ỨNG DỤNG LỐP XE PHẾ THẢI SỬ DỤNG VÀO MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA_S. Nguyễn Mạnh Tuấn, Ks. Nguyễn Đức Hoài

Việc ứng dụng sản phẩm cao su phế liệu từ lốp xe ô tô vào bê tông nhựa đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều nơi trên thế giới, mang lại những hiệu quả tích cực. Nhờ khả năng tương thích phù hợp giữa các hạt cao su và nhựa đường, dẫn đến cải tiến tính chất của hỗn hợp nhựa đường. Tuy nhiên, việc ứng dụng này chưa được phổ biến nhiều nơi do thiếu nguồn tài liệu, kinh nghiệm sử dụng... Nội dung bài báo đưa ra cái nhìn tổng quan về việc tìm hiểu hướng xử lý lốp xe đã qua sử dụng vào mặt đường bê tông nhựa trên thế giới và Việt Nam hiện nay. Bài báo còn đưa ra hiệu quả ban đầu khi đưa hạt cao su mịn vào trong bê tông nhựa.

ỨNG DỤNG LỐP XE PHẾ THẢI SỬ DỤNG VÀO MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA

APPLICATION OF WASTE TIRE RUBBER INTO ASPHALT PAVEMENT

TS Nguyễn Mạnh Tuấn, Ks Nguyễn Đức Hoài

TÓM TẮT

Việc ứng dụng sản phẩm cao su phế liệu từ lốp xe ô tô vào

bê tông nhựa đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều nơi trên thế

giới, mang lại những hiệu quả tích cực Nhờ khả năng tương

thích phù hợp giữa các hạt cao su và nhựa đường, dẫn đến cải

tiến tính chất của hỗn hợp nhựa đường Tuy nhiên, việc ứng

dụng này chưa được phổ biến nhiều nơi do thiếu nguồn tài liệu,

kinh nghiệm sử dụng Nội dung bài báo đưa ra cái nhìn tổng

quan về việc tìm hiểu hướng xử lý lốp xe đã qua sử dụng vào

mặt đường bê tông nhựa trên thế giới và Việt Nam hiện nay

Bài báo còn đưa ra hiệu quả ban đầu khi đưa hạt cao su mịn

vào trong bê tông nhựa

ABSTRACT

Application of waste tire rubber into asphalt pavement has

been studied and used around the world with positive results

Through appropriate compatibility between rubber and asphalt

particles, properties performance of the asphalt mixture are

improved However, this application has not used popular due

to lack of resources, experiences This paper shows an

overview on understanding the instruction processing of used

tires on concrete pavement asphalt in the world and Vietnam

today The paper also presents some initial result of using fine

rubber particles in asphalt concrete

TS Nguyễn Mạnh Tuấn

Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại Học Bách

Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM

Email: nmanhtuan@hcmut.edu.vn

Điện thoại: 093.348.1368

Ks Nguyễn Đức Hoài

Học viên cao học , Khoa kỹ thuật Xây dựng , Trường Đại Học

Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM

Email: duchoaigtsg@gmail.com

Điện thoại: 0126.577.1939

1 Giới thiệu

Cùng với sự phát triển của quá trình công nghiệp hóa, lốp

xe được sử dụng tại hầu hết các quốc gia trên thế giới nhằm

phục vụ cho việc đi lại con người, vận chuyển hàng hóa Ở

châu Âu, mỗi năm có khoảng 355 triệu lốp xe được sản xuất tại

90 nhà máy, chiếm khoảng 24 % sản lượng của thế giới; Ở Mỹ,

báo cáo năm 2007, có 290 triệu lốp xe được đưa đến các bãi

chứa phế thải [1].Bên cạnh đó, việc dân số thế giới tăng, kéo

theo nhu cầu đi lại, làm tăng số lượng sản xuất lốp xe hàng

năm Lốp xe từ lâu đã được xem nguồn chất thải lớn nhất và

khó xử lý do độ bền của chúng Nó là hiểm họa tiềm tàng đối

với sức khỏe của con người (nguy cơ gây cháy, nơi trú ẩn của

động vật gặm nhấm, sâu bệnh ) Đã có nhiều chương trình

nghiên cứu, giải pháp được đưa ra để tái sử dụng lốp xe Ngày

nay, việc tái chế lốp xe được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

như: trong việc chế tạo các lốp xe mới; nhiên liệu có nguồn gốc

từ lốp; trong các ứng dụng của ngành xây dựng, nông nghiệp,

thể thao và trong ứng dụng của giao thông

Với mục đích nhằm cải tiến chất lượng nhựa đường, từ thập

kỷ 60, nhựa đường với phụ gia cao su từ lốp xe đã được sử

dụng ở nhiều nơi trên thế giới [1] Đây được xem là một trong

những giải pháp hiệu quả với nhiều ưu điểm như: [1][2]Tăng

tuổi thọ công trình; Tăng cường khả năng chống nứt; Tăng cường khả năng chống lún; Làm quá trình lão hóa mặt đường chậm hơn; Tăng cường khả năng chống trượt; Sử dụng các trang thiết bị hiện có, vật liệu và quy trình thực hiện theo mọi tiêu chuẩn hiện hành; Đồng thời tận dụng được lượng cao su phế thải trong nước, thân thiện môi trường và phù hợp bài toán kinh tế; Không làm biến động lớn đến chi phí đầu chi phí đầu

tư xây dựng công trình

Với nhiều ưu điểm của bột cao su nêu trên, bài báo tập trung giới thiệu quy trình xử lý lốp xe thành bột cao su và các ứng dụng bột cao su phế thải trên thế giới cũng như ở cty Công

ty cổ phần công nghiệp cao su miền Nam Bài báo còn đưa ra một số kết quả thực nghiệm ban đầu khi đưa bột cao su phế thải vào bê tông nhựa

2 Từ lốp xe đến cao su hạt mịn

2.1 Cấu tạo cơ bản lốp xe:

Lốp xe được phát minh từ nhiều thế kỉ trước và là một sản phẩm an toàn, phức tạp, đòi hỏi công nghệ cao; đại diện cho sự phát triển phương tiện giao thông của các quốc gia Với quan điểm vật liệu [1]: lốp xe được chia thành 3 phần chính: hỗn hợp cao su, sợi vải và thép Trong đó, sợi vải

và thép giữ vai trò bộ khung của lốp; hỗn hợp cao su giữ vai trò đảm bảo sự thực hiện, độ bền và an toàn của lốp Tuy nhiên, theo quan điểm cấu trúc, các thành phần chính của một lốp xe

là gai lốp (tread), khung (body), thành lốp (sidewall) và tanh lốp (bead) (Hình 1) Gai lốp làm tăng tiếp xúc với mặt đường Khung hỗ trợ các gai lốp và cung cấp cho các lốp xe hình dạng

cụ thể của nó Tanh lốp là bó dây kim loại được bao phủ bới cao su, nó giữ cho lốp làm việc trên bánh xe Các đặc tính vốn

có của lốp xe là như nhau trên toàn thế giới Chúng bao gồm: khả năng chống nấm mốc, nhiệt và độ ẩm, chậm phát triển của

vi khuẩn, chống ánh sáng mặt trời, tia cực tím, một số loại dầu, nhiều loại dung môi, axit và các hóa chất

Hình 1 Cấu tạo lốp xe [1]

2.2 Một số quy trình xử lý nghiền lốp xe

Lốp xe phế thải được xử lý bằng các thiết bị đập dập, cắt lốp xe thành những miếng nhỏ với kích thước khác nhau Kích thước của từng mảnh cao su có thể dao động từ 25mm đến 460mm, với hầu hết các mảnh trong phạm vi 100 mm đến 200mm, trong khi cách bào lốp nằm trong khoảng từ 76mm xuống khoảng 13mm Để giảm kích thước của mảnh cao su, lốp xe sẽ được nghiền trong các quá trình cụ thể để tạo ra vật

liệu dưới dạng cao su hạt mịn Trong quá trình này, dây thép

được loại bỏ bằng cách sử dụng nam châm và sợi vải được loại

bỏ bằng phương pháp hút Kết quả các hạt cao su là có kích

thước phù hợp và không lẫn tạp chất

Quy trình nghiền trong môi trường không khí (Ambient

grinding): Đây là phương pháp xử lý lốp xe dưới dạng cơ học,

được thực hiện bằng lưỡi dao và dao quay, trong đó bước quan

trọng là sự tách biệt của các loại sợi, bao gồm sợi thép Sau khi

tách ra từ các loại sợi, quy trình sẽ sản xuất mảnh vụn cao su

với kích thước hạt khác nhau, từ 5÷0,5 mm Nghiền trong môi

trường không khí là phương pháp thông dụng nhất và chi phí

phụ thuộc nhiều vào kích hạt

Hình 2 Quy trình nghiền trong môi trường không khí [1]

Quy trình n ghiền đông lạnh (Cryogenic grinding): Quá

trình này sử dụng nitơ lỏng để đông lốp xe (thường là giữa -87

đến -198o C) cho đến khi cao su trở nên giòn, và sau đó sử

dụng máy nghiền búa để phá vỡ cao su đông lạnh thành các hạt

mịn với diện tích bề mặt tương đối thấp hơn so với những

người thu được bởi nghiền trong môi trường không khí Quy

trình này cho thấy một số đặc điểm: xác định tính chất đàn hồi

của cao su nghiền và cho sự pha trộn: tăng sự sụt giảm của

trọng lượng riêng và kích thước hạt, và tăng độ xốp bề mặt cao

hơn của các hạt Trong thực tế, quá trình đông lạnh cho hạt cao

su với một bề mặt nhẵn, cho thấy giảm tương tác giữa hạt cao

su với bitum và đặc biệt làm giảm tính chất đàn hồi của hỗn

hợp, nếu so sánh kết quả với quy trình nghiền khác, ta thấy hạt

xốp, bề mặt lớn hơn và trọng lượng ít hơn Điều này dẫn đến

việc sử dụng cao su hạt mịn từ quá trình đông lạnh trong hỗn

hợp bitum không được khuyến khích

Hình 3 Quy trình nghiền đông lạnh [1]

Ngoài ra, còn một số quy trình khác cũng được sử dụng để

xử lý nghiền lốp xe nhưng không phổ biến, ít được sử dụng như: Giảm kích thước bằng áp lực nước (Hydro jet size reduction), nghiền ướt (Wet-grinding)

3 Ứng dụng trong thực tế

3.1 Trên thế giới:

Lốp xe là vật liệu rất khó phân hủy trong điều kiện tự nhiên Nhằm giảm thiểu tác hại đến môi trường và chi phí xử lý lốp xe phế liệu được sử dụng Tại các nước phát triển, hạt cao

su mịn được tận dụng như là nguồn nguyên liệu cho các ngành như năng lượng, xây dựng, giao thông Ví dụ: Tại Mỹ, hàng năm có khoảng 300 triệu tấn lốp thải ra, trong đó có 40% được

sử dụng như là nhiên liệu cho ngành năng lượng, 26% tạo thành cao su hạt mịn, 13% được chôn lấp, 5,5% sử dụng trong các ứng dụng của ngành xây dựng [1] Trong lĩnh vực giao thông, hạt cao su mịn đã được sử dụng trong: láng nhựa (Chip seal, Underseal), trộn nóng (Hot Mix), and BTN hở tạo nhám (Porous Friction Course) [3]

Bằng nhiều nghiên cứu khác nhau, nhựa đường cao su cho thấy những đặc tính kỹ thuật cao tốt hơn so với nhựa đường thông thường [1]:tăng tính đàn hồi, cải thiện tính kháng lún, chống nứt mỏi, giảm sự lão hóa của mặt đường, phù hợp với nhiều kiểu khí hậu khác nhau Bên cạnh đó, nhựa đường cao su còn có thêm một ưu điểm khác như: làm giảm thời gian thi công (bề dày lớp áo đường mỏng hơn), giảm chi phí duy tu bảo dưỡng mặt đường do mặt đường độ bền tốt hơn; tiếng ồn giao thông giảm Tiết kiệm năng lượng và tài nguyên sẵn có bằng cách sử dụng chất thải phế liệu

Hình 4 So sánh giữa các loại mặt đường [2]

Tại Mỹ một số bang như: Arizona, California, Texas, và Florida, Nam Carolina, Nevada và New Mexico đã sử dụng hạt cao su mịn trong công nghệ trộn ướt (wet-process) [1] Các kết quả đánh giá cho thấy công nghệ này không chỉ giải quyết vấn

đề môi trường mà còn tăng các lợi ích khác như tăng sức kháng trượt, cải thiện tính linh hoạt và khả năng chống nứt, và giảm tiếng ồn giao thông

Tại Nam Phi [1], cả hai quá trình trộn ướt và khô sử dụng cao su mịn được thông báo sử dụng thành công Hai bang tại Úc (New South Wales và Victoria) đã thông qua các quá trình trộn ướt trong giới hạn ứng dụng của nhựa đường cao su, chủ yếu là chống nứt các lớp, nhưng chủ yếu cho ứng dụng láng nhựa (Sprayed seal)

Tại châu Âu, bê tông nhựa cao su theo công nghệ trộn ướt đã được sử dụng thành công trong mặt đường áp dụng tại

Bỉ, cũng như tại Pháp, Áo, Hà Lan, Ba Lan, Đức, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Italy, Cộng hòa Séc, Thụy Điển và gần đây là

Hy Lạp và Vương quốc Anh [1]

Tại châu Á: Theo báo cáo của Widyatmoko và Elliot

[1],Đài Loan báo cáo là đã thông qua bê tông nhựa cao su cho

cấp phối gián đoạn (gap-graded) Arizona DOT và cấp phối hở

(open-graded) phù hợp với áo đường mềm; Thêm vào đó, bê

tông nhựa cao su đã được thử nghiệm ở Bắc Kinh và sử dụng

trong làm đường mới và duy tu như là một phần của việc chuẩn

bị cho Thế vận hội 2008 tại Trung Quốc và nó cũng đã được sử

dụng trong dự án Ecopark tại Hồng Kông

3 2 Tại Việt Nam:

Ý thức được tác hại của lốp xe đã qua sử dụng và trách

nhiệm với cộng đồng xã hội, Công ty cổ phần công nghiệp cao

su miền Nam (Caosumina) với sản phẩm chính là săm, lốp xe

các loại đã thực hiện đầu tư phân xưởng tái chế cao su hạt mịn

từ các sản phẩm săm lốp phế liệu kể từ năm 2010 Sản phẩm

cao su hạt mịn từ công ty có kích thước hạt từ 0,075mm đến

0,3mm Với chi phí đầu tư khoảng 200 triệu đồng được thiết kế

theo công nghệ của Casumina, dây chuyền hiện hoạt động ổn

định phát huy hết công suất Công suất tái chế: 480 tấn/ năm

Quy trình sản xuất được thể hiện trong Hình 5 dưới đây

Hình 5 Quy trình sản xuất [4]

Hiện nay, sản phẩm cao su hạt mịn của công ty

Caosumina đã áp dụng trong việc chế tạo lốp đặc dành cho các

loại xe sử dụng trong các nhà xưởng, kho bãi (nhằm giảm chi

phí sản xuất) hay áp dụng cho việc thi công mặt sân tennis

Mỗi tháng công ty sản xuất khoảng 40 tấn sản phẩm đúng quy

cách cho các lốp công nghiệp xuất khẩu Với việc sử dụng cao

su hạt mịn, công ty đã tiết kiệm được hơn 450 tấn/năm cao su

nguyên liệu, hóa chất, phụ gia, chất độn tương đương khoảng

13,5 tỷ đồng/năm Hình 6 và Hình 7 là bán thành phẩm và sản

phẩm lốp đặc từ bột cao su tái chế

Hình 6 Bán thành phẩm thành hình chờ lưu hóa [5]

Hình 7 Sản phẩm lốp đặc sử dụng bột cao su tái chế [4]

4 Một số kết quả thực nghiệm:

Trong bài báo này, nhóm nghiên cứu thực hiện thí nghiệm đúc mẫu bê tông nhựa cao su tương ứng với hàm lượng cao su 15% so sánh với bê tông nhựa không có hàm lượng cao su, dựa theo phương pháp Marshall hay TCVN 8820-2011 [5]

Đối với vật liệu đầu vào: Cốt liệu (đá dăm) được nhóm nghiên cứu chọn từ trạm trộn bê tông nhựa nóng của Công ty

TNHH MTV Công Trình Giao Thông Sài Gòn, nguồn gốc đá

từ mỏ đá 3/2- tỉnh Bình Dương; với kích cỡ lọt sàng lớn nhất 19mm Cấp phối đá dăm với các hàm lượng được chọn phù hợp theo tiêu chuẩn TCVN 8819-2011 [6] Cấp phối bê tông nhựa chặt 12.5mm (BTNC 12.5) được sử dụng trong nghiên cứu này khi thêm bột cao su vào (Hình 8)

Hình 8 Biểu đồ đường cong cấp phối BTNC 12.5 Đối với nhựa đường: Nhựa đường AC 60/70 được cung cấp bởi công ty cung ứng nhựa đường ADCo; Đây là loại nhựa đường sử dụng phổ biến tại các công trình tại Việt Nam Một vài chỉ tiêu chính của nhựa đường được trình bày trong Bảng 1 Bảng 1 Tiêu chuẩn kỹ thuật của nhựa đường đặc 60/70

Nhiệt độ hóa mềm (oC) 48,8

Độ kéo dài (mm) ở

Nhiệt độ bắt lửa (oC) > 300 (ngừng thí nghiệm ở

300oC)

Đối với hạt cao su: Cao su hạt mịn (trong Hình 9) được

cung cấp từ Công ty cổ phần công nghiệp cao su miền Nam với

kích cỡ các hạt lot sàng 0,63mm Quá trình trộn cao su và nhựa

đường được trộn trong thời gian 30 phút ở nhiệt độ 170o

C bởi máy trộn Hobart, với tốc độ cao để tạo ra nhựa đường cao su

Hình 9 Cao su hạt mịn từ công ty Caosumina

Hình 10 là biểu đồ mối quan hệ các hàm lượng nhựa cùng

độ ổn định Marshall của bê tông nhựa có cao su 15% và bê

tông nhựa thông thường Thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo

Marshall được thí nghiệm dựa trên tiêu chuẩn TCVN

8820:2011 Trước khi thí nghiệm mẫu được ngâm trong tủ

ngâm ở nhiệt độ 60oC±1oC trong thời gian 40±5 phút Sau đó,

mẫu được lấy ra, lau sạch mặt trong, nhanh chóng đưa vào vị

trí thử nghiệm trên máy nén, gá đồng hồ đo độ dẻo vào Bắt

đầu gia tải với tốc độ 50,8mm/phút Biểu đồ của bê tong nhựa

thường được lấy từ nghiên cứu của Nguyễn Viết Huy và

Nguyễn Mạnh Tuấn [7] Qua biểu đồ ta thấy, độ ổn định

Marshall của hỗn hợp bê tông nhựa cao su đa số cao hơn so với

bê tông nhựa thông thường

Hình 10 Biểu đồ mối quan hệ hàm lượng nhựa- Độ ổn định

Marshall

5 Kết luận

Từ việc nghiền cao su từ lốp xe đã làm tiền đề giúp cho nhiều lĩnh vực khác phát triển: Công nghệ lốp mới, mặt đường

bê tông nhựa cao su, làm các lớp chống ồn Việc sử dụng phụ gia là cao su bột mịn nghiền từ lốp xe ô tô cũ nhằm mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm hiện có, đồng thời thân thiện môi trường, giúp tiêu thụ một lượng lớn rác thải đẩy ra ngoài môi trường Đây là một bài toán mang lại hiệu quả kinh tế và tính khả thi cao

Bê tông nhựa cao su được nhóm nghiên cứu thực hiện bằng cách trộn giữa chất kết dính nhựa đường và hạt cao su mịn từ công ty Caosumina Một số kết quả bước đầu của bê tông nhựa cao su cho thấy kết quả tốt hơn so với hỗn hợp ban đầu Các thí nghiệm khác như: thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu, thí nghiệm ép chẻ và thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro

sẽ được kiểm tra them để kiểm chứng sự hiệu quả của bột cao

su trong bê tông nhựa

Tài liệu tham khảo

1 Presti, D.L (2013), Recycled Tyre Rubber Modified

Bitumens for road asphalt mixtures: A literature review,

Journal of Construction and Building Materials, 49, 863–

881

2 Vajra technologies http://vajra.vn/nhuaduong3.html Truy cập 6/2015

3 Shu X., and Huang B (2013), Recycling of waste tire

rubber in asphalt and portland cement concrete: An

overview Journal of Construction and Building Materials, 67, 217–224

4 Nguyen Dinh Dong (2014), Waste rubber process from

The Southern Rubber Industry Joint Stock Company, tài

liệu nội bộ

5 TCVN 8820:2011 (2011), Hỗn hợp bê tông nhựa nóng-Thiết kế theo phương pháp Marshall, Viện Khoa học và

Công nghệ Giao thông Vận tải

6 TCVN 8819: 2011 (2011), Mặt đường bê tông nhựa nóng- Yêu cầu thi công và nghiệm thu, Viện Khoa học và

Công nghệ Giao thông Vận tải

7 Nguyễn Viết Huy (2014), Nghiên cứu ứng dụng chai

nhựa phế thải vào bê tông nhựa trong điều kiện TP HCM, Luận văn thạc sỹ, trường Đại học Bách Khoa TP HCM