Phân tích vi quan sự phân bố và tác dụng của sợi trong hỗn hợp SMA

Bài viết Phân tích vi quan sự phân bố và tác dụng của sợi trong hỗn hợp SMAđược nghiên cứu với mục đích nghiên cứu cơ lý tác dụng và sự phân bố của sợi trong hỗn hợp SMA, từ đó xác định hàm lượng sợi hợp lý; nghiên cứu sử dụng ba loại sợi là sợi hữu cơ, sợi khoáng và sợi tổng hợp với các hàm lượng sợi khác nhau, sử dụng máy chụp hình vi quan điện tử, tiến hành phân tích kết cấu vi quan hỗn hợp SMA.

C«ng nghiƯp rõng PHÂN TÍCH VI QUAN SỰ PHÂN BỐ VÀ TÁC DỤNG CỦA SỢI TRONG HỖN HỢP SMA Đặng Văn Thanh1, Cheng Pei Feng2 TS Trường Đại học Lâm nghiệp, Việt Nam GS Trường Đại học Lâm nghiệp Đơng Bắc, Trung Quốc TĨM TẮT SMA (Stone Matrix Asphalt) loại mặt đường bê tông át phan kiểu nghiên cứu ứng dụng Đây loại vật liệu hỗn hợp, tính tính chất ngun, vật liệu tạo thành có quan hệ mật thiết Với mục đích nghiên cứu lý tác dụng phân bố sợi hỗn hợp SMA, từ xác định hàm lượng sợi hợp lý; nghiên cứu sử dụng ba loại sợi sợi hữu cơ, sợi khoáng sợi tổng hợp với hàm lượng sợi khác nhau, sử dụng máy chụp hình vi quan điện tử, tiến hành phân tích kết cấu vi quan hỗn hợp SMA Kết rõ dính kết nhựa đường ba loại sợi tốt, sợi có tác dụng nâng cao khả chịu tải hỗn hợp, ngăn ngừa hình thành phát triển vết nứt; hàm lượng sợi đạt đến giá trị tối ưu, hỗn hợp sợi hình thành kết cấu mạng khơng gian có tác dụng tốt cho việc cải thiện tính hỗn hợp Từ khóa: Hàm lượng sợi, phân tích vi quan: SMA, sợi, tính phân tán sợi I ĐẶT VẤN ĐỀ Hỗn hợp SMA loại vật liệu phức hợp, có kết cấu phức tạp, khơng đồng chất; nguyên vật liệu kết cấu tổ thành có quan hệ mật thiết với tính hỗn hợp SMA việc dựa vào kết cấu khung xương hàm lượng lớn cốt liệu lớn, điều đặc biệt thành phần cịn có sợi phụ gia nhựa đường cải tính Để ứng dụng hợp lý hỗn hợp SMA, ngồi việc nghiên cứu tiêu tính hỗn hợp, việc nghiên cứu đặc điểm cấu tạo kết cấu vi quan cần thiết, mà từ trước đến báo cáo kết nghiên cứu lĩnh vực Tác giả sử dụng máy chụp hình vi quan điện tử (kính điện tử), phân tích tác dụng sợi, ảnh hưởng phân bố hàm lượng sợi đến tính SMA II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu - Đối tượng nghiên cứu lựa chọn hỗn hợp SMA-16 - Tỉ lệ cấp phối vật liệu khoáng sử dụng cho hỗn hợp ghi bảng 01 Cốt liệu lớn cốt liệu nhỏ loại nghiền từ đá huyền vũ, có khối lượng thể tích 2.84g/cm3; đường kính danh định lớn cốt liệu 16mm Bảng 01 Cấp phối vật liệu khoáng SMA-16 Lỗ sàng (mm) 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 Lọt sàng (%) 100 95.1 81.9 53.7 25.3 18.4 16.2 14.0 12.1 10.8 9.4 Cho phép (%) 100 90-100 65-85 45-65 20-32 15-24 14-22 12-18 10-15 9-14 8-12 - Bột khoáng sử dụng bột đá vơi, có khối lượng thể tích 2.78g/cm3, tỉ lệ lượng lọt qua 84 sàng 0.75mm 87.7% - Sợi sử dụng ba loại là: sợi hữu cơ, sợi TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 C«ng nghiƯp rõng khống sợi tổng hợp; hình ảnh loại sợi số tiêu kỹ thuật thể hình 01 bảng 02 a) Sợi hữu - Chất kết dính sử dụng nhựa đường cải tính SBS-90, với tiêu kỹ thuật thể bảng 03 b) Sợi khống c) Sợi tổng hợp Hình 01 Hình ảnh ba loại sợi sử dụng Bảng 02 Một số tiêu kỹ thuật ba loại sợi sử dụng Chỉ tiêu Màu Độ dài Đường kính Tỉ trọng sắc (mm) (μm) (g/m3) Độ hút Cường độ nước chịu kéo (%) (MPa) Độ pH Sợi hữu Sẫm 500 - Bảng 03 Một số tiêu kỹ thuật nhựa đường cải tính SBS-90 Chỉ tiêu Giá trị thực Giá trị yêu cầu Độ lún kim 25℃ (cm) 6.7 ≮6 Độ dãn dài, 5cm/min，5℃(cm) 95.2 ≮30 Nhiệt độ hóa mềm (℃) 76.5 ≮55 Nhiệt độ chảy (%) 101 ≮99 298 ≮230 1.05 - Nhiệt độ bốc cháy (℃) Khối lượng riêng (g/cm ) 2.2 Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu vi quan thường dùng phương pháp: sử dụng máy chụp hình vi quan điện tử (kính điện tử), phân tích quang phổ hồng ngoại, phân tích trọng lượng ; phương pháp dùng kính điện tử sử dụng phổ biến, với kỹ thuật hình ảnh có độ phân giải cao phương pháp chiếm ưu hẳn phương pháp khác Chính vậy, tác giả chọn phương pháp dùng kính điện tử để nghiên cứu vi quan hỗn hợp SMA Loại thiết bị sử dụng kính điện tử có nhãn hiệu “QUANTA200” có bề ngồi hình 02 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 85 C«ng nghiÖp rõng Tham khảo kết nghiên cứu trước sử dụng loại sợi hỗn hợp SMA, loại sợi, sử dụng lượng dùng nhựa tối ưu để chế tạo mẫu thí nghiệm Marhall làm thí nghiệm phá hoại nứt điều kiện kết băng tan băng (Freeze–thaw splitting test) loại hỗn hợp với hàm lượng sợi khác Để thấy rõ tác dụng sợi hỗn hợp SMA chịu ngoại lực, lấy mẫu từ bề mặt bị phá hoại mẫu thí nghiệm nứt đông cứng tan rã để tiến hành làm thí nghiệm chụp hình vi quan Mỗi loại hỗn hợp SMA chọn chế tác mẫu với kích thước mẫu: chiều dài × chiều rộng × chiều cao vào khoảng 3cm × 3cm × 2cm, sau đưa vào máy mạ vàng trước Hình 03 Mẫu trước mạ vàng Mẫu thí nghiệm mạ vàng xong đưa vào chụp hình kính điện tử Cần phải lựa chọn vị trí chụp hình cho: quan sát rõ ràng tình trạng phân bố sợi mặt mẫu bị nứt; bước phóng đại vị trí sợi bị kéo đứt; liên kết sợi hỗn hợp Đối với mẫu có hàm lượng sợi tương đối lớn, cần chụp hình ảnh phóng to để thể rõ tượng vón kết xếp sợi 86 làm thí nghiệm chụp hình Mẫu thí nghiệm trước sau mạ vàng thể hình 03 hình 04 Hình 02 Kính hiển vi điện tử (QUANTA200) Hình 04 Mẫu sau mạ vàng hỗn hợp Ngồi cần phóng đại vị trí sợi bắc ngang qua lỗ rỗng, để từ thấy vai trò sợi việc liên kết, giữ ổn định chống nứt III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Liên kết nhựa đường cải tính sợi Tình trạng liên kết loại sợi nhựa đường cải tính hỗn hợp SMA thể hình 05 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 C«ng nghiƯp rõng a) SMA sợi hữu b) SMA sợi khoáng a) SMA sợi tổng hợp Hình 05 Tình trạng liên kết sợi nhựa đường cải tính Thơng qua hình ảnh thu rõ, liên kết loại sợi nhựa đường cải tính tốt Từ hình 05 cho thấy, từ phần gốc đến khắp bề mặt sợi bảo bọc nhựa đường, thể hấp thụ nhựa đường loại sợi tốt, không liên kết giới mà cịn có dạng liên kết hóa học, tham gia sợi làm cho tính hỗn hợp cải thiện Nhìn mắt thường, bề mặt sợi phẳng trơn chu, xem ảnh vi quan phóng to ta thấy, bề mặt sợi lồi lõm không phẳng Từ hình 05 thấy, nhựa đường lấp đầy chỗ lõm bề mặt sợi, tạo nên mối liên kết chặt chẽ hơn; điều làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt sợi nhựa đường Do có liên kết thẩm thấu sợi nhựa đường, làm cho cường độ dính kết mặt tiếp xúc lớn cường độ dính kết thân nhựa đường cải tính Cường độ dính kết tăng cao làm cho tính hỗn hợp SMA dùng sợi nhựa đường cải tính cải thiện 3.2 Tác dụng chống nứt sợi SMA a) Hỗn hợp không sợi b) SMA sợi hữu b) SMA sợi khống b) SMA sợi tổng hợp Hình 06 Tác dụng chống nứt sợi SMA Vi quan bề mặt bị phá hoại nứt loại SMA dùng ba loại sợi không dùng sợi thể hình 06 Từ hình 06a thấy, mặt mẫu bị phá hoại nứt hỗn hợp khơng dùng sợi có nhiều vết nứt, đồng thời tồn nhiều chỗ bị tách lớp, liên kết lớp Từ hình 06b – d thấy, loại sợi phân bố dọc ngang đan chéo hỗn hợp SMA, hình thành kết cấu mạng không gian Kiểu kết cấu mạng khơng gian khơng có tác dụng truyền lực, mà cịn có tác dụng ngăn cản trơn trượt hạt, liên kết tổng thể hỗn hợp, cản trở làm chậm hình thành phát triển vết nứt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 87 C«ng nghiƯp rõng Từ hình 06 cịn cho thấy, sợi phân bố đan tơng xi măng chịu kéo tương đối lớn, có tác dụng 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng sợi đến tính hỗn hợp SMA ngăn cản mở rộng vết nứt lỗ rỗng; Bảng 04 Hàm lượng sợi ba loại SMA chéo lỗ rỗng nhỏ, mà sợi lại có khả bù đắp cho hạn chế nội cốt liệu hỗn hợp, nâng cao khả chống nứt hỗn hợp Loại SMA Hàm lượng sợi（%） SMA – 16 sợi hữu 0.26；0.31；0.38 SMA – 16 sợi khoáng 0.30；0.40；0.50 SMA – 16 sợi tổng hợp 0.15；0.25；0.35 Đồng thời, bề mặt mẫu bị phá hoại nứt ta thấy chiều dài loại sợi lớn bề rộng vết nứt, lỗ rỗng; sợi đảm bảo tính chịu kéo dính kết tốt với nhựa đường, có tác dụng rõ rệt việc phân bố đồng ứng suất nội bộ, nâng cao cường độ chịu kéo chống nứt cho hỗn hợp Khi hỗn hợp SMA chịu tải trọng tác động khác, loại sợi phân bố hỗn hợp có tác dụng cản trở xuất phát triển vết nứt, tương tự tác dụng cốt thép bê a) SMA sợi hữu 0.26% Để phân tích tình trạng phân bố ba loại sợi nội hỗn hợp với hàm lượng sợi khác nhau, lấy hàm lượng sợi tối ưu tương ứng với ba loại hỗn hợp SMA làm trung tâm, sau lấy thêm hai giá trị lớn nhỏ giá trị tối ưu để làm thí nghiệm Hàm lượng sợi nghiên cứu tỉ lệ phần trăm trọng lượng sợi vật liệu khoáng (cốt liệu khoáng) Cụ thể việc lựa chọn hàm lượng sợi tương ứng với loại hỗn hợp SMA ghi bảng 04 b) SMA sợi hữu 0.31% c) SMA sợi hữu 0.38% Hình 07 Phân bố sợi hữu với hàm lượng khác a) SMA sợi khoáng 0.3% b) SMA sợi khoáng 0.4% c) SMA sợi khống 0.5% Hình 08 Phân bố sợi khống với hàm lượng khác 88 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 C«ng nghiÖp rõng a) SMA sợi tổng hợp 0.15% b) SMA sợi tổng hợp 0.25% c) SMA sợi tổng hợp 0.35% Hình 09 Phân bố sợi tổng hợp với hàm lượng khác Từ hình 7-9a thấy, hàm lượng sợi nhỏ, hỗn hợp sợi phân bố đều, lượng sợi nhỏ nên chưa đủ để hình thành kết cấu mạng lưới khơng gian, liên kết sợi với sợi Khi hàm lượng sợi tối ưu, hỗn hợp sợi phân bố (các hình 7-9b), sợi đan chéo ngang dọc, hình thành kết cấu mạng khơng gian, sợi điền đầy hồ chất kết dính tạo thành từ bột khống nhựa đường cải tính Mạng khơng gian sợi khơng có tác dụng phân tán hay tiêu giảm tải trọng, mà cịn khác phục tượng trượt trơn hạt, liên kết hỗn hợp thành thể thống nhất, làm chậm tốc độ phát triển vết nứt Khi hàm lượng sợi tương đối lớn (các hình 7-9c), hỗn hợp sợi phân bố khơng đồng đều, kết bó dồn đống rõ rệt, liên kết sợi với nhựa đường, bột khoáng cốt liệu hỗn hợp hơn; thấy nhiều sợi trạng thái rời rạc, khơng phát huy tác dụng sợi Kết thí nghiệm xác định cường độ chống nứt mẫu thí nghiệm chế tạo từ ba loại sợi điều kiện kết băng tan băng ghi bảng 05 Trong đó: TSR tỉ số (tính %) cường độ chịu kéo chống nứt mẫu qua chưa qua kết băng – tan băng; RT1 cường độ chịu kéo chống nứt mẫu chưa qua kết băng – tan băng; RT2 cường độ chịu kéo chống nứt mẫu qua kết băng – tan băng Bảng 05 Kết thí nghiệm nứt kết băng – tan băng Loại SMA SMA – 16 sợi hữu SMA – 16 sợi khoáng SMA – 16 sợi tổng hợp Ghi Hàm lượng sợi (%) RT1 (MPa) RT2 (MPa) TSR (%) 0.26 0.582 0.500 85.94 Hàm lượng sợi nhỏ 0.31 0.627 0.542 86.47 Hàm lượng tối ưu 0.38 0.551 0.468 84.97 Hàm lượng sợi lớn 0.30 0.624 0.537 86.00 Hàm lượng sợi nhỏ 0.40 0.651 0.568 87.22 Hàm lượng tối ưu 0.50 0.617 0.536 86.80 Hàm lượng sợi lớn 0.15 0.592 0.497 83.95 Hàm lượng sợi nhỏ 0.25 0.660 0.557 84.51 Hàm lượng tối ưu 0.35 0.601 0.506 84.18 Hàm lượng sợi lớn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 89 C«ng nghiƯp rõng Từ kết bảng thấy, với loại sợi, ảnh hưởng hàm lượng sợi đến hỗn hợp SMA rõ ràng: hàm lượng sợi tối ưu, tính hỗn hợp SMA tốt nhất; hàm lượng sợi nhỏ lớn q khơng thể phát huy hồn tồn tác dụng sợi Kết thí nghiệm phù hợp với kết phân tích vi quan tối ưu, phân bố sợi hỗn hợp tương đối phát huy hết tác dụng, làm cải thiện rõ rệt tính hỗn hợp Khi hàm lượng sợi lớn, sợi phân bố không dễ dàng dẫn đến tượng kết bó, tác dụng sợi khơng phát huy hết, dẫn đến lãng phí ảnh hưởng xấu đến tính hỗn hợp IV KẾT LUẬN Sử dụng kính điện tử, chụp hình phân tích vi quan mẫu hỗn hợp bị phá hoại nứt không dùng dùng ba loại sợi khác nhau, thu kết sau: 1) Sự dính kết loại sợi nhựa đường cải tính tốt, yếu tố đảm bảo nâng cao khả chống chịu điều hòa biến dạng hỗn hợp SMA 2) Trong hỗn hợp SMA ba loại sợi có khả đan chéo dọc ngang, hình thành kết cấu mạng khơng gian, tăng cường liên kết nội hỗn hợp, nâng cao khả chống chịu ngoại lực làm chậm tốc độ phát triển vết nứt 3) Khi hàm lượng sợi chưa vượt giá trị TÀI LIỆU THAM KHẢO Anderson D.A (1999) Superpave Binder Tests and Specification ． In Workshop Briefing, Performance Related Properties for Bituminous Binders, 5: 23-31 Askeri Karakus (2011) “Investigating on possible use of Diyarbakir basalt waste in Stone Mastic Asphalt” Construction and Building Materials: 1–6 Bahia HU et al (1998) Classification of Asphalt Binders into Simple and Complex Binders AAPT, 57: 41-64 Dang Van Thanh et al (2011) “Analysis of High Temperature Stability and Water Stability of SMA Mixture using Orthogonal Experiments” International Journal of Civil and Structural Engineering, 2: 626-638 Dang Van Thanh, Cheng Pei Feng (2013) “Study on influence factors of high temperature and water stability of Stone Matrix Asphalt” Advanced Materials Research Vols 602-604: 1014-1020 MICRO-OBSERVATION ANALYSIS ON THE DISTRIBUTION AND EFFECTS OF FIBERS IN SMA MIXTURE Dang Van Thanh, Cheng Pei Feng SUMMARY SMA (Stone Matrix Asphalt) is the new technology of asphalt concrete pavement which is already researched and applied This is a composite material whose forming material’s features and properties has a closed relationship In order to determine a reasonable fiber content, the distribution and physico-mechanical properties of the fiber in SMA mixture is estimated in which three type of fiber including lignin, basalt and polyester fiber under different contents are investigated with the supports of scanning electron microscope As the result, micro-obsevation analysis of SMA mixture is analized The research results show that there is a good adhesive condition between aspalt and three above fiber that offers a great supporting capacity and prevents from being cracked When the fiber content reaching an optimal value, fiber in SMA mixture is formed to a spacial grid structure This results in a better performance in the mixture properties Keywords: Fiber, fiber dispersity, fiber content, micro - observation analysis, scanning electron microscope, SMA Người phản biện: PGS.TS Lê Văn Thái Ngày nhận bài: 20/01/2014 Ngày phản biện: 20/01/2014 Ngày định đăng: 07/3/2014 90 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2014 ... 3.2 Tác dụng chống nứt sợi SMA a) Hỗn hợp không sợi b) SMA sợi hữu b) SMA sợi khoáng b) SMA sợi tổng hợp Hình 06 Tác dụng chống nứt sợi SMA Vi quan bề mặt bị phá hoại nứt loại SMA dùng ba loại sợi. .. rõng a) SMA sợi tổng hợp 0.15% b) SMA sợi tổng hợp 0.25% c) SMA sợi tổng hợp 0.35% Hình 09 Phân bố sợi tổng hợp với hàm lượng khác Từ hình 7-9a thấy, hàm lượng sợi nhỏ, hỗn hợp sợi phân bố đều,... đường, có tác dụng rõ rệt vi? ??c phân bố đồng ứng suất nội bộ, nâng cao cường độ chịu kéo chống nứt cho hỗn hợp Khi hỗn hợp SMA chịu tải trọng tác động khác, loại sợi phân bố hỗn hợp có tác dụng cản