Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhựa PET tới chất lượng của bê tông nhựa bằng phương pháp trộn khô cải tiến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-VŨ NGỌC HƯỞNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHỰA PET TỚI CHẤT LƯỢNG CỦA BÊ TÔNG NHỰA BẰNG PHƯƠNG PHÁP

TRỘN KHÔ CẢI TIẾN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Mã số: 8580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2022

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Mạnh Tuấn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS Lê Bá Khánh PGS.TS Lê Anh Tuấn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VŨ NGỌC HƯỞNG MSHV: 2070194

Ngày, tháng, năm sinh: 06/02/1996 Nơi sinh: An Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông Mã số: 8580205

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Luận văn có các nhiệm vụ nội dung sau:

o Thực hiện các thí nghiệm khác để có thêm những đánh giá ảnh hưởng của PET đến bê tông nhựa Số liệu thu thập được phân tích và so sánh nhằm chứng minh hiệu quả của phương pháp trộn mới

o Đề xuất hàm lượng PET tối ưu để cho hiệu quả phối trộn tốt nhất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/06/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 02 năm 2022

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Lê Anh Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Hai năm học qua, tôi đã được các thầy cô của Trường, của khoa Xây Dựng và bộ môn Cầu Đường truyền đạt nhiều kiến thức quý giá Tôi xin biết ơn các thầy cô đã giảng dạy

Hơn cả, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PSG.TS Nguyễn Mạnh Tuấn, người luôn động viên và giúp đỡ tôi từ lúc làm đề cương đến khi hoàn thành luận văn Thầy đã dạy tôi những kiên thức quý giá, chia sẻ những kinh nghiệm để giúp tôi hiểu thêm về thực hành thí nghiệm và hoàn thành tốt luận văn của mình Những kiến thức này cũng là hành trang quý báo cho tôi sau này

Tôi xin cảm ơn thầy Lê Anh Thắng (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM), thầy Hoàng Ngọc Trâm và thầy Trần Minh Thế (Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải TP.HCM) đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực hiện thí nghiệm tại trường

Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu cũng không thể quên sự chia sẽ và giúp của người thân và các bạn học viên đối với tôi, tôi xin cảm ơn họ

Xin kính chúc toàn thể Quý Thầy Cô và bạn bè thật nhiều sức khỏe

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 06 năm 2022

Vũ Ngọc Hưởng

TÓM TẮT

Theo thời gian, đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng nhựa đường Polyme nhằm tăng khả năng làm việc và giảm hư hỏng của BTN Ở Việt Nam, nhựa đường mới này cũng được nghiên cứu ứng dụng để cải thiện mặt đường do phương tiện giao thông ngày càng nhiều và tải trọng nặng, cùng với nhiệt độ cao Tuy hiệu quả cao nhưng chi phí cao đã làm cho loại nhựa mới nàyd ít được sử dụng Vì thế, nhựa tái chế PET là giải pháp được nghiên cứu ứng dụng, PET có giá tốt hơn nhưng vẫn cải thiện được đặc tính nhựa đường Mặt khác, sử dụng PET vào BTN giúp thúc đẩy

sản xuất, tiêu thụ lượng nhựa phế thải ở ngoài đời môi trường

Tại Việt Nam, việc ứng dụng PET vào trong hỗn hợp BTN chưa được nghiên cứu nhiều.Do đó, nghiên cứu này như là tài liêu tham khảo cho các nghiên cứu về PET tiếp theo Nghiên cứu tiến hành trộn PET hạt với hỗn hợp BTN thông thường theo các tỷ lệ 0%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8% trên tổng khối lượng cốt liệu và thực hiện các thí nghiệm trong phòng để đánh giá các tính chất của hỗn hợp BTNC 12.5

Nghiên cứu đã cho thấy, phối trộn PET vào BTN bằng PPTK cải tiến giúp hỗn hợp BTN làm việc nhiệt độ cao dưới tác động của độ ẩm tốt hơn Hàm lượng PET thích hợp nhất là 0.2% đến 0.4%( trên tổng khối lượng cốt liệu) sẽ cho hiểu quả tốt nhất trên.Tuy nhiên MĐĐH, CĐCK chưa được cải thiện PET chưa cải thiện được khả năng chịu TTĐ của mẫu BTN ở nhiệt độ cao, nhưng khi ở nhiệt độ thấp thì mẫu có khả năng làm việc tốt hơn

ABSTRACT

For a long time, in the world, there have been many researches and applications of polymer resins in order to increase the machinability and reduce the deterioration of concrete In Vietnam, asphalt roads are also studied and applied to improve traffic space, which is increasing rapidly in volume and load, combined with high temperature However, high efficiency coupled with high cost is a major obstacle that makes polymer bitumen rarely used Therefore, hill restoration must find a new polymer that has a lower cost but still achieves the desired effect Among them, recycled PET has been shown by some studies to improve the good quality of bitumen and asphalt mxtures Currently, the quantitative recycling of plastic in the environment is increasing, the use of PET in plastic is a good solution that is both technically effective and contributes to environmental protection

In Vietnam, the application of PET in the asphalt mixture has not been studied much Therefore, this study serves as a reference for further PET studies More complete and research tools are needed to move towards mass adoption The study is database for reference and evaluation of subsequent synthetic PET studies in Vietnam The study used PET granules mixed with asphalt mixture at the rates of 0%, 0.2%, 0.4%, 0.6% and 0.8% of the total weight of aggregate The properties of hot mix asphalt which nominal maximum aggregate size is 12.5 (HMA 12.5) are evaluated through laboratory tests

Research has shown that, combining asphalt mixture with PET by modified dry process, efficiency of asphalt mixture at high temperature and humidity is improved The proportion of from 0.2% to 0.4% PET is recommended for the best effectiveness Howeve, the resistance against permanent deformation, the cracking resistance is not improved PET is not improved the dynamic load capacity of BTN samples at high temperature, but at low temperature PET improves the workability of samples Further studies are needed to improve the mixing method and mixing temperature

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn bởi thầy PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn Các số liệu thu được là trung thực, khách quan Các tài liệu tôi tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ.Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về số liệu và kết quả nghiên cứu của mình.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 06 năm 2022

Vũ Ngọc Hưởng

MỤC LỤC

GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 1

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

2.1.2 Styrene – butadiene – Styrene (SBS) 3

2.1.3 Styrene – butadiene – rubber (SBR) 4

2.1.4 Polyethylene Terephathalate (PET) 4

2.2 Tổng quan về nghiên cứu PET 6

2.2.1 Nghiên cứu ứng dụng PET trên thế giới 6

2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam 8

2.2.3 Phương pháp trộn PET với hỗn hợp bê tông nhựa 10

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

3.1 Lựa chọn vật liệu 13

3.1.1 Cốt liệu 13

3.1.2 Nhựa đường 15

3.1.3 Nhựa tái chế (PET) 15

3.2 Phương pháp trộn PET với hỗn hợp bê tông nhựa 15

3.3 Các thí nghiệm đánh giá tính chất của hỗn hợp BTNC 12.5 16

3.3.1 Thí nghiệm Marshall 16

3.3.2 Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi 18

3.3.3 Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ 19

3.3.4 Thí nghiệm mô đun phức động 21

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 25

4.1 Thí nghiệm Marshall 25

4.2 Thí nghiệm mô đun đàn hồi 26

4.3 Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ 28

4.4 Thí nghiệm mô đun phức động 29

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37

5.1 Kết luận 37

5.2 Kiến nghị 37 DANH MỤC TAI LIỆU THAM KHẢO ERROR! BOOKMARK NOT

DEFINED.

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Ký hiệu bên và cấu trúc phân tử của PET 5

Hình 2.2 Hạt nhựa PET [25] 10

Hình 2.3 Hạt nhựa PET tăng cứng [26] 10

Hình 3.1: Các bước thực hiện trong nghiên cứu 13

Hình 3.2: Đường cong cấp phối BTNC 12.5 14

Hình 3.3: PET của công ty Vân Gia Phát 15

Hình 3.4: Các mẫu chế bị cho thí nghiệm Marshall 16

Hình 3.5:Thiết bị đo thí nghiệm Marshall 17

Hình 3.6: Thiết bị thí nghiệm đo mô đun đàn hồi 18

Hình 3.7: Mẫu được ngâm bảo dưỡng 20

Hình 3.8: Mẫu dược đặt lên bàn nén 20

Hình 3.9: Dạng của xung lực thể hiện qua thời gian tăng tải và tải trọng lớn nhất 22

Hình 3.10: Bố trí thí nghiệm mô đun phức động 22

Hình 3.11: Hệ số dịch chuyển a(T) trong nghiên cứu 23

Hình 3.12: Dạng đồ thị Master curve theo hàm sigmoidal 24

Hình 4.1: Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng PET với độ ổn định và độ dẻo Marshall 25

Hình 4.2: Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng PET và mô đun đàn hồi 27

Hình 4.3: Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng PET với cường độ chịu kéo 28

Hình 4.4: Biểu đồ quan hệ tần số và mô đun phức động của mẫu PET 0.2% 30

Hình 4.5: Biểu đồ quan hệ tần số và mô đun phức động của mẫu PET 0.2% 31

Hình 4.6: Biểu đồ quan hệ tần số và mô đun phức động của mẫu PET 0.4% 31

Hình 4.7: Biểu đồ quan hệ tần số và mô đun phức động của mẫu PET 0.6% 32

Hình 4.8: Biểu đồ quan hệ tần số và mô đun phức động của mẫu PET 0.8% 32

Hình 4.9: Đường cong Master Curve của mẫu thông thường 33

Hình 4.10: Đường cong Master Curve của mẫu sử dụng 0.2 % PET 34

Hình 4.11: Đường cong Master Curve của mẫu sử dụng 0.4% PET 34

Hình 4.12: Đường cong Master Curve của mẫu sử dụng 0.6% PET 35

Hình 4.13: Đường cong Master Curve của mẫu sử dụng 0.8% PET 35

Hình 4.14: Tương quan về mô đun đàn hồi giữa các mẫu BTNC 12.5 36

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Một số tính chất vật lý của PET [10] 5

Bảng 2.2: Các tổ hợp hàm lượng PET và hàm lượng nhựa tối ưu tương ứng 9

Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm Marshall 25

Bảng 4.2: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi 26

Bảng 4.3: Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ ở 25 oC 28

Bảng 4.4: Kết quả thí nghiệm mô đun phức động của mẫu thông thường 29

Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm mô đun phức động của mẫu có hàm lượng PET 0.2% 29

Bảng 4.6: Kết quả thí nghiệm mô đun phức động của mẫu có hàm lượng PET 0.4% 29

Bảng 4.7: Kết quả thí nghiệm mô đun phức động của mẫu có hàm lượng PET 0.6% 30

Bảng 4.8 Kết quả thí nghiệm mô đun phức động của mẫu có hàm lượng PET 0.8% 30

BẢN CÁC KÝ TỰ VIÊT TẮT

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay các phương tiên tham gia giao thông ngày càng tăng về số lượng và tải trọng đã gây thiệt hại đến mặt đường như: Nứt trượt lớp mặt đường, xô dồn, hằn lún vệt bán0h xe, rạn nứt bong bật, [1] Điều đó, đòi hỏi người kỹ sư đưa ra những giải phải khi lựa chọn thiết kết kết cấu áo đường mà phần lớn là mặt đường BTN, sao cho đảm bảo khả năng phục vụ tốt và lâu dài

Thấy được điều đó người kỹ sư đã đưa ra nhiều giải pháp như: Tuân thủ quy định thiết kế và thi công, chất lượng nguồn vật liệu phải đảm bảo, quy định tải trọng lưu thông và cải thiện cường độ của BTN Trong đó cải thiện cường độ của BTN được đề cập nhiều nhất và cũng là đề tài nguyên cứu của nhiều tác giả Phụ gia nhựa polyme được đề cập trong giải pháp này

Một số loại phụ gia polyme đã sử dụng như: Cao su, Styrene – butadiene – Styrene (SBS), Styrene – butadiene – rubber (SBR) Mặc dù hiểu quả cao nhưng giá thành tương đối cao đã khiến việc sự dụng các loại phụ gia polyme còn hạn chế và nhựa tái chế (Polyethylene Terephthalate_PET) đã được nhắc đến Phụ gia PET vừa cải thiện chất lượng BTN, vừa cả thiện môi trường Đặt biệt, hiện nay phụ gia PET đa dạng về chủng loại, giá rẻ có thể dễ dàng mua ở ngoài thị trường Điều đó sẽ mở ra nhiều hướng nghiên cứu để so sánh và lựa chọn PET tốt nhất

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

⁃ Phân tích và đánh giá sự tác động của PET mua ngoài thị trường đến các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTN

⁃ Tìm ra hàm lượng PET tối ưu

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đặc trưng cơ lý của hỗn hợp nhựa đường và BTN có PET, khi sử dụng PET công nghiệp có bán sẵn ngoài thị trường

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

⁃ Thí nghiệm phối trộn PET với cấp phối BTNC 12.5 bằng PPTK cải tiến ⁃ Thực hiện các thí nghiệm trong phòng để thu được số liệu, sau đó phân tích,

so sánh và đưa ra kết luận

1.4 Nội dung nghiên cứu

 Dựa trên các nghiên cứu trước đó, tác giả tiến hành lựa chọn loại cấp phối BTNC, nhựa đường, kích thước và hàm lượng PET

 Thực hiện thí nghiệm để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTN và PET với từng hàm lượng khác nhau, so sánh với mẫu BTN thông thường

 Từ các thí nghiệm tìm ra hàm lượng PET tối ưu nhất

1.5 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)

1.6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 1.6.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu thực hiện thêm việc các đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật hỗn hợp BTN-PET, sử dụng PET công nghiệp có sẵn ngoài thị trường

1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu sử dụng nguồn PET có sẵn ngoài thị trường, với nguồn cung dồi dào, hiểu quả cao nhưng giá thành rẻ hơn các phụ gia polume khác, thúc đẩy sử dụng nhựa tái chế PET vào BTN và cải thiện môi trường

TỔNG QUAN

2.1 Một số loại polyme đã được nghiên cứu và sử dụng

Từ năm 1843, các polyme tổng hợp và tự nhiên đã được nghiên cứu ứng dụng vào trong nhựa đường Đến năm 1930 nhiều dự án được tiến hành ở Châu Âu và Bắt Mỹ, trong năm 1950 ở Bắt Mỹ đã bắt đầu sử dụng cao su Latex Vì hạn chế về chi phí quá cáo nên đến giữ những năm 1980 Hoa Kỳ mới bắt đầu sử phụ gia polymer cải tiến và công nghệ châu Âu Và tiêu chuẩn quốc gia của Úc, phụ gia nhựa đã được đưa vào [2]

Hiện nay, một số quốc gia đã nghiên cứu ứng dụng và cải tiến phụ gia polymer vào nhựa đường như Mỹ, Trung Quốc, Pháp, Ý, với mục đích làm thay đổi chất lượng của mặt đường BTN cải tiến hơn

2.1.1 Cao su

Từ những năm 1950, Các viện nghiên cứu cao su đã bắt đầu nghiên cứu đưa cao su tự nhiên(NR) vào nhựa đường ở Malaysia, Ấn Độ và Thái Lan Theo các nhà nghiên cứu ở Viện Nghiên Cứu Cao Su Thái Lan(RRIT), chỉ cần dùng các chủng loại NR có phẩm chất như cao su tờ (RSS)-5 hoặc cao su khối (TSR)-50 để trộn với nhựa đường , tỉ lệ tốt nhất là 5% [3]

Việc sử dụng hạt cao su tự nhiên hay tái chế để thêm vào nhựa đường nhằm tăng độ cứng , chống lún vệt bánh xe và còn giúp giảm tiếng ồn và tăng độ bám giữa bánh xe với mặt đường

2.1.2 Styrene – butadiene – Styrene (SBS)

SBS là phụ gia copolymer khi thêm vào nhựa đường giúp cải tăng độ bám dính giữa đá và nhựa ,tăng kháng hằn lún của hỗn hợp BTN [4]

Ở Việt Nam, tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn đã nghiên cứu tác động của SBS đến khả năng làm việc của BTN nóng [5] Tác giả đã kế luận, mẫu BTN giá trị ổn định marshall và cường độ kéo gián tiếp tăng khi dùng SBS( 2% đến 8%) Với 4% SBS, hỗn hợp có MĐĐH và độ mài mòn tốt hơn mẫu BTN không sử dụng, đồng thời chiều sâu vệt hằn lún bánh xe giảm khoảng 39%

Việc sử dụng SBS cải tiến chất lượng nhựa đường còn hạn chế do giá thành SBS khá cao

2.1.3 Styrene – butadiene – rubber (SBR)

SBR được sử dụng phổ biến trong nhựa đường dưới dạng hợp chất khuếch tán trong nước (latex) [6] Ở dạng này, SBR khi được trộn với nhựa đường nhanh chóng phân tán, liên kết với các phân tử nhựa tạo thành một kết cấu chắc chắn

Nghiên cứu của Becker và các công sự đã cho thấy phụ gia SBR latex làm tăng độ dẻo của mặt đường nhựa [7] Bên cạnh đó, Bộ Giao Thông Vận Tải Florida cũng cho rằng mặt đường dẻo hơn và không bị nứt, chịu được ở nhiệt độ thấp, tăng độ đàn hồi , cải thiện độ bám dính và liên kết, giảm tố độ oxy hóa , giúp bù đắp cho vấn đề lão hóa và khô cứng [8]

2.1.4 Polyethylene Terephathalate (PET)

Polyethylene terephtalate (PET) là nhựa nhiệt dẻo thuộc họ polyeste PET được dùng trong vật đựng thức ăn, ly, chai nhựa, tổng hợp xơ sợi, làm vỏ cứng bọc vật dụng khác [9]

Năm 1941, Calico Printer’ Association đã tìm thấy PET và đến năm 1973 thì chai nhựa PET được đưa và sản xuất [10] PET được ký hiệu trên các vật dụng tái chế và có cấu trúc được thể hiện ở hình 2.1 [11]

Hình 2.1: Ký hiệu bên và cấu trúc phân tử của PET Các tính chất vật lý của PET được tổng hợp trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Một số tính chất vật lý của PET [10]

Khối lượng riêng (dạng vô định) 1.370 g/cm3Khối lượng riêng (dạng tinh thể) 1.455 g/cm3

2.2 Tổng quan về nghiên cứu PET

2.2.1 Nghiên cứu ứng dụng PET trên thế giới

Năm 2005, tác giả A Hassan và nhóm nghiên cứ đã công bố về việc sử dụng PET (3mm) thay thế cốt liệu thô (2.36mm - 4.75mm) Tác giả sử dụng nhựa đường 60/70 và cốt liệu có cấp phối 12.5mm, với 5 hàm lượng ( 20% đến 60%) Kết quả đã cho thấy khi thay thế 20% cốt liệu theo khối lượng với hạt PET (5% tổng trọng lượng của hỗn hợp nhựa đường), dẫn đến giảm 2,8% trọng lượng đơn vị của hỗn hợp plastiphalt [12]

Năm 2013, một nghiên cứu khác của Wan.M.N, Wan.A.R và Achmad.F.A.W [13], đã sử dụng PET( kích thước 1.18mm đến 2.36mm) để thay thế cốt liệu mịn Tác giả đã thực hiện: Thí nghiệm chịu tải trọng lặp dọc trục (RLAT) có độ lớn 110kN với 1800 vòng lặp và thí nghiệm modul đàn hồi, thí nghiệm kéo gián tiếp (ITSM) ở 25oC Thí nghiệm đã cho kết quả, mẫu có PET thay thế khoảng 20% lượng cốt liệu mịn có kết quả kháng lún tốt nhất Tuy nhiên, độ cứng của mẫu có PET lại giảm so với mẫu không có PET

Trong một nghiên cứu của Modarres và Hamedi [14], tác giả đã nghiêm cứu về độ cứng ở nhiệt độ thấp (5 oC, 20 oC) và khả năng kháng mỏi của mẫu BTN có sử dụng PET so sánh với mẫu sử dụng SBS Các hạt PET (0.425mm-1.18mm) trộn với hỗn hợp BTN, hàm lượng sử dụng 0%, 2%, 4% đến 10% Tác giả kết luận về độ cứng và cường kháng mỏi của cả hai hiệu quả tương tự nhau, nhưng PET giá thành rẻ hơn

Một nghiên cứ khác của tác giả Hasan T và Mohammad R.A xét về kích thước hạt, đã thực hiện một nghiên cứu với 5 hàm lượng PET (2%, 4%, 6%, 8%, và 10%) và mẫu không sử dụng PET [15] PET sử dụng có 2 loại: PET hạt thô (kích thước 1.18 đến 2.36mm) và PET hạt mịn (kích thước 0.297 đến 0.595mm) Thí nghiệm cho thấy, cả hai loại PET hạt thô và hạt mịn đều có giá trị độ ổn định Marshall lớn nhất và độ dẻo nhỏ nhất ở hàm lượng PET 4% Mẫu thí nghiệm sử dụng PET 2% có CĐCK gián tiếp đạt giá trị lớn nhất PET cải thiện tính chất của BTN dưới tác dụng của tải

trọng tĩnh nhưng khi chịu TTĐ, khả năng kháng lún giảm khi tăng hàm lượng PET Nhìn chung, PET hạt mịn cho hiệu quả tốt hơn PET hạt thô Tác giả đề xuất nên sử dụng PET hạt mịn ở mức 2-4% khối lượng nhựa đường để cải tiến các tính chất của nhựa đường và BTN theo hướng có lợi

Tác giả Dhirar T Mohammed và Zaid H Hussein đã nghiên cứu độ phân tán đồng đều của PET trong nhựa đường được kiểm chứng bằng cách cho hỗn hợp chất kết dính chảy qua rây No.100 ở nhiệt độ 165oC [16], và tiến hành các quan sát cấu trúc vi phân tử của nhựa đường hiệu chỉnh Tác giả đã thực hiện: Thí nghiệm đo độ kim lún, nhiệt độ hóa mềm, thí nghiệm độ giãn dài, độ già hóa của nhựa trong thí nghiệm TFOT, thí nghiệm xác định độ ổn định lưu trữ PET được nhiệt phân trong 1 giờ, ở 350oC, sau đó để nguội và nghiền mịn thành bột PET được trộn với nhựa đường ở nhiệt độ 155oC ±5 trong 40-50 phút với tốc độ quay 2000 vòng/phút Có 5 hàm lượng PET được nghiên cứu là 1%, 2%, 3%, 4% và 5% khối lượng nhựa đường Tác giả kết luận: Hỗn hợp nhựa và PET có độ kim lún thấp hơn, nhiệt độ hóa mềm cao hơn mẫu nhựa thường Do vậy, PET làm tăng hiệu năng của nhựa đường khi làm việc ở nhiệt độ cao Bằng cách nhiệt phân và nghiền mịn, PET dưới dạng bột tương thích tốt hơn với nhựa đường Hàm lượng 4% PET được đề nghị để đạt được độ đồng nhất và độ ổn định lưu trữ tốt nhất

Tiếp tục với nghiêu cứu về tính chất của SMA khi có sử dụng PET, các tác giả thực hiện các thí nghiệm Marshall, thí nghiệm kéo gián tiếp (ITS) và thí nghiệm độ lưu biến (Static and Dynamic Creep Test) Hàm lượng PET từ 0.1%, 0.2% đến 1% tính trên tổng khối lượng cốt liệu Tác giả đã kết luận độ ổn định Marshall và CĐCK gián tiếp tăng khi hàm lượng PET tăng Đối với thí nghiệm độ lưu biến, khi chịu tải trọng tĩnh, giá trị MĐĐH giảm khi tăng hàm lượng PET Ngược lại, sức kháng biến dạng không phục hồi tăng khi tăng hàm lượng PET đối với mẫu chịu TTĐ [17] Ở một nghiên cứu khác, thí nghiệm độ lưu biến được thực hiện ở nhiều nhiệt độ và các cấp tải khác nhau Nhóm tác giả kết luận, mẫu SMA có PET cho sức kháng biến dạng không hồi phục cao hơn mẫu SMA thông thường ở tất cả các thí nghiệm [18]

Trong một nghiên cứu của Modarres và Hamedi [19] [20], tác giả đã só sánh mẫu BTN có PET và mẫu dùng SBS về độ cứng ở nhiệt độ thấp và sức kháng mỏi Tác giả kết luận: ảnh hưởng của PET đến độ cứng và khả năng kháng mỏi của hỗn hợp BTN tương tự với hiệu quả mà SBS mang lại Trong khi đó, sử dụng PET có tính kinh tế hơn

Năm 2018, hai tác giả Brajesh Mishra và Mohit Kumar Gupta đã công bố nghiên cứu về việc sử dụng PET dạng sợi kết hợp tro bay trong mặt đường dẻo Nghiên cứu thư với nhiều mẫu khác nhau Với tỷ lệ sử dụng PET dạng sợi (0% , 0.4%, 0.8%, 1%, 1.6 %) và tro bay (0%, 5%, 10%, 15%, 20%) tương ứng trong hỗn hợp Kết quả của thực nghiệm cho thấy sự cải thiện về độ bền cắt, giá trị CBR và sự giảm chỉ số độ dẻo Số lượng tối ưu được tìm thấy để được sợi PET tái chế 1,2% với 15% Tro bay tính theo trọng lượng của đất, cho thấy sức mạnh được cải thiện các thông số của đất nền [21]

2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam

Việc sử dụng tái chế nhựa PET vào BTN mang lại nhiều cải thiện rõ rệt, vì vậy đề tài về nhựa tái chế PET ngày càng được quan tâm hơn

Năm 2015, tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn và Nguyễn Viết Huy đã nghiên cứu ứng dụng chai nhựa phế thải vào BTN ở Thành phố Hồ Chí Minh [22]

Bốn hàm lượng PET để nghiên cứu là 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8% Phương pháp trộn PET được sử dụng là PPTK (Dry Process), sử dụng 2 dạng kích PET gồm dạng sợi (1.5mm x 30mm) và dạng hạt/vảy (1.5mm x 1.5mm) để thực hiện mẫu thử Các thì nghiệm thực hiện : Đo độ kim lún và thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm, thí nghiệm Marshall, thí nghiệm CĐCK gián tiếp, độ mài mòn Cantabro và MĐĐH

Kết quả đã cho thấy, PET không tan tan hết khi trộn với nhựa đường, thay thế một phần cốt liệu trong hỗn hợp BTNC PET còn làm thay đổi tính chất cơ lý như: Độ kim lún giảm, nhiệt độ hóa mềm tăng

Từ mối quan hệ giữa HLN với độ ổn định marshall, tác giả tìm ra được hàm lượng PET tương ứng với HLN tối ưu được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.2: Các tổ hợp hàm lượng PET và hàm lượng nhựa tối ưu tương ứng

Năm 2019, nhóm tác giả gồm Nguyễn Mạnh Tuấn, Nguyễn Quang Du, Vũ Bá Tứ đã công bố bài nghiên cứu về trộn PET với nhựa đường sử dụng bức xạ vi sóng [23] Tác giả sử dụng PET (cắt từ chai nước suối trộn) với trộn nhưa 60/70 Nhóm đã cắt mịn PET (1.5mmx1.5mm) sấy cùng cốt liệu ở 170oC trong 4 giờ và trộn với nhựa đường được sấy ở nhiệt độ 150oC-160oC khoảng 2 giờ bằng lò vi song (900W) trong 10phút

Qua thí nghiệm: Thí nghiệm kiểm tra độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm sử dụng hàm lượn PET 8% cho cả hai thí nghiệm, thí nghiệm xác định độ ổn định và độ dẻo Marshall, thí nghiệm CĐCK khi ép chẻ, thí nghiệm xác định MĐĐH, sử dụng hàm lượng PET (0%,8% và 10%) Tác giả đã đưa ra kết luận, PET hàm thích hợp (8%) mẫu có độ ổn định Marshall, độ dẻo và cường độ lớn hơn mẫu không có PET, cải thiện khả năng làm việc ở nhiệt độ cao còn làm tăng khả năng kháng nứt nhiệt độ giảm đi kèm với tác dụng tải trọng Cùng hàm lượng này thí nghiệm mô đun đang hồi

cho thấy phụ gia PET làm tăng khả năng biến dạng hồi phục cho mẫu BTNC 12.5 [23]

Năm 2020, tác giả Nguyễn Đăng Phú nghiên cứu về tác động của PPTK nhựa tái chế PET trong BTN tới chất lượng của BTN nóng [24] Tác giả chọn PPTK cải tiến, cốt liệu trộn với nhựa đường trong vòng 2 phút, sau đó hỗn hợp trên được trộn với PET đã cắt sẵn (kích thước PET 1.5mm x 1.5mm) trong thời gian 3 phút đến khi toàn bộ nhựa đường và PET bọc kín các hạt cốt liệu Năm hàm lượng PET được sử là 0%, 0.2%, 0.4%, 0.6% và 0.8% (hàm lượng PET trên tổng khối lượng cốt liệu) Với các thí nghiệm: Thí nghiệm độ Marshall, thí nghiệm MĐĐH, thí nghiệm ép chẻ, thí nghiệm MĐPĐ và thí nghiệm vệt hằn bánh xe Kết quả cho thấy PET cải thiện khả năng làm việc của BTN ở nhiệt độ cao dưới tác động của độ ẩm, độ liên kết giữa cốt liệu với nhựa đường của PPTK cải tiến tốt hơn PPTK truyền thống Hàm lượng PET 0.2% đến 0.4% trêncho kết quả tốt nhất Tuy nhiên MĐĐH, CĐCK khi ép chẻ, vệt hằn bánh xe lại không cải thiên thiện so với mẫu BTN thông thường

Hiện nay, PET đã được sản xuất dây chuyền công nghiệp với nhiều chủng loại, giá thành rẻ Nước ta cũng có nhiều công ty bán phụ gia PET như: Công ty TNHH MTV TMDV VÂN GIA PHÁTi, Công ty NAM TRUNG VIỆT, Công ty TNHHi Giải Pháp POLYMER,…nguồn nguyên liệu có sẵn sẽ thúc đẩy cho các đề tài nghiên cứu trộn phụ gia nhựa PET với BTN tiếp theo

Hình 2.2 Hạt nhựa PET [25] Hình 2.3 Hạt nhựa PET tăng cứng [26]

2.2.3 Phương pháp trộn PET với hỗn hợp bê tông nhựa

Năm 2018, bài nghiên cứu của Rajan Choudhary, Abhinay Kumar và Kishori Murkute có đề cập đến phương pháp nhựa phế thải với nhựa đường và hỗn hợp BTN [27] Đó là phương pháp ướt (wet process) và phương pháp khô (dry process) Phương

pháp ướt phù hợp với những loại nhựa tái chế như low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE),và polypropylene (PP) Có nhiệt độ nóng chảy dưới 160o.C gần với nhựa đường Tuy nhiên, nhựa PET có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhựa đường (khoảng 250oC), rất khó để đươc hỗn hợp đồng nhất, nên PPTK được sử dụng phối trộn Nhược điểm của phương pháp này là một phần PET được đun nóng trước khi trộn sẽ bị chảy dẻo và dính bám với cốt liệu, làm ảnh hưởng đến khả năng dính bám trong hỗn hợp Tác giả cũng nhắc đến việc sử dụng một phương pháp khác được sử dụng là “phương pháp khô cải tiến” Ở phương pháp này, nhựa đường trộn trước với cốt liệu, sau đó PET được trộn vào Đây là sự khác biệt với PPTK, giúp giữ lại hình dạng và đặc tính của PET

Một số nghiên cứu trộn PET với nhựa đường bằng phương pháp ướt Al-Mulla EAJ and Makky SM trộn PET sau khi đã được nhiệt phân ở 255oC và nghiền mịn để trộn với nhựa đường Nhiệt độ phối trộn là 160oC – 170oC, với tốc độ trộn là 2000 vòng/phút Thời gian trộn kéo dài 2 giờ để PET có thể tan trong nhựa đường, tạo thành hỗn hợp đồng nhất Ba hàm lượng PET được so sánh là 0.5%, 0.7% và 1% Thực nghiệm cho thấy hỗn hợp nhựa đường cứng hơn và ổn định hơn khi ở nhiệt độ cao Phân tích quan phổ FT-IR thấy được các dãy quan phổ của phân tử PET vô định hình cũng được quan sát có sự hiện diện của các chất thơm (aromatic) [28]

Năm 2014, tác giả Moghaddam cùng các nhóm của mình sử dụng PPTK cải tiến để thử hiện bài nghiên cứu [29] nhựa đường 80-100 trộn với hỗn hợp cốt liệu ở nhiệt độ từ 130oC đến 160oC, những mảnh PET có kích thước bé hơn 2.36mm được thêm trực tiếp vào hỗn hợp trên và được trộn ở nhiết độ 160 oC Hàm lượng PET ( 0%, 0.1%, 0.2% đến 1%) so với khối lượng cốt liệu Từ các số liệu thu được tác giả đã đưa ra kết luận: Giá trị của thí nghiệm Marshall và CĐCK gián tiếp giảm khi hàm lượng PET tăng Khi chịu tĩnh tải, khả năng chống biến dạng không hồi phục của mẫu BTN tăng khi hàm lượng PET tăng Ngược lại, sức kháng biến dạng không hồi phục giảm khi tăng hàm lượng PET đối với mẫu chịu TTĐ

Khi xét đến hiệu quả của PPT PET trong hỗn hợp BTN, tác giả Matthew D Earnest đã so sánh hai PPT: trộn ướt (wet process) và trộn khô (dry process) [30] Khi sử

dụng PPTU, PET và nhựa đường sẽ trộn với với nhạu trước tạo thành hỗn hợp nhựa đường hiệu chỉnh sau đó hỗn hợp này sẽ được trộn với cốt liệu Nhưng với PPTK, hỗn hợp cốt liệu sẽ trộn với PET trước, sau đó nhựa đường mới được thêm vào Tác giả tiến hành các thí nghiệm vệt hằn bánh xe, thí nghiệm MĐPĐ và thí nghiệm CĐCK gián tiếp để so sánh hiệu quả hai PPT Tác giả đã kết luận, hỗn hợp BTN sử dụng PPTK có khả năng kháng lún và khả năng chịu TTĐ tốt hơn mẫu BTN sử dụng PPTU Tuy nhiên PPTU tạo ra mẫu BTN có CĐCK tốt hơn PPTK

Tác giả Hasan T và Mohammad R.A cũng đã sử dụng PPTK cải tiến [31] Cốt liệu được sấy ở 170 oC trong vòng 4h và nhựa đường được sấy ở nhiệt độ 150 oC Nhựa đường trộn 5 phút với cốt liệu trước, sau đó thêm PET vào hỗn hợp và trộn tiếp 2 phút cho đến khi cốt liệu và PET được bao bọc hoàn toàn bởi nhựa đường Năm hàm lượng PET (2%, 4%, 6%, 8%, và 10%) và mẫu không dùng PET Tác giả đã kết luận: Độ ổn định Marshall lớn nhất và độ dẻo nhỏ nhất ở hàm lượng PET 4%, mẫu thí nghiệm CĐCK gián tiếp đạt giá trị cực đại khi 2% PET Hỗn hợp BTN kháng lún tốt dưới tác động của tải trọng tĩnh, nhưng khi chịu TTĐ khả năng kháng lún giảm khi tăng hàm lượng PET Tác giả đã đề xuất hàm lượng PET tối ưu khoảng 2-4%(khối lượng nhựa đường)

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các bước thực hiện được thể hiện trong Hình 3.1:

Hình 3.1: Các bước thực hiện trong nghiên cứu

3.1 Lựa chọn vật liệu 3.1.1 Cốt liệu

Cốt liệu của hỗn hợp BTN chặt 12.5 (BTNC 12.5) được lấy từ Trạm trộn BTN nóng Hồng An, Quận 9, TP HCM Thành phần cấp phối 1 được tham khảo từ nghiên cứu thiết kế cấp phối BTNC 12.5mm của tác giả Trần Huy Hải [32] HLN tối ưu là 5% theo hỗn hợp BTN Chế tạo mẫu BTN có thành phần cấp phối như Bảng 3.1 và Hình 3.2

Bảng 3.1 Cấp phối sử dụng trong nghiên cứu

Cỡ sàng (mm)

Lượng lọt sàng (%) TCVN 8819 – 2001

[42]

Cấp phối trong nghiên cứu

3.1.2 Nhựa đường

Nghiên cứu sử dụng nhựa đường đặc, mác 60/70

3.1.3 Nhựa tái chế (PET)

Hình 3.3: PET của công ty Vân Gia Phát

3.2 Phương pháp trộn PET với hỗn hợp bê tông nhựa

Trong nghiên cứu này, HLN chọn là 5%, cấp phối sử dụng BTNC 12.5 được đề cập ở mục 3.1.1 Năm hàm lượng PET được sử dụng bao gồm 0%, 0.2%, 0.4%, 0.6% và 0.8% (hàm lượng PET trên tổng khối lượng cốt liệu)

Nghiên cứu sử dụng PPTK cải tiến Cốt liệu được sấy ở 170oC trong khoảng 4 giờ Nhựa đường ở trong tủ sấy khoảng 2 giờ ở nhiệt độ150oC – 160oC Hỗn hợp cốt liệu sau khi được sấy trong tủ ở 170 oC trong khoảng 4 giờ được lấy ra và trộn với nhựa đường trong vòng 2 phút, sau đó PET được lấy ra khỏi tủ sấy và trộn vào hỗn hợp cốt liệu, nhựa đường nói trên, để đảm bảo nhiệt độ khi đầm từ 140-155oC tiến hành gia nhiệt để nhiệt độ khi trộn khoảng 150oC Trộn đều trong vòng 3 phút đến khi toàn bộ nhựa đường bọc kín PET và cốt liệu

Các thí nghiệm được thực hiện là : Thí nghiệm độ ổn đinh, độ dẻo Marshall, thí nghiệm đo MĐĐH, thí nghiệm đo CĐCK khi ép chẻ, thí ngiệm xác định MĐPĐ Tương ứng với từng thí nghiệm, năm hàm lượng PET được phối trộn với BTN

3.3 Các thí nghiệm đánh giá tính chất của hỗn hợp BTNC 12.5 3.3.1 Thí nghiệm Marshall

Tiên hành thí nghiệm theo TCVN 8860-1 : 2011 [33]

3.3.1.1 Mục đích

Ở điều kiện nhiệt độ cao, 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 Tiến trình thí nghiệm

Tiến hành đúc các mẫu Marshall với các hàm lượng PET thay đổi từ 0%, 0.2%, 0.4%, 0.6% và 0.8% (hàm lượng PET trên tổng khối lượng cốt liệu) Tổng số mẫu chế bị là 15 mẫu ứng mới năm hàm lượng PET

Hình 3.4: Các mẫu chế bị cho thí nghiệm Marshall

Chiều cao trung bình của mẫu được đo trước khi thí nghiệm, xác định chính xác đến 0.1 mm

Mẫu được ngâm trước thí nghiệm ở 60oC ± 1oC trong thời gian 40 phút ± 5 phút

Sau đó, lấy ra và nhanh chống đặt lên vành thép nén mẫu Sau đó mẫu được gia tải với tốc độ gia tải không đổi là 50.8 mm/phút đến lúc phá hoại khi đó mẫu có giá trị 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 mẫu vừa rời khỏi bể ngâm đến lúc kết thúc thí mẫu đó

Hình 3.5:Thiết bị đo thí nghiệm Marshall Công thức tính độ ổn định Marshall:

S K P. (3.1) Trong đó:

- K là hệ số hiệu chỉnh( nội suy từ Bảng 1 của TCVN 8860-1 : 2011); - P là lực nén cực đại (kN)

F (mm) là độ dẻo của mẫu khi P lớn nhất

3.3.2 Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi

Tiến hành thì nghiệm theo 22TCN 211 – 06, mục C.3.1 [34]

3.3.2.1 Mục đích

Xác định giá trị MĐĐH của mẫu BTN ở ba cấp nhiệt độ, đây là một trong những dữ liệu quan trọng giúp xác định chiều dày của lớp BTN theo ba điều kiện nhiệt độ thiết kế

3.3.2.2 Tiến trình thí nghiệm

Các mẫu có kích thước H=10cm và D=10cm (sai số ± 0.2 cm) được chế bị ở áp lực 30Mpa và duy trì 3 phút PET nghiên cứu với các hàm lượng 0%, 0.2%, 0.4%, 0.6% và 0.8% Tổng số mẫu để thực hiện thí nghiệm là 10 mẫu (mỗi hàm lượng PET có 2 mẫu) Mẫu không được thí nghiệm trước 16 giờ sau khi đúc

Ba nhiệt độ thí nghiệm là 15oC, 30oC và 60oC 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, đọc giá trị của chuyển vị kế lúc gia tải Sau đó dỡ tải và kim đồng hồ 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

Hình 3.6: Thiết bị thí nghiệm đo mô đun đàn hồi

Công thức tính các trị số như sau: EpH

 (MPa) (3.2)

Trong đó:

p4P2D

 (MPa) (3.3)

+ D là đường kính mẫu và là H chiều cao mẫu;

+ P (kN) là lực tác dụng lên bàn ép Thường lấy p = 0,5MPa (tương đương với áp lực làm việc của vật liệu áo đường)

3.3.3 Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ

Tiến hành thí nghiệm theo TCVN 8862 : 2011 [35]

3.3.3.1 Mục đích

Thí nghiệm này mô phỏng mặt đường BTN khi ở nhiệt độ thấp Khi nhiệt độ hạ xuống, BTN bị co lại và do tác động của tải trọng làm xuất hiện ứng suất kéo, nếu ứng suất kéo vượt quá CĐCK của hỗn hợp BTN, mặt đường sẽ bị nứt

3.3.3.2 Tiến trình thí nghiệm

Tiến hành đúc các mẫu Marshall với hàm lượng PET thay đổi từ 0% đến 0.2%, 0.4%, 0.6% và 0.8% Tổng số mẫu là 15 mẫu, tương ứng với mỗi hàm lượng PET sẽ có 3 mẫu.S

Trong nghiên cứu, thí nghiệm xác định CĐCK gián tiếp được thực hiện ở nhiệt độ của mẫu BTN là 25 oC±1oC Bảo dưỡng mẫu trong bình ổn định nhiệt trong thời gian 30-60 phút