Luận án Thạc Sỹ KHKT
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 3
A- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 4
B- PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4
B-1/ Phương pháp nghiên cứu 4
B-2/ Nội dung nghiên cứu 5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN VÀ BTN SỬ
DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI
5
I.1. BITUM CẢI TIẾN [11] 5
I.1.1/ Các đặc tính kỹ thuật của Bitum và ảnh hưởng của chúng đối với các đặc điểm kỹ
thuật trong ứng dụng 5
I.1.2/ CÁC LOẠI BITUM CẢI TIẾN THƯỜNG GẶP [11] 6
I.2. BITUM CẢI TIẾN BẰNG CÁCH CHO THÊM BỘT CAO SU 9
I.3. BÊTÔNG NHỰA SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN – BÊTÔNG NHỰA SỬ DỤNG
BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI 10
I.1.1/ KHÁI NIỆM BÊTÔNG NHỰA 10
I.1.2/ BÊTÔNG ASPHALT CẢI TIẾN 13
I.1.3/ BÊTÔNG ASPHALT CẢI TIẾN SỬ DỤNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI 13
CHƯƠNG II: ĐỀ CƯƠNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
15
II.1. ĐỀ CƯƠNG THÍ NGHIỆM 15
I.1.4/ Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý vật liệu: Cát; Đá; Bột khoáng; Nhựa đường; Bột cao su
phế phẩm 15
I.1.5/ Thiết kế Bêtông asphalt theo phương pháp Marshall (xác đònh hàm lượng nhựa tối ưu) 15
I.1.6/ Chế bò mẫu tiến hành thí nghiệm 16
I.1.7/ So sánh BTN thông thường với BTN sử dụng bitum cải tiến bằng bột cao su phế thải 17
I.1.8/ Công nghệ sản xuất bột cao su phế thải và chế tạo bêtông asphalt có sử dụng bột cao
CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO PHẾ THẢI
34
A- CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ VỚI PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM TIÊU CHUẨN 34
I.1.23/ Độ ổn đònh Marshall & Khối lượng thể tích của bêtông asphalt: 34
I.1.24/ Xác đònh cường độ chòu nén tới hạn của bêtông asphalt: 36
I.1.25/ Muyl đàn hồi tónh vật liệu (ETAC ): 37
I.1.26/ Cường độ chòu kéo–uốn của bêtông asphalt (Rku) 39
I.1.27/ Xác đònh Sức kháng trượt của vật liệu Bêtông asphalt: 40
B- MỘT SỐ CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ THEO PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ĐƯC
CẢI BIÊN 43
I.1.28/ Độ bền marshall ở các nhiệt độ: 30oc; 45oc; 60oc; 75oc & hệ số ổn đònh nhiệt - Độ ổn
đònh còn lại khi ngâm mẫu ở 60oc sau 24 giờ 43
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 1
Luận án Thạc Sỹ KHKT
I.1.29/ Muyl đàn hồi ĐỘNG vật liệu bêtông asphalt (AC): 48
I.1.30/ Khả năng chòu mỏi của vật liệu bêtông asphalt (Rm): 51
I.1.31/ Xác đònh điểm chảy của vật liệu bêtông ásphalt (Chỉ tiêu tác giả đề xuất) 52
C- GIÁ TRỊ KINH TẾ 64
CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CAO SU PHẾ THẢI VÀ CHẾ TẠO
BÊTÔNG ASPHALT SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI
65
V.1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CAO SU PHẾ THẢI 65
V.2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BÊTÔNG ASPHALT SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN
BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI 65
I.1.32/ Trong phòng: 65
I.1.33/ Ngoài hiện trường: 65
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN
66
chạy xe cao đã và đang trở thành xu thế phổ biến hiện nay. Vì lẽ đó, nghành giao
thông cần phải có các phương án tối ưu để kòp đáp ứng được nhu cầu thực tế trên. Thế
thì chúng ta cần có đònh hướng như thế nào? Theo tôi cần phải thiết kế ra những con
đường có kết cấu hợp lý và đặc biệt lớp áo phủ mặt đường (Bêtông nhựa) cần phải có
tính ổn đònh nhiệt cao, chòu được lực masát lớn, có độ bám tốt, ít biến dạng, đàn hồi
tốt (biến dạng sẽ được hồi phục ngay khi tải trọng đi qua) trong khi khai thác với lưu
lượng xe lớn, trọng tải lớn và nhất là trong vùng khí hậu nóng (Đông Nam Á).
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 3
Luận án Thạc Sỹ KHKT
Trên thế giới, người ta cũng đã sử dụng nhiều phương pháp để tạo ra Bêtông
ásphalt có các tính năng kỹ thuật cao. Những phương pháp hay sử dụng là:
- Bitum chất lượng cao (Multiphalte) làm chất liên kết.
- Phụ gia cho Bitum
- Phụ gia bột cao su trong bêtông át phan
- Phụ gia Cololymere eva (Etylene vinyl axêtat)
Trong điều kiện mật độ giao thông phát triển sẽ kéo theo các sản phẩm công
nghiệp phế thải sẽ tăng lên rất lớn. Trong đó lốp xe phế thải là rất nhiều, để có thể
tận dụng được các phế thải này trong các ngành kỹ thuật nói chung và ngành giao
thông nói riêng là một trong những vấn đề chúng ta cần quan tâm. Sử dụng sản phẩm
phế thải này không những giải quyết về mặt môi trường mà còn có lợi cả về mặt kinh
tế và kỹ thuật trong ngành giao thông.
Đó là các lý do để tôi chọn đề tài : “ NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO BÊTÔNG
NHỰA NÓNG GIA CỐ BỘT CAO SU PHẾ THẢI “
A- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Với cao su phế thải đã được nghiền thành bột, đem trộn vào bitum dầu mỏ làm
chất kết dính với cốt liệu để tạo ra hổn hợp bêtông ásphalt. Từ đó thí nghiệm các chỉ
tiêu kỹ thuật cơ bản để đánh giá ảnh hưởng của bột cao su đối với bitum dầu mỏ và
hổn hợp bêtông ásphalt. Qua đó, tìm ra được hàm lượng cao su thích hợp nhất có trong
bitum và hàm lượng hổn hợp “bitum + cao su” tối ưu để chế tạo bêtông ásphalt, đồng
thời cũng có thể đònh khung hàm lượng cao su có trong bitum thích hợp và hàm lượng
oC
; 60
oC
; 75
oC
); Thương số
Marshall; Cường độ chòu nén ở 20
oC
; 50
oC
); Cường độ chòu kéo uốn ở 10
oC
; Khả năng
chòu tải trọng trùng phục ở nhiệt độ bình thường 30
oC
; Mun đàn hồi Tónh & Động
trong phòng ở 30
oC
(đặc biệt ở chỉ tiêu này có xét đến tính hồi phục nhanh tức là xét
đến biến dạng dư); Độ bám trong điều kiện bất lợi; Điểm biến dạng chảy; Hệ số ổn
đònh nhiệt.
Các chỉ tiêu trên đều được so sánh với loại bêtông ásphalt chỉ dùng loại bitum
dầu mỏ thông thường. Từ đó rút ra kết luận và tìm hướng nghiên cứu tiếp.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN VÀ
BTN SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI
I.1. BITUM CẢI TIẾN [11]
I.1.1/ Các đặc tính kỹ thuật của Bitum và ảnh hưởng của chúng đối với các
đặc điểm kỹ thuật trong ứng dụng
Các đặc tính kỹ thuật của hổn hợp “bitum – cốt liệu” chòu ảnh hưởng lớn của
đặc tính lưu biến (hay cơ học) và một phần thành phần hóa học của bitum. Tuy nhiên,
chất của bitum và gọi là “BITUM CẢI TIẾN”.
I.1.2/ CÁC LOẠI BITUM CẢI TIẾN THƯỜNG GẶP [11]
Một trong những vai trò cơ bản của chất cải tiến bitum là tăng tính kháng của
asphalt với sự biến dạng dư khi nhiệt độ đường cao, mà không tác động xấu đến các
đặc tính kỹ thuật của bitum hoặc ásphalt ở các nhiệt độ khác. Có thể đạt được điều
này bằng cách làm cứng hóa bitum để tổng phản ứng đàn hồi – nhớt của asphalt bò
giảm đi với mức độ giảm tương ứng của độ biến dạng dư, hoặc bằng cách tăng thành
phần đàn hồi của bitum, do đó giảm thành phần nhớt mà từ đó có được kết quả là làm
giảm mức độ biến dạng dư so với biến dạng tổng thể.
Tăng độ cứng của bitum cũng giống như tăng độ cứng động học của hỗn hợp
bêtông nhựa asphalt, do đó cải tiến khả năng phân tán lực của vật liệu và tăng độ bền
kết cấu và tuổi thọ thiết kế của con đường hoặc là tạo ra kết cấu có tuổi thọ và độ
bền tương tự nhưng với độ dầy các lớp mỏng hơn. Tăng thành phần dẻo của bitum sẽ
góp phần cải thiện độ đàn hồi của bêtông asphalt, đây là tính chất quan trọng cần có
do phải chòu sức căng lớn.
Các chất cải biến được trộn với bitum phải có các đặc tính sau:
* Giữ được các đặc tính kỹ thuật trong thời gian bảo quản, thi công trên mặt
đường và khi con đường được đưa vào sử dụng;
* Có thể chế biến bằng các thiết bò thông thường;
* n đònh về Lý – Hóa học trong thời gian bảo quản, sử dụng và trên đường;
* Đạt độ nhớt trộn và phun ở nhiệt độ sử dụng bình thường.
I.1.1.1. Cải tiến bitum bằng cách cho thêm Lưu Huỳnh
- Lưu huỳnh được sử dụng trong hai loại asphalt để rải thảm đường bộ và một
số sản phẩm độc quyền. Asphalt được cho thêm một lượng tương đối nhỏ lưu huỳnh
dưới dạng một chất hòa tan trong bitum. Cách gia công thứ hai được biết đến với tên
gọi là THERMOPAVE, sử dụng hàm lượng lưu huỳnh cao, lượng lưu huỳnh dư ra
đóng vai trò như là một chất khoáng đúc, khi được trộn với cốt liệu sẽ tạo ra một hỗn
hợp rất dễ thi công, có thể rải bằng máy mà không cần đầm bằng xe lu và khi nguội
đi có khả năng chống biến dạng cao.
- Lượng lưu huỳnh sẽ phản ứng với bitum phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần
và asphalt thông thường rất giống nhau là 5mm/h, tuy nhiên sau 6 tháng độ biến dạng
ở asphalt cải tiến đã giảm xuống dưới 1mm/h. Việc sử dụng các chất cải tiến mangan
hữu cơ trong asphalt lu nóng gần đây được TRRL đánh giá và đưa vào tài liệu qui
phạm của Cục vận tải vào năm 1990.
I.1.1.3. Cải tiến bitum bằng cách cho thêm các polyme dẻo nhiệt
Polyethylen, polypropylen, polyvinyl chlorid, polystyren và ethylen vinyl
acetate (EVA) là các polyme dẻo nhiệt chủ yếu đã được kiểm chứng qua các thí
nghiệm về các chất liên kết được cải tiến dùng cho đường bộ. Bởi vì là các chất dẻo
dưới tác động của nhiệt, chúng có đặc tính là mềm đi khi nóng lên và cứng lại khi
nguội đi.
Các polyme dẻo nhiệt khi trộn với bitum, khi ở nhiệt độ môi trường bình thường
chúng liên kết với bitum và làm tăng độ nhớt của bitum. Tuy nhiên, các chất polyme
dẻo nhiệt không làm tăng đáng kể độ đàn hồi của bitum, khi bò nung nóng chúng có
thể tách ra khỏi bitum, mà điều này có thể dẫn đến phân tán khi nguội đi. Tuy vậy,
chấp nhận những hạn chế này thì việc sử dụng EVA với nồng độ 5% trong bitum
70pen đã trở nên rất thông dụng. Người ta thường dùng EVA phẩm cấp 45/33 (tức là
EVA có MFI là 45 và hàm lượng vinyl acetat là 33) trộn với bitum 70pen. Các chất
đồng trùng hợp EVA dễ bò phân tán trong bitum và rất thích hợp với bitum, chúng ổn
đònh với nhiệt ở nhiệt độ trộn asphalt thông thường
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 7
Luận án Thạc Sỹ KHKT
(*) Tác động của các phẩm cấp EVA 150/19 và 45/33 đến các đặc tính của
bitum và asphalt lu nóng rải lớp mặt đường (Bảng I.1)
Chất liên kết
Các đặc tính của
chất liên kết
Các đặc tính Marshall
Độlún
bánh xe
ở 45
Cao su nhiệt dẻo có thể được tạo ra bằng cơ chế tạo chuỗi của phản ứng polyme hóa
liên tục styren-butadien-styren (SBS) hoặc ctyren-isopren-styren (SIS).
Cao su dẻo nhiệt có sức bền cao và tính đàn hồi đặc biệt do liên kết ngang vật
lý của phân tử trong mạng không gian ba chiều.
Việc sản xuất các hỗn hợp bitum và cao su dẻo nhiệt: Chất lượng của sự phân
tán polyme đạt được bò ảnh hưởng bởi các yếu tố, nhưng cơ bản là phụ thuộc vào
cường độ xé tác động bởi máy trộn. Khi polyme được cho thêm vào bitum nóng,
bitum sẽ lập tức bắt đầu thâm nhập vào các hạt polyme làm cho các chuỗi styren của
polyme phồng trương lên và dễ hòa tan hơn. Một khi điều đó xảy ra, lực xé đủ lớn sẽ
tác động vào các hạt trương là yếu tố quyết đònh có thể đạt được để sự phân tán hoàn
toàn của các hạt phần tử polyme trong thời gian trộn thực tế. Như vậy, cần sử dụng
các máy trộn có lực xé cao hoặc trung bình để phân tán hoàn toàn cao su dẻo nhiệt
vào bitum.
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 8
Luận án Thạc Sỹ KHKT
Loại bitum cải tiến này có các tính chất cơ lý rất tốt. Mức độ cải thiện khả năng
chống biến dạng, mõi .v.v được kiểm tra bằng các thí nghiệm do TRRL và Sheel
thực hiện cho kết quả rất tốt.
(*) So sánh mức độ vệt bánh xe của mặt đường được rải bằng asphalt lu
nóng làm từ bitum 50pen, HD40 và CARIPHALTE DM. (Bảng I.2)
Chất liên kết Các đặc tính của chất liên kết Độ lún vệt bánh xe ở
45
o
C (mm/h)
Kim lún ở 25
o
C
(dmm)
Điểm mềm (IP);
o
như: lóc phần cao su để lấy phần bố tốt sử dụng lại; mài lấy bột cao su đem trộn với
các sản phẩm cao su để làm các vật dụng; một phần đem đốt để nấu nhựa gây ô
nhiểm môi trường. Chính vì lẽ đó mà tôi đã cố gắng nghiên cứu vấn đề sử dụng bột
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 9
Luận án Thạc Sỹ KHKT
cao su phế thải vào trong bêtông asphalt để cải thiện tính chất phục hồi nhanh, tăng
sức dai và sức chòu lực.
[4] Thật ra, việc sử dụng bột cao su trong bêtông asphalt có lòch sử lâu đời và đã được
các nước phương tây áp dụng. Đầu tiên phụ gia cao su được sử dụng ở mức độ nhỏ
dưới dạng Latex, gần đây nó ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn. Latex làm tăng
tính dẻo cho bitum, nhưng làm tăng giá thành của bêtông ásphalt. Bột cao su phế liệu
có giá thành hạ, được nghiên cứu sử dụng rộng rãi nhất trong bêtông asphalt nóng và
lớp phủ bên trên của đường. Ở Việt Nam, vào những năm 1992 – 1994 đã thử nghiệm
bột cao su trong bêtông ásphalt; tuy mới dừng lại ở thí nghiệm đònh hướng nhưng đã
nhận được các kết quả khả quan [4]. Để có thể thấy rõ các tính ưu việt của bêtông
asphalt sử dụng bột cao su và đáp ứng được nhu cầu lưu lượng giao thông ngày càng
cao và tải trọng xe lớn trong điều kiện riêng của Việt Nam đồng thời phát huy hiệu
quả về mặt kinh tế thì chúng ta cần phải nghiên cứu thêm để có nhiều số liệu hữu ích
cho việc đặt nền móng của sự phát triển loại vật liệu này trong tương lai.
I.3. BÊTÔNG NHỰA SỬ DỤNG BITUM CẢI TIẾN – BÊTÔNG NHỰA SỬ
DỤNG BITUM CẢI TIẾN BẰNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI
I.1.1/ KHÁI NIỆM BÊTÔNG NHỰA
I.3.1.1. Vai trò của BTN trong kết cấu áo đường.
Bêtông nhựa là một thành phần cơ bản trong kết cấu áo đường, nhất là các
tuyến đường cấp cao, đường cao tốc, đường chính nối các tỉnh thành, đường trong khu
công nghiệp và trong thành phố. BTN chủ yếu dùng làm lớp mặt trong kết cấu áo
đường. Do vậy, bêtông nhựa là lớp kết cấu chòu tác dụng trực tiếp của các yếu tố môi
trường (VD như : nhiệt độ, gió . v.v. ) và tải trọng (VD như: lực thẳng đứng, lực trượt
ngang, lực mài mòn .v.v ) và là lớp ngăn chặn nước mặt thâm nhập xuống các lớp
móng, nền đường. Chính vì thế, bêtông nhựa cần phải có các đặc điểm ưu việt mới
2
/kg), nó có ái lực mạnh
với nhựa, biến nhựa vốn ở trạng thái khối, giọt thành màng mỏng bao bọc dễ dàng
các khoáng vật. Có bột khoáng, nhựa sẽ tăng thêm khả năng dính kết, tăng cường độ
và tăng ổn đònh nhiệt).
Như vậy, trên cơ sở là bộ khung cốt liệu được sắp xếp theo dạng cấp phối và
được dính kết với nhau bằng chất dính kết nhựa đường được lèn ép dưới một tải trọng
nào đó để các cốt liệu sát vào nhau và dính kết lại sẽ tạo thành sản phẩm bêtông
asphalt có những đặc tính kỹ thuật như đã nêu trên. Việc phát huy được đặc tính này
hay đặc tính khác thì bêtông asphalt phụ thuộc rất nhiều vào sự chọn cấp phối hạt;
hàm lượng nhựa; tính chất các vật liệu sử dụng; và nhất là vật liệu bitum. Nếu ta dùng
một số loại bitum cải tiến thì ta sẽ thấy tính chất của bêtông nhựa sẽ phát huy rất tốt
(tuỳ theo từng loại bitum cải tiến mà chỉ có một số tính chất của bêtông asphalt phát
huy tác dụng. Do vậy, tùy theo yêu cầu sử dụng, mục đích sử dụng, tình hình thực tế
mà ta chọn loại hình bitum cải tiến cho phù hợp)
I.3.1.3. Các đặc trưng cơ bản của bêtông asphalt
Bêtông asphalt có hai đặc trưng cơ học cơ bản mà ta cần phải quan tâm:
1/ Độ cứng vật liệu (là mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng)
2/ Cường độ bản thân vật liệu bêtông asphalt (xác đònh dạng phá hoại của
chúng: mỏi và biến dạng không phục hồi)
Độ cứng của vật liệu là đại lượng biểu thò mối quan hệ giữa ứng suất và biến
dạng tương ứng trong một trạng thái làm việc nhất đònh.
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 11
Luận án Thạc Sỹ KHKT
σ
S
mix
=
ε
Vật liệu bêtông asphalt có hai loại độ cứng:
Để nghiên cứu về đặc tính mỏi, người ta thường sử dụng thí nghiệm uốn động
hay thí nghiệm Kéo – Uốn. Các thí nghiệm về mỏi có thể sử dụng ứng suất không đổi
hay một biến dạng không đổi. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ứng suất
điều khiển không đổi cho thấy tuổi thọ mỏi của bêtông asphalt phụ thuộc vào nhiệt
độ thí nghiệm và tần suất của tải trọng tác dụng. Nếu nhiệt độ càng thấp hoặc tần
suất tải trọng tác dụng càng thấp thì tuổi thọ của vật liệu bêtông ásphalt càng lớn.
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 12
Luận án Thạc Sỹ KHKT
I.3.1.6. Tính chất lưu biến và mô hình lưu biến của bêtông asphalt [5]
Một trong những đặc trưng chủ yếu của hỗn hợp có dùng bitum làm chất kết
dính là tính lưu biến. Như ta đã biến và thấy, loại hỗn hợp này có các quá trình biến
dạng liên hệ rất chặt chẽ với thời gian tác dụng của tải trọng, tốc độ đặt tải trọng.
Còn trò số ứng suất thì phụ thuộc vào tốc độ biến dạng và trò số biến dạng (vấn đề này
dễ thấy nhất là hỗn hợp bêtông asphalt).
Trên thực tế khi sử dụng mặt đường làm bằng bêtông asphalt cho thấy tính
chất biến dạng của nó còn phức tạp hơn nhiều, bao gồm cả biến dạng đàn hồi, biến
dạng nhớt, biến dạng đàn hồi chậm, biến dạng dẻo tùy theo điều kiện thời tiết, nhất
là nhiệt độ và loại bêtông asphalt.
Có nhiều mô hình mô tả tính lưu biến của hỗn hợp có dùng bitum làm chất kết
dính (cụ thể là bêtông ásphalt) như là: Mô hình Maxvel; Mô hình Kelvin; Mô hình
Burger .v.v… (mô tả các mô hình xin xem [5])
I.1.2/ BÊTÔNG ASPHALT CẢI TIẾN
Nhìn chung, việc sử dụng các loại bitum cải tiến dùng làm chất kết dính cho
các cốt liệu đá, cát, bột khoáng sẽ tạo nên một bêtông asphalt có các ưu điểm sau:
+ Tăng độ bám mặt đường.
+ Tăng tính phục hồi biến dạng (giảm hiện tượng tích lũy biến dạng).
+ Tăng khả năng chòu lực.
+ Tăng độ cứng để ở nhiệt độ cao sẽ giảm được vệt lún bánh xe.
+ Giảm độ cứng để ở nhiệt độ thấp giảm nứt nẻ mặt đường do chòu tải trọng
nặng và do thay đổi nhiệt độ.
dính bám, đàn hồi càng tốt).
Lực ma sát hầu như không thay đổi theo nhiệt độ và tốc độ biến dạng. Lực dính
phụ thuộc vào độ nhớt của nhựa, độ dính kết giữa cốt liệu và chất liên kết, tỷ diện bề
mặt của cốt liệu. Lực này chòu ảnh hưởng rất nhiều theo nhiệt độ và tốc độ biến dạng.
Ngoài ra, trong quá trình sử dụng, sự bốc hơi dầu gây ra việc lão hoá (sự biến cứng,
mất đi tính dẻo dính) của nhựa cũng làm ảnh hưởng tiêu cực đến lực dính. Do đó, ta
cần phải cải thiện chất dính kết tăng về: độ dính kết, ổn đònh nhiệt, đàn hồi tốt .vv…
Ngoài ra, một đặc tính rất quan trọng có ảnh hưởng đến độ bền của bêtông Asphalt mà
hiện nay chúng ta chưa đề cập đúng mức đó là tính đàn hồi chậm, tính dai khi chòu lực.
Hiện tượng này, chúng ta nhìn nhận từ cơ chế làm việc: khi bêtông asphalt chòu một tải
trọnhg đủ lớn đi qua thì sẽ làm cho bêtông asphalt biến dạng và xuất hiện ứng suất tại
đáy bêtông asphalt. Khi tải trọng đã đi qua, bêtông asphalt sẽ phục hồi lại trạng thái
ban đầu, nhưng do có tính đàn hồi chậm nên khi chưa kòp phục hồi biến dạng thì lại có
tải trọng khác tác dụng lên và lại phát sinh biến dạng và ứng suất. Quá trình này cứ
được lặp đi lặp lại liên tục sẽ xuất hiện hiện tượng tích luỹ biến dạng và ứng suất. Đến
một lúc nào đó, khi ứng suất tại đáy lớp bêtông asphalt vượt quá ứng suất cho phép thì
sẽ làm cho bêtông asphalt đùn lên (trong trường hợp ở nhiệt độ cao) và nứt nẻ (trong
trường hợp ở nhiệt độ thấp). Để cải thiện được tính chất này, ta cần chế tạo ra loại
BTN có tính đàn hồi nhanh hơn, sức chòu tải dai hơn, ít chòu ảnh hưởng của nhiệt độ và
có cường độ cao hơn BTN thông thường. Muốn thế, ngoài việc phải chọn lựa cấp phối
hạt thật tốt ta cần phải dùng loại chất dính kết (bitum) có các đặc tính tốt hơn bitum
thông thường đó là Bitum cải tiến sử dụng bột cao su. Việc sử dụng bitum cải tiến này
để chế tạo bêtông có các đặc tính cơ học và chất lượng tốt là cần thiết và có ý nghóa
thực tiễn trong xây dựng mặt đường ở những nước có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm mưa
nhiều. Nước ta là một trong những nước có khí hậu này.
Việc sử dụng loại bột cao su nào để cải thiện tính chất nào của bêtông asphalt
cũng là vấn đề rất quan trọng.
+ Nếu để cải thiện tính bám đường thì sử dụng loại bột Cao su gốc SBR (loại
này chủ yếu ở xe con du lòch và có tên thương mại là: Radiad)
+ Nếu để cải thiện tính mài mòn và tính đàn hồi thì sử dụng loại bột Cao su gốc
Số lượng mẫu: 15mẫu. (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là B%)
c/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 7,5% bột cao su phế thải. Tìm
hàm lượng nhựa chứa 7,5% CS tối ưu.
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 15
Luận án Thạc Sỹ KHKT
Các tỷ lệ thực hiện: sẽ tùy thuộc vào các kết quả thí nghiệm phía trước
mà quyết đònh.
Số lượng mẫu: 15mẫu. (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là C%)
d/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 10% bột cao su phế thải. Tìm
hàm lượng nhựa chứa 10% CS tối ưu.
Các tỷ lệ thực hiện: sẽ tùy thuộc vào các kết quả thí nghiệm phía trước
mà quyết đònh.
Số lượng mẫu: 15mẫu. (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là D%)
e/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 12,5% bột cao su phế thải. Tìm
hàm lượng nhựa chứa 12,5% CS tối ưu.
Các tỷ lệ thực hiện: sẽ tùy thuộc vào các kết quả thí nghiệm phía trước mà
quyết đònh.
Số lượng mẫu: 15mẫu. (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là E%)
f/ Thiết kế Bêtông nhựa với Nhựa Shell chứa 15% bột cao su phế thải. Tìm hàm
lượng nhựa chứa 15% CS tối ưu.
Các tỷ lệ thực hiện: sẽ tùy thuộc vào các kết quả thí nghiệm phía trước mà
quyết đònh.
Số lượng mẫu: 15mẫu. (Giả sử hàm lượng tối ưu tìm được là F%)
Sau khi tìm ra các giá trò: T;A; B; C; D; E; F , ta tiếp tục đúc các tổ hợp mẫu
(03mẫu/01 tổ hợp) với các hàm lượng hỗn hợp “nhựa + x% Cao su” tối ưu vừa tìm ra
ứng với từng hàm lượng cao su gia cố tương ứng. Từ đó ta sẽ có Miền lựa chọn chất
lượng BTN ứng với các hàm lượng sử dụng bột Cao su phế thải tương ứng. Từ miền lựa
chọn này, ta sẽ chọn ra hàm lượng cao su sử dụng tối ưu nhất (giả sử là TU%) để chế
tạo BTN và đem so sánh với BTN thông thường.
I.1.6/ Chế bò mẫu tiến hành thí nghiệm
C; 60
o
C; 75
o
C; ngâm nước ở 60
o
C trong 24 giờ) ; 12 mẫu nén
(trong đó: 06 mẫu thí nghiệm cường độ chòu nén ở 20
o
C và 50
o
C; và 03 mẫu thí
nghiệm muyl đàn hồi vật liệu Tónh và Động ở nhiệt độ bình thường, 03 mẫu thí
nghiệm điểm biến dạng chảy); 06 mẫu kích thước 5x5x30cm (03 mẫu thí nghiệm Kéo
- uốn ở nhiệt độ: 10
o
C và 03 mẫu thí nghiệm mỏi); 03 mẫu kích thước 5x10x20cm (thí
nghiệm sức kháng lăn theo phương pháp “con lắc Anh”)
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 16
Luận án Thạc Sỹ KHKT
- Ngoài ra còn đúc thêm 12 mẫu nén (để thí nghiệm môđun đàn hồi tónh và
động); 12 mẫu thí nghiệm sức kháng lăn và 12 mẫu thí nghiệm điểm biến dạng chảy
ứng với các loại BTN có gia cố 2,5%; 5,0%; 7,5%; 10% Cao su (tức là 03 mẫu cho
từng loại vật liệu và từng loại thí nghiệm). Vì đây là đặc tính đặc thù của việc chế tạo
BTN gia cố bột cao su phế thải và cũng dựa vào 03 tính chất này để đònh hướng quyết
đònh chọn hàm lượng bột cao su phế thải hợp lý nhất dùng để gia cố chế tạo BTN đáp
ứng được mục đích sử dụng trong từng trường hợp của BTN. Vì việc cải thiện cường
độ BTN không phải là vấn đề khó nữa.
BẢNG TỔNG HP SỐ LƯNG MẪU THÍ NGHIỆM (Bảng II.1)
ST
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 17
Luận án Thạc Sỹ KHKT
loại BTN gia cố bột cao su phế thải đồng thời nêu các tồn tại cần phải khắc phục để
sau này hoàn thiện hơn. Nêu kiến nghò và đònh hướng.
II.2. THÍ NGHIỆM CÁC LOẠI VẬT LIỆU ĐỂ CHẾ TẠO BTN
* Tiêu chuẩn thí nghiệm: 22TCN 249-98
I.1.10/ Đá dăm
* Phương pháp thí nghiệm: TCVN 1771-87; 1772-87.
- Nguồn gốc: Mỏ Đá Tân Đông Hiệp - Tỉnh Bình Dương
+ Cường độ đá gốc (Rn) = 1457 daN/cm2
+ Độ mài mòn LosAngeles (LA) = 17.86 (%)
+ Độ nén đập ở trạng thái bão hòa = 10,12 (%)
- Các thông số kỹ thuật khác : xem chi tiết ở PHỤ LỤC VẬT LIỆU (Đá 19mm;
Đá 16mm; Đá 13mm; Đá Mi sàng)
- Nhận xét: Đối chiếu với yêu cầu kỹ thuật, loại đá này hoàn toàn đáp ứng
được yêu cầu kỹ thuật để sản xuất Bêtông nhựa chặt.
- Lý do chọn nguồn đá:
+ Các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu kỹ thuật theo qui đònh.
+ Trữ lượng mỏ đá lớn, khai thác dễ dàng.
+ Rất nhiều công trình ở khu vực phía Nam sử dụng nguồn đá này.
I.1.11/ Cát
* Phương pháp thí nghiệm: TCVN 342 343 344 345 - 86).
- Nguồn gốc: Cát vàng ở sông Đồng Nai (thuộc tỉnh Đồng nai)
+ Muyl độ lớn: 2,561
+ Hàm lượng bụi, sét, bẩn: 1,36 (%)
- Các thông số kỹ thuật: xem chi tiết ở PHỤ LỤC VẬT LIỆU (Cát vàng)
* Nhận xét: Đối chiếu với yêu cầu kỹ thuật như đã nêu trên, loại cát này hoàn
toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật để sản xuất Bêtông nhựa chặt
* Lý do chọn nguồn cát:
+ Các chỉ tiêu cơ lý đạt yêu cầu kỹ thuật theo qui đònh.
II.3. THIẾT KẾ BÊTÔNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP MARSHALL:
I.1.15/ Yêu cầu kỹ thuật của bêtông nhựa chặt (BTNC)
Bêtông nhựa chặt rải nóng cần phải có các thông số kỹ thuật thoả mãn đạt theo
tiêu chuẩn 22TCN 249-98 như trong bảng sau:
(Bảng II.2)
TT CÁC CHỈ TIÊU YÊU CẦU ĐỐI VỚI BÊ
TÔNG NHỰA LOẠI
PHƯƠNG PHÁP
THÍ NGHIỆM
I II
A/ Thí nghiệm theo mẫu nén hình trụ (mẫu nén dưới áp lực 400 adN/cm
2
)
1 Độ rỗng cốt liệu khoáng chất,(% thể tích) 15 – 19 15 21
Qui trình thí
nghiệm bêtông
nhựa 22TCN
62-84
2 Độ rỗng còn dư, (% thể tích) 3 – 6 3 6
3 Độ ngậm nước, (% thể tích) 1,5 3,5 1,5 4,5
4 Độ nở, (% thể tích), không lớn hơn 0,5 1,0
5 Cường độ chòu nén (daN/cm
2
), ở nhiệt độ:
+ 20
o
C, không nhỏ hơn
+ 50
o
C, không nhỏ hơn
5 Độ rỗng bê tông nhựa 3 – 6 3 6
6 Độ rỗng cốt liệu 14 – 18 14 20
C/ Chỉ tiêu khác
1 Độ dính bám vật liệu nhựa đối với đá Khá Đạt yêu
cầu
QT TN nhựa
22TCN 279-01
I.1.16/ Phương pháp Marshall là gì?
Phương pháp Marshall là một phương pháp thực nghiệm do Viện asphalt của
Mỹ đưa ra. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: Sau khi có đường cong cấp phối
hợp lý, chúng ta tiến hành đúc các tổ mẫu (ít nhất 03 mẫu / 01 tổ mẫu) theo các hàm
lượng nhựa khác nhau (các hàm lượng nhựa kế tiếp nhau chênh nhau khoảng 0,2 %
đến 0,3%). Tiếp theo, ta thí nghiệm tất cả các chỉ tiêu của bêtông nhựa cho từng tổ
hợp mẫu (các chỉ tiêu BTN phải thí nghiệm: Dung trọng; Cường độ Marshall; Chỉ số
dẻo; Thương số Marshall; Khối lượng riêng cốt liệu; Khối lượng riêng BTN; Độ rỗng
cốt liệu khoáng; Độ rỗng còn dư ). Khi có kết quả thí nghiệm rồi, ta vẽ lên các đường
quan hệ giữa: Hàm lượng nhựa với Dung trọng; Hàm lượng nhựa với Cường độ
Marshall; Hàm lượng nhựa với Độ rỗng còn dư của BTN; Hàm lượng nhựa với Độ
rỗng cốt liệu khoáng và dựa vào các tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu ta sẽ tìm ra được
Hàm lượng nhựa tối ưu. Ứng với Hàm lượng nhựa tối ưu này ta được một hổn hợp
BTN có tính năng kỹ thuật tốt nhất đồng thời đạt theo tiêu chuẩn yêu cầu và kinh tế
nhất.
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 20
Luận án Thạc Sỹ KHKT
I.1.17/ Tính toán và thiết kế Cấp phối Bêtông nhựa (BTNC15): Cấp phối
BTNC15 được thiết kế theo 22TCN 249-98 của bộ GTVT ban hành
- Trên cơ sở đường bao cấp phối hạt trong tiêu chuẩn 22TCN 249-98 và các chỉ
tiêu kỹ thuật của các vật liệu đã thí nghiệm ở trên, ta phối hợp các hàm lượng của cốt
liệu theo một tỷ lệ nào đó để được một đường cong cấp phối liên tục, trơn và nằm
trong đường bao theo qui trình đã nêu nhằm tạo ra hỗn hợp bêtông nhựa chặt có các
N
o
200 6 11 7,92
(Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”)
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 21
BIỂU ĐỒ THÀNH PHẦN HẠT
Miền cấp phối BTNC15 theo tiêu chuẩn 22-TCN-249-98
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0.010.1110100
Cỡ rây tính bằng (mm)
Phần trăm lọt rây (%)
Luận án Thạc Sỹ KHKT
I.1.18/ Tính toán và thiết kế Hàm lượng nhựa tối ưu
- Từ đònh hướng Hàm lượng nhựa tối ưu trong qui trình 22TCN 249-98 đã nêu,
kết hợp kinh nghiệm thực tế. Tôi tiến hành đúc các tổ mẫu Marshall theo các hàm
lượng nhựa như sau: 4,9%; 5,2%; 5,5%; 5,8% 6,1% cho từng loại “nhựa + x% cao su”:
“Nhựa + 0% CS; Nhựa + 2,5% CS; Nhựa + 5,0% CS; Nhựa + 7,5% CS; Nhựa +
10 %CS; Nhựa + 12,5% CS; Nhựa + 15% CS” và tiến hành thí nghiệm để tìm ra hàm
lượng hỗn hợp “nhựa + Cao su” tối ưu cho từng loại. Trong quá trình thí nghiệm, nhận
thấy khi hàm lượng cao su trong nhựa đường lớn hơn 5% thì các chỉ tiêu Độ bền
4.5 4.17 4.37 4.05 4.22
Chỉ số dẻo (lúc p.hoại)
3.61 4.24 4.18 4.15 3.91
Thương số M.shall
16.09 16.4 16.61 16.78 16.96
Độ rỗng cốt liệu
3.96 4.32 4.56 4.76 4.96
Độ rỗng dư
2.411 2.402 2.400 2.389 2.385
Dung trọng
15.48 18.05 19.44 17.45 17.15
Độ bền Marshall
5.50% 1.68 1.52 1.41 1.37 1.36
Chỉ số dẻo (tại 8KN)
4.83 4.40 4.47 4.44 4.37
Chỉ số dẻo (lúc p.hoại)
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 22
Luận án Thạc Sỹ KHKT
3.20 4.10 4.35 3.93 3.92
Thương số M.shall
16.05 16.28 16.47 16.77 16.88
Độ rỗng cốt liệu
3.17 3.46 3.65 4.02 4.14
Độ rỗng dư
2.417 2.405 2.397 2.392 2.390
Dung trọng
14.36 16.85 18.97 17.38 17.08
Độ bền Marshall
5.80% 1.76 1.57 1.47 1.53 1.67
Chỉ số dẻo (tại 8KN)
g/cm
3
) nhỏ hơn khối lượng riêng của Nhựa đường (khoảng 1,03 g/cm
3
).
* ĐỘ BỀN MARSHALL (R
marshall
) ( Qui đònh > 8KN )
- Hầu như (R
marshall
) của các loại hỗn hợp trên đều đạt cao hơn yêu cầu kỹ thuật.
- Nếu sử dụng cùng một hàm lượng thí nghiệm (4,9%; 5,2%; 5,5%; 5,8%;6,1%)
ở các hỗn hợp nêu trên thì (R
marshall
) tăng dần khi hàm lượng cao su trong hỗn hợp
tăng. Nhưng mức tăng lớn nhất dừng ở khi dùng hỗn hợp “ Nhựa + 5% bột Cao su” và
hạ dần khi hàm lượng cao su trong hỗn hợp lớn hơn 5% (Trong đề tài này, do thời gian
có hạn nên tôi dừng lại ở hàm lượng 10%Cao su trong hỗn hợp, lúc này (R
marshall
) vẫn
còn cao hơn khi dùng 0%Cao su một ít. Tất nhiên, khi tăng thêm hàm lượng Cao su
trong hỗn hợp thì (R
marshall
) càng giảm và đến một mức nào đó nó sẽ kém hơn khi
không dùng cao su và không đạt yêu cầu kỹ thuật).
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 23
Luận án Thạc Sỹ KHKT
- Dựa vào các biểu đồ quan hệ giữa: Hàm lượng nhựa với Dung trọng; Hàm
lượng nhựa với Cường độ Marshall; Hàm lượng nhựa với Độ rỗng còn dư của BTN;
Sau khi có các hàm lượng tối ưu trên, tôi tiếp tục đúc mẫu kiểm chứng theo các
hàm lượng đó để kiểm chứng lại. Nếu cho kết quả tốt thì chứng tỏ các hàm lượng hỗn
hợp “Nhựa + %bột Cao su”đã chọn là hợp lý và lấy đó để nghiên cứu tiếp các bước
sau này. Nếu cho kết quả không tối ưu và không đạt yêu cầu kỹ thuật thì ta phải đi
chọn lại.
BẢNG TỔNG HP CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MẪU KIỂM CHỨNG:
(Chi tiết xem phần “PHỤ LỤC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM”) (Bảng II.6 )
TT
BÊ TÔNG NHỰA
DÙNG CÁC LOẠI
HỖN HP “NHỰA +
% BỘT CAO SU PHẾ
THẢI”
Khối lượng
thể tích
của BTN
(kG/cm
3
)
Độ bền
Marshall
của BTN
(KN)
Thương số
Marshall
của BTN
(KN/mm)
Độ rỗng
cốt liệu
của BTN
- Vật liệu: Nhựa Shell 60/70. Hiện nay có rất nhiều loại nhựa, nhưng với khí
hậu nhiệt đới ở nước ta và nhất là khí hậu miền Nam bộ nóng ẩm quanh năm thì việc
sử dụng loại nhựa có độ kim lún 60/70 là thích hợp nhất. Trên thò trường cũng có
nhiều hãng cung cấp nhựa 60/70 nhưng theo cá nhân tôi thấy ở khu vực miền phía
Nam sử dụng nhiều loại nhựa Shell 60/70 và chất lượng cũng ổn đònh, khả năng cung
cấp lớn. Vì vậy tôi chọn nhựa Shell 60/70 sử dụng trong đề tài này.
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 09 CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CƠ BẢN CỦA NHỰA
SHELL 60/70
(Bảng III.1)
Stt Chỉ tiêu TN Mẫu Giá trò Tiêu chuẩn Phương
Nghiên cứu, Chế tạo Bê Tông Nhựa Nóng sử dụng bột Cao su phế thải 25
Copyright: Tài liệu đại học ©