Bê tông asphalt sử dụng phụ gia siêu dẻo

Chất lượng giao thông đường bộ phụ thuộc vào nhiều yếu tố,trong đó yếu tố ảnh hưởng trực tiếp nhất là chất lượng mặt đường. Mặt đường có chất lượng tốt phải đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật cao, có khả năng ổn định với các tác động của môi trường và đảm bảo tuổi thọ… Để tạo ra mặt đường có chất lượng cao trước hết phải lựa chọn các loại vật liệu thích hợp,chất lượng tốt. Vật liệu chất kết dính dùng cho các lớp mặt đường chia làm hai loại chính : chất kết dính vô cơ và hữu cơ , trong đó bitum dầu mỏ là chất kết dính hữu cơ thông dụng nhất và cùng với nó, bê tông asphalt là vật liệu có chất lượng cao được sử rộng rãi trong xây dựng mặt đường ô tô. Bê tông asphalt là loại vật liệu phổ biến làm lớp phủ bề mặt cho kết cấu áo đường trên lớp móng là vật liệu rời, vật liệu gia cố asphalt hay vật liệu gia cố vô cơ hoặc bê tông xi măng nghèo. Với các ưu điểm nổi bật, phù hợp với yêu cầu của lớp mặt kết cấu áo đường, như là cường độ chịu tải trọng và phân bố tải trọng, đảm bảo độ bằng phẳng, độ nhám, ít sinh bụi và hạn chế gây ồn, bê tông asphalt được lựa chọn làm lớp lớp mặt cho hầu hết các tuyến quốc lộ, bao gồm lớp phủ mặt cầu trên đường cả cầu bê tông và cầu thép, các đường chính đô thị, đường chính khu vực và một bộ phận đáng kể của hệ thống đường địa phương của Việt Nam

CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT

VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA PHỤ GIA POLYMER

1.1 HIỆN TRẠNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT Ở NƯỚC TA HIỆN NAY

Trong quá trình đổi mới và phát triển đất nước, hệ thống giao thông vận tải giữ vai trò quan trọng trong cơ sở kiến trúc hạ tầng mà trong đó giao thông đường bộ

là cơ bản và thiết yếu

Những năm gần đây giao thông đường bộ đã được quan tâm đúng mức Một số tuyến đường quan trọng như : Bắc Thăng Long – Nội Bài, QL1, QLD, QL51, đường Láng – Hòa Lạc, và đường Hồ Chí Minh … đã và đang được đầu tư xây dựng mới Mạng lưới giao thông đô thị và đường địa phương đang từng bước được nâng cấp cải tạo Trong vài thập kỷ tới, cùng với tiến trình phát triển của đất nước, nhu cầu về giao thông vận tải ngày càng cao, đòi hỏi mạng lưới giao thông đường bộ phải được đầu tư xây dựng mới và nâng cấp cải tạo một cách hợp lý nhằm tạo ra một mạng lưới giao thông đường bộ hoàn chỉnh, chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu về giao thông vận tải trong quá trình phát triển đất nước.Chất lượng giao thông đường bộ phụ thuộc vào nhiều yếu tố,trong đó yếu tố ảnh hưởng trực tiếp nhất là chất lượng mặt đường Mặt đường có chất lượng tốt phải đạt các tiêu chuẩn kỹ thuật cao, có khả năng ổn định với các tác động của môi trường và đảm bảo tuổi thọ… Để tạo ra mặt đường có chất lượng cao trước hết phải lựa chọn các loại vật liệu thích hợp,chất lượng tốt Vật liệu chất kết dính dùng cho các lớp mặt đường chia làm hai loại chính : chất kết dính vô cơ và hữu

cơ , trong đó bitum dầu mỏ là chất kết dính hữu cơ thông dụng nhất và cùng với

nó, bê tông asphalt là vật liệu có chất lượng cao được sử rộng rãi trong xây dựng mặt đường ô tô Bê tông asphalt là loại vật liệu phổ biến làm lớp phủ bề mặt cho kết cấu áo đường trên lớp móng là vật liệu rời, vật liệu gia cố asphalt hay vật liệu gia cố vô cơ hoặc bê tông xi măng nghèo Với các ưu điểm nổi bật, phù hợp với yêu cầu của lớp mặt kết cấu áo đường, như là cường độ chịu tải trọng và phân bố

1

tải trọng, đảm bảo độ bằng phẳng, độ nhám, ít sinh bụi và hạn chế gây ồn, bê tông asphalt được lựa chọn làm lớp lớp mặt cho hầu hết các tuyến quốc lộ, bao gồm lớp phủ mặt cầu trên đường cả cầu bê tông và cầu thép, các đường chính đô thị, đường chính khu vực và một bộ phận đáng kể của hệ thống đường địa phương của Việt Nam Số liệu về mạng lưới đường bộ Việt Nam theo vật liệu mặt đường sau được thể hiện trong Bảng 1 sau đây:

2

Bảng 1.1: Số liệu mạng lưới đường bộ Việt Nam theo vật liệu lớp mặt [2]

Loại đường theo cấp

quản lý Tổng chiều dài

Chiều dài theo loại mặt đường (km)

Bê tông nhựa Đá dăm

3

Ngoài một số đoạn thử nghiệm bê tông asphalt sử dụng bitum có phụ gia polime, lớp phủ mỏng hỗn hợp bê tông asphalt có độ rỗng lớn, hỗn hợp SMA, một số loại bê tông asphalt đặc biệt đã được sử dụng trong một số công trình thực tế của Việt Nam như :+ Hỗn hợp SMA cho lớp phủ mặt cầu Thăng Long, mặt cầu Thuận Phước, mặt cầu Cần Thơ, mặt cầu Sài Gòn; bê tông asphalt polime (SBS) cho lớp mặt sân bay Liên Khương, sân bay Cần Thơ, sân bay Phú Quốc, bê tông asphalt có độ rỗng lớn theo công nghệ Novachip cho lớp mặt đường cao tốc Sài Gòn - Trung Lương, Đại lộ Thăng Long, cao tốc Pháp Vân cầu Giẽ.

+ Bê tông asphalt epoxy làm lớp phủ mặt cầu Thuận Phước - thành phố Đà Nẵng

Bê tông asphalt là loại vật liệu có chất lượng tốt, kết cấu mặt đường bê tông asphalt là loại kết cấu mặt có tính toàn khối, độ bằng phẳng, êm thuận và độ nhám cao Công nghệ chế tạo và thi công đơn giản, mức độ cơ giới hóa cao Dễ nâng cấp cải tạo, cho phép khai thác sử dụng ngay sau khi thi công xong…, đồng thời còn cho phép tái chế nhờ công nghệ cào bóc và tái sinh mặt đường sau một thời gian nhất định

Tuy nhiên, bê tông asphalt là loại vật liệu có tính đàn hồi – nhớt - dẻo, ổn định nhiệt kém Khi nhiệt độ thay đổi thì cấu trúc của nó cũng thay đổi, dẫn đến các đặc trưng về cường độ và biến dạng cũng thay đổi theo Ở nhiệt độ cao,bê tông asphalt thể hiện tính dẻo, cường độ chịu nén rất kém, sức chống cắt thấp, biến dạng tăng Vì vậy mặt đường

dễ gây trượt, lượn sóng, hằn vệt bánh xe, nổi nhựa trên mặt, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng khai thác và tuổi thọ của mặt đường Còn khi ở nhiệt độ thấp, bê tông asphalt thể hiện tính giòn, khả năng chịu kéo kém, dễ nứt nẻ phá hoại mặt đường

Ngoài ra, bê tông asphalt còn thể hiện một số nhược điểm như : sự già hóa theo thời gian do sự bay hơi các thành phần dầu nhẹ, quá trình oxy hóa và trùng hợp của các hợp chất cao phân tử (hydrocacbua chưa no) có trong thành phần bitum dầu mỏ, có thể

bị nước thâm nhập làm suy giảm khả năng dính bám giữa bitum dầu mỏ và cốt liệu, gây bong bật phá hoại mặt đường… Do đó, tuổi thọ của mặt đường bê tông asphalt không cao, mặt đường có chất lượng tốt thì tuổi thọ cũng chỉ kéo dài 8-10 năm

Hình 1.1 Vệt lún bánh xe trên đường

quốc lộ

Hình 1.2 Hiện tượng chảy nhựa xuất

hiện trên mặt đường

Hình 1.3 Nứt dạng ô lưới trên mặt

đường quốc lộ

Hình 1.4 Hiện tượng nứt xiên trên mặt

đường

Yếu tố chính quyết định đến chất lượng của bê tông asphalt là chất lượng của bitum dầu mỏ Để tạo ra kết cấu mặt đường bê tông asphalt có các đặc tính cơ học và chất lượng cao, tuổi thọ lớn, cần cải thiện các tính chất cơ lý của bitum dầu mỏ theo hướng

có lợi nhất bằng cách sử dụng các chất phụ gia Việc sử dụng phụ gia dùng để tạo ra các loại hỗn hợp bê tông asphalt có các đặc tính cơ học cao và chất lượng tốt khi nhiệt

độ thay đổi là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn trong xây dựng mặt đường ở nước ta hiện nay

1.2 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều Mùa nóng kéo dài 5 tháng (từ tháng 4 đến tháng 9) và cũng là thời kỳ tập trung mưa bão Nhiệt độ cao nhất trên bề mặt đường nhựa có thể lên tới 70oC vào mùa nóng [3] và thấp nhất xuống tới 2oC vào mùa lạnh [3] Tần suất xuất hiện nhiệt độ bề mặt lớn hơn 50oC là 1,83% (P(to>50oC)=1,83%), tức là trung bình trong một năm mặt đường phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao (nhiệt độ bề mặt > 50oC) là 160 giờ [3] Như vậy mặt đường bê tông asphalt của ta làm việc trong điều kiện nhiệt độ bề mặt biến thiên khá lớn theo mùa (2 oC -70oC) và tần suất xuất hiện nhiệt độ cao trên bề mặt là rất đáng kể, có khi kéo dài 5, 6 giờ liền trong một ngày Theo mức độ tăng nhiệt độ, bê tông asphalt trở nên dẻo hơn, trong bê tông asphalt các mối cấu trúc yếu đi dẫn đến giảm thấp độ bền

cơ học( nén và cắt) Trong khi đó bê tông asphalt là loại vật liệu đàn hồi - nhớt dẻo, các tính chất của bê tông asphalt thay đổi đáng kể theo nhiệt độ Ở nhiệt độ trung bình chúng có tính đàn hồi – dẻo; khi nhiệt độ tăng – chảy dẻo; khi nhiệt độ giảm, bê tông asphalt trở nên giòn Khi nhiệt độ thay đổi thì cấu trúc của chúng cũng thay đổi, dẫn đến các đặc trưng về cường độ và biến dạng thay đổi theo Ở điều kiện nhiệt độ cao (60 đến 70oC thì cường độ chống trượt và môdun đàn hồi sẽ giảm đến mức bất lợi, gây nguy hiểm cho mặt đường Còn khi ở nhiệt độ thấp bê tông asphalt sẽ thể hiện tính giòn nên dễ nứt nẻ gây phá hoại mặt đường

Do đó, trong xây dựng mặt đường ở nước ta hiện nay và trong những năm tới cần phải

có loại bê tông asphalt có đặc tính cơ học tốt, ổn định nhiệt, có khả năng làm việc bình thường trong điều kiện nhiệt độ thay đổi, nhất là trong điều kiện nhiệt độ cao

1.3 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG PHỤ GIA ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT

Vấn đề tăng tuổi thọ và chất lượng mặt đường bê tông asphalt dưới tác dụng của nhiệt

độ môi trường đối với các nước trong vùng khí hậu nhiệt đới như nước ta thường được giải quyết theo 2 hướng:

1.3.1 Các biện pháp nâng cao khả năng chống trượt cho vật liệu

Tính toán thành phần và hàm lượng tối ưu các vật liệu thành phần (Một trong những cách tốt nhất cải thiện tính chất của bê tông asphalt cho vùng khí hậu nóng( đặc biệt là tăng độ bền cắt ) là giảm lượng bitum tự do Cách này đạt được bằng cách giảm số lượng lỗ rỗng trong vật liệu khoáng của bê tông asphalt Trong đó hàm lượng đá, cát, bột khoáng, bitum dầu mỏ ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chống trượt của vật liệu

Bổ sung các vật liệu dạng cốt sợi hoặc lưới bằng các loại sợi tổng hợp có nhiệt độ nóng chảy cao để tăng khả năng chống trượt cho lớp vật liệu Hoặc sử dụng vữa xi măng tạo sườn cứng trong lớp vật liệu cũng có tác dụng tốt

1.3.2 Các biện pháp nâng cao tính chịu nhiệt cho bitum dầu mỏ bằng việc sử dụng chất phụ gia thích hợp

Các chất phụ gia thường dùng để nâng cao tính chịu nhiệt cho bitum dầu mỏ như:

- Polyvinylclorua (PVC), bột cao su phế thải, lưu huỳnh và phế phẩm của nó, polyetylen, polypropylen, polystiren và etylen vinyl axetat

- Prisagka-polymeridat (PVA): là sản phẩm thu được từ các chất nhựa cao phân

tử từ dầu mỏ nhưng chưa được polyme hóa hoàn toàn, vì thế sự polyme hóa sẽ được thực hiện khi kết hợp với các chất khác PVA tổng hợp từ các chất thải lọc

từ dầu mỏ, là chất lỏng màu đen nhớt, trung tính, khối lượng riêng 1,17-1,21 g/cm3

- Girovoi gudron - (gudron béo) thu được từ sản xuất xà phòng, chứa các axit béo dạng xà phòng Natri Sản phẩm nhớt, màu nâu sẫm đến đen

- Nhựa napta polyme: Công nghiệp sản xuất ra ở dạng rắn, dạng nửa nhớt và dạng nhớt Thường chỉ dùng dạng nhớt sán xuất dầu mỏ, khối lượng riêng 1,18g/cm3, Phân tử lượng 800đvC, trung tính.

Trên đây là những chất phụ gia có tác dụng tốt để cải thiện tính chất của bitum dầu mỏ như tăng tính quánh, dẻo, khả năng dính bám giữa bitum và vật liệu khoáng, tăng độ

ổn định nhiệt của bitum dầu mỏ …; từ đó cải thiện chất lượng của mặt đường bê tông asphalt Trong những năm gần đây việc người ta sử dụng các chất phụ gia polymer và copolymer để cải thiện tính chất của bitum dầu mỏ, nhất là tính chịu nhiệt

Các chất polymer và copolymer là những sản phẩm cao phân tử rất đa dạng và thông dụng trong công nghiệp hóa dầu Sử dụng chúng làm chất phụ gia để cải thiện tính chất của bitum dầu mỏ rất có hiệu quả Các chất phụ gia này có tác dụng tăng tính quánh (nhớt), tính dẻo, tính đàn hồi, tính chịu nhiệt cho bitum dầu mỏ, đồng thời tăng khả năng chịu xăng dầu, chống giòn ở nhiệt độ thấp, chống hóa già theo thời gian.Nhựa Tafpack super (TPS) là một trong số đó Sử dụng TPS làm chất phụ gia cải thiện tính chất cho bitum dầu mỏ rất có hiệu quả Hiện nay, đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số nước, tuy nhiên loại phụ gia này ở nước ta chưa được nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá tác dụng của loại phụ gia này đối với bê tông asphalt

1.4 MỤC ĐÍCH, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1 Mục đích

Mục đích nghiên cứu của chất phụ gia TPS đối với bitum dầu mỏ quánh xây dựng đường và bê tông asphalt thông qua các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản Nhằm đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất phụ gia TPS đến các tính chất cơ lý của bitum dầu mỏ quánh xây dựng đường Qua đó lựa chọn hàm lượng bitum dầu mỏ tốt nhất cũng như

tỷ lệ phụ gia thích hợp cho các phần nghiên cứu tiếp theo Đánh giá độ ổn định nhiệt của bê tông asphalt có sử dụng phụ gia TPS qua các thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, module đàn hồi động, module độ cứng, kiểm tra các chỉ tiêu về độ ổn định

và độ dẻo theo phương pháp thí nghiệm Marshall đối với mẫu dùng bitum thường và

mẫu sử dụng phụ gia TPS Trên cơ sở đó rút ra kết luận và đánh giá khả năng ứng dụng hiệu quả của phụ gia TPS trong xây dựng mặt đường ở nước ta.

1.4.2.Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện theo phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở tham khảo một số nghiên cứu đánh giá của một số tác giả về sử dụng phụ gia TPS để cải thiện một số chỉ tiêu của bê tông asphalt

1.4.3 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá tác dụng của phụ gia TPS đối với các tính chất của bitum dầu mỏ quánh xây dựng đường thông qua một số chỉ tiêu thí nghiệm cơ bản như độ kim lún, nhiệt độ hóa mềm, độ dính bám, độ kéo dài

- Nghiên cứu đánh giá, so sánh một số tính chất của bê tông asphalt có sủ dụng phụ gia TPS và bê tông asphalt sử dụng bi tum 60/70 thông qua các chỉ tiêu : cường độ chịu nén, độ ổn định nhiệt, độ bền, độ dẻo Marshall, mô đun độ cứng,

mô đun đàn hồi động…

CHƯƠNG 2: BITUM DẦU MỎ VÀ CÁC CHẤT PHỤ GIA

CẢI THIỆN BI TUM DẦU MỎ

2.1 THÀNH PHẦN CẤU TRÚC VÀ MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA BI TUM DẦU MỎ

2.1.1 Thành phần của bitum dầu mỏ

Bitum dầu mỏ là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hydrocacbon (metan, naftalen,các loại mạch vòng ) và một số dẫn xuất phi kim loại khác Nó có màu đen, hòa tan được trong benzene (C6H6), cloruafooc (CHCl3), disunfuacacbon (CS2) và một

số dung môi hữu cơ khác

Thành phần hóa học của bitum dầu mỏ như sau:

C : 73-87% ; H : 8-12% ; O : 1-2% ; S :1-5% ; N : 0,5-1%

Thành phần nhóm chất:

• Nhóm chất dầu (thơm)

o Gồm những hợp chất có phân tử lượng thấp (300-600 dvC)

o Không màu, khối lượng riêng nhỏ 0,91-0,925 g/cm3

o Nhóm chất dầu làm cho bitum có tính lỏng, chiếm 45-60 %

• Nhóm chất nhựa

o Gồm những chất có phân tử lượng cao trung bình (600-900 dvC)

o Màu nâu sẫm, khối lượng riêng xấp xỉ 1 g/cm3

o Nhóm chất nhựa trung tính (tỉ lệ H/C=1,6-1,8) làm cho bitum có tính dẻo Nhóm chất nhựa axit (tỉ lệ H/C=1,3-1,4) làm tăng tính bám dính của bitum với vật liệu khoáng

o Chiếm 15% - 30%

• Nhóm chất rắn (nhóm asphalt)

o Gồm những hợp chất có phân tử lượng trung bình (1000-6000 đvC)

o Màu nâu sẫm, khối lượng riêng 1,1-1,15g/cm3

o Tính quánh và sự biến đổi tính chất theo nhiệt độ của bitum phụ thuộc chủ yếu vào nhóm này Nếu hàm lượng nhóm này trong bitum tăng lên sẽ làm cho tính quánh và nhiệt độ hóa mềm của bitum tăng lên

o Chiếm 10-38%

o Nhóm parafin (các chất no) là những hydrocacbua ở dạng rắn Parafin có thể làm giảm khả năng phân tán và hòa tan của asphalt vào trong các nhóm khác, có thể làm giảm tính đồng nhất của bitum Nếu

tỷ lệ parafin tăng lên, nhiệt độ hóa mềm giảm,tính giòn bitum ở nhiệt

độ thấp sẽ tăng lên Tỷ lệ của parafin trong bitum dầu mỏ đến 5% nhưng nên hạn chế nhỏ hơn 2,2 %

2.1.2 Cấu trúc của bitum dầu mỏ

Bitum dầu mỏ là một hệ thống keo phức tạp có cấu trúc cơ bản là cấu trúc mixen

 Các nhóm chất rắn (asphalt)-pha phân tán

 Nhóm chất dầu-môi trường phân tán

 Nhóm chất nhựa-chất hoạt tính bề mặt giữ bề mặt ổn định cho hệ phân tán

Mỗi mixen là một hệ thống phức tạp bao gồm một số lượng lớn các phân tử có phân lượng nhỏ bao quanh một thể bằng những lực tương hỗ Trong bitum quánh và cứng, mixen chiếm tỷ lệ lớn Còn trong bitum lỏng chúng chiếm một tỷ lệ nhỏ đến nỗi không

có tương tác gì với nhau nên có thể chuyển động tự do trong chất dầu

Quan hệ giữa hàm lượng và cấu tạo của các nhóm trong bitum (dầu, nhựa, atphan) có thể tạo nên cấu trúc phân tán khác nhau (sol, gel, sol - gel) có những tính chất cơ lý nhất định:

 Cấu trúc sol: nhóm chất dầu và nhựa lớn; các mixen chuyển động tự do, có ở bitum lỏng hay bitum quánh nấu chảy

 Cấu trúc gel: tỷ lệ nhóm asphalt lớn, các mixen là các nhóm chất rắn mở rộng, xích lại gần nhau và có tác động tương hỗ lẫn nhau tạo nên mạng cấu trúc không gian; có ở bitum cứng nhiệt độ thấp.

 Cấu trúc sol-gel: bitum quánh ở nhiệt độ thường,có tính đàn hồi dẻo nhớt

Cấu trúc sol Cấu trúc gel

2.1.3 Một số tính chất của bitum dầu mỏ liên quan tới việc sử dụng phụ gia

2.1.3.1 Tính quánh

Tính quánh của bitum thay đổi trong phạm vi rộng Nó 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 vật liệu có dùng bitum

Tính quánh của bitum phụ thuộc 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, tính quánh của bitum tăng lên Khi nhiệt độ của môi trường tăng cao, nhóm chất nhựa sẽ bị chảy lỏng, tính quánh của bitum giảm xuống Để đánh giá tính quánh của bitum, ta dùng chỉ tiêu độ kim lún - độ cắm sâu của kim (khối lượng 100g, đường kính 1mm) của dụng cụ tiêu chuẩn (hình 2.1) vào bitum ở nhiệt độ 25oC trong 5 giây Độ kim lún

kí hiệu là P, đo bằng độ (1 độ bằng 0,1 mm) Trị số P càng nhỏ tính quánh của bitum càng cao

2.1.3.2 Tính dẻo

Tính dẻo đặc trưng cho khả năng biến dạng của bitum dưới tác dụng của ngoại lực Tính dẻo của bitum phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần nhóm chất Khi nhiệt độ tăng, tính dẻo cũng tăng Ngược lại, khi nhiệt độ giảm,tính dẻo cũng giảm,nghĩa là bitum trở nên giòn Trong trường hợp đó, bitum dùng làm mặt đường trong các kết cấu khác có thể xuất hiện các vết nứt Tính dẻo của bitum được đánh giá bằng độ kéo dài,

kí hiệu là L(cm) của mẫu tiêu chuẩn và được xác định bằng dụng cụ đo ở hình 2.2 Nhiệt độ thí nghiệm tính dẻo là 25oC, tốc độ kéo là 5cm/phút Độ kéo dài càng lớn, tính dẻo càng cao

2.1.3.3 Tính ổn định nhiệt

Khi nhiệt độ thay đổi, tính quánh, tính dẻo của bitum thay đổi Sự thay đổi đó càng nhỏ, bitum có độ ổn định nhiệt độ càng cao 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 của bitum tăng và ngược lại

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 Do đó,tính ổn định nhiệt của bitum được biểu thị bằng khoảng nhiệt độ đó Khoảng biến đổi nhiệt độ, kí hiệu là T, được xác định bằng công thức sau:

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 hóa cứng của bitum, là nhiệt độ chuyển bitum từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn

Nếu T càng lớn tính ổn định nhiệt của bitum càng cao

Trị số nhiệt độ hóa mềm của bitum ngoài việc sử dụng để xác định khoảng biến đổi nhiệt độ T, nó còn có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng Trong xây dựng đường, thường dùng bitum để làm chất kết dính xây dựng mặt đường, do đó khi gặp nhiệt độ cao, nếu

Tm không thích hợp,bitum có thể bị chảy làm cho mặt đường xuất hiện lượn sóng, dồn đống, hằn vệt bánh xe…gây trở ngại cho xe cộ đi lại và phá hoại mặt đường.

Vì vậy, nhiệt độ hóa mềm cũng là một chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá chất lượng bitum Nhiệt độ hóa mềm của bitum được xác định bằng dụng cụ “vòng và bi” (hình 2.3).Nhiệt độ hóa cứng của bitum có thể xác định bằng dụng cụ đo độ kim lún Nhiệt độ hóa cứng là nhiệt độ ứng với độ kim lún bằng 1 độ Nhiệt độ hóa cứng cũng có thể đo bằng dụng cụ Fraxa

2.1.3.4 Tính dính bám của bitum với bề mặt vật liệu khoáng

Sự dính bám của bitum với bề mặt vật liệu khoáng có liên quan đến quá trình thay đổi lý-hóa khi hai chất tiếp xúc tương tác với nhau Sự liên kết này 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 và vật liệu khoáng

Độ dính bám khi không có nước:

+ Khi nhào trộn bitum với vật liệu khoáng , các hạt khoáng được thấm ướt bằng bitum và tạo thành một lớp hấp phụ Khi đó các phân tử bitum ở trong lớp hấp phụ sẽ tương tác với các phần tử của vật liệu khoáng ở lớp bề mặt Tương tác đó có thể là tương tác lý học hay hóa học Lực liên kết hóa học lớn hơn rất nhiều so với lực liên kết

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

+ Liên kết bitum của bitum với vật liệu khoáng trước hết phụ thuộc vào tính chất của bitum Bitum có sức căng bề mặt lớn, nghĩa là có độ phân cực 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

+ Liên kết của bitum với vật liệu khoáng còn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu khoáng Các loại đá bazơ liên kết với bitum tốt hơn các loại đá axit, vì có thể xảy ra liên kết hóa học

Độ dính bám khi có nước:

+ Sự ổn định của hỗn hợp trong trường hợp này phụ thuộc vào độ hòa tan trong nước của các hợp chất mới tạo thành Nếu như các hợp chất mới tạo thành là các muối kali,natri của các axit hữu cơ, thì nó sẽ hòa tan trong nước và như vậy làm cho hỗn hợp kém ổn định nước Nếu như 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

+ Mức độ liên kết của bitum với bề mặt vật liệu đá hoa có thể đánh giá theo độ bền của màng bitum trên bề mặt đá hoa khi nhúng trong nước sôi

+ Thực tế khi chế tạo hỗn hợp bitum và vật liệu khoáng, người ta dùng nhiều loại đá khác nhau, do đó mức độ liên kết của nó cũng có thể khác nhau Để đánh giá mức độ liên kết của bitum trong trường hợp này cũng tiến hành theo nguyên tắc tương tự Sau khi thí nghiệm, đem kết quả so sánh với thang đánh giá chỉ tiêu liên kết

+ Trường hợp độ hoạt tính của bitum thấp, sự liên kết của nó với bề mặt vật liệu khoáng kém thì cần cho thêm vào bitum chất phụ gia hoạt tính bề mặt

2.2 CÁC LOẠI CHẤT PHỤ GIA THƯỜNG DÙNG ĐỂ CẢI THIỆN BI TUM DẦU

MỎ XÂY DỰNG ĐƯỜNG

Hiện nay, đã nghiên cứu và sử dụng nhiều loại chất phụ gia khác nhau để cải thiện cho bitum dầu mỏ.tùy theo tác dụng cải thiện đối với bitum dầu mỏ mà phân các chất phụ gia thành các nhóm sau:

- Nhóm các chat phụ gia hóa lỏng bitum dầu mỏ: có tác dụng tăng độ linh hoạt và khả năng thâm nhập của bitum dầu mỏ Có tác dụng tăng độ linh động và khả năng thâm nhập của bitum dầu mỏ thuộc nhóm này là các chất dung môi của bitum dầu mỏ như xăng, dầu hỏa, dầu mazut, các loại dầu nhớt,…

- Nhóm các chất phụ gia hóa dẻo cho bitum dầu mỏ, có tác dụng làm cho các đại phân tử của bitum dầu mỏ trương nở, tăng tính dẻo Thuộc nhóm này thường dùng các chất như : Cao su nhân tạo, cao xu tự nhiên,…

- Nhóm các chất phụ gia cải thiện tính chịu nhiệt cho bitum dầu mỏ: Tăng tính quánh (nhớt) ở nhiệt độ cao, giảm tính giòn ở nhiệt độ thấp Thuộc nhóm này là các chất như bột cao su phế thải, nitroxelulo, lưu huỳnh, các phế phẩm có lưu huỳnh, than hoạt tính, bột đá, xi măng…

- Nhóm các chất phụ gia tăng tính dính bám cho bitum dầu mỏ: cải thiện các tính chất hóa lý hoặc hóa học của bitum dầu mỏ Thuộc nhóm này có hang trăm các

chất phụ gia hoạt tính bề mặt (HTBM) khác nhau gồm các loại như phụ gia hoạt tính bề mặt anion, cation, lưỡng tính và không phân ly.

- Nhóm các chất phụ gia tăng khả năng chống chịu xăng dầu, chống lão hóa, tăng tính đàn hồi cho bitum dầu mỏ Các chất phụ gia nhóm này bao gồm các polymer thuần nhất như Polysufure, Thioplaste,…

- Nhóm chất phụ gia cải thiện các đặc tính cơ học và đàn hồi cho bitum dầu mỏ Thuộc nhóm này như các polymer thuần nhất như Polyisoprene, Polybutene, Polyisobutene có khả năng tương hợp tốt với bitum dầu mỏ có thể so sánh được với cao su tự nhiên

- Nhóm các chất phụ gia cải thiện đồng bộ các tính chất của bitum dầu mỏ Thuộc nhóm này bao gồm các chất phụ gia: SBS, EVA, và TPS

2.2.1 Bitum có pha thêm lưu huỳnh

Có 2 cách để sử dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt để làm áo đường

Thứ nhất: Asphalt được thêm một lượng tương đối nhỏ lưu huỳnh dưới dạng một chất hòa tan trong bitum

Cách gia công thứ 2 được biết đến với tên gọi là THERMOPAVE, sử dụng hàm lượng lưu huỳnh cao Lượng lưu huỳnh dư ra đóng vai trò như một châts khoáng tự rải Khi trộn với cốt liệu ta sẽ tạo ra một hỗn hợp rất dê thi công và khi nguội có khả năng chống biến dạng cao

Shell cũng cũng đã phát triển một sản phẩm có tên gọi THERMOPATICH đây là một loại asphalt có hàm lượng lưu huỳnh cao để sửa chữa ổ gà, sử dụng để phục hồi đường, có thể sử dụng cho cả đường bê tông asphalt hoặc mặt đường bê tông ximăng Bitum ở thể lỏng chảy tự do được rót vào lô, khe nứt trên mặt đường và bi tum nguội

đi có thể cho xe chạy ngay Tuy nhiên bê tông asphalt có sử dụng lưu huỳnh thì lưu huỳnh sẽ có phản ứng bới bitum, tùy thuộc vào nhiệt độ và thành phần hóa học của bitum Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưu huỳnh chủ yếu phản ứng với thành phần naphthen thơm của bitum, bằng cách cộng thêm vào phần tử hoặc bằng các ô xy hóa bitum thông qua việc lấy hydrô sunfua Ở khoảng nhiệt độ 119,30C là nhiệt độ điểm sôi của lưu huỳnh đơn nguyên chất và 1500C thì phản ứng chủ yếu là cộng thêm lưu

huỳnh vào làm tăng thêm ở vùng chất thơm phân cực và một thay đổi rất nhỏ trong đặc tính lưu biến của bitum Trên 1500C phản ứng ô xy hóa cạnh tranh tăng lên rõ rệt làm cho hàm lượng nhóm asphalt tăng lên và tác động bất lợi đến các đặc tính của bitum, tương tự như tác động của quá trình sục khí.

2.2.2 Bitum pha thêm cao su

Polypuatadien, polyisopren, cao su thiên nhiên, cao su butyl, chloropren, butadien cao su, v.v tất cả được sử dụng cùng với bitum nhưng tác dụng của chúng làm tăng độ nhớt của bitum Trong một số trường hợp, cao su được sử dụng ở trạng thái lưu hóa, ví dụ như những mảnh lốp tái chế, nhưng dạng này khó phân tán trong bitum bitum Vì vậy, cần một nhiệt độ cao và thời gian biến đổi chuyển hóa dải và có thể tạo ra chất liên kết không đồng nhất trong đó cao su hoạt động chủ yếu như một chất dẻo

styrene-2.1.3 Bitum thêm các hợp chất mangan hữu cơ

Việc sử dụng hợp chất mangan hữu cơ trong bitum là một phát minh của cả Hoa Kỳ và của Vương quốc Anh Có thể nâng cao độ bền của vật liệu rải đường bằng cách cho thêm vào bitum một hợp chất mangan hữu cơ, hoặc kết hợp giữa mangan hữu cơ với coban hữu cơ, hay hợp chất đồng hữu cơ Sản phẩm này được biết đến nhiều dưới cái tên 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 ổn định Marshall, chống biến dạng dư

và độ cứng động học

Cơ chế được đề xuất trong bằng sáng chế CHEMCRETE là sử dụng các hợp chất có cấu trúc vòng nhất định trong bitum Mangan xúc tiến việc tạo thành một hợp chất dicetone mà sau đó tạo thành phức chất ổn định Các phức chất này liên kết chặt chẽ với phân tử bitum, nâng cao tính mẫn cảm với nhiệt độ của bitum và tăng độ bền của hỗn hợp bitum

Phản ứng lưu hóa phụ thuộc vào sự có mặt ô xy trong bitum, độ dày của lớp bitum và nhiệt độ Các thí nghiệm được bảo quản bằng CHEMCRETE đã cho thấy rằng một

bitum 100 độ chứa 2% theo trọng lượng chất cải biến mangan bảo quản ở nhiệt độ

1600C trong 28 ngày bị cứng hóa (độ kim lún từ 127 độ xuống còn 100 độ)

Độ ổn định Marshall và thương số đọc được trên hai loại bê tông asphalt mịn được sản xuất từ bitum 100 độ chứa CHEMCRETE, còn lại được sản xuất từ bitum 50 độ thông thường Đặc tính ban đầu của hai hỗn hợp này là rất giống nhau, tuy nhiên sau 12 tháng độ ổn định Marshall của bê tông asphalt mịn đã tăng lên hơn 400% Trong thời gian 12 tháng độ chảy Marshall đã tăng lên 75% dẫn đến một sự tăng lên toàn bộ thương số Marshall hơn 200% Sự gia tăng độ chảy Marshall là biểu hiện cửa kết quả đạt được độ bền trong thời gian lưu hóa Những cải tiến tương tự đã được xác định bằng cách sử dụng thí nghiệm hình thành vệt lún bánh xe trong phòng thí nghiệm trên các mẫu bê tông asphalt lấy từ đoạn đường thí nghiệm Độ biến dạng ở 450C ngay sau khi rải bê tông đối với asphalt được cải tiến và asphalt thông thường rất giống nhau (5mm/h), tuy nhiên sau 6 tháng độ biến dạng ở asphalt cải tiến đã giảm xuống dưới 1mm/h

2.1.4 Bitum pha thêm các polyme dẻo nhiệt

Polyethylen, polypropylen, polyvinyl chlorit, 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 cho đường bộ Các chất dẻo dưới tác động của nhiệt 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 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 thô khi nguội đi Tuy vậy chấp nhận những hạn chế này việc sử dụng EVA với nồng độ 5% cho bitum có độ kim lún 70 đã trở nên rất thông dụng Các thí nghiệm ở Việt Nam cũng cho kết quả tương tự

Chất đồng trung hợp (co-polymer) EVA là các vật liệu dẻo nhiệt có cấu trúc ngẫu nhiên được sản xuất bằng cách đồng trùng hợp ethylen và vinyl acetat Các chất đồng trùng hợp có hàm lượng vinyl acetat thấp có đặc tính giống như một polyethylen tỷ

trọng thấp Thành phần vinyl acetat tăng lên thì các đặc tính của chất đồng trùng hợp thay đổi Các đặc tính của chất đồng trùng hợp EVA được kiểm soát bởi trọng lượng phân tử và hàm lượng vinyl acetat.

Trọng lượng các phân tử: trọng lượng phân tử của nhiều polyme được xác định theo các đặc tính khác nhau Tiêu chuẩn thực hiện đối với EVA nhằm xác định nhiệt độ hóa mềm (Melt Flow Index-MFI) Thí nghiệm về độ nhớt ngược lại có liên quan đến trọng lượng phân tử MFI càng cao trọng lượng phân tử và độ nhớt càng thấp và điều này tương tự như thí nghiệm kim lún đối với bitum – kim lún càng cao thì trọng lượng phân tử trung bình và độ nhớt của bitum càng thấp

Hàm lượng vinyl acetat: để xác định các tác động chính của vinyl acetat đến các đặc tính của các chất liên kết được cải biến, ta thấy phần polyethylen thông thường của chuỗi có thể xếp rất sát nhau và tạo ra vùng kết tinh Nó cũng cho thấy các nhóm vinyl acetat lớn phá vỡ sự sắp xếp sát nhau này như thế nào để tạo ra các vùng cao su thơm không kết tinh, vùng tinh thể tương đối cứng, trong khi vòng thơm lại mềm dẻo Càng nhiều nhóm vinyl acetat (hoặc hàm lượng vinyl acetat càng cao) tỷ lệ vùng mềm dẻo càng cao, và ngược lại tỷ lệ vùng tinh thể càng thấp

Các chất đồng trùng hợp EVA sẵn có trong phân loại bằng MFI và hàm lượng vinyl acetat Ví dụ EVA có MFI là 150 và hàm lượng vinyl acetat là 19 thì phẩm cấp được ghi là 150/19 Từ các loại chất trùng hợp EVA đa dạng sẵn có, phẩm cấp 150/19 và với qui mô nhỏ hơn các phẩm cấp 45/33 thì thông dụng nhất Chúng thường trộn với bitum 70 độ, các chất trùng hợp EVA dễ được phân tán trong bitum và rất thích hợp với bitum Chúng ổn định với nhiệt ở nhiệt độ nhòa trộn hỗn hợp asphalt thông thường Tuy vậy, trong quá trình bảo quản tĩnh có thể xẩy ra sự phân ly Do đó, các sản phẩm hỗn hợp được đề xuất cho lưu thông tuần hoàn trước khi sử dụng

Bảng… cho thấy những thay đổi phổ biến về độ kim lún và điểm hóa mềm khi cho thêm 5% hai loại phẩm cấp EVA vào bitum 70 độ, các đặc tính Marshall và vệt lún bánh xe của asphalt lu nóng được sản xuất từ các chất liên kết đã được cải tiến

Bảng 2.1: Tác động của các phẩm chất EVA 150/19 và EVA 45/53 đến đặc tính

của bitum và asphalt nóng rải lớp mặt đường

Chất liên kết

Các đặc tính của chất liên kết Các đặc tính của Marshall bánh xf ở Độ lún

45 o C (mm)

Kim lún, ở

25oC

Điểm mềm (IP)

o C

Độ

ổn định KN

Độ chảy (mm)

Tỷ số KN/m m

70 độ

70 độ + 5%EVA150/19

70 độ+5% EVA 45/53

685057

49.066.558

6.37.68.0

3.33.22.7

1.92.43.0

4.40.81.0

Các kết quả thí nghiệm vệt lún bánh xe cho thấy độ lún giảm đi 4 lần khi cho thêm EVA của từng phẩm cấp nói trên vào bitum 70 Mức độ chống lại sự biến dạng cũng ít nhậy cảm đáng kể đối với sự thay đổi nhiệt độ Sự tăng lên của độ ổn định Marshall là không lớn như một dự đoán trên kết quả thí nghiệm vệt lún bánh xe Vì vậy, phần lớn các hỗn hợp polyme cải biến được kiểm tra trong thí nghiệm Marsahll, các kết quả của thí nghiệm Marshall về các vật liệu cải biến bằng cách cho thêm polyme cần được xem xét một cách thận trọng

2.1.5 Bitum cho thêm cao su dẻo nhiệt

Trong 4 nhóm chất đàn hồi dẻo nóng chính gồm: polyurethane; chất đồng trùng hợp polyetherpolyester; các chất alken đồng trung hợp; và chất đồng trung hợp có đoạn styren, các chất đồng trùng hợp có đoạn styren đã được chứng minh là có 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 thục styren—butađien-styren (SBS) hoặc styren-isopren-styren (SIS) Để tạo ra các polyme nêu trên cần có chất xúc tác trong phản ứng ghép nối Đối với polyme không chỉ có các chất đồng trùng hợp thẳng mà còn có chất đồng trùng hợp nhiều nhánh có thể được tạo ra, những chất này thường được gọi là các chất đồng trùng hợp phân nhánh hoặc hình rẻ quạt, hình sao

Cao su nhiệt dẻo có sức bền và tính đàn hồi do liên kết ngang vật lý của các phần tử trong mạng lưới không gian ba chiều Điều này có được do liên kết của đoạn styren cuối với các khối riêng rẽ, tạo ra liên kết ngang lý học đối với khối cao su polyisopren hoặc polybutađien ba chiều Đoạn cuối polystyren sẽ tạo cho polyme có sức bền và đoạn giữa sẽ làm cho vật liệu này có tính đàn hồi đặc biệt.

Ở nhiệt độ trên điểm hiệt độ hóa thủy tinh của polystyren (1000C), polystyren mềm đi

vì liên kết khối yếu đi và thậm chí sẽ bị tách ra dưới tác động của một ứng suất, đến mức độ cho phép gia công dễ ràng Khi nguội đi, các khối sẽ lại liên kết lại, sức bền và tính đàn hồi sẽ được phục hồi, điều này đồng nghĩa là vật liệu này là một chất dẻo nhiệt

Cho thêm cao su nhiệt dẻo với trọng lượng phân tử bằng hoặc cao hơn các nhóm chất asphalt sẽ làm xáo trộn sự cân bằng pha Polyme và asphalt “cạnh tranh nhau” về lực hòa tan của malten, nếu không có đủ malten, có thể xẩy ra hiện tượng tách pha Cầu trúc của các hệ thống bitum/polyme thích hợp và không thích hợp được quan sát bằng kính hiển vi Hệ thống tương thích có cấu trúc đều mịn đồng chất trong khi hệ thống không tương thích có cấu trúc thô đứt quãng

Sự tách pha hay tính không tương thích có thể được kiểm tra bằng một thí nghiệm bảo quản nóng đơn giản Các thí nghiệm được thực hiện với mẫu bitum lấy từ đỉnh, một phần ba ở giữa và 1/3 ở đáy bình đựng mẫu

Các nhân tố chính ảnh hưởng đến độ ổn định các đặc tính kỹ thuật của bitum trong quá trình bảo quản là:

Số lượng và trọng lượng phân tử của các nhóm chất asphalt;

Độ thơm của pha malten;

Lượng polyme có mặt;

Trọng lượng phân tử và cấu trúc của polyme;

Nhiệt độ bảo quản

Chất lượng của sự phân tán polyme đạt được bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, nhưng

cơ bản là phụ thuộc vào cường độ xé dưới tác động của máy trộn Khi polyme được cho thêm vào bitum nóng, bitum sẽ ngay lập tức bắt đầu nhập vào các hạt polyme làm cho các chuỗi styren của polyme phồng trương lên và dễ hòa tan hơn Khi điều đó xảy

ra, lực xé đủ lớn sẽ tác động vào các hạt bị trương và sẽ là yếu tố quyết định có thể đạt được để sự phân tán hoàn toàn của các hạt phân 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 và bitum

 Các đặc tính của hỗn hợp bitum – cao su dẻo nhiệt

Hãng Shell Bitumen của Vương quốc Anh đã sản xuất hai loại chất liên kết polyme SBS cải tiến là CARIPHALTE DM và DA

CARIPHALTE DM đã được phát triển để sử dụng trong hỗn hợp bê tông asphalt lu nóng chặt và hỗn hợp bê tông asphalt để cải tiến lớp nền làm bằng bê tông nghèo và mặt đường bê tông cũ đã bị nhiệt độ gây ra một sự dịch chuyển ở lớp bê tông dẫn đến hiện tượng nứt “phản hồi” tới bề mặt đường

CARIPHALTE DA được phát triển để sử dụng trong hỗn hợp đá nhựa thoát nước và hỗn hợp để rải lớp tạo ma sát

Các yếu tố về kỹ thuật chi tiết của hai loại chất liên kết này được chi tiết hóa ở bảng 6 Quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ của CARIPHALTE DM và bitum quánh 50 độ cho thấy rõ là ở nhiệt độ cao của con đường, ví dụ 600C, CARIPHALTE DM cứng hơn đáng kể so với bitum 50 độ và do đó chống nứt tốt hơn

Mức độ cải thiện khả năng chống biến dạng được kiểm tra bằng các thí nghiệm vệt lún bánh xe do cả phòng thí nghiệm đường bộ và vận tải (TRRL) và Shell Research Limited thực hiện, được trình bảy ở bảng 7 Rõ ràng là có một sự tăng lên đáng kể về khản năng chống biến dạng, tương tự với khả năng chống biến dạng của bitum chịu tải nặng (HD) được phát triển chuyên dụng để chống biến dạng Những ưu điểm này đã được khẳng định qua các cuộc kiểm nghiệm toàn diện trên thực địa

Độ dẻo của hỗn hợp bitum đã được định lượng bằng thí nghiệm rão – biến dạng không đổi do TRRL và Shell Research Limited tiến hành Thí nghiệm mỏi đã được Shell Research Limited thực hiện trên hỗn hợp bê tông asphalt lu nóng thi công ở 50C với tần số là 50Hz cho thấy với một phạm vi rộng về tải trọng tác động lên mẫu thí nghiệm CARIPHALTE DM, tuổi thọ rão của mặt đường nâng lên ít nhất là 3 lần

2.1.6 Các bitum polyme chịu nhiệt

Các chất polyme chịu nhiệt được sản xuất bằng cách trộn hai thành phần lỏng, thành phần đầu là chất nhựa và phần còn lại chứa chất làm cứng Hai thành phần này kết hợp với nhau về mặt hóa học để tạo ra một cấu trúc 3 chiều vững chắc Hợp chất nhựa 2 thành phần này khi trộn với bitum sẽ thể hiện các đặc tính nổi trội của các chất nhựa chịu nhiệt hơn là các đặc tính của bitum Các loại hợp chất nhựa chịu nhiệt 2 thành phần này đã được phát triển khoảng 30 năm trước đây và hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi để bọc phủ bề mặt làm các chất dính kết

Những sự khác nhau cơ bản giữa bitum (một chất dẻo nhiệt) và các bitum polyme chịu nhiệt là như sau:

Khi hai thành phần trong bitum polyme chịu nhiệt được trộng thì thời gian sử dụng sản phẩm này sẽ bị giới hạn, thời hạn này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì thời hạn sử dụng càng ngắn

Sau khi một sản phẩm chịu nhiệt được sử dụng nó tiếp tục được lưu hóa và tăng cường

độ và sức bền, tốc độ lưu hóa trên mặt đường phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường

Khi nhiệt độ tăng lên bitum bị mềm ra và chảy, các bitum polyme chịu nhiệt ít mẫn cảm với nhiệt độ hơn và trong thực tế không bị tác động của sự thay đổi nhiệt độ trên đường

Bitum polyme chịu nhiệt là một vật liệu đàn hồi, không thể hiện đặc tính nhớt chảy, ổn định với hóa chất, dung môi, nhiên liệu và dầu

Ba loại bitum polyme chịu nhiệt được biết đến phổ biến là: Shell grip/spray grrip; Erophalt; và Sheliepoxy asphalt Các loại này đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới từ năm 1986 Tuy nhiên, ở Việt Nam đang trong giai đoạn nghiên cứu.

2.3. PHỤ GIA TAFPACK SUPER (TPS)

2.3.1 Cơ chế tác động của phụ gia TPS

Phụ gia polymer Tafpack-Super (TPS) là chất nhựa nhiệt dẻo, nên dưới tác dụng của nhiệt độ khi đun nóng bi tum dầu mỏ, chúng chuyển từ trạng thái rắn đàn hồi sang trạng thái mềm dẻo (nhiệt độ để các polymer chuyển sang trạng thái mềm dẻo phụ thuộc vào cự tính và cấu trúc mạch của chúng, các polymer có cấu trúc mạch thẳng và cực tính thấp nên dễ dàng bị hóa dẻo hơn)

Bi tum khi bị gia nhiệt thì các phần tử của nó trở nên linh động hơn, nên dễ dàng lấp đầy các khoảng không gian do các polymer mạch thẳng tạo ra trong quá trình thay đổi hình dạng các mạch phân tử của mình Do hấp thụ bi tum dầu mỏ, các polymer bị trương nở, liên kết giữa chúng giảm dần Khi mất lực liên kết phân tử các polymer bị trương nở phân tách dần ra tạo thành các đại phân tử riêng biệt hòa lẫn vào trong môi trường bitum

Như vậy đã xảy ra quá trình khuyếch tán 2 chiều: các Mixen bitum dầu mỏ có độ linh động cao khuyếch tán vào khoảng không gian giữa các Mixen polymer, còn các mạch phân tử và các Mixen của polymer khuyếch tán vào trong môi trường của bitum dầu

mỏ Nếu quá trình đun nóng hỗn hợp được khuấy trộn liên tục thì sự khuyếch tán càng gia tăng

Ngoài hiện tượng khuyếch tán vật lý đã nêu trên, trong quá trình hình thành cấu trúc mới của hỗn hợp bitum-phụ gia polymer còn có thể xuất hiện các tương tác phân tử (hút, bám) và các tương tác hóa học

Các tương tác phân tử giữa các nhóm thành phần có hoạt tính bề mặt cao có trong hỗn hợp bitum dầu mỏ-polymer làm thay đổi năng lượng bề mặt tự do và nội lực phân tử trong hỗn hợp

Tương tác hóa học xảy ra do tồn tại các nhóm chức năng tự do có trong thành phần của bitum dầu mỏ và polymer Các hợp chất mới được hình thành làm tăng thành phần hạt rắn, thay đổi tỷ lệ pha, hình thành các dạng cấu trúc mới trong hỗn hợp.Như vậy một mặt xuất hiện các liên kết hóa học mới trong hỗn hợp, mặt khác xảy

ra quá trình khuyếch tán, hút bám vật lý giữa các Mixel và mạch phân tử của polymer với các Mixel của bitum dầu mỏ Các quá trình trên đã làm thay đổi tỷ lệ pha dẫn đến thay đổi cấu trúc của hỗn hợp bitum dầu mỏ-polymer Hợp chất mới được tạo thành có các tính chất mới phản ánh một phần các tính chất của polymer được sử dụng làm phụ gia

Hình 2.1 Mô phỏng cấu trúc của bitum + TPS 2.3.2 Một số kết quả nghiên cứu, ứng dụng phụy gia TPS trên thế giới.

2.3.2.1 Tính kháng cắt của hỗn hợp asphalt sử dụng chất kết dính bitum cải tiến TPS

Bảng 2.2 – Các đặc tính thông thường của bitum sử dụng phụ gia TPS

Từ bảng 2.2,ta nhận thây đối với bitum sử dụng TPS, độ kim lún giảm đáng kể trong khi nhiệt độ hóa mềm lại tăng đáng kể việc tăng nhiệt độ hóa mềm là tốt vì bitum có nhiệt độ hóa mềm cao sẽ ít nhạy cảm hơn với các biến dạng lâu dài

Hỗn hợp asphalt sử dụng trong thí nghiệm này được chọn là loại hỗn hợp asphalt rỗng với độ rỗng dư 20 ± 2% vì chất điều chỉnh TPS chủ yếu được sử dụng trong lớp mặt đường nhựa rỗng để cải thiện sự làm việc hỗn hợp asphalt rỗng

Kết quả và phân tích

Mô đun đàn hồi và mức chịu cắt do từ biến của chất kết dính bitum sử dụng TPS

Theo hình 2.4, biến dạng trượt do từ biến phụ thuộc vào thời gian sau khi bỏ tác dụng của ứng suất với chất kết dính bitum TPS 16% ở 20oC

Hình 2.2 - Đường cong quan hệ biến dạng-thời gian ở 20 o C

Hình 2.3 So sánh mức biến dạng từ biến do cắt của mỗi loại bitum ở 20%

Hình 2.4 Hệ số biến dạng của bi tum ở 20 o C

Từ hình 2.4 có thể thấy rằng số mũ từ biến của tất cả các loại bitum có giá trị gần 1,0000 Nó chỉ ra rằng xu thế của từ biến là tuyến tính ở các mức ứng suất đã chọn

Trong khi hệ số hồi quy của vật liệu cho thấy t/c kháng cắt của các loại bitum SBS cải tiến là nằm giữa TPS 8% về TPS 12% cải tiến

Hình 2.5 Mô đun từ biến do cắt của các loại bitum ở nhiệt độ 20 o C

Với hàm lượng TPS được pha thêm là 12% cho kết quả đo độ từ biến cắt cao hơn rất nhiều so với mẫu bitum có pha thêm SBS

Biến dạng lún của hỗn hợp bê tông asphalt rỗng có pha thêm TPS

Vì biến dạng lún vĩnh viễn của hỗn hợp asphalt là nguyên nhân chính gây nên chuyễn

vị cắt Kiểm tra độ lún cho hỗn hợp asphalt rỗng sử dụng chất kết dính bi tum ở nhiệt

độ 60oC bằng thiết bị đo độ lún

Giống với kết quả quan sát được từ thí nghiệm kiểm tra độ lún của hỗn hợp asphalt (xem hình 2.6) Kết quả cho thấy dạng đồ thị giống nhau ở các mẫu thử có hàm lượng TPS khác nhau với cùng thời gian gia tải và cùng nhiệt độ thí nghiệm

Hình 2.6 Biến dạng lún của hỗn hợp asphalt rỗng ở nhiệt độ 60 o C

2.3.2.2.Tăng cường mô đun đàn hồi và biến dạng dẻo của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng

sử dụng phụ gia TPS

Thí nghiệm Marshall

Kết quả của thí nghiệm Marshall ví dụ độ bền, độ dẻo, tỷ số Marshall, mật độ, độ rỗng trong hỗn hợp (VIM) và độ rỗng của cốt liệu VMA đưuọc trình bày trong bảng 2 Về giá trị độ bền, TPS 15% đạt giá trị cao nhất nhưng tỉ số Marshall đạt lớn nhất ở 10% Thực tế độ rỗng hỗn hợp VIM xác định được thấp hơn yêu cầu là 20% Lý do của điều này có thể do điều kiện của Indonesia hoặc do tuân thủ không đúng các đặc diểm kỹ thuật trong quy trình

Hình 2.7.Biểu đồ cấp phối của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng

Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm Marshall với hôn hợp sử dụng phụ gia TPS

Thí nghiệm mô đun đàn hồi

Kết quả của mô đun đàn hồi sử dụng thiết bị UMATTA ở bảng 2.2 Các kết quả cho

thấy Mô đun đàn hồi của bê tông nhựa rỗng sử dụng TPS giảm khi hàm lượng TPS

tăng và đạt giá trị cao nhất ở hàm lượng 5% TPS.Có vẻ như việc sử dụng TPS sẽ làm tăng khả năng đáp ứng của hỗn hợp cho tất cả các nhiệt độ

Bảng 2.4 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi

Thí nghiệm kéo gián tiếp

Mục đích của thí nghiệm là đo sức kháng kéo của bê tông nhựa rỗng ở 3 nhiệt độ 30,

40 và 50oC kết quả được trình bày ở bảng 2.5

Bảng 2.5 Kết quả kéo gián tiếp

Từ các kết quả trên ta thấy, ngược với kết quả của thí nghiệm mô đun đàn hồi, sức kháng kéo tăng khi hàm lượng TPS tăng và đạt giá trị cao nhất ở 15% TPS Từ đó sức kháng kéo của hỗn hợp bê tông nhựa rỗng cũng tăng

Từ bảng 2.5 ta thấy khi hàm lượng TPS tăng thì DS tăng và RD giảm do đó có thể kết luận việc sử dụng phụ gia TPS cho bê tông nhựa rỗng có thể làm tăng khả năng biến dạng dẻo