Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia nona cacbon đến độ bền mỏi và độ kháng nứt của mặt đường bê tông nhựa luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

i LỜI CAM ĐOAN Họ tên học viên: Nguyễn Viết Vượng Sinh ngày 02 tháng 10 năm 1972 Học viên lớp cao học xây dựng đường ô tô đường thành phố K25.1 Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia Nano Carbon đến độ bền mỏi độ kháng nứt mặt đường bê tơng nhựa” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các tài liệu tham khảo có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Viết Vượng ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ kỹ thuật với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia Nano Carbon đến độ bền mỏi độ kháng nứt mặt đường bê tơng nhựa” hồn thành sau tháng nỗ lực nghiên cứu thân, tư vấn, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy PGS-TS Lê Văn Bách Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn PGS-TS Lê Văn Bách dành nhiều thời gian dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Luận văn hoàn thành khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế, mong nhận ý kiến đóng góp q thầy bạn đọc để luận văn hoàn thiện Tác giả Tác giả luận văn Nguyễn Viết Vượng iii MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ NANO CARBON VÀ BÊ TÔNG NHỰA 1.1 Tổng quan công nghệ Nano 1.1.1 1.1.1.1 Lịch sử đời công nghệ Nano 1.1.1.2 Lịch sử đời vật liệu Carbon Nanotubes .4 1.1.2 1.2 Lịch sử đời công nghệ Nano vật liệu Carbon Nanotubes .3 Ứng dụng công nghệ Nano Tổng quan bê tông nhựa 1.2.1 Khái niệm .8 1.2.2 Phân loại đặc tính .8 1.2.3 Cấu trúc bê tông nhựa 11 1.2.4 Yêu cầu tiêu kỹ thuật 14 1.2.5 Yêu cầu cấp phối 15 1.2.6 Vật liệu chế tạo bê tông nhựa .16 1.2.6.1 Cốt liệu lớn .16 1.2.6.2 Cốt liệu nhỏ 17 1.2.6.3 Bột khoáng .18 1.2.6.4 Bitum (nhựa đường) .19 1.2.7 Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa .21 1.3 Tình hình sử dụng vật liệu bê tông nhựa 25 1.4 Tính khả thi sử dụng vật liệu Nano Carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa nhằm cải thiện độ kháng nứt độ ổn định Marshall 26 1.4.1 Cấu trúc hỗn hợp vật liệu khoáng bê tông nhựa 26 1.4.2 Cấu trúc Bitum bê tông nhựa 27 iv 1.4.3 Vai trị bột khống 28 1.4.4 Ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu, phát triển vật liệu Nano Carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa 28 Chương CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1 Cơ sở khoa học sử dụng phụ gia Nano Carbon vào bê tông nhựa để ứng dụng vào mặt đường ô tô 30 2.1.1 Một số phương pháp nghiên cứu điều chế vật liệu Carbon Nanotubes 32 2.1.1.1 Phương pháp hồ quang điện 32 2.1.1.2 Phương pháp bốc bay Laser 33 2.1.1.3 Phương pháp lắng đọng pha hóa học (phương pháp CVD nhiệt) 34 2.1.2 Một số tính chất ứng dụng vật liệu Carbon Nanotubes 36 2.1.2.1 Tính chất vật liệu Carbon Nanotubes 36 2.1.2.2 Ứng dụng vật liệu Carbon Nanotubes .36 2.2 Đánh giá kết phương pháp tổng hợp vật liệu CNTs .37 2.3 Các tồn tại, hạn chế đề tài chưa đề cập tới 37 Chương NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA PHỤ GIA NANO CARBON ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU CỦA BÊ TÔNG NHỰA .38 3.1 Kiểm tra đánh giá vật liệu đầu vào .38 3.1.1 Cốt liệu 38 3.1.2 Bột khoáng 42 3.1.3 Nhựa đường 44 3.1.4 Vật liệu Carbon Nanotubes (CNTs) 46 3.2 Nghiên cứu, tính tốn thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 12,5 .46 3.2.1 Khái niệm .46 3.2.2 Tính tỷ lệ phối trộn cốt liệu hỗn hợp bê tông nhựa 47 3.2.3 Chế tạo mẫu Marshall 50 v 3.2.3.1 Chuẩn bị vật liệu 51 3.2.3.2 Mẫu chế bị .51 3.2.4 Tiến hành thí nghiệm theo phương pháp Marshall .52 3.2.5 Kiểm tra độ ổn định xác định hàm lượng nhựa tối ưu .52 3.3 3.2.5.1 Độ ổn định Marshall 52 3.2.5.2 Xác định hàm lượng nhựa tối ưu 53 Đúc mẫu 55 3.3.1 Chế bị mẫu nhựa trộn với phụ gia CNTs 55 3.3.2 Mẫu thí nghiệm độ kháng nứt (SCB) 58 3.3.3 Mẫu thí nghiệm độ dẻo, độ ổn định Marshall 61 3.4 Thí nghiệm 62 3.4.1 3.4.1.1 Mô tả thí nghiệm 62 3.4.1.2 Kết thí nghiệm .62 3.4.1.3 Tổng hợp kết thí nghiệm 65 3.4.2 3.5 Thí nghiệm độ ổn định độ dẻo Marshall 62 Thí nghiệm khả kháng nứt (SCB) 65 3.4.2.1 Mô tả thí nghiệm 65 3.4.2.2 Kết thí nghiệm .68 3.4.2.3 Tổng hợp kết thí nghiệm 74 Đánh giá kết thí nghiệm .75 3.5.1 Đối với mẫu Marshall 75 3.5.2 Đối với mẫu SCB 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 81  vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 – Chỉ tiêu kỹ thuật qui định cho BTNC 14  Bảng – Chỉ tiêu kỹ thuật qui định cho cấp phối BTNC 15  Bảng – Chỉ tiêu kỹ thuật qui định cho đá dăm .17  Bảng – Chỉ tiêu kỹ thuật qui định cho cát 18  Bảng – Chỉ tiêu kỹ thuật qui định cho bột khoáng 19  Bảng – Chỉ tiêu kỹ thuật qui định cho nhựa đường 60/70 .20 Bảng – Bảng so sánh ba phương pháp chế tạo CNTs 37 Bảng – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm đá dăm 10x16 .39  Bảng – Kết phân tích thành phần hạt đá dăm 10x16 40  Bảng 3 – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm đá dăm 5x10 .40  Bảng – Kết phân tích thành phần hạt đá dăm 5x10 41  Bảng – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm đá dăm 0x5 41  Bảng – Kết phân tích thành phần hạt đá dăm 0x5 42  Bảng – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm bột khống 43  Bảng – Kết phân tích thành phần hạt bột khống .43  Bảng – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm nhựa đường .44  Bảng 10 – Tổng hợp kết thí nghiệm thành phần hạt loại vật liệu 47  Bảng 11 – Kết tỷ lệ phối trộn loại vật liệu 48  Bảng 12 – Kết thí nghiệm thành phần cấp phối sau phối trộn .49  Bảng 13 – Kết thí nghiệm Marshall tổ mẫu chế bị 53  Bảng 14 – Tổng hợp kết thí nghiệm tiêu kỹ thuật BTNC 12,5 54  Bảng 15 – Bảng quan hệ hàm lượng nhựa tiêu kỹ thuật 54  Bảng 16 – Số mẫu bán nguyệt thí nghiệm SCB sau gia cơng .59  Bảng 17 – Số mẫu thí nghiệm độ dẻo độ ổn định Marshall sau gia công 61  vii Bảng 18 – Kết thí nghiệm Marshall mẫu 0% CNTs (mẫu đối chứng) .63  Bảng 19 – Kết thí nghiệm Marshall mẫu 0,05% CNTs 63  Bảng 20 – Kết thí nghiệm Marshall mẫu 0,10% CNTs 64  Bảng 21 – Kết thí nghiệm Marshall mẫu 0,15% CNTs 64  Bảng 22 – Tổng hợp kết thí nghiệm độ ổn định độ dẻo Marshall 65  Bảng 23 – Kết lượng biến dạng mẫu BTN sử dụng 0% CNTs 68  Bảng 24 – Kết lượng biến dạng mẫu BTN sử dụng 0,05% CNTs 70  Bảng 25 – Kết lượng biến dạng mẫu BTN sử dụng 0,10% CNTs 72  Bảng 26 – Kết lượng biến dạng mẫu BTN sử dụng 0,15% CNTs 73  Bảng 27 – Tổng hợp kết thí nghiệm khả kháng nứt (SCB) .74  Bảng 28 – Đánh giá kết thí nghiệm độ ổn định độ dẻo Marshall 75  viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 – Cấu trúc Graphit [5, Tr.3] Hình – Cấu trúc kim cương [5, Tr.3] 5  Hình – Cấu trúc Fullerenes: a) C60, b) C70, c) C80 [5, Tr.3] .5  Hình – Các dạng cấu trúc CNTs: a) SWCNT; b) MWCNT; c) bó SWCNTs [5, Tr.4] 6  Hình – Mặt đường bê tông nhựa .8  Hình – Thi cơng mặt đường BTN, dự án tái thiết mạng lưới đường thành phố Mazar-E-Sharif – Afghnistan, 2006 11  Hình – Mơ BTN có khơng có bột khống 28 Hình – Ảnh hưởng hàm lượng CTNs đến độ cứng [2] 30  Hình 2 – Ảnh hưởng CNTs đến độ bền kéo 100%, 300% độ bền kéo đứt [2] .31  Hình – Ảnh hưởng CNTs đến độ bền xé rách (a), độ mài mòn (b) [2] 31  Hình – Ảnh hưởng CNTs đến tốc độ phát triển vết nứt [2] 31  Hình – Giản đồ phương pháp hồ quang điện dùng cho tổng hợp CNTs 33  Hình – Giản đồ phương pháp bốc bay Laser tổng hợp CTNs [5, Tr.13] .34  Hình – Giản đồ phương pháp CVD nhiệt tổng hợp CTNs [5, Tr.14] 35  Hình – Sơ đồ nguyên lý phương pháp CVD nhiệt tổng hợp CTNs [5, Tr.21] .35  Hình – Ảnh chụp hệ thống thiết bị CVD nhiệt tổng hợp CTNs [5, Tr.21] 35 Hình – Vật liệu đá 10x16, đá 5x10 đá 0x5 .39  Hình – Bột khoáng 42  Hình 3 – Nhựa đường 44  Hình – Vật liệu CNTs (ảnh chụp thực tế ảnh mô phỏng) .46  Hình – Đường cong cấp phối sau phối trộn .50  Hình – Các đường cong đặc tính hỗn hợp BTN thông thường 55  Hình – Thiết bị khuấy siêu âm .56  Hình - Ảnh quét SEM mẫu nhựa đường CNTs 57  ix Hình – Ảnh quét SEM vật liệu CNTs phân tán vào nhựa đường 57  Hình 10 – Mẫu thí nghiệm độ kháng nứt (SCB) .58  Hình 11 – Mẫu SCB sau gia cơng phịng thí nghiệm .60  Hình 12 – Mẫu thí nghiệm độ ổn định độ dẻo Marshall .61  Hình 13 – Thí nghiệm độ ổn định độ dẻo BTN máy nén Marshall .62  Hình 14 – Mơ hình uốn điểm, thí nghiệm SCB theo ASTM D8044-16 65  Hình 15 – Bảo dưỡng mẫu SCB phịng thí nghiệm 66  Hình 16 – Ví dụ biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cho loại rãnh xẻ 66  Hình 17 – Ví dụ biểu đồ quan hệ lượng biến dạng chiều sâu rãnh xẻ 67  Hình 18 – Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng mẫu BTN không sử dụng CNTs 68  Hình 19 – Biểu đồ quan hệ lượng biến dạng chiều sâu rãnh xẻ mẫu BTN sử dụng 0% CNTs 69  Hình 20 – Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng mẫu BTN sử dụng 0,05% CNTs 70  Hình 21 – Biểu đồ quan hệ lượng biến dạng chiều sâu rãnh xẻ mẫu BTN sử dụng 0,05% CNTs 71  Hình 22 – Biểu đồ quan hệ lực- biến dạng mẫu BTN sử dụng 0,1% CNTs .71  Hình 23 – Biểu đồ quan hệ lượng biến dạng chiều sâu rãnh xẻ mẫu BTN sử dụng 0,1% CNTs 72  Hình 24 – Biểu đồ quan hệ lực- biến dạng mẫu BTN sử dụng 0,15% CNTs 73  Hình 25 – Biểu đồ quan hệ lượng biến dạng chiều sâu rãnh xẻ mẫu BTN sử dụng 0,15% CNTs 74