Nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa trong phòng thí nghiệm báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NANO CARBON LÀM PHỤ GIA TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BÊ TƠNG NHỰA TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM Mã số: T2019-PHII-008 Chủ nhiệm đề tài: ThS Võ Hồng Lâm Thời gian thực hiện: 01/2019-12/2019 TP.HCM, tháng 11 năm 2019 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI T T Đơn vị công tác Họ tên lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể giao Th.S Võ Hồng Lâm BM Đường - Đường sắt, Khoa Cơng trình, Phân hiệu trường ĐH GTVT TP.HCM Chủ nhiệm đề tài TS Lê Văn Phúc BM Đường - Đường sắt, Khoa Cơng trình, Phân hiệu trường ĐH GTVT TP.HCM Thành viên KS Bùi Trọng Qn Cơng ty cổ phần Đầu tư Xây dựng BMT Thành viên Chữ ký TỔ CHỨC PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị ngồi nước Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Đường III Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ tên người đại diện đơn vị + Chế bị mẫu thí nghiệm Marshall ThS Phan Thành Nhân – Trưởng phịng Thí nghiệm + Đánh giá tiêu Marhall + Thí nghiệm kéo gián tiếp (nén ép chẽ) Cơng ty cổ phần Đầu tư Xây dựng BMT + Thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe Võ Đại Tú – Trưởng phịng Thí nghiệm Kinh phí hỗ trợ MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v PHẦN MỞ ĐẦU Chương : TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHỤ GIA NANO CARBON TĂNG CƯỜNG ĐẶC TÍNH CƠ LÝ CỦA BÊ TƠNG NHỰA Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Tổng quan nano carbon 1.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả chống lún vệt bánh xe bê tông nhựa giới 1.3 Tình hình nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả chống lún vệt bánh xe bê tông nhựa nước 1.4 Kết luận chương Chương : NGHIÊN CỨU NANO CARBON VÀ CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA CHO HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA 2.1 Nghiên cứu vật liệu nano carbon 2.1.1 Phương pháp hồ quang điện 2.1.2 Phương pháp bốc bay Laser 2.1.3 Phương pháp lắng đọng pha hóa học (phương pháp CVD nhiệt) 2.1.4 Một số tính chất ứng dụng CNTs 10 2.1.4.1 Tính chất CNTs .10 2.1.4.2 Ứng dụng CNTs .11 2.2 Công nghệ sử dụng vật liệu nano carbon làm phụ gia cho hỗn hợp bê tông nhựa 11 2.3 Kết luận chương 13 Chương : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG SỬ DỤNG PHỤ GIA NANO CARBON TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỐNG LÚN VỆT BÁNH XE CỦA BÊ TÔNG NHỰA 14 3.1 Thiết kế quy hoạch mẫu thí nghiệm 14 ii 3.2 Thực nghiệm 14 3.2.1 Kiểm tra đánh giá vật liệu đầu vào 14 3.2.1.1 Cốt liệu .14 3.2.1.2 Bột khoáng 18 3.2.1.3 Nhựa đường 20 3.2.1.4 Vật liệu CNTs 22 3.2.2 Nghiên cứu, tính tốn thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC 12,5 23 3.2.2.1 Tính tỷ lệ phối trộn cốt liệu hỗn hợp bê tông nhựa 23 3.2.2.2 Chế tạo mẫu Marshall 25 3.2.2.3 Kiểm tra độ ổn định xác định hàm lượng nhựa tối ưu 26 3.2.3 Chế bị mẫu nhựa trộn với phụ gia CNTs .29 3.2.4 Thí nghiệm độ ổn định Marshall .31 3.2.5 Thí nghiệm ép chẻ .32 3.2.6 Thí nghiệm độ sâu vệt hằn lún bánh xe 33 3.2.6.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm độ sâu hằn lún bánh xe 33 3.2.6.2 Thiết bị đầm lăn 35 3.2.6.3 Tính khối lượng hỗn hợp bê tơng nhựa cần thiết để tạo mẫu 37 3.2.6.4 Nhiệt độ đầm nén 37 3.2.6.5 Trình tự đầm nén mẫu 37 3.2.6.6 Tiến hành thí nghiệm .39 3.3 So sánh đối chứng kết nghiên cứu 40 3.3.1 Thí nghiệm độ ổn định Marshall .40 3.3.2 Thí nghiệm ép chẻ .42 3.3.3 Khả kháng lún vệt bánh xe 42 3.4 Kết luận chương 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO vii iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam CNTs Carbon Nanotubes - Các ống nano carbon CNF Carbon Nanofiber - Sợi nano carbon MWCNTs Multi Wall Carbon Nanotube - Các ống Nano Carbon đa tường SWCNTs Single Wall Carbon Nanotube - Các ống Nano Carbon đơn tường SWCNTs Ropes Single Wall Carbon Nanotube – Bó ống Nano Carbon đơn tường BTNC 12,5 Bê tơng nhựa chặt có cỡ hạt lớn danh định 12,5 VMA Void in Mineral Aggregate – Độ rỗng cốt liệu VFA Void Filled with Asphalt – Độ rỗng lấp đầy nhựa HLVBX Hằn lún vệt bánh xe HWTD Hamburg Wheel Tracking Device – Thiết bị thí ngiệm độ lún vệt bánh xe iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 - Khối lượng mẫu thí nghiệm 14 Bảng 3.2 – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm đá dăm 10x16 .15 Bảng 3.3 – Kết phân tích thành phần hạt đá dăm 10x16 16 Bảng 3.4 – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm đá dăm 5x10 16 Bảng 3.5 – Kết phân tích thành phần hạt đá dăm 5x10 .17 Bảng 3.6 – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm đá dăm 0x5 17 Bảng 3.7 – Kết phân tích thành phần hạt đá dăm 0x5 18 Bảng 3.8 – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm bột khống .19 Bảng 3.9 – Kết phân tích thành phần hạt bột khống .19 Bảng 3.10 – Yêu cầu kỹ thuật kết thí nghiệm nhựa đường 20 Bảng 3.11 - Thông số kỹ thuật sản phẩm ống nano carbon đa tường 22 Bảng 3.12 – Tổng hợp kết thí nghiệm thành phần hạt loại vật liệu 23 Bảng 3.13 – Kết tỷ lệ phối trộn loại vật liệu 23 Bảng 3.14 – Kết thí nghiệm thành phần cấp phối sau phối trộn .24 Bảng 3.15 – Kết thí nghiệm Marshall tổ mẫu chế bị .27 Bảng 3.16 – Kết thí nghiệm Marshall tiêu kỹ thuật BTNC 12,5 28 Bảng 3.17 – Bảng quan hệ hàm lượng nhựa tiêu kỹ thuật .28 Bảng 3.18 - Tổng hợp kích thước tổ mẫu 34 Bảng 3.19 - Kết thí nghiệm tiêu kỹ thuật BTNC 12,5 có sử dụng CNTs 40 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 – Cấu trúc graphit Hình 1.2 – Cấu trúc kim cương .3 Hình 1.3 – Cấu trúc Fullerenes: a) C60, b) C70, c) C80 Hình 1.4 – Các dạng cấu trúc CNTs: a) SWCNT; b) MWCNT; c) bó SWCNTs Hình 2.1 – Giản đồ phương pháp hồ quang điện dùng cho tổng hợp CNTs Hình 2.2 – Giản đồ phương pháp bốc bay Laser tổng hợp CTNs Hình 2.3 – Giản đồ phương pháp CVD nhiệt tổng hợp CTNs 10 Hình 2.4 – Sơ đồ nguyên lý phương pháp CVD nhiệt tổng hợp CTNs 10 Hình 3.1 – Vật liệu đá 10x16, đá 5x10 đá 0x5 .15 Hình 3.2 – Bột khoáng 18 Hình 3.3 – Nhựa đường .20 Hình 3.4 – Vật liệu CNTs đa tường 22 Hình 3.5 – Đường cong cấp phối sau phối trộn 24 Hình 3.6 – Các đường cong đặc tính hỗn hợp bê tơng nhựa thơng thường 29 Hình 3.7 – Thiết bị khuấy trộn 30 Hình 3.8 – Thiết bị đánh siêu âm .30 Hình 3.9 – Kết phân tán CNTs vào nhựa đường soi chiếu kính hiển vi 30 Hình 3.10 – Chế bị mẫu với tỷ lệ: 0%; 0,05%; 0,1%;, 0,15%; 0,2% 0,25% CNTs thêm vào nhựa đường 31 Hình 3.11 – Các mẫu Marshall ngâm nước chuẩn bị làm thí nghiệm xác định độ ổn định lại 31 Hình 3.12 – Thí nghiệm độ ổn định độ dẻo máy nén Marshall 32 Hình 3.13 - Mẫu thí nghiệm sau chế bị 33 chuẩn bị ép chẻ .33 Hình 3.14 - Ép chẻ mẫu thử 33 Hình 3.15 – Chế tạo mẫu thí nghiệm độ sâu hằn lún bánh xe 34 Hình 3.16 - Thiết bị đầm nén (đầm lăn) 35 Hình 3.17 - Sơ đồ thiết bị đầm lăn .36 Hình 3.18 - Tổng hợp tổ mẫu trước chạy HLVBX 39 Hình 3.19 - Công tác lắp đặt mẫu thử .40 Hình 3.20 - Kết mẫu sau chạy thí nghiệm 40 vi Hình 3.21 - Độ ổn định lại theo hàm lượng CNTs khác 41 Hình 3.22 - Thí nghiệm cường độ nén ép chẻ theo hàm lượng CNTs khác 42 Hình 3.23 - Kết thí nghiệm mẫu 01 (hàm lượng CNTs 0%) .43 Hình 3.24 - Kết thí nghiệm mẫu 02 (hàm lượng CNTs 0,1%) 43 Hình 3.25 - Kết thí nghiệm mẫu 03 (hàm lượng CNTs 0,15%) 44 Hình 3.26 - Chiều sâu hằn lún vệt bánh xe với hàm lượng CNTs khác 44 PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Các nguyên liệu gốc thực vật dó bầu, tầm vơng, bã cà phê, vỏ trấu, bã mía, củ rau dền… dùng để chế tạo nano carbon Đây nguồn nguyên liệu có nhiều sinh học nhiệt đới Việt Nam Sản lượng cà phê Việt Nam tăng trưởng nhiều năm qua đứng thứ hai giới xuất Sản lượng cà phê mùa vụ 2013/14 gần 30.000 ngàn bao (mỗi bao 60 kg), tương đương 1,7 triệu (BĐ 1); Sản lượng mía Việt Nam hàng năm đạt khoảng 60 tấn/ha khoảng 220 ngàn Bã cà phê bã mía phần xác cịn lại thu sau chế biến (lọc, ép lấy nước) Bã cà phê bã mía tận dụng làm chất khử mùi, mỹ phẩm, chất đốt sinh hoạt, sản xuất giấy, làm phân bón Tuy nhiên, khối lượng bã cà phê bã mía phát sinh nhiều, với cách tận dụng lượng bã cà phê bã mía tiêu thụ với số lượng nhỏ Bã cà phê bã mía thải từ nhà máy chế biến không nơi tiêu thụ, khơng kho bãi chứa cịn cách đốt bỏ đổ xuống kênh rạch, sơng ngịi Hậu làm nhiễm mơi trường khơng khí nước mùi hơi, khói làm ảnh hưởng đến sinh hoạt người dân Do vậy, phải tính đầu cho bã cà phê bã mía Đã có hàng loạt cơng trình nghiên cứu tận dụng nguồn bã cà phê bã mía khổng lồ làm nguyên liệu để phục vụ cho sản xuất đời sống triển khai thực tế Nhiều doanh nghiệp, sở sản xuất, người dân làm giàu từ nguồn phế phẩm song không tiêu thụ hết khối lượng lớn Vì vậy, bã cà phê bã mía thải tồn đe dọa ngày sống môi trường Tuy nhiên, bã cà phê bã mía bỏ nguyên liệu để chế tạo nano carbon dồi Nhờ giảm nhập phụ gia cho bê tông vấn đề ô nhiễm mơi trường bã cà phê bã mía giải triệt để, đồng thời tận dụng nguồn ngun liệu sẵn có Ngành cơng nghiệp xây dựng ngành tiêu thụ nguồn nguyên liệu lượng giới Trong số tất vật liệu sử dụng xây dựng, bê tông nhựa sử dụng rộng rãi có tác động lớn ngành xây dựng đường tơ Nó có mặt hầu hết tầng phủ mặt đường mềm cấp cao Trong đó, cơng nghệ nano ngành cơng nghệ có ảnh hưởng lớn kỷ có ảnh hưởng đáng kể lĩnh vực xây dựng Có hiểu biết tốt kỹ thuật cao chế tạo bê tơng nhựa có sử dụng phụ gia nano cải tiến vật liệu xây dựng tốt bền so với vật liệu thông thường Kỹ thuật chế tạo bê tơng nhựa có sử dụng phụ gia nano bao gồm kết hợp hạt có kích thước nano vào bê tơng nhựa với tỷ lệ phương pháp phù hợp Hiện nay, nhu cầu sử dụng sản phẩm bê tông tính cao xây dựng ngày tăng, việc sử dụng nano carbon để cải thiện số tính chất bê tơng nhựa mang lại hiệu lớn kinh tế, kỹ thuật bảo vệ môi trường Và định hướng nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả chống lún vệt bánh xe bê tông nhựa để đáp ứng nhu cầu sử dụng khai thác mạng lưới đường Việt Nam an toàn hiệu so với sử dụng bê tông nhựa truyền thống Mục tiêu đề tài Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng vật liệu nano carbon làm phụ gia tăng cường khả chống lún vệt bánh xe bê tơng nhựa phịng thí nghiệm Đối tượng nghiên cứu Bê tơng nhựa chặt có cỡ hạt lớn danh định 12,5 (BTNC 12,5) cho lớp mặt đường ôtô, ống nano carbon (CNTs) sẵn có thị trường Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thí nghiệm phòng xác định tiêu BTNC 12,5 có sử dụng CNTs, nhựa đường 60/70 cốt liệu khu vực Tp.HCM theo phương pháp Marshall (TCVN8820:2011 TCVN8860:2011) [1,2] theo Quyết định số 1617/QĐBGTVT ngày 29 tháng năm 2014 Bộ Giao thông Vận tải việc ban hành Quy định kỹ thuật phương pháp thử độ sâu vệt hằn lún bánh xe bê tông nhựa xác định thiết bị Wheel tracking [5] Cách tiếp cận Từ việc nghiên cứu lý thuyết, phân tích tổng kết kinh nghiệm cơng trình khoa học ngồi nước công bố sử dụng phụ gia nano carbon chế tạo bê tơng nhựa mặt đường để tìm tồn cần nghiên cứu hoàn thiện Trên sở tiến hành nghiên cứu thực nghiệm điều kiện khu vực Tp.HCM So sánh đánh giá kết thu Từ đưa kết luận đề xuất kiến nghị áp dụng vào thực tế Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm kết hợp thực nghiệm phòng 35 - Mẫu thử đầm nén thiết bị đầm lăn theo tiêu chuẩn EN12697-33 (phương pháp "Method using a smooth steel roller") 3.2.6.2 Thiết bị đầm lăn Thiết bị đầm lăn mô trình lu thực tế, thiết bị sử dụng lăn thép đầm chặt hỗn hợp bê tông nhựa đến chiều dày định trước với độ chặt yêu cầu Tồn q trình đầm tự động hóa Giới thiệu thiết bị đầm lăn: - Tên thiết bị: Máy đầm lăn (Roller Compactor) - Tiêu chuẩn thiết kế: EN 12697-33 - Lực lăn: 0÷30 kN - Kích thước mẫu; 320x260 mm - Kích thước máy: 1310x850x2220 mm - Khối lượng: 1.400 kg Hình 3.16 - Thiết bị đầm nén (đầm lăn) Thiết bị có khả tác dụng lực nén tĩnh F tối thiểu theo công thức (3-2) 36 F ≥ 10-5.l.2.D (kN) (3-2) Trong l chiều rộng bên khuôn (mm) D đường kính lăn (mm) Hình 3.17 - Sơ đồ thiết bị đầm lăn Các thông số tiêu chuẩn thiết bị: - Đường kính lăn D = 1.100mm - Chiều dài bên khuôn L, mm - Chiều rộng bên khuôn l, mm - Chiều cao bên khuôn h, mm - Vận tốc di chuyển ngang Vt = 240 mm/s 1- Con lăn thép; 2- Khớp treo quay lăn; 3- Thiết bị điều khiển vị trí lực nén tác dụng 4- Khn chứa gắn với thiết bị di chuyển ngang 5- Con lăn giá đỡ ngang 6- Hỗn hợp TM đặt giấy chống dính 37 3.2.6.3 Tính khối lượng hỗn hợp bê tơng nhựa cần thiết để tạo mẫu Khối lượng hỗn hợp khn tính cơng thức (3-3): (3-3) Trong đó: M khối lượng hỗn hợp bê tơng nhựa, g h chiều dày mẫu đạt sau đầm chặt, mm ῤmm khối lượng riêng bê tông nhựa, g/mm3 Va độ rỗng bê tông nhựa, % theo thể tích L chiều dài bên khuôn, mm l chiều rộng bên khuôn, mm 3.2.6.4 Nhiệt độ đầm nén Nhiệt độ đầm nén xác định nhiệt độ để nhựa đường thông thường đạt độ nhớt động học (280 ± 30) cSt, loại nhựa khác theo quy định nhà sản xuất Nhiệt độ đầm nén quy định cụ thể tiêu chuẩn thi công nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa tương ứng 3.2.6.5 Trình tự đầm nén mẫu a Chuẩn bị đầm nén - Làm nóng lăn, khn mẫu nhiệt độ 80 ºC; - Bơi lớp chống dính vào khn; - Đặt lớp giấy chống dính đáy khn; - Đặt lăn giá trị lực không; - Đổ hỗn hợp bê tông nhựa nhiệt độ đầm nén vào khuôn, dùng bay trộn dàn hỗn hợp vào góc, ý tránh làm phân tầng Làm phẳng bề mặt mẫu; - Đặt lớp giấy chống dính lên bề mặt mẫu; - Xác định chiều cao mẫu chưa đầm nén; - Hạ lăn xuống đến chiều cao mẫu chưa đầm nén b Đầm nén sơ Giai đoạn đầm nén sơ kiểm sốt vị trí lăn Con lăn dừng 0,5 giây sau lần đầm Thiết lập thông số: - Gia tải sơ bộ: Đặt tiến hành đầm lăn lên mẫu với số lần lăn định cho cự ly hành trình tăng dần chiều cao mẫu giảm dần 0,5 mm lần tác dụng 38 giá trị lực lớn đạt đến 0,1 kN cm chiều rộng mẫu - Giữ: Đầm lăn mẫu lần với cự ly hành trình khơng đổi chiềudày mẫu không đổi - Dỡ tải: Đầm lăn mẫu với cự ly hành trình giảm 0,5 mm/lần đến tải dỡ hoàn toàn c Đầm nén chặt Giai đoạn đầm nén chặt giai đoạn kiểm soát lực đầm nén Con lăn dừng 1,0 giây sau lần đầm Thiết lập thông số đầm nén sau: - Đầm phẳng: Đầm 15 lần với tải trọng tác dụng lên lăn 0,02 kN 1cm chiều rộng mẫu - Đầm chặt: Đầm 15 lần với tải trọng tác dụng lên lăn tăng dần đến giá trị 0,75 kN trên1cm chiều rộng mẫu - Dỡ tải: Đầm 15 lần với tải trọng tác dụng lên lăn giảm dần đến dỡ tải hoàn toàn - Thời gian từ lúc cho mẫu vào khuôn đến tháo mẫu không vượt phút Sau đầm nén xong tháo khuôn mẫu khỏi máy để nguội đến nhiệt độ phòng tháo mẫu - Với hỗn hợp bê tông nhựa, trước đầm nén mẫu thức, nên tiến hành đầm nén thử 01 mẫu để xác định khối lượng mẫu cần thiết cho mẫu thử - Chỉnh thiết bị, làm thử, đảm bảo tiến hành thí nghiệm từ lúc vớt mẫu đến xác định giá trị lực nén lớn không vượt 30s - Đặt mẫu vào má ép, tiến hành gia tải đến đạt tải trọng lớn - Xử lý lưu kết mẫu theo tổ mẫu Vệ sinh máy nén - Tiến hành tương tự mẫu khác 39 Hình 3.18 - Tổng hợp tổ mẫu trước chạy HLVBX 3.2.6.6 Tiến hành thí nghiệm Để kinh phí có hạn nên tiến hành thí nghiệm Wheel Tracking [5] phòng với ba hàm lượng CNTs khác 0%; 0,1% 0,15% Giới thiệu thiết bị đo độ lún: - Tên thiết bị: Thiết bị kiểm tra độ lún vệt bánh xe Hamburg (Hamburg Wheel Tracking Device) - Tiêu chuẩn thiết kế: EN 12697-22 - Tải trọng tác dụng lên mẫu: 710 N - Nhiệt độ thí nghiệm: 30÷700C - Mơi trường thí nghiệm: Nước khơng khí - Tốc độ lăn: 53 vịng/phút - Kích thước mẫu; Max 340x280 mm - Khối lượng: 700kg 40 Hình 3.19 - Cơng tác lắp đặt mẫu thử Hình 3.20 - Kết mẫu sau chạy thí nghiệm Đo giá trị đo điểm phần tư chu vi mẫu tính chiều cao trung bình mẫu 3.3 So sánh đối chứng kết nghiên cứu 3.3.1 Thí nghiệm độ ổn định Marshall Kết thí nghiệm độ ổn định Marshall thống kê bảng 3.19 Bảng 3.19 - Kết thí nghiệm tiêu kỹ thuật BTNC 12,5 có sử dụng CNTs Độ ổn Hàm Khối Khối lượng lượng lượng Độ rỗng định CNTs thể tích riêng, dư (%) Marshall (%) (g/cm3) (g/cm3) 2,367 2,515 5,90 11,55 3,49 0,05 2,368 2,515 5,86 11,95 3,87 0,1 2,368 2,515 5,82 13,25 3,95 0,15 2,368 2,515 5,82 13,63 3,94 0,2 2,374 2,516 5,64 14,15 3,89 0,25 2,403 2,519 4,58 15 3,84 TT (KN) Độ dẻo Marshall (mm) 41 Như kết thí nghiệm tiêu kỹ thuật thỏa mãn tiêu kỹ thuật yêu cầu TCVN 8819:2011 [1] Từ kết thí nghiệm bảng 3.18, có nhận xét sau: - Kết thí nghiệm cho thấy độ ổn định Marshall bê tông nhựa tăng theo hàm lượng CNTs trộn vào nhựa đường Cụ thể thêm 0,1% CNTs độ ổn định tăng 14,7%; thêm 0,25% CNTs độ ổn định tăng 29,9% Điều cho thấy CNTs cải thiện độ bền bê tông nhựa - Hình 3.21 thể kết thí nghiệm độ ổn định cịn lại theo TCVN 8819:2011 [1] Hình 3.21 - Độ ổn định lại theo hàm lượng CNTs khác Từ kết thí nghiệm độ ổn định cịn lại theo hình 3.21, cho kết nhận xét sau: - Khi tăng hàm lượng CNTs vào nhựa đường từ 0% đến 0,25%, độ ổn định lại tăng rõ rệt từ 78% đến 96% Với kết cho thấy sử dụng loại BTN mơi trường ẩm ướt tuổi thọ kết cấu áo đường cải thiện đáng kể - Có thể tạm thời thiết lập mối liên hệ độ ổn định lại hàm lượng CNTs hồi qui theo qui luật hàm tuyến tính biểu thức (3-4) với hệ số R bình phương 0,99 TSR=70,57xCNTs+78,93 (3-4) Trong đó: TSR: Độ ổn định cịn lại (%) CNTs: Hàm lượng Nano carbon nhựa đường (%) 42 3.3.2 Thí nghiệm ép chẻ Kết thí nghiệm nén ép chẻ theo hàm lượng CNTs khác thể hình 3.22 Hình 3.22 - Thí nghiệm cường độ nén ép chẻ theo hàm lượng CNTs khác Nhận xét: Từ kết thí nghiệm cho thấy cường độ ép chẻ bê tông nhựa tăng theo hàm lượng CNTs Cụ thể, trộn thêm 0,1% CNTs cường độ ép chẻ tăng 6%; trộn thêm 0,25% CNTs cường độ ép chẻ tăng 28,8 % Cường độ ép chẻ BTN tăng nhanh theo hàm lượng CNTs trộn vào nhựa đường 3.3.3 Khả kháng lún vệt bánh xe Thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe tiến hành theo Quyết định số 1617/QĐBGTVT môi trường nước nhiệt độ 50oC Mẫu thí nghiệm với kích thước 320x260x50mm cho hàm lượng CNTs lần lược 0%; 0,1% 0,15% Thí nghiệm phòng độ lún vệt bánh xe thiết bị HWTD (Hamburg Wheel Tracking Device) [3] Kết thí nghiệm chiều sâu hằn lún vệt bánh xe sau 15.000 lần tác dụng tải trọng thể hình: 43 Hình 3.23 - Kết thí nghiệm mẫu 01 (hàm lượng CNTs 0%) Hình 3.24 - Kết thí nghiệm mẫu 02 (hàm lượng CNTs 0,1%) 44 Hình 3.255 - Kết thí nghiệm mẫu 03 (hàm lượng CNTs 0,15%) Ở 15.000 chu kỳ tác dụng tải trọng, chiều sâu hằn lún vệt bánh xe mẫu thử có từ 0,1% 0,15% CNTs 4,1 mm 2,0mm (giảm từ 59% đến 80% so với mẫu thử khơng có CNTs) 14 1617/QĐ-BGTVT 13 12 Chiều sâu hằn lún (mm) 11 10 10 4,1 2 0% 0,10% Hàm lượng CNTs (%) 0,15% Hình 3.26 - Chiều sâu hằn lún vệt bánh xe với hàm lượng CNTs khác 45 Hình 3.26 thể kết so sánh chiều sâu hằn lún vệt bánh xe mẫu BTN có sử dụng không sử dụng CNTs 15.000 chu kỳ tác dụng tải trọng Từ hình vẽ cho thấy thêm 0,1% 0,15% CNTs vào BTN, chiều sâu hằn lún vệt bánh xe 4,1 mm 2,0mm (giảm từ 59% đến 80% so với mẫu thử khơng có CNTs) 3.4 Kết luận chương Từ kết thí nghiệm cho thấy sử dụng CNTs từ 0,1% đến 0,15% làm phụ gia cho bê tông nhựa khơng tăng đáng kể độ ổn định cịn lại mà giảm hằn lún vệt bánh xe đáng kể môi trường ẩm ướt Do vậy, điều kiện khu vực ngập nước nắng nóng Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng loại phụ gia để chế tạo BTN làm lớp mặt cho kết cấu áo đường mềm giải pháp hữu hiệu việc gia cường khả kháng lún giảm phá hoại kết cấu mặt đường tác dụng tải trọng xe chạy môi trường ẩm ướt Về mặt kinh tế, đánh giá sơ hiệu mang lại sử dụng vật liệu nano Carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa sau: - Vật liệu nano carbon thị trường có nhiều loại, xuất xứ khác (Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc…), giá thành khác phụ thuộc vào độ Giá CNTs với độ 95% từ 50.000 – 100.000 USD/kg Với ứng dụng sử dụng CNTs vật liệu phổ thơng hàng loạt (ví dụ lọc, điện cực pin nhiên liệu…) kích thước ống CNTs lớn hơn, lớn tới dải 10-30 nm, đó, giá thành vật liệu CNTs đơn tường có giá từ 800 – 50.000 USD/kg Công ty SUNNANO Giang Tây, Trung Quốc cung cấp CNTs với giá 400 USD/kg mua kg loại CNTs với độ 90%, chí xuống tới 120 USD/kg mua 100 kg - Trong phạm vi đề tài này: Sử dụng nguồn CNTs cung cấp Trung Tâm Ứng dụng Chuyển giao Công nghệ - Khu Cơng nghệ cao - Quận - TP Hồ Chí Minh với mức giá 8.000 đồng/1g hay tương đương với 8.000.000 đồng/1kg Như vậy, sử dụng hàm lượng CNTs 0,1% giá thành bê tơng nhựa tăng thêm: 1000 kg x 5% (nhựa) x 0,1% (Nano) x 8.000.000 đồng/1kg = 400.000 đồng, vấn đề đáng quan tâm mặt giá thành Tuy nhiên, việc sử dụng CNTs làm thay đổi cường độ bê tơng nhựa theo xu hướng tích cực, với lượng nhỏ CNTs thêm vào cường độ tăng lên rõ rệt, kết cấu mặt đường sử dụng bê tơng nhựa có phụ gia CNTs có chiều dày mỏng nên giá thành kết cấu chênh lệch khơng nhiều 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm phịng thí nghiệm, bước đầu rút số kết luận sau: - Việc trộn thêm ống nano carbon (CNTs) vào nhựa đường chế tạo bê tông nhựa với hàm lượng hợp lý (từ 0,05-0,25%) làm tăng độ ổn định Marshall cường độ ép chẻ bê tông nhựa - Kết nghiên cứu cho thấy việc sử dụng ống nano carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa với hàm lượng từ 0,1% đến 0,15% làm giảm đáng kể hằn lún vệt bánh xe cho bê tông nhựa (giảm từ 59% đến 80% so với mẫu thử khơng có CNTs) Do vậy, điều kiện khu vực ngập nước nắng nóng Thành phố Hồ Chí Minh sử dụng loại phụ gia để chế tạo BTN làm lớp mặt cho kết cấu áo đường mềm giải pháp hữu hiệu việc gia cường khả kháng lún giảm phá hoại kết cấu mặt đường tác dụng tải trọng xe chạy môi trường ẩm ướt Sử dụng vật liệu nano carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa làm tăng giá thành bê tông nhựa Tuy nhiên, việc sử dụng CNTs làm thay đổi cường độ bê tông nhựa theo xu hướng tích cực, với lượng nhỏ CNTs thêm vào cường độ tăng lên rõ rệt, kết cấu mặt đường sử dụng bê tơng nhựa có phụ gia CNTs có chiều dày mỏng nên giá thành kết cấu chênh lệch không nhiều Khuyến cáo nên sử dụng hàm lượng CNTs từ 0,05-0,1% để đạt hợp lý kinh tế - kỹ thuật Từ kết thấy, vật liệu nano carbon có triển vọng ứng dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa xây dựng đường ô tô Kiến nghị Để đánh giá khả sử dụng nano carbon làm giảm thiểu vệt hằn bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa, cần phải thi cơng thí điểm đoạn đường thực tế, so sánh đối chứng với đoạn đường có lớp mặt khơng sử dụng vật liệu nano carbon Rút kết đánh giá xác khả sử dụng loại vật liệu Từ khắc phục triệt để tượng hằn lún mặt đường bê tơng nhựa có nhiều xe có tải trọng nặng chạy qua, tuyến đường cầu vượt có nhiều xe tải trọng nặng chạy vệt định Hướng nghiên cứu tiếp theo: Tiếp tục nghiên cứu tiêu khác, sâu 47 bê tông nhựa sử dụng phụ gia nano carbon như: Chỉ tiêu kháng nứt, mỏi, môđun đàn hồi để làm sở đánh giá cách hoàn thiện mặt kinh kế - kỹ thuật bê tông nhựa sử dụng phụ gia nano carbon vii TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN8819-2011, Mặt đường Bê tơng nhựa nóng – Yêu cầu thi công nghiệm thu, Hà Nội 2011 [2] TCVN8820-2011, Hỗn hợp Bê tơng nhựa nóng – Thiết kế theo phương pháp Marshall, Hà Nội 2011 [3] TCVN8860-2011, Bê tông nhựa – Phương pháp thử, Hà Nội 2011 [4] TCVN8862-2011, Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo ép chẻ vật liệu hạt liên kết chất kết dính, Hà Nội 2011 [5] Bộ Giao thông Vận tải, Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ngày 29 tháng năm 2014, Quy định kỹ thuật phương pháp thử độ sâu vệt hằn lún bánh xe bê tông nhựa xác định thiết bị Wheel tracking, 2014 [6] PGS.TS Lê Văn Bách, Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano SiO2 điều chế từ tro trấu để cải thiện số tính chất bê tơng asphalt, Đề tài NCKH cấp trường, 2016 [7] Vương Thị Quỳnh Phương, Nghiên cứu công nghệ chế tạo, đặc trưng tính chất ống Nano Carbon định hướng (vng góc, nằm ngang), Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2014 [8] de Melo, Joao Victor Staub; Trichês, Glicério; de Rosso, Luca “Experimental evaluation of the influence of reinforcement with Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) on the properties and fatigue life of hot mix asphalt” Construction and Building Materials Volume 162 issue 2018 [doi 10.1016%2Fj.conbuildmat.2017.12.033] [9] Hassan Latifi, Parham Hayati “Evaluating the effects of the wet and simple processes for including carbon Nanotube modifier in hot mix asphalt” Construction and Building Materials Volume 164 issue 2018 [doi 10.1016%2Fj.conbuildmat.2017.12.237] [10] A Akbari Motlagh, A Kiasat, E Mirzaei and F Omidi Birgani “Bitumen Modification Using Carbon Nanotubes” World Applied Sciences Journal 18 (4): 594-599, 2012.ISSN 1818-4952 [DOI: 10.5829/idosi.wasj.2012.18.04.1443] [11] M Faramarzi, M Arabani, A K Haghi, and V Mottaghitalab “Carbon Nanotubes-modified Asphalt Binder: Preparation and Characterization” International Journal of Pavement Research and Technology Vol.8 No.1 Jan 2015 viii [12] Ameri, M.; Nowbakht, Sh.; Molayem, M.; Aliha, M R M “Investigation of fatigue and fracture properties of asphalt mixtures modified with carbon nanotubes” Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures Volume 39 issue 2016 [doi 10.1111%2Fffe.12408] [13] Mohammad J Khattak, Ahmed Khattab, Pengfei Zhang “Microstructure and fracture morphology of carbon nanofiber modified asphalt and hot mix asphalt mixtures” Materials and Structures Volume 46 issue 12 2013 [doi 10.1617%2Fs11527-013-0035-3] [14] M.J Khattak, A Khattab, H.R Rizvi, P Zhang, “The impact of carbon nanofiber modification on asphalt binder rheology”, Constr Build Mater 30 (2012) 257– 264