TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------ ĐẶNG ĐÌNH TÀI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VÔI THỦY HÓA LÀM PHỤ GIA CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TÔNG NHỰA TRONG ĐIỀU KIỆN ẨM ƯỚT KHU VỰC THÀNH P
Tính cấp thiết của đề tài
Biến đổi khí hậu và sự gia tăng lưu lượng xe đang gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho mặt đường, đặc biệt tại thành phố Hồ Chí Minh, với nhiều vết nứt, ổ gà và hằn lún Để khắc phục tình trạng này, cần nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới phù hợp với điều kiện khí hậu hiện tại Hiện nay, bê tông nhựa thông thường 60/70 được sử dụng cho tất cả các loại mặt đường, nhưng với những tuyến đường có lưu lượng xe lớn và tải trọng nặng, cần cải thiện đặc tính cơ học của bê tông nhựa để chịu được các điều kiện khắc nghiệt.
1 Một số nguyên nhân hư hỏng mặt đường bê tông nhựa phổ biến:
Biến dạng mặt đường là một trong những dạng hư hỏng phổ biến hiện nay, thường được thể hiện qua các hiện tượng như hằn lún vệt bánh xe, lún trồi, lún lõm và lượn sóng.
Lún trồi là một hiện tượng phổ biến trên thế giới trong những năm gần đây
Hiện tượng lún hằn trên mặt đường xảy ra do sự dịch chuyển của các vật liệu, tạo ra các vệt lún sâu theo hướng tác động của bánh xe Những vết nứt nghiêm trọng giữ nước bên trong, dẫn đến sự khiếm khuyết của một hoặc nhiều lớp trong kết cấu áo đường.
Các yếu tố vật liệu có ảnh hưởng đáng kể đến độ lún vệt bánh xe, bao gồm thành phần cấp phối, độ nhám bề mặt của cốt liệu, hình dạng và kích thước hạt, cũng như loại nhựa được sử dụng.
Hiện tượng lún trồi là một sự cố nghiêm trọng trong kết cấu áo đường mềm, xảy ra do áp lực và tải trọng bánh xe tăng lên Lún trồi xuất phát từ việc tích lũy biến dạng ở một hoặc nhiều lớp trong kết cấu áo đường Biến dạng tích lũy ở phần mặt của kết cấu được coi là nguyên nhân chính dẫn đến lún cho toàn bộ hệ thống Hiện tượng này đã được ghi nhận tại nhiều quốc gia có nền khoa học kỹ thuật phát triển.
Hiện tượng lún trồi ở một đoạn tuyến thuộc bang Michigan (Mỹ)
Hiện tượng lún trồi ở tuyến đường
Lún trồi ở Thái Lan Lún trồi ở Ba Lan
Nứt đường có nhiều loại hình như nứt dọc, nứt ngang và nứt dạng lưới, mỗi loại có nguyên nhân riêng Những nguyên nhân chính dẫn đến nứt bao gồm thi công không đảm bảo chất lượng, nhiệt độ không phù hợp trong hỗn hợp, độ ẩm cao của nền đường và tải trọng lớn.
Nứt dọc xảy ra do sự mở rộng nền và mặt đường, cũng như biến dạng không đồng đều giữa các phần đường cũ và mới Những vết nứt này thường xuất hiện dọc theo vệt lún bánh xe, do ứng suất kéo từ tải trọng xe vượt quá giới hạn chịu kéo của bê tông nhựa.
Nứt do mỏi xảy ra khi tải trọng tác dụng gây ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông nhựa Các vết nứt xuất hiện không liên tục theo vệt bánh xe, sau đó phát triển thành vùng nứt lớn Mặt đường tiếp tục nứt nặng hơn, dẫn đến sự hình thành “ổ gà”.
Nứt thành lưới xuất hiện do sự phát triển của vết nứt ngang và vết nứt dọc, thường là kết quả của việc chiều dày bê tông nhựa không đạt yêu cầu, nhiệt độ hỗn hợp không ổn định, và vật liệu có tính dính bám kém.
2 Một số nguyên nhân hư hỏng mặt đường do biến đổi khi hậu
Biến đổi nhiệt độ gây hư hỏng mặt đường: Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), nhiệt độ trung bình năm có thể tăng từ 2 đến 3 độ C vào cuối thế kỷ 21, với số ngày có nhiệt độ trên 35 độ C tăng từ 15 đến 30 ngày trên toàn quốc Khi nhiệt độ mặt đường tăng cao, bitum chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, và khi nhiệt độ giảm, nó lại chuyển từ lỏng sang rắn Dưới tác động của tải trọng xe, mặt đường dễ bị hư hỏng, dẫn đến hiện tượng rạn nứt, nứt dọc và nứt ngang.
Hư hỏng do biến đổi lượng mưa gây ra bởi sự bất thường của thời tiết như mưa lớn kéo dài và nước biển dâng, dẫn đến ngập lụt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến lớp BTN mặt đường, vốn là vật liệu bền nước kém Ảnh hưởng của độ ẩm và nước mặt làm cho cốt liệu sử dụng cho BTN bị ẩm ướt trong quá trình chế tạo, làm giảm liên kết giữa bitum với cốt liệu và bột khoáng, dẫn đến phân rã vật liệu BTN Khi gặp nước, áp lực từ bánh xe làm nước dồn vào các khe nứt, khiến chúng mở rộng Dưới tác động của tải trọng và xe quá tải, hư hỏng như gãy, nứt, mất mát vật liệu và ổ gà xuất hiện.
Để khắc phục hiện tượng ổ gà trên mặt đường, cần sử dụng bê tông nhựa có tính dính bám tốt trong môi trường ẩm ướt, cải tiến tính dính bám giữa nhựa và cốt liệu Trên thế giới, phụ gia như vôi thủy hóa và phụ gia hóa học được sử dụng để tăng cường dính bám Bê tông nhựa 60/70 kết hợp vôi thủy hóa đang được áp dụng phổ biến để sửa chữa và xây dựng mới mặt đường Tuy nhiên, tại Việt Nam, nghiên cứu về việc sử dụng vôi thủy hóa để cải thiện đặc tính cơ học của bê tông nhựa trong điều kiện ẩm ướt vẫn còn hạn chế Do đó, việc nghiên cứu này tại thành phố Hồ Chí Minh là cần thiết và cấp bách.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng đã đánh giá hiệu quả của việc sử dụng vôi thuỷ hoá làm phụ gia trong chế tạo bê tông nhựa (BTN) cho mặt đường, đặc biệt trong điều kiện nhiệt-ẩm ướt tại thành phố Hồ Chí Minh.
Nghiên cứu này đánh giá các nguyên nhân chính gây hư hỏng mặt đường bê tông nhựa, từ đó xác định phụ gia vôi thủy hóa như một giải pháp hiệu quả.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng để phân tích và đánh giá các tính chất của bê tông nhựa (BTN) sử dụng phụ gia Trong quá trình thực nghiệm, phương pháp đối chứng được sử dụng để so sánh với các tính chất của BTN thông thường, đồng thời tuân thủ các quy định của tiêu chuẩn hiện hành nhằm đưa ra kết luận cho mục tiêu nghiên cứu.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Xác định hàm lượng phụ gia vôi thủy hóa tối ưu cho bê tông nhựa (BTN) bằng cách thay đổi tỷ lệ vôi để thay thế một phần bột khoáng trong BTN, sử dụng nhựa đường 60/70 và cốt liệu.
Đề xuất sử dụng phụ gia vôi thủy hóa trong chế tạo hỗn hợp bê tông nhựa có thể nâng cao chất lượng mặt đường trong quá trình khai thác Việc áp dụng giải pháp này không chỉ cải thiện độ bền và khả năng chịu tải của mặt đường mà còn góp phần tăng cường tính ổn định và độ bám dính của hỗn hợp bê tông nhựa.
Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng vôi thủy hoá làm phụ gia cho BTN ở trong và ngoài nước;
Thu thập số liệu về vật liệu chế tạo bê tông nhựa (BTN) và đánh giá thực trạng sản xuất cũng như khai thác mặt đường BTN tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh là rất cần thiết để cải thiện chất lượng hạ tầng giao thông.
- Cơ sở lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm sử dụng vôi thủy hóa chế tạo bê tông nhựa trong phòng thí nghiệm;
Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng nhằm đánh giá độ ổn định nước, tuổi thọ và hiệu quả sử dụng vôi thuỷ hoá làm phụ gia trong chế tạo BTN mặt đường Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện nhiệt-ẩm ướt tại thành phố Hồ Chí Minh.
- Đánh giá hiệu quả sử dụng vôi thủy hóa chế tạo bê tông nhựa làm mặt đường ô tô ở Việt Nam.
6
Nghiên cứu tổng quan về bê tông nhựa và các dạng phá hoại trong bê tông nhựa dưới tác dụng của nhiệt-ẩm ướt
a) Tổng quan về bê tông nhựa
Bê tông nhựa (BTN) là vật liệu khoáng - bitum dùng trong xây dựng đường, được tạo ra từ hỗn hợp BTN bao gồm đá dăm, cát, bột khoáng, bitum và phụ gia Hỗn hợp này được thiết kế hợp lý, phối trộn đồng nhất và gia nhiệt ở nhiệt độ từ 120 - 160 độ C Thành phần của BTN theo khối lượng thường là: đá dăm 20-65%, cát 30-66%, bột khoáng 4-14%, bitum 5-7%, cùng với phụ gia tùy theo kết quả thí nghiệm BTN nổi bật hơn các hỗn hợp vật liệu khoáng - bitum khác nhờ vào độ đặc, cường độ, độ ổn định và độ bền cao, nhờ sự tham gia của bột khoáng trong thành phần.
Các tính chất của BTN chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ thi công và khai thác, tỷ lệ cũng như tính chất của các vật liệu thành phần Sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và mức độ dính kết giữa cốt liệu và bitum cũng đóng vai trò quan trọng Mỗi thành phần trong hỗn hợp BTN có vai trò cụ thể và liên quan chặt chẽ đến nhau, góp phần tạo nên khối liên kết với đầy đủ các tính chất cần thiết cho vật liệu làm lớp mặt đường.
Việc lựa chọn các thành phần cấu thành BTN không phải là ngẫu nhiên mà có sự tính toán kỹ lưỡng Mỗi thành phần trong hỗn hợp đều đóng vai trò quan trọng và liên kết chặt chẽ với nhau, nhằm tạo ra một khối liên kết có cường độ và các tính chất cần thiết để làm mặt đường.
Theo các tài liệu quốc tế thì BTN có thể khai thác ở nhiệt độ từ -50 0 C đến
Để tăng cường độ ổn định nhiệt của bê tông nhựa (BTN) trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, cần chú ý đến các giải pháp phù hợp BTN thường bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời tiết trong quá trình khai thác, dẫn đến tình trạng già đi, nứt nẻ, mài mòn và biến dạng, từ đó giảm tuổi thọ khai thác Tuổi thọ trung bình của các lớp phủ mặt đường bằng BTN khoảng 10 đến 15 năm, nhưng nếu được thiết kế, thi công, bảo dưỡng và khai thác hợp lý, tuổi thọ tối đa có thể đạt đến 20 năm Hư hỏng mặt đường bê tông nhựa cũng thường xảy ra do ẩm ướt.
Cơ chế phá hoại của mặt đường bêtông nhựa dưới tác dụng của tải trọng, nhiệt- ẩm ướt được thể hiện như hình vẽ 1.1
Hình 1.1 Cơ chế hư hỏng mặt đường BTN do hơi ẩm, nước mặt và tải trọng bánh xe Các hư hỏng được đánh giá theo hai trường hợp:
Cốt liệu của bêtông nhựa có thể bị ẩm trong quá trình chế tạo, dẫn đến sự xuất hiện các lỗ rỗng do thi công không đạt độ chặt thiết kế Dưới tác động của tải trọng xe, áp lực lỗ rỗng gia tăng, làm giảm khả năng liên kết của màng bitum với cốt liệu, gây phân rã vật liệu BTN Biên độ chênh lệch nhiệt độ lớn có thể tạo ra các rạn nứt tế vi do co ngót, và khi có nước mặt, tải trọng xe sẽ ép nước vào các khe nứt, làm chúng mở rộng Khi bánh xe đi qua, nước và vật liệu BTN bị phân rã sẽ bị hút ra khỏi các khe nứt Tác động của tải trọng xe, đặc biệt là xe quá tải và nhiệt độ cao, làm tăng mức độ phân rã vật liệu, dẫn đến hư hỏng như ổ gà, tách lớp và rỗ tổ ong.
Hình 1.2 Các dạng hư hỏng BTN: (a)- ổ gà; (b)- tách lớp
Khi mặt đường BTN gặp phải mưa kéo dài bất thường, tình trạng ngập lụt và đọng nước có thể xảy ra, dẫn đến nước xâm nhập vào các lớp móng và lớp áo đường Những yếu tố như chất lượng lu lèn kém, vật liệu không đạt yêu cầu, và điều kiện thi công không đảm bảo có thể gây ra hư hỏng như nứt lề đường, gồ sống trâu, và lún cục bộ Tải trọng thiết kế tác động lên mặt đường có thể gây ra đứt gẫy và lún cục bộ, làm giảm chất lượng và độ bền của công trình.
Hình 1.3 Các dạng hư hỏng BTN: (a)- gồ sống trâu; (b)- nứt lề đường c) Mất mát vật liệu mặt đường
Nhựa đường bị hóa già sẽ mất khả năng đàn hồi và có nguy cơ bong tróc khỏi cốt liệu Điều này xảy ra do tác động của tải trọng theo thời gian trong điều kiện môi trường nhiệt.
- ẩm ướt kết cấu áo đường có thể bị như hỏng như hình 1.4
Hình 1.4 Hư hỏng mặt đường BTN theo thời gian
Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nứt do mỏi bao gồm: hàm lượng nhựa không đủ, dính bám kém giữa cốt liệu và nhựa đường, cốt liệu ẩm và không đảm bảo độ sạch, chất lượng nhựa đường kém hoặc nhựa đường hóa già, đầm nén không đủ, và thi công trong điều kiện bất lợi.
Dạng hư hỏng này xảy ra khi ứng suất kéo vượt quá cường độ kéo của bê tông nhựa, dẫn đến sự xuất hiện các vết nứt dài không liên tục theo vệt bánh xe Các vết nứt này dần phát triển và kết nối với nhau, hình thành vùng nứt lớn hơn Cuối cùng, các vết nứt phát triển thành kiểu nứt rạn và xuất hiện các “ổ gà”.
Hiện tượng nứt mỏi thường xảy ra do nhiều nguyên nhân kết hợp, bao gồm tải trọng nặng vượt quá thiết kế và lưu lượng xe tải trọng lớn Mặt đường có bề dày nhỏ hoặc lớp dưới yếu gây ra độ võng lớn, làm tăng ứng suất kéo ở đáy lớp bê tông nhựa và dẫn đến nứt Ngoài ra, chất lượng xây dựng kém, đầm nén không đủ, thi công trong điều kiện thời tiết bất lợi, và hàm lượng nhựa thiếu cũng làm giảm cường độ nền móng, từ đó tăng khả năng phát sinh vết nứt Hình ảnh nứt do mỏi vật liệu được thể hiện trong hình 1.5.
Hằn lún vệt bánh xe là hiện tượng hư hỏng mặt đường do hỗn hợp vật liệu bị biến dạng khi chịu tải trọng từ bánh xe, dẫn đến việc tạo ra rãnh dọc tại vị trí bánh xe nặng Hiện tượng này thường xảy ra do đầm nén thứ cấp của tải trọng giao thông hoặc do hỗn hợp mất ổn định trong trạng thái dẻo – chảy, và phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ môi trường cũng như tải trọng Hình 1.6 minh họa rõ nét hiện tượng hằn lún vệt bánh xe.
Hình 1.6 Hằn lún vệt bánh xe
Tổng quan về tình hình nghiên cứu sử dụng vôi thủy hóa làm phụ gia
a) Nghiên cứu sử dụng vôi thủy hóa trên thế giới
Vôi thủy hóa là một phụ gia quan trọng cho bê tông asphalt, được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vôi thủy hóa có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học của bê tông nhựa Tại Mỹ, vôi thủy hóa đã được sử dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa từ những năm thập niên trước.
Vào những năm 70, vôi thủy hóa được sử dụng làm phụ gia cho bê tông asphalt với hàm lượng từ 1-1.5% của cốt liệu để thay thế một phần bột khoáng, nhằm cải thiện tính ổn định nước Tại Đan Mạch, việc sử dụng này bắt đầu từ giữa thập niên 80, trong khi Pháp đã áp dụng trước năm 1945 để cải thiện đặc tính cơ học cho bê tông nhựa trong môi trường ẩm ướt Bỉ cũng sử dụng vôi thủy hóa từ những năm 80 với hàm lượng 1.5% để nâng cao tính ổn định nước Ở Phần Lan, hàm lượng vôi thủy hóa từ 1-2.0% được áp dụng để cải thiện đặc tính cơ học Ý và Hà Lan bắt đầu sử dụng vôi thủy hóa từ giữa thập niên 90 với hàm lượng từ 1-2.0% và 2.0% tương ứng, nhằm cải thiện tính ổn định nước và chống lão hóa Cộng hòa Séc đã áp dụng vôi thủy hóa từ năm 1996 với hàm lượng 1.5% để cải thiện tính ổn định nước và kháng lún Cuối cùng, Thụy Điển bắt đầu sử dụng vôi thủy hóa từ năm 1998 với hàm lượng 1.0% để nâng cao tính ổn định nước và chống lão hóa cho bê tông nhựa.
Vào năm 1998, vôi thủy hóa với hàm lượng từ 1-3% đã được sử dụng để thay thế một phần bột khoáng trong bê tông asphalt, nhằm cải thiện tính ổn định nước cho bê tông nhựa Tại Đức, vôi thủy hóa đã được áp dụng làm phụ gia cho bê tông asphalt từ năm đó.
Từ năm 2000, vôi thủy hóa đã được sử dụng làm phụ gia cho bê tông asphalt, với hàm lượng từ 1-2% của cốt liệu để thay thế một phần bột khoáng Việc này nhằm cải thiện đặc tính cơ học và tính ổn định nước cho bê tông nhựa, đặc biệt dưới tác động của môi trường ẩm ướt Ở Bồ Đào Nha, vôi thủy hóa được áp dụng để nâng cao chất lượng bê tông asphalt, trong khi ở Anh cũng đã bắt đầu sử dụng phụ gia này từ cùng thời điểm.
Vào năm 2000, vôi thủy hóa với hàm lượng từ 1-2% đã được sử dụng để thay thế một phần bột khoáng trong bê tông asphalt, nhằm cải thiện tính ổn định nước cho bê tông nhựa Tại Ireland, vôi thủy hóa đã được áp dụng làm phụ gia cho bê tông asphalt từ năm đó.
Từ năm 2001, vôi thủy hóa đã được sử dụng với hàm lượng 2% của cốt liệu để thay thế một phần bột khoáng trong bê tông asphalt, nhằm cải thiện tính ổn định nước và khả năng kháng lún cho bê tông nhựa trong môi trường ẩm ướt Tại Úc, từ năm 2003, hàm lượng vôi thủy hóa được áp dụng từ 1.5-3.5% của cốt liệu để nâng cao đặc tính ổn định nước và khả năng kháng lún cho bê tông nhựa Tây Ban Nha cũng bắt đầu sử dụng vôi thủy hóa làm phụ gia cho bê tông asphalt từ năm 2004, với hàm lượng từ 1.0-2.0% của cốt liệu, nhằm cải thiện tính ổn định nước cho bê tông nhựa.
Từ năm 2006, vôi thủy hóa đã được sử dụng làm phụ gia cho bê tông asphalt với hàm lượng 1.5% để cải thiện tính ổn định nước và chống lão hóa Tại Romania, từ năm 2007, hàm lượng vôi thủy hóa được tăng lên 2.0% nhằm nâng cao tính ổn định nước và kháng lún cho bê tông nhựa Slovakia cũng áp dụng vôi thủy hóa từ năm 2009 với hàm lượng 2.0% để cải thiện tính ổn định nước Tương tự, Hungary đã sử dụng vôi thủy hóa từ năm 2009 với hàm lượng 2% để tăng cường tính ổn định nước và khả năng kháng lún cho bê tông nhựa trong điều kiện môi trường ẩm ướt.
Những năm gần đây nhiều nghiên cứu đã tiếp tục chứng minh hiệu quả của việc sử dụng vôi thủy hóa trong bê tông nhựa như sau:
Aragão et al (2011) đã tiến hành thí nghiệm với các hàm lượng vôi thủy hóa khác nhau trong bê tông nhựa, và kết quả cho thấy hàm lượng tối ưu là 1.0% để tăng cường độ ổn định nước.
Cagri Gorkem và Burak Sengoz (2009) đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng vôi thủy hóa trong bê tông nhựa và kết luận rằng 1.5% là hàm lượng tối ưu để đảm bảo khả năng ổn định nước trong bê tông nhựa.
Hicks RG và Scholz TV đã nghiên cứu rằng thêm 1-1.5% vôi thủy hóa trong bê tông nhựa tuổi thọ độ bền của bê tông nhựa tăng lên từ 20%-50% [20]
Hicks đã chỉ ra rằng vôi thủy hóa là phụ gia hiệu quả nhất trong việc gia tăng tuổi thọ của bê tông nhựa khi tiếp xúc với nước Tại Pháp, việc thêm vôi thủy hóa vào bê tông nhựa dùng cho lớp mặt đường đã cho thấy tuổi thọ và độ bền tăng lên từ 20-25% Nghiên cứu về việc sử dụng vôi thủy hóa trong nước cũng đang được tiến hành.
Năm 2016, ThS Đỗ Vương Vinh và PGS.TS Trần Thị Kim Đăng đã nghiên cứu ảnh hưởng của cốt liệu mịn và bột khoáng đến cường độ kéo uốn của vữa nhựa trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng Kết quả cho thấy việc sử dụng vôi thủy hóa thay thế 20% và 30% bột khoáng đạt chuẩn có thể làm tăng cường độ kéo uốn của vữa nhựa so với vữa nhựa chỉ sử dụng bột khoáng đạt chuẩn.
Năm 2017, ThS.NCS Vũ Ngọc Phương đã nghiên cứu việc sử dụng phụ gia vôi thủy hóa để cải thiện khả năng dính bám giữa đá và nhựa đường, nhằm nâng cao khả năng chống hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa tại miền Bắc và miền Trung Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc xác định hàm lượng vôi tối ưu cho bê tông nhựa ở miền Bắc, mà chưa thực hiện thí nghiệm trong phòng theo tiêu chuẩn Mỹ và chưa so sánh sự liên hệ giữa hai tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ.
Kết luận chương 1
Dựa trên phân tích tổng quan về sự phá hoại của mặt đường bê tông nhựa dưới tác động của tải trọng trong điều kiện nhiệt-ẩm, tác giả đã đưa ra những nhận xét quan trọng.
1 Việc chỉ sử dụng duy nhất nhựa 60/70 cho các điều kiện khí hậu và tải trọng ở Việt Nam là chưa hoàn toàn phù hợp, với những vùng có nhiệt độ cao, chịu tải trọng lớn thì phải chọn loại phụ gia tăng cường các chỉ tiêu cơ lý tốt hơn;
2 Nghiên cứu sử dụng BTN có sử dụng vôi thủy hóa để tăng đặc tính cường độ trong điều kiện nhiệt-ẩm ướt là hết sức cần thiết để từng bước áp dụng trong xây dựng đường ở Việt Nam.
15
Đánh giá thực trạng sản xuất và khai thác mặt đường BTN ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh
a) Thực trạng sản xuất BTN ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh
BMT Group là một trong những công ty hàng đầu cung cấp và thi công hỗn hợp BTN tại TP Hồ Chí Minh, với chuỗi cung ứng tích hợp hoàn chỉnh từ sản xuất cốt liệu đến chế tạo sản phẩm Công ty sử dụng nguồn cốt liệu chất lượng cao từ hai mỏ đá Tân Cang ở Đồng Nai và Tân Đông Hiệp ở Bình Dương.
Tiếp đến là một số công ty như: Công ty TNHH Xây dựng Giao thông Bình
Công ty cổ phần bê tông Becamex (Becamex ACC) chủ yếu sử dụng cốt liệu từ các mỏ đá Tân Cang, Tân Đông Hiệp, Phước Vĩnh và Tân Mỹ để sản xuất hỗn hợp bê tông nhựa (BTN).
Quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng đang được các đơn vị chú trọng, với một số đơn vị như BMT Group đã thiết lập phòng kiểm soát chất lượng tại chỗ, cụ thể là phòng Las – XD 1135, nhằm kiểm tra chất lượng vật liệu đầu vào, thành phần cốt liệu chế tạo và chất lượng hỗn hợp BTN Thực trạng khai thác mặt đường BTN tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh cũng đang được quan tâm.
Sự tăng trưởng kinh tế nhanh chóng trong những năm gần đây đã dẫn đến sự gia tăng lưu lượng và tải trọng giao thông tại Thành phố Hồ Chí Minh Là khu vực trọng điểm phát triển kinh tế, TP HCM không chỉ có lưu lượng giao thông lớn mà còn chịu ảnh hưởng nặng nề từ biến đổi khí hậu, gây ra tình trạng hư hỏng nhanh chóng của mặt đường BTN.
Thiết kế xây dựng đường ở Việt Nam hiện đang gặp một số vấn đề cần được nghiên cứu và giải quyết, đặc biệt là vấn đề vượt tải và nhiệt độ mặt đường Việc chú trọng đến những yếu tố này là cần thiết để hạn chế hư hỏng mặt đường trong quá trình khai thác, đây cũng là mối quan tâm hàng đầu của các nhà quản lý giao thông.
Nhiều tuyến đường tại TP HCM sau khi đưa vào sử dụng đã xuất hiện các hiện tượng như xô dồn, nứt trượt, hằn lún vệt bánh xe, và rạn nứt bong bật, dẫn đến hư hỏng mặt đường và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn giao thông.
Theo thống kê của Sở GTVT TP HCM trong những năm gần đây, số lượng công trình cần sửa chữa do hư hỏng mặt đường BTN ngày càng tăng Dữ liệu này được công bố trên Tạp chí GTVT số tháng 7 năm 2014, thể hiện rõ trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Bảng thống kê các công trình phải sửa chữa do hư hỏng
Ghi chú: “Xuống cấp” là hư hỏng bao gồm: Biến dạng, nứt, mất mát vật liệu mặt đường, hằn lún vệt bánh xe.
Theo thống kê của khu vực đường bộ VII, trong những năm gần đây, số lượng xe tải nặng trên các tuyến quốc lộ ở Nam Bộ đã gia tăng nhanh chóng Điều này dẫn đến lưu lượng và tải trọng xe trên các quốc lộ tăng đáng kể Khi lưu lượng xe lớn và tải trọng vượt mức cho phép, tình trạng kẹt xe trở nên phổ biến, kéo dài thời gian tác động của tải trọng lên mặt đường BTN Đây là nguyên nhân chính gây ra các hư hỏng phổ biến cho mặt đường.
Thu thập số liệu về vật liệu chế tạo BTN
a) C ốt liệu tại một số mỏ đá
Cốt liệu cho xây dựng đường ô tô thường được lấy từ đá tự nhiên hoặc vật liệu nhân tạo như sỉ lò cao Cốt liệu bao gồm cốt liệu thô và cốt liệu mịn, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo bộ khung chịu lực cho hỗn hợp bê tông Asphalt Nó chiếm khoảng 92-96% tổng khối lượng bê tông Asphalt và hơn 30% giá thành của kết cấu mặt đường, do đó ảnh hưởng lớn đến chi phí xây dựng.
Một số vật liệu có nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo phổ biến:
- Đá mác ma: Đá được hình thành từ các dòng nham thạch được làm nguội khi di chuyển lên bề mặt hoặc gần bề mặt của trái đất
Đá trầm tích là loại đá hình thành từ quá trình lắng đọng các mảnh đá phong hóa hoặc từ các thành phần vô cơ của xác động vật phân hủy Chúng được phân loại dựa trên thành phần khoáng vật chủ yếu, bao gồm canxi (như đá vôi, đá phấn), silic (như đá phiến cát, cát kết) và thành phần sét (như sét kết).
Đá biến chất là loại đá mác ma hoặc trầm tích đã trải qua quá trình biến đổi do nhiệt độ và áp suất, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc khoáng vật so với đá gốc Các loại đá này thường có dạng kết tinh tự nhiên với kích thước hạt có thể là thô hoặc mịn.
Cát là các mảnh đá tự nhiên được mài mòn bởi dòng nước, có kích thước từ 75µm đến 2.36mm Khi sử dụng cát tự nhiên cho hỗn hợp bờ tường nhựa, cần kiểm soát chặt chẽ hàm lượng hạt sét, bụi và các chất hữu cơ có hại.
Sỉ lò cao là sản phẩm phụ của quá trình luyện thép, gang và đúc đồng, thường có tính xốp Loại cốt liệu này được sử dụng trong bê tông nhựa mặt đường, giúp tăng độ nhám cho bề mặt đường Do tính chất xốp, sỉ lò cao hấp thụ nhiều nhựa, vì vậy hàm lượng nhựa cần thiết thường cao hơn so với cốt liệu tự nhiên.
Lựa chọn cốt liệu với tính chất khoáng vật học và hóa học phù hợp là yếu tố quan trọng quyết định đặc tính sử dụng và độ bền của mặt đường bê tông nhựa Các tính chất cơ lý như dung trọng, độ rỗng và cường độ, cùng với các tính chất hóa học và hóa – lý như khả năng hút ẩm và tính dính bám với nhựa đường, đều phụ thuộc vào đặc điểm khoáng vật học và hóa học của cốt liệu.
Tính chất khoáng vật học của cốt liệu:
Cốt liệu thường chứa các khoáng vật như silic, fenfát, sắt từ, các bon nát và khoáng vật sét Thành phần khoáng vật này có thể thay đổi tùy thuộc vào loại cốt liệu Các tính chất của cốt liệu rất đa dạng và ảnh hưởng đến chất lượng của vật liệu xây dựng.
Cường độ, độ bền, độ ổn định với hóa chất, đặc tính bề mặt và hàm lượng chất có hại của cốt liệu phụ thuộc vào thành phần khoáng vật Tuy nhiên, tính chất của cốt liệu có thể bị thay đổi do quá trình oxy hóa, thủy hóa và phong hóa, vì vậy thành phần không thể hoàn toàn quyết định tính chất của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông nhựa Độ cứng, hay đặc tính mài mòn của cốt liệu, ảnh hưởng đến lực chống trượt của bê tông nhựa làm mặt đường.
BTN có thể áp dụng thí nghiệm mài mòn cơ học cho cốt liệu hoặc sử dụng thí nghiệm ăn mòn hóa học với axít, đặc biệt cho cốt liệu có thành phần khoáng vật cacbonat lớn.
Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính khai thác của BTN mặt đường là thành phần khoáng vật của cốt liệu Điều này bao gồm lớp bao quanh cốt liệu và các thành phần chất có hại như sét, sét phiến, bụi, ô xít sắt, thạch cao, và muối hòa tan trong nước Những chất này có thể làm giảm khả năng dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường.
Các tính chất hóa học của cốt liệu:
Tính chất hóa học của cốt liệu phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó và không ảnh hưởng nhiều đến đặc tính khai thác của mặt đường BTN Tuy nhiên, nó có tác động đến khả năng dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường, điều này liên quan đến loại hình hư hỏng bong tróc của mặt đường.
Cốt liệu ưa nước có khả năng thấm nước vượt trội so với nhựa đường, với màng nhựa xung quanh hạt cốt liệu dễ bị bóc tách khi tiếp xúc với nước Những cốt liệu này, được gọi là cốt liệu thích nước, có xu hướng hóa học là gốc axit và có điện cực âm trên bề mặt khi có nước Các loại cốt liệu này bao gồm đá cát kết, thạch anh và sỏi silic.
Cốt liệu ghét nước có khả năng hấp thu nhựa đường tốt hơn nước, thường có nguồn gốc hóa học bazơ và mang điện cực dương khi tiếp xúc với nước Những loại cốt liệu này chủ yếu từ đá vôi hoặc chứa vôi Bên cạnh đó, còn nhiều loại cốt liệu khác với bề mặt bao gồm khoáng vật silic, tạo điện cực âm, và khoáng vật gốc bazơ, tạo điện cực dương Các loại cốt liệu đa dạng này bao gồm đá tráp, đá bazan, đá Pocfia và đá vôi silic.
Phân loại cốt liệu đá theo thành phần hóa học và điện cực bề mặt được thể hiện trong hình 2.1
Hình 2.1 Phân loại cốt liệu theo điện cực bề mặt và thành phần hóa học chủ yếu [13] Các tính chất vật lý của cốt liệu:
Cốt liệu cho hỗn hợp BTN mặt đường cần đảm bảo độ cứng và bền chắc, được phối hợp với kích thước hạt hợp lý Các hạt này phải có hình dạng khối, độ rỗng xốp thấp, bề mặt thô nhám và khả năng chống nước tốt.
Các tính chất vật lý của cốt liệu thể hiện tính thích ứng sử dụng trong hỗn hợp BTN được thể hiện trong bảng 2.2
Bảng 2.2 Tóm tắt các đặc tính cốt liệu và tính thích ứng sử dụng trong hỗn hợp
Chức năng thể hiện trong kết cấu mặt đường Đặc tính cốt liệu tương ứng Vai trò đối với tính chất của hỗn hợp BTN
Lực ma sát trong và ổn định là yếu tố quan trọng giúp phân bố ứng suất xuống các lớp dưới, từ đó giảm độ võng bề mặt đường trong giới hạn cho phép.
2 Độ bền vững của cốt liệu
3 Độ cứng của cốt liệu
6 Thành phần cấp phối hạt
7 Kích cỡ hạt lớn nhất
Giảm tốc độ xuống cấp của mặt đường do điều kiện thời tiết và tác động hóa học
1 Khả năng chống lại xự xâm nhập của các hóa chất
4 Khả năng chống lại quá trình xâm nhập ẩm và làm khô
5 Khả năng chống lại đóng – tan băng
6 Cấu trúc lỗ rỗng trong cốt liệu
I Chống lại xuống cấp do tải trọng
1 Khả năng chống lại sự thay đổi thành phần cấp phối cốt liệu I Khả năng chống lại các lực bên trong như co ngót, trương nở, kéo
1 Thay đổi thể tích do nhiệt
2 Thay đổi thể tích do độ ẩm
N Tính thích ứng với nhựa đường sử dụng trong hỗn hợp
1 Phản ứng hóa học với hóa chất
2 Phản ứng với các chất hữu cơ
Kết luận chương 2
Nghiên cứu đánh giá thực trạng sử dụng BTN tại thành phố Hồ Chí Minh đã thu thập số liệu về vật liệu chế tạo BTN và rút ra những nhận xét quan trọng.
Nhu cầu sử dụng BTN cho xây dựng công trình giao thông tại khu vực thành phố Hồ Chí Minh tương đối lớn;
Nguồn vật liệu chế tạo BTN trong xây dựng đường ở khu vực thành phố
Hồ Chí Minh đang đối mặt với tình trạng tăng trưởng lưu lượng và tải trọng xe ngày càng lớn, dẫn đến kẹt xe phổ biến và thời gian tác động tải trọng kéo dài Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của mặt đường BTN, gây ra nhiều hư hỏng Do đó, nghiên cứu cải thiện cường độ của BTN là rất cần thiết.
29
Cơ sở lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm sử dụng vôi thủy hóa chế tạo bê tông nhựa trong phòng thí nghiệm
Cường độ của bê tông nhựa phụ thuộc vào ba yếu tố chính: lực chèn móc và ma sát giữa các hạt cốt liệu, lực dính bám giữa nhựa đường và bề mặt cốt liệu, và lực dính bám nội tạng của nhựa Khi nước xâm nhập vào hỗn hợp bê tông nhựa, nó có thể làm suy giảm liên kết giữa đá nhựa, dẫn đến hiện tượng bong tách Có hai dạng hư hỏng bong tách: một là từ đáy lớp bê tông nhựa nóng phát triển lên trên, và hai là từ bề mặt đường phát triển xuống dưới Bảy cơ chế hình thành và phát triển bong tách bao gồm: tách màng nhựa, dịch chuyển màng nhựa, nhũ tương hóa tự sinh, đứt màng nhựa, áp lực lỗ rỗng, xói mòn do thủy lực và tác động môi trường.
Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng dính bám của đá nhựa bao gồm nhiệt độ thi công lớp BTN và độ rỗng dự trong BTN Nếu nhiệt độ không đảm bảo, độ rỗng có thể vượt quá 7%, dẫn đến tình trạng thấm nước và hư hỏng cấu trúc BTN Thêm vào đó, khí hậu ẩm ướt và sự biến động nhiệt độ môi trường cũng làm tăng nguy cơ hư hỏng do nước Cuối cùng, áp lực thủy tĩnh từ nước bị ép lại dưới tác dụng của bánh xe khi trời mưa có thể làm vỡ liên kết đá nhựa.
Nghiên cứu giải pháp cải thiện dính bám đá nhựa và giảm thiểu bóng tách là rất cần thiết Các giải pháp bao gồm lựa chọn cốt liệu, xử lý bề mặt cốt liệu, và ngăn chặn sự xâm nhập của nước vào lớp BTN Đặc biệt, việc sử dụng phụ gia tăng dính bám như xi măng, phụ gia hóa học, và phụ gia vôi thủy hóa là cần thiết để nâng cao khả năng chống bong tách.
Phụ gia vôi thủy hóa hoạt động bằng cách thay thế các ion âm trên bề mặt cốt liệu bằng ion canxi dương, từ đó tăng cường khả năng dính bám giữa nhựa đường và cốt liệu Ngoài ra, vôi thủy hóa còn phản ứng với các phân tử axit cacboxylic trong nhựa đường và các nhóm (OH có tính axit) có trong cốt liệu, giúp các phân tử dễ hấp thụ trên bề mặt cốt liệu và giảm khả năng phân ly, đồng thời liên kết các phân tử nước.
Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu dùng chế tạo BTN31
Các loại cốt liệu thô sử dụng trong nghiên cứu này có nguồn gốc từ mỏ đá Tân Cang (Bình Dương), bao gồm 03 loại đá:
Các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm dùng cho BTN phải thỏa mãn các yêu cầu quy định theo yêu cầu của TCVN 8819:2011[4] Bảng 3.2
Bảng 3.2 Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho đá dăm dùng trong BTN
Các chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử
Lớp mặt dưới Các lớp móng
1 Cường độ nén của đá gốc, Mpa
- Đá mác ma, biến chất
2006 (căn cứ chứng chỉ thí nghiệm kiểm tra của nơi sản xuất đá dăm sử dụng cho công trình)
2 Độ hao mòn khi va đập trong máy Los
4 Hàm lượng hạt mềm yếu, phong hóa, % ≤ 10 ≤ 15 ≤ 15 TCVN 7572-17 :
5 Hàm lượng hạt cuội sỏi bị đập vỡ (ít nhất
Các chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử
Lớp mặt dưới Các lớp móng là 2 mặt vỡ), %
6 Độ nén dập của cuội sỏi được xay vỡ, %
7 Hàm lượng chung bụi, bùn, sét, %
8 Hàm lượng sét cục, % ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,25 TCVN 7572-8 :
9 Độ dính bám của đá với nhựa đường (**) , cấp
(*): Sử dụng sàng mắt vuông với các kích cỡ ≥ 4,75 mm theo quy định tại Bảng 1, Bảng 2 để xác định hàm lượng thoi dẹt
Trong trường hợp nguồn đá dăm dự kiến sử dụng để chế tạo bê tông nhựa có độ dính bám với nhựa đường nhỏ hơn cấp 3, cần xem xét các giải pháp như sử dụng chất phụ gia để tăng khả năng dính bám (xi măng, vôi, phụ gia hóa học) hoặc thay thế bằng đá dăm từ nguồn khác đảm bảo độ dính bám Quyết định về giải pháp nào sẽ do Tư vấn giám sát đưa ra.
Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu sử dụng được thực hiện tại phòng thí nghiệm Las-XD1398, kết quả được thống kê trong Bảng 3.3
Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý cốt liêu thô
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Kết quả thí nghiệm
1 Khối lượng riêng (kg/cm 3 ) 2,738 2,707 2,624
2 Độ mài mòn Los-Angeles (%) 17,24 16,52 -
3 Hàm lượng hạt thoi dẹt (%) 10,79 11,25 -
4 Hàm lượng chung bụi, bùn sét (%) 0,67 0, 82 1,18
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Kết quả thí nghiệm
6 Hàm lượng hạt mềm yếu, phong hoá
Các loại cốt liệu thô đều đáp ứng được các yêu cầu của TCVN 8819:2011
[4], được phép sử dụng chế tạo hỗn hợp BTN
Bột khoáng là sản phẩm nghiền từ đá các bô nát như đá vôi can xít và đá dolomit, có cường độ nén lớn hơn 20Mpa Nguyên liệu sản xuất bột khoáng cần phải sạch, không chứa tạp chất hữu cơ, và hàm lượng bụi, bùn, sét không vượt quá 5%.
Các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng phải phải thỏa mãn yêu cầu TCVN 8819:2011[4]
Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho bột khoáng
Chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử
1 Thành pần hạt (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng mắt vuông), %
3 Chỉ số dẻo của bột khoáng nghiền từ đá các bô nát (*) , %
Xác định giới hạn chảy theo phương pháp Casagrande sử dụng bột khoáng có kích thước lọt qua sàng 0,425 mm để thử nghiệm giới hạn chảy và giới hạn dẻo.
Bột khoáng sử dụng trong nghiên cứu là bột khoáng Hà Nam Là loại thông dụng được sử dụng phổ biến
Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bột khoáng được thống kê trong bảng 3.5
Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm bột khoáng
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Kết quả thí nghiệm
1 Khối lượng riêng(kg/cm 3 ) 2.792
Bột khoáng Hà Nam đáp ứng được các yêu cầu của TCVN 8819:2011, được phép sử dụng chế tạo hỗn hợp BTN
Vôi thủy hóa là một chất được sử dụng phổ biến trên toàn cầu, giúp nâng cao khả năng chống bong tách của bê tông nhựa (BTN) trước tác động của độ ẩm Nó được coi là bột khoáng hoạt tính, cải thiện khả năng hóa già của nhựa đường trong BTN và tăng cường độ cứng của vữa nhựa Nhờ đó, vôi thủy hóa cải thiện các thuộc tính cơ học của BTN, bao gồm mô đun đàn hồi, cường độ, vệt hằn lún bánh xe, nứt mỏi và nứt do nhiệt Kết quả thí nghiệm về các chỉ tiêu cơ lý của vôi thủy hóa được trình bày trong bảng 3.6.
Bảng 3.6 Kết quả thí nghiệm vôi thủy hóa
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Kết quả thí nghiệm
1 Khối lượng riêng(kg/cm 3 ) 2.775
Vôi thủy hóa đáp ứng được các yêu cầu của bột khoáng theo TCVN 8819:2011 [4], được phép sử dụng chế tạo hỗn hợp BTN
Nhựa đường 60/70 được nghiên cứu là nhựa Petrolimex, loại nhựa đường phổ biến tại TP HCM Các thí nghiệm về chỉ tiêu cơ lý được thực hiện theo Thông tư số 27/2014/TT-BGTVT tại phòng LAS-XD 1398, sử dụng thiết bị hiện đại như thể hiện trong Hình 3.1, và kết quả thí nghiệm được trình bày trong Bảng 3.7.
Thiết bị đo độ kim lún tự động Thiết bị đo nhiệt độ hóa mềm tự động
Thiết bị đo độ nhớt Brookfield Thiết bị đo độ nhớt động học
Hình 3.1 Một số thiết bị Thí nghiệm nhựa tại phòng LAS-XD 1398 Bảng 3.7 Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường 60/70
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Kết quả thí nghiệm
2 Chỉ số độ kim lún PI -1.2
3 Điểm hóa mềm (dụng cụ vòng và bi) ( o C) 48.8
4 Độ nhớt động lực ở 60 o C (Pa.s) 256.2
STT Chỉ tiêu thí nghiệm Kết quả thí nghiệm
7 Điểm chớp cháy (cốc mở Cleveland) ( o C) 366
8 Độ hòa tan trong Tricloroetylene 99.85
10 Độ bám dính với đá (cấp) 3
Các thí nghiệm trên mẫu nhựa sau khi thí nghiệm TFOT
12 Tỷ lệ kim lún còn lại so với độ kim lún ban đầu ở 25 o C (%) 88.72
Thiết kế thành phần BTNC12.5 sử dụng vôi thủy hóa và không sử dụng vôi thủy hóa
Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu cho thấy sự khác biệt trong thiết kế cấp phối BTNC 12.5 giữa việc sử dụng vôi thủy hóa và không sử dụng vôi thủy hóa.
Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu với bê tông nhựa chặt (BTNC) được thể hiện như trong Bảng 3.8
Bảng 3.8 Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu với bê tông nhựa chặt (BTNC)
2 Độ ổn định ở 60 o C, 40 phút, kN
4 Độ ổn định còn lại, % ≥ 80 TCVN 8860-12:2011
6 Độ rỗng cốt liệu (tương ứng với độ rỗng dư 4%), % ≥ 13,5 TCVN 8860-10:2011
7 Độ sâu vệt hằn bánh xe
Device), 15000 chu kỳ, áp lực
3.3.1 Thiết kế thành phần cấp phối BTNC 12.5 không sử dụng vôi thủy hóa
Thành phần hỗn hợp BTN được thiết kế để đáp ứng yêu cầu của quyết định 858/QĐ-BGTVT Đường cong cấp phối đối đạt được với thành phần cốt liệu phối trộn được trình bày trong Bảng 3.9 và Hình 3.2.
Bảng 3.9 Thành phần cốt liệu phối trộn thiết kế
YCKT của cấp phối loại
Để xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp BTN C12.5, cần thực hiện thí nghiệm với các tỷ lệ nhựa khác nhau Các hàm lượng nhựa được kiểm tra bao gồm 4.1%, 4.4%, 4.7%, 5.0% và 5.3% theo khối lượng hỗn hợp, nhằm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của BTN.
Cốt liệu được cân theo khối lượng tương ứng với tỷ lệ lọt sàng theo đường cong cấp phối BTNC 12.5 đã được thiết kế, sau đó được sấy ở nhiệt độ khoảng 160 °C.
Nhiệt độ 180 °C được sử dụng để trộn với nhựa ở khoảng 150 °C đến 155 °C Quá trình đầm nén mẫu diễn ra ở nhiệt độ từ 140 °C đến 145 °C, sau đó mẫu được bảo dưỡng ở điều kiện nhiệt độ phòng để tránh các tác động gây biến dạng.
Trong thí nghiệm, các chỉ tiêu cơ lý của BTNC 12.5 được xác định bao gồm khối lượng thể tích BTN đã đầm nén (Gmb), độ rỗng còn dư (Va), độ rỗng khung cốt liệu (VMA), độ ổn định và độ dẻo Marshall Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý được trình bày trong Bảng 3.10.
Bảng 3.10Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý BTN
KLR BTN rỗng Độ dư Độ ổn định (N) Độ dẻo
Bão hòa khô bề mặt Số đọc Độ ổn định
Hệ số hiệu chỉnh Độ ổn định thực tế
Để xác định hàm lượng nhựa tối ưu, cần phân tích mối quan hệ giữa sự thay đổi hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp BTN Kết quả thí nghiệm cho thấy các chỉ tiêu cơ lý được trình bày trong Bảng 3.10, từ đó có thể vẽ biểu đồ thể hiện mối quan hệ này.
Tổ hợp các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTN lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu được thể hiện trong hình 3.3
Hình 3.3 Kết quả thí nghiệm các hàm lượng nhựa của BTN C12.5
Hàm lượng nhựa tối ưu cho BTNC12.5 được xác định dựa trên các kết quả thí nghiệm, cần đáp ứng các tiêu chí về độ ổn định Marshall, độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu và độ dẻo theo tiêu chuẩn hiện hành Qua phân tích, hàm lượng nhựa tối ưu được chọn là 4.8%.
3.3.2 Thiết kế thành phần cấp phối BTNC 12.5 có sử dụng vôi thủy hóa
Dựa trên kết quả thí nghiệm, thiết kế cấp phối BTNC 12.5 không sử dụng vôi thủy hóa đã xác định hàm lượng nhựa tối ưu là 4.8% Nghiên cứu tiếp theo tiến hành thiết kế cấp phối BTNC 12.5 với việc sử dụng vôi thủy hóa để thay thế một phần bột khoáng, nhằm cải thiện một số tính chất cơ học của BTN.
3.3.2.1 Quy trình chế tạo BTNC 12.5 sử dụng vôi thủy hóa
Hỗn hợp BTN được trộn bằng máy trộn tại nhiệt độ 150 o C – 155 o C với thời gian trộn khoảng từ 45s đến 60s Cốt liệu được sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 160 o C –
Nhiệt độ 180 °C được duy trì trong 8 giờ để đạt được khoảng nhiệt độ 160 °C – 180 °C Nhựa đường được làm nóng đến 150 °C – 165 °C Vôi thủy hóa được cân theo tỷ lệ % bột khoáng và trộn đều với bột khoáng trước khi kết hợp với cốt liệu Hỗn hợp cốt liệu, bột khoáng và nhựa được trộn trong 45s – 60s Sau đó, hỗn hợp BTN được đổ ra khay và ủ trong tủ sấy ở nhiệt độ 140 °C – 145 °C trong 2 giờ Cuối cùng, tiến hành đầm mẫu theo quy định của quy trình thi công và nghiệm thu BTN.
3.3.2.2 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của BTN có sử dụng vôi thủy hóa để lựa chọn hàm lượng vôi tối ưu
Mẫu được chế biến theo phương pháp Marshall với các hàm lượng vôi thay đổi từ 5% đến 25%, thay thế cho hàm lượng bột khoáng của BTN thông thường Hàm lượng nhựa trong hỗn hợp BTN được giữ cố định ở mức 4,8%, tương ứng với hàm lượng nhựa tối ưu trong thiết kế BTN thông thường, nhằm đảm bảo độ rỗng dư đạt 4±0,5% theo tiêu chuẩn ASTM D4867 Trang thiết bị thí nghiệm kiểm tra được thể hiện trong Hình 3.4.
Trộn BTN bằng máy trộn Troxler-Mỹ Hỗn hợp BTN sau khi trộn
Thí nghiệm khối lượng thể tích BTN Bể điều nhiệt
Thí nghiệm khối lượng riêng BTN Thí nghiệm Marshall
Để xác định hàm lượng vôi thủy hóa tối ưu thay thế một phần bột khoáng trong BTNC 12.5, thí nghiệm được thực hiện với các chỉ tiêu độ rỗng dư, độ ổn định Marshall và độ ổn định còn lại theo TCVN:8860:2011 Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.11.
Hàm lượng vôi thay thế bột khoáng
(%) Độ rỗng dư (%) Độ ổn định marshall (KN) Độ dẻo (mm) Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu trong nước ở nhiệt độ 60 0 C trong vòng 24h
Hàm lượng vôi thay thế bột khoáng
(%) Độ rỗng dư (%) Độ ổn định marshall (KN) Độ dẻo (mm) Độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu trong nước ở nhiệt độ 60 0 C trong vòng 24h
Hàm lượng vôi thủy hóa tối ưu được xác định để đảm bảo độ rỗng dư 4±0,5% theo tiêu chuẩn ASTM D4867 Theo TCVN 8860:2011, yêu cầu về độ ổn định marshall là ≥8KN, độ dẻo từ 1.5÷4mm và độ ổn định còn lại ≥75% Kết quả thí nghiệm cho thấy hàm lượng vôi thủy hóa tối ưu thay thế bột khoáng là 15%.
Kết luận chương 3
Trong chương này nghiên cứu đã đề xuất như sau:
Hàm lượng nhựa tối ưu trong thiết kế cấp phối của BTNC 12.5 là 4.8%
Đề xuất qui trình chế tạo BTNC 12.5 sử dụng vôi thủy hóa trong phòng thí nghiệm
Hàm lượng vôi thủy hóa tối ưu dùng thay thế bột khoáng là 15% Độ ổn định còn lại của BTN vôi thủy hóa tăng 9.4%