GIỚI THIỆU CHUNG
Tính cấp thiết của đề tài
Mặt đường bê tông nhựa (BTN) là một trong những kết cấu mặt đường có khả năng đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu của mặt đường trong điều kiện giao thông hiện đại, đảm bảo năng lực phục vụ trong một thời gian dài Chính vì vậy mặt đường BTN ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới
Theo quy hoạch phát triển mạng đường bộ cao tốc Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 thì hệ thống đường cao tốc của Việt Nam sẽ phủ khắp cả nước với chiểu dài 6411km Hiện tại một số tuyến cao tốc huyết mạch như: Quy Nhơn – Pleiku, Thành phố Hồ Chí Minh – Mộc Bài, Long Thành – Bến Lức, Hà Tĩnh – Quảng Bình đã và đang được triển khai xây dựng, khai thác Ở Việt Nam vận tải đường bộ chiếm số lượng cao nhất so với các phương tiện vận tải khác Do sự phát triển nhanh về kinh tế kéo theo lưu lượng giao thông và tải trọng tăng nhanh gây áp lực rất lớn đến sự làm việc của kết cấu áo đường mà phần lớn là bê tông nhựa Hậu quả là những hư hỏng trên mặt đường bê tông nhựa xuất hiện ngày càng nhiều gây khó khăn cho việc lưu thông và làm tăng chi phí duy tu, bảo dưỡng đã đặt ra yêu cầu cấp thiết phải xây dựng, cải tạo và nâng cấp hệ thống đường bộ ở Việt Nam
Một trong các phương pháp để hạn chế các hư hỏng của mặt đường BTN sử dụng phổ biến gần đây là cải tiến chất lượng nhựa đường và hỗn hợp bê tông nhựa Trong đó, việc tận dụng nguyên vật liệu trong nước không phải nhập ngoại, vật liệu xanh, thân thiện với môi trường được khuyến khích nhằm nâng cao hiệu quả đầu tư xây dựng và giảm chi phí duy tu bảo dưỡng
Các nghiên cứu trên thế giới về việc sử dụng nhựa đường phụ gia polyme đã chứng minh là có hiệu quả Tuy nhiên, việc áp dụng ở Việt Nam còn hạn chế do vật liệu có giá thành cao Giải pháp được nhắc đến là sử dụng nhựa tái chế (PET), tận dụng nguồn chai nhựa phế thải, vừa nâng cao chất lượng nhựa đường và góp phần giảm rác thải ra môi trường
Các nghiên cứu trên thế giới về việc sử dụng nhựa đường phụ gia polyme đã chứng minh là có hiệu quả Tuy nhiên, việc áp dụng ở Việt Nam còn hạn chế do vật liệu có giá thành cao Giải pháp được nhắc đến là sử dụng nhựa tái chế (PET), tận dụng nguồn chai nhựa phế thải, vừa nâng cao chất lượng nhựa đường và góp phần giảm rác thải ra môi trường Ở Việt Nam, nhóm tác giả gồm Nguyễn Mạnh Tuấn và Nguyễn Viết Huy đã thực hiện một nghiên cứu ứng dụng chai nhựa phế thải vào bê tông nhựa với nhựa và cốt liệu ở thành phố Hồ Chí Minh [1] Mục tiêu của nghiên cứu bao gồm: lựa chọn kích thước PET phù hợp, mang lại hiệu quả cao; nghiên cứu ảnh hưởng của PET đến các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường 60/70; tìm ra hàm lượng nhựa tối ưu tương ứng với từng hàm lượng PET, từ đó xem xét các ảnh hưởng của PET đến những đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp bê tông nhựa chặc 12.5 (BTNC 12.5) Nghiên cứu đạt được những kết quả khả quan như PET làm cải thiện tính chất của nhựa (giảm độ kim lún, tăng nhiệt độ hóa mềm), cường độ ép chẻ tăng, độ mài mòn Cantabro của mẫu BTN cũng tăng
Nghiên cứu “Ảnh hưởng của phương pháp trộn nhựa tái chế bằng bức xạ vi sóng tới chất lượng của bê tông nhựa nóng” của Nguyễn Quang Du Nghiên cứu này sử dụng một phương pháp trộn ướt nhựa đường với PET bằng bức xạ vi sóng nhằm cải thiện hiệu quả của PET, rút ngắn thời gian trộn [2] Kết quả nghiên cứu cho thấy PET làm giảm độ kim lún, tăng nhiệt độ hóa mềm của nhựa đường Ngoài ra, mẫu BTNC 12.5 sử dụng PET cho kết quả độ ổn định, độ dẻo Marshall, cường độ chịu kéo khi ép chẻ, mô đun đàn hồi và khả năng chịu tải trọng động ở nhiệt độ cao lớn hơn mẫu BTNC 12.5 thông thường
Với những tính năng mà PET mang lại trong việc cải thiện các tính chất của nhựa đường và BTN thì việc nghiên cứu để nâng cao hơn nữa hiệu quả của PET là hết sức cần thiết Các phương pháp trộn PET được đề cập trong nhiều nghiên cứu trước đó đa phần sử dụng phương pháp trộn vật lý: (1) cắt PET thành từng mảnh nhỏ; (2) rửa để loại bỏ bụi bẩn và sấy khô; (3) cho trực tiếp các mảnh PET nhỏ vào nhựa đường nóng Phương pháp vật lý này tương đối dễ thực hiện, nhanh và ít đầu tư hơn Tuy nhiên, việc cho các mảnh PET trực tiếp vào nhựa đường thì PET sẽ không tan hết hoàn toàn, dung dịch không đồng nhất và phát mùi hôi khó chịu trong quá trình trộn
Do vậy, phương pháp này sẽ làm giảm tính dính bám của nhựa đường và cấp phối
Trong nghiên cứu này tác giả đề xuất phương pháp trộn hóa học, PET được trộn với chất xúc tác sử dụng bức xạ vi sóng, sản phẩm thu được là Oligo PET Sau đó Oligo PET trộn với nhựa đường và cấp phối Phương pháp nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả của PET, rút ngắn thời gian trộn và tăng khả năng dính bám của nhựa đường và cấp phối.
Mục tiêu nghiên cứu
Thứ nhất là nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá hiệu quả của phương pháp trộn hóa học nhựa tái chế PET trong hỗn hợp BTN Kết quả của phương pháp trộn mới này sẽ được so sánh với phương pháp trộn truyền thống để tìm ra phương pháp trộn hiệu quả hơn
Thứ hai là nghiên cứu còn thực hiện thêm các thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của Oligo PET (sản phẩn của quá trình trộn hóa học nhựa tái chế PET) đến đặc trưng kỹ thuật của BTN Thông qua việc so sánh kết quả thí nghiệm giữa các mẫu BTN với hàm lượng Oligo PET khác nhau để tìm ra hàm lượng Oligo PET tối ưu
Từ những kết quả nghiên cứu thực nghiệm, khẳng định được tính thực tiễn của đề tài ở khả năng giảm tác động ô nhiễm môi trường, sự ứng dụng vật liệu phế thải cũng làm tiết kiệm chi phí xây dựng công trình giao thông.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng PET có chất xúc tác phối trộn với BTNC 12.5 bằng phương pháp trộn hóa học Việc chứng minh hiệu quả của PET khi trộn bằng phương pháp mới này được thực hiện thông qua các thí nghiệm trong phòng và các phân tích, kết quả được so sánh với phương pháp trộn truyền thống Tuy nhiên đề tài chưa có sự phân tích cụ thể về phương diện hóa học của vật liệu PET.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp nghiên cứu tài liệu kết hợp với thực nghiệm (đánh giá thông qua các thí nghiệm trong phòng)
Bằng cách tổng hợp kết quả có được từ những nghiên cứu trước đó của việc ứng dụng PET có chất xúc tác để tạo ra Oligo PET làm chất cải tiến BTN Tác giả tiến hành lựa chọn kích thước PET, hàm lượng PET, hàm lượng chất xúc tác, hàm lượng nhựa tối ưu và cấp phối BTNC 12.5 thích hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam
Tiến hành các thí nghiệm để đánh giá chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp BTN với các hàm lượng Oligo PET khác nhau Kết quả được tổng hợp, vẽ biểu đồ và nhận xét sự tương quan giữa các đại lượng để tìm ra phương pháp trộn và hàm lượng Oligo PET tối ưu.
Ý nghĩa của đề tài
Nghiên cứu đề xuất phương pháp trộn hóa học sử dụng chất xúc tác để phối trộn PET với BTN, tạo ra hỗn hợp có chỉ tiêu kỹ thuật cao hơn so với phương pháp trộn truyền thống Nghiên cứu thực hiện thêm các đánh giá về ảnh hưởng của Oligo PET đối với BTN đồng thời xây dựng mối quan hệ giữa sự thay đổi hàm lượng Oligo PET và các đặc tính, các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp BTN qua đó tìm ra hàm lượng Oligo PET tối ưu Nghiên cứu tạo tiền đề cho việc phối trộn Oligo PET vào BTN trong thực tiển, góp phần bảo vệ môi trường và sự phát triển bền vững khi mỗi năm lượng chai nhựa phế thải PET thải ra môi trường ngày càng lớn.
Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu gồm các chương sau: o Chương 1 giới thiệu về đề tài thực hiện, tính cấp thiết, mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu Đồng thời tóm tắt các nội dung thực thiện và phạm vi nghiên cứu của đề tài o Chương 2 trình bày nghiên cứu tổng quan nhằm tạo nên cái nhìn tổng thể về việc ứng dụng PET trong BTN trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng Từ đó tìm ra hướng nghiên cứu cho đề tài o Chương 3 nói về phương pháp nghiên cứu: lựa chọn vật liệu, phương pháp trộn và các thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của Oligo PET đến chất lượng của BTN o Chương 4 trình bày các nhận xét từ kết quả thí nghiệm có được Từ đó tìm ra hàm lượng Oligo PET tối ưu o Chương 5 tóm tắt kết quả nghiên cứu và đưa ra các kiến nghị.
TỔNG QUAN
Tổng quan về vật liệu polyme trong bê tông nhựa
Sử dụng Polyme tự nhiên và nhân tạo làm phụ gia cải tiến chất lượng nhựa được cấp bằng sáng chế vào năm 1843 Tại Bắc Mỹ, cao su Latex đã được sử dụng làm chất cải tiến nhựa đường từ năm 1950 [3] Sau chiến tranh thế giới thứ 2, một số nước Châu Âu như Anh, Pháp đã có những thử nghiệm dùng polyme trong các dự án xây dựng đường
Từ những năm 80 của thế kỷ XX, nhựa đường phụ gia polyme ở Mỹ bắt đầu phát triển do việc áp dụng polyme thế hệ mới và các công nghệ của châu Âu Hiện nay ở Úc, những chỉ dẫn và tiêu chuẩn về chất kết dính sử dụng phụ gia polyme cũng đã được đưa vào tiêu chuẩn nhựa đường quốc gia [3]
Hiện nay, việc nghiên cứu và sử dụng hỗn hợp nhựa đường kết hợp phụ gia Polyme đang được thế giới đặc biệt quan tâm Nhựa đường phụ gia polyme giúp cải tiến chất lượng nhựa đường, tăng tuổi thọ cho mặt đường BTN và là vật liệu xanh thân thiện với môi trường Một số quốc gia đang dẫn đầu thế giới về nghiên cứu đó là Mỹ, Trung Quốc, Pháp, Ý và các loại phụ gia polyme sử dụng phổ biến là cao su, Styrene - Butadience - Styrene (SBS), Styrene - Butadiene - Rubber (SBR) và Polyethylene Terephthalate (PET)
2.1.1 Cao su Để cải thiện đặc tính của nhựa đường có thể sử dụng hạt cao su tái chế từ cao su tổng hợp hoặc cao su thiên nhiên để biến tính nhựa đường Sự pha trộn của hạt cao su với nhựa đường làm tăng độ cứng của nhựa đường, cải thiện khả năng chống biến dạng lún vệt bánh xe và nứt của BTN
Bên cạnh khả năng mang lại những cải thiện cho nhựa đường về mặt cơ lý tương tự như các polymer khác, bột cao su tái chế còn được ghi nhận giúp làm giảm tiếng ồn do ma sát giữa lốp xe và mặt đường so với mặt đường nhựa thông thường Bột cao su tái chế còn giúp tăng tính an toàn giao thông nhờ vào khả năng làm tăng độ bám giữa lốp xe với mặt đường Ngoài ra, do tái chế từ lốp xe phế thải, việc sử dụng bột cao su này trong công nghệ nhựa đường cao su hóa có ý nghĩa quan trọng về mặt bảo vệ môi trường
Hạt cao su nghiền từ lốp xe phế thải được nghiên cứu sử dụng trong công nghệ xây dựng mặt đường từ cuối những năm 1960, áp dụng đầu tiên cho lớp láng nhựa mặt đường Phoenix, bang Arizona (Hoa Kỳ) Hạt cao su nghiền có thể được sử dụng như một chất phụ gia polyme cải thiện đặc tính của nhựa đường (trường hợp sử dụng công nghệ chế tạo theo quy trình ướt) hoặc như vật liệu thay thế cốt liệu mịn trong hỗn hợp cấp phối BTN (trường hợp sử dụng công nghệ chế tạo theo quy trình khô)
SBS là một họ cao su tổng hợp có nguồn gốc từ Styrene và Butadiene, màu trắng và ở dạng hạt Phụ gia SBS được sử dụng trong BTN mang lại nhiều ưu điểm như: tăng khả năng chống lún của BTN, cải thiện độ dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường, giảm thiểu nguy cơ hằn lún vệt bánh xe trong quá trình khai thác, khắc phục hiện tượng nứt mặt đường khi biên độ nhiệt độ có sự thay đổi lớn
Năm 2018, Hussein Hameed Karim và các cộng sự đã thực hiện một nghiên cứu về ảnh hưởng của SBS đến các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa đường Ba hàm lượng SBS được thí nghiệm là 3%, 4% và 5% Kết quả SBS cải thiện được đặc tính của nhựa đường theo chiều hướng có lợi Hàm lượng SBS ở mức 5% cho kết quả tối ưu [4].
Hiệu quả của SBS mang lại trong việc cải tiến chất lượng của nhựa đường đã được chứng minh nhưng việc ứng dụng rộng rãi còn gặp nhiều khó khăn do chi phí cao Ở Việt Nam có một nghiên cứu của tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn đã đánh giá ảnh hưởng của SBS đến các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp BTNC 12.5 [5] Hàm lượng SBS trong nghiên cứu thay đổi từ 0%, 2%, 4%, 6% đến 8% so với khối lượng hàm lượng nhựa Kết quả cho thấy SBS cải thiện độ ổn định, độ dẻo Marshall, cường độ chịu kéo khi ép chẻ, độ mài mòn Catabro, mô đun đàn hồi và khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của hỗn hợp BTN
SBR là một loại phụ gia polyme được sử dụng như là chất cải tiến nhựa đường dưới dạng hợp chất phân tán trong nước (latex) Ở dạng latex, SBR khi được trộn vào nhựa đường sẽ nhanh chóng phân tán và liên kết với các phân tử nhựa tạo thành một kết cấu vững chắc [6]
Trong một nghiên cứu của tác giả Hossein Hamedi đã chứng minh những hiệu quả của SBR trong việc nâng cao chất lượng nhựa đường như: tăng mô đun đàn hồi, độ nhớt, độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp đồng thời tăng độ bám dính giữa nhựa đường với cốt liệu trong hỗn hợp BTN [7]
2.1.4 Nhựa tái chế (Polyethylene Terephthalate - PET)
Polyethylene Terephathalate (PET) là một dạng nhựa nhiệt dẻo, có nhiều ứng dụng trong đời sống như được dùng để đựng các loại chất lỏng, đồ uống và thức ăn PET được tìm ra vào năm 1941 bởi Calico Printer’ Association và chai PET được sản xuất vào năm 1973 [8] Ký hiệu loại nhựa PET và cấu trúc phân tử của PET được thể hiện như Hình 2.1 [9]
Hình 2.1: Ký hiệu nhựa tái chế và công thức phân tử của PET
PET chiếm khoảng 18% lượng nhựa trên toàn thế giới Hơn 60% lượng PET trên thế giới được sử dụng làm sợi tổng hợp Đối với các sản phẩm chai nhựa, PET chiếm khoảng 30% [10] PET có các đặc trưng cơ lý được tổng hợp trong bảng 2.1 [8]
Bảng 2.1: Thông số vật lý của PET
Khối lượng riêng (dạng vô định hình) 1.370 (g/cm 3 )
Khối lượng riêng (dạng kết tinh) 1.455 (g/cm 3 )
Cường độ chiệu kéo 55-75 Mpa
Giới hạn đàn hồi 50-150 % Độ dẫn nhiệt 0.24W/(m/K) Điểm nóng chảy 260 ºC
Phụ thuộc vào quá trình sản xuất và nhiệt độ, PET có thể tồn tại ở các dạng: tinh thể (crystalline), vô định hình (amorphous) và bán tinh thể (semi-crystalline) Ở dạng tinh thể, các dãy polyme sắp xếp song song và gần với nhau hơn, PET có màu đục Trong khi đó ở dạng vô định hình, các dãy polyme sắp xếp không có trật tự và PET có màu trong suốt Phần lớn PET tồn tại ở dạng bán tinh thể, là dạng tồn tại mà ở đó, các phân tử của PET vừa có dạng vô định hình, vừa có dạng tinh thể PET có nhiệt độ chuyển hóa tinh thể (glass transition temperature - Tg) nằm trong khoảng 67 o C đến 80 o C, đây là nhiệt độ mà các phân tử dạng vô định hình bắt đầu chuyển hóa thành dạng tinh thể Tỷ lệ chuyển hóa đạt giá trị cao nhất ở 180 o C và khi đến 267 o C PET bắt đầu bị tan chảy [11]
Hình 2.2: Cấu trúc bán tinh thể của PET Độ nhớt cũng là một đặc tính quan trọng của PET, phụ thuộc vào độ dài mạch polyme, độ dài mạch polyme càng dài thì độ rắn càng cao nên độ nhớt càng cao Độ dài của mạch polyme có thể được điều chỉnh thông qua quá trình polyme hóa [8]
Bảng 2.2: Độ nhớt một vài dạng PET Độ nhớt (decilit/gram - dl/g) Dạng
2.1.5 Tổng quan về nhiệt phân nhựa tái chế sử dụng bức xạ vi sóng
Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng PET trong bê tông nhựa
2.2.1 Nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng nhựa tái chế PET
Năm 2005, tác giả Abolfazl Hassani cùng các cộng sự đã công bố một nghiên cứu về việc sử dụng PET thay thế một phần cốt liệu mịn (kích thước 2.36mm - 4.75mm) trong hỗn hợp BTN 12.5 sử dụng nhựa đường 60/70 Các hàm lượng PET dùng trong nghiên cứu thay đổi từ 0%, 20%, 30%, 40%, 50% đến 60% [16] và PET cắt ở dạng hạt/vảy có kích thước 3mm Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, trong các mẫu BTN sử dụng PET, mẫu có hàm lượng PET 20% (tương đương 5% khối lượng hỗn hợp) cho kết quả độ ổn định Marshall lớn nhất và độ dẻo Marshall nhỏ nhất
Một nghiên cứu khác của Wan M.N, Wan A.R và Achamad F.A.W đã sử dụng PET thay thế một phần cốt liệu mịn nhằm cải thiện khả năng lún trồi và tăng tuổi thọ cho BTN [17] Kích thước hạt PET từ 1.18mm đến 2.36mm và các hàm lượng PET 0%, 5%, 10%, 15%, 20% và 25% (so với khối lượng hạt mịn) được sử dụng cho nghiên cứu Nhóm tác giả thực hiện 2 thí nghiệm là: thí nghiệm mô đun độ cứng chịu kéo gián tiếp (ITSM) ở 25 o C và thí nghiệm chiều sâu vệt hằn bánh xe với tải trọng lặp dọc trục (RLAT) có độ lớn 110kN với 1800 vòng lặp Dựa trên kết quả của 2 thí nghiệm nhóm tác giả đưa ra kết luận như sau: Việc thay thế cốt liệu mịn bằng PET tái chế giúp tăng khả năng kháng lún của BTN sử dụng PET so với mẫu BTN thông thường, mẫu BTN cho kết quả kháng lún tốt nhất khi thay thế 20% cốt liệu mịn bằng
PET Tuy nhiên PET không cải thiện độ cứng cho hỗn hợp BTN, khi hàm lượng PET tăng mô đun độ cứng chịu kéo gián tiếp của mẫu BTN giảm
Trong một nghiên cứu khá đầy đủ của nhóm tác giả Dhirar T Mohammed và Zaid
H Hussein về ảnh hưởng của PET đến chất lượng nhựa đường [18] Năm hàm lượng PET sử dụng trong nghiên cứu là 1%, 2%, 3%, 4% và 5% (so với khối lượng nhựa đường) PET được phân hủy ở nhiệt độ 350 o C trong 1 giờ, sau đó để nguội và nghiền mịn thành bột Tiếp đến, PET và nhựa đường được trộn với nhau ở 155 ± 5 o C với tốc độ quay 2000 vòng/phút trong khoảng 40 -50 phút Độ phân tán của PET trong nhựa đường được đánh giá bằng cách cho hỗn hợp này chảy qua rây sàng No 100 ở
165 o C Đánh giá hiệu quả của PET trong nhựa đường qua các thí nghiệm như: thí nghiệm xác định độ kim lún, thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm, thí nghiệm độ giãn dài, thí nghiệm độ già hóa của nhựa (TFOT) và thí nghiệm độ ổn định lưu trữ Kết quả cho thấy khi hàm lượng PET tăng thì độ kim lún giảm và nhiệt độ hóa mềm tăng Điều này cho thấy PET làm tăng hiệu năng của nhựa đường khi làm việc ở nhiệt độ cao Hàm lượng PET 4% cho kết quả độ ổn định lưu trữ tốt nhất, đồng thời khi được nhiệt phân và nghiền mịn, PET dưới dạng bột phân tán và tương thích tốt hơn với nhựa đường
Ahmadinia và cộng sự thực hiện một nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng PET đến độ cứng và khả năng kháng mỏi của hỗn hợp đá dăm vữa nhựa (SMA) [19] Có
5 hàm lượng PET (2%, 4%, 6%, 8% và 10% khối lượng nhựa đường) cùng mẫu đối chứng không có PET được dùng trong nghiên cứu Kết quả chỉ ra rằng, độ cứng của hỗn hợp SMA tăng khi hàm lượng PET tăng đến 6% Khả năng kháng mỏi, hằn lún hỗn hợp SMA có sử dụng PET tăng đáng kể Tuy nhiên mô đun đàn hồi không được cải thiện
Vào năm 2012, nhóm tác giả Taher Baghaee Moghaddam cùng các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng PET đến độ cứng và khả năng kháng mỏi của bê tông nhựa SMA [20] Có 5 hàm lượng PET được dùng là: 0.2%, 0.4%, 0.6% 0.8%, 1% (so với khối lượng cốt liệu) và mẫu đối chứng không có PET PET dùng trong nghiên có kích thước nhỏ hơn 2.36mm Kết quả cho thấy, độ cứng của hỗn hợp SMA tăng khi hàm lượng PET là 0.2% Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng PET thì độ cứng có xu hướng giảm Đồng thời, PET cải thiện khả năng kháng mỏi của hỗn hợp SMA
Trong một nghiên cứu được công bố bởi Amir Modarres và Hamedireza Hamedi, nhóm tác giả đã tiến hành các thí nghiệm để so sánh khả năng kháng mỏi của mẫu BTN có sử dụng PET với mẫu BTN sử dụng SBS [21] Nhựa đường 60/70 được sử dụng trong nghiên cứu, PET được cắt nhỏ thành các hạt có kích thước 0.425-1.18 mm và trộn vào hỗn hợp BTN với các tỷ lệ 0%, 2%, 4%, 6%, 8% và 10% (so với khối lượng nhựa đường) Kết quả cho thấy, khả năng kháng mỏi của hỗn hợp BTN có PET và ảnh hưởng của PET đến độ cứng của BTN tương tự với hiệu quả mà SBS mang lại Mẫu BTN sử dụng PET với hàm lượng PET 2% cho cường độ chịu kéo gián tiếp cao nhất
Vào năm 2017, Nura Usman và nhóm cộng sự đã công bố một nghiên cứu về việc sử dụng PET dạng sợi để đánh giá ảnh hưởng của PET tới độ cứng và khả năng kháng mỏi của hỗn hợp BTN [22] PET dạng sợi dùng trong nghiên cứu này được lấy từ các chai nhựa phế thải, cắt với kích thước 0.4x10mm và 4 hàm lượng PET dạng sợi được sử dụng (0.3%, 0.5%, 0.7% và 1% tổng khổi lượng hỗn hợp) Cốt liệu được sấy ở nhiệt độ 165 o C trong 2 giờ sau đó được trộn với PET và nhựa đường Nhóm tác giả thực hiện thí nghiệm mô đun đàn hồi trên mẫu được chế tạo từ hỗn hợp có PET và không có PET Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, ở nhiệt độ thấp, mô đun đàn hồi của hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng sợi PET tái chế tăng đáng kể so với mẫu bê tông nhựa không có PET Do đó, khả năng kháng mỏi của bê tông nhựa cũng tăng lên Trong điều kiện nhiệt độ cao, mẫu bê tông nhựa có PET cũng có mô đun đàn hồi cao hơn mẫu thông thường đồng nghĩa với việc sợi PET cải thiện khả năng kháng nứt của bê tông nhựa Hàm lượng PET tối ưu theo đề xuất của nhóm tác giả là 0.7% so với khối lượng cốt liệu
Vào năm 2018, nhóm tác giả Nishanthini Jegatheesan, Terrance Rengarasu và W.M.K.R.T.W Bandara thực hiện nghiên cứu sử dụng PET dạng sợi để đánh giá khả năng dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường [23] PET dạng sợi được lấy từ các chai nhựa phế thải, sợi PET cắt với đường kính 0.5mm và chiều dài từ 4mm đến 6mm Có
4 hàm lượng PET được sử dụng để nghiên cứu (10%, 20%, 30%, 40% khối lượng nhựa đường) PET được trộn theo phương pháp trộn ướt với hàm lượng nhựa dao động từ 4% đến 6% cho mỗi phần trăm PET Nhóm tác giả thực hiện thí nghiệm Marshall trên mẫu được chế tạo từ hỗn hợp có PET và không có PET Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, khả năng dính bám giữa cốt liệu và nhựa đường cải thiện đáng kể khi sử dụng PET dạng sợi làm phụ gia Nhóm tác giả cũng đề xuất hàm lượng PET để đạt hiệu quả tốt nhất là 30% trên tổng khối lượng hỗn hợp nhựa đường
2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng nhựa tái chế PET ở Việt Nam Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tái chế PET đã được chú trọng từ lâu Ðã có các đề tài nghiên cứu cơ bản, các chương trình khoa học công nghệ cấp Nhà nước về tái chế nhựa truyền thống và các sản phẩm có nguồn gốc từ dầu mỏ Hiện nay, nhiều nhà khoa học đã nỗ lực nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp hiệu quả và kinh tế nhất để tái chế PET thải Tuy nhiên, các nghiên cứu về việc sử dụng nhựa tái chế PET trong BTN còn rất khiêm tốn
Gần đây có nghiên cứu của tác giả Nguyễn Viết Huy và Nguyễn Mạnh Tuấn về ảnh hưởng của PET đến chất lượng của hỗn hợp BTNC 12.5 trong điều kiện thành phố Hồ Chí Minh [1] Nguồn PET lấy từ chai nhựa phế thải, PET được cắt với kích thước dạng sợi (1.5mm x 30mm) và dạng vảy/hạt (1.5mm x 1.5mm) để thực hiện mẫu thử và lựa chọn kích thước PET phù hợp Phương pháp trộn PET được sử dụng là phương pháp trộn khô (dry process)
Thông qua kết quả của thí nghiệm Marshall, tác giả chọn nhựa PET có kích thước 1.5mm x 1.5mm để nghiên cứu Bốn hàm lượng PET được sử dụng trong nghiên cứu là 0.2%, 0.4%, 0.6% và 0.8% (hàm lượng PET trên tổng khối lượng hỗn hợp cốt liệu)
Nhận xét từ kết quả nghiên cứu tổng quan
Từ những nghiên cứu được tổng hợp ở trên, có thể thấy rằng hiệu quả của việc sử dụng nhựa tái chế PET trong BTN phụ thuộc vào bốn yếu tố chính: kích thước PET, hàm lượng PET, phương pháp phối trộn PET và phương pháp tái chế PET o Về kích thước PET: PET được sử dụng chủ yếu ở dạng sợi và dạng hạt/vảy Ở dạng hạt, PET được sử dụng như cốt liệu mịn, kích thước PET được sử dụng phổ biến từ 1.18 mm đến 2.36 mm Ở dạng sợi, PET làm việc như sợi gia cường trong hỗn hợp BTN Kết quả nghiên cứu cho thấy PET dạng hạt/vảy cải thiện chất lượng nhựa đường hiệu quả sử tốt hơn PET dạng sợi o Về hàm lượng PET: Hàm lượng PET được đề nghị để hỗn hợp BTN sử dụng PET đạt hiệu quả tốt nhất nằm trong khoảng từ 9% đến 12% (hàm lượng PET trên khối lượng cốt liệu) o Về phương pháp tái chế nhựa PET: Hai phương pháp phổ biến hiện nay là tái chế PET bằng phương pháp cơ học (vật lý) và phương pháp hóa học Trong đó phương pháp tái chế PET bằng phương pháp hóa học được dùng nhiều hơn, mang lại hiệu quả cao hơn (phương pháp Glycol phân (glycolysis) hiện nay được sử dụng nhiều nhất) o Về phương pháp trộn PET: Hai phương pháp trộn được sử dụng nhiều nhất là phương pháp trộn khô và phương pháp trộn ướt Đối với vật liệu nhựa tái chế PET, phương pháp khô được lựa chọn Phương pháp gia nhiệt trong quá trình phối trộn hầu hết là phương pháp gia nhiệt truyền thống (sử dụng lò sấy) Với phương pháp này, PET không nóng chảy hoàn toàn
Nghiên cứu về việc tái chế PET bằng phương pháp hóa học ngày càng được quan tâm nhiều hơn nhờ mang lại hiệu quả nhất định như hiệu suất thu hồi cao, sản phẩm không bị giảm cấp sau quá trình tái chế, thành phần ổn định Nhiệt phân polyme dùng bức xạ vi sóng mang lại nhiều lợi ích Quá trình nhiệt phân sử dụng bức xạ vi sóng giúp giảm thời gian đáng kể, đồng thời tăng hiệu quả của quá trình nhiệt phân Dó đó sản phẩm thu được từ quá trình kết hợp tái chế PET bằng phương pháp hóa học sử dụng bức xạ vi sóng trộn với nhựa đường theo phương pháp trộn ướt được kỳ vọng cho kết quả tốt hơn
Nghiên cứu về tái chế PET theo phương pháp hóa học và nhiệt phân polyme dùng bức xạ vi sóng ở Việt Nam đã chứng minh được một số hiệu quả bước đầu của PET trong việc cải thiện các tính chất của nhựa đường và BTN Do đó, việc nghiên cứu tái chế PET theo phương pháp hóa học sử dụng bức xạ vi sóng tạo ra sản phẩm Oligo PET để trộn với nhựa đường là cần thiết nhằm nâng cao hiệu quả của PET trong việc cải thiện chất lượng nhựa đường và BTN.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Lựa chọn vật liệu
Cốt liệu của hỗn hợp bê tông nhựa chặt 12.5 (BTNC 12.5) được lấy từ trạm trộn bê tông nhựa nóng Hồng An, Quận 9, TP HCM Đá dăm sau khi mang về phòng thí nghiệm được rây thành từng cở sàng riêng biệt Thành phần cấp phối được tham khảo từ nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối BTNC 12.5mm của tác giả Trần Huy Hải [31] Xác định được hàm lượng nhựa tối ưu là 4.97% theo hỗn hợp BTN Chế tạo mẫu BTN có thành phần cấp phối như Bảng 3.1 và Hình 3.2
Lựa chọn vật liệu So sánh phương pháp trộn ướt cải tiến và trộn ướt truyền thống
Các thí nghiệm khác để đánh giá ảnh hưởng của PET đến BTN
Thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall Marshall
Thí nghiệm mô đun đàn hồi
Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Thí nghiệm mô đun phức động
Bảng 3.1: Kết quả thiết kế thành phần cấp phối BTNC 12.5
Lượng lọt sàng (%) TCVN 8819 – 2011 [34] Cấp phối trong nghiên cứu
Hình 3.2: Đường cong cấp phối BTNC 12.5
Bột khoáng trong hỗn hợp BTNC 12.5 là xi măng Thăng Long với các chỉ tiêu kiểm tra được thể hiện trong Bảng 3.2
Bảng 3.2: Các chi tiêu của bột khoáng xi măng Thăng Long
Chỉ tiêu Xi măng Thăng Long TCVN 6620 – 1997 [39] Cường độ chịu nén (MPa)
Khối lượng riêng (kg/L) 2.98 Độ min Blaine (cm 2 /g) 3890
- Kết thúc (phút) 180 max 10 Độ ổn định thể tích (mm) 0.8 max 10
Nghiên cứu sử dụng nhựa đường mác 60/70 do công ty BachChambard sản xuất Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa 60/70 thể thiện trong Bảng 3.3
Bảng 3.3: Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường 60/70
Chỉ tiêu Kết quả thí nghiệm Độ kim lún (0.1mm) 62
Nhiệt độ hóa mềm ( o C) 49 Độ kéo dài (cm) ở 25 o C +150
PET được cắt từ các chai nước suối đã qua sử dụng Kích thước PET sau khi cắt là 1.5mm x 1.5 mm
Hình 3.3: PET được cắt với kích thước 1.5mm x 1.5mm từ chai nước suối
Hình 3.4: Kẽm acetat Zn(CH 3 COOH) 2 2H 2 O Hình 3.5: Ethylene Glycol C 2 H 6 O 2
Phương pháp trộn PET với hỗn hợp bê tông nhựa
Trong nghiên cứu này, hàm lượng nhựa tối ưu là 4.97%, được lấy từ kết quả nghiên cứu của Trần Huy Hải [31] tương ứng với cấp phối BTNC 12.5 được đề cập ở mục 3.1.1 Bốn hàm lượng Oligo PET được sử dụng để nghiên cứu bao gồm 4%, 6%, 8%, 10% tổng khối lượng hỗn hợp nhựa đường và Oligo PET Hay nói cách khác, Oligo PET được sử dụng để giảm một phần nhựa đường mà vẫn đảm bảo hàm lượng nhựa đường cải tiến (hỗn hợp nhựa đường và Oligo PET) là 4.97% trên tổng khối lượng hỗn hợp BTNC 12.5
Phương pháp trộn ướt được sử dụng trong nghiên cứu PET được cắt mịn với kích thước 1.5mm x 1.5mm và được sấy ở nhiệt độ 170 o C trong khoảng 4 giờ PET sau khi sấy khô được trộn với dung dịch Ethylene glycol (C2H6O2) và kẽm acetate (Zn(CH3COO)2.2H2O) theo tỷ lệ (PET : Ethylene glycol : Kẽm acetate = 1 : 5 : 0.03)
(Lưu ý: Kẽm acetate cho vào dung dịch Ethylene glycol khuấy đều trong vòng 5 phút cho tới khi kẽm acetate tan hoàn toàn mới cho PET vào) Hỗn hợp được cho vào lò vi sóng gia nhiệt với công suất 600W và thời gian gia nhiệt khoảng 10 phút Hỗn hợp sau khi gia nhiệt được lọc nóng trên giấy lọc, phần bột màu trắng trên giấy lọc được sấy khô trong lò sấy ở nhiệt độ 170 o C đến khi khối lượng không đổi (thời gian sấy khoảng 8 giờ) Sản phẩm thu được cuối cùng là tinh thể bột màu trắng (Oligo PET) Nhựa đường được sấy ở nhiệt độ 150 o C – 160 o C trong khoảng 2 giờ Nhựa đường và Oligo PET sau đó được trộn với nhau Hỗn hợp nhựa đường và Oligo PET tồn tại dưới dạng lỏng, dẻo quánh, không còn Oligo PET dưới dạng bột
Cốt liệu được sấy ở nhiệt độ 170 o C và trộn với hỗn hợp nhựa đường cải tiến để đúc mẫu BTNC 12.5 và kiểm tra các tính chất của hỗn hợp BTNC 12.5 Các thí nghiệm được thực hiện bao gồm: thí nghiệm xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall, thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ, thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi, thí nghiệm mỏi, thí ngiệm xác định mô đun phức động Tương ứng với từng thí nghiệm, bốn hàm lượng Oligo PET được sử dụng để tạo ra hỗn hợp nhựa đường cải tiến Tổng số mẫu BTNC 12.5 được sử dụng trong nghiên cứu này là 44 mẫu
Hình 3.6: Các tổ hợp mẫu BTNC 12.5 với các hàm lượng PET khác nhau.
Các thí nghiệm đánh giá tính chất của hỗn hợp BTNC 12.5
3.3.1 Thí nghiệm đo độ ổn định, độ dẻo Marshall
Thí nghiệm được thực hiện theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn TCVN 8860-1 : 2011 [32]
Thí nghiệm này mô phỏng điều kiện làm việc của mặt đường BTN trong môi trường nước ở nhiệt độ cao Ở điều kiện này, mặt đường BTN bị suy giảm cường độ và dễ bị hư hỏng khi chịu tác dụng của tải trọng Phương pháp thiết kế Marshall nhằm đảm bảo lớp kết cấu áo đường dưới tác dụng của tải trọng giao thông trong điều kiện môi trường bất lợi không bị hư hỏng và biến dạng quá mức
3.3.1.2 Định nghĩa Độ ổn định Marshall là giá trị lực nén lớn nhất đạt được khi thử nghiệm mẫu BTN chuẩn (mẫu hình trụ đường kính 101.6 mm, chiều cao 63.5 mm) trên máy nén Marshall, đơn vị tính là kilôniutơn (kN) Trường hợp mẫu có chiều cao khác 63,5 mm thì hiệu chỉnh để xác định độ ổn định Marshall Độ dẻo Marshall là biến dạng của mẫu BTN trên máy nén Marshall tại thời điểm xác định độ ổn định Marshall, đơn vị tính là milimét (mm)
Tiến hành đúc các mẫu Marshall với các hàm lượng Oligo PET thay đổi từ 4%, 6%, 8%, và 10% (hàm lượng Oligo PET trên tổng khối lượng nhựa đường và Oligo PET) Tổng số mẫu chế bị là 12 mẫu, tương ứng với mỗi hàm lượng Oligo PET sẽ có
3 mẫu, độ ổn định và độ dẻo Marshall là giá trị trung bình của 3 mẫu Mẫu phải được giữ ở nhiệt độ phòng tối thiểu 12 giờ trước khi thử nghiệm
Hình 3.7: Tổ hợp mẫu sử dụng cho thí nghiệm đo độ ổn định, độ dẻo Marshall Đo chiều cao trung bình của các viên mẫu trước khi thí nghiệm, xác định chính xác đến 0.1 mm
Ngâm mẫu trong bể ổn định nhiệt ở 60 o C ± 1 o C trong thời gian 40 phút ± 5 phút
Lấy mẫu BTN ra khỏi bể ổn định nhiệt, gá đồng hồ đo độ dẻo và điểm chỉnh về 0 và tiến hành gia tải cho tới khi mẫu bị phá hoại Tốc độ gia tải không đổi là 50.8 mm/phút Điểm phá hoại xảy ra khi đạt tải trọng lớn nhất, trị số này chính là độ ổn định Marshall của mẫu BTN
Thời gian thực hiện thí nghiệm không quá 30s tính từ lúc lấy mẫu ra khỏi bể ổn nhiệt đến lúc xác định được lực nén lớn nhất
Hình 3.8: Thí nghiệm đo độ ổn định và độ dẻo Marshall Độ ổn định Marshall của mẫu được xác định theo công thức:
SK P (3.1) Trong đó: - K là hệ số điều chỉnh, nội suy từ Bảng 1 của TCVN 8860-1 : 2011;
- P là lực nén lớn nhất, tính bằng kN Độ dẻo Marshall F (mm) là giá trị biến dạng của mẫu tại giá trị P lớn nhất
3.3.2 Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi
Thí nghiệm mô đun đàn hồi được thực hiện theo tiêu chuẩn 22TCN 211 – 06, mục C.3.1 [33]
Thí nghiệm nhằm đo giá trị mô đun đàn hồi của mẫu BTN ở các nhiệt độ khác nhau Giá trị mô đun đàn hồi thể hiện khả năng biến dạng không hồi phục của mẫu BTN dưới tác dụng của tải trọng, là đại lượng quan trọng để tính toán chiều dày của lớp BTN trong quá trình thiết kế
Tiến hành đúc các mẫu hình trụ có đường kính D = 10 cm, chiều cao H = 10 cm (sai số ± 0.2 cm) được chế bị ở áp lực 30Mpa và giữ trong thời gian 3 phút Bốn hàm lượng Oligo PET được sử dụng là 4%, 6%, 8%, và 10% Tổng số mẫu để thực hiện thí nghiệm là 4 mẫu (mỗi hàm lượng Oligo PET có 1 mẫu) Mẫu được giữ ở nhiệt độ phòng ít nhất là 16 giờ trước khi thí nghiệm Thiết bị chế bị mẫu thể hiện ở Hình 3.9
Hình 3.9: Chế bị mẫu thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi
Tiến hành thí nghiệm các mẫu ở ba nhiệt độ là 15 o C, 30 o C và 60 o C Các mẫu được bảo dưỡng trong tủ ổn định nhiệt tại các nhiệt độ thí nghiệm trong thời gian 2,5 giờ trước khi tiến hành nén mẫu
Mẫu được đem ép 1 lần, giữ áp lực p trên mẫu cho đến khi biến dạng lún ổn định Khi tốc độ biến dạng còn 0.01 mm/phút (trong 5 phút) thì đọc giá trị của chuyển vị kế lúc gia tải Sau đó dỡ tải và đợi tốc độ biến dạng ổn định, tiến hành đọc giá trị chuyển vị kế lúc dỡ tải Trị số biến dạng đàn hồi L là hiệu giữa giá trị chuyển vị kế lúc dỡ tải và lúc gia tải Thiết bị thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi được thể hiện trong Hình 3.10
Hình 3.10: Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi
Trị số mô đun đàn hồi được xác định theo công thức sau:
+ D cm (sai số0.2 cm) là đường kính mẫu và H cm (sai số0.2 cm) là chiều cao mẫu;
+ P (kN) là lực tác dụng lên bàn ép Khi thí nghiệm thường lấy p = 0,5MPa
3.3.3 Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ được thực hiện theo chỉ dẫn của TCVN 8862 : 2011 [34]
Thí nghiệm này mô phỏng điều kiện làm việc của mặt đường BTN ở nhiệt độ thấp Khi nhiệt độ hạ xuống, BTN có xu hướng co lại và dưới tác động của tải trọng thì việc co rút này làm phát sinh ứng suất kéo, trong trường hợp ứng suất kéo vượt quá cường độ chịu kéo của hỗn hợp bê tông nhựa thì mặt đường sẽ bị nứt
Cường độ chịu kéo khi ép chẻ hay còn gọi là cường độ chịu kéo gián tiếp là khả năng chịu kéo của mẫu vật liệu khi có một lực nén tác dụng đều dọc theo đường sinh của mẫu thử hình trụ, nằm trong mặt phẳng thẳng đứng đi qua đường kính của hai đáy mẫu thử Khi lực nén đạt đến trị số tối đa, mẫu thử hình trụ sẽ bị phá hủy theo mặt phẳng thẳng đứng do ứng suất kéo phát sinh lớn hơn cường độ chịu kéo của vật liệu mẫu thử
Tiến hành đúc các mẫu Marshall với hàm lượng Oligo PET thay đổi từ 4%; 6%, 8%, và 10% Tổng số mẫu thí nghiệm là 8 mẫu, tương ứng với mỗi hàm lượng Oligo PET sẽ có 2 mẫu
Hình 3.11: Tổ hợp mẫu sử dụng cho thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo gián tiếp được thực hiện ở nhiệt độ của mẫu BTN là 15 o C Bảo dưỡng mẫu trong tủ ổn định nhiệt trong thời gian 4 giờ Độ sai lệch nhiệt độ cho phép là ±1 o C
Mẫu thử sau khi bảo dưỡng được lấy đặt lên tấm đệm truyền tải bằng thép, lắp vào bàn nén và tiến hành nén mẫu Tốc độ di chuyển của bàn nén là 50.8 mm/phút Cường độ chịu kéo khi ép chẻ Rkc của từng viên mẫu được tính chính xác đến 0.01 MPa theo công thức:
Trong đó: - Rkc là cường độ chịu kéo khi ép chẻ, MPa;
- P là tải trọng phá hủy mẫu, N;
- H và D là chiều cao và đường kính mẫu (mm)
Hình 3.12: Bảo dưỡng mẫu và bố trí thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ
3.3.4 Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi động (mô đun phức động)
Giá trị mô đun phức động của BTN phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như vật liệu làm áo đường (cốt liệu, nhựa đường, phụ gia), tỷ lệ phối trộn giữ các vật liệu và hàm lượng nhựa, tần số tác dụng của tải trọng, điều kiện thời tiết Do vậy, mô đun phức động là thông số rất quan trọng được sử dụng cho thiết kế mặt đường theo phương pháp cơ học thực nghiệm Giá trị này phản ánh ứng xử của BTN sát với điều kiện làm việc thực tế
Thí nghiệm xác định Mô đun phức động được thực hiện theo chỉ dẫn của tiêu chuẩn tiêu chuẩn EN 12697-26C [35]
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Độ ổn định, độ dẻo Marshall
Kết quả thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall của các mẫu tương ứng với các hàm lượng Oligo PET 0% (kết quả nghiên cứu từ luận văn tác giả Nguyễn Đăng Phú) [24], 4%, 6%, 8%, và 10% được thể hiện ở Bảng 4.1 Tương quan giữa độ ổn định Marshall và độ dẻo Marshall được thể hiện ở Hình 4.1
Bảng 4.1: Kết quả đo độ ổn định và độ dẻo Marshall
Hàm lượng Oligo PET 0% 4% 6% 8% 10% Độ ổn định Marshall (kN) 13.03 12.02 11.44 13.25 11.54 Độ dẻo Marshall (mm) 4.66 5.43 4.73 5.38 5.28
Hình 4.1: Biểu đồ kết quả thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall
Mối quan hệ giữa độ ổn định và độ dẻo Marshall với hàm lượng Oligo PET được thể hiện ở Hình 4.1 Từ kết quả cho thấy, khi tăng hàm lượng Oligo PET độ ổn định và độ dẻo Marshall có xu hướng tăng So với mẫu không sử dụng Oligo PET có độ ổn định Marshall là 13.03 và độ dẻo Marshaal là 4.66 (kết quả từ nghiên cứu của tác giả Nguyễn Đăng Phú) [24], các mẫu sử dụng Oligo PET có kết quả chênh lệch không nhiều Độ ổn định Marshall đạt giá trị lớn nhất 13.25 kN tại hàm lượng Oligo PET 8% Mẫu BTN có hàm lượng Oligo PET 4% có độ dẻo Marshall lớn nhất 5.43 Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng hàm lượng Oligo PET, độ ổn định và độ dẻo Marshall có xu hướng giảm Mẫu BTN có hàm lượng Oligo PET 6% có độ ổn định Marshall thấp nhất 11.44 kN và độ dẻo Marshall thấp nhất 4.73 Phương pháp sử dụng Oligo PET trong mẫu BTN mang lại hiệu quả tốt hơn so với phương pháp không sử dụng Oligo PET trong mẫu BTN.
Mô đun đàn hồi
Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi ở ba nhiệt độ 15 o C, 30 o C và 60 o C của các mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Oligo PET 0% (kết quả nghiên cứu từ luận văn tác giả Nguyễn Đăng Phú) [24], 4%, 6%, 8%, và 10% được tổng hợp ở Bảng 4.2
Bảng 4.2: Tổng hợp kết quả xác định mô đun đàn hồi
Hình 4.2: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi
Hình 4.2 thể hiện tương quan giữa hàm lượng Oligo PET và mô đun đàn hồi tại ba nhiệt độ thí nghiệm Xu hướng thay đổi mô đun đàn hồi của mẫu ở các nhiệt độ khác nhau là tương đối giống nhau Hỗn hợp BTN sử dụng Oligo PET cho kết quả mô đun đàn hồi thấp hơn mẫu không sử dụng Oligo PET Mô đun đàn hồi của những mẫu sử dụng Oligo PET có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng Oligo PET Kết quả này hoàn toàn tương tự với kết quả đạt được từ nghiên cứu của tác giả Nguyễn Đăng Phú [24] Ở nhiệt độ 15 o C và 30 o C, giá trị mô đun đàn hồi thấp nhất lần lượt là 252.56 MPa và 245.26 MPa tại mẫu BTN có hàm lượng Oligo PET 8% và 10% thấp hơn mẫu không sử dụng Oligo PET Giá trị mô đun đàn hồi tại nhiệt độ 60 o C đạt giá trị thấp nhất là 200.35 MPa tại mẫu có hàm lượng Oligo PET 4% thấp hơn so với mẫu không có Oligo PET.
Cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Kết quả cường độ chịu kéo khi ép chẻ của các mẫu BTNC 12.5 tương ứng với các hàm lượng Oligo PET 0% (kết quả nghiên cứu từ luận văn tác giả Nguyễn Đăng Phú) [24], 4%, 6%, 8%, và 10% ở 15 o C được thể hiện ở Bảng 4.3
Bảng 4.3: Kết quả xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ ở 15 o C
Cường độ chịu kéo khí ép chẻ (MPa)
Hình 4.3: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ
Hình 4.3 cho thấy ảnh hưởng của Oligo PET đến cường độ chịu kéo khi ép chẻ của mẫu BTNC 12.5 So với mẫu không sử dụng Oligo PET có cường độ chịu kéo khi ép chẻ là 2.49 MPa (kết quả từ nghiên cứu của tác giả Nguyễn Đăng Phú) [24], các mẫu sử dụng Oligo PET đều có kết quả thấp hơn Điều này cho thấy khi ở nhiệt độ thấp (15 o C) Oligo PET không cải thiện khả năng kháng nứt của hỗn hợp BTN Cường độ chịu kéo khi ép chẻ giảm khi hàm lượng Oligo PET tăng Mẫu BTN có hàm lượng
Oligo PET 6% có giá trị cường độ chịu kéo khi ép chẻ thấp nhất 1.36 N/mm2 Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng hàm lượng Oligo PET cường độ chịu kéo khi ép chẻ có xu hướng tăng trở lại Mẫu BTN có hàm lượng Oligo PET 8% có kết quả cao hơn mẫu BTN có 6% Oligo PET.
Mô đun phức động (dynamic modulus)
Kết quả thí nghiệm mô đun phức động của mẫu BTNC 12.5 tương ứng với các hàm lượng Oligo PET 4%, 6%, 8% và 10% được thể hiện ở Bảng 4.4, 4.5, 4.6 và 4.7
Bảng 4.4: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Oligo
PET 4%, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Bảng 4.5: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Oligo
PET 6%, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Bảng 4.6: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Oligo
PET 8%, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Bảng 4.7: Giá trị mô đun phức động (E*) của mẫu BTNC 12.5 có hàm lượng Oligo
PET 10%, tương ứng với sáu tần số ở năm nhiệt độ
Hình 4.4: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của mẫu có hàm lượng 4%
Frequency (Hz) Hình 4.5: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của mẫu có hàm lượng 6%
Hình 4.6: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của mẫu có hàm lượng 8%
Hình 4.7: Biểu đồ kết quả thí nghiệm mô đun phức động (E*) tương ứng với các tần số và nhiệt độ của mẫu có hàm lượng 10% Độ lớn của mô đun phức động được biễu diễn dưới dạng tọa độ như Hình 4.4, 4.5, 4.6, 4.7 Các biểu đồ này cho thấy ứng xử của vật liệu BTN với hàm lượng Oligo
PET khác nhau ở các nhiệt độ và tần số thí nghiệm Nhiệt độ càng giảm, tần số càng tăng thì độ lớn của mô đun phức động E* càng tăng và ngược lại Đường cong master curve thể hiện mối quan hệ giữa tần số và mô đun phức động của mẫu BTNC 12.5 thông thường và mẫu có 4%, 6%, 8% và 10% Oligo PET được thể hiện trong Hình 4.8, 4.9, 4.10 và 4.11 Tương quan về giá trị mô đun phức động của các mẫu BTNC 12.5 với bốn hàm lượng PET khác nhau được thể hiện ở Hình 4.12
Hình 4.8: Đường cong Master Curve của mẫu BTNC 12.5 hàm lượng Oligo PET
Hình 4.9: Đường cong Master Curve của mẫu BTNC 12.5 hàm lượng Oligo PET
Hình 4.10: Đường cong Master Curve của mẫu BTNC 12.5 hàm lượng Oligo PET
Hình 4.11: Đường cong Master Curve của mẫu BTNC 12.5 hàm lượng Oligo PET
Hình 4.12: Tương quan về mô đun phức động của các mẫu BTNC 12.5
Hình 4.12 so sánh đường cong Master Curve của các mẫu BTNC 12.5 với các hàm lượng Oligo PET tương ứng 4%, 6%, 8%, và 10% Kết quả cho thấy, tại nhiệt độ cao đường cong Master Curve của mẫu BTN sử dụng 4% và 8% Oligo PET nằm trên đường cong Master Curve của mẫu không sử dụng Oligo PET điều này chứng tỏ Oligo PET cải thiện đáng kể khả năng chịu tải trọng động của BTN trong điều kiện nhiệt độ cao Tuy nhiên ở nhiệt độ bình thường và nhiệt độ thấp đường cong Master Curve của mẫu BTN không sử dụng Oligo PET nằm cao hơn các đường cong còn lại Điều này cho thấy Oligo PET không cải thiện khả năng chịu tải trọng động của BTN ở nhiệt độ bình thường và nhiệt độ thấp Ngoài ra, khi tăng hàm lượng Oligo PET khả năng chịu tải trọng động của mẫu BTN có xu hướng giảm.