BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NANO CARBON LÀM PHỤ GIA TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỐNG LÚ
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ GIA
Tổng quan về nano carbon
Cho đến trước năm 1985 người ta vẫn cho rằng carbon chỉ tồn tại ở ba dạng thù hình:
Dạng thù hình phổ biến nhất của carbon là than, có màu đen giống như phần còn lại của cây gỗ sau khi cháy Về cấu trúc, than thuộc loại vô định hình.
Dạng thù hình thứ hai của carbon phổ biến trong kỹ thuật là graphit (than chì), có cấu trúc bao gồm nhiều lớp graphen xếp chồng lên nhau, tạo thành mạng lục giác phẳng.
Dạng thù hình thứ ba của carbon là kim cương, trong đó mỗi nguyên tử carbon nằm ở tâm của hình tứ diện và liên kết với bốn nguyên tử carbon khác.
Vào năm 1985, trong quá trình nghiên cứu về carbon, Kroto và các đồng nghiệp đã phát hiện ra một tập hợp lớn các nguyên tử carbon kết tinh thành các phân tử hình cầu kích thước nanomet, được gọi là Fullerenes Fullerenes là một lồng phân tử khép kín với các nguyên tử carbon sắp xếp thành hình cầu hoặc hình elip, trong đó C60 là dạng Fullerenes đầu tiên được biết đến, có hình dạng cầu.
Cấu trúc của 60 nguyên tử carbon tạo thành khối 32 mặt với 12 ngũ giác đều và 20 lục giác đều Vào năm 1990, Kratschmer đã phát hiện ra C60 và các dạng Fullerenes khác như C70, C80 trong sản phẩm muội than từ quá trình phóng điện hồ quang giữa hai điện cực Graphite.
Hình 1.3 – Cấu trúc cơ bản của các Fullerenes: a) C 60 , b) C 70 , c) C 80
Vào năm 1991, Iijima đã phát hiện ra ống nano carbon đa tường (MWCNT) khi quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRTEM) trên sản phẩm từ phóng điện hồ quang giữa hai điện cực graphit Hai năm sau, ông công bố kết quả tổng hợp ống nano carbon đơn tường (SWCNT), với đường kính từ 1-3 nanomet và chiều dài vài micromet Vỏ của ống được cấu tạo từ các nguyên tử carbon xếp đều đặn ở đỉnh của các hình lục giác đều.
Ống nano carbon (CNTs) có hai dạng chính: ống nano carbon đơn tường (SWCNT) và ống nano carbon đa tường (MWCNT) SWCNT có cấu trúc giống như sự cuộn lại của một lớp graphene, với độ dày chỉ một nguyên tử, tạo thành hình trụ kín ở hai đầu bằng nửa phân tử Fullerenes CNTs được biết đến với các nguyên tử carbon liên kết bằng liên kết cộng hóa trị SP² bền vững Trong khi đó, MWCNT bao gồm nhiều ống đơn tường với đường kính khác nhau, lồng vào nhau và đồng trục, với khoảng cách giữa các lớp từ 0,34 nm đến 0,39 nm SWCNT thường tự liên kết để tạo thành các bó xếp chặt.
Ropes of SWCNTs tạo thành mạng tam giác hoàn hảo với hằng số mạng 1,7 nm Mỗi bó SWCNT có thể chứa hàng trăm ống song song, với chiều dài lên đến vài mm.
Ống nano carbon (CNTs) đã thu hút sự chú ý lớn trong nghiên cứu và ứng dụng nhờ vào những tính chất đặc biệt của chúng Sự xuất hiện của CNTs đánh dấu sự khởi đầu của ngành khoa học vật liệu mới, với các vật liệu dựa trên nano carbon hứa hẹn sẽ là giải pháp cho tương lai.
Tình hình nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa trên thế giới
Trên thế giới, nhiều loại phụ gia polime như SBS, SBR, epoxy, EVA và EPDM đã được sử dụng để giải quyết vấn đề chống hằn lún vệt bánh xe Tuy nhiên, việc sử dụng nano carbon như một phụ gia để tăng cường khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa vẫn chưa được đề cập Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nano carbon có thể cải thiện đặc tính cơ lý của bê tông nhựa và nhựa đường, mở ra cơ hội cho việc nghiên cứu ứng dụng nano carbon trong việc nâng cao khả năng chống hằn lún vệt bánh xe.
Nghiên cứu về tính mỏi và tính nứt của bê tông nhựa sử dụng ống nano carbon cho thấy rằng việc sử dụng ống nano carbon có thể cải thiện đáng kể khả năng chống nứt của bê tông nhựa, đặc biệt là khi tỷ lệ ống nano carbon được tăng cường.
Nghiên cứu về cấu trúc vi mô và hình thái bề mặt vết nứt của nhựa đường và bê tông nhựa có sử dụng nano carbon sợi (CNF) cho thấy rằng CNF không chỉ có tính dính bám tốt mà còn được phân bố đều trong chất kết dính Hình thái bề mặt vết nứt cho thấy CNF có khả năng tăng cường khả năng chống nứt dưới tác dụng của tải trọng lặp.
Việc gia cường các ống nano carbon đa lớp (MWCNTs) có ảnh hưởng tích cực đến chất kết dính nhựa đường và bê tông nhựa Cụ thể, việc bổ sung 2% MWCNTs vào chất kết dính nhựa đường và bê tông nhựa giúp tăng cường khả năng chống lại các biến dạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa, đặc biệt là ở các nước nhiệt đới.
Nghiên cứu của Hassan Latifi so sánh bê tông nhựa thông thường với bê tông nhựa có sử dụng ống nano carbon (CNTs) nhằm xác định hàm lượng nano carbon tối ưu.
Parham Hayati đã phát triển phương pháp trộn ướt để đảm bảo CNTs phân tán đều trong nhựa Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng CNTs trong bê tông nhựa làm tăng độ cứng, cải thiện khả năng chống nứt, đặc biệt khi sử dụng từ 0,5% đến 1% CNTs Ngoài ra, CNTs cũng giúp cải thiện khả năng chống lại hiện tượng mỏi, đặc biệt ở nhiệt độ thấp.
Các nghiên cứu đã đánh giá tính chất của nhựa đường sử dụng nano carbon (CNTs) với tỷ lệ từ 0,5% đến 1% Những nghiên cứu này cung cấp cái nhìn toàn diện về tính khả thi của việc ứng dụng nano carbon (CNTs) nhằm tạo ra bê tông nhựa có khả năng kháng nứt cao.
Tình hình nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa trong nước
Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về việc sử dụng phụ gia để nâng cao cường độ của bê tông xi măng và bê tông nhựa Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano để cải thiện các tính chất của bê tông nhựa vẫn chưa được chú trọng nhiều Gần đây, một số nghiên cứu đã bắt đầu khám phá khả năng của vật liệu nano trong việc tăng cường đặc tính cơ lý của bê tông nhựa.
Năm 2014, một nhóm sinh viên từ trường Đại học Giao thông Vận tải Cơ sở II đã tiến hành nghiên cứu và phát hiện rằng việc thêm 0,5% nano vào bê tông nhựa làm tăng cường độ ép chẻ lên 12%, trong khi việc thêm 1% nano giúp tăng cường độ ép chẻ lên 18%.
Công nghệ nano cho bitum đã được nghiên cứu trong đề tài cấp Bộ GTVT mang mã số DT 154051, do PGS.TS Nguyễn Thị Bích Thủy thực hiện vào năm 2015 Đề tài này tập trung vào việc thử nghiệm trong phòng nhằm cải tiến bitum bằng các phân tử nano, phục vụ cho xây dựng công trình giao thông.
Năm 2016, PGS.TS Lê Văn Bách đã chỉ ra rằng việc sử dụng nano SiO2 chế biến từ tro trấu để thay thế bột khoáng trong bê tông nhựa với tỷ lệ từ 0,5% đến 1% có thể cải thiện độ ổn định Marshall và giảm hằn lún vệt bánh xe cho bê tông nhựa.
Nano carbon được sản xuất trong nước với chất lượng và trữ lượng ngày càng tăng, giá thành rẻ hơn 50% so với giá thế giới Tuy nhiên, nghiên cứu về ứng dụng nano carbon trong bê tông nhựa vẫn còn hạn chế tại Việt Nam.
Kết luận chương 1
Trong lĩnh vực xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ nano vẫn còn hạn chế, chủ yếu dừng lại ở mức nghiên cứu và đánh giá Bê tông nhựa, một vật liệu phổ biến trong xây dựng mặt đường ô tô, cần được cải thiện để nâng cao hiệu quả, bao gồm tăng khả năng chịu nén, chịu kéo khi uốn, giảm độ giòn, tăng độ dẻo, tăng độ bền và giảm hiện tượng lún hằn bánh xe Công nghệ nano và vật liệu nano carbon có tiềm năng giải quyết những vấn đề này.
NGHIÊN CỨU NANO CARBON VÀ CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA CHO HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA
Nghiên cứu về vật liệu nano carbon
Từ khi ống nano carbon (CNTs) đầu tiên được chế tạo bằng phương pháp hồ quang điện, nhiều phương pháp tổng hợp CNTs đã được phát triển Ba phương pháp chính được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm để chế tạo ống nano carbon đơn tường bao gồm: phương pháp hồ quang điện, phương pháp bắn phá bằng Laser và phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD nhiệt) Mỗi phương pháp này có những đặc điểm, nguyên lý, thiết bị và quy trình chế tạo CNTs khác nhau.
2.1.1 Phương pháp hồ quang điện
Phương pháp hồ quang điện là một trong những phương pháp đơn giản và phổ biến nhất để tạo ra ống nano carbon (CNTs) Nguyên lý của phương pháp này dựa trên việc phóng điện giữa hai thanh điện cực carbon đặt cách nhau vài mm trong môi trường khí trơ như Heli hoặc Argon, với áp suất từ 100-300 mbar Khi cung cấp dòng điện 50-100A với hiệu điện thế khoảng 20-25V, nhiệt độ trong buồng có thể đạt tới 3000 - 4000K, dẫn đến sự phóng điện ở nhiệt độ cao Quá trình này làm carbon chuyển sang pha hơi, từ đó tạo ra ống nano carbon thông qua quá trình lắng đọng trên điện cực.
Hình 2.1 – Giản đồ phương pháp hồ quang điện dùng cho tổng hợp CNTs 2.1.2 Phương pháp bốc bay Laser
Một phương pháp chế tạo ống nano carbon hiệu quả là sử dụng chùm tia Laser với cường độ khoảng 100kW/cm² và nhiệt độ lên đến 1.200 °C Phương pháp này thích hợp cho việc tổng hợp vật liệu trong phân vùng hẹp, khi bức xạ Laser tác động lên miếng graphit làm bia dưới áp suất cao khoảng 500 Torr, trong môi trường chân không hoặc khí trơ như He và Ar Chùm hơi nóng được tạo ra sẽ nở ra và sau đó được làm lạnh nhanh, giúp carbon nano hình thành và ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh bằng điện cực đồng.
Chất lượng và hiệu suất sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, thời gian và xúc tác Ở nhiệt độ dưới 1.200 °C, chất lượng vật liệu CNTs giảm và xuất hiện sai hỏng cấu trúc Sử dụng hỗn hợp xúc tác Ni, Co/Ni mang lại hiệu suất cao hơn Sản phẩm thu được là các ống carbon nano với đường kính nhỏ, kích cỡ đồng đều và độ sạch cao (trên 90%) so với phương pháp hồ quang điện Giản đồ phương pháp bốc bay Laser được minh họa trong Hình 2.2.
Hình 2.2 – Giản đồ phương pháp bốc bay Laser tổng hợp CTNs
2.1.3 Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (phương pháp CVD nhiệt)
Phương pháp lắng động pha hơi hóa học (CVD nhiệt) là kỹ thuật chế tạo carbon nanotubes (CNTs) phổ biến nhất, được nhiều nhà nghiên cứu trên toàn cầu ưa chuộng So với các phương pháp khác, CVD nhiệt nổi bật với những điểm khác biệt và ưu việt đáng chú ý.
Phương pháp này sử dụng một ống thạch anh có đường kính 15-20 mm và chiều dài từ 1 m đến 1,2 m, được bao quanh bởi một lò nhiệt có khả năng nâng nhiệt nhanh chóng Hiệu suất và chất lượng sản phẩm CNTs phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ phản ứng, xúc tác, nguồn cung cấp hydrocacbon, thời gian phản ứng và lưu lượng khí Phương pháp phóng điện hồ quang và bốc bay Laser thuộc nhóm sử dụng nhiệt độ cao (>3000K) trong quá trình tổng hợp với thời gian phản ứng ngắn (mili giây) Điều này trái ngược với phương pháp CVD nhiệt, nơi nhiệt độ sử dụng thấp hơn (700 °C ~ 1000 °C) và thời gian phản ứng kéo dài từ vài chục phút đến vài giờ.
Hình 2.3 – Giản đồ phương pháp CVD nhiệt tổng hợp CTNs
Hình 2.4 – Sơ đồ nguyên lý phương pháp CVD nhiệt tổng hợp CTNs
2.1.4 Một số tính chất và ứng dụng của CNTs
CNTs có tính chất cơ học vượt trội, bền và nhẹ, lý tưởng cho việc gia cường các vật liệu như cao su, polymer và kim loại nhằm nâng cao độ bền và khả năng chống mài mòn Suất Yuong của CNTs gấp 6 lần và độ bền kéo gấp 375 lần so với thép, trong khi trọng lượng lại nhẹ hơn nhiều so với thép.
- Tính chất điện: Tính chất điện của CNTs phụ thuộc mạnh vào cấu trúc của nó Nó có tính dẫn điện của kim loại hoặc bán dẫn
- Tính chất nhiệt: CNTs là vật liệu dẫn nhiệt rất tốt (3.104 W/m.K)
Ống nano carbon (CNTs) có tính chất hóa học tương đối trơ, nhưng kích thước nhỏ hơn của chúng lại dẫn đến hoạt động hóa học mạnh mẽ hơn Để nâng cao hoạt tính hóa học của CNTs, các nhà nghiên cứu thường tạo ra các sai hỏng trên ống hoặc thực hiện biến tính bề mặt của chúng.
- Tính chất phát xạ trường: CNTs có khả năng phát xạ điện từ mạnh ngay cả ở điện thế thấp (10V)
Các ứng dụng tích trữ năng lượng từ CNTs rất đa dạng nhờ vào khả năng tích trữ năng lượng cao và tốc độ truyền tải điện tử nhanh Chính vì vậy, CNTs thường được nghiên cứu và ứng dụng trong các pin nhiên liệu, loại pin này nổi bật với hiệu suất rất cao.
Ứng dụng của CNTs trong các linh kiện điện tử rất đa dạng, bao gồm thiết bị phát xạ điện từ trường đầu dò Nano và các loại cảm biến nhờ vào tính dẫn điện tốt và tính trơ về mặt hóa học Bên cạnh đó, CNTs còn có diện tích bề mặt lớn, cho phép khả năng hấp phụ cao.
Vật liệu gia cường như CNTs (carbon nanotubes) có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt và trọng lượng nhẹ, thường được sử dụng để gia cường trong các vật liệu composite như CNTs với polymer, cao su hoặc kim loại Các composite này thường sở hữu đặc tính cơ lý vượt trội, độ bền cao, tính dẻo tốt và khả năng dẫn điện hiệu quả.
Công nghệ sử dụng vật liệu nano carbon làm phụ gia cho hỗn hợp bê tông nhựa
Công nghệ nano, lần đầu tiên được Richard Feynman giới thiệu vào năm 1960, đã có những bước phát triển đáng kể trong thế kỷ qua, đặc biệt trong hai thập kỷ gần đây Định nghĩa về công nghệ nano phụ thuộc vào lĩnh vực nghiên cứu, nhưng chủ yếu là sự kiểm soát và tái cấu trúc vật chất ở quy mô nanomet để tạo ra vật liệu mới Công nghệ nano đã ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực như y tế, điện tử, và công nghệ sinh học, nhưng tác động trong ngành xây dựng vẫn còn hạn chế Bê tông, vật liệu phổ biến nhất trong xây dựng, chưa được cải tiến đáng kể thông qua công nghệ nano do thiếu hiểu biết về tính chất của nó Tuy nhiên, có tiềm năng lớn để nâng cao hiệu suất bê tông bằng cách sử dụng vật liệu nano, mặc dù cần nhiều nghiên cứu hơn để áp dụng thực tiễn Việc cải tiến bê tông có thể đạt được thông qua việc kết hợp các hạt nano hoặc ống nano, từ đó cải thiện các đặc tính cơ học và độ bền của nó.
Các ống nano carbon (CNTs) được sử dụng phổ biến như phụ gia cho bê tông nhựa, giúp cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học của nó CNTs hoạt động như cầu nối hiệu quả, giảm thiểu sự lan truyền của các vết nứt nhỏ trong hỗn hợp Để đạt hiệu quả tối ưu, CNTs cần được phân tán đều trong nhựa đường, có thể thêm vào bê tông nhựa qua bột khoáng hoặc trộn vào chất kết dính nhựa đường Kỹ thuật trộn vào chất kết dính nhựa đường thường được ưa chuộng vì đảm bảo phân tán CNTs đồng đều nhất.
Có 2 phương pháp để trộn CNTs vào trong chất kết dính nhựa đường Đó là phương pháp trộn ướt và trộn đơn giản [14]:
Phương pháp trộn đơn giản sử dụng máy khoáy trộn để phân tán đều chất kết dính nhựa đường và hỗn hợp CNTs Trong quá trình này, nhiệt độ của nhựa đường được duy trì ổn định ở 160 °C.
Phương pháp trộn ướt sử dụng kỹ thuật phân tán siêu âm để phá vỡ mạch của CNTs trong dung môi Nhựa đường được làm nóng đến 150 °C, sau đó cho CNTs đã hòa tan vào dung môi vào và sử dụng máy khuấy để đảm bảo CNTs được phân tán đều trong nhựa đường.
Theo Hassan Latifi và Parham Hayati, phương pháp trộn ướt có thể đảm bảo cho CNTs phân tán đều trong nhựa đường hơn phương pháp trộn đơn giản [9].
Kết luận chương 2
Vật liệu CNTs có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt và trọng lượng nhẹ, thường được sử dụng để gia cường trong các vật liệu composite như polymer, cao su và kim loại, nhằm tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn Đặc điểm này làm cho vật liệu nano carbon trở thành chất phụ gia lý tưởng cho bê tông nhựa.
Tác giả áp dụng phương pháp trộn ướt để phân tán các ống nano carbon (CNTs) vào nhựa đường, sau đó sử dụng nhựa đường đã được phân tán đồng đều CNTs để chế tạo mẫu BTNC 12,5 Cuối cùng, các thí nghiệm và đánh giá được thực hiện để kiểm tra chất lượng của mẫu.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG SỬ DỤNG PHỤ
Thiết kế quy hoạch mẫu thí nghiệm
Để nghiên cứu hiệu quả của phụ gia nano carbon trong việc tăng cường khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa, các thí nghiệm marshall, ép chẻ và độ lún vệt bánh xe đã được thực hiện bằng thiết bị HWTD (Hamburg Wheel Tracking Device) Nội dung, trình tự và khối lượng các thí nghiệm được tiến hành một cách chi tiết.
Bảng 3.1 - Khối lượng mẫu thí nghiệm
TT Nội dung thí nghiệm Đơn vị Số lượng Phương pháp thí nghiệm
Thí nghiệm Marshall thiết kế thành phần hỗn hợp
2 Thí nghiệm độ ổn định
3 Thí nghiệm ép chẻ Mẫu 18 TCVN8862-2011
Thí nghiệm độ lún vệt bánh xe bằng thiết bị
Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ngày 29 tháng 4 năm 2014 của Bộ Giao thông Vận tải quy định về phương pháp thử độ sâu vệt hằn lún bánh xe của bê tông nhựa, được xác định bằng thiết bị Wheel tracking.
Thực nghiệm
3.2.1 Kiểm tra đánh giá vật liệu đầu vào
3.2.1.1 Cốt liệu Đá dăm có nguồn gốc từ mỏ đá Tân Đông Hiệp, thị xã Dĩ An, tỉnh Bình Dương Đá dăm dùng chế tạo BTNC 12,5 gồm 3 loại đá: đá 10x16, đá 5x10 và đá 0x5
Hình 3.1 – Vật liệu đá 10x16, đá 5x10 và đá 0x5
Lấy mẫu và kiểm tra chất lượng vật liệu cho hỗn hợp BTNC 12,5 theo TCVN 8860:2011 Kết quả thí nghiệm đá dăm 10x16 được trình bày trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2 – Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm đá dăm 10x16
Chỉ tiêu Phương pháp thử
Yêu cầu kỹ thuật TCVN 8819:2011
Cường độ nén của đá gốc
(MPa) TCVN 7572-10:2006 142 ≥ 100 Độ mài mòn LA (%) TCVN 7572- 12:2006 16,29 ≤ 28
Hàm lượng thoi dẹt, % TCVN7572- 13:2006 6,45 ≤ 15
Hàm lượng hạt mềm, yếu và phong hóa (%)
Hàm lượng bụi bùn sét (%) TCVN7572-8:2006 0,72 ≤ 2.0 Độ dính bám của đá với nhựa đường (cấp) TCVN7504: 2005 cấp 4 ≥ cấp 3
Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hạt của đá dăm 10x16 như Bảng 3.3
Bảng 3.3 – Kết quả phân tích thành phần hạt của đá dăm 10x16
Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm đá dăm 5x10 như Bảng 3.4
Bảng 3.4 – Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm đá dăm 5x10
Chỉ tiêu Phương pháp thử
Yêu cầu kỹ thuật TCVN 8819:2011
Cường độ nén của đá gốc
(MPa) TCVN 7572-10:2006 142 ≥ 100 Độ mài mòn LA (%) TCVN 7572- 12:2006 15,37 ≤ 28
Hàm lượng thoi dẹt, % TCVN7572- 13:2006 9,91 ≤ 15
Hàm lượng hạt mềm, yếu và phong hóa (%)
Hàm lượng bụi bùn sét theo TCVN7572-8:2006 yêu cầu không vượt quá 2.0%, với mức tối thiểu là 0,75% Độ dính bám của đá với nhựa đường theo TCVN7504:2005 phải đạt cấp 4, tối thiểu là cấp 3 Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hạt của đá dăm 5x10 được trình bày trong Bảng 3.5.
Bảng 3.5 – Kết quả phân tích thành phần hạt của đá dăm 5x10
Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm đá dăm 0x5 như Bảng 3.6
Bảng 3.6 – Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm đá dăm 0x5
Chỉ tiêu Phương pháp thử
Yêu cầu kỹ thuật TCVN 8819:2011
Cường độ nén của đá gốc
Hàm lượng bụi, bùn sét (%) TCVN 7572- 8:2006 1,66 ≤ 2.0
Hàm lượng sét cục (%) TCVN7572- 8:2006 0,00 ≤ 0.25
Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hạt của đá dăm 0x5 được thể hiện trong Bảng 3.7
Bảng 3.7 – Kết quả phân tích thành phần hạt của đá dăm 0x5
Bột khoáng có nguồn gốc sản xuất tại Đà Nẵng
Chỉ tiêu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm bột khoáng được thể hiện ở Bảng 3.8
Bảng 3.8 – Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm bột khoáng
1 Thành phần hạt (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng mắt vuông), % TCVN
Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hạt của bột khoáng như Bảng 3.9
Bảng 3.9 – Kết quả phân tích thành phần hạt của bột khoáng
Nhựa đường dùng loại Shell 60/70, xuất xứ từ Singapore
Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm nhựa đường như Bảng 3.10
Bảng 3.10 – Yêu cầu kỹ thuật và kết quả thí nghiệm nhựa đường
TT Các chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị
Yêu cầu theo TT27/BGTVT
2 Chỉ số độ kim lún
(Dụng cụ vòng và bi) oC
4 Độ nhớt động lực học ở 60 o C Pa.s
TT Các chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị
Yêu cầu theo TT27/BGTVT
8 Độ hòa tan trong trichloethylene
10 Các chỉ tiêu thí nghiệm trên mẫu nhựa sau khi thí nghiệm TFOT
Lượng tổn thất khối lượng (nung ở
Tỷ lệ độ kim lún còn lại so với độ kim lún ban đầu ở
11 Độ dính bám với đá Cấp Cấp 4 Cấp 4 Min: Cấp 3 TCVN
Sử dụng vật liệu CNTs đa tường cung cấp bởi Trung tâm Nghiên cứu Triển khai
- Khu Công nghệ cao, Quận 9 - TP Hồ Chí Minh
Vật liệu CNTs đa tường được đựng trong bao bì, tránh ẩm Ảnh chụp thực tế và ảnh mô phỏng kích thước CNTs như Hình 3.4
Hình 3.4 – Vật liệu CNTs đa tường Bảng 3.11 - Thông số kỹ thuật sản phẩm ống nano carbon đa tường
TT Thông số kỹ thuật Phương pháp đánh giá
- Hình ảnh sản phẩm than ống nano
2 Độ tinh khiết (purity): > 99% Phương pháp TGA
Phương pháp quang phổ Raman
Diện tích bề mặt riêng (Surface Area):
3.2.2 Nghiên cứu, tính toán thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 12,5
3.2.2.1 Tính tỷ lệ phối trộn cốt liệu của hỗn hợp bê tông nhựa
Mục đích của việc phối trộn cốt liệu là xác định tỷ lệ các nhóm cốt liệu như đá dăm và bột khoáng, nhằm đảm bảo rằng thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu sau khi phối trộn nằm trong giới hạn quy định của tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu mặt đường BTN.
Kết quả thí nghiệm thành phần hạt của hỗn hợp cốt liệu khoáng như Bảng 3.12
Bảng 3.12 – Tổng hợp kết quả thí nghiệm thành phần hạt các loại vật liệu
Kết quả thí nghiệm tỷ lệ phối trộn của hỗn hợp cốt liệu khoáng như Bảng 3.13
Bảng 3.13 – Kết quả tỷ lệ phối trộn các loại vật liệu
Loại cốt liệu Đá 10x16 Đá 5x10 Đá 0x5 Bột khoáng Tổng
Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối sau khi phối trộn hỗn hợp cốt liệu khoáng như Bảng 3.14
Bảng 3.14 – Kết quả thí nghiệm thành phần cấp phối sau khi phối trộn
10x16 5x10 0x5 Bột khoáng % lọt sàng cấp phối thiết kế
% qui định lọt sàng cấp phối theo TCVN 8819:2011
Kết quả thí nghiệm biểu đồ cấp phối hỗn hợp cốt liệu khoáng như Hình 3.5
Hình 3.5 – Đường cong cấp phối sau khi phối trộn
Chế tạo mẫu Marshall nhằm xác định hàm lượng nhựa tối ưu cho cấp phối BTNC 12,5 sử dụng nhựa 60/70 Thí nghiệm được thực hiện với 5 hàm lượng nhựa khác nhau: 4,0%; 4,5%; 5,0%; 5,5%; và 6,0% Phân tích mối quan hệ giữa khối lượng thể tích, độ rỗng dư, độ ổn định Marshall, độ rỗng cốt liệu và độ dẻo tương ứng với các hàm lượng nhựa đã chọn.
Các vật liệu được làm sạch, đạt các yêu cầu kỹ thuật, được chuẩn bị theo trình tự sau:
- Sấy khô cốt liệu đá, bột khoáng ở nhiệt độ 105 o C đến khối lượng không đổi;
- Sàng vật liệu qua các cỡ sàng theo khối lượng đã tính toán trước;
- Để riêng các loại cốt liệu;
Tiến hành trộn các loại cốt liệu với kích thước hạt theo cấp phối Mỗi hàm lượng nhựa khác nhau, tổng cộng 5 hàm lượng, sẽ được sử dụng để chế tạo một tổ mẫu gồm 3 mẫu.
- Các phần được cho vào tủ sấy với nhiệt độ sấy là 160 o C;
- Nhựa được cho vào tủ sấy với nhiệt độ sấy là 140 o C;
- Khuôn và nắp được đưa vào tủ sấy với nhiệt độ sấy là 140 o C;
Cân cốt liệu theo khối lượng đã tính toán và đổ vào chảo trộn Tiếp theo, cân bột khoáng và cho vào chảo, sau đó đặt chảo lên cân điện tử Đổ từ từ Bitum vào chảo, theo dõi giá trị trên cân để đạt đúng khối lượng chế tạo mẫu đã tính trước Cuối cùng, đặt chảo lên bếp và tiến hành trộn đều hỗn hợp cốt liệu.
- Chuẩn bị mặt bằng, các vật dụng cần thiết, bố trí thuận tiện sao cho vận hành dễ dàng và liên tục;
Lấy khuôn ra và lót giấy thấm dưới đáy, sau đó quét dầu và đặt lên bàn cân điện tử Điều chỉnh cân về giá trị 0, rồi lấy hỗn hợp ra và đổ từ từ vào khuôn, đồng thời trộn đều để tránh phân tầng Khi đạt đến giá trị đúng, lắp khuôn vào máy, đặt giấy thấm phía trên và tiến hành đầm.
- Đầm cho cả 2 mặt, mỗi mặt 75 cú đập, đánh dấu mẫu, để nguội ít nhất 2 giờ, kích mẫu ra c Tiến hành đúc mẫu thí nghiệm theo phương pháp Marshall
- Đo chiều cao của mẫu, mỗi mẫu tiến hành đo chiều cao 3 lần để tính chiều cao trung bình;
- Gia nhiệt bể nước ổn nhiệt đến 60°C Ngâm mẫu ngập vào trong bể nước, mẫu được ngâm trong khoảng từ 30 đến 40 phút;
Sử dụng máy nén Marshall, cần điều chỉnh thiết bị và thực hiện thử nghiệm để đảm bảo rằng thời gian từ khi lấy mẫu đến khi xác định giá trị lực nén lớn nhất không vượt quá 30 giây.
- Đặt một mẫu vào giữa 2 má ép, tiến hành gia tải đến khi đạt tải trọng lớn nhất;
- Xử lý và lưu kết quả từng mẫu theo các tổ mẫu, vệ sinh máy nén;
- Tiến hành tương tự đối với các mẫu khác
3.2.2.3 Kiểm tra độ ổn định và xác định hàm lượng nhựa tối ưu a Độ ổn định Marshall Độ ổn định Marshall là giá trị lực nén lớn nhất đạt được khi thử nghiệm mẫu BTN chuẩn (mẫu hình trụ đường kính 101,6 mm, chiều cao 63,5mm) trên máy nén Marshall Trường hợp mẫu có chiều cao khác 63,5mm thì hiệu chỉnh để xác định độ ổn định Marshall Áp dụng TCVN 8860-1:2011 [3] về xác định độ ổn định và độ dẻo Marshall, ta xác định độ ổn định Marshall của mẫu (S), tính bằng kiloniuton (kN), theo công thức:
S = K.P (3-1) Trong đó: K là hệ số điều chỉnh; P là lực nén lớn nhất, tính bằng kN
Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall của 5 tổ mẫu chế bị với 5 hàm lượng nhựa khác nhau như Bảng 3.15
Bảng 3.15 – Kết quả thí nghiệm Marshall của 5 tổ mẫu chế bị
Kết quả từ Bảng 3.15 trên đã thỏa yêu cầu về độ ổn định theo TCVN 8819:2011
[1] (độ ổn định phải > 8 kN) b Xác định hàm lượng nhựa tối ưu
Tiến hành thí nghiệm xác định các chỉ tiêu trên máy nén Marshall:
- Khối lượng thể tích (tỷ trọng khối);
- Độ bền và độ dẻo;
- Tỷ trọng lý thuyết lớn nhất (khối lượng riêng) của hỗn hợp BTN ở trạng thái rời;
- Phân tích độ chặt và độ rỗng
Tổng hợp các kết quả thí nghiệm Marshall hỗn hợp BTNC 12,5 được thể hiện trong Bảng 3.16
Hệ số hiệu chỉnh K Độ ổn định Marshall S = K.P (kN) Độ ổn định Marshall trung bình (kN)
Bảng 3.16 – Kết quả thí nghiệm Marshall các chỉ tiêu kỹ thuật BTNC 12,5
Khối lượng thể tích Độ rỗng dư Độ rỗng cốt liệu
- VMA Độ rỗng lấp đầy nhựa - VFA Độ ổn định Marshall
Yêu Cầu kỹ thuật theo
Sau khi nhận được kết quả thí nghiệm Marshall, cần lập bảng tương quan giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu kỹ thuật (Bảng 3.17) để thể hiện trên biểu đồ các đường cong quan hệ.
Bảng 3.17 – Bảng quan hệ giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu kỹ thuật
STT Biểu đồ quan hệ
1 Hàm lượng nhựa - Khối lượng thể tích
2 Hàm lượng nhựa - Độ ổn định Marshall
3 Hàm lượng nhựa - Độ dẻo Marshall
4 Hàm lượng nhựa - Độ rỗng cốt liệu VMA
5 Hàm lượng nhựa - Độ rỗng còn dư
6 Hàm lượng nhựa - Độ rỗng lấp đầy bởi nhựa - VFA
Vẽ các đường cong quan hệ giữa các giá trị thí nghiệm và giá trị tính toán với hàm lượng nhựa trên các biểu đồ độc lập như Hình 3.6
Hình 3.6 – Các đường cong đặc tính của hỗn hợp bê tông nhựa thông thường
Dựa vào các biểu đồ quan hệ, hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp bê tông nhựa được xác định là 5,26% so với cốt liệu, tương đương 5% so với tổng hỗn hợp.
3.2.3 Chế bị mẫu nhựa trộn với phụ gia CNTs
Vật liệu CNTs được cung cấp từ Khu Công nghệ cao tại Quận 9, TP Hồ Chí Minh Sau khi pha trộn CNTs với nhựa đường, mẫu vật liệu được lấy để tiến hành thí nghiệm quét soi chiếu nhằm kiểm tra độ phân tán của CNTs trong nhựa đường.
- Chuẩn bị mẫu nhựa đường 60/70, vật liệu CNTs, dung môi là dầu hỏa (Kerosene), máy móc pha trộn
Để xác định hàm lượng CNTs hòa tan vào nhựa đường, các tỷ lệ được sử dụng là 0,05%, 0,1%, 0,15%, 0,2% và 0,25% Ví dụ, khi đúc 3 mẫu Marshall và 3 mẫu cải tiến với đường kính 150mm, cần tới 800g nhựa Đối với hàm lượng Nano 0,1%, ta sẽ pha vào 0,8g CNTs.
Cho 1g vật liệu CNTs vào 30g dung môi dầu hoả và sử dụng thiết bị đánh siêu âm để phá vỡ mạch của CNTs.
So sánh đối chứng các kết quả nghiên cứu
3.3.1 Thí nghiệm độ ổn định Marshall
Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall được thống kê như bảng 3.19
Bảng 3.19 - Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật BTNC 12,5 có sử dụng CNTs
Khối lượng thể tích (g/cm 3 )
Khối lượng riêng, (g/cm 3 ) Độ rỗng dư (%) Độ ổn định Marshall (KN) Độ dẻo Marshall (mm)
Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật đã đáp ứng yêu cầu của TCVN 8819:2011 [1] Dựa trên kết quả trong bảng 3.18, có thể rút ra một số nhận xét quan trọng.
Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng độ ổn định Marshall của bê tông nhựa tăng khi hàm lượng CNTs trong nhựa đường được tăng lên Cụ thể, khi thêm 0,1% CNTs, độ ổn định tăng 14,7%, và khi thêm 0,25% CNTs, độ ổn định tăng 29,9% Điều này chứng tỏ rằng CNTs có khả năng cải thiện độ bền của bê tông nhựa.
- Hình 3.21 thể hiện kết quả thí nghiệm độ ổn định còn lại theo TCVN 8819:2011
Hình 3.21 - Độ ổn định còn lại theo các hàm lượng CNTs khác nhau
Từ kết quả thí nghiệm độ ổn định còn lại theo hình 3.21, cho kết quả nhận xét như sau:
Khi hàm lượng CNTs trong nhựa đường tăng từ 0% lên 0,25%, độ ổn định của vật liệu tăng từ 78% đến 96% Kết quả này cho thấy việc sử dụng loại BTN này trong môi trường ẩm ướt sẽ cải thiện đáng kể tuổi thọ của kết cấu áo đường.
Có thể thiết lập mối liên hệ tạm thời giữa độ ổn định còn lại và hàm lượng CNTs theo quy luật hàm tuyến tính, với hệ số R bình phương đạt 0,99.
TSRp,57xCNTs+78,93 (3-4) Trong đó: TSR: Độ ổn định còn lại (%)
CNTs: Hàm lượng Nano carbon trong nhựa đường (%)
Kết quả thí nghiệm nén ép chẻ theo các hàm lượng CNTs khác nhau được thể hiện hình 3.22
Hình 3.22 - Thí nghiệm cường độ nén ép chẻ theo các hàm lượng CNTs khác nhau
Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ ép chẻ của bê tông nhựa tăng theo hàm lượng CNTs Cụ thể, khi thêm 0,1% CNTs, cường độ ép chẻ tăng 6%, và khi thêm 0,25% CNTs, cường độ ép chẻ tăng 28,8% Điều này cho thấy cường độ ép chẻ BTN tăng nhanh theo hàm lượng CNTs trong nhựa đường.
3.3.3 Khả năng kháng lún vệt bánh xe
Thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe được thực hiện theo Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT trong môi trường nước ở nhiệt độ 50 o C, sử dụng mẫu thí nghiệm có kích thước 320x260x50mm với các hàm lượng CNTs là 0%; 0,1% và 0,15% Độ lún vệt bánh xe được kiểm tra trong phòng bằng thiết bị HWTD (Hamburg Wheel Tracking Device) Kết quả cho thấy chiều sâu hằn lún vệt bánh xe sau 15.000 lần tác dụng tải trọng.
Hình 3.23 - Kết quả thí nghiệm của mẫu 01 (hàm lượng CNTs 0%)
Hình 3.24 - Kết quả thí nghiệm của mẫu 02 (hàm lượng CNTs 0,1%)
Kết quả thí nghiệm của mẫu 03 với hàm lượng CNTs 0,15% cho thấy, sau 15.000 chu kỳ tác dụng tải trọng, chiều sâu hằn lún vệt bánh xe của mẫu thử có CNTs là 4,1 mm và 2,0 mm, tương ứng với hàm lượng 0,1% và 0,15% CNTs, giảm từ 59% đến 80% so với mẫu thử không có CNTs.
Hình 3.26 - Chiều sâu hằn lún vệt bánh xe với các hàm lượng CNTs khác nhau
Hình 3.26 so sánh chiều sâu hằn lún vệt bánh xe của các mẫu BTN có và không có CNTs sau 15.000 chu kỳ tải trọng Kết quả cho thấy, khi thêm 0,1% và 0,15% CNTs vào BTN, chiều sâu hằn lún lần lượt giảm xuống còn 4,1 mm và 2,0 mm, tương ứng với mức giảm từ 59% đến 80% so với mẫu không có CNTs.
Kết luận chương 3
Sử dụng CNTs với tỷ lệ từ 0,1% đến 0,15% làm phụ gia cho bê tông nhựa không chỉ tăng cường độ ổn định mà còn giảm hằn lún vệt bánh xe trong điều kiện ẩm ướt Điều này cho thấy, trong bối cảnh ngập nước và nắng nóng tại Thành phố Hồ Chí Minh, việc áp dụng phụ gia này để chế tạo BTN cho lớp mặt đường mềm sẽ là giải pháp hiệu quả, giúp gia cường khả năng kháng lún và giảm thiểu hư hại cho kết cấu mặt đường dưới tác động của tải trọng xe và môi trường.
Về mặt kinh tế, việc sử dụng vật liệu nano Carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa có thể mang lại hiệu quả đáng kể.
Trên thị trường hiện nay, vật liệu nano carbon có nhiều loại và xuất xứ khác nhau, bao gồm Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc, với giá thành phụ thuộc vào độ sạch Giá của ống nano carbon (CNTs) có độ sạch 95% dao động từ 50.000 đến 100.000 USD/kg Đối với các ứng dụng phổ thông như bộ lọc và điện cực pin nhiên liệu, kích thước ống CNTs có thể lớn hơn, từ 10-30 nm, dẫn đến giá của CNTs đơn tường từ 800 đến 50.000 USD/kg Công ty SUNNANO tại Giang Tây, Trung Quốc cung cấp CNTs với giá chỉ 400 USD/kg cho đơn hàng trên 5 kg với độ sạch 90%, và có thể giảm xuống còn 120 USD/kg khi mua trên 100 kg.
Trong nghiên cứu này, nguồn CNTs được cung cấp bởi Trung Tâm Ứng dụng và Chuyển giao Công nghệ - Khu Công nghệ cao - Quận 9 - TP Hồ Chí Minh với giá 8.000 đồng/1g, tương đương 8.000.000 đồng/1kg Khi sử dụng hàm lượng CNTs 0,1%, giá thành 1 tấn bê tông nhựa sẽ tăng thêm 400.000 đồng Mặc dù chi phí tăng, việc sử dụng CNTs đã cải thiện cường độ bê tông nhựa một cách rõ rệt Nhờ vào việc thêm một lượng nhỏ CNTs, kết cấu mặt đường có thể mỏng hơn, dẫn đến sự chênh lệch không đáng kể về giá thành kết cấu.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Qua quá trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, có thể bước đầu rút ra một số kết luận như sau:
Việc bổ sung ống nano carbon (CNTs) vào nhựa đường trong bê tông nhựa với tỷ lệ hợp lý từ 0,05-0,25% sẽ cải thiện độ ổn định Marshall và cường độ ép chẻ của bê tông nhựa.
Nghiên cứu cho thấy việc sử dụng ống nano carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa với hàm lượng từ 0,1% đến 0,15% giúp giảm đáng kể hằn lún vệt bánh xe, với mức giảm từ 59% đến 80% so với mẫu không có CNTs Do đó, trong điều kiện ngập nước và nắng nóng của Thành phố Hồ Chí Minh, việc áp dụng phụ gia này trong chế tạo bê tông nhựa cho lớp mặt đường mềm sẽ là giải pháp hiệu quả để tăng cường khả năng kháng lún và giảm thiệt hại cho kết cấu mặt đường dưới tác động của tải trọng xe và môi trường ẩm ướt.
Việc sử dụng vật liệu nano carbon, cụ thể là CNTs, làm phụ gia cho bê tông nhựa có thể làm tăng giá thành, nhưng đồng thời cũng cải thiện cường độ của bê tông nhựa theo hướng tích cực Chỉ cần thêm một lượng nhỏ CNTs, cường độ sẽ tăng rõ rệt, cho phép kết cấu mặt đường sử dụng bê tông nhựa có phụ gia CNTs mỏng hơn mà không làm chênh lệch giá thành quá nhiều Do đó, khuyến cáo nên sử dụng hàm lượng CNTs từ 0,05-0,1% để đạt được sự hợp lý về kinh tế và kỹ thuật.
Từ những kết quả trên có thể thấy, vật liệu nano carbon có triển vọng ứng dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa trong xây dựng đường ô tô
2 Kiến nghị Để đánh giá khả năng sử dụng nano carbon làm giảm thiểu vệt hằn bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa, cần phải thi công thí điểm một đoạn đường trong thực tế, so sánh và đối chứng với đoạn đường có lớp mặt không sử dụng vật liệu nano carbon Rút ra các kết quả và đánh giá chính xác khả năng sử dụng loại vật liệu này Từ đó có thể khắc phục triệt để hiện tượng hằn lún của mặt đường bê tông nhựa có nhiều xe có tải trọng nặng chạy qua, hoặc trên tuyến đường cầu vượt có nhiều xe tải trọng nặng chạy trên một vệt nhất định
Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc khảo sát các chỉ tiêu khác của bê tông nhựa có sử dụng phụ gia nano carbon, bao gồm chỉ tiêu kháng nứt, kháng mỏi và môđun đàn hồi Những nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở đánh giá toàn diện về mặt kinh tế - kỹ thuật của bê tông nhựa với phụ gia nano carbon.
