Nghiên cứu tái sử dụng bê tông asphalt phế liệu để làm đường bêtông asphalt

Giải pháp hiện tại đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam là phủ một lớp bêtông asphalt mới lên mặt đường cũ nhiều khi tỏ ra không thích hợp nhất là đối với đường trong đô thị và mặt cầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-o0o -

NGUYỄN HỮU DUY

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Xây dựng đường Ô tô và đường Thành phố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

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

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

Cán bộ chấm nhận xét 1:

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

Cán bộ chấm nhận xét 2:

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

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hữu Duy Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19 – 06 – 1984 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố MSHV:00108525

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU TÁI SỬ DỤNG BÊTÔNG ASPHALT PHẾ LIỆU ĐỂ LÀM

ĐƯỜNG BÊTÔNG ASPHALT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Thực hiện các nội dung đã đưa ra trong báo cáo đề cương luận văn như sau:

1 Thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của bêtông asphalt phế liệu

2 Nghiên cứu thiết kế hỗn hợp bêtông asphalt mới tận dụng lại lượng bêtông asphalt phế liệu

3 Thiết kế ứng dụng bêtông asphalt tái chế trong xây dựng đường ô tô

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định giao đề tài): 25 – 01 - 2010

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02 – 7 - 2010

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS TS Nguyễn Văn Chánh

-o0o - Sau hai năm theo học chương trình đào tạo sau đại học tại Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, em 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, em đã vận dụng những kiến thức mà mình được trang bị để tiến hành giải quyết một bài toán thực tiễn Vì đề tài nghiên cứu về vấn đề còn khá mới mẻ ở Việt Nam nên lúc đầu tiếp cận còn gặp nhiều khó khăn và bỡ ngỡ Với sự tận

tình chỉ dẫn của Thầy hướng dẫn PGS TS Nguyễn Văn Chánh, cùng với sự hỗ

trợ từ phía gia đình, bạn bè, cho đến nay luận văn đã hoàn thành và đạt được kết quả như ban đầu đưa ra

Ngoài ra, em 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 tron lớp cao học Xây dựng đường

ô tô và đường thành phố, khóa 2008 – 2010

 Trung tâm Đào tạo thực hành và Chuyển giao công nghệ Trường

Đại học Giao thông Vận tải – cơ sở II đã tạo điều kiện cho tôi tiến hành các thí nghiệm trong luận văn này

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ, sự động viên của tất cả mọi người Xin trân trọng cảm ơn./

Tp HCM, tháng 6 năm 2010 Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Hữu Duy

-o0o - Như chúng ta đã biết chất lượng bêtông nhựa có vai trò rất quan trọng trọng đối với chất lượng khai thác cũng như tuổi thọ của kết cấu áo đường mềm Trong quá trình khai thác do chịu tác dụng của tải trọng trùng phục cũng như chịu ảnh hưởng của các điều kiện môi trường nên không tránh khỏi hư hỏng và đến một thời điểm nào đó cần phải tiến hành nâng cấp, tăng cường Giải pháp xử

lý của Nước ta hiện nay là cào bỏ lớp bêtông nhựa cũ và thay thế bằng lớp bêtông nhựa mới hoặc phủ chồng thêm một lớp bêtông nhựa mới lên lớp mặt đường cũ

Theo tình hình thực tế tác giả nhận thấy lượng vật liệu cào bóc của mặt đường cũ hiện nay ở Nước ta hầu như chưa có tái sử dụng lại Công việc này đối với nhiều nước tiên tiến trên thế giới cũng như trong khu vực Đông Nam Á đã

nghiên cứu và triển khai ứng dụng Do vậy tác giả chọn đề tài “NGHIÊN CỨU TÁI SỬ DỤNG BÊTÔNG ASPHALT PHẾ LIỆU ĐỂ LÀM ĐƯỜNG BÊTÔNG ASPHALT”

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

4 Tìm hiểu về tình hình mạng lưới đường bộ, những hư hỏng lớn cần sửa chữa đại tu ở Nước ta hiện nay

5 Tìm hiểu về công nghệ cào bóc mặt đường bêtông nhựa cũ trên thế giới và công nghệ cào bóc mặt đường cũ đang được áp dụng ở Nước

ta

6 Nghiên cứu lý thuyết tái chế bêtông nhựa

7 Nghiên cứu thực nghiệm tái chế bêtông nhựa được cào bóc trên quốc

lộ 1A đoạn từ Km1986 – Km1998

8 Nghiên cứu sử dụng bêtông nhựa tái chế trong xây dựng mặt đường ô

tô ở Việt Nam

Phần chính trong nội dung của đề tài này là tiến hành thí nghiệm đánh giá lại chất lượng của bêtông nhựa cũ và tiến hành cung cấp thêm cốt liệu mới và tác nhân tái chế nhằm cải thiện tính chất bêtông nhựa cũ, trên cơ sở thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của bêtông nhựa tái chế đối chiếu với bêtông nhựa cũ, bêtông nhựa mới đối chứng đưa ra phạm vi áp dụng cho bêtông nhựa tái chế

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 8

I Ý NGHĨA VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC CÀO BÓC VÀ SỬ DỤNG LẠI BÊTÔNG NHỰA CŨ 8

II TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 9

II.1 Trên thế giới 9

II.1.1 Về qui mô sử dụng 9

II.1.2 Về mặt công nghệ tái chế 11

II.1.2.1 Công nghệ tái chế mặt đườngBTN tại chỗ 11

II.1.2.2 Công nghệ tái chế mặt đường BTN tại trạm trộn 11

II.1.3 Về nghiên cứu đặc tính lão hóa của nhựa cũ 12

II.1.4 Về mặt lý thuyết tính toán thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế 13

II.2 Ở Việt Nam 13

III MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 15

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 16

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CÀO BÓC VÀ TÁI CHẾ MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG NHỰA CŨ 17

I CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CÀO BÓC MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG ASPHALT THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỐT NÓNG HIR (HOT IN-PLACE RECYCLING) 17

II CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CÀO BÓC MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG ASPAHLT THEO PHƯƠNG PHÁP NGUỘI CIR (COLD IN-PLACE RECYCLING) 21

II.1 Tái tạo nguội tại trạm trộn 21

II.2 Tái tạo nguội ngay tại mặt đường 24

III TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CÀO BÓC VÀ TÁI TẠO MẶT ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM HIỆN NAY 26

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG VIỆC TÁI CHẾ BÊTÔNG NHỰA 27

I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ BÊTÔNG ASPHALT 27

II CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ BÊTÔNG NHỰA THEO KIỂU HỖN HỢP BÊTÔNG NHỰA TRỘN NÓNG 28

II.1 Công nghệ tái chế bêtông nhựa theo kiểu trộn nóng 28

II.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế thành phần hỗn hợp bêtông nhựa tái chế theo kiểu trộn nóng 29

II.3 Công nghệ xây dựng 42

II.3.1 Trộn hỗn hợp 42

II.3.2 Rải và đầm nén: 44

III CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ BÊTÔNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP TRỘN NGUỘI 44

III.1.Tổng quan 44

III.2.Nguyên tắc thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa nguội tái chế 45

III.3.Các loại cấp phối sử dụng cho hỗn hợp bêtông nhựa nguội tái chế 46

III.3.1 Hỗn hợp cấp phối hở 46

III.3.2 Hỗn hợp cấp phối chặt 46

III.4.Công nghệ xây dựng 47

III.4.1 Chuẩn bị lòng đường 47

III.4.2 Rải luống vật liệu 47

III.4.3 Tưới chất kết dính 48

III.4.4 Trộn hỗn hợp 48

III.4.6 Đầm nén 50

IV KẾT LUẬN 50

CHƯƠNG 4: NGHÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TÁI CHẾ BÊTÔNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP NÓNG 51

I ĐẶT VẤN ĐỀ 51

II TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH 51

II.1 Nguyên tắc thực hiện 51

II.2 Thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế 52

III NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 61

III.1.Về hiệu quả kỹ thuật 61

III.2.Về hiệu quả kinh tế 62

III.3.Ý nghĩa về mặt môi trường 62

III.4.Kết luận 62

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÊTÔNG NHỰA TÁI CHẾ TRONG THIẾT KẾ MẶT ĐƯỜNG ÔTÔ 63

I SỐ LIỆU BAN ĐẦU 63

II TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 63

II.1 Tính số trục tính toán 63

II.2 Tính số trục xe tính toán tiêu chuẩn trên 1 làn xe 63

II.3 Tính trục xe tiêu chuẩn tích lũy trong thời hạn 15 năm 64

II.4 Dự kiến cấu tạo kết cấu áo đường 64

II.4.1 Sử dụng lại BTN cũ chưa cải tạo tính chất 64

II.4.2 Sử dụng lại BTN cũ đã được tái chế cải tạo tính chất 64

II.4.3 Sử dụng lại BTN cũ tái chế cải tạo tính chất làm lớp mặt dưới 65

III KẾT LUẬN 65

CHƯƠNG 6: NHẬN XÉT KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 66

I NHẬN XÉT KẾT LUẬN 66

II ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

LÝ LỊCH KHOA HỌC 69

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC I: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTN CŨ, BTN TÁI

CHẾ VÀ BTN MỚI ĐỐI CHỨNG

PHỤ LỤC II: KẾT QUẢ KIỂM TOÁN CÁC MẪU KẾT CẤU ÁO ĐƯỜNG MỀM

PHỤ LỤC III: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM

Các nước trên thế giới đang phải đối mặt với việc duy tu bảo dưỡng đường trong điều kiện lưu lượng giao thông ngày càng tăng với cường độ tải trọng cao Trong số những lựa chọn để duy tu hoặc nâng cấp đường, quy trình tái sử dụng lại vật liệu làm đường sẵn có đang trở nên ngày càng phổ biến trên thế giới Các quy trình này cho phép mặt đường được sửa chữa và gia cố bằng vật liệu mặt đường cũ, do đó giảm chi phí cung cấp vật liệu mới Giảm chi phí và thời gian

so với phương pháp thông thường Tác động tốt một cách đáng kể đến môi trường

Giải pháp hiện tại đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam là phủ một lớp bêtông asphalt mới lên mặt đường cũ nhiều khi tỏ ra không thích hợp nhất là đối với đường trong đô thị và mặt cầu do các nguyên nhân sau:

 Phá vỡ quy hoạch chung của thành phố (hệ thống thoát nước, vỉa hè, nhà ở, các công trình xây dựng liên quan) do cao độ mặt đường liên tục bị tăng lên do phủ thêm một lớp bêtông asphalt mới lên mặt đường cũ;

 Trường hợp mặt đường cũ đã bị hư hỏng nặng, việc phủ thêm một lợp bêtông nhựa mới đôi khi không hợp lý do những vết nứt ở lớp mặt đường cũ lan truyền lên lớp mới (vết nứt phản xạ) làm cho lớp phủ mới mau hỏng;

 Làm tăng tĩnh tải khi phủ thêm một lớp bêtông asphalt mới lên mặt cầu

Do vậy, 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 nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Tuy nhiên một 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 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:

 Có tính kinh tế;

 Tận dụng được cốt liệu cũ nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên cốt liệu có

 Bảo vệ môi trường khi mà ô nhiễm môi trường hiện nay đang là vấn

đề nóng bỏng không riêng ở Việt Nam mà trên toàn thế giới;

Hiện tại ở nước ta hiện nay tài liệu hướng dẫn thiết kế thành phần bêtông asphalt mới tận dụng lại nguồn bêtông asphalt phế liệu hầu như không nhiều;

Do vậy việc nghiên cứu tái sử dụng bêtông asphalt phế liệu sau khi cào bóc đang là một vấn đề không kém phần quan trọng và có ý nghĩa thiết thực

II TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

II.1 Trên thế giới

II.1.1 Về qui mô sử dụng

Việc cào bóc mặt đường cũ và tái sử dụng bêtông asphalt phế liệu đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi từ rất lâu ở nhiều nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Thụy Sỹ, Canada, Đức

Theo thống kê, ở Pháp, diện tích bêtông asphalt được tái chế năm 1976 là 200.000 m2, đến năm 1979 là 1.500.000 m2, năm 1980 đã đến 2.000.000 m2 Riêng năm 1984 đã dùng 75.000 tấn bêtông asphalt tái chế Giá thành xây dựng bằng bêtông asphalt tái chế so với bêtông nhựa mới giảm được đến 45%

Ở Mỹ, từ năm 1915 đã tiến hành áp dụng công nghệ tái chế bêtông asphalt

cũ Đến năm 1980, Mỹ đã sử dụng bêtông asphalt tái chế khoảng 15% tổng khối lượng bêtông asphalt trộn nóng, rải nóng Năm 1992, đã có 17 bang ở Mỹ sử dụng rộng rãi bêtông asphalt tái chế chiếm khoảng 33% tổng số bêtông asphalt trộn nóng rải nóng Kết quả theo dõi sau 17 năm sử dụng (từ năm 1976 đến năm 1992) đã chỉ ra rằng khối lượng bêtông asphalt tái chế đã tương đương với bêtông asphalt mới Và hiện tại theo ước tính hàng năm tại Mỹ lượng bêtông asphalt tái chế được sử dụng khoảng 45 triệu tấn

Ở Italia, bêtông asphalt tái chế sử dụng từ năm 1979 đến năm 1983 đã làm giảm giá thành xây dựng đến 40%

Ở Thụy Sỹ, bêtông asphalt chế được sử dụng giảm được 30% giá thành xây dựng

Ở Anh, trong nhiều năm qua người ta đã sử dụng lại một số lượng đáng kể vật liệu lớp phủ bêtông asphalt cũ Cụ thể lớp vật liệu bêtông asphalt cũ sau khi được cào bóc được thu gom lại và sử dụng cho lớp bù vênh hoặc làm lớp mặt cho những mặt đường chịu lưu lượng giao thông nhỏ hoặc trung bình Một dạng của tái chế mặt đường bêtông asphalt tại chỗ bao gồm sự cào xới mặt đường hiện có, trộn lại vật liệu này với nhũ tương hoặc nhựa lỏng, tiếp theo là làm phẳng và lu chặt đã được thực hiện ở Anh từ năm 1937

Hình 1.1: Mặt đưhờng bêtông asphalt vừa được tái tạo lại

Hình 1.2: Mặt đường bêtông asphalt tái chế đang được khai thác

II.1.2 Về mặt công nghệ tái chế

Hiện tại đã xuất hiện những dây chuyền công nghệ hiện đại, bao gồm một

tổ hợp thiết bị thi công với máy cào bóc, máy trộn, máy rải, máy lu để hoàn thiện ngay lớp mặt đường bêtông asphalt tái chế tại hiện trường

Hỗn hợp bêtông asphalt cũ sau khi được tái chế có thể được sử dụng vào chính mặt đường bêtông nhựa cũ đã cào bóc hoặc được sử dụng ở vị trí mới Nói chung, công nghệ tái chế bêtông asphalt cũ được phân thành 2 dạng như sau:

1 Công nghệ tái chế mặt đường tại chỗ;

2 Công nghệ tái chế bêtông asphalt tại trạm trộn;

II.1.2.1 Công nghệ tái chế mặt đườngBTN tại chỗ

Có thể chia nhỏ hơn nữa bao gồm 3 công nghệ như sau:

 Rải tại mặt đường – Repaving

 Trộn lại – Remixing

 Xử lý tại mặt đường – Retreat

Repaving và Remixing là công nghệ tái chế mặt đường nhựa tại chỗ bằng

dễ đảm bảo trong quá trình lu lèn

Remixing:

Lớp mặt BTN cũ được sấy nóng và xào xới, sau đó được trộn với vật liệu mới (cốt liệu và nhựa mới) trong máy trộn Hỗn hợp đá nhựa sau khi trộn được rãi lại lên mặt đường và đầm nén

Retreat:

Là công nghệ tái chế mặt đường nhựa tại chỗ bằng phương pháp trộn nguội Công nghệ này bao gồm việc xào xới mặt đường hiện có đến chiều sâu xấp xỉ 78mm, làm nhỏ vật liệu được cào bóc đến kích cỡ yêu cầu, sửa lại mặt cắt ngang Sau đó tiến hành phun chất kết dính nhũ tương bitum hoặc nhựa lỏng từ

2 đến 3 lần, sau mỗi lần phun, vật liậu cào boc được trộn đều chất kết dính bằng máy bừa Khi bừa xong thì vật liệu được đầm chặt bằng lu bánh nhẵn có tải trọng tĩnh 8-10 tấn Cuối cùng bề mặt được phủ một lớp láng nhựa Công nghệ này đã được thực hiện thành công ở những đường phụ, đường địa phương.v.v trong nhiều năm Hiện nay hàng năm ở Anh có xấp xỉ 1 triệu m2 mặt đường loại này được tái chế theo công nghệ Retreat

II.1.2.2 Công nghệ tái chế mặt đường BTN tại trạm trộn

Vật liệu bêtông nhựa cũ sau khi cào bóc được vận chuyển đến một trạm bêtông nhựa nóng, tại đó vật liệu này có thể được dự trữ để sử dụng sau này hoặc được xử lý ngay

Để sản xuất ra hỗn hợp bêtông nhựa tái chế có hiệu quả kinh tế – kĩ thuật,

cả trạm trộn chu kỳ và trộn liên tục đều được cải phương pháp sấy nóng nhằm tạo ra một hỗn hợp bêtông nhựa tái chế có chất lượng và không ô nhiễm môi trường (không làm cháy vật liệu bêtông nhựa cũ và phát ra khói xanh)

Tái chế bêtông nhựa ở trạm trộn chu kỳ được thực hiện bằng cách đốt quá nóng cốt liệu mới, sau đó vật liệu bêtông nhựa cũ vào, trộn đều nhằm mục đích truyền nhiệt từ vật liệu mới vào vật bêtông nhựa cũ Mặc dù phương pháp này thành công trong việc vượt qua vấn đề khói xanh, nó đòi hỏi phải giữ cốt liệu trong trống đốt nóng lâu hơn và kết quả là sản lượng tối đa bị giảm Vì không đạt được truyền nhiệt đầy đủ với phầm trăm cao của vật liệu tái sử dụng nên người ta chấp nhận rộng rãi rằng tối đa của vật liệu tái chế có thể thêm vào là 25% - 40% Những bất lợi của tram trộn chu kỳ trong việc tái chế lá chi phí đốt nóng cao, làm tăng hư hỏng do sử dụng quá thường xuyên trống quay và bộ thu bụi do nhiệt độ sản xuất cao

Tái chế bêtông nhựa ở tram trộn liên tục được thực hiện bằng cách đưa vật liệu tái sử dụng vào nửa dưới của trống, tầng trong của trống sấy được sửa đổi

dể sản xuất ra hỗn hợp đồng nhất giữa vật liệu ban đầu và vật liệu tái chế trước khi thêm vào bitum và bột khoáng

Nhiều máy trộn liên tục sửa đổi đã được thiết kế và có thể đạt được 60% vật liệu tái sử dụng mà vẫn đảm bảo dạt được tiêu chuẩn cho phép về ô nhiễm môi trường

II.1.3 Về nghiên cứu đặc tính lão hóa của nhựa cũ

Các tác giả đã tiến hành nghiên cứu thực hiện qua các mẫu nhựa được tách

từ BTN cũ để đánh giá tốc độ hóa già của nhựa cũ qua các năm khai thác thông qua các chỉ tiêu cơ lý hóa của nhựa

Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa được thí nghiệm là: độ kim lún, độ kéo dài và nhiệt độ hóa mềm

Các chỉ tiêu hóa của nhựa được thí nghiệm là: thành phần nhóm dầu, nhóm nhựa và nhóm asphalt trong nhựa

Có thể đưa ra kết quả nghiên cứu của các tác giả Liên Xô (cũ) về tốc độ hóa già của nhựa đường thông qua sự thay đổi chỉ tiêu độ kim lún, độ dãn dài và

nhiệt độ hóa mềm phụ thuộc vào thời gian khai thác ở Bảng 1.1 sau:

Bảng 1.1: Sự thay đổi các chỉ tiêu cơ lý của nhựa sau khi khai thác

Độ kim lún ( 1/10 mm)

Độ dãn dài (cm)

Nhiệt độ hóa mềm ( 0 C)

khai thác

II.1.4 Về mặt lý thuyết tính toán thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế

Đã có những nghiên cứu nhằm đưa ra một lý thuyết lựa chọn tỷ lệ các thành phần cốt liệu và nhựa một cách hợp lý có cơ sở khoa học Điển hình có thể

kể đến phương pháp thiết kế hỗn hợp BTN tái chế của Asphalt Institute (Mỹ) Nguyên lý của phương pháp này là: lựa chọn loại nhựa và hàm lượng nhựa mới, lựa chọn hàm lượng cốt liệu mới để pha chế vào hỗn hợp bêtông nhựa cũ sao cho hợp lý, đảm bảo cấp phối chuân và có các thỏa mãn các yêu cầu theo phương pháp thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa của Marshall

II.2 Ở Việt Nam

Theo số liệu thống kê năm 1998, tổng chiều dài đường bộ của nước ta lên đến 210.006 km, trong đó đường quốc lộ đến 14.935 km và chiều dài các con đường sử dụng lớp mặt bêtông asphalt khoảng 5.624km Hầu hết toàn bộ các đường cấp I, II, III đã sử dụng phổ biến các loại mặt đường bêtông asphalt, khá nhiều các loại mặt đường bêtông asphalt đã có niên hạn sử dụng trên 10 năm Theo quy hoạch mạng đường bộ cao tốc Việt Nam đang được Bộ GTVT trình Chính phủ, nước ta sẽ có hơn 6200km và theo lộ trình thực hiện mỗi nãm nước ta xây dựng hàng trăm km đường cao tốc

Theo số liệu thống kê mới nhất của cục đường bộ Việt Nam mạng lưới đường bộ nước ta lên đến 223.059 km tăng 3871 km so với cuối năm 1999 Hiện tại có khoảng 7600 km mặt đường đã suốt cấp trầm trọng và cần được sửa chữa

Hình 1.4: Hư hỏng thường gặp trên các mặt đường ở nước ta hiện nay

Về mặt giao thông đô thị, tổng chiều dài mạng lưới đường bêtông asphalt của các đô thị lớn như Tp Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng, Cần Thơ… cũng đến hàng nghìn km

Tính đến thời điểm hiện tại các công trình cầu lớn ở nứớc ta hiện nay khá nhiều với tổng chiều dài cầu lên đến hàng trăm km và lớp phủ trên mặt cầu đa phần là sử dụng bêtông asphalt Sau thời gian khai thác nhiều mặt cầu đã hư hỏng và cần được tiến hành sửa chữa

Hình 1.5: Hư hỏng lớp phủ trên mặt cầu Thăng Long

Việc sửa chữa nâng cấp mặt đường ở nước ta hiện nay chủ yếu là phủ thêm một lớp bêtông asphalt mới hay cào bỏ lớp bêtông asphalt cũ và thay thế bằng lớp bêtông asphalt mới;

Ở nước ta thời điểm hiện tại công nghệ cào bóc tái thiết lại mặt đường cũ thường làm sử dụng máy móc không hiện đại năng suất thấp Tuy vậy cũng đã

có một vài cơ quan đầu tư thiết bị cào bóc mặt đường cũ tương đối hiện đại và cũng đã tiến hành cào bỏ lớp bêtông asphalt cũ cho nhiều tuyến đường và cầu;

Hình 1.6: Thiết bị cào bóc mặt đường

Năm 1998, Công ty Quản lý và sửa chữa đường bộ 234 thuộc khu quản lý đường bộ 2 đã mạnh dạn đầu tư thiết bị cào bóc Wirtgen C1000 của Đức Máy cào C1000 được dùng để cào lớp mặt bêtông nhựa, chiều sâu cào bốc từ 20mm đến 100mm, chiều rộng cào bóc thay đổi cơ động từ 250 – 1000 mm

Năm 1999, với sự phối hợp giữa các cơ quan Cục Đường bộ, Viện Khoa học Công Nghệ GTVT,Công Ty Quản lý và sửa chữa đường bộ 234 đã sử dụng thiết bị cào bóc Wirtgen C 1000 cào bóc lớp mặt bêtông nhựa trên bề mặt cầu Thăng Long với chiều sâu trung bình 3 cm, sau đó tiến hành rải lớp thảm BTN mới thay thế Kết quả cào bóc đã khẳng định được tính ưu việt của công nghệ cào bóc này, nhất là trên các công trình đặc biệt đòi hỏi khống chế chính xác cao

độ cào bóc, đảm bảo dốc ngang

Nhưng nhìn chung cho đến nay việc sử dụng lại bêtông nhựa cũ hầu như chưa thấy áp dụng, việc ứng dụng công nghệ hiện đại chỉ mới thử nghiệm thí điểm Mới đây nhất Tổng công ty xây dựng công trình giao thông 1 hợp tác liên doanh với công ty Hall Brother trong việc ứng dụng công nghệ tái tạo mặt đường hư hỏng

Hình 1.8: Dự án thí điểm tái chế mặt đường tại Hà Nam

III MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Tiến hành thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bêtông asphalt phế liệu Thông qua kết quả thí nghiệm đó, tiến hành đánh giá và xem xét phạm vi tái sử dụng nó trong xây dựng mặt đường bêtông asphalt

Trường hợp phần bêtông asphalt phế liệu không còn thỏa mãn được các yêu cầu quy định cho bêtông asphalt thông thường , nghiên cứu thiết kế hỗn hợp bêtông asphalt mới tận dụng lại lượng bêtông asphalt phế liệu không đạt chuẩn ở trên nhằm tận dụng lại lượng cốt liệu và giảm được hàm lượng nhựa

Thiết kế ứng dụng bêtông asphalt phế liệu trong xây dựng mặt đường Ôtô

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

Kết hợp cả lý thuyết và thực nghiệm để tiến hành đánh giá lại chất lượng của hỗn hợp bêtông asphalt phế liệu cũng như hỗn hợp bêtông asphalt tái chế Việc đặt vấn đề tái sử dụng bêtông asphalt phế liệu trong xây dựng mặt đường ôtô đối với nước ta đối với nước ta còn khá mới mẻ nhưng với thế giới thì không có gì là mới Việc áp dụng vào các công trình cụ thể trên thế giới đã có rất nhiều công trình Cho nên trong phạm vi luận văn chỉ đề cập đến các kết quả

mà các tác giả nghiên cứu trên thế giới đạt được, đó là cơ sở để phát triển nghiên

cứu tiếp tục cho phù hợp với điều kiện tại Việt Nam

Nội dung của đề tài được thực hiện với các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Tìm hiểu công nghệ cào bóc mặt đường bêtông nhựa cũ

Chương 3: Cơ sở lý thuyết trong việc tái chế bêtông nhựa

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tái chế BTN theo phương pháp nóng Chương 5: Thiết kế kết cấu mặt đường BTN sử dụng BTN tái chế

Chương 6: Kết luận, Kiến nghị

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CÀO BÓC VÀ TÁI CHẾ MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG NHỰA CŨ

Tùy theo cách bóc mặt đường bêtông nhựa cũ,có thể phân ra hai loại công nghệ chủ yếu sau:

1 Công nghệ sửa chữa mặt đường bêtông theo phương pháp đốt nóng

2 Công nghệ sửa chữa mặt đường bêtông theo phương pháp bóc nguội Tuỳ theo công nghệ sửa chữa mặt đường là phương pháp đốt nóng hay bóc nguội mà các thiết bị sừ dụng trong dây truyền công nghệ đó có tính năng và nguyên lý làm việc khác nhau

I CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CÀO BÓC MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG

RECYCLING)

Theo công nghệ này, lớp bêtông nhựa cần được sửa chữa sẽ được sấy nóng trước khi cào bóc nhằm thay đổi tính chất cơ lý của bêtông, tạo thuận lợi cho việc bóc lớp bêtông nhựa cũ được dễ dàng

Lớp bêtông nhựa cũ trước khi cào bóc được đốt nóng tới nhiệt độ 1200C-

1400C, ở nhiệt độ này các thành phần tông nhựa mất liên kết trở nên rời rạc, rất thuận lợi cho việc cào xới Sau khi cào bóc, xào xới, hỗn hơp bêtông nhựa cũ hoặc sẽ được xào xới và rải ngay tại mặt đường cũ (Repaving) hoặc sẽ được chuyển đến bộ phận kế tiếp để nấu trộn lại và bổ sung nhựa, phụ gia (Remixing)

Hình 2.1: Công nghệ tái chế mặt đường BTN theo phương pháp nóng



Đầu tiên mặt đường tại khu vực cần tái chế được đốt nóng lên đến nhiệt độ cần thiết, tiếp đến mặt đường được cào xới lên và tiếp tục được trộn sơ bộ và thu gôm lại vào tiếp một thiết bị chứa, ở đây vật liệu đã cào xới sẽ được bổ sung thêm vật liệu mới cũng như tác nhân tái chế (với thành phần như đã tính toán) Sau đó hỗn hợp vật liệu này tiếp tục được trộn kỹ lại lần nữa và được ban phẳng

và cuối cùng là lu lèn hoàn thiện bề mặt

Hình 2.2: Đốt nóng mặt đường cũ

Hình 2.4: Thu gom cốt liệu vào máy trộn

Hình 2.5: Rãi lại hỗn hợp bêtông sau khi được tái chế

Hình 2.6: Lu lèn

Tốc độ làm việc của dây chuyền là 3m/phút Công suất 1 ca máy 4000 –

6000 m2 Khả năng tái tạo độ sâu nhỏ nhất là 3cm và lớn nhất là 6cm

Do sử dụng nhiệt để cào bóc lớp bêtông asphalt nên công nghệ này có ưu điểm là:

 Tận dụng được nhiệt trong quá trình bóc để phục vụ cho việc tái chế

bêtông asphalt;

 Không gây ảnh hưởng đến nền đường cũng như những công trình ngầm tại nơi cào bóc;

Tuy nhiên công nghệ này cũng có nhược điểm là:

 Thiết bị phức tạp, cồng kềnh đòi hỏi có nhiều thiết bị phụ trợ đi kèm;

 Tổn thất nhiệt lớn trong quá trình đốt nóng lớp bêtông asphalt;

 Khi đốt nóng gây ô nhiễm và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh;

 Công nghệ tái chế bêtông nhựa theo phương pháp đốt nóng được tiến hành với nhiều công đoạn đòi hỏi dây chuyền thi công phải đồng bộ

và chặt chẽ;

Điều kiện áp dụng:

 Thích hợp nhất khi phần đường hỏng tập trung ở lớp asphalt

 Không có tác dụng lâu dài nếu phần đường bị hỏng do lớp nền yếu Theo tính toán của các dự án (dùng các máy tái tạo của hãng Wirtgen) khi:

 Tái tạo mặt đường với chiều sâu 4cm có bổ sung bitumen tiết kiệm 57% giá thành

 Tái tạo mặt đường với chiều sâu 4cm có bổ sung bitumen và trộn thêm 25% bêtông asphalt tiết kiệm được 40% giá thành

 Tái tạo mặt đường với chiều sâu 4cm có bổ sung thêm 2cm lớp mặt tiết kiệm được 23% giá thành

Một số thiết bị cào bóc bêtông asphalt cũ sử dụng phương pháp đốt nóng và tính năng kỹ thuật chủ yếu được giới thiệu trong bảng sau:

Tính năng kỹ thuật của một số thiết bị cào bóc nóng

Chiều sâu cào bóc (m)

Công suất (KW)

Năng suất (m 2 /ca)

Repaver 0.3 – 0.6 0 – 0.04 167 495 Remixer

300/600 0.3 – 0.6 0 – 0.04 42 495

Writgen –

Đức

1000 Remixer

II.1 Tái tạo nguội tại trạm trộn

Theo công nghệ này, lớp bêtông nhựa cần sửa chữa sẽ được cào bóc dưới tác dụng cơ học của các lưỡi phay cắt ở ngay nhiệt độ môi trường

Hỗn hợp bêtông nhựa đã cắt nhỏ được đổ lên xe vận chuyển chở tới trạm trôn bêtông nhựa tái sinh Tại đây, vật liệu cũ sẽ được nấu trộn lại và được bổ sung thêm các thành phần đảm bảo chất lượng của bêtông nhựa Sau khi được nấu trộn lại, hỗn hợp bêtông nhựa tái sinh sẽ được chở tại nơi sửa chữa Việc rải

và lu lèn được tiến hành theo trình tự như với bêtông nhựa làm mới

Hình 2.7: Cào bóc mặt đường cũ

Hình 2.8: Cấu tạo thiết bị cào bóc

Hình 2.10: Hỗn hợp bêtông asphalt phế liệu được tập kết ở trạm trộn

Hình 2.11: Hỗn hợp bêtông asphalt phế liệu được xử lý trong trạm trộn

Hình 2.12: Thảm lại hỗn hợp bêtông asphalt đã được tái chế

II.2 Tái tạo nguội ngay tại mặt đường

Trong công nghệ này, vật liệu sau khi được thiết bị cào bóc nghiền nhỏ và

đổ thành luống trên đường Lượng vật liệu này sau đó được đưa vào một thiết bị tái chế, ở đây ta bổ sung thêm vật liệu mới và tác nhân tái chế và sau khỉ xử lý xong thì vật liệu hỗn hợp được rãi lại ngay trên mặt đường và cuối cùng là lu lèn hoàn thiện mặt đường

Hình 2.13: Thi công tái chế nguội được thực hiện ngay tại mặt đường

Hình 2.14: Cấu tạo thiết bị tái chế nguội được thực hiện ngay tại mặt đường

Do sử dụng cơ học để phá vỡ liên kết bêtông nhựa nên công nghệ này có

ưu điểm nổi bật như sau:

 Đơn giản không tốn nhiều năng lượng cho việc phá bóc mặt đường cũ

so với phương pháp bóc nóng;

 Có thể đáp ứng được yêu cầu chiều sâu bóc khá lớn đồng thời vẫn

đảm bảo được thời gian thi công;

 Ít ô nhiễm đến môi trường xung quanh như phương pháp bóc nóng;

Tuy nhiên, do sử dụng cơ học để phá vỡ liên kết bêtông asphalt nên công nghệ này có nhược điểm là:

 Gây tiếng ồn;

 Gây ảnh hưởng đến nền đường cũng như những công trình ngầm tại

vị trí sửa chữa;

 Chi phí cho việc thay thế các lưỡi cắt là lớn;

Một số thiết bị cào bóc bêtông asphalt cũ sử dụng phương pháp nguội và tính năng kỹ thuật chủ yếu được giới thiệu trong bảng sau:

Tính năng kỹ thuật của một số thiết bị cào bóc nguội

6

Deutz BF6L913 (t/b) 131KW2500v/p

6

Perking 1006.6TG2(t/b) 100KW

6

Dung tích xilanh Làm mát động cơ Chỉ tiêu nhiên liệu

6128 Không khí

30 lít/giờ

6128 Không khí 33,2 lít/giờ

5900 Nước 28,1 lít/giờ

Vận tốc khi di chuyển

Truyền động Kích thước bánh

xe

0-13 m/ph 0-7 m/giờ

4 bánh lốp 250-660 (trước) 203-660 (sau)

0-40 m/ph 0-6 m/giờ

4 bánh lốp 260-560

0-15 m/ph 0-6 m/giờ

4 bánh lốp 550-175 (trước) 450-175 (sau)

Số răng trên tang Vận tốc cắt Góc cắt nghiêng max

1000 mm 1-100 mm

504 mm

80 4,8 m/s

10 độ

1000 mm 1-250 mm

760 mm

80 4,8 m/s

10 độ

1000 mm 1-100 mm

600 mm

60 4,8 m/s

80 m3/giờ 2,8 m/s Không trang bị

III TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CÀO BÓC VÀ TÁI TẠO MẶT ĐƯỜNG Ở VIỆT NAM HIỆN NAY

Nhìn chung ở Việt Nam hiện nay mới chỉ sử dụng thiết bị cào bóc mặt đường, việc tái sử dụng lại vật liệu BTN cũ hầu như chưa thấy áp dụng rộng rãi, công nghệ tái tạo mặt đường tại chỗ chưa có Có thể coi lần đầu tiên Việt Nam

sử dụng thiết bị cào bóc mặt đường trên diện rộng là ở mặt cầu Thăng Long là vào cuối năm 1998 Thiết bị cào bóc được sử dụng là Wirtgen CBA.1000 (Đức)

do công ty Quản lý và sửa chữa đường bộ 234 nhập về Ngoài ra nhiều tuyến đường chính cũng được sử dụng thiết bị cào bóc để cào bóc phần mặt đường cũ như: Xa lộ Hà Nội, QL 1A, v.v

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG VIỆC TÁI

CHẾ BÊTÔNG NHỰA

I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ BÊTÔNG ASPHALT

Tái chế bêtông asphalt (sau đây gọi tắt là bêtông nhựa) là một công nghệ nhằm mục đích sử dụng lại vật liệu bêtông nhựa cũ một cách có hiệu quả

Để tái chế đường bêtông nhựa cũ hỗn hợp vật liệu sau khi cào bóc được gia công lại trên cơ sở bổ sung những vật liệu mới nhằm tạo ra một hỗn hợp bêtông nhựa có chất lượng phù hợp với tất cả các yêu cầu quy định cho bêtông nhựa thông thường

Hỗn hợp bêtông nhựa cũ sau khi tái chế có thể được sử dụng vào vị trí mặt đường bêtông nhựa cũ đã cào bóc hoặc sử dụng ở vị trí mới

Công nghệ tái chế bêtông nhựa cũ mặt đường đã sử dụng rộng rãi trong một số năm gần đây và trở thành một sự lựa chọn chính trong quá trình sản xuất hỗn hợp bêtông nhựa do một số nguyên nhân sau:

 Có tính kinh tế

 Bảo vệ các nguồn tài nguyên cốt liệu có xu hướng cạn kiệt

 Bảo vệ môi trường

Công nghệ tái chế bêtông nhựa được chia lam 2 loại chính sau:

1 Công nghệ tái chế theo kiểu hỗn hợp bêtông nhựa trộn nóng

2 Công nghệ tái chế theo kiểu hỗn hợp bêtông nhựa nguội

Các định nghĩa:

Để phục vụ cho việc thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế cần thiết phải đưa ra các định nghĩa sau:

1 Rap (Reclaimed Asphalt Pavement- Hỗn hợp BTN cũ được tái chế ):

Những loại vật liệu mặt đường nhựa cũ đã được cào bóc bao gồm các thành phần là nhựa đường (vẫn còn khả năng sử dụng lại được) và cốt liệu

2 RAM (Reclaimed Aggregate – Cốt liệu cũ được tái chế):

Những loại vật liệu mặt đường cũ đã được cào bóc đi bao gồm thành phần chủ yếu là cốt liệu có chứa kết dính (nhựa đường) không có khả năng sử dụng lại được

3 Tác nhân tái chế (Recycling Agent – dung môi):

Là những chất dung môi hữu cơ có tính chất lý – hoá đặc biệt nhằm khôi phục lại những tính chất cơ lý của nhựa đường cũ bị lão hoá

Những tác nhân tái chế (Recycling Agent) là một vật liệu hữu cơ với những tính chất vật lý và hoá học đặc biệt được chọn nhằm khôi phục nhựa đường bị lão háo cho phù hợp với những yêu cầu cần thiết Trong việc lựa chọn tác nhân tái chế, cần thiết phải xác định độ nhớt của hỗn hợp nhựa đường bị lão hoá sau

khi phối hợp với tác nhân tái chế Những yêu cầu về các tác nhân tái chế được

đề cập tới trong ASTM D 4552

II CÔNG NGHỆ TÁI CHẾ BÊTÔNG NHỰA THEO KIỂU HỖN HỢP BÊTÔNG NHỰA TRỘN NÓNG

II.1 Công nghệ tái chế bêtông nhựa theo kiểu trộn nóng

Là một quá trình trong đó hỗn hợp vật liệu (bao gồm hoặc vật liệu mặt đường nhựa tái chế – RAP, hoặc cốt liệu tái chế – RAM hoặc cả 2 được phối hợp với nhựa đường mới, có thể thêm cốt liệu mới và những tác nhân tái chế nếu cần thiết) được trộn trong một thiết bị trộn trung tâm để sản xuất ra hỗn hợp bêtông nhựa rải đường kiểu trộn nóng Sản phẩm hỗn hợp bêtông nhựa sau khi tái chế phải phù hợp với tất cả các yêu cầu của tiêu chuẩn về vật liệu, về chất lượng xây dựng như đối với hỗn hợp bêtông nhựa mới

Nhựa mới được đưa thêm vào trong hỗn hợp (bao gồm RAP, RAM nếu có

và cốt liệu mới) nhằm đạt được 2 mục đích sau:

 Tăng tổng hàm lượng nhựa đường để đạt những yêu cầu cần thiết về hàm lượng nhựa của hỗn hợp khi thiết kế Dưới tác dụng của môi trường nhựa đường theo thời gian bị hoá già đi, hay nói cách khác hàm lượng nhựa có hiệu trong tổng hỗn hợp bị giảm đi Hơn nữa do quá trình ảnh hưởng của quá trình cào bóc, thành phần cốt liệu cũ bị thay đổi, nhỏ đi, cần phải thêm cốt liệu mới Chính vì vậy thường phải thêm nhựa mới cho đủ hàm lượng nhựa yêu cầu

 Pha trộn với nhựa đường bị lão hoá trong phần tái chế của hỗn hợp nhằm tạo ra một loại nhựa đường phù hợp với những yêu cầu thiết kế.Do tác dụng lão hoá, nhựa cũ trở nên đặc hơn (hay cứng hơn) so với nhựa nguyên thuỷ hay nói cách độ nhớt của nó tăng lên Việc thêm nhựa mới ngoài mục đích để dủ nhựa như nói trên còn phải chú

ý đến tính tăng cứng của nhựa cũ Chính vì vậy loại đường nhựa mới thêm vào phải có tính chất lỏng hơn (hay mềm hơn) hay nói cách khác phải có độ nhớt nhỏ hơn để sau khi pha trộn với nhau tạo thành

1 loại nhựa có độ nhớt vừa đủ theo thiết kế Nhìn chung, những loại nhựa đường AC-10, AC-5 hay AC-2.5 (AR-4000, AR-2000 hay AR- 1000; hoặc nhựa có độ kim lún tương ứng 85 – 100, 120 – 150 hay

200 – 300) đều được sử dụng cho mục đích pha trộn này Những loại nhựa đường này phù hợp với những yêu cầu trong tiêu chuẩn ASTM

D 3381 hay D 946 (AASHTO M 226 hay M 20)

Quy trình thiết kế tối ưu hàm lượng nhựa trong hỗn hợp bêtông nhựa tái

chế thường sử dụng phương pháp Marshall

Phạm vi áp dụng: phương pháp tái chế hỗn hợp trộn nóng thường sử dụng

từ 10 đến 60% RAP, trong đó:

 Với thiết bị trộn dạng chu kỳ (Batch plant) có thể sử dụng đến

 Với thiết bị trộn dạng trống quay (Drum- mix plant) có thể được sử dụng tới 60% RAP ( thông thường từ 10 đến 50 % RAP )

Nếu tỷ lệ RAP trong hỗn hợp nhỏ hơn 10% thì thủ tục thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế tiến hành như với thiết kế bêtông nhựa thông thường

Trình tự tiến hành thiết kế hỗn hợp tái chế theo kiểu bêtông nhựa trộn

nóng được thực hiện theo các bước sau:

1 Thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế

2 Công nghệ thi công: trộn, lu, lèn, rải

II.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế thành phần hỗn hợp bêtông nhựa tái chế

theo kiểu trộn nóng

Việc thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế trộn nóng bao gồm 6 bước sau:

 Bước 1: Đánh giá chất lượng vật liệu RAP

 Bước 2: Thiết kế cấp phối cốt liệu

 Bước 3: Tính toán gần đúng tổng lượng nhựa yêu cầu

 Bước 4: Ước tính lượng nhựa mới cho thêm vào hỗn hợp

 Bước 5: Lựa chọn loại nhựa đường mới

 Bước 6: Thiết kế tối ưu hàm lượng nhựa cho hỗn hợp bêtông nhựa Trình tự các bước được chi tiết dưới đây:

Bước 1: Đánh giá chất lượng vật liệu RAP:

Được tiến hành với các nội dung sau:

1 Xác định hàm lượng nhựa đường cũ trong RAP:

Sử dụng phương pháp ASTM D 2172 (AASHTO T 164) để tách nhựa ra khỏi RAP Hàm lượng nhựa được xác định bằng tỷ số giữa khối lượng nhựa hiện

có tổng hỗn hợp hoặc tổng cốt liệu

2 Xác định độ nhớt của nhựa đường ở 600C:

Sử dụng phương pháp ASTM D 1856 (AASHTO T 170) để thu hồi nhựa từ dung dịch có chứa nhựa và dung môi Xác định độ nhớt ở 60 0C (140 0C) của nhựa sau khi thu hồi bằng phương pháp ASTM D 2117 (AASHTO T 202)

3 Xác định cấp phối cốt liệu của RAP:

Cốt liệu sau khi đã tách nhựa được xác định cấp phối trên cơ sở kết quả phân tích bằng sàng theo phương pháp ASTM C 117 và C 136 (AASHTO T 11

và T 27)

4 Xác định cấp phối cốt liệu của RAM:

Trong trường hợp cụ thể, nếu có RAM thì thực hiện việc xác định cấp phối của RAM theo phương pháp tương tự như với RAP

Bước 2: Thiết kế cấp phối cốt liệu:

Trên cơ sở số liệu phân tích thành phần hạt của RAP (và của RAM nếu có), trên cơ sở đường bao cấp phối chuẩn yêu cầu trong thiết kế, tiến hành bổ sung cốt liệu mới, tính toán tỷ lệ phối hợp giữa RAP và RAM (nếu có) và cốt liệu mới để tạo nên một cấp phối cần thiết phù hợp với cấp phối tiêu chuẩn đã quy định

Sau khi xác định được tỷ lệ cấp phối cốt liệu phù hợp, tính toán tỷ lệ cốt

liệu mới (và RAM nếu có) trong tổng cốt liệu hỗn hợp, được kí hiệu là r (% )

Để làm rõ thêm vấn đề này ta xét Ví dụ 1 sau đây:

Giả sử sau khi phân tích thành phần hạt của RAP, RAM và thành phần hạt

của cốt liệu mới ta có kết quả Bảng 3.1

Bảng 3.1: Phân tích thành phần hạt của RAP, RAM và cốt liệu mới

Lượng lọt qua sàng (%) Kích cỡ

cốt liệu thõa mãn chuẩn Chi tiết được thể hiện ở Bảng 3.2

Bảng 3.2: Kết quả thiết kế cấp phối

Lượng lọt qua sàng (%) Kích

cỡ sàng

(mm) liệu RAP 30% Cốt 50% Cốt liệu RAM 20% Cốt liệu mới

Kết quả phối hợp

Cấp phối chuẩn AASHTO

9.5 85x0.3 = 25.5 45x0.5 = 22.5 100x0.2 = 20 68 56 - 80

0.3 22x0.3 = 6.6 1x0.5 = 0.5 26x0.2 = 5.2 12.3 5 - 19

Giá trị r được tính là: r = 50 + 20 = 70

Bước 3: Tính toán gần đúng tổng lượng nhựa theo yêu cầu

Tổng lượng nhựa yêu cầu trong hỗn hợp cốt liệu có thể được xác định theo công thức thực nghiệm sau:

F c K b a

P b  0 , 035  0 , 045   (1)

Pb: Tổng gần đúng lượng nhựa yêu cầu của hỗn hợp tái chế, tính bằng phần trăm trọng lượng hỗn hợp

a: Phần trăm cốt liệu nằm lại trên sàng 2.36mm

b: Phần trăm cốt liệu lọt qua sàng 2.36mm và bị giữ lại trên sàng 0.075mm c: Phần trăm cốt liệu lọt qua sàng 0.075mm

K: Hệ số phụ thuộc vào hàm lượng cốt liệu lọt qua sàng 0.075mm, cụ thể

K = 0.15 với 11-15% lọt qua sàng 0.075mm = 0.18 với 6-10% lọt qua sàng 0.075mm = 0.2 khi ≤ 5% lọt qua sàng 0.075mm F: 0-2% phụ thuộc vào mức độ hấp thụ nhựa của cốt liệu

Ví dụ 2: Với kết quả phân tích ở Ví dụ 1 trên Bảng 3.2, ta có thể tính được

tổng lượng nhựa yêu cầu trong hỗn hợp bêtông nhựa tái chế như sau:

Bước 4: Ước tính lượng nhựa mới cho thêm vào hỗn hợp

Lượng nhựa đường mới được cho thêm vào trong hỗn hợp tái chế được xem như là phần trăm trọng lượng của tổng hỗn hợp, được tính theo công thức sau:

sb sb

sb

b sb nb

P

P r P

P P r P

100

).

100 ( 2

(2)

Pnb: Phần trăm lượng nhựa đường mới trong hỗn hợp tái chế

r: Phần trăm cốt liệu mới cho thêm vào trên tổng hợp cốt liệu

Pb: Tổng gần đúng lượng nhựa yêu cầu của hỗn hợp tái chế (%), tính theo

công thức ở Bước 3

Psb: Phần trăm hàm lượng nhựa trong hỗn hợp bêtông asphalt cũ

Ví dụ 3: Gỉa sử hàm lượng nhựa đường Psb của RAP (được phân tích ở

Bước 1) là Psb = 4.7%, giá trị r được tính ở Ví dụ 1 là r = 70% Lượng nhựa

đường mới (Pnb) (%) cho thêm vào hỗn hợp với tổng hàm lượng nhựa đường yêu cầu (Pb) đã biết được tính như sau:

Lượng nhựa đường mới được thêm: với giá trị tổng hàm lượng nhựa yêu

cầu xác định theo công thức (1) đã tính trên cơ sở Ví dụ 1 và 2 là Pb =5.41%, cụ thể là:

Bước 5: Lựa chọn loại nhựa đường mới

1 Lựa chọn loại nhựa đường mới:

Hình 3.1: Toán đồ xác định loại nhựa mới trong hỗn hợp BTN tái chế

NEW ASPHALT OR RECYCLING AGENT IN BLEND R PERCENT BY WEIGHT

Tỷ lệ phần trăm nhựa đường mới so với hàm lượng nhựa tổng cộng R Trong đó:

 Trục tung biểu thị độ nhớt của nhựa ở 600C theo đơn vị Poise

 Truc hoành biểu thị phần trăm nhựa đường mới so với hàm lượng

Trình tự theo các bước được tiến hành sau:

1 Lựa chọn loại nhựa có độ nhớt thiết kế (độ nhớt mong muốn của hỗn hợp nhựa mới và nhựa cũ để thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa) Loại nhựa được lựa chọn để thiết kế thông thường là loại AC – 20 (phân theo độ nhớt) hoặc loại nhựa 60 – 70 (phân theo độ kim lún) Độ nhớt thiết kế tương ứng của nó được xác định thông qua thí nghiệm hoặc lấy giá trị trong phạm vi trong trung gian tương ứng với cấp độ nhớt Ví dụ như đối với nhựa AC - 20 hoặc nhựa 60 - 70

P



3 Xác định độ nhớt của nhựa cũ trong RAP: đã xác định bằng thí nghiệm ở

Bước1

4 Xác định độ nhớt của nhựa mới để pha trộn vào nhựa cũ nhằm mục đích

tạo nên một loại nhựa có độ nhớt đạt được theo thiết kế theo toán đồ ở Hình 3.1

Cụ thể được tiến hành như sau:

 Chấm một điểm trên trục tung với giá trị tương ứng độ nhớt thiết kế, chấm một điểm trên trục hoành tương ứng với giá trị R Giao của 2

đường song song với các trục sẽ cắt nhau tại điểm B

 Chấm điểm A trên trục tung với giá trị tương ứng độ nhớt của nhựa

cũ

 Kẻ đường thẳng AB kéo dài, cắt trục tung bên tay phải ở C Giá trị trên trục tung bên trái tương ứng với C cho ta giá trị độ nhớt của nhựa

mới cần chọn

Ví dụ 4: Sẽ minh hoạ cụ thể hơn Giả sử yêu cầu lựa chọn loại nhựa đường

mới (độ nhớt) trên cơ sở các thông số đã được thí nghiệm như sau:

 Độ nhớt của nhựa đường thiết kế yêu cầu: 2000 poise (AC – 20)

 Độ nhớt của nhựa đường cũ sau khi thí nghiệm: 46000 poise

 Phần trăm nhựa đường mới so với tổng hàm lượng nhựa R: 69

Việc chọn loại nhựa đường được tiến hành như sau:

Trên toán đồ Hình 3.1:

 Điểm A là độ nhớt của nhựa đường cũ với giá trị 46000 poise (4.6

×104)

 Điểm B là giao điểm của 2 đường thẳng song song với 2 trục, trong

đó giá trị ở trục tung là độ nhớt thiết kế mong muốn 2000 poise (2 ×

103) và giá trị ở trục hoành là R = 69

 Kẻ đường thẳng AB kéo dài cắt trục tung bên phải tại điểm C Giá trị điểm C là 700 poise (7 ×102) chính là loại nhựa đường mới được lựa chọn với độ nhớt tương ứng

Nhựa đường có độ nhớt thiết kế 2000 poise tương ứng với mac nhựa AC

-20 (nhựa 60/70) là loại được sử dụng cho bêtông nhựa thông thường Loại nhựa

có độ nhớt 700 poise được chọn tương ứng với mac nhựa AC – 10 Vậy có nghĩa

là loại nhựa mới lựa chọn AC - 10 sau khi được trộn với nhựa đường bị lão hoá

có trong RAP (có độ nhớt 46000 poise) với tỷ lệ R = 69 sẽ tạo ra loại nhựa AC –

20 với những dung sai có thể chấp nhận được

2 Lựa chọn tác nhân tái chế:

Mục đích

Lựa chọn tác nhân tái chế để khi hoà trộn với nhựa đường mới sẽ đạt được loại nhựa với độ nhớt yêu cầu để khi hoà trộn với nhựa đường cũ sẽ tạo ra một hỗn hợp nhựa có độ nhớt phù hợp với yêu cầu thiết kế

Việc lựa chọn tác nhân tái chế được xác định trên cơ sở sử dụng toán đồ ở

Hình 3.2 (giống như hình toán đồ Hình 3.1) in ở trang sau:

Hình 3.2: Toán đồ xác định tác nhân tái chế trong hỗn hợp BTN tái chế

Tỷ lệ phần trăm nhựa đường mới so với hàm lượng nhựa tổng cộng R Trong đó:

 Trục tung biểu thị độ nhớt của nhựa ở 600C theo đơn vị Poise

 Truc hoành biểu thị phần trăm nhựa đường mới so với hàm lượng

Hình 3.3: Toán đồ xác định tác nhân tái chế trong hỗn hợp BTN tái chế

Tỷ lệ phần trăm nhựa đường mới so với hàm lượng nhựa tổng cộng R Trong đó:

 Trục tung biểu thị độ nhớt của nhựa ở 600C theo đơn vị Poise

 Truc hoành biểu thị phần trăm nhựa đường mới so với hàm lượng

Trình tự theo các bước tiến hành như sau:

Được tiến hành tương tự như với việc lựa chọn loại nhựa mới, chỉ bổ sung thêm 5 điểm, cụ thể như sau:

1 Lựa chọn loại nhựa có cấp độ nhớt thiết kế Loại nhựa được lựa chọn để thiết kế thông thường là loại AC – 20 (phân theo độ nhớt) hoặc loại nhựa 60 - 70 (phân theo độ kim lún) Ví dụ như đối với nhựa AC – 20 hoặc nhựa 60 - 70 có

P



3 Xác định độ nhớt của nhựa cũ trong RAP: đã được xác định bằng thí

nghiệm ở Bước 1

4 Xác định loại nhựa mới để pha trộn vào nhựa cũ nhằm mục đích tạo nên

một loại nhựa có độ nhớt đạt được theo thiết kế theo toán đồ ở Hình 3.3 Cụ thể

được tiến hành như sau:

 Chấm 1 điểm trên trục tung với giá trị tương ứng độ nhớt thiết kế, chấm 1 điểm trên trục hoành tương ứng với giá trị R Giao của 2

đường song song với các trục sẽ cắt nhau tại điểm B

 Chấm điểm A trên trục tung với giá trị tương ứng với độ nhớt của nhựa cũ

 Kẻ đường thẳng AB kéo dài, cắt trục tung bên tay phải ở C Giá trị trên trục tung bên trái tương ứng với C cho ta giá trị độ nhớt của nhựa mới cần chọn

5 Xác định hàm lượng tác nhân tái chế (dung môi) để khi hoà trộn với nhựa thiết kế AC-20 sẽ tạo ra loại nhựa có độ nhớt tương ứng với độ nhớt của

loại nhựa mới đã chọn ở mục 4 Trình tự tiến hành như sau:

 Chấm điểm D ở trục tung bên tay phải có giá trị tương ứng với độ

nhớt của nhựa AC – 20

 Chấm điểm E ở trục tung bên tay trái có giá trị tương ứng với độ nhớt

của tác nhân tái chế (dung môi)

 Nối đường DE kẻ đường C song song với trục hoành cắt DE ở điểm

F Kẻ đường thẳng từ F song song với trục tung cắt trục hoàng Giá trị

đó biểu thị khối lượng tác nhân tái chế tính theo phần trăm của nhựa thiết kế (AC – 20)

Ví dụ 5: Sẽ minh họa cụ thể hơn

Các thông ban đầu:

 Độ nhớt của nhựa đường cũ sau khi thí nghiệm: 1000000 poises

 Phần trăm nhựa đường mới so với tổng hàm lượng nhựa R: 57

Trình tự tiến hành chọn loại nhựa đường mới như sau:

Trên Hình 3.3:

 Điểm A là độ nhớt của nhựa đường bị lão hóa tại 100000 poises (1×

105)

 Điểm B là giao điểm của giá trị độ nhớt mong muốn được chọn là

2000 poises (2 ×103) và nhựa đường mới có R =57

 Nối đường thẳng AB kéo dài trục tung bên phải tại điểm C có giá trị

là 180 poises (1.8×103) Điểm C chính là loại nhựa đường mới cần

chọn (tương ứng với trình tự lựa chọn loại nhựa đường mới ở trên) Mục đích tiếp theo là nếu muốn sử dụng loại nhựa nhựa đường mới AC-20 thì phải xác định xem cần bao nhiêu tác nhân tái (dung môi) để chế tạo AC – 20

để được đạt được độ nhớt là 180 poises

Ta làm như sau:

 Chấm điểm D với giá trị độ nhớt của AC -20 là 2000 poises (2×103) trên trục tung bên tay trái

 Chấm điểm E với giá trị độ nhớt của tác nhân tái chế (dung môi) với

giá trị là 1 poises trên trục tung bên tay phải

 Kẻ đường DE

 Kẻ đường CF song song với trục hoành cắt DE ở F

 Kẻ đường qua F và song song với trục tung cắt trục hoàng ở giá trị là

22 (%) Giá trị 22 có nghĩa là: nếu 1 thùng AC - 20 có thêm vào 22% tác nhân tái chế (dung môi) sẽ tạo nên 1 loại nhựa mới có độ nhớt ước tính là 180 poises

Bước 6: Thiết kế tối ưu hàm lượng nhựa của hỗn hợp bêtông nhựa

Thiết kế tối ưu hàm lượng nhựa được thực hiện trên cơ sở phương pháp Marshall nhằm tuyển chọn hỗn hợp bêtông nhựa thiết kế tương tự với việc thiết

kế bêtông nhựa mới

Trên cơ sở cấp phối cốt liệu đã được phối hợp nằm trong đường bao chuẩn (bao gồm cốt liệu RAP, cốt liệu RAM, cốt liệu mới) tiến hành cânn đong xác định khối lượng cụ thể các tỷ lệ thành phần cho ít nhất là 5 tổ mẫu với hàm lượng nhựa tăng hay giảm với số gia là 0.5% xung quanh giá trị tổng hàm lượng nhựa yêu cầu đã biết Ví dụ: giả sử nhu cầu gần đúng về nhựa được tính ở ví dụ trên là 5.41%, thì các tổ mẩu sẽ lựa chọn có hàm lượng nhựa tương ứng là: 4.5%; 5%; 6%; 6.5%

Một đặc thù của phương pháp thiết kế bêtông nhựa tái chế là do giữa

tổng hàm lượng nhựa theo yêu cầu Pb, lượng nhựa mới cho thêm vào hỗn hợp

Pnb, lượng RAP có trong hỗn hợp Psm, lượng cốt liệu mới cho thêm vào hỗn hợp

Pns… có quan hệ với nhau như Bảng 3.3 Nên việc xác định các tỷ lệ thành phần

cốt liệu RAP, RAM, cốt liệu mới cũng như tỷ lệ lượng nhựa mới cho thêm vào hỗn hợp cũng sẽ thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của tổng hàm lượng nhựa yêu cầu Pb

Tóm tắt những công thức xác định các thành phần vật liệu trong hỗn hợp nhựa đường trộn nóng tái chế (với hàm lượng nhựa tính theo tổng khối lượng

hỗn hợp) được trình bày ở Bảng 3.3

Bảng 3.3: Các công thức xác định các thành phần vật liệu trong hỗn hợp

nhựa đường trộn nóng tái chế

Lượng nhựa đường mới cho thêm vào

sb

sb

b sb nb

P

P r P

P P r P

100

).

100 ( 2

Lượng RAP có trong hỗn hợp, Psm (%) 100.(100 ) (100 ).

b sm

r P r

Lượng cốt liệu mới và RAM (nếu có)

100

nb n

r P

P  r

Lượng nhựa mới trên tổng hàm lượng

nhựa yêu cầu trong hỗn hợp, R (%)

100. nb

b

P R

P



Trong đó:

Psm : Lượng RAP trong hỗn hợp tái chế, %

Psb : Hàm lượng nhựa đường trong RAP, %

Pnb : Hàm lượng nhựa đường mới (và/hoặc tác nhân tái chế) cho thêm

vào trong hỗn hợp tái chế, %

r : Phầm trăm cốt liệu mới (và/hoặc vật liệu RAM) trên tổng số cốt

liệu trong hỗn hợp tái chế

R : Phầm trăm nhựa đường mới (và/hoặc tác nhân tái chế) trên tổng

nhựa đường trong hỗn hợp tái chế

Pb : Hàm lượng nhựa đường yêu cầu trong hỗn hợp tái chế, %

Trình tự tiến hành thiết kế hàm lượng nhựa tối ưu của hỗn hợp bêtông nhựa tái chế được tiến hành như cụ thể như sau:

1 Xác định tỷ lệ các thành phần vật liệu cho các tổ mẫu tương ứng với các

tỷ lệ nhựa thay đổi với bước 0.5% xung quanh giá trị tổng hàm lượng yêu cầu

2 Nung nóng vật liệu:

 Với vật liệu RAP: cần được nung nóng và duy trì ở nhiệt độ trộn

 Với cốt liệu mới và RAM: được nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt