ông nghệ tái chế mặt đường nhựa đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới. Công nghệ này được nghiên cứu ở Việt Nam trong một dự án thử nghiệm đầu tiên sử dụng trạm trộn bê tông nhựa nóng tái chế mặt đường ở thành phố Hồ Chí Minh. Đoạn thử nghiệm này sử dụng 20%, 30%, 40% vật liệu mặt đường bê tông nhựa cũ thu hồi ở Quốc Lộ 1, đoạn An Sương – An Lạc, TP.HCM. Bài báo tập trung trình bày nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được thực hiện để thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa tái chế nóng và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý, trong đó, có so sánh với hỗn hợp bê tông nhựa thông thường sử dụng vật liệu mới hoàn toàn. Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông nhựa tái chế nóng tại trạm trộn đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật tương tự như bê tông nhựa thông thường dùng vật liệu mới
Trang 1THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA TÁI CHẾ THEO CÔNG NGHỆ TRỘN NÓNG TẠI NHÀ MÁY Ở QUỐC LỘ 1 - HỒ CHÍ MINH
MIX DESIGN OF RECLAIMED ASPHALT PAVEMENT USING HOT-CENTRAL-PLANT IN HIGHWAY NO.1 - HOCHIMINH CITY
TÓM TẮT
Công nghệ tái chế mặt đường nhựa đã được nghiên cứu và
ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới Công nghệ này được
nghiên cứu ở Việt Nam trong một dự án thử nghiệm đầu tiên sử
dụng trạm trộn bê tông nhựa nóng tái chế mặt đường ở thành
phố Hồ Chí Minh Đoạn thử nghiệm này sử dụng 20%, 30%,
40% vật liệu mặt đường bê tông nhựa cũ thu hồi ở Quốc Lộ 1,
đoạn An Sương – An Lạc, TP.HCM Bài báo tập trung trình
bày nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được thực hiện để thiết
kế hỗn hợp bê tông nhựa tái chế nóng và thí nghiệm các chỉ
tiêu cơ lý, trong đó, có so sánh với hỗn hợp bê tông nhựa thông
thường sử dụng vật liệu mới hoàn toàn Kết quả thí nghiệm cho
thấy bê tông nhựa tái chế nóng tại trạm trộn đạt được các chỉ
tiêu kỹ thuật tương tự như bê tông nhựa thông thường dùng vật
liệu mới
ABSTRACT
Technology of reclaimed asphalt pavement was studied and
applied by many countries around the world This technology
has been studying firstly in Viet Nam with one trial project
using hot-central-plant technology located in Highway No.1
from An Suong to An Lac, Ho Chi Minh City In this trial road,
rates of reclaimed asphalt pavement were 20, 30, and 40%
This paper focuses on the testing in laboratory for mix design
to blend old and new material; and a series of laboratory tests
were performed to evaluate the performance of recycled
asphalt concrete in comparison with usual asphalt concrete
These results indicated that the recycled asphalt concrete could
achieve the similar properties of asphalt concrete with virgin
material
Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại Học Bách
Điện thoại: +84-933-48-1368
Học viên cao học , Khoa kỹ thuật Xây dựng , Trường Đại Học
Email: ngochuanrl3@gmail.com
Điện thoại: +84-908-29-4229
Những nghiên cứu về các vấn đề kinh tế và môi trường đã
thúc đẩy nền công nghiệp tái chế thép, nhôm, chất dẻo, v.v và
các loại vật liệu khác Trong số đó, bê tông nhựa (BTN) là một
trong những loại vật liệu có thể tái chế đã được các nhà nghiên
cứu và đầu tư trên thế giới đưa vào ứng dụng rộng rãi Theo
nhà nghiên cứu Taylor [1], BTN tái chế (Reclaimed Asphalt
không được phổ biến rộng rãi Đến năm 1970, nhu cầu sử dụng
RAP trở nên thiết thực do sự gia tăng giá thành của nhựa
đường và sự khan hiếm của vật liệu đá Những vấn đề liên
quan đến kinh tế và môi trường này đã thúc đẩy phát triển công
nghệ sản xuất BTN có pha chế RAP Công tác thiết kế BTN tái chế là nhằm xác định thành phần cũng như loại vật liệu mới bổ xung cùng với RAP tạo ra hỗn hợp bê tông nhựa mới thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật Vật liệu mới thêm vào bao gồm: cốt liệu mới, cốt liệu tái chế, nhựa đường mới, chất phụ gia tái chế, phụ gia tăng cường độ ổn định
Bài báo này trình bày cách thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa tái sinh nóng (BTNTSN) với BTN cũ chiếm 20, 30, và 40%
được lấy từ Quốc Lộ 1, đoạn An Sương – An Lạc, Tp.HCM
Địa điểm thử nghiệm: Quốc lộ 1 đoạn An Sương - An Lạc (Km1908+000- Km1908+400, Phải tuyến, làn ngoài (làn xe tải); chiều dài: 400m; chiều rộng: 3,5m Tình trạng mặt đường:
đoạn đường đã được đưa vào khai thác 10 năm, mặt đường đã xuất hiện các vết nứt do mỏi và hằn lún vệt bánh xe Chiều dày lớp BTN hiện hữu là 12cm
Đoạn tuyến thử nghiệm được chia thành 04 phân đoạn sử dụng các cấp phối và tỷ lệ tái chế khác nhau:
• Phân đoạn 1: dài 100m, lớp trên BTNC 12.5 dày 5 cm, lớp dưới BTNC 19 dày 7 cm
• Phân đoạn 2: dài 100m, lớp trên BTNTSN 12.5-1 dày 5
cm, lớp dưới BTNTSN 19-1 dày 7 cm
• Phân đoạn 3: dài 100m, lớp trên BTNTSN 12.5-2 dày 5
cm, lớp dưới BTNTSN 19-2* dày 7 cm
• Phân đoạn 4: dài 100m, lớp trên BTNTSN 12.5-3 dày 5
cm, lớp dưới BTNTSN 19-3* dày 7 cm
L1 = 100m L2 = 100m L3 = 100m L4 = 100m
BTNC 12.5 BTNTSN
12.5-1
BTNTSN 12.5-2*
BTNTSN 12.5-3*
BTNC 19 BTNTSN
19-1
BTNTSN 19-2*
BTNTSN 19-3*
Hình 1 Sơ họa đoạn thử nghiệm
Dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành trong nước quy định về thiết kế, thi công và nghiệm thu bê tông nhựa, kết hợp với các tài liệu hướng dẫn trong và ngoài nước [2, 3, 4] Công tác thiết
kế cấp phối BTNTSN trong phòng thực hiện theo các công việc sau:
• Thí nghiệm vật liệu trong RAP;
• Thí nghiệm vật liệu mới: nhựa đường mác 60/70, phụ gia tái chế dầu Aromatic, cốt liệu đá, bột khoáng;
• Thí nghiệm pha trộn hoàn toàn chất kết dính cũ và mới theo hướng dẫn của ấn bản MS-20 Viện Asphalt Mỹ;
• Thiết kế 6 cấp phối BTNTSN với kích cỡ hạt 12,5 và 19mm với các tỷ lệ sử dụng RAP: 20, 30, 40% Thiết kế
2 cấp phối BTN (cấp phối đối chứng) sử dụng vật liệu thông thường (nhựa đường 60/70, cốt liệu mới) có cỡ hạt lớn nhất là 12,5 và 19mm;
Trang 2• Thí nghiệm một số đặc tính kỹ thuật của BTNTSN và
BTNN và so sánh
2.1.1 Vật liệu sử dụng:
Vật liệu cào bóc (RAP) được cào bóc trên tuyến đường
đang khai thác, có tuổi thọ khoảng 10 năm, đồng thời cũng là
đoạn tuyến thử nghiệm hiện trường Vị trí lấy vật liệu RAP là
Lạc, TP.HCM)
Vật liệu RAP được xe cào bóc chuyên dụng thu gom, được
tập kết về trạm trộn và nghiền sàng Sau đó lấy mẫu RAP thí
nghiệm chiết tách, thu hồi nhựa đường theo phương pháp
Abson (AASHTO T170), kết quả thí nghiệm tại Bảng 1 Cốt
liệu mới sử dụng là đá xay từ đá granite mỏ Tân Đông Hiệp
bao gồm cốt liệu thô và cốt liệu mịn, kế quả thí nghiệm ở bảng
2 Nhựa đường mới sử dụng loại nhựa đường phổ biến được
nhập vào Việt Nam là nhựa mác 60/70 theo độ kim lún, các chỉ
tiêu chính trong Bảng 3 Bột khoáng đá vôi có nguồn gốc từ Hà
Tiên Phụ gia tái chế sử dụng dầu Aromatic được nhập khẩu có
chỉ tiêu thí nghiệm trong Bảng 4 Phụ gia tăng cường dính
bám: sử dụng phụ gia Wetfix BE
Bảng 1 Kết quả thí nghiệm vật liệu RAP
Nội dung Đơn vị Kết quả thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm
Chiết tách hàm lượng
Bảng 2 Thành phần hạt và một số chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu
mới và cốt liệu trong RAP
Các chỉ tiêu sàng Cỡ
(mm)
Đá 16x22
Đá 10x15
Đá 5x10
Đá 0x5
Đá trong RAP
Bột khoáng
Thành phần hạt
Phần trăm lọt
sàng (%)
25 100.0 100.0 100.0 100.0 100,0 100,0
19 95.8 100.0 100.0 100.0 100,0 100,0
12,5 6.8 63.1 100.0 100.0 99,3 100,0
9,5 2.0 22.4 98.5 100.0 95,5 100,0
4,75 0.9 1.4 2.9 91.4 75,1 100,0
2,36 0.9 1.4 1.3 65.9 56,0 100,0
1,18 0.8 1.3 1.2 46.7 40,0 100,0
0,60 0.8 1.2 1.2 32.2 31,6 100,0
0,30 0.7 1.1 1.2 20.4 22,2 100,0
0,15 0.6 1.0 1.2 12.5 13,1 98,6
0,075 0.4 0.8 1.0 7.3 7,8 86,8
Tỷ trọng khối , Gsb 2,680 2,673 2,667 2,654 2,671 2,910
Hàm lượng hạt thoi dẹt
Độ hấp thụ nước (%) 0,40 0,55 0,56 0,88 -
Bảng 3 Một số chỉ tiêu của nhựa đường 60/70 và nhựa đường
trong RAP
Loại nhựa đường Độ kim lún, 25 o C
(1/10mm)
Nhiệt độ hóa mềm ( o C)
Độ giãn dài (cm)
Độ nhớt động lực học ở
60 o C (Poise)
Nhựa đường trong
Bảng 4 Kết quả thí nghiệm phụ gia tái chế
Nội dung Đơn vị Kết quả thí
nghiệm
Yêu cầu kỹ thuật theo ASTM D4552 - RA1
Độ nhớt động học ở 60 o C cSt 52,03 50-175
Độ nhớt động lực học ở 60 o C Poise 5,0 -
Thí nghiệm mẫu sau khi
Thí nghiệm khối lượng riêng g/cm 3 0,961 -
2.1.2 Thiết kế cấp phối hỗn hợp:
Ứng với cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 và 19mm thiết
kế 3 cấp phối có tỷ lệ RAP khác nhau 20, 30, 40% nhưng tương đồng về đường cong cấp phối Đồng thời thiết kế 2 cấp phối BTN sử dụng vật liệu mới hoàn toàn làm mẫu đối chứng Việc thiết kế cấp phối tuân thủ theo phương pháp Marshall Công tác trộn hỗn hợp thí nghiệm trong phòng được thực hiện tương đồng với công tác trộn tại trạm trộn mẻ dự kiến để thực hiện thử nghiệm Trình tự trộn mẫu như sau:
• Rang cốt liệu mới lên nhiệt độ rất cao: 215o
C (20%
giờ theo hướng dẫn tại bảng VI.1 tài liệu MS-20;
• Nấu nhựa đường mới lên 135oC trong 2 giờ, trộn phụ gia tái chế với định lượng từ trước;
• Vật liệu RAP được trộn với cốt liệu mới (được rang nóng ở nhiệt độ cao) trong khoảng thời gian 4 phút;
• Hỗn hợp RAP và cốt liệu mới sau đó được trộn với nhựa đường mới trong khoảng thời gian 2 phút, nhiệt độ trộn
170oC
Bảng 5 Ký hiệu các loại hỗn hợp bê tông nhựa
Tỷ lệ RAP sử dụng trong hỗn hợp
Không sử dụng chất tái chế (mẫu đối chứng)
Sử dụng nhựa 60/70, không sử dụng chất tái chế
Sử dụng nhựa 60/70 + chất tái chế (dầu aromatic)
Sử dụng nhựa 60/70 + chất tái chế (dầu aromatic) + phụ gia Wetfix BTNC 12,5 BTNTSN 12,5-1 BTNTSN 12,5-2 BTNTSN 12,5-3 BTNC 19 BTNTSN 19-1 BTNTSN 19-2 BTNTSN 19-3
Bảng 6: Phần trăm phối trộn vật liệu trong các cấp phối
bê tông nhựa
Loại cấp phối bin nóng 16x28
bin nóng 12x15
bin nóng 9x11
bin nóng 6x8
bin nóng 3x5
bin nóng 0x2 RAP Bột khoáng Nhựa mới
HLN tối
ưu
BTNC 12.5 - 13,30 15,20 17,10 9,50 33,25 - 6,65 5,00 5,00 BTNTCN
12.5-1 - 11,41 17,12 13,31 9,51 19,02 19,92 5,71 4,00 4,90 BTNTCN
12.5-2 11,42 15,23 12,38 10,47 12,38 29,91 4,76 3,45 4,80 BTNTCN
12.5-3 11,42 11,42 11,42 11,42 7,62 39,87 3,81 3,01 4,80 BTNC 19 17,14 13,33 15,23 9,52 9,52 23,80 - 6,66 4,80 4,80 BTNTCN
19-1 17,14 13,33 11,42 8,57 8,57 12,85 19,94 4,28 3,90 4,80 BTNTCN
19-2 15,25 13,34 12,39 7,15 6,67 7,62 29,94 4,29 3,35 4,70 BTNTCN
19-3 17,15 11,43 11,43 5,24 4,76 3,81 39,90 3,33 2,95 4,75
Lựa chọn hàm lượng nhựa phụ gia thêm vào hỗn hợp được thực hiện thông qua toán đồ độ nhớt của chất kết dính, theo hướng dẫn của tài liệu MS-20, trong đó R là tỷ lệ nhựa đường mới thêm vào hỗn hợp nhựa đường
Trang 3Hình 3 Toán đồ xác định hàm lượng phụ gia của
BTNTSN12.5-2
Hình 2 Toán đồ xác định hàm lượng phụ gia của
BTNTSN12.5-2
Hình 3 Toán đồ xác định hàm lượng phụ gia của
BTNTSN12.5-3
2.1.3 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý
Nhằm kiểm chứng sự làm việc chung giữa nhựa đường
mới 60/70, nhựa đường cũ trong RAP, phụ gia tái chế, phụ gia
tăng cường dính bám Sau khi xác định được các tỷ lệ pha trộn
các thành phần chất kết dính của từng loại cấp phối bê tông
nhựa, tiến hành pha trộn và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của
các hỗn hợp nhựa đường này theo các yêu cầu trong tiêu chuẩn
Để đánh giá khả năng làm việc của BTNTSN thực hiện
các thí nghiệm Marshall, thí nghiệm độ ổn định còn lại
Marshall, mô đun đàn hồi tĩnh, cường độ chịu kéo gián tiếp
bằng ép chẻ theo hướng dẫn của tiêu chuẩn 22TCN211-2006
[6], cường độ chịu uốn 3 điểm và các thí nghiệm mô phỏng
khác như độ hằn lún vệt bánh xe Hamburg Wheel Tracking, thí
nghiệm khả năng kháng mỏi Các mẫu bê tông nhựa có hàm
lượng nhựa tối ưu được trộn tương tự như trong quá trình thiết
kế Mẫu Marshall, mô đun đàn hồi tĩnh, cường độ chịu kéo
gián tiếp, cường độ chịu uốn được chế bị với độ rỗng tương
đương với mẫu Marshall (khoảng 4%) Mẫu thí nghiệm HWT
có độ rỗng dư 7%
2.1 4 Nhận xét kết quả thí nghiệm
a) Thí nghiệm nhựa đường
Pha trộn hỗn hợp nhựa đường 60/70 và nhựa đường trong
RAP với phụ gia tái chế theo các tỷ lệ đã tính toán rồi tiến hành
thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường, kết quả trong
bảng 6
Bảng 7 Kết quả các chỉ tiêu cơ lý của các hỗn hợp nhựa đường
Từ bảng so sánh ta có thể nhận xét các hỗn hợp nhựa mới
và nhựa cũ có các chỉ tiêu gần hội tụ về giá trị yêu cầu của mác nhựa đường 60/70 Điều này cho thấy việc xác định tỷ lệ nhựa 60/70 và phụ gia tái chế xác định từ toán đồ cho kết quả tin cậy
b) Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý Sau khi thiết kế xong các cấp phối bê tông nhựa, tiến hành đúc mẫu tại hàm lượng nhựa tối ưu, mỗi chỉ tiêu thí nghiệm đúc 6 mẫu Kết quả tổng hợp trong Bảng 8 và 9
Bảng 8 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của
BTNTSN 12,5
Bảng 9 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu kỹ thuật của
BTNTSN 19
Qua kết quả thiết kế nhận thấy hàm lượng nhựa tối ưu khi trộn thêm hỗn hợp nhựa mới có phụ gia làm mềm nhựa là dầu
độ nhớt của hỗn hợp nhựa 60/70 và dầu AO thấp hơn nhựa 60/70
Các kết quả cũng cho thấy mô đun đàn hồi vật liệu, độ bền
ép chẻ và cường độ chịu kéo khi uốn đều có xu hướng giống
Trang 4đồ thì cường độ của BTNTSN giảm khi tăng hàm lượng RAP
sử dụng và thấp hơn so với BTNC thông thường sử dụng nhựa
đường 60/70 và loại không sử dụng phụ gia Nhóm nghiên cứu
tiến hành điều chỉnh lượng dầu AO thêm vào hỗn hợp bằng
phương pháp thực nghiệm: đúc các tổ mẫu Marshall theo các
hàm lượng phụ gia thay đổi từ đó tìm ra hàm lượng dầu AO
thích hợp giúp hỗn hợp BTNTSN có cường độ Marshall được
cải thiện hơn Kết quả trong Bảng 10
Bảng 10 Kết quả thí nghiệm điều chỉnh hàm lượng phụ gia
Hình 4 Xác định hàm lượng phụ gia tối ưu cho cấp phối
BTNTSN12.5-3
Sau khi giảm hàm lượng phụ gia (AO) thì cường độ tăng
cao hơn hẳn thậm chí bằng và vượt cường độ của mẫu BTNC
thông thường (Loại BTN có ký hiệu dấu *)
Trên cơ sở các kết quả trên, có thể rút ra các nhận xét sau:
• Công nghệ tái chế mặt đường BTN theo phương pháp
nóng và nguội được áp dụng rộng rãi ở các nước tiên
tiến, có hiệu quả cao, hạn chế việc nâng cao cao độ công
trình đường bộ, nhất là trong khu vực thành phố, mặt
cầu, tiến kiệm vật liệu cũ sau khi cào bóc, giảm thiểu ô
nhiễm môi trường, chất lượng kết cấu mặt đường sau khi tái chế có thể tương đương với kết cấu làm mới nên có tính thực tiễn trong xây dựng đường ô tô
• Công nghệ tái chế nóng BTN có nhiều ưu điểm, đã được
sử dụng rộng rãi trên thế giới, công nghệ đã ổn định
và trong tương lai sẽ rất lớn, do vậy việc nghiên cứu, áp dụng công nghệ tái chế nóng phù hợp với điều kiện Việt Nam là hết sức cần thiết
• Các kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy các loại BTNTSN có các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương với BTNN truyền thống tại Việt Nam
• Công tác thiết kế bê tông nhựa tái chế nóng cần phải xem xét khi chọn tỷ lệ chất tái chế đưa vào hỗn hợp Việc sử dụng toán đồ để tính toán hàm lượng chất tái chế khi xét các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường thì phù hợp khi xem các chất kết dính trộn lẫn với nhau hoàn toàn (trộn lẫn 100%) Nhưng, quá trình khuyếch tán thực
tế đối với hỗn hợp bê tông nhựa tái chế có sử dụng phụ gia thì cần nghiên cứu thêm
Lời cảm ơn
Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện khoa học & công nghệ GTVT, Phòng thí nghiệm trọng điểm đường bộ III, Công ty cổ phần xây dựng và giao thông BMT đã tạo điều kiện cho tác giả được tham gia vào dự án thử nghiệm này
[1] Taylor, N H (1978), Life Expectancy of Recycled Asphalt Paving, Recycling of Bituminous Pavements, L.E Wood, ed.,
ASTM STP 662, American Society of Testing and Materials, Philadelphia, Pennsylvania, 3-15
Yêu cầu thi công và nghiệm thu, Bộ Khoa Học và Công Nghệ [3] TCVN8820:2011 (2011), Hỗn hợp bê tông nhựa nóng – Thiết kế theo phương pháp Marshall, Bộ Khoa Học và Công Nghệ
[4] Viện Asphalt Mỹ (1986), MS20 - Tái chế nóng bê tông nhựa
[5] TCVN 7493:2005 (2005), Các tiêu chuẩn Việt Nam về
chỉ dẫn thiết kế, Bộ Giao Thông Vận Tải
