Nghiên cứu tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt đã hư hại bằng công nghệ bitum bọt và xi măng để sữa chữa đường quốc lộ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: Chu Thắng MSHV : 11010303 Ngày, tháng, năm sinh: 26 – 02 – 1986 Nơi sinh: Gia Lai Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố I- TÊN Đ

CHU THẮNG

NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ NGUỘI MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT ĐÃ HƯ HẠI BẰNG CÔNG NGHỆ BITUM BỌT VÀ

Chuyên ngành : Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Mã số : 605830

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Chánh

(Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký)

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Chu Thắng MSHV : 11010303

Ngày, tháng, năm sinh: 26 – 02 – 1986 Nơi sinh: Gia Lai

Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TÁI CHẾ NGUỘI MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT ĐÃ HƯ HẠI BẰNG CÔNG NGHỆ BITUM BỌT VÀ XI MĂNG ĐỂ SỬA CHỮA ĐƯỜNG QUỐC LỘ

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG CHÍNH:

Nghiên cứu cơ sở khoa học, thiết kế cấp phối và thực nghiệm các tính chất kỹ thuật của

bê tông asphalt tái chế theo công nghệ bitum bọt và xi măng trên cơ sở hỗn hợp cốt liệu tái chế tại chỗ theo chiều sâu với hàm lượng tối ưu bitum bọt và xi măng

Thực nghiệm hiện trường thi công tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt đã hư hại bằng công nghệ bitum bọt và xi măng để sửa chữa tuyến đường Quốc Lộ 1 đi qua Thành Phố Hồ Chí Minh

II- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24 – 06 - 2013

III- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20 – 6 – 2014

IV- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Nguyễn Văn Chánh

Ngày 24 tháng 06 năm 2013

TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG

Thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã đúc kết được những kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sĩ, tôi đã vận dụng những kiến thức mà mình được trang bị để tiến hành nghiên cứu một bài toán thực tiễn Vì đề tài nghiên cứu về vấn đề còn khá mới ở Việt Nam nên lúc đầu tiếp cận còn gặp nhiều

khó khăn và bỡ ngỡ Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn PGS TS Nguyễn Văn Chánh, với sự tận tình chỉ dẫn của thầy, cho đến nay luận văn đã hoàn

thành

Ngoài ra, tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến:

 Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh

 Phòng Đào tạo sau đại học và các phòng khoa trong Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh

 Gia đình, bạn bè và các Anh, Chị trong lớp cao học Xây dựng đường ô tô và đường thành phố, khóa 2011 – 2013

 Công ty TNHH MTV Công Trình Giao Thông Sài Gòn đã tạo điều kiện cho tôi tiến hành các thí nghiệm trong phòng và thực nghiệm thi công công nghệ ngoài hiện trường trong luận văn này

Xin trân trọng cảm ơn./

T.p Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014 Học viên thực hiện luận văn

Chu Thắng

hỏng và đến một thời điểm nào đó cần phải tiến hành nâng cấp, tăng cường Giải pháp

xử lý hữu hiệu là đào bỏ một phần hoặc toàn bộ lớp móng cấp phối đá dăm và lớp mặt

bê tông nhựa rồi làm mới lại toàn bộ mặt đường

Trong giai đoạn hiện nay, vấn đề bảo vệ môi trường và tiết kiệm nguồn nguyên vật liệu

là rất cần thiết Việc nghiên cứu tái sử dụng lại vật liệu bê tông nhựa và một phần lớp móng đã được nhiều nước trên thế giới sử dụng Từ năm 2008 đến nay có 3 công nghệ tái sinh nguội được đưa vào Việt Nam, đã qua giai đoạn thử nghiệm trong phòng và ngoài hiện trường, đó là công nghệ cào bóc tái sinh nguội của hãng Wirtgen (Đức); công nghệ cào bóc tái sinh nguội của hãng Hall Brothers (Mỹ) và công nghệ cào bóc tái sinh nguội của hãng Sakai (Nhật Bản) Theo đánh giá, công nghệ của hãng Wirtgen (Đức) có ưu điểm hơn so với các công nghệ còn lại Do vậy tác giả chọn đề tài

“Nghiên cứu tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt đã hư hại bằng công nghệ bitum bọt và xi măng để sửa chữa đương quốc lộ”

Nội dung của đề tài nghiên cứu lần lượt các vấn đề sau đây:

1 Tìm hiểu tổng quan về chất lượng khai thác nền mặt đường bê tông nhựa, nguyên nhân hư hỏng và biện pháp khắc phục

2 Tìm hiểu cơ sở khoa học của việc ứng dụng công nghệ bitum bọt và xi măng

để tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt đã hư hại

3 Thiết kế cấp phối và thực nghiệm các tính chất kỹ thuật của bê tông asphalt tái chế theo công nghệ bitum bọt và xi măng trong phòng thí nghiệm

4 Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường thi công tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt đã hư hại bằng công nghệ bitum bọt và xi măng để sửa chữa đường Quốc Lộ 1, Q.12, TP Hồ Chí Minh

5 Đề xuất quy trình thi công và nghiệm thu công tác tái chế nguội mặt đường

bê tông asphalt đã hư hại bằng công nghệ bitum bọt và xi măng

Phần chính trong nội dung của đề tài này là nghiên cứu cơ sở khoa học của việc ứng dụng công nghệ bitum bọt và xi măng để tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt, tiến hành thiết kế cấp phối và thí nghiệm đánh giá chất lượng của hỗn hợp tái sinh nguội bằng bitum bọt và xi măng trong phòng thí nghiệm, đồng thời đánh giá kết quả thực nghiệm thi công công nghệ tái sinh trên tuyến Quốc Lộ 1 đi qua Q12, Thành phố Hồ Chí Minh để đề xuất những quy trình thi công và nghiệm thu cho công nghệ

of environmental conditions, the damage of flexible pavement structural is inevitable and to a certain point need to upgrade, enhanced Effective treatment solutions is digging part or the entire subgrade macadam and asphalt concrete surface course and then refresh the entire surface

In the current period, the protection of the environment and saves resources and materials are needed The study material reuse asphalt and partially subgrade has been widely used around the world From 2008 up to now have 3 cold in-place recycling technology was brought into Vietnam, has passed the experimental stage in the room and in the field, such as milling cold in-place recycling technology of Wirtgen (Germany); milling cold in-place recycling technology of Hall Brothers (USA) and milling cold in-place recycling technology of Sakai (Japan) According to the assessment, Wirtgen’s technology (Germany) has more advantages than the other technologies Therefore, the authors chose the topic "Research cold in-place recycling

of asphalt concrete pavement was damaged by foam bitumen technology and cement to repair the highway"

The content of research projects respectively following issues:

1 Overview of the extraction quality of asphalt pavement, causes damage and remedial measures

2 Learn the scientific basis of the technology application of foam bitumen and cement

to cold in-place recycling asphalt pavement was damaged

3 Design the gradation and experimental the technical nature of asphalt concrete – has been recycled with foamed bitumen and cement in the laboratory

4 Experimental research in construction site of cold in-place recycling asphalt concrete pavement was damaged by foam bitumen technology and cement to repair Highway 1, District 12, Ho Chi Minh City

5 Proposal for a regulation of construction and acceptance of cold in-place recycling

of asphalt concrete pavement was damaged by foam bitumen technology and cement The main part of the contents of this topic is to study the scientific basis of the technology application of foam bitumen and cement to cold in-place recycling asphalt pavement, conducted mix design and quality evaluation experiments of the mix desing using foamed bitumen and cement in the laboratory, and experimental evaluation results of construction of using technology on Highway 1, District 12, Ho Chi Minh City to propose the process implementation and acceptance of the technology

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt đã hư hại bằng công nghệ bitum bọt và xi măng để sửa chữa đường quốc lộ” là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn

trung thực

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung khoa học của mình

T.p Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014 Học viên thực hiện luận văn

Chu Thắng

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 14

1.1 TÍNHCẤPTHIẾTCỦAĐỀTÀI 14

1.1.1 Vài nét về tình trạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa ở nước ta hiện nay và các biện pháp khắc phục, sửa chữa 14

1.1.1.1 Tổng quan: 14

1.1.1.2 Nhân tố gây nên hư hỏng kết cấu nền áo đường 17

1.1.1.3 Bảo dưỡng nền đường và phục hồi nền đường 19

1.1.1.4 Những biện pháp khôi phục nền mặt đường: 20

1.1.2 Đặc điểm về sự phát triển công nghệ tái chế nguội trong xây dựng đường ô tô ở Việt Nam 22

1.2 MỤCĐÍCHCỦAĐỀTÀI 24

1.3 NHIỆMVỤNGHIÊNCỨU 24

1.4 PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 25

1.5 ÝNGHĨAĐỀTÀI 25

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC 26

2.1 NGHIÊNCỨUỨNGDỤNGCỦACÔNGNGHỆBITUMENBỌTVÀXI MĂNGTRONGCÔNGTÁCTÁICHẾNGUỘIMẶTĐƯỜNGBÊTÔNG ASPHALTĐÃHƯHẠI 26

2.1.1 Tác nhân xi măng dùng để gia cố ổn định hóa hỗn hợp tái chế 26

2.1.1.1 Tổng quan về vật liệu xi măng 26

2.1.1.2 Các yếu tố tác động đến độ bền 27

2.1.2 Tác nhân bitum bọt 28

2.1.2.1 Tổng quan về vật liệu bitum 28

2.1.2.2 Bitum bọt 30

2.1.2.3 Đặc tính của bitum bọt 31

2.1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của bitum bọt 32

2.1.2.5 Tính phân tán của bitum bọt 33

2.1.2.6 Tính thích hợp của vật liệu đối với xử lý bitum bọt 34

2.1.3 Sự kết hợp của tác nhân hóa xi măng và bitum bọt 34

2.2 GIỚITHIỆUCÔNGNGHỆ: 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤP PHỐI VÀ THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG ASPHALT TÁI CHẾ THEO CÔNG NGHỆ BITUM

BỌT VÀ XI MĂNG 37

3.1 THỬ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH TẠO BỌT CỦA BITUM: 37

3.1.1 Mục tiêu của thử nghiệm tạo bọt: 37

3.1.2 Phương pháp xác định các chỉ tiêu tạo bọt 37

3.1.3 Báo cáo kết quả: 39

3.2 THIẾT KẾ THÀNH PHẦN HỖN HỢP VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ LỚP A I DÙNG CHO TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BITUM BỌT VÀ XI MĂNG 40

3.2.1 Lấy mẫu hiện trường: 41

3.2.2 Chuẩn bị mẫu để thiết kế hỗn hợp 41

3.2.2.1 Các thử nghiệm cần thực hiện đối với mỗi lớp vật liệu 41

3.2.2.2 Trộn vật liệu các lớp trong phạm vi chiều sâu tái sinh 44

3.2.2.3 Xác định thành phần hạt đại diện cho lớp tái sinh 46

3.2.2.4 Khối lượng vật liệu hạt cần cho các mẫu thử nghiệm 46

3.2.2.5 Độ ẩm 46

3.2.3 Thiết kế thành phần hỗn hợp 47

3.2.3.1 Yêu cầu bổ sung lượng hạt mịn 47

3.2.3.2 Xác định độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhất của vật liệu đã qua xử lý 47

3.2.3.3 Chế bị mẫu xử lý với bitum bọt có bổ sung hạt mịn hóa 49

3.2.3.4 Chế bị mẫu Marshall 50

3.2.3.5 Xác định hàm lượng bitum tối ưu 51

3.2.3.6 Chế bị mẫu Proctor 52

3.2.4 Kiểm tra cường độ 54

3.2.4.1 Xác định cường độ chịu kéo gián tiếp ITS 54

3.2.4.2 Xác định cường độ chịu nén không hạn chế nở hông UCS 55

3.2.4.3 Xác định khối lượng thể tích khô 56

3.2.4.4 Xác định hệ số lớp ai 56

3.3 CÁC CHỈ TIÊU YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỖN HỢP VẬT LIỆU CÀO BÓC TÁI SINH NGUỘI BẰNG CÔNG NGHỆ BITUM BỌT VÀ XI MĂNG 56

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG THI CÔNG TÁI CHẾ NGUỘI MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT ĐÃ HƯ HẠI BẰNG CÔNG

NGHỆ BITUM BỌT VÀ XI MĂNG ĐỂ SỬA CHỮA ĐƯỜNG QUỐC LỘ 68

4.1 SỰCẦNTHIẾTSỬDỤNGCÔNGNGHỆVÀMỤCTIÊUCỦADỰÁN 68 4.1.1 Hiện trạng tuyến đường và sự cần thiết phải đầu tư: 68

4.1.2 Điều kiện tự nhiên và các đặc điểm khí hậu thủy văn 69

4.1.3 Quy mô công trình 69

4.2 THIẾTKẾTHÀNHPHẦNCẤPPHỐICÀOBÓCTÁISINHNGUỘI BẰNGCÔNGNGHỆBITUMBỌTVÀXIMĂNG 71

4.2.1 Công tác lấy mẫu và chuẩn bị mẫu 71

4.2.2 Tính toán thiết kế thành phần hỗn hợp thích hợp 71

4.2.3 Kiểm tra cường độ 72

4.2.4 Kết luận kết quả thiết kế thành phần hỗn hợp tái sinh nguội 72

4.3 THICÔNGCÔNGNGHỆ 72

4.3.1 Công tác chuẩn bị 72

4.3.2 Tiến hành thi công 73

4.3.3 Các kết quả đạt được sau khi thi công 80

4.3.4 Kết luận rút ra 80

CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH THI CÔNG VÀ NGHIỆM THU CÔNG TÁC TÁI CHẾ NGUỘI MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT ĐÃ HƯ HẠI BẰNG CÔNG NGHỆ BITUM BỌT VÀ XI MĂNG 81

5.1 QUYTRÌNHTHICÔNG 81

5.1.1 Yêu cầu về thiết bị thi công 81

5.1.1.1 Máy cào bóc tái sinh chuyên dụng: 81

5.1.1.2 Máy rải xi măng 81

5.1.1.3 Xe bồn chứa nhựa bitum nóng 81

5.1.1.4 Máy san tự hành 82

5.1.1.5 Xe lu 82

5.1.1.6 Xe chở nước 82

5.1.2 Quá trình thi công 82

5.1.2.1 Chuẩn bị mặt bằng 82

5.1.2.2 Rải xi măng 82

5.1.2.3 Cào bóc tái sinh với bitum bọt 82

5.1.2.4 Lu lèn ban đầu 83

5.1.2.5 San định dạng mặt đường 83

5.1.2.6 Lu lèn hoàn thiện 83

5.1.2.7 Bảo dưỡng 83

5.2 QUYTRÌNHKIỂMTRA,NGHIỆMTHU 84

5.2.1 Quy trình kiểm tra 84

5.2.1.1 Kiểm tra hiện trường 84

5.2.1.2 Kiểm tra chất lượng vật liệu 84

5.2.1.3 Kiểm tra các công tác trong quá trình thi công 85

5.2.2 Quy trình nghiệm thu lớp cào bóc tái sinh bằng bitum bọt 89

5.2.2.1 Về kích thước hình học 89

5.2.2.2 Về độ bằng phẳng mặt đường 90

5.2.2.3 Độ chặt 90

5.2.2.4 Thành phần cấp phối cốt liệu 91

5.2.2.5 Các chỉ tiêu cơ lý 91

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ NGHIÊN CỨU 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các phương án khôi phục kết cấu nền mặt đường 21

Bảng 2.1: Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng Poóc lăng (theo TCVN 2682:2009) 26

Bảng 2.2: Các chỉ tiêu chất lượng của bitum (với độ kim lún từ 80-150, theo TCVN 7493:2005) 29

Bảng 2.3: Bảng đặc tính tạo bọt giới hạn (theo QĐ1162/QĐ-BGTVT) 31

Bảng 3.1: Bảng kết quả xác định hàm lượng nước tối ưu tạo bọt 39

Bảng 3.2: Bảng phân tích thành phần cấp phối BTN cũ lấy từ hiện trường 42

Bảng 3.3: Bảng phân tích thành phần cấp phối lớp đá dăm cũ lấy từ hiện trường 43

Bảng 3.4: Bảng tỷ lệ vật liệu được pha trộn với bề dày của lớp kết cấu áo đường và khối lượng thể tích tự nhiên 44

Bảng 3.5: Bảng phân tích thành phần cấp phối hỗn hợp tái sinh 44

Bảng 3.6: Bảng kết quả độ ẩm và dung trọng của mẫu thí nghiệm 47

Bảng 3.7: Hàm lượng bitum bọt khuyến nghị sử dụng(theo QĐ1162/QĐ-BGTVT) 52

Bảng 3.8: Tương quan giữa cường độ kéo gián tiếp ITS và hệ số lớp của vật liệu tái sinh nguội bằng bitum bọt và xi măng(theo QĐ1162/QĐ-BGTVT) 56

Bảng 3.9: Các chỉ tiêu yêu cầu đối với hỗn hợp vật liệu cào bóc tái sinh nguội bằng bitum bọt và xi măng (theo QĐ1162/QĐ-BGTVT) 57

Bảng 3.10: Tính chất vật lý, cơ học của hỗn hợp tái sinh thử nghiệm với tỷ lệ bitum bọt thêm vào là 2,2% 58

Bảng 3.11: Tính chất vật lý, cơ học của hỗn hợp tái sinh thử nghiệm với tỷ lệ bitum bọt thêm vào là 2,3% 59

Bảng 3.12: Tính chất vật lý, cơ học của hỗn hợp tái sinh thử nghiệm với tỷ lệ bitum bọt thêm vào là 2,4% 61

Bảng 3.13: Tính chất vật lý, cơ học của hỗn hợp tái sinh thử nghiệm với tỷ lệ bitum bọt

thêm vào là 2,5% 62

Bảng 3.14: Tính chất vật lý, cơ học của hỗn hợp tái sinh thử nghiệm với tỷ lệ bitum bọt thêm vào là 2,6% 64

Bảng 3.15: Tổng hợp kết quả thử nghiệm theo các tỷ lệ bitum khác nhau 65

Bảng 3.16: Kết quả kiểm tra mô đun đàn hồi của vật liệu tái sinh 67

Bảng 4.1: Bảng giá trị các thông số theo thiết kế cấp phối tái chế 71

Bảng 5.1: Các hạng mục phải kiểm tra trong quá trình thi công (theo QĐ 1162/QĐ-BGTVT) 85

Bảng 5.2: Sai số cho phép của các đặc trưng hình học(theo QĐ 1162/QĐ-BGTVT) 89

Bảng 5.3: Tiêu chuẩn nghiệm thu độ bằng phẳng 90

Bảng: So sánh các kết quả đạt được so với cách thi công thông thường 93

HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các tầng, lớp của kết cấu áo đường mềm và kết cấu nền - áo đường 14

Hình 1.2: Ảnh hưởng của tải trọng xe lên kết cấu nền áo đường 18

Hình 1.3: Hư hỏng nền mặt đường do các nhân tố tải trọng, nhiệt độ, nước…gây ra 18

Hình 1.4 : Duy tu đường bằng cách giám sát chất lượng lưu thông theo thời gian 19

Hình 2.1 : Quan hệ độ bền/ thời gian của vật liệu chứa xi măng 28

Hình 2.2: Quy trình tạo bitum bọt 30

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa các đặc tính của bitum bọt 31

Hình 2.4: Đặc tính của bitum bọt 32

Hình 2.5: Phạm vi thích hợp về thành phần cấp phối của hỗn hợp cào bóc tái sinh 34

Hình 2.6: Máy cào bóc tái sinh nguội WR 2400 – hãng Wirtgen, CHLB Đức 35

Hình 2.7: Máy rải xi măng Streumaster SW16TC và các loại xe lu sử dụng trong công

nghệ cào bóc tái chế nguội 36

Hình 2.8: Quy trình thi công cào bóc tái sinh nguội bằng bitum bọt và xi măng 36

Hình 3.1: Máy WLB10S để thử nghiệm tạo bọt của bitum 37

Hình 3.2: Biểu đồ xác định hàm lượng nước tối ưu tạo bọt 40

Hình 3.3: Công thức thiết kế hỗn hợp tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt bằng bitum bọt và xi măng 40

Hình 3.4: Máy trộn hỗn hợp cấp phối tái chế thiết kế hàm lượng bitum bọt tối ưu 41

Hình 3.5: Lấy mẫu hỗn hợp tại hiện trường 41

Hình 3.6: Biểu đồ phân tích cấp phối BTN cũ lấy từ hiện trường 42

Hình 3.7: Biểu đồ phân tích thành phần cấp phối đá dăm cũ lấy từ hiện trường 43

Hình 3.8: Biểu đồ cấp phối thiết kế tỷ lệ 58% BTN và 42% CPĐD 45

Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ giữa độ ẩm và dung trọng khô của mẫu 48

Hình 4.1: Mặt đường bị răn nứt theo chiều sâu do tải trọng xe và lão hóa nhựa 68

Hình 4.2: Công tác rải xi măng bằng máy chuyên dụng 74

Hình 4.3: Quá trình triển khai công tác cào bóc tái chế 77

Hình 4.4: Công tác lu lèn ban đầu (lu chính) 77

Hình 4.5: Công tác san gạt bằng máy san tự hành 78

Hình 4.6: Công tác lu lèn hoàn thiện 79

Hình 4.7: Đo module đàn hồi mặt đường bằng cần Belkelman; khoan lấy mẫu kiểm tra chiều dày, độ chặt 80

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

1.1.1 Vài nét về tình trạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa ở nước ta hiện nay

và các biện pháp khắc phục, sửa chữa

1.1.1.1 Tổng quan:

Kết cấu nền áo đường hay kết cấu tổng thể nền mặt đường gồm kết cấu áo đường ở trên và phần khu vực tác dụng của nền đường ở dưới Thiết kế tổng thể nền mặt đường có nghĩa là ngoài việc chú trọng các giải pháp thiết kế cấu tạo kết cấu áo đường còn phải chú trọng đến các giải pháp nhằm tăng cường cường độ và độ ổn định cường độ đối với khu vực tác dụng của nền đường (khu vực tác dụng của nền đường là phần thân nền đường trong phạm vi bằng 80-100cm kể từ đáy kết cấu áo đường trở xuống Đó là phạm vi nền đường cùng với kết cấu áo đường chịu tác dụng của tải trọng bánh xe truyền xuống

Hình 1.1: Các tầng, lớp của kết cấu áo đường mềm và kết cấu nền - áo đường( trích

22TCN 211-06)

Kết cấu áo đường mềm (hay gọi là áo đường mềm) gồm có tầng mặt làm bằng

các vật liệu hạt hoặc các vật liệu hạt có trộn nhựa hay tưới nhựa đường và tầng móng làm bằng các loại vật liệu khác nhau đặt trực tiếp trên khu vực tác dụng của nền đường hoặc trên lớp đáy móng

+ Tầng mặt áo đường mềm cấp cao có thể có nhiều lớp gồm lớp tạo nhám, tạo phẳng hoặc lớp bảo vệ, lớp hao mòn ở trên cùng (đây là các lớp không tính vào bề dày chịu lực của kết cấu mà là các lớp có chức năng hạn chế các tác dụng phá hoại bề mặt

và trực tiếp tạo ra chất lượng bề mặt phù hợp với yêu cầu khai thác đường) rồi đến lớp mặt trên và lớp mặt dưới là các lớp chịu lực quan trọng tham gia vào việc hình thành cường độ của kết cấu áo đường mềm Tầng mặt của kết cấu áo đường là bộ phận phải chịu đựng trực tiếp tác dụng phá hoại của xe cộ (đặc biệt là dưới tác dụng phá hoại bề mặt) và của các yếu tố bất lợi về thời tiết, khí hậu Yêu cầu thiết kế cấu tạo tầng mặt là vật liệu và bề dày các lớp trong tầng mặt phải bảo đảm chịu đựng được các tác dụng phá hoại trực tiếp nêu trên đồng thời phải bảo đảm được các yêu cầu sử dụng khai thác đường về độ bằng phẳng và độ nhám Vật liệu làm các lớp tầng mặt phải có tính ổn định nhiệt, ổn định nước và không thấm nước (hoặc hạn chế thấm nước)

+ Tầng móng cũng thường gồm lớp móng trên và lớp móng dưới (các lớp này cũng có thể kiêm chức năng lớp thoát nước)

Tùy loại tầng mặt, tuỳ cấp hạng đường và lượng xe thiết kế, kết cấu áo đường có thể đủ các tầng lớp nêu trên nhưng cũng có thể chỉ gồm một, hai lớp đảm nhiệm nhiều chức năng

Lớp đáy móng cấu tạo bằng đất hoặc vật liệu thích hợp để đạt được các yêu cầu sau: độ chặt đầm nén cao k = 1,00  1,02 (đầm nén tiêu chuẩn); môđun đàn hồi

E  50 MPa (500 daN/cm2) hoặc chỉ số CBR ≥ 10 (tùy theo loại đất); bề dày tối thiểu là 30 cm Trong một số trường hợp còn cần bố trí lớp đáy móng thay thế cho

30 cm phần đất trên cùng của nền đường đường cấp I, đường cấp II và đường cấp III có 4 làn xe trở lên (có nghĩa là lớp đáy móng trở thành một phần của khu vực

tác dụng), nếu bản thân phần đất trên cùng của nền đường không đạt các yêu cầu nói trên

Lớp đáy móng có các chức năng sau:

- Tạo một lòng đường chịu lực đồng nhất (đồng đều theo bề rộng), có sức chịu tải tốt;

- Ngăn chặn ẩm thấm từ trên xuống nền đất và từ dưới lên tầng móng áo đường;

- Tạo “hiệu ứng đe” để bảo đảm chất lượng đầm nén các lớp móng phía trên; Tạo điều kiện cho xe máy đi lại trong quá trình thi công áo đường không gây hư hại nền đất phía dưới (nhất là khi thời tiết xấu)

Móng mềm: Là các lớp móng làm bằng các loại vật liệu hạt như cấp phối đá dăm; cấp phối sỏi cuội, cát, đất dính; cấp phối đồi; xỉ phế thải công nghiệp; đá dăm; đất hoặc các lớp móng làm bằng các loại vật liệu hạt có gia cố các loại nhựa đường

Móng nửa cứng: Là các lớp móng làm bằng vật liệu hạt có gia cố chất liên kết

vô cơ (xi măng, vôi, vôi và tro bay…)

Yêu cầu đối với kết cấu áo đường mềm

Kết cấu áo đường mềm trên các làn xe chạy và kết cấu phần lề gia cố phải được thiết

kế đạt các yêu cầu cơ bản dưới đây:

+ Áo đường phải có đủ cường độ và duy trì được cường độ để hạn chế được tối đa các trường hợp phá hoại của xe cộ và của các yếu tố môi trường tự nhiên (sự thay đổi thời tiết, khí hậu; sự xâm nhập của các nguồn ẩm…) Cụ thể là hạn chế được các hiện tượng tích luỹ biến dạng dẫn đến tạo vệt hằn bánh xe trên mặt đường, hạn chế phát sinh hiện tượng nứt nẻ, hạn chế bào mòn và bong tróc bề mặt, hạn chế được các nguồn ẩm xâm nhập vào các lớp kết cấu và phần trên của nền đường trong phạm vi khu vực tác dụng, hoặc phải đảm bảo lượng nước xâm nhập vào được thoát ra một cách nhanh nhất

+ Bề mặt kết cấu áo đường mềm phải đảm bảo bằng phẳng, đủ nhám, dễ thoát nước mặt và ít gây bụi để đáp ứng yêu cầu giao thông an toàn, êm thuận, kinh tế, giảm thiểu tác dụng xấu đến môi trường hai bên đường Tuỳ theo quy mô giao thông và tốc độ xe chạy cần thiết, tuỳ theo ý nghĩa và cấp hạng kỹ thuật của đường, kết cấu áo đường thiết

kế cần thoả mãn hai yêu cầu cơ bản nêu trên ở những mức độ tương ứng khác nhau Về cường độ, mức độ yêu cầu khác nhau được thể hiện trong thiết kế thông qua mức độ dự trữ cường độ khác nhau Mức độ dự trữ cường độ càng cao thì khả năng bảo đảm kết cấu áo đường mềm làm việc ở trạng thái đàn hồi khiến cho chất lượng sử dụng trong khai thác vận doanh sẽ càng cao, thời hạn sử dụng càng lâu bền và chi phí cho duy tu, sửa chữa định kỳ càng giảm Về chất lượng bề mặt, mức độ yêu cầu khác nhau được thể hiện qua việc lựa chọn vật liệu làm tầng mặt Riêng về độ bằng phẳng và độ nhám mức độ yêu cầu khác nhau Chất lượng bề mặt áo đường mềm càng tốt thì chi phí vận doanh sẽ càng giảm và thời hạn định kỳ sửa chữa vừa trong quá trình khai thác sẽ được tăng lên

Kết cấu áo đường mềm là có tính kinh tế vì có thể tái sử dụng được Kết cấu áo đường cứng, cấu tạo từ bê tông độ bền cao nên thường bị phá đi khi hết thời gian sử dụng Vì vậy luận văn này chỉ đề cập đến loại nền áo đường được đặc trưng bằng các

bề mặt gốc bitum

1.1.1.2 Nhân tố gây nên hư hỏng kết cấu nền áo đường

Sau khi được xây dựng, con đường phải chịu các tác động cơ bản đó là môi trường và quá trình lưu thông Các tác động này sẽ làm giảm chất lượng đường và tính toàn vẹn kết cấu của con đường trong suốt thời gian sử dụng

 Đối với phần áo đường:

+ Do tải trọng giao thông: mặt đường là vị trí tiếp xúc trực tiếp của bánh xe, chịu tác dụng trực tiếp của lực đứng và lực ngang nên các yếu tố về tải trọng xe, tần suất

xe lưu thông là các nhân tố chính gây ra các hư hỏng trên mặt đường như lún, nứt…

+ Do nhiệt độ, điều kiện khí hậu: mặt đường chịu ảnh hưởng trực tiếp của các tác nhân như bức xạ tử ngoại từ ánh nắng mặt trời, nhiệt độ, nước làm cho bê tông nhựa dần bị lão hóa, khả năng biến dạng giảm, dễ nứt nẻ Khi nhiệt độ mặt đường thay đổi sẽ phát sinh ứng suất nhiệt cũng là nguyên nhân làm cho mặt đường bị nứt, gãy…

 Đối với phần kết cấu nền đường:

+ Nước chính là “kẻ thù” nguy hiểm nhất của kết cấu nền đường Sự bảo hòa nước

sẽ làm cho các vật liệu mềm đi làm giảm cường độ của lớp nền, móng đường dẫn đến xuất hiện ổ gà, mặt đường bị oằn lún…

+ Tải trọng giao thông: thông qua lớp mặt, tải trọng do giao thông được truyền xuống các lớp bên dưới, cùng với ảnh hưởng của nước sẽ làm cho các lớp nền móng bên dưới yếu hơn dẫn đến mặt đường bị phá hoại nhanh hơn

Hình 1.2: Ảnh hưởng của tải trọng xe lên kết cấu nền áo đường (trích Wirtgen cold

recycling manual)

Hình 1.3: Hư hỏng nền mặt đường do các nhân tố tải trọng, nhiệt độ, nước…gây ra

Hậu quả: khi vết nứt xuất hiện trên lớp bề mặt, nước có thể thấm vào cấu trúc nền đường làm cho các lớp vật liệu bên dưới bị mềm đi do bão hòa nước dẫn đến làm giảm

độ bền và tăng tốc độ xuống cấp của nền đường dưới tác dụng của tải trọng lặp đi lặp lại Chính vì thế cần phải có những giải pháp để xử lý các vết nứt trước khi chúng làm ảnh hưởng đến lớp nền gây hư hỏng mặt đường

1.1.1.3 Bảo dưỡng nền đường và phục hồi nền đường

Khi mặt đường xuất hiện vết nứt gãy, nước sẽ thấm vào cấu trúc nền đường gây

hư hỏng nền mặt đường Do đó việc phải xử lý các vết nứt gãy để đảm bảo nước không thấm vào cấu trúc nền đường là cần thiết Công việc xử lý các vết nứt gãy là hoạt động duy tu, bảo dưỡng thường xuyên kết cấu nền mặt đường như phủ thêm một lớp bê tông nhựa nóng, cào bóc lớp mặt đường hư hại và thay bằng lớp bê tông nhựa nóng mới… Tuy nhiên các biện pháp này chỉ xử lý được những hư hỏng lớp mặt để duy trì độ dẻo

và bền vững của mặt đường Các biến dạng và nứt mỏi do tải trọng xe lưu thông không thể xử lý hiệu quả bằng các hoạt động duy tu bề mặt mà đòi hỏi các biện pháp phục hồi cấu trúc nền đường

Sự phá hủy nền đường thông thường diễn ra tương đối chậm, do đó việc tiến hành công tác duy tu kịp thời sẽ duy trì hoặc khôi phục được chất lượng đường và tuổi thọ của đường

Hình 1.4 : Duy tu đường bằng cách giám sát chất lượng lưu thông theo thời gian

Quyết định lựa chọn biện pháp xử lý nhằm nâng cao chất lượng nền đường hay chỉ nhằm duy trì chất lượng giao thông như hiện tại đều phụ thuộc vào mức độ của ngân sách Các biện pháp duy tu ngắn hạn sẽ cực kỳ tốn kém Sự phục hồi nền đường đôi khi kéo dài cho đến khi được kết hợp với việc nâng cấp, mở rộng đường hoặc thêm làn xe mới Nếu không có biện pháp xử lý kịp thời nào thì nền đường sẽ bị xuống cấp trầm trọng hơn và tăng nhanh theo thời gian

1.1.1.4 Những biện pháp khôi phục nền mặt đường:

Cần phải xác định sự hư hỏng chỉ giới hạn ở các lớp bề mặt hay là vấn đề thuộc kết cấu nền đường để đưa ra giải pháp chính xác là phục hồi mặt đường hay phục hồi nền đường Một điểm quan trọng nữa ảnh hưởng đến quyết định lựa chọn phương pháp phục hồi là tính thực tế của phương pháp được lựa chọn Sự điều tiết giao thông, điều kiện thời tiết và tính sẵn sàng để sử dụng các nguồn lực, tất cả đều có ảnh hưởng quan trọng tới phương pháp được lựa chọn

 Đối với mặt đường: Các phương án phục hồi mặt đường chỉ ra các vấn đề bị giới hạn giữa nhựa đường và bề mặt trải đá dăm, thường trong khoảng 50mm đến 100mm nền đường tính từ bề mặt Các vấn đề này thường liên quan đến sự bền hóa, cứng hóa, già hóa của nhũ bitum và các vết nứt bắt đầu từ mặt đường do tác dụng của nhiệt độ Các biện pháp thường dùng để giải quyết vấn đề này bao gồm:

- Rải đè lên bề mặt cũ một lớp bê tông nhựa mỏng: Sử dụng bê tông nhựa nóng hạt mịn dặm vá lên phần mặt đường bị hư hỏng và tiếp tục khai thác

- Cào bóc lớp mặt đường hư hỏng và thay thế bằng lớp bê tông nhựa mới: cào bóc phần mặt đường bị hư hỏng sau đó trải lại một lớp bê tông nhựa hạt mịn

- Tái chế một lớp vật liệu Asphalt tương đối mỏng từ mặt đường hiện hữu (trải thêm một lớp Asphalt có bề dày phù hợp)

 Đối với nền đường: phục hồi các hư hỏng trong kết cấu của nền đường thông

thường được coi là một giải pháp lâu dài Khi xác định hư hỏng trong kết cấu nền đường, cần chú ý kết cấu nền đường đã bị hư hỏng, ít khi là vật liệu trong kết cấu nền

Về quy luật, sự phục hồi kết cấu nhằm mục đích tận dụng tối đa lợi điểm của nền đường hiện hữu, điều này có nghĩa là lớp vật liệu đã được nén chặt phải được giữ lại

Có nhiều lựa chọn đa dạng về sự phục hồi nền đường, bao gồm:

- Xây dựng lại toàn bộ: đào bỏ toàn bộ kết cấu nền mặt đường cũ đã hư hại, xử lý nền đường rồi tiến hành xây dựng mới

- Trải thêm các lớp phụ (từ vật liệu hạt và bitum) lên bề mặt hiện hữu

- Đào xử lý cục bộ theo từng vị trí: đào bỏ cục bộ tại các vị trí bị hư hỏng, xử lý nền đường rồi hoàn trả lại theo kết cấu cũ

- Tái chế nguội theo chiều sâu hư hỏng: cào bóc phần mặt đường và một phần nền đường để xử lý bằng cách thêm các phụ gia hoặc cấp phối hạt rồi trải lại ngay trên đoạn vừa cào bóc Bằng cách này sẽ tạo ra một lớp dày đồng nhất mới và tăng được độ che phủ tối đa cho nền đường hiện có Ngoài việc tân dụng vật liệu

ở các lớp trên cùng của con đường, phương pháp này giữ cho kết cấu nền đường bên dưới lớp tái chế không bị xáo trộn

Bảng 1.1: So sánh các phương án khôi phục kết cấu nền mặt đường

Xây dựng lại

toàn bộ

Rải thêm một lớp mới

Cào bóc lớp mặt đường cũ và thay

thế

Tái chế nguội theo chiều sâu

Ít tốn kém chi phí Ít tốn kém chi

phí

Thời gian thi công nhanh, ít ảnh hưởng đến giao thông, không ảnh hưởng đến tính thoát nước của mặt đường

Thời gian thi công nhanh, ít ảnh hưởng đến giao thông, không ảnh hưởng đến tính thoát nước của mặt đường

Chỉ xử lý được hư hỏng lớp mặt, không

xử lý được hư hỏng thuộc lớp nền đường

Xử lý được hư hỏng của bề mặt

và nền đường theo chiều sâu

Sử dụng nguyên vật liệu mới nhiều, không tận dụng được vật liệu tại chỗ

Tận dụng được vật liệu tại chỗ,

sử dụng nguyên vật liệu mới ít Qua so sánh giữa các phương án khôi phục kết cấu nền mặt đường trong bảng trên, công nghệ tái chế nguội theo chiều sâu có nhiều ưu điểm và mang lại nhiều hiệu quả về kinh tế, xã hội, môi trường nên trong luận văn này, tác giả tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ này ứng dụng cho các đường Quốc Lộ ở Việt Nam

1.1.2 Đặc điểm về sự phát triển công nghệ tái chế nguội trong xây dựng đường ô

tô ở Việt Nam

Hiện nay, giải pháp cào bỏ mặt đường cũ bị hư hỏng và thay thế bằng một lớp bêtông asphalt mới được coi là khả thi và được áp dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam Tuy nhiên vấn đề đặt ra ở đây là phần mặt đường cũ được cào bỏ được xử lý như

thế nào? Hiện nay khối lượng mặt đường cũ được cào bóc ở nước ta khá lớn, tuy nhiên tình hình tái sử dụng lại hầu như rất hạn chế Nhiều kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tái sử dụng bêtông asphalt phế liệu có nhiều ưu điểm như sau:

Công nghệ tái chế nguội mặt đường tại chỗ: Sử dụng các máy móc thiết bị

chuyên dụng để cào bóc nền mặt đường hiện hữu đến chiều sâu hư hỏng Trong quá trình cào bóc tạo ra hỗn hợp mới đồng nhất có thể được gia cố bằng các tác nhân ổn

định hóa như bitum bọt và xi măng

Công nghệ tái chế nguội bêtông asphalt tại trạm trộn: Thiết bị chuyên dụng sẽ

cào bóc mặt đường bê tông Asphalt đã hư hại, cấp phối này sẽ được vận chuyển tập kết

về kho bãi rồi thông qua dây chuyền xử lý tại trạm trộn để tái chế ra hỗn hợp bê tông Asphalt mới sử dụng lại cho chính mặt đường cũ hoặc sử dụng cho những đoạn đường mới

Quy trình tái chế nguội tại trạm trộn có chi phí vật liệu/m3 cao hơn do chi phí vận chuyển Tái chế tại chỗ được ưa chuộng hơn do sử dụng các máy tái chế lớn và mạnh, có thể phục hồi mặt đường với chi phí thấp hơn nhiều so với phương pháp truyền thống Nếu xét đến sự xuống cấp của hệ thống đường xá trên thế giới cũng như Việt Nam, sự phục hồi mặt đường hiện hữu có nhu cầu lớn hơn nhiều so với xây dựng các đường mới Chính vì những ưu điểm của công nghệ tái chế và tính cơ động của công nghệ tái chế nguội tại chỗ mà công tác cào bóc tái chế nguội kết cấu áo đường bằng công nghệ bitum bọt và xi măng ra đời, đây là một công nghệ tiên tiến được nhiều nước trên thế giới đã và đang áp dụng như Đức, Nhật Bản, Mỹ, Thái Lan…và hiện

đang được ứng dụng tại một số tỉnh thành ở Việt Nam như Thành Phố Hồ Chí Minh, Huế, Hải Phòng…

Cào bóc tái chế nguội mặt đường bê tông Asphalt đã hư hại bằng công nghệ bitum bọt và xi măng dùng để cải tạo, tái sinh lớp mặt đường nhựa cũ cùng với lớp móng cấp phối đá dăm hoặc cấp phối thiên nhiên đạt đến một độ sâu đã quy định trong thiết kế , thường là 22cm trở xuống để đảm bảo chất lượng đồng đều, để tạo ra một lớp móng trên mới cho kết cấu áo đường cấp cao A1 hoặc một lớp mặt mới cho áo đường cấp cao A2 Khi sử dụng lớp tái sinh nguội bằng công nghệ bitum bọt và xi măng làm lớp móng trên cho kết cấu áo đường cấp cao A1 thì trên nó phải bố trí một lớp bê tông nhựa chặt có bề dày nhỏ nhất là 5,0cm, với đường cấp cao A2 thì trên nó phải bố trí láng nhựa 2 lớp

1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu quy trình thiết kế cấp phối, ứng dụng của công nghệ bitum bọt và

xi măng trong tái chế nguội mặt đường bê tông Asphalt đã hư hại để sửa chữa đường Quốc Lộ Từ đó đề xuất qui trình thiết kế và thi công đối với các đường Quốc Lộ tại

Việt Nam

1.3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu cơ sở khoa học, thiết kế cấp phối và thực nghiệm các tính chất kỹ thuật của bê tông asphalt tái chế theo công nghệ bitum bọt và xi măng trên cơ sở hỗn hợp cốt liệu tái chế tại chỗ theo chiều sâu với lượng chính xác bitum bọt và xi măng thêm vào

Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường thi công tái chế nguội mặt đường bê tông asphalt đã hư hại bằng công nghệ bitum bọt và xi măng để sửa chữa tuyến đường Quốc

Lộ 1 đi qua Thành Phố Hồ Chí Minh

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thực nghiệm thiết kế cấp phối và kiểm tracác tính chất kỹ thuật của bê tông asphalt tái chế theo công nghệ bitum bọt và xi măng trong phòng thí nghiệm

Thực nghiệm hiện trường thi công thực tế trên tuyến Quốc Lộ 1 đi qua Q12 Thành phố Hồ Chí Minh

chữa đường tại Việt Nam

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC

2.1 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ BITUMEN BỌT VÀ XI MĂNG TRONG CÔNG TÁC TÁI CHẾ NGUỘI MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT ĐÃ HƯ HẠI

2.1.1 Tác nhân xi măng dùng để gia cố ổn định hóa hỗn hợp tái chế

2.1.1.1 Tổng quan về vật liệu xi măng

Xi măng là một trong các tác nhân ổn định hóa thông dụng nhất hiện nay bởi tính khả dụng của vật liệu này Xi măng được sản xuất ở hầu khắp các nước trên thế giới và là vật liệu xây dựng chính trong nhiều hoạt động xây dựng

Xi măng dùng để trộn với hỗn hợp cào bóc phải có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với các quy định của Tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN2682:2009 Xi măng Poóc lăng – yêu cầu kỹ thuật hoặc TCVN6260:2009 Xi măng Poóc lăng hỗn hợp – yêu cầu kỹ thuật)

Bảng 2.1: Các chỉ tiêu chất lượng của xi măng Poóc lăng (theo TCVN 2682:2009)

2 Thời gian ninh kết, min

3 Độ nghiền mịn, xác định theo:

- Phần còn lại trên sàng kích thước lỗ 0,09 mm,

- Bề mặt riêng, phương pháp Blaine, cm2/g, không

2.1.1.2 Các yếu tố tác động đến độ bền

Độ bền nén và bền kéo đạt được trong vật liệu ổn định hóa – xi măng được xác định bằng lượng xi măng bổ sung, loại vật liệu và mật độ vật liệu đầm nén Độ bền tăng gần như tuyến tính với hàm lượng xi măng nhưng với các tỷ suất khác nhau tùy theo loại vật liệu và xi măng Tỷ trọng đóng vai trò chính trong việc xác định

độ bền cực đại, còn nhiệt độ môi trường tác động trực tiếp đến tỷ suất tăng bền, nhiệt độ môi trường càng lớn thì tỷ suất bền càng cao Các liên kết tinh thể bắt đầu hình thành giữa các hạt ngay khi xi măng tiếp xúc với nước trong quá trình phối

trộn Một số liên kết này bị hủy hoại khi vật liệu chuyển dịch trong quá trình đầm nén do đó sẽ giảm độ bền có thể đạt được Do đó, điều quan trọng là thực hiện quy trình rải và đầm nén sau khi tái chế để đạt được mật độ cực đại và độ bền cao nhất

từ vật liệu đầm nén

Hình 2.1 : Quan hệ độ bền/ thời gian của vật liệu chứa xi măng

2.1.2 Tác nhân bitum bọt

2.1.2.1 Tổng quan về vật liệu bitum

Ổn định hóa với bitum là phương pháp kinh tế, cải thiện được độ bền của vật liệu đồng thời giảm được các tác hại của nước Sự ổn định hóa bằng bitum tạo ra lớp tương đối dẻo và đàn hồi

Loại bitum thường dùng để tạo bọt phải có các đặc trưng kỹ thuật phù hợp với TCVN 7493:2005 Bitum – yêu cầu kỹ thuật với độ kim lún trong khoảng 80 – 150 Các loại bitum cứng hơn cũng có thể tạo thành bitum bọt nhưng tính phân tán của

nó thấp nên hạn chế sử dụng

Bảng 2.2: Các chỉ tiêu chất lượng của bitum ( với độ kim lún từ 80-150, theo TCVN

2 Độ kéo dài ở 250C,5cm/phút,

TCVN 7496:2005 (ASTM D 113-99)

3 Điểm hóa mềm (dụng cụ

TCVN 7497:2005 (ASTM D 36-00)

4 Điểm chớp cháy (cốc mở

TCVN 7498:2005 (ASTM D 92-02b)

5 Tổn thất khối lƣợng sau gia

nhiệt 5 giờ ở 1630

TCVN 7499:2005 (ASTM D 6-00)

6 Tỷ lệ độ kim lún sau gia nhiệt

5 giờ ở 1630C so với ban đầu, % 75 - 75 -

TCVN 7495:2005 (ASTM D 5-97)

7 Độ hòa tan trong tricloetylen,

TCVN 7500:2005 (ASTM D 2042-

10 Hàm lƣợng paraphin, % khối

Hình 2.2: Quy trình tạo bitum bọt

Tiềm năng sử dụng bitum bọt làm tác nhân ổn định hóa được Giáo sư Ladis Csanyi, đại học bang Lowa phát hiện năm 1956, được tổ chức Mobile Oil phát triển xây dựng buồng giản nở để pha trộn bitum với nước tạo thành bọt và được hệ thống Wirtgen phát

triển từ năm 1990 và tích hợp vào máy cào bóc

2.1.2.3 Đặc tính của bitum bọt

Bitum bọt được đặc trưng bởi hai đặc tính cơ bản:

- Tỷ lệ giản nở: là thước đo độ nhớt của bọt và dùng để đánh giá mức độ bọt phân tán trong cấp phối hạt đó; là tỉ lệ giữa thể tích tối đa của bọt tương đối với thể tích ban đầu của bọt

- Chu kỳ bán hủy: là thước đo độ bền (tính ổn định) của bọt và cung cấp chỉ số về

tỉ suất suy giảm của bọt, được tính bằng thời gian ( tính theo giây, s) cần để bọt suy giảm một nửa thể tích cực đại

Mọi bitum dùng để tạo bọt phải được kiểm tra trong phòng thí nghiệm để xác định các đặc tính tạo bọt thông qua tỷ lệ giản nở và chu kỳ bán hủy xem có phù hợp với yêu cầu tối thiểu hay không

Bảng2.3: Bảng đặc tính tạo bọt giới hạn (theo QĐ1162/QĐ-BGTVT)

Nhiệt độ hỗn hợp tái sinh 10 o C đến 25 o

C

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa các đặc tính của bitum bọt

Hình 2.4: Đặc tính của bitum bọt

2.1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của bitum bọt

Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ giản nở và chu kỳ phân rã của bitum bọt là:

- Lương nước bổ sung: tăng lượng nước phun vào bitum sẽ làm tăng rõ rệt thể tích của bọt theo thừa số đến 1500 Do đó, tăng lượng nước sẽ tăng kích cỡ các bọt được tạo ra, làm tăng hệ số giản nở Tuy nhiên, tăng kích cỡ các bọt riêng sẽ làm giảm chiều dày màng bitum bao quanh, màng sẽ kém ổn định và do đó sẽ làm giảm chu kỳ bán rã Vậy Tỷ lệ giản nở và chu kỳ bán hủy tỷ lệ nghịch với lượng nước

- Loại bitum: loại bitum với độ kim lún từ 80 đến 150 thường được dùng để tạo bọt Các bitum cứng vẫn đáp ứng được yêu cầu tạo bọt tối thiểu, tuy nhiên nên

tránh sử dụng các loại bitum cứng do chúng tạo ra bọt với chất lượng thấp dẫn đến tính phân tán thấp

- Nguồn bitum: Một số bitum tạo bọt tốt hơn số khác do thành phần của chúng

- Nhiệt độ bitum: độ nhớt của bitum tỷ lệ nghịch với nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng

độ nhớt giảm Về logic, độ nhớt càng thấp thì kích cỡ bọt càng lớn khi nước thay đổi trạng thái trong quá trình tạo bọt Do quá trình này hấp thụ nhiệt năng từ bitum nên nhiệt độ bitum trước khi tạo bọt cần lớn hơn 160oC để đạt được sản phẩm theo yêu cầu

- Bitum và áp suất nước: bitum và nước được phun vào buồng giản nở qua các

lỗ có đường kính nhỏ Tăng áp suất trong đường ống cung cấp làm cho dòng lưu động qua các lỗ phun có độ phân tán cao hơn (dạng phun sương) Các hạt càng nhỏ , tổng diện tích tiếp xúc càng lớn, do đó sẽ cải thiện tính đồng nhất của bọt

- Các chất phụ gia: có nhiều loại phụ gia tăng tính tạo bọt của bitum nhưng cũng

có nhiều loại làm giảm tính tạo bọt của bitum Hầu hết các chất tạo bọt được đưa vào bitum trước khi đun nóng đến nhiệt độ xử lý và có xu hướng nhạy với nhiệt độ, nghĩa là chúng chỉ có tác dụng trong thời gian ngắn Các sản phẩm này tương đối mắc tiền nên chỉ là lựa chọn cuối cùng để cải thiện các tính chất tạo bọt của bitum

2.1.2.5 Tính phân tán của bitum bọt

Khác với bê tông Asphalt trộn nóng, vật liệu ổn định hóa với bitum bọt không có màu đen, điều này là do các hạt đá thô không được bao bọc bằng bitum Khi bitum tiếp xúc với hỗn hợp đá, các bọt bitum bị vỡ thành hàng triệu giọt bitum nhỏ li ti và dính lên các hạt nhỏ, đặc biệt là phần nhỏ hơn 0,075mm Các giọt bitum chỉ có thể trao đổi nhiệt với phần chất độn và vẫn có độ nhớt đủ thấp để tráng phủ các hạt đá nhỏ Chất độn liên kết bitum bọt sẽ tác động như một loại vữa giữa các hạt thô Do đó vật liệu sau khi xử lý chỉ có màu hơi sẫm Bổ sung thêm xi măng (100% qua rây 0,075mm) sẽ hỗ

trợ sự phân tán của bitum đặc biệt khi vật liệu tái chế không đủ lượng hạt mịn Một số nghiên cứu cho thấy chất phụ gia hoạt động xi măng không đơn giản chỉ là chất độn tự nhiên mà còn cung cấp tính không đều trên bề mặt của các hạt, tăng khả năng bám dính cho các giọt bitum

2.1.2.6 Tính thích hợp của vật liệu đối với xử lý bitum bọt

Các hỗn hợp đá chất lượng cao đến thấp, mới hoặc tái chế, đều có thể xử lý thành công với quy trình bitum bọt Điều quan trọng là thiết lập biên giới hạn thích hợp của hỗn hợp, xác định thành phần cốt liệu tối ưu cho quy trình phối trộn bitum bọt Tối thiểu 5% đi qua rây 0,075mm

Hình 2.5: Phạm vi thích hợp về thành phần cấp phối của hỗn hợp cào bóc tái sinh(theo

QĐ1162/QĐ-BGTVT)

2.1.3 Sự kết hợp của tác nhân hóa xi măng và bitum bọt

Vật liệu có cấp phối hạt quá mịn có thể được cải thiện bằng cách bổ sung xi măng, vôi, hoặc vật liệu mịn với 100% đi qua rây 0,075mm Tuy nhiên không nên sử dụng xi măng quá 1,5% trọng lượng do ảnh hưởng xấu đến tính dẻo của hỗn hợp ổn định hóa

Việc sử dụng thêm xi măng trong hỗn hợp tái chế với bitum bọt nhằm hỗ trợ sự

phân tán bitum và tăng dính bám giữa bitum với hạt khoáng Thông thường chỉ sử dụng hàm lượng xi măng là 1% (theo % khối lượng của BTN + CPĐD)

Vật liệu gia cố ổn định hóa tác nhân xi măng hỗ trợ tính bền vững, còn tác nhân bitum có xu hướng làm cho vật liệu tương đối dẻo hơn Do đó khi kết hợp tạo thành cấp phối với hàm lượng tối ưu sẽ đem lại hiệu quả tốt Đây chính là nguyên lý cơ bản của công nghệ tái sinh nguội mặt đường bằng bitum bọt và xi măng

2.2 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ:

Quy trình tái chế với bitum bọt và xi măng được thực hiện với các thiết bị xe máy chuyên dụng của công ty Wirtgen với 01 máy cào bóc chuyên dụng (hình 2.6) có tích hợp hệ thống phun bitum bọt được kiểm soát điện tử một cách chính xác về tỷ lệ sao cho phù hợp với tốc độ di chuyển của máy, 01 máy rải xi măng chuyên dụng (hình 2.7) có thể rải lượng chính xác xi măng trên một đơn vị diện tích, 01 xe bồn chứa bitum nóng với dung tích khoảng 10000 đến 20000 lít có trang bị hệ thống đun nóng có khả năng tăng nhiệt độ ít nhất 20oC trong một giờ và các thiết bị thi công khác như xe san tự hành, xe lu chân cừu, xe lu rung bánh thép, xe lu bánh lốp…

Hình 2.6: Máy cào bóc tái sinh nguội WR 2400 – hãng Wirtgen, CHLB Đức

Hình 2.7: Máy rải xi măng Streumaster SW16TC và các loại xe lu sử dụng trong công

nghệ cào bóc tái chế nguội

Quy trình thi công được thể hiện theo hình 2.8 dưới đây

Hình 2.8: Quy trình thi công cào bóc tái sinh nguội bằng bitum bọt và xi măng

Xe rải xi măng đi trước rải xi măng lên lane chuẩn bị cào bóc tái chế Sau đó là

hệ thống xe chở nước, xe chở bitum nóng được liên kết với hệ thống tạo bitum bọt trên

xe cào bóc tái sinh Sau khi xe cào bóc tái chế tiến hành di chuyển thì phải sử dụng lu rung chân cừu đi ngay sau xe cào bóc tái chế để lu lèn đến khi dấu chân cừu trên mặt đường không còn hiện rõ thì dùng xe san gạt lớp vật liệu cho bằng phẳng và tạo dốc

Sử dụng lu rung bánh thép và lu bánh lốp để lu lèn hoàn thiện Trong quá trình san gạt

và lu lèn hoàn thiện cần tưới nước dưởng ẩm cho mặt đường để đạt được kết quả tốt

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẤP PHỐI VÀ THỰC NGHIỆM CÁC TÍNH CHẤT

KỸ THUẬT CỦA BÊ TÔNG ASPHALT TÁI CHẾ THEO CÔNG NGHỆ

BITUM BỌT VÀ XI MĂNG 3.1 Thử nghiệm xác định các đặc tính tạo bọt của bitum:

3.1.1 Mục tiêu của thử nghiệm tạo bọt:

Các đặc tính tạo bọt của bitum được xác định bởi tỷ lệ giãn nở (ER) và chu kỳ bán hủy (1/2) ở trạng thái giãn nở của nó Trạng thái giãn nở của bitum đạt được khi một tỷ

lệ phần trăm nhỏ của nước được đưa vào bitum nóng Mục tiêu của thí nghiệm tạo bọt

là nhằm xác định tỷ lệ phần trăm của nước yêu cầu tạo ra bọt bitum với tỷ lệ giãn nở lớn nhất và chu kỳ bán hủy lâu nhất có thể

3.1.2 Phương pháp xác định các chỉ tiêu tạo bọt

Dụng cụ thí nghiệm: máy WLB10S, thùng chứa, thước đo, đồng hồ bấm giây

Hình 3.1: Máy WLB10S để thử nghiệm tạo bọt của bitum

Máy gồm một ấm đun ổn định nhiệt có khả năng giữ một khối lượng 10kg bitum với nhiệt độ không đổi từ 160 oC - 200oC, ±5oC Máy được trang bị một buồng giản nở tương tự trên máy tái sinh để nước lạnh bơm vào bitum nóng tạo bọt Một thiết bị đun nước có thể điều chỉnh thay đổi từ 0% – 5% theo khối lượng bitum với độ chính xác

0,25% Thùng chứa hình trụ bằng kim loại đường kính 250mm, dung tích ít nhất là 20 lít Thước đo được chia sẵn vạch tương ứng với chiều cao thùng chứa

Trình tự thực hiện

Bước 1: Đun nóng bitum trong ấm đun của máy thử nghiệm tạo bọt bitum chuyên dùng cho đến nhiệt độ cần thiết (thường bắt đầu với 160o

C) Duy trì nhiệt độ cần thiết ít nhất 5 phút trước khi bắt đầu thử nghiệm

Bước 2: Thiết lập đồng hồ đo lượng nước để đạt được tốc độ phun nước theo yêu cầu (thường bắt đầu với 2% theo khối lượng của bitum)

Bước 3: Xả bọt bitum vào thùng chứa đã làm nóng trước để tính thời gian phun

500g bitum Ngay sau khi việc xả bọt bitum dừng lại, bắt đầu bấm giờ Sử dụng thanh nhúng xác định chiều cao tối đa của bọt bitum vừa tạo được trong thùng chứa Thể tích tối đa được ghi nhận đó là sự giãn nở

Bước 4: Tiếp tục bấm thời gian trong vài giây để bọt xẹp đi một nửa so với thể tích tối đa Điều này sẽ giúp xác định được Chu kỳ bán hủy của bọt bitum

Bước 5: Lặp lại các thao tác trên 3 lần hoặc cho đến khi các kết quả đạt được tương tự nhau

Bước 6: Tỷ lệ giãn nở và chu kỳ bán hủy được xác định theo các tỷ lệ nước khác nhau Thông thường là 2%, 3% và 4% theo khối lượng của bitum được sử dụng

Bước 7: Vẽ biểu đồ Tỷ lệ giãn nở so với Chu kỳ bán hủy ở các mức phun nước khác nhau trên cùng một hệ trục Ngoài ra, lượng nước tối ưu được chọn là giá trị trung bình của hai lượng nước yêu cầu để đáp ứng các tiêu chuẩn tối thiểu

Bước 8: Nếu các đặc tính của bitum không được đáp ứng ở 160o

C thì tiếp tục thử nghiệm thêm với bitum ở nhiệt độ cao hơn (thường là 170oC và 180oC)

3.1.3 Báo cáo kết quả:

Các đặc tính của bitum bọt và hàm lượng nước tối ưu được báo cáo gồm:

+ Hàm lượng nước tối ưu (%): Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng của bitum;

+ Giãn nở (lần): Tỷ lệ giãn nở tối đa so thể tích ban đầu của bitum;

+ Chu kỳ bán hủy (giây): Thời gian tối đa để bọt xẹp đi một nửa so với thể tích tối

đa

Tiến hành theo trình tự các bước trên để thử nghiệm thu được kết quả như bảng 3.1

Bảng 3.1: Bảng kết quả xác định hàm lượng nước tối ưu tạo bọt