luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh khi sử dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa

Sửdụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt là một trong những giải phápđược các nước trên thế giới Mỹ, Nga, Canada, Ả rập Sau di, Trung Quốc, Ấn độ, Qatar, … áp dụng để xử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN THU TRANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG NHỰA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN THU TRANG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG NHỰA

Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 9580205 Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI – 2021

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Phạm Huy Khang và GS.TS Bùi Xuân Cậy Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa ai công bố.

Tác giả luận án

Nguyễn Thu Trang

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, với lòng biết ơn sâu sắc nhất, NCS xin gửi lời cảm ơn đến hai Thầy đã trựctiếp hướng dẫn là GS.TS Phạm Huy Khang và GS.TS Bùi Xuân Cậy Hai Thầy đã luôntận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hỗ trợ NCS ngay từ định hướng nghiên cứu ban đầu và trongsuốt quá trình nghiên cứu

NCS xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quang Phúc và các thầy cô Bộ mônĐường bộ - Trường Đại học GTVT đã luôn nhiệt tình hỗ trợ NCS, cung cấp những tàiliệu khoa học hết sức quý giá để thực hiện đề tài nghiên cứu này

NCS vô cùng cảm ơn TS Trần Ngọc Hưng và các cán bộ Trung tâm thí nghiệm Đường

bộ cao tốc – Trường Đại học Công nghệ GTVT, Phòng thí nghiệm LAS-XD72 đã tậntình giúp đỡ NCS thực hiện thí nghiệm trong luận án này Ngoài ra, TS Trần Ngọc Hưngcũng đã cung cấp cho NCS nhiều tài liệu có giá trị cho đề tài nghiên cứu

NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng thí nghiệm XD-LAS1721 – Công ty Kinh doanhnhựa đường ICT; Trung tâm phân tích, thí nghiệm công nghệ cao Trường Đại học Mỏ địachất; Phòng hóa phân tích – Viện hóa học thuộc Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ ViệtNam; Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng – Bộ môn Vật liệu xây dựng - Trường Đại họcGTVT đã giúp NCS hoàn thành một số thí nghiệm trong phạm vi nghiên cứu của luận án

Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học GTVT, tác giả đã nhận được

sự hướng dẫn, tạo điều kiện của Ban Giám hiệu Trường, Phòng Đào tạo sau đại học,Khoa công trình NCS xin trân trọng cảm ơn

NCS xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Bộ môn Đường bộ, Khoa công trình Trường Đại học Công nghệ GTVT đã quan tâm, ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi cho NCShoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu

-Cuối cùng, NCS xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới người thân trong gia đình của NCS đãluôn động viên, ủng hộ, giúp đỡ về tinh thần và vật chất cho NCS trong suốt thời gianthực hiện luận án

Trân trọng cảm ơn!

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thu Trang

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯU HUỲNH VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT 3

1.1 Tổng quan về lưu huỳnh 3

1.1.1 Khái niệm, nguồn gốc và ứng dụng của lưu huỳnh 3

1.1.2 Hình thái của lưu huỳnh 4

1.1.2.1 Hệ thống tinh thể 4

1.1.2.2 Các dạng thù hình của lưu huỳnh 6

1.1.2.3 Sự chuyển đổi của các thù hình 7

1.1.3 Đặc tính của lưu huỳnh 9

1.1.3.1 Điểm nóng chảy và kết tinh 9

1.1.3.2 Độ nhớt 9

1.1.3.3 Khối lượng riêng 11

1.2 Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum trong bê tông asphalt 11

1.2.1 Bitum 11

1.2.2 Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum 13

1.2.2.1 Liên kết hóa học bitum – lưu huỳnh 14

1.2.2.2 Lưu huỳnh hòa tan trong bitum 16

1.2.2.3 Lưu huỳnh tinh thể trong bitum và bê tông asphalt 16

1.3 Các loại bitum, lưu huỳnh dùng trong bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) 17

1.3.1 Các loại bitum sử dụng trong sản xuất bê tông asphalt – lưu huỳnh 17

1.3.2 Các loại lưu huỳnh dùng làm phụ gia cho bê tông asphalt 17

1.4 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam 19

1.4.1 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới 19

1.4.1.1 Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt của Tập đoàn Shell ở một số nước trên Thế giới

1.4.1.2 Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt tại Liên bang Nga [75], [76], [77], [78] 23

1.4.1.3 Một số kết quả nghiên cứu của FHWA [40], [41] 25

1.4.2 Tổng quan về vật liệu lưu huỳnh và các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam 26

1.4.2.1 Vật liệu lưu huỳnh tại Việt Nam 26

1.4.2.2 Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam 26

1.5 Xác định mục tiêu, phương pháp nghiên cứu của luận án 27

1.5.1 Mục tiêu nghiên cứu 27

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 27

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, HÌNH THÁI, THÀNH PHẦN HÓA HỌC, ĐẶC TÍNH CỦA CHẤT KẾT DÍNH BITUM – LƯU HUỲNH (SBB) 29

2.1 Chế tạo mẫu SBB 29

2.1.1 Lựa chọn vật liệu trong nghiên cứu 29

2.1.1.1 Bitum 29

2.1.1.2 Lưu huỳnh 30

2.1.2 Chế bị mẫu SBB 30

2.1.2.1 Lựa chọn hàm lượng lưu huỳnh, nhiệt độ trộn, thời gian trộn mẫu và tuổi mẫu thí nghiệm 30

2.1.2.2 Quy trình chế bị mẫu SBB 34

2.2 Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần hóa học của SBB 34

2.2.1 Các phương pháp phân tích xác định cấu trúc, thành phần và các đặc trưng của vật liệu [17] 34

2.2.1.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X phân tích cấu trúc tinh thể (Xray Powder Diffraction - XRD) 34

2.2.1.2 Phương pháp quang phổ hồng ngoại xác định thành phần hóa học của chất kết dính bitum và SBB [17] 36

2.2.1.3 Phương pháp nghiên cứu hình thái vật chất bằng kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscop) [17] 38

2.2.2 Kế hoạch thí nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, bitum, SBB 39

2.2.3 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, chất kết dính bitum, SBB 40

2.2.3.1 Cấu trúc lưu huỳnh Dung Quất 40

2.2.3.2 Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hóa học của chất kết dính SBB 41 2.2.3.3 Kết quả phân tích hình thái học của chất kết dính SBB 43

2.3 Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính SBB 47

2.3.1 Lựa chọn các chỉ tiêu thí nghiệm, kế hoạch thí nghiệm 47

2.3.1.1 Lựa chọn các chỉ tiêu thí nghiệm 47

2.3.1.2 Kế hoạch thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính 52

2.3.2 Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính 52

2.3.2.1 Kết quả thí nghiệm độ kim lún (0,1mm) 52

2.3.2.2 Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm (°C) 54

2.3.2.3 Kết quả thí nghiệm cắt động lưu biến trên máy DSR 55

2.3.2.4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định độ nhớt của chất kết dính SBB 57 2.3.2.5 Một số kết quả thí nghiệm chỉ tiêu kỹ thuật khác của chất kết dính SBB

59 2.4 Kết luận chương 2 60

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI LÀM PHỤ GIA CHO BÊTÔNG ASPHALT 62

3.1 Thiết kế thành phần hỗn hợp BTAS và BTA đối chứng 62

3.1.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế thành phần BTAS và BTA đối chứng 62

3.1.2 Lựa chọn loại BTA, loại chất kết dính SBB cho BTAS trong nghiên cứu 62

3.1.2.1 Lựa chọn loại BTA trong nghiên cứu 62

3.1.2.2 Lựa chọn hàm lượng lưu huỳnh sử dụng trong BTAS 63

3.1.3 Tính toán hàm lượng chất kết dính SBB trong hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phụ gia lưu huỳnh 63

3.1.4 Lựa chọn nhiệt độ trộn và đầm nén hỗn hợp BTA và BTAS 64

3.1.5 Lựa chọn cốt liệu và bột khoáng trong nghiên cứu 64

3.1.6 Thiết kế thành phần cấp phối bê tông asphalt chặt 12,5 64

3.1.7 Xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu cho hỗn hợp BTA và BTAS theo phương pháp Marshall 66

3.1.7.1 Trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phụ gia lưu huỳnh 66

3.1.7.2 Trình tự xác định hàm lượng bitum tối ưu theo phương pháp Marshall 66

3.1.7.3 Kế hoạch thí nghiệm 66

3.1.7.4 Chế bị mẫu BTAS 67

3.1.7.5 Kết quả xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu 67

3.2 Lựa chọn các thí nghiệm thực hiện trong phòng 68

3.3 Nghiên cứu cấu trúc vi mô của BTAS 68

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu 68

3.3.2 Kết quả nghiên cứu 69

3.4 Độ ổn định, độ dẻo Marshall, độ ổn định còn lại 70

3.4.1 Kế hoạch thí nghiệm Marshall 70

3.4.2 Kết quả thí nghiệm và phân tích 71

3.4.2.1 Các chỉ tiêu về thể tích 71

3.4.2.2 Kết quả phân tích độ ổn định Marshall 73

3.4.2.3 Kết quả phân tích độ dẻo Marshall 77

3.4.2.4 Độ ổn định còn lại 79

3.5 Khả năng kháng lún vệt bánh xe 80

3.5.1 Phương pháp và kế hoạch thí nghiệm 80

3.5.2 Kết quả thí nghiệm 82

3.5.2.1 Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp C 82

3.5.2.2 Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp A 83

3.6 Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS 85

3.6.1 Phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh 85

3.6.2 Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh 86

3.6.3 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh 87

3.7 Cường độ kéo uốn của BTAS và BTA 89

3.7.1 Kế hoạch thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn của BTAS và BTA 89

3.7.2 Phương pháp thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn 89

3.7.3 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn 90

3.8 Khả năng kháng nứt của BTAS và BTA 92

3.8.1 Kế hoạch thí nghiệm xác định khả năng kháng nứt của BTAS và BTA 93

3.8.2 Phương pháp thí nghiệm 93

3.8.3 Kết quả thí nghiệm xác định khả năng kháng nứt và phân tích 95

3.9 Mô đun động của BTAS và BTA 97

3.9.1 Những vấn đề chung về mô đun đàn hồi động của BTA 97

3.9.2 Kế hoạch thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm mô đun động 98

3.9.2.1 Kế hoạch thí nghiệm mô đun động 98

3.9.2.2 Phương pháp thí nghiệm 98

3.9.3 Kết quả thí nghiệm và đánh giá mô đun động 99

3.9.4 Xây dựng đường cong chủ mô đun động của BTAS và BTA 102

3.9.5 Mô hình hóa mô đun động của BTAS và BTA 105

3.9.5.1 Lựa chọn mô hình 105

3.9.5.2 Đánh giá sự phù hợp của mô hình 2S2P1D với kết quả thí nghiệm 106

3.10 Kết luận chương 3 108

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT – LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ 110

4.1 Kết cấu áo đường mềm điển hình trên tuyến quốc lộ ở Việt Nam 110

4.1.1 KCAĐ trên các tuyến đường quốc lộ huyết mạch Eyc ≥(160–180) MPa 110

4.1.2 KCAĐ trên các tuyến đường quốc lộ khác Eyc ≥(140–155)MPa 112

4.1.3 KCAĐ trên các tuyến đường đô thị Eyc ≥(140–190)MPa 113

4.2 Đề xuất cấu tạo kết cấu áo đường mềm ứng dụng BTAS làm lớp mặt trong kết cấu áo đường ô tô ở Việt Nam 114

4.3 Kiểm toán các lớp kết cấu mặt đường mềm theo 22TCN 211-06 115

4.4 Phân tích kết cấu áo đường mềm sử dụng BTAS theo phương pháp cơ học thực nghiệm (M-E) 117

4.4.1 Tổng quan về thiết kế áo đường mềm theo phương pháp cơ học – thực nghiệm 117 4.4.2 Ứng dựng phương pháp cơ học - thực nghiệm phân tích kết cấu áo đường mềm trong luận án 119

4.4.2.1 Giao thông 119

4.4.2.2 Số liệu khí hậu 121

4.4.2.3 Lựa chọn kết cấu mặt đường phân tích 121

4.4.2.4 Xác định thông số cần thiết của các lớp vật liệu 121

4.4.2.5 Kết quả phân tích kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp cơ học – thực nghiệm 121

vi 4.5 Xác định chi phí xây dựng KCAĐ khi sử dụng BTAS và BTA 12,5 đối chứng124

4.5.1 Các căn cứ lập chi phí xây dựng KCAĐ sử dụng BTAS và BTA 12,5 124

4.5.2 Kết quả xác định chi phí xây dựng KCAĐ khi sử dụng BTAS và BTA đối chứng 125 4.6 Công nghệ sản xuất và thi công mặt đường bê tông asphalt – lưu huỳnh 126

4.6.1 Công nghệ sản xuất bê tông asphalt – lưu huỳnh 126

4.6.2 Công nghệ thi công mặt đường bê tông asphalt – lưu huỳnh 127

4.6.3 Biện pháp đảm bảo an toàn lao động trong sản xuất, thi công BTAS 127

4.7 Tác động về môi trường khi sử dụng lưu huỳnh làm phụ gia cho bê tông asphalt

127 4.7.1 Ảnh hưởng của lưu huỳnh đến môi trường và con người 127

4.7.2 Kết quả quan trắc nồng độ của khí thải (H2S và SO2) trong sản xuất và thi công BTAS tại một số dự án trên Thế giới 129

4.7.2.1 Kết quả quan trắc của FHWA [41] 129

4.7.2.2 Kết quả quan trắc tại tiểu vương quốc Ả rập Saudi [54] 129

4.7.3 Biện pháp giảm thiểu khí thải H2S và SO2 trong sản xuất và thi công BTAS

131 4.8 Kết luận chương 4 132

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 136

TÀI LIỆU THAM KHẢO 137

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ

CHƯƠNG 1.

Hình 1-1 Bản đồ các nước sản xuất lưu huỳnh trên Thế giới năm 2010 (trái) và sản

lượng lưu huỳnh năm 2019 (phải) 3

Hình 1-2 Cấu trúc của vật rắn [20] 4

Hình 1-3 Trục tinh thể và ô đơn vị [20] 5

Hình 1-4 Cấu tạo 7 loại mạng tinh thể của vật rắn [20] 5

Hình 1-5 Ô mạng tinh thể [20] 6

Hình 1-6 Mô hình cấu tạo vòng của phân tử lưu huỳnh S8 [57] 6

Hình 1-7 Sự biến đổi S8 thành Sn [57] 7

Hình 1-8 Sự chuyển đổi các dạng thù hình của lưu huỳnh [25] 8

Hình 1-9 Hình thái của lưu huỳnh tinh thể dạng thù hình Orthorhombic (a) và Monoclinic (b) [25] 8

Hình 1-10 Sự thay đổi độ nhớt của lưu huỳnh theo nhiệt độ [41] 10

Hình 1-11 Sơ đồ hình thành chuỗi lưu huỳnh trùng hợp [25] 11

Hình 1-12 Cấu trúc của Asphalten [69] 12

Hình 1-13 Cấu trúc vòng thơm [69] 13

Hình 1-14 Cấu trúc Hydrocacbon no [69] 13

Hình 1-15 Hàm lượng lưu huỳnh hòa tan và lưu huỳnh tinh thể trong SBB [25], [41] 16

Hình 1-16 Lưu huỳnh sơ chế dạng viên rắn [45] 18

Hình 1-17 Lưu huỳnh nguyên chất dạng viên rắn của Nhà máy Dung Quất 19

Hình 1-18 Kết quả thí nghiệm APA (8000 lượt bánh xe, nhiệt độ 700C) [46] 22

Hình 1-19 Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall ở Qatar với hàm lượng lưu huỳnh 40% [45] 22

Hình 1-20 Độ nhớt của SBB với tỉ lệ lưu huỳnh khác nhau (1-1200C, 2-1300C, 3-1400C, 4-1500C) [75] 24

Hình 1-21 Kết quả kiểm tra độ sâu vệt hằn bánh xe theo AASHTO TP63 và AASHTO T324 [76] 25

CHƯƠNG 2. Hình 2-1 Máy khuấy đũa phục vụ chế tạo chất kết dính SBB 34

Hình 2-2 Nguyên lý nhiễu xạ tia X [17] 35

Hình 2-3 Giản đồ nhiễu xạ tia X [17] 35

Hình 2-4 Thiết bị nhiễu xạ tia X D8 Advance Eco của hãng Bruker – Đức 36

Hình 2-5 Nguyên lý phương pháp chuyển đổi hồng ngoại FTIR 36

Hình 2-6 Dải hấp phụ chuyển đổi hồng ngoại FTIR 37

Hình 2-7 Thiết bị quang phổ hồng ngoại FT/IR 4600 type A – Nhật Bản 38

Hình 2-8 Thiết bị chụp hiển vi điện tử SEM (hãng FEI – Mỹ) 39

Hình 2-9 Lưu huỳnh của Nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất 40

Hình 2-10 Giản đồ XRD của mẫu lưu huỳnh Dung Quất 40

Hình 2-11 Quang phổ hồng ngoại hấp phụ của các mẫu SBB 41

Hình 2-12 Hình ảnh SEM của mẫu bitum 60/70 44

Hình 2-13 Hình ảnh SEM của mẫu SBB_10/90 44

Hình 2-14 Hình ảnh SEM của mẫu SBB_30/70 45

Hình 2-15 Thiết bị thí nghiệm và mẫu thí nghiệm độ kim lún 48

Hình 2-16 Thiết bị thí nghiệm và mẫu thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm 48

Hình 2-17 Thiết bị đo độ nhớt Brookfield và nguyên lý hoạt động 50

Hình 2-18 Thiết bị thí nghiệm MCR 102 và sơ đồ nguyên lý hoạt động DSR 51

Hình 2-19 Độ kim lún của các mẫu SBB theo ngày tuổi 53

Hình 2-20 Nhiệt độ hóa mềm của các mẫu SBB theo ngày tuổi 54

Hình 2-21 G*/sinδ của các mẫu SBB ở tần số 1,59 Hz (10 rad/s) theo nhiệt độ ở 0 ngày tuổi 56

Hình 2-22 G*/sinδ của các mẫu SBB ở tần số 1,59 Hz (10 rad/s) theo nhiệt độ, theo ngày tuổi 56

Hình 2-23 G*/sinδ của các mẫu SBB với tần số 1,59 Hz (10 rad/s) theo các ngày tuổi ở 64°C 57

Hình 2-24 Độ nhớt của các mẫu SBB theo nhiệt độ và tỉ lệ lưu huỳnh/bitum 58

Hình 2-25 Biểu độ quan hệ độ nhớt – nhiệt độ của các mẫu SBB 59

CHƯƠNG 3. Hình 3-1 Đường cong cấp phối BTA 12,5 thiết kế 65

Hình 3-2 Kết quả chụp SEM (a, b) và phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (c, d) mẫu BTAS_30/70 sau 14 ngày 69

Hình 3-3 Phân tích hậu định sự khác biệt độ rỗng dư các loại BTA 73

Hình 3-4 Phân tích hậu định sự khác biệt độ rỗng cốt liệu các loại BTA 73

Hình 3-5 Biểu đồ phân tích điều kiện áp dụng phương pháp thống kê 74

Hình 3-6 Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng độ ổn định 74

Hình 3-7 Ảnh hưởng các yếu tố tỉ lệ lưu huỳnh, ngày tuổi đến độ ổn định Marshall 75 Hình 3-8 Độ ổn định Marshall của BTAS 76

Hình 3-9 Phân tích phương sai và hậu định độ ổn định Marshall mẫu BTAS_30/70 BTAS_40/60 theo thời gian 76

Hình 3-10 Ảnh hưởng các yếu tố tỉ lệ lưu huỳnh, ngày tuổi đến độ dẻo Marshall 77

Hình 3-11 Độ dẻo Marshall của BTAS 77

Hình 3-12 Biểu đồ thay đổi độ ổn định và độ dẻo Marshall theo thời gian 78

Hình 3- 13 Biểu đồ độ ổn định Marshall còn lại 79

Hình 3-14 Thiết bị thí nghiệm theo phương pháp C (hình a) và phương pháp A (hình b) 81

Hình 3-15 Kết quả thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe theo phương pháp C 82

Hình 3-16 Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTA_12,5 theo phương pháp A 83

Hình 3-17 Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTAS_30/70_14 theo phương pháp A 84

Hình 3-18 Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTAS_40/60_14 theo phương pháp A 84

Hình 3-19 Sơ đồ thử nghiệm xác định mô đun đàn hồi theo 22TCN 211-06 85

Hình 3-20 Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh 86

Hình 3-21 Biến dạng đàn hồi của mẫu thí nghiệm theo thời gian gia tải và dỡ tải 86

Hình 3-22 Ảnh hưởng các yếu tố Tỷ lệ lưu huỳnh, nhiệt độ đến E tĩnh 88

Hình 3-23 Ảnh hưởng tương tác các yếu tố Tỷ lệ lưu huỳnh * Nhiệt độ đến E tĩnh 88

Hình 3-24 Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS và BTA 88

Hình 3-25 Thí nghiệm ép chẻ mẫu BTA trên máy Marshall và hình ảnh mặt vỡ của mẫu sau khi ép chẻ 90

Hình 3-26 Cường độ chịu kéo khi ép chẻ của BTAS và BTA đối chứng 92

Hình 3-27 Biểu đồ so sánh cường độ chịu kéo khi ép chẻ của các loại BTA 92

Hình 3-28 Bộ thiết bị thí nghiệm xác định chỉ số CTIndex 94

Hình 3-29 Đường cong quan hệ giữa lực - chuyển vị 94

Hình 3-30 Đường cong lực - chuyển vị tổ mẫu BTAS_30/70 95

Hình 3-31 Đường cong lực - chuyển vị tổ mẫu BTAS_40/60 95

Hình 3-32 Đường cong lực - chuyển vị tổ mẫu BTA12,5 95

Hình 3-33 Kết quả thí nghiệm CTIndex của BTAS và BTA 96

Hình 3-34 Biểu đồ so sánh CTIndex của các loại BTAS 96

Hình 3-35 Các chu kỳ ứng suất và biến dạng của mô đun động 98

Hình 3-36 Thiết bị đầm xoay Troxler 99

Hình 3-37 Thí nghiệm mô đun động 99

Hình 3-38 Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng đến |E*| 100

Hình 3-39 Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến |E*| 101

Hình 3-40 Biểu đồ mô đun động của BTA 101

Hình 3-41 Biểu đồ mô đun động của BTAS_30/70 101

Hình 3-42 Biểu đồ mô đun động của BTAS_40/60 102

Hình 3-43 Xây dựng đường cong chủ |E*| của BTAS_30/70 ở nhiệt độ tham chiếu 30°C 103 Hình 3-44 Đường cong chủ |E*| của BTA, BTAS_30/70, BTAS_40/60 ở nhiệt độ tham chiếu 30°C 103

Hình 3-45 Biểu đồ quan hệ giữa aT thực và aT theo quy tắc WLF với nhiệt độ 104

Hình 3-46 Sơ đồ mô tả mô hình 2S2P1D [65] 105

Hình 3-47 Mô hình hóa đường cong chủ |E*| của BTAS và BTA 106

CHƯƠNG 4. Hình 4-1 Trình tự thiết kế KCAĐ mềm theo phương pháp M-E [19], [33] 118

Hình 4-2 Mô hình dây chuyền trạm trộn BTAS theo phương pháp trộn bitum và lưu huỳnh trước [71] 126

Hình 4-3 Quá trình hình thành khí H2S và SO2 [77] 128

DANH MỤC BẢNG BIỂU

CHƯƠNG 1.

Bảng 1-1 Điểm nóng chảy của lưu huỳnh 9

Bảng 1-2 Khối lượng riêng của lưu huỳnh 11

CHƯƠNG 2. Bảng 2-1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của bitum 60/70 29

Bảng 2-2 Kế hoạch thí nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, bitum và SBB 39

Bảng 2-3 Kế hoạch thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính 52

Bảng 2-4 Nhiệt độ trộn và đầm nén của hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng chất kết dính SBB 59

Bảng 2-5 Bảng kết quả thí nhiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật của chất kết dính SBB 59

CHƯƠNG 3. Bảng 3-1 Bảng tính toán thành phần cấp phối BTA 12,5 65

Bảng 3-2 Số lượng mẫu thí nghiệm xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu 67

Bảng 3-3 Hàm lượng chất kết dính tối ưu của các hỗn hợp BTA, BTAS 68

Bảng 3-4 Số lượng mẫu thí nghiệm Marshall 71

Bảng 3-5 Các đặc trưng thể tích của các loại BTA 72

Bảng 3-6 Thông số phân tích phương sai với Va, VMA và VFA 72

Bảng 3-7 Độ ổn định Marshall còn lại các mẫu BTA, BTAS 79

Bảng 3-8 Kế hoạch thí nghiệm đánh giá khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS và BTA 82

Bảng 3-9 Kết quả thí nghiệm xác định độ ổn định động của BTAS và BTA12,5 82

Bảng 3-10 Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh 86

Bảng 3-11 Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn 89

Bảng 3-12 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn 91

Bảng 3-13 Kế hoạch thí nghiệm IDEAL-CT 93

Bảng 3-14 Kế hoạch thí nghiệm mô đun động |E*| 98

Bảng 3-15 Kết quả xác định các hệ số của quy tắc WLF 104

Bảng 3-16 Các thông số của mô hình 2S2P1D mô phỏng đường cong chủ |E*| 106

Bảng 3-17 Đánh giá mức độ phù hợp của mô hình 2S2P1D với số liệu đo |E*| 107

CHƯƠNG 4.

Bảng 4-1 Thông số đặc trưng của các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường đề xuất 115

Bảng 4-2 Kết quả kiểm toán kết cấu áo đường (Eyc =160) theo 22TCN 211-06 116

Bảng 4-3 Đề xuất phân loại xe sử dụng trong M-E ở Việt Nam 119

Bảng 4-4 Lưu lượng xe dự báo năm đầu và hệ số tăng trưởng xe 120

Bảng 4-5 Số liệu giao thông tính toán trong phân tích M-E 121

Bảng 4-6 Các kết quả phân tích KC1 và KC2 theo phương pháp M-E trường hợp lưu lượng xe nặng năm đầu (N0) bằng 1.000 xe/ngđ 122

Bảng 4-7 Các kết quả phân tích KC1 và KC2 theo phương pháp M-E trường hợp lưu lượng xe nặng năm đầu (N0) bằng 2.000 xe/ngđ 122

Bảng 4-8 Các kết quả phân tích KC1 và KC2 theo phương pháp M-E trường hợp lưu lượng xe nặng năm đầu (N0) bằng 3.000 xe/ngđ 123

Bảng 4-9 Các kết quả phân tích KC1 và KC2 theo phương pháp M-E trường hợp lưu lượng xe nặng năm đầu (N0) bằng 4.000 xe/ngđ 123

Bảng 4-10 Bảng tổng hợp sơ bộ chi phí xây dựng KCAĐ 125

: (American Association of State Highway and Transportation Officials) Hiệp

hội những người làm vận tải và đường bộ Mỹ

: (American Society for Testing and Material) Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm

Mỹ: (Asphalt Pavement Analyzer) Thiết bị phân tích mặt đường bê tông asphalt: Bê tông asphalt

: Bê tông asphalt – lưu huỳnh: Cấp phối đá dăm

: (Dynamic Shear Rheometer) Cắt động lưu biến: Đá - nhựa chặt

: (Federal Highway Administration) Cục quản lý đường bộ Liên bang Mỹ: (Fourier Transform Infra-Red) Chuyển đổi hồng ngoại

: Kết cấu áo đường: (Hot mix asphalt) Bê tông nhựa rải nóng: (Mechanistic – Empirical) Cơ học – Thực nghiệm: (National Center for Asphalt Technology) Trung tâm Công nghệ AsphaltQuốc gia (Mỹ)

: (Sulfur Bitumen Binder) Chất kết dính bitum – lưu huỳnh: Lưu huỳnh/bitum (tỷ lệ theo khối lượng chất kết dính SBB): (Scanning Electron Microscope) Kính hiển vi điện tử quét: Tiêu chuẩn ngành

: Tiêu chuẩn Việt Nam: (Air Voids ) Độ rỗng dư: (Voids Filled with Asphalt ) Độ rỗng lấp đầy bitum: (Voids in the Mineral Aggregate )Độ rỗng cốt liệu: Vệt hằn bánh xe

: (Warm mix asphalt) Bê tông nhựa rải ấm: (Xray Powder Diffraction) Nhiễu xạ bột tia X

(2) tạo ra và tích tụ chất thải (bao gồm hữu cơ và vô cơ; nguy hiểm và không nguy hiểm);

và (3) tác động và làm suy thoái môi trường (đối với không khí, nước, đất đai, quần thểsinh vật) Đây là những thách thức mà các nước trên thế giới đang phải đối mặt và cần cóquyết sách thực hiện nhằm mục đích dung hòa 3 lĩnh vực chính “kinh tế - xã hội - môitrường” để đạt được sự phát triển bền vững

Hiện nay trên thế giới, phát triển bền vững là một trong những lĩnh vực ngày càng đượcquan tâm Phát triển bền vững là một loại hình phát triển mới, lồng ghép quá trình sảnxuất với bảo tồn tài nguyên và nâng cao chất lượng môi trường

Trong ngành khai thác, sản xuất khoáng sản nói chung và ngành dầu khí nói riêng, cácquy định về kiểm soát phát thải ngày càng nghiêm ngặt Vì vậy mối quan tâm chính làlàm thế nào để vừa tiếp tục sản xuất các nguyên liệu cần thiết vừa bảo vệ môi trường.Việc thu hồi lưu huỳnh – sản phẩm phụ của quá trình khai thác khoáng sản và lọc hóadầu, giúp ngăn chặn sự phát thải của khí SO2 và các hợp chất có hại khác vào khí quyển,tránh những tác động có hại của những khí thải đó, dẫn đến sản lượng lưu huỳnh trên thếgiới ngày càng gia tăng Ngành công nghiệp lưu huỳnh đang đối mặt với câu hỏi phải làm

gì với tất cả lượng lưu huỳnh được tạo ra, trong khi sản lượng lưu huỳnh hiện tại đã vượtquá mức tiêu thụ Do vậy trong thế kỷ XXI cần phải mở rộng hơn nữa việc tiêu thụ lưuhuỳnh ở các thị trường phi truyền thống, đồng thời tìm ra các phương án có thể chấp nhậnđược để sử dụng lưu huỳnh dư thừa mà không ảnh hưởng đến việc bảo vệ môi trường Sửdụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt là một trong những giải phápđược các nước trên thế giới (Mỹ, Nga, Canada, Ả rập Sau di, Trung Quốc, Ấn độ, Qatar,

…) áp dụng để xử lý nguồn lưu huỳnh sẵn có đang dư thừa và kết quả của việc ứng dụngnày cũng đã đạt được những thành tựu nổi bật về mặt kỹ thuật như bê tông asphalt – lưuhuỳnh có độ ổn định Marshall, khả năng kháng lún vệt bánh xe và khả năng kháng ănmòn do sự cố chảy dầu cao hơn so với bê tông asphalt thông thường

Tại Việt Nam, với sự phát triển của công nghệ, các nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất, NghiSơn được xây dựng, mở rộng và nâng cấp để sản xuất các sản phẩm lọc dầu sạch và ít gây

ô nhiễm môi trường, ngoài xăng dầu sẽ có thêm các loại bitum, dầu nhờn, lưu huỳnh vànhiều chủng loại sản phẩm trung gian và thành phẩm hóa dầu khác Theo số liệu của Công tyTNHH một thành viên Lọc hóa dầu Bình Sơn (BSR), sản lượng lưu huỳnh được thu hồi tại Nhàmáy lọc dầu Dung Quất là khoảng 18 tấn/ngày với độ tinh khiết 99,99% và trữ lượng lưu huỳnh

sẽ tăng lên khi Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn đi vào hoạt động Trong khi

đó các nghiên cứu về ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tạiViệt Nam còn hạn chế và chưa có nghiên cứu nào sử dụng nguồn lưu huỳnh sẵn có trongnước Vì vậy đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh khi sử dụng làm phụgia cho bê tông nhựa” sử dụng lưu huỳnh tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất là cần thiết

Đề tài luận án nhằm đánh giá ảnh hưởng của lưu huỳnh Dung Quất khi ứng dụng trongxây dựng mặt đường bê tông asphalt trên các tuyến quốc lộ tại Việt Nam, cụ thể: (1)Nghiên cứu cấu trúc, độ tinh khiết của lưu huỳnh; (2) Nghiên cứu tương tác của lưuhuỳnh, hình thái tồn tại của lưu huỳnh khi trộn vào bitum và trộn vào hỗn hợp bê tôngasphalt; (3) Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính bitum – lưu huỳnh (SBB),

bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) từ đó lựa chọn điều kiện sản xuất, thi công phù hợp

và đánh giá khả năng ứng dụng của BTAS trong KCAĐ mềm trên các tuyến quốc lộ

III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

lớn nhất danh định 12,5 mm sử dụng bitum 60/70 và cốt liệu, lưu huỳnh ở Việt Nam

b) Phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án: Đề tài luận án tập trung nghiên cứu đặc trưng

hình thái, tính chất và các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu, chất kết dính SBB, BTAS trong phòng thí nghiệm và ứng xử của BTAS khi sử dụng làm lớp mặt của KCAĐ mềm

IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỂ TÀI

nghiệm nghiên cứu cấu trúc, hình thái của vật liệu lưu huỳnh Dung Quất, chất kết dínhSBB, BTAS, khảo sát ảnh hưởng của lưu huỳnh đối với đặc tính của SBB và BTAS, từ đóđánh giá khả năng ứng dụng của lưu huỳnh Dung Quất trong xây dựng dựng mặt đường bêtông asphalt trên các tuyến giao thông với điều kiện ở Việt Nam

pháp thí nghiệm và các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của BTAS, đề xuất kết cấu áo đường có sử dụng BTAS trong xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ LƯU HUỲNH VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT

1.1 Tổng quan về lưu huỳnh

1.1.1 Khái niệm, nguồn gốc và ứng dụng của lưu huỳnh

Lưu huỳnh là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu S và có số nguyên tử

16, là một phi kim phổ biến, không mùi, không vị, nhiều hóa trị Lưu huỳnh trong dạnggốc là chất rắn kết tinh màu vàng chanh Trong tự nhiên, nó có thể được tìm thấy ở dạngđơn chất hay trong các khoáng chất sulfua và sulfat

Lưu huỳnh dạng đơn chất có thể tìm thấy ở gần các suối nước nóng và các khu vực núilửa tại nhiều nơi trên thế giới, tồn tại trong các mỏ muối, là sản phẩm phụ được thu hồi từcác nhà máy lọc hóa dầu, sản xuất khí tự nhiên và nhà máy luyện kim loại màu

Sản lượng lưu huỳnh được sản xuất ở các quốc gia trên Thế giới vào các năm 2010 và

2019 thể hiện như trên Hình 1-1 (đơn vị tính 1000 tấn, số liệu được cập nhập từ trangweb https://www.statista.com)

Hình 1-1 Bản đồ các nước sản xuất lưu huỳnh trên Thế giới năm 2010 (trái) và sản

lượng lưu huỳnh năm 2019 (phải)

Lưu huỳnh có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như sản xuất axít sulfuric, ắc quy, bộtgiặt, thuốc diệt nấm và các phân bón phốt-phat Lưu huỳnh cũng được dùng để lưu hóacao su, làm trắng giấy Do bản chất dễ cháy, lưu huỳnh còn được ứng dụng trong các loạidiêm, thuốc súng và pháo hoa

Từ cuối những năm 1800 và đầu những năm 1900 đến nay lưu huỳnh được nghiên cứu ứngdụng nhằm cải tiến bitum trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt Trong một thập niêntrở lại đây sản lượng lưu huỳnh toàn cầu đã vượt qua nhu cầu tiêu thụ từ 1-2 triệu tấn/năm,lượng lưu huỳnh dư thừa năm 2010 khoảng 1-3 triệu tấn/năm [83] Do vậy tính ứng dụng củalưu huỳnh đã được quan tâm nhiều hơn ở rất nhiều quốc gia cộng với sự gia tăng của giábitum nên việc phát triển ứng dụng của lưu huỳnh để làm đường giao thông là một xu hướngnổi bật và tất yếu Sử dụng lưu huỳnh để làm phụ gia cho bê tông asphalt có thể giúp tiêu thụmột lượng đáng kể lưu huỳnh, ngay cả khi lưu huỳnh chỉ thay thế được 5% lượng bitum hiệntại thì cũng có thể tiêu thụ gần một triệu tấn lưu huỳnh mỗi năm và có thể giúp giảm bớtlượng dư thừa lưu huỳnh vốn đang ngày càng gia tăng [83].

1.1.2 Hình thái của lưu huỳnh

sắp xếp ngẫu nhiên các phân tử hoặc các nguyên tử và thường có đặc tính đẳng hướng(các tính chất giống nhau ở tất cả các hướng đo) Hình dạng hình học có thể được sửdụng để phân loại tinh thể

Dạng tinh thể Dạng vô định hình

Hình 1-2 Cấu trúc của vật rắn [20]

và góc giữa chúng được gọi là hằng số mạng.

8 Monoclinic (Đơn nghiêng/xiên)

9 Triclinic (Không đối xứng)

biểu diễn vị trí của nó thì những điểm biểu diễn đó sẽ lặp lại tuần hoàn trong không giantạo thành mạng lưới không gian Mạng không gian cho biết trật tự tuần hoàn của tinh thể,điểm biểu diễn vị trí gọi là nút mạng Biết được mạng không gian và ô cơ sở tương ứngvới nút mạng là biết được cấu trúc tinh thể [20] Tùy theo kiểu sắp xếp của nguyên tửtrong ô mạng hình thành nên các kiểu cấu trúc tinh thể khác nhau.

Mạng tinh thể

Hình 1-5 Ô mạng tinh thể [20]

1.1.2.2 Các dạng thù hình của lưu huỳnh

Lưu huỳnh là một chất rắn màu vàng, nó là một phi kim điển hình và được tìm thấy trongNhóm VII của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học

độ đàn hồi và độ dẫn nhiệt theo trục z thấp hơn nhiều so với trục x và y

Hình 1-6 Mô hình cấu tạo vòng của phân tử lưu huỳnh S 8 [57]

b) Các dạng thù hình của lưu huỳnh lỏng

Thành phần cân bằng của lưu huỳnh lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, bao gồm một hỗn hợpphức tạp của các đồng vị Các loại phân tử đã được quan sát bao gồm S2, S3, S4, S5, S6,

S7, S8, S12, poly-catena S∞ (polyme) và Sπ (hỗn hợp của các đồng vị) Thù hình có sốlượng nhiều nhất là cyclo-octal sulfur (cyclo-S8) bao gồm một cấu hình vòng tròn gồmtám nguyên tử lưu huỳnh trong đó các nguyên tử ở các góc được xoay 45° so với nhau.Thù hình này tương đối ổn định và cũng xảy ra ở trạng thái khí và rắn

Ở nhiệt độ xấp xỉ 159,4°C, đặc tính của lưu huỳnh lỏng thay đổi do kết quả của phản ứng trùng hợp Nhiệt độ này thường được gọi là nhiệt độ λ

Lý thuyết cơ bản mô tả sự trùng hợp của lưu huỳnh lỏng: Cyclo-S8 thay đổi thành chuỗi hoặc catena và poly-catena, theo hai bước:

Cyclo–S8 ↔ Catena–S8

Catena–S8 + Cyclo-S8 → Catena–S8*2

Bước 1: Chuyển đổi các phân tử cyclo-S8 thành chuỗi S8

Bước 2: Chuỗi S8 kết hợp với một phân tử cyclo-S8 khác cũng chuyển đổi thành cấu trúcchuỗi Các chuỗi tiếp tục phát triển bằng cách thêm nhiều phân tử S8

1.1.2.3 Sự chuyển đổi của các thù hình

a) Dạng thù hình Rhombic and Monoclinic:

Lưu huỳnh Rhombic (hình thoi) có cấu trúc tinh thể trực giao (α-lưu huỳnh) và ổn địnhdưới 95,5°C; hầu hết lưu huỳnh ở dạng này Lưu huỳnh dạng monoclinic (đơn xiên) hoặchình lăng trụ (β-lưu huỳnh) có các tinh thể dài, giống như kim, gần như trong suốt; nó ổnđịnh trong khoảng 95,5°C đến 119°C (điểm nóng chảy của lưu huỳnh)

Hình 1-8 Sự chuyển đổi các dạng thù hình của lưu huỳnh [25]

Khi được bảo quản ở nhiệt độ phòng lưu huỳnh đơn xiên chuyển thành lưu huỳnh trựcgiao hình thoi trong vòng 20 giờ [25]

Lưu huỳnh rắn nóng chảy thành chất lỏng màu vàng rơm gọi là lambda (λ) – lưu huỳnh.Nếu chất lỏng được làm lạnh chậm, các tinh thể đơn hình kim hình thành Khi nhiệt độxuống dưới 96°C, các tinh thể này từ từ thay đổi thành dạng trực giao, một vi tinh thể.Lưu huỳnh tinh thể thù hình hệ thoi (Sα) là dạng duy nhất có thể ổn định trong điều kiệnnhiệt độ và áp suất bình thường

Lưu huỳnh Orthorhombic Lưu huỳnh Monoclinic

Lưu huỳnh vô định hình là một chất tối, không kết tinh và giống như kẹo cao su Nó thường

được cho là một chất lỏng siêu lạnh; nó được hình thành bằng cách làm lạnh nhanh lưuhuỳnh nóng chảy Nó từ từ trở lại hình dạng trực giao khi ổn định Các dạng tinh thể dễdàng hòa tan trong carbon disulfide, nhưng dạng vô định hình thì không.

1.1.3 Đặc tính của lưu huỳnh

1.1.3.1 Điểm nóng chảy và kết tinh

Lưu huỳnh nguyên tố có nhiều điểm nóng chảy và kết tinh tùy thuộc vào các dạng thùhình rắn khi bắt đầu nóng chảy và nồng độ của các chất đồng vị trong quá trình nóngchảy như trong Bảng 1-1 [25]

Bảng 1-1 Điểm nóng chảy của lưu huỳnh

Trong nghiên cứu của tác giả Djimаsbе R và các cộng sự [39], theo nhiệt độ, lưu huỳnhsbе R và các cộng sự [39], theo nhiệt độ, lưu huỳnh

có thể tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng và khí Cấu trúc phân tử lưu huỳnh và khả năngtham gia các phản ứng hóa học cũng phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ Ở khoảng nhiệt độcao, lưu huỳnh tồn tại ở trạng thái lỏng và các đặc tính nhớt của lưu huỳnh thể lỏng cũngthay đổi phức tạp theo nhiệt độ

Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy (dưới 113oC), Sα và Sβ là chất rắn, màu vàng

Ở nhiệt độ 117oC, độ nhớt của lưu huỳnh tinh khiết là 0,011 Pa.s và giảm khi nhiệt độ giatăng

Ở nhiệt độ 119oC, lưu huỳnh nóng chảy thành chất lỏng màu vàng, rất linh động Ở nhiệt

độ này, các phân tử S8 chuyển động trượt trên nhau rất dễ dàng làm độ nhớt của lưu huỳnhgiảm Ở nhiệt độ 155°C, độ nhớt lưu huỳnh dạng lỏng giảm xuống mức thấp nhất (0,0065Pa.s) Tuy nhiên, sau khoảng nhiệt độ 158oC, lưu huỳnh có màu nâu, độ nhớt của lưu huỳnh

lỏng đảo chiều, tăng theo nhiệt độ và đạt tới độ nhớt tối đa khoảng 93,3 Pa.s ở nhiệt độ

187oC và lại giảm xuống mức 0,16 Pa.s khi nhiệt độ tăng đến 400oC

Sự thay đổi độ nhớt phức tạp này của lưu huỳnh lỏng được các tác giả lý giải bởi sự thayđổi cấu trúc phân tử lưu huỳnh Ở nhiệt độ môi trường, phân tử lưu huỳnh tinh thể códạng vòng, gồm 8 nguyên tử (tinh thể dạng hệ thoi (Sα) hoặc đơn xiên (Sβ)), chúng bắtđầu bị phá vỡ ở nhiệt độ 155-160°C, độ nhớt giảm xuống mức thấp nhất Nhiệt độ tăng,các phân tử cấu trúc vòng liên kết với nhau, tạo thành các chuỗi dài lên đến vài nghìnnguyên tử (lưu huỳnh trùng hợp Sχ) Đây là nguyên nhân làm độ nhớt của lưu huỳnh dạnglỏng tăng đột biến Khi nhiệt độ tiếp tục tăng, dẫn đến sự phá vỡ các chuỗi nguyên tử lạilàm giảm độ nhớt Sự thay đổi độ nhớt có liên quan đến nồng độ và chiều dài của poly-catena trong chất lỏng Sự tăng vọt của độ nhớt ở khoảng 160°C phản ánh sự gia tăng cả

về nồng độ và chiều dài của các phân tử poly-catena

Hình 1-11 Sơ đồ hình thành chuỗi lưu huỳnh trùng hợp [25]

1.1.3.3 Khối lượng riêng

Theo [57] khối lượng riêng của nhiều đồng vị lưu huỳnh rắn như trong Bảng 1-2

Bảng 1-2 Khối lượng riêng của lưu huỳnh

Phân tích thành phần nguyên tố các loại bitum sản xuất từ các nguồn dầu thô khác nhaucho thấy hầu hết các loại bitum dầu mỏ có chứa [69]:

a) Asphalten

Asphalten là những chất rắn không kết tinh, vô định hình, màu nâu hoặc đen không tantrong n-heptan Thành phần chính của asphalten là cacbon và hydro, ngoài ra còn chứa

nitơ, lưu huỳnh và oxy Asphaltenes chiếm khoảng 5-25% thành phần của bitum và là thành

phần trọng lượng phân tử cao dao động từ 600 đến 30.000 [69] Sự gia tăng hàm lượngasphalten sẽ tạo ra bitumen cứng hơn với độ kim lún thấp, nhiệt độ hóa mềm và độ nhớtcao hơn [69]

R- Chuỗi Aliphatic, napthenic hoặc cacbon thơm

Hình 1-12 Cấu trúc của Asphalten [69]

b) Nhóm chất nhựa

Nhóm chất nhựa gồm những hợp chất có phân tử lượng cao hơn (500–50.000), khốilượng riêng xấp xỉ bằng 1 (g/cm3), màu nâu sẫm Nó có thể hoà tan trong benzen, etxăng,clorofooc Nhóm chất nhựa trung tính (tỷ lệ H/C= 1,6–1,8) làm cho bitum có tính dẻo.Hàm lượng của nó tăng, độ dẻo của bitum cũng tăng lên Nhựa axit (H/C= 1,3–1,4) làmtăng tính dính bám của bitum vào đá Hàm lượng của nhóm chất nhựa trong bitum dầu

mỏ vào khoảng 15–30%

Nhóm chất nhựa đóng vai trò là các chất phân tán hay là các chất peptit đối với cácasphalten, tỉ lệ nhựa đối với asphalten chi phối tới một mức độ nhất định tính hòa tan (sol)hay đặc điểm, chủng loại keo trong thành phần của bitum, đặc tính cấu trúc của bitum [69]

c) Nhóm chất dầu (thơm)

Gồm những hợp chất có phân tử lượng thấp (300–2000), không màu, khối lượng riêng nhỏ (0,91–0,925 g/cm3) Nhóm chất dầu làm cho bitum có tính lỏng Nếu hàm lượng của nhóm này tăng lên, tính quánh của bitum sẽ giảm Trong bitum nhóm chất dầu chiếm khoảng 45– 60% Nhóm chất dầu là môi trường phân tán chính cho các asphalten peptit hóa Chúng gồm các chuỗi cacbon không phân cực, trong đó hệ vòng chưa no chiếm phần lớn Chúng có khả năng hòa tan đối với các hydrocacbon có trọng lượng phân tử cao R- Chuỗi cacbon thơm hoặc napthenic

Hình 1-13 Cấu trúc vòng thơm [69]

d) Nhóm chất bão hòa

Chất bão hòa là các loại dầu nhớt không cực, bao gồm 5-20% lượng bitum tổng thể [69] Cácchất bão hòa gồm các hydrocacbon béo dạng chuỗi thẳng hoặc phân nhánh, cùng với alkyl-naphthen và một số alkyl thơm Phân tử lượng trung bình nằm trong phạm vi tương đươngcác chất thơm và thành phần gồm các chất no parafin và không thuộc dạng parafin

C- Cacbon H- Hydro R- Chuỗi cacbon béo và napthenic

Hình 1-14 Cấu trúc Hydrocacbon no [69]

e) Nhóm chức năng (các phân tử chứa các nguyên tử lưu huỳnh, nitơ, oxy)

Nhóm chức năng chịu trách nhiệm cho hầu hết các liên kết hydro, chúng góp phần tạo ranhiều tính chất hóa học và vật lý độc đáo của bitum bằng cách hình thành mối liên kếtgiữa các phân tử

1.2.2 Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum

Tính chất hóa học và vật lý độc đáo của lưu huỳnh tinh khiết làm cho nó có thể ứng dụng

trong trong cải tiến vật liệu xây dựng.

Lưu huỳnh khi được thêm vào bitum đóng vai trò như một chất hóa học và chất độn, cóthể có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của bitum Sự ảnh hưởng này phụ thuộc vàohàm lượng lưu huỳnh được thêm vào bitum, nhiệt độ, thời gian khấy trộn

Khi lưu huỳnh, bitum được nung nóng và kết hợp tạo thành chất kết dính SBB, có thể xảy

ra 3 loại phản ứng khác nhau [43]:

a) Lưu huỳnh có thể liên kết hoá học với bitum

b) Lưu huỳnh có thể hòa tan trong bitum

c) Lưu huỳnh tồn tại trong hỗn hợp dưới dạng tinh thể nhỏ rời rạc phân tán trong bitum

1.2.2.1 Liên kết hóa học bitum – lưu huỳnh

Theo tài liệu nghiên cứu [43], trên cơ sở kết quả điều tra phức tạp về các sản phẩm củaphản ứng lưu huỳnh với hydrocarbon, cơ chế phản ứng có khả năng nhất giữa lưu huỳnh

và bitum như sau:

S8 → 4oSSoR-CH3 + oSSo → R-CH2 o + HSSoHSSo → HSo + S

R-CH3 + HSo → R-CH2 o

+ H2SR-CH2 o

Ở dải nhiệt độ thấp (130-150°C) [44], [73]/dưới 140°C [26], lưu huỳnh được đưa vào bitum

sẽ đi vào các phân tử Naphthene - thơm được chuyển hóa một phần thành chất thơm cực,chủ yếu là polysulfide Điều này có thể thấy được sự gia tăng hàm lượng lưu huỳnh của phầnthơm cực tương ứng với 4 đến 5 nguyên tử lưu huỳnh trên mỗi phân tử Polysulphide trải quaquá trình phân hủy một phần để tạo thành một polysulphide với mức độ trùng hợp thấp hơn

và lưu huỳnh tự do Sự phân tách không ảnh hưởng đến các liên kết mới được

hình thành giữa các nguyên tử lưu huỳnh và carbon Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tronghợp chất R-S- Sχ-S-R chỉ có các nguyên tử là Sχ có thể tham gia vào các phản ứng phân hủyvới sự phân tách lưu huỳnh, trong khi các nguyên tử lưu huỳnh kết nối trực tiếp với carbonkhông phân hủy trong phản ứng Kết quả là, số lượng nhóm naphten thơm của bitum giảm và

tỷ lệ phần trăm của các nhóm ở vùng chất thơm phân cực tăng Do đó, bitum mềm hơn vàdính bám hơn, một thay đổi rất nhỏ trong đặc tính lưu biến của bitum [73]

Ở nhiệt độ dưới 140°C [26], cùng với asphalten, các hợp chất chứa lưu huỳnh đóng vai trò

là tác nhân hình thành cấu trúc, nghĩa là chúng bắt đầu hình thành một mạng lưới trong

đó asphalten, parafin và lưu huỳnh đứng dưới dạng pha phân tán và các phân tử nhựa vàdầu (malthenes), như một môi trường phân tán Các cấu trúc như vậy khác nhau đáng kể

về độ ổn định hóa học và nhiệt so với các cấu trúc tương tự trong bitum không biến đổi

Ở nhiệt độ trên 151,7°C [43], [73] quá trình khử hydro với sự phát thải hydro sunfua diễn

ra và chỉ một phần không đáng kể của lưu huỳnh được đưa vào trong bitum Người ta đãtìm thấy rằng việc tăng nhiệt độ khoảng 20°C gây ra sự gia tăng tốc độ phản ứng khửhydro lên bốn lần Sự phát triển hydrogen sulfide này là một nguy cơ tiềm ẩn đối với conngười cũng như là một mối nguy hiểm ô nhiễm đối với khí quyển

Ở nhiệt độ cao, các liên kết polysulphide đã được hình thành ở nhiệt độ thấp hơn, sẽ bị phá

vỡ để tạo ra sunfua trùng hợp cũng như liên kết chéo phức tạp giữa các phân tử riêng biệt Các

dữ liệu hồng ngoại phân tích các thành phần khác nhau của bitum - lưu huỳnh cho thấy sự hiệndiện của lưu huỳnh ở dạng thiophenic tuần hoàn [26] Với nhiệt độ ngày càng tăng

(240oC), naphthene-thơm được chuyển thành asphalten thông qua các quá trình khửhydro và quá trình tạo vòng [26] Đối với các mẫu bitum khác nhau được xử lý bằng lưuhuỳnh ở nhiệt độ 240°C, hàm lượng asphalten khác nhau dao động từ vài phần trăm đến40% Lượng asphalten được hình thành, ở một mức độ lớn, phụ thuộc vào thành phần củabitum ban đầu và vào lượng lưu huỳnh được thêm vào Sự gia tăng hàm lượng lưu huỳnhdẫn đến sự gia tăng số lượng asphaltenes Sự gia tăng nhiệt độ phản ứng dẫn đến sự giatăng tỷ lệ asphalten/nhựa, khiến cấu trúc của bitum bị thay đổi thành cấu trúc gel và làmgiảm tính mẫn cảm với nhiệt độ của bitum [69]

Kết quả nghiên cứu của các nhóm tác giả đưa ra cho thấy có sự khác biệt lớn về tỷ lệ phầntrăm của lưu huỳnh đã phản ứng Gawel [43] đã báo cáo tỉ lệ lưu huỳnh phản ứng lên tới85% ở nhiệt độ dưới 150°C, trong khi Kennepohl và Miller [48] và Lee [52] tính toán rằngchỉ một vài phần trăm và tối đa đến 20% lưu huỳnh phản ứng với bitum và đi vào phân tử

của nó Sự khác biệt này do sự thay đổi trong thành phần bitum cũng như nhiệt độ phảnứng và thời gian tiếp xúc.

1.2.2.2 Lưu huỳnh hòa tan trong bitum

Lưu huỳnh có độ hòa tan từ 20% trở lên trong hầu hết các loại bitum trong khoảng nhiệt độ130-150oC [62,49] Lưu huỳnh “hòa tan” đóng vai trò của chất kết dính Các polysulphideđược hình thành do ở nhiệt độ trên 120°C hòa tan một phần lưu huỳnh không phản ứng [51]

Độ hòa tan của lưu huỳnh phụ thuộc vào loại bitum cũng như nguồn gốc của nó Sự tái kếttinh của lưu huỳnh hòa tan có thể được quan sát thấy khi hỗn hợp bitum

- lưu huỳnh được làm lạnh Tuy nhiên, có thể ngăn ngừa hoặc giảm quá trình kết tinh lạibằng cách tăng thời gian trộn [46] Lượng tương đối của lưu huỳnh hòa tan và tinh thểtrong chất kết dính bitum - lưu huỳnh, tùy thuộc vào lượng lưu huỳnh được thêm vào, được trình bày trong hình 1-15

Tổng lượng lưu huỳnh thêm vào (wt%)

Hình 1-15 Hàm lượng lưu huỳnh hòa tan và lưu huỳnh tinh thể trong SBB [25], [41]

1.2.2.3 Lưu huỳnh tinh thể trong bitum và bê tông asphalt

Lượng lưu huỳnh dư không hòa tan trong bitum tồn tại ở trạng thái tinh thể Lưu huỳnhtinh thể phân tán mịn trong bitum đóng vai trò là chất độn hoặc tác nhân tạo cấu trúctrong hỗn hợp cốt liệu Lưu huỳnh tinh khiết phân tán dễ dàng trong bitum, mặc dù sứccăng bề mặt của hai chất khá khác nhau [66]

Các nghiên cứu dưới kính hiển vi của hỗn hợp SBB [34] đã chỉ ra sự khác biệt rõ ràng vềmức độ phân tán của lưu huỳnh tinh thể, tùy thuộc vào nồng độ lưu huỳnh Trong hỗn hợp tỉ

lệ S/B là 10/90 theo khối lượng, các hạt lưu huỳnh với đường kính khoảng 1-2µm được phânphối đồng nhất trong bitum Khi nồng độ lưu huỳnh trong hỗn hợp SBB tăng lên 25%, thì cóthể quan sát thấy sự không đồng nhất trong cấu trúc của nó Lưu huỳnh tồn tại ở hai

17dạng trong SBB, các hạt rời rạc và các nhóm của nhiều hạt có kích thước trung bình là6µm Trong hỗn hợp SBB tỉ lệ S/B là 50/50 theo khối lượng, sự phân tán không đồngnhất khá rõ ràng.

1.3 Các loại bitum, lưu huỳnh dùng trong bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) 1.3.1 Các loại bitum sử dụng trong sản xuất bê tông asphalt – lưu huỳnh

Bitum có độ kim lún từ 40-300 (0,1mm) được ưu tiên ứng dụng trong hỗn hợp bê tôngasphalt – lưu huỳnh Nên tránh sử dụng bitum cứng, có độ kim lún thấp vì khi được sửdụng trong vật liệu làm mặt đường bê tông asphalt – lưu huỳnh, chúng làm tăng xuhướng nứt vỡ ở nhiệt độ thấp Độ kim lún của bitum càng cao thì nồng độ lưu huỳnh tối

ưu trong hỗn hợp càng lớn [41]

Theo [45] việc bổ sung lưu huỳnh trong quá trình sản xuất bê tông asphalt đòi hỏi phải kiểmsoát chặt chẽ nhiệt độ trong quá trình trộn, rải và đầm nén Các quy định sản xuất và thi công

đã được phát triển yêu cầu kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, nhiệt độ phải được duy trì

ở 140°C hoặc thấp hơn Phạm vi nhiệt độ hoạt động này rất quan trọng để đảm bảo rằnglượng khí thải H2S và SO2 được quản lý và nằm trong giới hạn ngắn hạn và dài hạn tươngứng Để hỗ trợ sản xuất bê tông asphalt cải tiến bằng các viên lưu huỳnh ở nhiệt độ thấphơn, các loại bitum thường sử dụng ở Châu Âu có độ kim lún từ 50/70 đến 250/350 và tại

Mỹ sử dụng bitum PG 46 (có độ kim lún 300/400) đến bitum PG 70 (có độ kim lún 60)

1.3.2 Các loại lưu huỳnh dùng làm phụ gia cho bê tông asphalt

Với ưu điểm là giá thành rẻ chỉ bằng 1/5 đến 1/6 giá của bitum thông thường, lưu huỳnhsẵn có với trữ lượng lớn trong tự nhiên và công nghiệp hóa dầu nên lưu huỳnh đã đượcnghiên cứu ứng dụng thay thế một phần hoặc hoàn toàn bitum trong bê tông asphalt.Ngoài ra, lưu huỳnh còn được ứng dụng trong sản xuất bitum cải tiến bằng polymerkhông bão hòa (ví dụ như bitum cải thiện bằng SBS) với vai trò cải thiện độ ổn định lưutrữ của bitum cải tiến bằng polymer

Lưu huỳnh ứng dụng làm phụ gia cho bê tông asphalt đã được nghiên cứu, ứng dụng từnhững năm 1930 [30] cho thấy lưu huỳnh kết hợp với bitum và điều chỉnh các tính chấtcủa bitum Các dạng lưu huỳnh đã được nghiên cứu ứng dụng cải tiến bitum, làm phụ giatrong bê tông asphalt gồm: Lưu huỳnh nguyên chất dạng lỏng, lưu huỳnh nguyên chấtdạng viên rắn, lưu huỳnh sơ chế cải tiến bằng các phụ gia

Những năm 1970, ứng dụng lưu huỳnh vào bê tông asphalt được Cục Khoáng sản và CụcQuản lý Đường bộ Liên bang Mỹ (FHWA) ứng dụng, phát triển thương mại [49] Hơn 100

dự án đường bộ ở Hoa Kỳ đã được xây dựng sử dụng lưu huỳnh lỏng nóng trộn vào hỗnhợp bê tông asphalt Lưu huỳnh dạng này cũng được sử dụng ở những nơi khác như cácthử nghiệm ở Anh Mặc dù phát thải mùi và khí từ các hỗn hợp nóng trong quá trình xâydựng đường là tuân thủ các tiêu chuẩn y tế đã được luật định vào thời điểm đó, nhưngvấn đề phát thải là bất lợi trong lưu trữ, sản xuất bê tông asphalt sử dụng lưu huỳnh lỏng.Những năm 1900, một quá trình sơ chế lưu huỳnh đã được phát triển để xử lý lưu huỳnhnguyên chất thành viên lưu huỳnh dạng rắn, không bụi Các viên có thể dễ dàng đượcthêm vào hỗn hợp bê tông asphalt do đó loại bỏ các chi phí, mối nguy liên quan đến việc

sử dụng lưu huỳnh lỏng, nóng và để giảm thiểu khói và mùi phát ra từ hỗn hợp BTAS

Từ năm 2003 đến nay, lưu huỳnh với tên gọi Shell Thiopave được tập đoàn Shell nghiêncứu, ứng dụng trong bê tông asphalt, phát triển ở các nước trên thế giới (Mỹ, TrungQuốc, Ấn Độ, Qatar, Canada, Trung Đông,…) [45] Các viên lưu huỳnh cải tiến được tạo

ra trong đó có thêm chất hóa dẻo để tăng tính dễ thi công của hỗn hợp bê tông asphaltđược sản xuất ở nhiệt độ thấp hơn (125oC–145oC) so với hỗn hợp bê tông asphalt lưuhuỳnh lỏng trong những năm 1970 (khoảng 150oC) và giảm lượng khí thải tạo ra do hỗnhợp bê tông asphalt được sản xuất ở nhiệt độ thấp hơn Các viên lưu huỳnh biến đổinhanh chóng tan chảy khi tiếp xúc với hỗn hợp nóng và được phát tán trên toàn hỗn hợpbitum và cốt liệu trong quá trình trộn [31] Các viên lưu huỳnh biến đổi là chất rắn ổnđịnh ở nhiệt độ môi trường xung quanh, do đó có thể vận chuyển với số lượng lớn bằngtàu, xe lửa hoặc xe tải và có thể dễ dàng lưu trữ tại nhà máy, trạm trộn bê tông asphalt.Với những cải tiến trong việc xử lý và tăng tính hiệu quả, một giá trị kinh tế đáng kể đangđược tạo ra trong công nghệ lưu huỳnh cải tiến này [46]

Hình 1-16 Lưu huỳnh sơ chế dạng viên rắn [45]

Shell Sulfur Solutions, một phần của Tập đoàn Royal Dutch/Shell, đã nghiên cứu, thửnghiệm và có đủ dữ liệu từ các thử nghiệm hỗn hợp trong phòng thí nghiệm và hiện trường

để cho thấy các viên lưu huỳnh có thể cải thiện độ ổn định, khả năng chống biến dạng, độ

19cứng và hiệu suất mỏi của hỗn hợp bê tông nhựa Do đó, Shell Thiopave ™ có thể đượccoi là đặc biệt phù hợp như là một chất thay thế một phần chất kết dính cho các ứng dụngchịu áp lực cao như mặt đường hạng nặng, nút giao thông, nhà ga container và sân bay,cũng như mặt đường toàn chiều sâu.

Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả sử dụng lưu huỳnh nguyên chất dạng viênrắn là sản phẩm của Nhà máy lọc dầu Dung Quất, được sản xuất bởi Công ty TNHH mộtthành viên lọc hóa dầu Bình Sơn (BSR) và cung cấp bởi Công ty cổ phần dầu khí DMC –Miền Trung

Hình 1-17 Lưu huỳnh nguyên chất dạng viên rắn của Nhà máy Dung Quất 1.4 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới

Từ năm 1900 đến nay việc nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt đã đượctriển khai trên phạm vi rộng ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Canada, Nga, Pháp, cácnước Trung Đông, Trung Quốc,… Ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt để nâng cao

đặc tính của bitum, giảm lượng tiêu thụ bitum đã được nghiên cứu thí nghiệm từ năm

1930 [45]

Việc sử dụng lưu huỳnh để cải tiến hoặc thay thế bitum đã được chứng minh thành côngbằng cả thí nghiệm trong phòng cũng như trong thi công thực tế Từ cuối năm 2003, các quyđịnh không khí đã trở nên nghiêm ngặt hơn và các sản phẩm từ ngành công nghiệp dầu mỏphải tuân thủ các thông số kỹ thuật có hàm lượng lưu huỳnh thấp, do đó hàm lượng lưuhuỳnh dư thừa trong ngành công nghiệp dầu mỏ tăng cao, thúc đẩy việc ứng dụng lưu huỳnhtrong sản xuất bê tông asphalt làm đường bộ Từ đó bê tông asphalt lưu huỳnh được quantâm rộng rãi trên toàn thế giới Viện nghiên cứu lưu huỳnh (TSI) đã có chương trình hợp táctrực tiếp với Cục đường bộ Liên bang Mỹ và thông qua nhiều kênh khác để xúc

tiến việc sử dụng BTAS và các công ty dầu khí hàng đầu thế giới đã rất quan tâm đến vấn

đề này như là một đầu ra cho trữ lượng lưu huỳnh rất lớn đang dư thừa Với lợi thế sẵn có

và giá thành thấp của lưu huỳnh hiện nay tạo ra cơ hội thay thế vật liệu xây dựng áođường với chi phí giảm tối đa đến 21% [83]

1.4.1.1 Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt của Tập đoàn Shell ở một số nước trên Thế giới

Tập đoàn Shell đã sản xuất lưu huỳnh dạng viên với tên gọi Shell Thiopave TM Sản phẩmnày đã được cấp bằng sáng chế và Shell phát triển để ứng dụng trong bê tông asphalt Trongquá trình trộn BTA phụ gia Shell Thiopave TM được thêm trực tiếp vào cốt liệu và bitum đãđược nung nóng Việc sử dụng lưu huỳnh còn có lợi ích là làm giảm nhiệt độ trộn và đầmnén của hỗn hợp BTA Nhiệt độ trộn BTAS sử dụng Shell Thiopave TM là 140oC±5 Mộtnghiên cứu về năng lượng trong hoạt động sản xuất BTAS ở Canada đã chỉ ra rằng mức tiếtkiệm năng lượng trực tiếp hơn 5% và tăng lên gần 11% khi bao gồm cả việc tiết kiệm nănglượng gián tiếp từ việc giảm sử dụng bitum, vận chuyển và bảo quản [71]

Từ đầu năm 2001 đến tháng 2/2002, khoảng 42 làn đường dài hàng dặm có sử dụng lưuhuỳnh đã được xây dựng tại tây nam nước Mỹ [40] Các dự án này có chung một hìnhthức, đó là sản phẩm lưu huỳnh rắn được bổ sung trực tiếp vào thùng trộn BTA nóng sẵn

có Việc sử dụng vật liệu dạng rắn (lưu huỳnh dạng hạt) và phương pháp trộn trực tiếpgiúp giảm thiểu tối đa việc phải cải tiến các trạm trộn bê tông asphalt nóng và giảm giáthành Ngoài ra, lưu huỳnh rắn cũng sẽ dễ dàng cho việc vận chuyển hơn so với lưuhuỳnh dạng lỏng [83]

Từ năm 2002, nhiều đoạn đường BTAS đã được thi công tại Trung Quốc (dự án cảngNam Thông – Giang Tô), Qatar (dự án GTL Ras Laffan Pearl), Ả rập Saudi (dự án đườngvào Aramco Khursaniyah, đường cao tốc Dammam đến Jubail), theo đó đã sử dụng cácviên lưu huỳnh rắn Shell Thiopave TM thay vì lưu huỳnh lỏng trong quá trình sản xuấthỗn hợp Tại Canada, các khu vực thử nghiệm đã được thi công ở British Columbia,Alberta, Ontario, và Quebec [40]

Ở Mỹ, các khu vực thử nghiệm đã được thi công tại Nevada, California, Missouri, Kansas,Texas và Alabama Một số đoạn đường BTAS với tỉ lệ lưu huỳnh/bitum là 50/50 – BTAS(50/50) đã được thi công tại Clark County từ năm 2001 đến năm 2003 Tại California, một

đoạn đường BTAS (40/60) đã được thi công ở El Centro từ năm 2001 đến năm 2003 và một đoạn đường xe tải nặng BTAS (50/50) đã được thi công ở Southgate vào năm 2002

số dự án nhỏ được thực hiện trong năm 2009: 1,5 dặm BTAS (30/70) được thi công trênmột đường riêng trong Longview có và không có BTN tái chế, lớp phủ sử dụng BTAS(40/60) thi công trên mặt đường 183 ở Austin và khoảng một dặm đường bờ biển sử dụngBTAS (30/70) dọc theo I-30 ở Texarkana.

Shell Sulfur Solutions của Tập đoàn Royal Dutch/Shell đã công bố dữ liệu về BTAS từcác thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện trường ở Canada, Mỹ, Trung Quốc,Qatar, Ả rập Saudi Kết quả báo cáo như sau [45], [53], [54]:

 Mặt đường sử dụng BTAS có tuổi thọ dài hơn và/hoặc chiều dày lớp mặt đườngmỏng hơn BTAS có thể ứng dụng xây dựng mặt đường trên một phạm vi rộng với các điềukiện khí hậu khác nhau Trong điều kiện thời tiết nóng, mặt đường có thể bị chảy nhựa gây

ra hư hỏng bề mặt, lưu huỳnh giúp bitum cứng hơn do vậy lớp mặt sử dụng BTAS ổn địnhnhiệt hơn Lưu huỳnh tăng cường độ cứng và độ bền cắt của lớp mặt đường vì vậy cho phép

sử dụng bitum có độ kim lún cao trong điều kiện thời tiết nóng, lưu huỳnh tăng cường khảnăng kháng hằn lún vệt bánh xe của mặt đường

 Độ ổn định Marshall của BTAS tăng lên 38% khi sử dụng 30% lưu huỳnh (theokhối lượng chất kết dính), độ cứng BTAS tăng theo thời gian, mất khoảng hai tuần để pháttriển

 Chiều sâu hằn lún vệt bánh xe trung bình trong thử nghiệm APA (Asphalt PavementAnalyzer) từ 11mm đã giảm xuống còn 5,6mm Mức giảm trung bình là 46% khi sử dụng 30%lưu huỳnh nhưng chỉ giảm 42% khi hỗn hợp chứa 40% lưu huỳnh, điều này cho thấy việc bổsung thêm 10% không ảnh hưởng đến đặc tính của hỗn hợp

 Mô đun độ cứng được tăng lên với tỷ lệ tăng theo nhiệt độ

 Trong thí nghiệm độ bền mỏi của BTAS với chu kỳ 106, giá trị độ dốc của đường

đặc tính mỏi có tăng khoảng 10%