Ảnh hưởng của SBS đến khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của đường bê tông nhựa_TS. Nguyễn Mạnh Tuấn, KS.Trần Phong Thái

ẢNH HƯỞNG CỦA SBS ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG HẰN LÚN VỆT BÁNH XE CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA EVALUATING THE INFLUENCE OF SBS TO REDUCE RUTTING OF ASPHALT CONCRETE PAVEMENT TS.. T

ẢNH HƯỞNG CỦA SBS ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG HẰN LÚN VỆT BÁNH XE CỦA

MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA

EVALUATING THE INFLUENCE OF SBS TO REDUCE RUTTING OF ASPHALT CONCRETE

PAVEMENT

TS Nguyễn Mạnh Tuấn, KS Trần Phong Thái

TÓM TẮT

Trong bài báo này tập trung nghiên cứu và đánh giá mức độ

ảnh hưởng của phụ gia SBS (Styrene-Butadiene-Styrene) đến

khả năng hằn lún vệt bánh xe của mặt đường bê tông nhựa

Ngoài thí nghiệm kiểm tra độ ổn định và độ dẻo Marshall ,

nghiên cứu này sử dụng thêm những thí nghiệm để đánh giá sự

thay đổi các tính chất của hỗn hợp như thí nghiệm ép chẻ mẫu ,

độ mài mòn Cantabro, và mô-đun đàn hồi bê tông nhựa Ngoài

ra, bài báo còn trình bày thí nghiệm kiểm tra hằn lún vệt bánh

xe bằng thiết bị Hamburg Wheel-Tracking Kết quả nghiên cứu

cho thấy rằng chỉ với hàm lượng nhỏ SBS đã làm cải thiện

đáng kể khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của hỗn hợp bê

tông nhựa

ABSTRACT

In this study, we evaluated the influence of SBS

(Styrene-Butadiene-Styrene) to reduce rutting in asphalt concrete We

used Marshall stability and flow test, Cantabro loss test,

Indirect Tensle Strength (ITS) test, elastic modulus test to

evaluate the permanent deformation performance of asphalt

concrete In addition, this study used Hamburg

Wheel-Tracking test to examine the rutting dept of adphalt concrete

samples The results showed that SBS can be used to improve

the performance properties of asphalt mixture and reduce

rutting

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: 0933.481.368

Ks Trần Phong Thái

Viện Khoa Học Công Nghệ GTVT phía Nam

Email: Tranphongthaicd06b@gmail.com

Điện thoại: 0906.19.15.14

1 Giới thiệu

Hiện tượng lún trồi ở mặt đường bê tông nhựa (BTN) đang

trở nên phổ biến và nhận được sự quan tâm đặc biệt như trong

Hình 1 và Hình 2 Hiện tượng này được ghi nhận tại hầu hết

các tuyến đường có lưu lượng và tải trọng xe lớn (quốc lộ 1, 3,

5…), các vùng có thời tiết nắng nóng (khu vực miền Trung

Việt Nam ) và các vị trí đặc biệt (gần trạm thu phí , đèo dố c,

đường cong , ngã tư tín hiệu , trạm kiểm tra cảnh sát giao

thông)

Ngay từ khi mặt đường BTN đưa vào sử dụng thì dạng hư

hỏng này luôn được xem là vấn đề quan trọng cần phải xem xét

tới trong quá trình thiết kế sơ bộ Vấn đề này đã được nhiều

nhà khoa học thế giới phân tích và đánh giá , dựa vào kết luận

từ những nghiên cứu khoa học đã được công bố thì các nguyên

nhân chính dẫn tới hiện tượng lún trồi đó l à: Công tác lu lèn

không đảm bả o yêu cầu; lớp vật liệu không đảm bảo về cường

độ, độ ổn định; sự liên kết giữa cốt liệu và nhựa trong hỗn hợp

không đảm bảo ; không kiểm soát chất lượng chế tạo hỗn hợp

BTN; sự gia tăng về giao thô ng cả về lưu lượng và tải trọng;

ảnh hưởng của nhiệt độ cao đối với sự làm việc của hỗn hợp BTN; và cấu tạo kết cấu áo đường chưa hợp lý

Hình 1 Vệt hằn bánh xe trên đường Mai Chí Thọ thuộc đại lộ

Đông Tây (Hình chụp ngày 2/11/2013)

Hình 2 Mặt cắt đường tại vị trí lún trồi trên quốc lộ 1A

(Hình chụp tháng 06/2013)

Từ những đánh giá về các nguyên nhân dẫn tới hiện tượng lún trồi nêu trên chúng tôi nhận thấy rằng việc sử dụng phụ gia polime để cải thiện chất lượng nhựa đường, đồng thời cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTN đang là một giải pháp được cho là tối ưu ở Việt Nam hiện nay Với đặc tính có thể tái chế nên loại vật liệu này được coi là thân thiện với môi trư ờng và kéo dài tuổi thọ của mặt đường BTN

Tại Việt Nam hiện nay đang sử dụng loại nhựa đường có chứa SBS do nhiều hãng cung cấp như Shell , Colas…cung cấp Loại nhựa này đang trong quá trình thử nghiệm và cũng đã cho thấy những hiệu quả kỹ thuật Tuy nhiên loại BTN sử dụng phụ gia này có giá thành khá cao và đòi hỏi cao về kỹ thuật thi công Chính vì vậy , việc nghiên cứu tính hiệu quả của phụ gia SBS đối với mặt đường BTN trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt tại Việt Nam , cũng như đánh giá khả năng tương thích của nó đối với nguồn nguyên vật liệu địa phương là một vấn đề cần được xem xét một cách kỹ càng

Phụ gia polime nâng cao khả năng ứng biến của nhự a đường dưới điều kiện nhiệt độ cao [1] Cấu trúc phân tử của

Trang 1

hỗn hợp nhựa đường sau khi trộn được đánh giá thông qua hình

ảnh chụp TEM (Transmission Electron Microscopy ), kết quả

nghiên cứu cho thấy SBS mạch thẳng có tác dụn g đến nhựa

đường tốt hơn so với các loại SBS còn lại [2] Năm 2005, tác

giả Akiyoshi và đồng nghiệp đã thử nghiệm các hàm lượng 0,

3, 5, 7, 9 và 12% để đánh giá và cho kết quả rằng với hàm

lượng từ 3 đến 5% SBS so với nhự a đường đã cải thiện được

các đặc tính của hỗn hợp BTN [3] Do đó, bài báo này tập

trung xem xét sử dụng SBS có hàm lượng 4% (so với tổng khối

lượng nhựa) trong hỗn hợp bê tông nhựa so sánh với bê tông

nhựa thông thường không sử dụng SBS đến cá c đặc tính kỹ

thuật của hỗn hợp BTN , trong đặc biệt thông qua thí nghiệm

hằn lún vệt bánh xe bằng thiết bị Hamburg Wheel-Tracking

2 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm

Trong nghiên cứu này, hỗn hợp BTN được thiết kế theo

phương pháp Marshall hay theo tiêu chuẩn TCVN 8820-2011

[4] Nhựa đường 60/70 và phụ gia SBS (Hình 3) sử dụng trong

nghiên cứu được Công ty Petrolimex cung cấp Một số chỉ tiêu

cơ lý cơ bản quan trọng của nhựa 60/70 được thể hiện trong

Bảng 1 Điều kiện để SBS hòa tan được vào nhựa thì hỗn hợp

nhựa được trộn ở nhiệt độ 180oC, trong thời gian 60 phút và tốc

độ máy trộn là 4000 vòng/phút

Hình 3 Phụ gia SBS

Hình 2 thể hiện cấp phối bê tông nhựa chặt 12.5mm

(BTNC12.5) sử dụng trong nghiên cứu này phù hợp TCVN

8819-2011 [5] Cốt liệu được lấy từ mỏ đá Tân Cang – Long

Thành – Đồng Nai Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp cốt li ệu

tương ứng với cấp phối của Hình 2 được thể hiện ở Bảng 2

Hình 2 Cấp phối BTNC 12.5mm

Bê tông nhựa thông thường BTNC12.5 sử dụng nhựa

đường 60/70 được thiết kế theo TCVN 8820-2011 [4] Kết quả

hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp BTNC12.5 là 5.75% Sau

đó, 4%SBS (so với khối lượng hàm lượng nhựa) được thêm

vào để tạo ra hỗn hợp BTNC12.5 có 4%SBS Hai loại hỗn hợp

bê tông nhựa BTNC12.5 và BTNC12.5 có 4% SBS được tạo

mẫu để so sánh các chỉ tiêu độ ổn định Marshall, cường độ ép chẻ, khả năng mài mòn Cantabro, mô đun đàn hồi và thí nghiệm vệt hằn bánh xe Hamburg Wheel Tracking thể hiện trong mục tiếp theo của bài báo này

Bảng 1 Kết quả thí nghiệm nhựa đường 60/70

Nhiệt độ hóa mềm (oC) 49.5 Độ kéo dài (mm) ở 25oC >110 Nhiệt độ bắt lửa (o

Khối lượng riêng (g/cm3) 1.033

Bảng 2 Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu

thí nghiệm

Cốt liệu lớn:

- Khối lượng riêng (g/cm3) 2.716

- Độ hao mòn Loss Angles (%) 14.4

- Hàm lượng thoi dẹt (%) 9.4 Cốt liệu nhỏ:

- Khối lượng riêng (g/cm3

Bột khoáng:

- Khối lượng riêng (g/cm3) 2.928

3 Kết quả thí nghiệm

3.1 Thí nghiệm Marshall

Thí nghiệm kiểm tra độ ổn định và độ dẻo Marshall được tiến hành theo tiêu chuẩn TCVN 8820-2011 [4] Các mẫu được đầm với độ rỗng còn dư 5±1% Trước khi thí nghiệm , tất cả mẫu được ngâm ổn định trong bồn nước ở nhiệt độ 60oC trong thời gian 40 phút, sau đó được nén với tốc độ gia tải của thiết bị là 50mm/giây Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở Bảng 3, nó cho thấy rằng SBS có độ ổn định Marshall cao hơn

so với hỗn hợp thông thường

3.2 Thí nghiệm kéo gián tiếp (ép chẻ)

Thí nghiệm kéo gián tiếp nhằm đánh giá kh ả năng làm việc ổn định của BTN trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt Các mẫu được chế bị trong phòng theo phương pháp Marshall , áp dụng tiêu chuẩn TCVN 8862-2011 [6] Mẫu được bảo dưỡng ổn định trong điều kiện nhiệt độ 70oC, thời gian 1.5 giờ Nhiệt độ 70oC được lựa chọn dựa vào sự khảo sát thực tế một số con đường trong thành phố Hồ Chí Minh vào giữa trưa Các mẫu được nén bằng thiết bị Marshall với tốc độ gia tải là 50 mm/giây Dựa vào giá trị lớn nhất trước của đồng hồ đo tại thời điểm mẫu phá hoại, giá trị chịu kéo khi ép chẻ của hỗn hợp đơn vị là MPa, được tính theo công thức:

ITS= 2*P/(π*H*D) (1) Trong đó: P là giá trị lực thẳng đứng (N); H là chiều cao của mẫu (mm); D là đường kính mẫu (mm) Kết quả thí nghiệm chịu nén khi ép chẻ ở Bảng 3 cho thấy rằng BTN có SBS có giá

Trang 2

trị cao hơn , điều này chứng tỏ hỗn hợp BTN có khả n ăng ổn

định nhiệt hơn so với hỗn hợp BTN thông thường

Bảng 3 Kết quả thí nghiệm so sánh hỗn hợp BTN

Thí nghiệm Hỗn hợp – Giá trị thí nghiệm BTNC12.5 +

0%SBS

BTNC12.5 + 4%SBS Độ ổn định Marshall (kN) 11.3 14.9

Ép chẻ ở 70o

Độ hao mòn theo phương

Thí nghiệm Mô-đun đàn

Hình 3 Mẫu sau quá trình thí nghiệm ép chẻ

3.3 Thí nghi ệm Cantabro

Quá trình thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn EN

NLT-352-00 [7] Mẫu được đầm nén theo phương pháp

Marshall, chiều cao mẫu là 101mm và đường kính là 63.5mm

Mẫu được đầm nén sau đó bảo dưỡng và được thí ngh iệm bằng

thiết bị thử độ hao mòn Los -Angeles Sau khi đạt được 300

vòng với tôc độ 30 ± 33 vòng/phút thì dừng lại và lấy mẫu ra

để kiểm tra mức độ bong bật của vật liệu , trong quá trình thí

nghiệm không sử dụng bi sắt Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng

vật liệu bị thất thoát (Cantabro loss) được tính theo công thức:

ML= (m1 – m2)/ m1 (2) Trong đó: m1là khối lượng mẫu trước thí nghiệm , m2là khối

lượng mẫu sau thí nghiệm Kết quả thí nghiệm đư ợc thể hiện

trong Bảng 3 Từ kết quả này ta có thể kết luận được rằng SBS

đã làm tăng khả năng kháng bong bật của vật liệu dưới tác

dụng va đập của tải trọng

Hình 4 Mẫu trước và sau thí nghiệm

3.4 Thí nghiệm kiểm tra mô-đun đàn hồi của hỗn hợp

Thí nghiệm áp dụng tiêu chuẩn 22TCN 211-06 [8], mẫu

có chiều cao và đường kính là 101 mm Mẫu được chế bị bằng

máy ép thủy lực , điều chỉnh cần sao cho áp lực tác dụng lên

mẫu là 30 MPa trong khoảng thời gian là 03 phút như trong

Hình 5 Trước khi thí nghiệm, mẫu được bảo dưỡng trong nhiệt

độ 30o

C trong vòng 2.5 giờ Quá trình thí nghiệm như trong

Hình 5 Theo 22TCN 211-06 thì áp lực bánh xe có giá trị p=0.5

MPa Giá trị mô-đun (E) của hỗn hợp BTN được quy đổi như sau:

E= pH/L (MPa) (3) Trong đó: p= 4P/πD2

, D là đường kính mẫu và H là chiều cao mẫu, P là lực tác dụng lên bàn ép (kN) Khi thí nghiệm thường lấy p= 0.5 MPa (tương đương với áp lực của kết cấu áo đường)

Kết quả thí nghiệm thể hiện trong Bảng 3 Kết quả trên cho thấy SBS làm tăng đáng kể (gần 1.4) trị số mô-đun đàn hồi của vật liệu Điều này chứng tỏ hỗn hợp ít biến dạng hơn khi chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng

Hình 5 Thí nghiệm kiểm tra mô-đun đàn hồi của hỗn hợp BTN a) Quá trình chế bị mẫu; b) Quá trình thí nghiệm

3.5 Thí nghiệm Hamburg Wheel-Tracking

Thiết bị thí nghiệm Hamburg Wheel-Tracking (HWT) kết hợp và hoàn thiện phương pháp thử nghiệm đánh giá các chỉ tiêu về độ lún và hư hỏng do nguồn ẩm bằng cách lăn một bánh xe thép trên bề mặt của hỗn hợp BTN đặt chìm trong nước đã được gia nhiệt trước (nhiệt độ khoảng 40÷50oC) Chỉ tiêu về sự ổn định nhiệt và độ ẩm dựa trên chỉ tiêu đạt hay không đạt Yetkin Yildirim và đồng nghiệp đã nhận thấy rằng khi số lượng vòng bánh xe tác dụng lên mẫu đạt 10.000 lượt thì có thể nhận thấy rõ ràng sự mất mát của mẫu do tác dụng của nguồn ẩm cũng như tải trọng bánh xe [9].Thiết bị này cần kiểm tra sự làm việc đồng thời giữa các khuôn cố định mẫu và các bánh xe trong quá trình chuyển động qua lại

Do giá thành thí nghiệm này rất cao nên chỉ 02 mẫu được tiến hành thí nghiệm: mẫu BTN thông thường và mẫu BTN có sử dụng 4%SBS Toàn bộ quá trình đúc mẫu và điều kiện thí nghiệm áp dụng theo tiêu chuẩn AASHTO T324-04 [10] Khuôn mẫu có chiều dài 12.6 inches (320mm) và chiều rộng 10.24 inches (260mm), bề rộng của chúng có thể là 1.5, 3, hoặc 4.7 inches (38, 76, hoặc 119 mm) Các bánh xe có đường kính 8 inches (203mm) và bề rộng 0.9 inches (22.87mm) Độ rỗng của mẫu thử khoảng 7 ± 1%, được đầm nén bằng máy nén đẳng hướng Thí nghiệm sử dụng bồn nước để gia nhiệt, nhiệt độ bồn nước có thể thay đổi từ 25 ÷ 70oC, nhiệt độ áp dụng trong thí nghiệm là 50oC Vận tốc của thiết bị thí nghiệm là 53 lượt/phút, khi đủ 15.000 lượt thì dừng thiết bị và kiểm tra kết quả (Hình 6)

Trong các nguyên nhân gây ra hiện tượng lún trồi mặt đường BTN đã nêu ra ở phần 1 nguyên nhân chính đó là mặt đường BTN chịu tác dụng của tải trọng lặp trong điều kiện làm việc chịu tác động của nguồn ẩm và nhiệt độ cao Việc sử dụng thí nghiệm HWT mô phỏng tương đối sự làm việc của mặt đường BTN trong trường hợp bất lợi nhất, từ đó đánh giá được khả năng kháng lún của loại mặt đường này Mẫu sau quá trình thí nghiệm như trong Hình 7, mối quan hệ giữa độ lún và số lượt tải trọng tác dụng thể hiện trong Hình 8

Vị trí vết nứt

Trang 3

Hình 6 Mẫu trong quá trình thí nghiệm

Hình 7 Mẫu sau khi kết thúc thí nghiệm

Hình 8 Kết quả thí nghiệm kiểm tra hằn lún vệt bánh xe

Từ kết quả thí nghiệm như trên Hình 8 ta có thể kết luận

SBS đã nâng cao khả năng chống lún trồi mặt đường BTN

ngay ở trong điều kiện nhiệt độ cao và chịu tác dụng của nguồn

ẩm

4 Kết luận

Nghiên cứu này đã tập trung đánh giá mức độ ảnh hưởng

của phụ gia SBS đến các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp BTN Sử

dụng cấp phối BTN C12.5 để so sánh Hàm lượng SBS trong

nghiên cứu là 4% Từ kết quả thí nghiệm , có thể đưa ra được

các kết luận sau:

• Hỗn hợp BTN sử dụng SBS làm tăng giá trị chịu kéo

gián tiếp và độ ổn định Marshall

• Thí nghiệm Cantabro cho thấy SBS làm tăng khả năng

chống bong bật của vật liệ u trong hỗn hợp hơn so với

hỗn hợp thông thường

• Giá trị mô -đun đàn hồi của hỗn hợp BTN sử dụng SBS tại nhiệt độ 30oC cao hơn so với hỗn hợp BTN thông thường

• SBS cải thiện đáng kể khả năng kháng hằn lún vệt bánh

xe

Cám ơn

Nghiên cứu này được tài trợ bởi trường Đại học Bách Khoa trong khuôn khổ đề tài mã số T-KTXD-2015-56 Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn sự tài trợ của trường Đại Học Bách

Khoa

Tài liệu tham khảo

1 Larry (2006), Performance Grace (PG) Polymer Modified

Asphalt in California, Technology Transfer Program,

Institute of Transportation Studies, UC Berkeley

2 Rameshwar Adhikari (2011), Influence of Uncoupled

Diblock Molecules on Mechanical Properties of Styrene-Butadiene-Styrene Triblock Copolymer, Nepal Journal of

Science and Technology, No.12, pp.149-156

3 AkiyoshiHanyu, Sadaharu Ueno, Atsushi Kasahara, and

Kazuo Saito (2005), Effect of the Morphology of SBS

Modified Asphalt on Mechanical Properties of Binder and

Transportation Studies, Vol.6, pp.1153-1167

4 TCVN 8820-2011 (2011), Hỗn hợp bê tông nhựa nóng - Thiết kế theo phương pháp Marshall, Bộ Khoa Học và

Công Nghệ

5 TCVN 8819-2011 (2011), Mặt đường bê tông nhựa nóng – Yêu cầu thi công và nghiệm thu, Bộ Khoa Học và Công

Nghệ

6 TCVN 8862-2011 (2011), Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo khi ép chẻ của vật liệu hạt liên kết bằng các chất kết dính, Bộ Khoa Học và Công Nghệ

7 EN NLT-352-00 (2000), Characterization procedure of asphalt binders with the Cantabro test UCL method

8 22 TCN 211- 06 (2006), Áo đường mềm - Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết kế, Bộ GTVT

9 Yetkin Yildirim, Priyantha W.Jayawichrama, M.Shabbir Hossain, Abdulrahman Alhabshi, Cenk Yildirim, Andre de

Fortier Smit and Dallas Little (2007), Hamburg Wheel -

Tracking Database Analysis, FHWA report

10 AASHTO T324-04, Standard Method of Test for Hamburg

Wheel-Track Testing of Compacted Hot-Mix Asphalt (HMA)

Trang 4