ dính kết, ổn định nhiệt, đàn hồi tốt vv…

Ngoài ra, một đặc tính rất quan trọng có ảnh hưởng đến độ bền của bêtông Asphalt mà hiện nay chúng ta chưa đề cập đúng mức đó là tính đàn hồi chậm, tính dai khi chịu lực Hiện tượng này, chúng ta nhìn nhận từ cơ chế làm việc: khi bêtông asphalt chịu một tải trọnhg đủ lớn đi qua thì sẽ làm cho bêtông asphalt biến dạng và xuất hiện ứng suất tại đáy bêtông asphalt Khi tải trọng đã đi qua, bêtông asphalt sẽ phục hồi lại trạng thái ban đầu, nhưng do có tính đàn hồi chậm nên khi chưa kịp phục hồi biến dạng thì lại có tải trọng khác tác dụng lên và lại phát sinh biến dạng và ứng suất Quá trình này cứ được lặp đi lặp lại liên tục sẽ xuất hiện hiện tượng tích luỹ biến dạng và ứng suất Đến

một lúc nào đó, khi ứng suất tại đáy lớp bêtông asphalt vượt quá ứng suất cho phép thì sẽ làm cho bêtông asphalt đùn lên (trong trường hợp ở nhiệt độ cao) và nứt nẻ (trong trường hợp ở nhiệt độ thấp) Để cải thiện được tính chất này, ta cần chế tạo ra loại BTN có tính đàn hồi nhanh hơn, sức chịu tải dai hơn, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và có cường độ cao hơn BTN thông thường Muốn thế, ngoài việc phải chọn lựa cấp phối hạt thật tốt ta cần phải dùng loại chất dính kết (bitum) có các đặc tính tốt hơn bitum thông thường đó là Bitum cải tiến sử dụng bột cao su Việc sử dụng bitum cải tiến này để chế tạo bêtông có các đặc tính cơ học và chất lượng tốt là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn trong xây dựng mặt đường ở những nước có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa nhiều Nước

ta là một trong những nước có khí hậu này

Việc sử dụng loại bột cao su nào để cải thiện tính chất nào của bêtông asphalt cũng là vấn đề rất quan trọng

+ Nếu để cải thiện tính bám đường thì sử dụng loại bột Cao su gốc SBR (loại này chủ yếu ở xe con du lịch và có tên thương mại là: Radiad)

+ Nếu để cải thiện tính mài mòn và tính đàn hồi thì sử dụng loại bột Cao su gốc (NR + BR) (loại này chủ yếu ở xe tải và có tên thương mại là Bvas) vì Reboand (BR) và Relisinec (NR) có tính đàn hồi lớn hơn rất nhiều so với SBR.(Cao su Styrene – Butadiene)

Nói chung, cao su có rất nhiều loại, do đó muốn BTN cải thiện tính năng gì thì phải tìm hiểu tính năng của các loại cao su mà chọn lựa

CHƯƠNG II: ĐỀ CƯƠNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

II-1 ĐỀ CƯƠNG THÍ NGHIỆM

đường; Bột cao su phế phẩm

Chuẩn bị vật liệu: Cát; Đá; Bột khoáng; Nhựa shell; Nhựa shell có bột Cao su

- Pha chế Nhựa shell 60/70 với Cao su với các hàm lượng Cao su sau: 2,5%; 5%; 7,5%; 10%; 12,5%; 15% CS

- Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của nhựa có sử dụng bột Cao Su: Độ dãn dài; Độ kim lún; Nhiệt hóa mềm; Độ dính bám với đá

II-1.2/ Thiết kế Bêtông asphalt theo phương pháp Marshall (xác định hàm lượng nhựa tối ưu)

II-1.2.1 Thiết kế Bêtông nhựa thông thường Tìm hàm lượng nhựa tối ưu

Các tỷ lệ thực hiện: 4,9%; 5,2%; 5,5%; 5,8%; 6,1%

Số lượng mẫu: 15mẫu (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là T%)

II-1.2.2 Thiết kế Bêtông nhựa sử dụng bitum có trộn bột cao su phế thải với các hàm lượng bột cao su khác nhau Tìm các hàm lượng “nhựa + Cao su” tối ưu

a/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 2,5% bột cao su phế thải Tìm hàm lượng nhựa chứa 2,5% CS tối ưu

Các tỷ lệ thực hiện: 4,9%; 5,2%; 5,5%; 5,8%; 6,1%;

Số lượng mẫu: 15mẫu (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là A%)

b/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 5% bột cao su phế thải Tìm hàm lượng nhựa chứa 5% CS tối ưu

Các tỷ lệ thực hiện: 4,9%; 5,2%; 5,5%; 5,8%; 6,1%;

Số lượng mẫu: 15mẫu (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là B%)

c/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 7,5% bột cao su phế thải Tìm hàm lượng nhựa chứa 7,5% CS tối ưu

Các tỷ lệ thực hiện: sẽ tùy thuộc vào các kết quả thí nghiệm phía trước mà quyết định

Số lượng mẫu: 15mẫu (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là C%)

d/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 10% bột cao su phế thải Tìm hàm lượng nhựa chứa 10% CS tối ưu

Các tỷ lệ thực hiện: sẽ tùy thuộc vào các kết quả thí nghiệm phía trước mà quyết định

Số lượng mẫu: 15mẫu (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là D%)

e/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 12,5% bột cao su phế thải Tìm hàm lượng nhựa chứa 12,5% CS tối ưu

Các tỷ lệ thực hiện: sẽ tùy thuộc vào các kết quả thí nghiệm phía trước mà quyết định

Số lượng mẫu: 15mẫu (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là E%)

f/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 15% bột cao su phế thải Tìm hàm lượng nhựa chứa 15% CS tối ưu

Các tỷ lệ thực hiện: sẽ tùy thuộc vào các kết quả thí nghiệm phía trước mà quyết định

Số lượng mẫu: 15mẫu (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là F%)

Sau khi tìm ra các giá trị: T;A; B; C; D; E; F , ta tiếp tục đúc các tổ hợp mẫu (03mẫu/01 tổ hợp) với các hàm lượng hỗn hợp “nhựa + x% Cao su” tối ưu vừa tìm ra

ứng với từng hàm lượng cao su gia cố tương ứng Từ đó ta sẽ có Miền lựa chọn chất

lượng BTN ứng với các hàm lượng sử dụng bột Cao su phế thải tương ứng Từ miền lựa chọn này, ta sẽ chọn ra hàm lượng cao su sử dụng tối ưu nhất (giả sử là TU%) để chế tạo BTN và đem so sánh với BTN thông thường

II-1.3/ Chế bị mẫu tiến hành thí nghiệm

- Đúc các tổ hợp mẫu với hàm lượng Nhựa tối ưu ứng với trường hợp không có bột cao su Gồm: 15 mẫu thí nghiệm Marshall (thí nghiệm ở các nhiệt độ : 30oC; 45oC;

60oC; 75oC; ngâm nước ở 60oC trong 24 giờ) ; 12 mẫu nén (trong đó: 06 mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén ở 20oC và 50oC, và 03 mẫu thí nghiệm mođuyl đàn hồi vật liệu Tĩnh và Động ở nhiệt độ bình thường, 03 mẫu thí nghiệm điểm biến dạng chảy);

06 mẫu kích thước 5x5x30cm (03 mẫu thí nghiệm Kéo - uốn ở nhiệt độ: 10oC và 03 mẫu thí nghiệm mỏi); 03 mẫu kích thước 5x10x20cm (thí nghiệm sức kháng lăn theo phương pháp “con lắc Anh”)

- Đúc các tổ hợp mẫu với hàm lượng “bitum + Cao su” tối ưu ứng với trường hợp gia cố TU% bột cao su Gồm: 15 mẫu thí nghiệm Marshall (thí nghiệm ở các nhiệt độ :

30oC; 45oC; 60oC; 75oC; ngâm nước ở 60oC trong 24 giờ) ; 12 mẫu nén (trong đó: 06 mẫu thí nghiệm cường độ chịu nén ở 20oC và 50oC; và 03 mẫu thí nghiệm mođuyl đàn hồi vật liệu Tĩnh và Động ở nhiệt độ bình thường, 03 mẫu thí nghiệm điểm biến dạng chảy); 06 mẫu kích thước 5x5x30cm (03 mẫu thí nghiệm Kéo - uốn ở nhiệt độ: 10oC và

03 mẫu thí nghiệm mỏi); 03 mẫu kích thước 5x10x20cm (thí nghiệm sức kháng lăn theo phương pháp “con lắc Anh”)

- Ngoài ra còn đúc thêm 12 mẫu nén (để thí nghiệm môđun đàn hồi tĩnh và động); 12 mẫu thí nghiệm sức kháng lăn và 12 mẫu thí nghiệm điểm biến dạng chảy ứng với các loại BTN có gia cố 2,5%; 5,0%; 7,5%; 10% Cao su (tức là 03 mẫu cho từng loại vật liệu và từng loại thí nghiệm) Vì đây là đặc tính đặc thù của việc chế tạo BTN gia cố bột cao su phế thải và cũng dựa vào 03 tính chất này để định hướng quyết định chọn hàm lượng bột cao su phế thải hợp lý nhất dùng để gia cố chế tạo BTN đáp ứng được mục đích sử dụng trong từng trường hợp của BTN Vì việc cải thiện cường độ BTN không phải là vấn đề khó nữa

BẢNG TỔNG HỢP SỐ LƯỢNG MẪU THÍ NGHIỆM (Bảng II.1)

ST

T

lượng

1 Marshall để tìm hàm lượng hỗn hợp “Nhựa+Cao su”tối ưu Tổ mẫu 30

2 Marshall đối chứng ứng với các hàm lượng tối ưu vừa tìm Tổ mẫu 5

4 Mẫu nén thí nghiệm ở nhiệt độ: 20oC & 50oC Tổ mẫu 4

5 Mẫu nén thí nghiệm mođuyl đàn hồi Tĩnh + Động Tổ mẫu 5

7 Mẫu xác định cường độ Kéo uốn (0%CS; 5%CS; 10%CS) Tổ mẫu 3

8 Mẫu xác định khả năng chịu mỏi (0%CS; 5%CS; 10%CS0 Tổ mẫu 3

9 Mẫu xác định độ bám (BPN)- (Phương pháp Con lắc Anh) Tổ mẫu 5

Tổng cộng: 70

Ghi chú: Mỗi tổ mẫu gồm 03 mẫu (Số mẫu = 70 x 3 = 210 mẫu)

bột cao su phế thải

Tổng hợp các kết quả thí nghiệm được, tính phần trăm (%) tăng giảm, vẽ các biểu đồ so sánh cần thiết để nổi bật lên các vấn đề đặt ra

có sử dụng bột cao su phế thải - Khả năng áp dụng thực tiễn

II-1.6/ Kết luận

Khái quát sự cần thiết sử dụng BTN, BTN cải tiến và BTN cải tiến sử dụng bitum có bột cao su phế thải làm vật liệu lớp phủ mặt đường hiện nay Tổng hợp các kết quả đã thí nghiệm và nêu bật lên được các ưu điểm cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển loại BTN gia cố bột cao su phế thải đồng thời nêu các tồn tại cần phải khắc phục để sau này hoàn thiện hơn Nêu kiến nghị và định hướng

II-2 THÍ NGHIỆM CÁC LOẠI VẬT LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO BTN

* Tiêu chuẩn thí nghiệm: 22TCN 249-98

II-2.1/ Đá dăm

* Phương pháp thí nghiệm: TCVN 1771-87; 1772-87

- Nguồn gốc: Mỏ Đá Tân Đông Hiệp - Tỉnh Bình Dương

+ Cường độ đá gốc (Rn) = 1457 daN/cm2

+ Độ mài mòn LosAngeles (LA) = 17.86 (%)

+ Độ nén đập ở trạng thái bão hòa = 10,12 (%)

- Các thông số kỹ thuật khác : xem chi tiết ở PHỤ LỤC VẬT LIỆU (Đá 19mm; Đá 16mm; Đá 13mm; Đá Mi sàng)

- Nhận xét: Đối chiếu với yêu cầu kỹ thuật, loại đá này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật để sản xuất Bêtông nhựa chặt

- Lý do chọn nguồn đá:

+ Các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu kỹ thuật theo qui định

+ Trữ lượng mỏ đá lớn, khai thác dễ dàng

+ Rất nhiều công trình ở khu vực phía Nam sử dụng nguồn đá này

II-2.2/ Cát

* Phương pháp thí nghiệm: TCVN 342 343 344 345 - 86)

- Nguồn gốc: Cát vàng ở sông Đồng Nai (thuộc tỉnh Đồng nai)

+ Mođuyl độ lớn: 2,561

+ Hàm lượng bụi, sét, bẩn: 1,36 (%)

- Các thông số kỹ thuật: xem chi tiết ở PHỤ LỤC VẬT LIỆU (Cát vàng)

* Nhận xét: Đối chiếu với yêu cầu kỹ thuật như đã nêu trên, loại cát này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật để sản xuất Bêtông nhựa chặt

* Lý do chọn nguồn cát:

+ Các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu kỹ thuật theo qui định

+ Trữ lượng mỏ Cát lớn, khai thác dễ dàng

+ Hầu như các công trình ở khu vực phía Nam sử dụng nguồn Cát này

II-2.3/ Bột khoáng

- Nguồn gốc: Nhà máy XiMăng Sài Gòn

- Các thông số kỹ thuật: xem chi tiết ở PHỤ LỤC VẬT LIỆU (Bột khoáng)

* Nhận xét: Đối chiếu với yêu cầu kỹ thuật như đã nêu trên, loại Bột khoáng này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật để sản xuất Bêtông nhựa chặt

* Lý do chọn nguồn Bột khoáng:

+ Các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu kỹ thuật theo qui định

+ Trữ lượng của nhà máy lớn, mua và vận chuyển dễ dàng

+ Hầu như các công trình ở khu vực phía Nam sử dụng loại Bột Khoáng này

II-2.4/ Nhựa đường

* Phương pháp thí nghiệm: 22TCN 63-84 của Bộ GTVT

- Nguồn gốc: Nhựa đặc bán cứng gốc dầu mỏ ( loại SHELL 60/70)

- Các thông số kỹ thuật: chi tiết xem PHỤ LỤC VẬT LIỆU (Nhựa đường)

* Nhận xét: Đối chiếu với yêu cầu kỹ thuật như đã nêu trên, loại Nhựa Shell (60/70) hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật để sản xuất Bêtông nhựa chặt

* Lý do chọn nguồn Nhựa Shell 60/70:

+ Các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu kỹ thuật theo qui định

+ Nguồn Nhựa rất thông dụng trên thị trường Việt Nam

+ Hầu như các công trình ở nước Việt Nam sử dụng loại Nhựa này

II-2.5/ Cao su

- Nguồn gốc: Bột Cao su được xay ra từ lốp xe ôtô phế phẩm Trong đề tài này, với trình độ còn hạn chế, thiếu các thiết bị thí nghiệm, thời gian nghiên cứu không nhiều nên tôi chưa thể xác định bột Cao su dùng trong Đề tài có nguồn gốc là gì Đó là nhược điểm của Đề tài

- Các thông số kỹ thuật: ở đây tôi chỉ xác định thành phần hạt Chi tiết xem PHỤ LỤC VẬT LIỆU (Cao su)

II-3 THIẾT KẾ BÊTÔNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP MARSHALL:

II-3.1/ Yêu cầu kỹ thuật của bêtông nhựa chặt (BTNC)

Bêtông nhựa chặt rải nóng cần phải có các thông số kỹ thuật thoả mãn đạt theo tiêu chuẩn 22TCN 249-98 như trong bảng sau:

TT CÁC CHỈ TIÊU YÊU CẦU ĐỐI VỚI BÊ

TÔNG NHỰA LOẠI PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

I II A/ Thí nghiệm theo mẫu nén hình trụ (mẫu nén dưới áp lực 400 adN/cm2)

1 Độ rỗng cốt liệu khoáng chất,(% thể tích) 15 – 19 15 21

Qui trình thí nghiệm bêtông nhựa 22TCN 62-84

2 Độ rỗng còn dư, (% thể tích) 3 – 6 3 6

3 Độ ngậm nước, (% thể tích) 1,5 3,5 1,5 4,5

4 Độ nở, (% thể tích), không lớn hơn 0,5 1,0

5 Cường độ chịu nén (daN/cm2), ở nhiệt độ:

+ 20oC, không nhỏ hơn

+ 50oC, không nhỏ hơn

35

14

25

12

6 Hệ số ổn định nước, không nhỏ hơn 0,90 0,85

7 Hệ số ổn định nước khi cho ngậm nước

trong 15 ngày đêm, không nhỏ hơn 0,85 0,75

8 Độ nở (% thể tích), khi cho ngậm nước

trong 15 ngày đêm, không nhỏ hơn 1,5 1,8

B/ Thí nghiệm theo phương pháp Marshall (mẫu đầm 75 cú mỗi mặt)

1 Độ ổn định ở 60oC ( kN) không nhỏ hơn 8,0 7,5

AASHTO-T245 hoặc ASTM – D1559-95

2 Chỉ số dẻo qui ước ứng với S=8kN (mm),

nhỏ hơn hay bằng

3 Thương số Marshall (kN/mm) Min= 2,0

Max= 5,0 Max= 5,0 Min= 1,8

4 Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu ở

60oC, 24h so với độ ổn định ban đầu,% lớn

hơn

5 Độ rỗng bê tông nhựa 3 – 6 3 6

6 Độ rỗng cốt liệu 14 – 18 14 20

C/ Chỉ tiêu khác

Độ dính bám vật liệu nhựa đối với đá Khá Đạt yêu

cầu 22TCN 279-01 QT TN nhựa

II-3.2/ Phương pháp Marshall là gì?

Phương pháp Marshall là một phương pháp thực nghiệm do Viện asphalt của Mỹ đưa ra Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: Sau khi có đường cong cấp phối hợp lý, chúng ta tiến hành đúc các tổ mẫu (ít nhất 03 mẫu / 01 tổ mẫu) theo các hàm lượng nhựa khác nhau (các hàm lượng nhựa kế tiếp nhau chênh nhau khoảng 0,2 % đến 0,3%) Tiếp theo, ta thí nghiệm tất cả các chỉ tiêu của bêtông nhựa cho từng tổ hợp mẫu (các chỉ tiêu BTN phải thí nghiệm: Dung trọng; Cường độ Marshall; Chỉ số dẻo; Thương số Marshall; Khối lượng riêng cốt liệu; Khối lượng riêng BTN; Độ rỗng cốt liệu khoáng; Độ rỗng còn dư ) Khi có kết quả thí nghiệm rồi, ta vẽ lên các đường quan hệ giữa: Hàm lượng nhựa với Dung trọng; Hàm lượng nhựa với Cường độ Marshall; Hàm lượng nhựa với Độ rỗng còn dư của BTN; Hàm lượng nhựa với Độ rỗng cốt liệu khoáng và dựa vào các tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu ta sẽ tìm ra được Hàm lượng nhựa tối ưu Ứng với Hàm lượng nhựa tối ưu này ta được một hổn hợp BTN có tính năng kỹ thuật tốt nhất đồng thời đạt theo tiêu chuẩn yêu cầu và kinh tế nhất

II-3.3/ Tính toán và thiết kế Cấp phối Bêtông nhựa (BTNC15): Cấp phối BTNC15 được thiết kế theo 22TCN 249-98 của bộ GTVT ban hành

- Trên cơ sở đường bao cấp phối hạt trong tiêu chuẩn 22TCN 249-98 và các chỉ

tiêu kỹ thuật của các vật liệu đã thí nghiệm ở trên, ta phối hợp các hàm lượng của cốt liệu theo một tỷ lệ nào đó để được một đường cong cấp phối liên tục, trơn và nằm trong đường bao theo qui trình đã nêu nhằm tạo ra hỗn hợp bêtông nhựa chặt có các

chỉ tiêu kỹ thuật tối thiểu là đạt theo Qui trình 22TCN 249-98 (Bảng II.3)

(Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”)

BIỂU ĐỒ THÀNH PHẦN HẠTMiền cấp phối BTNC15 theo tiêu chuẩn 22-TCN-249-98

110

II-3.4/ Tính toán và thiết kế Hàm lượng nhựa tối ưu

- Từ định hướng Hàm lượng nhựa tối ưu trong qui trình 22TCN 249-98 đã nêu, kết hợp kinh nghiệm thực tế Tôi tiến hành đúc các tổ mẫu Marshall theo các hàm lượng nhựa như sau: 4,9%; 5,2%; 5,5%; 5,8% 6,1% cho từng loại “nhựa + x% cao su”:

“Nhựa + 0% CS; Nhựa + 2,5% CS; Nhựa + 5,0% CS; Nhựa + 7,5% CS; Nhựa +

10 %CS; Nhựa + 12,5% CS; Nhựa + 15% CS” và tiến hành thí nghiệm để tìm ra hàm lượng hỗn hợp “nhựa + Cao su” tối ưu cho từng loại Trong quá trình thí nghiệm, nhận thấy khi hàm lượng cao su trong nhựa đường lớn hơn 5% thì các chỉ tiêu Độ bền Marshall bắt đầu giảm nên tôi dừng lại ở hàm lượng cao su gia cố là 10%

BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTN

(Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”) (Bảng II.4)

nhựa + c.su Nhựa + Nhựa + Nhựa + Nhựa + Nhựa + cơ lý

2.381 2.376 2.371 2.365 2.361 Dung trọng 13.90 16.27 17.05 16.20 15.70 Độ bền Marshall

4.22 4.08 3.79 3.98 4.14 Chỉ số dẻo (lúc p.hoại)

16.81 16.94 17.15 17.48 17.58 Độ rỗng cốt liệu

2.402 2.393 2.387 2.380 2.376 Dung trọng 16.25 17.68 18.25 16.79 16.49 Độ bền Marshall

4.5 4.17 4.37 4.05 4.22 Chỉ số dẻo (lúc p.hoại)

16.09 16.4 16.61 16.78 16.96 Độ rỗng cốt liệu

2.411 2.402 2.400 2.389 2.385 Dung trọng 15.48 18.05 19.44 17.45 17.15 Độ bền Marshall

4.83 4.40 4.47 4.44 4.37 Chỉ số dẻo (lúc p.hoại)

3.20 4.10 4.35 3.93 3.92 Thương số M.shall 16.05 16.28 16.47 16.77 16.88 Độ rỗng cốt liệu

2.417 2.405 2.397 2.392 2.390 Dung trọng 14.36 16.85 18.97 17.38 17.08 Độ bền Marshall

5.18 4.53 4.59 4.80 4.67 Chỉ số dẻo (lúc p.hoại)

15.52 15.86 16.18 16.35 16.50 Độ rỗng cốt liệu

2.407 2.397 2.391 2.388 2.384 Dung trọng 11.04 15.50 18.13 16.85 16.32 Độ bền Marshall

5.42 4.61 4.67 4.95 4.71 Chỉ số dẻo (lúc p.hoại)

15.81 16.08 16.45 16.51 16.57 Độ rỗng cốt liệu

Nhận xét:

* DUNG TRỌNG RIÊNG BTN ( γ BTN)

- Nếu sử dụng cùng một hàm lượng “Nhựa + % Cao su” thì ( γ BTN) sẽ giảm dần khi hàm lượng Cao su tăng: đúng vậy, vì khối lượng riêng của Cao su (khoảng 0.914 g/cm3) nhỏ hơn khối lượng riêng của Nhựa đường (khoảng 1,03 g/cm3)

* ĐỘ BỀN MARSHALL (Rmarshall) ( Qui định > 8KN )

- Hầu như (Rmarshall) của các loại hỗn hợp trên đều đạt cao hơn yêu cầu kỹ thuật

- Nếu sử dụng cùng một hàm lượng thí nghiệm (4,9%; 5,2%; 5,5%; 5,8%;6,1%)

ở các hỗn hợp nêu trên thì (Rmarshall) tăng dần khi hàm lượng cao su trong hỗn hợp tăng Nhưng mức tăng lớn nhất dừng ở khi dùng hỗn hợp “ Nhựa + 5% bột Cao su” và hạ dần khi hàm lượng cao su trong hỗn hợp lớn hơn 5% (Trong đề tài này, do thời gian có hạn nên tôi dừng lại ở hàm lượng 10%Cao su trong hỗn hợp, lúc này (Rmarshall) vẫn còn cao hơn khi dùng 0%Cao su một ít Tất nhiên, khi tăng thêm hàm lượng Cao su trong hỗn hợp thì (Rmarshall) càng giảm và đến một mức nào đó nó sẽ kém hơn khi không dùng cao su và không đạt yêu cầu kỹ thuật)

- Dựa vào các biểu đồ quan hệ giữa: Hàm lượng nhựa với Dung trọng; Hàm lượng nhựa với Cường độ Marshall; Hàm lượng nhựa với Độ rỗng còn dư của BTN; Hàm lượng nhựa với Độ rỗng cốt liệu khoáng và dựa vào các tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu Tôi chọn ra được các hàm lượng tối ưu như sau:

+ Hàm lượng tối ưu của hổn hợp “Nhựa + 0% CS” là : 5,37 %

+ Hàm lượng tối ưu của hổn hợp “Nhựa + 2,5% CS” là : 5,49 %

+ Hàm lượng tối ưu của hổn hợp “Nhựa + 5% CS” là : 5,56 %

+ Hàm lượng tối ưu của hổn hợp “Nhựa + 7,5% CS” là : 5,63 %

+ Hàm lượng tối ưu của hổn hợp “Nhựa + 10% CS” là : 5,69 %

Lưu ý : Hàm lượng nhựa ở đây là hàm lượng nhựa tính theo hổn hợp BTN

BẢNG TÍNH LƯỢNG NHỰA & LƯỢNG CAO SU CÓ TRONG 100KG BTN SỬ

DỤNG BỘT CAO SU Ở CÁC TỶ LỆ KHÁC NHAU: (Bảng II.5)

DÙNG CÁC LOẠI

HỖN HỢP “NHỰA +

% BỘT CAO SU PHẾ

THẢI”

Các hàm lượng hỗn hợp “Nhựa + Cao su” tối ưu (%)

Lượng nhựa & Lượng cao su có trong các hỗn hợp tối ưu (Kg)

Nh C.su Nh C.su Nh C.su Nh C.su Nh C.su

BẢNG TỔNG HỢP CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MẪU KIỂM CHỨNG:

(Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”) (Bảng II.6 )

DÙNG CÁC LOẠI

HỖN HỢP “NHỰA +

% BỘT CAO SU PHẾ

THẢI”

Khối lượng thể tích của BTN (kG/cm3)

Độ bền Marshall của BTN (KN)

Thương số Marshall của BTN (KN/mm)

Độ rỗng cốt liệu của BTN (%)

Độ rỗng còn dư của BTN (%)

Kết luận: Qua (bảng II.6) ta thấy các hàm lượng tối ưu đã chọn thật sự tối ưu cho từng

loại hỗn hợp thí nghiệm Vì vậy ta dùng các hàm lượng tối ưu này để chế tạo mẫu BTN phục vụ thí nghiệm cho các chỉ tiêu cơ lý khác

Ghi chú: Đúng ra, từ kết quả các hàm lượng “Nhựa + Cao su” tối ưu tìm được ta phải

đi tìm hàm lượng cao su tối ưu (giả sử là TU) và hàm lượng hỗn hợp “Nhựa + TU% cao su” tối ưu để chế tạo BTN cải tiến và so sánh với BTN thông thường Nhưng do thời gian có hạn nên tôi dùng hỗn hợp tốt nhất trong các hỗn hợp đã thí nghiệm là hỗn hợp

“Nhựa + 5%bột Cao su” để chế bị mẫu so sánh với BTN thông thường Ngoài ra, vì các hỗn hợp “Nhựa + %Cao su” trên đều cho ra kết quả đều bằng hoặc tốt hơn BTN thông thường nên một số chỉ tiêu tôi sử dụng tất cả các hỗn hợp trên để nghiên cứu và

so sánh và từ đó ta có thể chọn ra một miền hàm lượng cao su tốt đáp ứng được tốt được các yêu cầu cụ thể nào đó cho từng công trình cụ thể và trong quá trình khai thác sử dụng

CHƯƠNG III: XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BITUM CẢI TIẾN BẰNG CÁCH TRỘN BỘT CAO SU PHẾ THẢI

III-1 CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ THÔNG DỤNG CỦA BITUM

- Tiêu chuẩn thí nghiệm: 22TCN 279-01 của Bộ GTVT [1]

- Phương pháp thí nghiệm: 22TCN 63-84 của Bộ GTVT [1] & ASTM

- Vật liệu: Nhựa Shell 60/70 Hiện nay có rất nhiều loại nhựa, nhưng với khí hậu nhiệt đới ở nước ta và nhất là khí hậu miền Nam bộ nóng ẩm quanh năm thì việc sử dụng loại nhựa có độ kim lún 60/70 là thích hợp nhất Trên thị trường cũng có nhiều hãng cung cấp nhựa 60/70 nhưng theo cá nhân tôi thấy ở khu vực miền phía Nam sử dụng nhiều loại nhựa Shell 60/70 và chất lượng cũng ổn định, khả năng cung cấp lớn

Vì vậy tôi chọn nhựa Shell 60/70 sử dụng trong đề tài này

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 09 CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA NHỰA

SHELL 60/70

Stt Chỉ tiêu TN Mẫu Giá trị Tiêu chuẩn Phương

TN VALUE qui định pháp TN

SAMPLE

TN TEST

Trung bình

AVERAGE

STANDARD (loại 60/70 ) 22TCN-279-01

TEST METHOD

4 Nhiệt độ bắt lửa ( oc) 2 305 305 Min 230 D - 92

( Flash point ) 3 307

5 Khối lượng riêng ở 25 oc 2 1.022 1.024 1,00 - 1,05 D - 70

Lượng hoà tan trong 1 99.30

6 Trichloroethylene ( % ) 2 99.45 99.33 min 99 ASTM

( Solubility in Trichloroethylene % )

7 ở 163oc trong 5 h ( % ) 2 0.298 0.304 Max 0,8 D - 6 (Loss on heating - LOH) 3 0.303

Tỉ lệ độ kim lún của nhựa sau

8 5h so với độ kim lún ở 25 oc 2 90.96 91.73 Min 75 D - 5 (Retained pen , at 163 oc /

pen, at 25 oc )(%) 3 91.85

Độ dính bám đá 1 Cấp 4 >= Cấp 3 22TCN

3 Cấp 4 >= Level 3

III-2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT CAO SU PHẾ THẢI TRONG BITUM CẢI TIẾN

- Tiêu chuẩn thí nghiệm: 22TCN 279-01 của Bộ GTVT [1]

- Phương pháp thí nghiệm: 22TCN 63-84 của Bộ GTVT [1] & ASTM

- Vật liệu:

* Bitum: Nhựa Shell 60/70

* Bột cao su: Từ các lốp xe thải mài ra để lấy bột Tuy nhiên, do thời gian có

hạn và điều kiện không cho phép nên ở đây tôi dùng bột cao su phế thải nhập từ nước ngoài về, do vậy chưa xác định được tính chất và nguồn gốc của chúng

Vì thời gian và điều kiện không cho phép nên ở đây tôi Nghiên cứu ảnh hưởng của bột cao su phế thải trong bitum cải tiến chỉ với 04 chỉ tiêu: Tính quánh; Tính dẻo; Tính ổn định nhiệt; Độ dính bám với cốt liệu

Tính quánh của bitum thay đổi trong phạm vi rộng và phụ thuộc nhiều vào hàm lượng các nhóm cấu tạo và nhiệt độ môi trường Khi hàm lượng nhóm asphalt tăng lên và hàm lượng nhóm chất dầu giảm thì tính quánh của bitum tăng Khi nhiệt độ của môi trường tăng cao, nhóm chất nhựa sẽ bị chảy lỏng và chất dầu càng dễ bay hơi thì tính quánh của bitum giảm Tính quánh ảnh hưởng nhiều đến các 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 có dùng bitum

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NHỰA SHELL 60/70 & HỔN HỢP “SHELL 60/70 + CAO SU” (Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”) ( Bảng III.2)

Stt CÁC CHỈ TIÊU KỸ

THUẬT 0% cs 2,5%cs 5% cs 7,5%cs 10%cs 14%cs Hổn hợp Nhựa Shell 60/70 + Cao su

% đạt so với (Nhựa+

Nhận xét: (So sánh giữa hỗn hợp “Nhựa 60/70 + x% Cao su” đối với Nhựa 60/70

thông thường)

Trị số độ kim lún càng giảm dần (tăng độ cứng và độ dai của vật liệu) khi hàm lượng cao su trong bitum càng tăng, điều này chứng tỏ khi có trộn cao su trong bitum thì sẽ được một chất liên liên kết mới có độ cứng và độ dai tăng Qua quan sát trong quá trình thí nghiệm, giải thích việc giá trị độ kim lún giảm như sau: Một phần nhỏ hàm lượng cao su hòa tan vào trong nhựa đường (xảy ra cơ chế tác dụng hóa lý giữa Bitum và Cao su) nên cải thiện được tính chất “độ kim lún” của nhựa Phần lớn là không tan nên còn nhiều hạt cao su trong hỗn hợp, chính các hạt cao su này gây nên lực cản làm cho giá trị “độ kim lún” giảm xuống

III-2.2/ Tính dẻo (Biểu hiện thông qua Độ giãn dài)

Tính dẻo đặc trưng cho khả năng biến dạng của bitum dưới tác dụng của ngoại lực Cũng như tính quánh, tính dẻo của bitum phụ thuộc vào hàm lượng các nhóm cấu tạo và nhiệt độ môi trường Khi nhiệt độ tăng, tính dẻo tăng (lúc này bitum bị chảy dẻo và hỗn hợp chứa chúng cũng rất dễ mất khả năng chịu lực và biến dạng khi chịu tải trọng đủ lớn tác dụng: đó là hiện tượng đùn, hằn vệt bánh xe trên mặt đường bêtông asphalt) Ngược lại khi nhiệt độ giảm, tính quánh tăng (lúc này bitum cứng lại và hỗn

ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT CAO SU đến ĐỘ KIM LÚN"

hợp chứa chúng sẽ biến cứng, giòn và rất dễ bị nứt khi có tải trọng đủ lớn tác dụng: đó là hiện tượng xuất hiện các vết nứt ở mặt đường bêtông asphalt)

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NHỰA SHELL 60/70 & HỔN HỢP (SHELL 60/70 + CAO SU) (Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”) (Bảng III.3)

S

tt CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT 0% cs 2,5%cs 5% cs 7,5%cs 10%cs Hổn hợp Nhựa Shell 60/70 + Cao su

% đạt so với (Nhựa+ 0%cs) 100 38,5 31,5 26,2 20,0

thông thường)

Trị số độ kéo dài càng thấp khi hàm lượng cao su trong bitum càng tăng Quan sát trong quá trình thí nghiệm thấy rằng: lúc mẫu đứt thì tiết diện mẫu còn rất lớn, hiện tượng này một phần do bitum có chứa hàm lượng cao su sẽ thiên về cứng hơn trong điều kiện nhiệt độ thấp, nhưng phần lớn là do hàm lượng cao su không hòa tan trong nhựa nên tồn tại các hạt cao su làm cho sự liên kết của các phần tử giảm đi Hỗn hợp

“nhựa + Cao su” không phải là thể liên tục như nhựa nguyên chất, do vậy nếu chúng chịu một lực kéo nào đó thì chúng dễ dàng bị đứt ra ngay, càng dễ đứt khi hàm lượng

ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT CAO SU đến ĐỘ KÉO DÀI

cao su càng nhiều (hiện tượng này sẽ được khắc phục một phần khi hàm lượng Cao su hoà tan hoàn toàn vào trong bitum tạo thành một thể đồng nhất)

Đây là một trong những tính chất rất quan trọng của bitum, ảnh hưởng rất lớn đến công nghệ thi công và các nghiên cứu tính toán về bêtông asphalt Khi nhiệt độ thay đổi, tính quánh và tính dẻo của bitum thay đổi Sự thay đổi này càng nhỏ, bitum có độ ổn định nhiệt càng cao từ đó các hỗn hợp dùng chất kết dính là bitum sẽ giữ và phát huy được các đặc tính có lợi cho khả năng chịu lực, chịu nhiệt

Tính ổn định nhiệt của bitum phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó Khi hàm lượng nhóm asphalt tăng, tính ổn định nhiệt tăng và ngược lại Do đó muốn tăng tính chịu nhiệt của bitum ta cần phải bổ sung các chất phụ gia có cấu trúc tương thích với nhóm asphalt để chúng kết nối lại với nhau tạo thành hỗn hợp chứa hàm lượng asphalt cao hơn

[16]Bước chuyển của bitum từ trạng thái rắn sang trạng thái quánh rồi hóa lỏng và ngược lại từ trạng thái lỏng sang trạng thái quánh rồi hóa rắn xảy ra trong khoảng nhiệt độ nhất định Tính ổn định nhiệt của bitum có thể biểu thị bằng khoảng nhiệt độ đó (ký hiệu: T) T được xác định bởi công thức: T = Tm - Tc

Trong đó: Tm: Nhiệt độ hóa mềm của bitum (là nhiệt độ chuyển bitum từ trạng thái quánh sang trạng thái lỏng)

Tc: Nhiệt độ hoá cứng của bitum (là nhiệt độ chuyển bitum từ trạng thái quánh sang trạng thái rắn)

Nếu T càng lớn (tức là Tm càng lớn hoặc Tc càng nhỏ), tính ổn định nhiệt của bitum càng cao

Trị số nhiệt độ hoá mềm dùng để xác định khoảng biến thiên nhiệt độ T, ngoài

ra còn có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng trong xây dựng đường ôtô khi sử dụng lớp mặt là bêtông asphalt Như chúng ta đã biết, lớp mặt đường bằng bêtông asphalt chịu ảnh hưởng trực tiếp của tải trọng, nhiệt độ Trong quá trình chịu lực, nếu gặp nhiệt độ cao mà Tm không tương thích, bitum bị chảy, giảm tính dính bám, tăng tính nhớt ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của hổn hợp bêtông asphalt nên mặt đường bị đùn bêtông, lượn sóng, hằn vệt bánh xe và dần dần tích luỹ biến dạng, giảm khả năng chịu lực và hư hỏng mặt đường [16]

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NHỰA SHELL 60/70 & HỔN HỢP (SHELL 60/70 + CAO SU) (Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”) (Bảng III.4)

tt CÁC CHỈ TIÊU KỸ

Nhận xét: (So sánh giữa hỗn hợp “Nhựa 60/70 + x% Cao su” đối với Nhựa 60/70 thông thường)

Trị số Nhiệt hóa mềm càng tăng (tăng độ nhớt) khi hàm lượng cao su trong bitum càng tăng Giải thích hiện tượng này như sau: Điểm chảy của Nhựa nhỏ hơn cao

su và một phần do tương tác hoá lý giữa bitum với cao su và phần lớn do lực cản của các hạt cao su không tan nên làm cho Nhiệt hóa mềm đến chậm hơn

Sự liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng liên quan đến quá trình thay đổi lý hoá khi hai chất tiếp xúc tương tác với nhau Sự liên kết này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cường độ và tính ổn định với nước, với nhiệt độ của hỗn hợp bitum với 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 thụ Khi đó các phân tử bitum ở trong các lớp hấp thụ sẽ tương tác với các phân tử của vật liệu khoáng ở lớp bề mặt, tương tác đó có thể là Lý học hoặc Hóa học Lực liên kết Hóa học lớn hơn rất nhiều so với lực liên kết Lý

ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT CAO SU đến NHIỆT HÓA MỀM

học, do đó khi bitum tương tác Hóa học với vật liệu khoáng thì cường độ liên kết sẽ lớn nhất

Khả năng liên kết của butum với vật liệu khoáng trước hết phụ thuộc vào tính chất của bitum Bitum có sức căng bề mặt càng lớn, 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 axit Bitum chứa nhóm chất nhựa càng nhiều thì sự liên kết của nó với vật liệu khoáng càng tốt

Ngoài ra, 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 axít vì có thể xảy ra liên kết Hóa học

Sự ổn định nước của hỗn hợp trong trường hợp này phụ thuộc độ hòa tan trong nước của các hợp chất mới tạo thành Nếu như các hợp chất mới tạo thành là những muối kali, natri của các axít hữu cơ thì nó sẽ hòa tan trong nước và như vậy làm cho hổn hợp kém ổn định nước Nếu những hợp chất ấy là các muối của canxi, sắt, nhôm, là những hợp chất không hòa tan trong nước thì hỗn hợp ổn định nước

Nếu bitum có hoạt tính bề mặt thấp thì cần phải thêm vào chất phụ gia làm tăng hoạt tính bề mặt để tăng khả năng dính kết của bitum với vật liệu khoáng

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM NHỰA SHELL 60/70 & HỔN HỢP (SHELL 60/70 + CAO SU) (Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”) (Bảng III.5)

tt CÁC CHỈ TIÊU KỸ

CHƯƠNG IV: XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊTÔNG NHỰA SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI

* Qui trình áp dụng : 22TCN 249-98

* Nơi thí nghiệm: Công ty Cổ phần Xây dựng CTGT 710

*Vật liệu thí nghiệm: Bêtông nhựa chặt (BTNC15)

Như ta đã biết, việc sử dụng bitum cải tiến trong bêtông asphalt thường dùng cho lớp trên cùng của kết cấu áo đường, mà lớp trên này thường là BTN có kích cỡ hạt Dmax= 15mm hoặc Dmax= 20mm Vấn đề cốt yếu là ta nghiên cứu ảnh hưởng của bột cao su đến các chỉ tiêu cơ lý của BTN sử dụng bột cao su phế thải và do thời gian làm đề tài có hạn nên tôi chỉ chọn BTNC15 để tiến hành nghiên cứu

IV-1 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT CAO SU PHẾ THẢI ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO PHẾ THẢI

A- CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ VỚI PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM TIÊU CHUẨN IV-1.1/ Độ ổn định Marshall & Khối lượng thể tích của bêtông asphalt:

* Phương pháp thí nghiệm: 22TCN 62-84 của Bộ GTVT

* Kết quả thí nghiệm: Xem bảng TỔNG HỢP & các BIỂU ĐỒ biểu diễn sau:

BẢNG TỔNG HỢP SO SÁNH (Bảng IV.1)

TT BÊ TÔNG NHỰA

DÙNG CÁC LOẠI

HỖN HỢP “NHỰA + %

BỘT CAO SU PHẾ

THẢI”

Khối lượng thể tích của BTN (kG/cm3)

Tỷ lệ phần trăm tăng giảm (%)

Độ bền Marshall của BTN (KN)

Tỷ lệ phần trăm tăng giảm (%)

In FILE Su Ly Toi uu.excel