Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng dụng cao su tự nhiên vào bê tông nhựa trong xây dựng đường ô tô

TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng cao su tự nhiên vào bê tông nhựa trong xây dựng đường ô tô” Hiện nay t nh h nh hư hỏng mặt đường bê tông nhựa xảy ra rất nhiều, gây ảnh hưở

TỔNG QUAN

Tổng quan về bê tông nhựa

Bê tông nhựa (còn gọi là bê tông asphalt) là hỗn hợp vật liệu chủ yếu đƣợc sử dụng trong xây dựng các c ng tr nh giao th ng như làm bề mặt lớp kết cấu áo đường, bề mặt công trình cầu s n bãi… Thành phần BTN gồm: nhựa đường, đá dăm, cát, bột khoáng và phụ gia (nếu có) đƣợc trộn với nhau theo tỷ lệ xác định tạo thành hỗn hợp

Trong đó: nhựa đường đóng vai trò là chất kết dính, đá dăm là bộ khung chịu lực, cát và bột khoáng có vai trò lắp đầy các lỗ rỗng làm tăng độ đặc của hỗn hợp BTN, phụ gia giúp cải thiện một số tính chất của BTN

Theo TCVN 8820:2011 [6] th BTN đƣợc phân loại dựa tr n các đặc tính kỹ thuật nhƣ sau:

Theo kích cỡ hạt lớn nhất danh định: phân thành 4 loại

- Bê tông nhựa có cỡ hạt lớn nhất danh định là 37,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 50 mm), viết tắt là BTN 37,5

- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 25 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 37,5 mm), viết tắt là BTNC 25

- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 25 mm), viết tắt là BTNC 19

- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 19 mm), viết tắt là BTNC 12,5

- Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 9,5 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 12,5 mm), viết tắt là BTNC 9,5

- Bê tông nhựa cát, có cỡ hạt lớn nhất danh định là 4,75 mm (và cỡ hạt lớn nhất là 9,5 mm), viết tắt là BTNC 4,75

Theo đặc tính cấp phối hốn hợp cốt liệu: phân 3 loại

- BTN có cấp phối chặt

- BTN có cấp phối gián đoạn

- BTN có cấp phối hở

Theo độ rỗng dƣ phân 2 loại

- BTN chặt (BTNC): có độ rỗng còn dƣ từ 3% đến 6%, dùng làm lớp mặt trên và lớp mặt dưới

- BTN rỗng (BTNR): có độ rỗng còn dƣ từ 7% đến 12% và chỉ dùng làm lớp móng

Theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường

- BTN dùng làm lớp mặt: gồm lớp mặt trên và lớp mặt dưới, thường sử dụng BTN chặt

- BTN dùng làm lớp móng: thường sử dụng BTN chặt hoặc BTN rỗng.

Bê tông nhựa cao su

Nhựa đường cao su hóa là nhựa đường th ng thường được trộn với phụ gia là cao su với tỷ lệ thích hợp [7]

Bê tông nhựa cao su hóa là hỗn hợp BTN chặt đƣợc chế tạo từ các cốt liệu (đá dăm, cát, bột khoáng) có tỷ lệ phối trộn xác định, đƣợc sấy nóng và trộn đều với nhau sau đó trộn với nhựa đuòng cao su hóa theo tỷ lệ xác định qua thiết kế [7]

2.3.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 2.3.2.1 Thế giới

Bê tông nhựa cao su đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các nước châu Âu và châu Mỹ Trong phần tiếp theo của luận văn, tác giả giới thiệu sơ lƣợt về lịch sử phát triển và ứng dụng của BTN cao su trên thế giới và tại Việt Nam

Vào những năm 1840, công nghệ bê tông nhựa cao su đã đƣợc thực hiện với một thí nghiệm li n quan đến cao su tự nhiên với nhựa đường, với mục đích t m hiểu bản chất linh hoạt của cao su trong bề mặt nhựa đường [8] Việc sử dụng lốp xe phế thải để cải thiện bê tông nhựa đã đƣợc thực hiện vào khoảng khoảng thời gian này Những năm trong thập kỷ 1960, lốp xe phế thải đã đƣợc xử lý và sử dụng nhƣ một nguyên liệu thứ cấp trong ngành vật liệu làm kết cấu áo đường Một ứng dựng đã được giới thiệu bởi hai công ty Thụy Điển sản xuất BTN với việc bổ sung một lƣợng nhỏ cao su từ lốp xe phế thải nhƣ một thay cho một phần của cốt liệu khoáng trong hỗn hợp, để có đƣợc hỗn hợp BTN cải thiện tính đàn hồi thông qua một quá trình gọi là quá trình trộn khô [9] Trong cùng thời gian đó, Charles McDonalds, một kỹ sƣ vật liệu của thành phố Phoenix ở bang Arizona (Mỹ), là người đầu tiên nhận ra rằng trộn vụn cao su từ lốp xe phế thải với nhựa đường và cho phép nó phản ứng với một khoảng thời gian 45 phút đến 1 giờ, vật liệu này mang đặc điểm kỹ thuật có lợi của cả hai thành phần trên Ông gọi nó là bê tông nhựa cao su (Asphalt rubber) và công nghệ cũng đƣợc biết đến nhƣ là ''quá trình trộn ƣớt ''(wet process) Đến năm 1975, cao su hạt mịn đã đƣợc kết hợp thành công vào hỗn hợp bê tông nhựa và năm 1988 nhựa đường cao su đã được Hiệp hội Mỹ về Kiểm tra và Vật liệu (ASTM) D8 định nghĩa và ASTM D6114-97 sau đó ra đời Năm 1992, bằng sáng chế của quá trình này của McDonald hết hạn và các tài liệu hiện nay đƣợc coi là một phần của phạm vi cộng đồng [9]

Là đất nước có lượng vỏ xe phế thải nhiều nhất so với các nước trên thế giới nên tại Mỹ việc tái sử dụng các phế thải từ lốp xe t đã đƣợc thực hiện trong nhiều năm qua và ngày càng phát triển Cao su từ lốp xe phế thải đƣợc sử dụng nhƣ là một phụ gia cho nhựa đường dưới dạng cám cao su (crumb rubber modifiers-CRM) [10] Việc sử dụng CRM để thay thế một phần nhựa đường đã mang lạilợi ích và hiệu quả dưới nhiều hình thức như bảo vệ m i trường, n ng cao tính năng của nhựa đường, giảm giá thành sản phẩm Một số ưu điểm của cao su đói vợi nhựa đường như: tạo ra nhựa đường có tính năng cao hơn, làm cho bề mặt đường có độ đàn hồi lớn hơn, chống biến dạng mặt đường, nứt vỡ do nhiệt lượng và mỏi; độ bền và tuổi thọ của mặt đường lớn hơn nhiều so với bê tông nhựa th ng thường; giảm chi phí bảo trì, bảo dưỡng mặt đường, giảm độ ồn của mặt đường [11,12]

Hình 6: So sánh các loại mặt đường với mặt đường cao su [9]

Tại một số quốc gia ở châu Âu, từ năm 1981 BTN cao su chế tạo theo công nghệ trộn ướt đã được sử dụng thành công trong mặt đường và áp dụng rộng rãi Điển hình ở các nước như Bỉ, Pháp, Áo, Hà Lan, Ba Lan, Đức, Bồ Đào Nha, Italia, Thụy Điển, Cộng hòa Séc, Hy Lạp, Anh và tại một số bang ở Mỹ nhƣ Califonia, Texas, Florida,

Nam Califonia, Nevada Các kết quả đánh giá cho thấy công nghệ này không chỉ giải quyết vấn đề về m i trường, mà còn làm tăng những lợi ích khác như tăng sức kháng trƣợt, cải thiện tích linh hoạt và khả năng chống nứt, giảm tiếng ồn giao thông Tại Úc, hai bang New South Wales và Victoria đã áp dụng quá trình trộn ƣớt trong việc sử dụng nhựa đường cao su vào xây dựng các công trình giao thông, chủ yếu là để chống nứt các lớp mặt đường sử dụng vật liệu BTN Ngày nay, công nghệ BTN cao su đã đƣợc ứng dựng ở rất nhiều nơi khác nhau tr n thế giới, theo Widyatmoko và Elliot, Đài Loan th ng báo đã th ng qua BTN có cấp phối gián đoạn và BTN cao su có cấp phối hở áp dụng trong phục hồi chức năng của lớp áo đường mềm Theo đó BTN cao su đã được thử nghiệm thi công một số công trình ở Bắc Kinh, sử dụng trong làm đường mới và duy tu bảo dƣỡng [9]

Việc ứng dụng cao su phế thải vào BTN đã giúp cải thiện các tính chất của loại vật liệu này, giúp làm tăng chất lƣợng và tuổi thọ của công trình, hạn chế hƣ hỏng cũng nhƣ giảm chi phí duy tu bảo dƣỡng Sử dụng cao su từ lốp xe và các vật dụng phế thải giúp bảo vệ m i trường, giảm ô nhiễm Tuy nhi n đ y là loại cao su đã bị lưu hóa, phần nào mất đi đặc tính của gốc cao su nguyên chất Với mong muốn tạo ra BTN cao su có đặc tính tốt hơn, vào những năm gần đ y các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu sử dụng cao su thi n nhi n (Natural Rubber) để cải tiến nhựa đường Trong phần tiếp theo, tác giả giới thiệu một vài nghiên cứu đã đƣợc công bố trên thế giới về việc ứng dụng cao su tự nhiên vào nhựa đường và BTN

Một nghiên cứu vào năm 2012 của nhóm tác giả đến từ Thái Lan Nopparat Vichitcholchai, Jaratsri Panmai and Nuchanat Na-Ranong với đề tài Modification of Asphalt Cement by Natural Rubber for Pavement Construction [13] đã sử dụng cao su tự nhi n để nâng cao chất lượng nhựa đường, kéo dài tuổi thọ của c ng tr nh đường sử dụng bê tông nhựa Theo nghiên cứu, cao su thiên nhiên là loại polymer có thể trộn lẫn với nhựa đường với khả năng làm tăng độ ổn định, độ đàn hồi và sức kháng mỏi Mục đích của nghiên cứu là tìm ra tỷ lệ thích hợp của nhựa đường và cao su để tạo hồn hợp có thể đạt đƣợc yêu cầu về kỹ thuật Các thí nghiệm đƣợc tiến hành bằng cách cho thêm vào nhựa đường hỗn hợp cao su tờ xông khói Ribbed Smoked Sheet (RSS) với hàm lượng 0, 2, 4, 6, 8 và 10% khối lượng nhựa đường Sau đó thực hiện các thí nghiệm kiểm tra độ hóa mềm, độ nhớt, tính dẻo dai, phục hồi xoắn của nhựa đường đã trộn cao su Kết quả cho thấy với tỷ lệ 6% cao su thiên nhiên so với khối lƣợng nhựa cho hiệu quả cao nhất Độ hóa mềm cao, độ dẻo dai, khả năng phục hồi xoắn cao trong khi độ nhớt tăng kh ng g y ra vấn đề về kết hợp bê tông nhựa

Tháng 10 năm 2014, nhóm các nhà nghi n cứu ở Ấn Độ gồm D VASAVI SWETHA và Dr K DURGA RANI đã thực hiện đề tài “EFFECT OF NATURAL RUBBER ON THE PROPERTIES OF BITUMEN AND BITUMINOUS MIXES” [14] để đánh giá ảnh hưởng của cao su tự nhi n đến tính chất của nhựa đường và bê tông nhựa Sử dụng nhựa cao su tự nhiên làm phụ gia thêm vào nhựa đường với các hàm lượn thay đổi từ 1% đến 7% khối lượng Kết quả cho thấy nhựa đường với 3% - 4 % phụ gia cao su tự nhi n có độ kết dính cao hơn, mẫu bê tông nhựa cao su sau khi thực hiện thí nghiệm Marshall cho thấy độ ổn định đƣợc cải thiện đáng kể

Một nghiên cứu khác vào tháng 2 năm 2015 từ ấn độ của tác giả KRISHNAPRIYA M.G với đề tài PERFORMANCE EVALUATION OF NATURAL RUBBER MODIFIED BITUMINOUS MIXES [15] đã đánh giá việc sử dụng cao su tự nhi n để biến đổi tính chất của nhựa đường Thêm cao su với tỷ lệ 2% khối lượng của nhựa đường 80/100, kết quả nhựa đường cao su có độ kim lún thấp hơn 19,5% (62mm so với 86mm), độ hóa mềm tăng 15% (50,6 o C so với 44 o C) so với nhựa đường 80/100

Nghiên cứu này đánh giá tính chất hỗn hợp bê tông nhựa bằng các kiểm tra nhƣ độ ổn định Marshall, cường độ chịu kéo gián tiếp, thí nghiệm vệt hằn bánh xe Kết quả cho thấy sự kết hợp của cao su tự nhiên với nhựa đường tạo hỗn hợp bê tông nhựa có khả năng kháng nứt cao hơn cùng với sự gia tăng về m đun đàn hồi so với bê tông nhựa th ng thường

Trước đó vào tháng 5 năm 2014 tại Malaysia, nhóm các nhà nghiên cứu ở đại học

Kebangsaan Malaysia và đại học Universiti Malaya đã thực hiện nghiên cứu về tính chất của nhựa đường cao su thiên nhiên với đề tài Physical and rheological properties of epoxidized natural rubber modified bitumens [16] sử dụng cao su thiên nhiên để cải thiện các tính chất của nhựa đường với các hàm lượng cao su được thử nghiệm lần lượt là 3%; 6%; 9% và 12% khối lượng nhựa đường Kết quả cho thấy, nhựa đường trộn cao su có độ hóa mềm cao hơn so với nhựa đường th ng thường, thí nghiệm về m đun đàn hồi mẫu bê tông nhựa cho kết quả: mẫu bê tông nhựa có trộn cao su có m đun đàn hồi lớn hơn, và với hàm lượng cao su 6% khối lượng nhựa đường cho giá trị m đun đàn hồi lớn nhất, trong khi mẫu hàm lƣợng 12% cao su giá trị m đun lại nhỏ, và thấp hơn cả giá trị m đun của mẫu bê tông nhựa th ng thường không sử dụng cao su Điều này cho thấy với tỷ lệ pha trộn phù hợp cao su sẽ giúp cải thiện đáng kể tính chất của nhựa đường và của mẫu bê tông nhựa như làm tăng độ hóa mềm, tăng m đun đàn hồi giúp vật liệu ổn định hơn dưới tác dụng của nhiệt độ và tải trọng

Một nghiên cứu vào năm 2015 của nhóm tác giả từ Angeria với đề tài “Influence of Natural Rubber on Creep Behavior of Bituminous Concrete” [17] đã thực hiện cải thiện nhựa đường bằng cao su tự nhiên với các hàm lượng 2%, 4%, 5%, 6% và 8% khối lượng nhựa đường 35/50 Kết quả thí nghiệm nhựa đường cao su cho độ kim lún ở

25 o C giảm, nhiệt độ hóa mềm tăng cao hơn so với nhựa 35/50 Thí nghiệm Marshall cũng cho kết quả mẫu BTN cao su có độ ổn định cao hơn và với 4% và 8% cao su cho giá trị độ ổn định lớn nhất

Từ kết quả của các nghiên cứu trên có thể thấy cao su tự nhiên khi thay thế một phần nhựa đường với hàm lượng khoảng 4%, 6% và 8% khối lượng có tác dụng tích cực trong việc tăng chất lƣợng nhựa, tăng độ ổn định và khả năng làm việc của BTN Đ y là động lực cũng nhƣ tiền đề cho tác giả trong việc nghiên cứu và lựa chọn khoảng hàm lƣợng cao su tự nhiên phù hợp để thực hiện luận văn này

Nhựa cao su tự nhiên

Việt Nam đƣợc đánh giá là một trong những quốc gia có nhiều lợi thế trong việc trồng và phát triển của cây cao su Nhựa cao su sẽ đƣợc sơ chế thành dạng tấm, dạng khối hay dạng trắng đục dựa vào các phương pháp khác nhau Hiện nay, phương pháp sơ chế được áp dụng phổ biến nhất là chuyển nhựa cao su tươi thành dạng tấm và dạng trắng dục, đặc biệt trong các hộ tiểu điền Cao su tự nhi n đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bao gồm: giao thông, công nghiệp, tiêu dùng, vệ sinh và y tế

Hình 7: Sơ đồ tiêu thụ cao su tự nhiên ở nước ta [19]

Hình 8: Biểu đồ tiêu thụ cao su tự nhiên ở nước ta [19]

Trong những năm gần đ y, c y cao su đang trở thành một cây trồng thế mạnh và thu hút được nhiều người trồng bởi giá trị kinh tế to lớn Nông dân ở các tỉnh trồng nhiều cao su như B nh Phước, B nh Dương, T y Ninh, Quảng Trị, Đăk Lăk,… cũng giàu lên nhờ cây cao su Sản lƣợng cao su thiên nhiên của Việt Nam trong mấy năm qua tăng khá mạnh, từ chỉ có 220 ngàn tấn năm 1996 l n 550 ngàn tấn năm 2007 Vị thế của ngành cao su Việt Nam trên thế giới ngày càng đƣợc khẳng định Xuất khẩu cao su Việt Nam hiện đang đứng thứ tƣ thế giới, sau Thái Lan, Indonesia và Malaysia

Kim ngạch xuất khẩu cao su của Việt Nam trong giai đoạn 2003- 2007 tăng trưởng rất cao, bình quân gần 50%/năm Nguy n nh n tăng trưởng mạnh chủ yếu do giá cao su tăng nhanh và giữ ở mức cao trong mấy năm gần đ y Lƣợng xuất khẩu tăng kh ng nhiều, bình quân khoảng 10%/năm Trung Quốc là bạn hàng lớn nhất của Việt Nam đối với sản phẩm cao su Cao su xuất khẩu sang Trung Quốc chiếm tới trên 60% tổng kim ngạch xuất khẩu (Hƣng Nguy n, 2008) [20]

Hiện nay cao su chủ yếu được trồng ở các nước Đ ng Nam Á, nơi có điều kiện đất đai thổ nhƣỡng thích hợp cho sụ phát triển của cây cao su Theo các tổ chức nghiên cứu về ngành cao su thiên nhiên, cây cao su có thể phát triển tốt ở Đ ng Nam Á cũng nhƣ Nam Mỹ, tuy nhiên nguồn cung từ Nam Mỹ kh ng đáng kể vì các quốc gia này đang chủ yếu canh tác những giống cây công nghiệp khác nhƣ cà ph hay ca cao [21]

Hình 9: Biểu đồ so sánh diện tích trồng cao su các nước trên thế giới năm 2015 [21]

Hình 10: Biểu đồ sản lượng khai thác cao su các nước trên thế giới [21]

Hình 11: Biểu đồ sản lượng xuất khẩu cao su của các nước trên thế giới [21]

2.4.2 Tổng quan về cây cao su và nhựa cao su thiên nhiên

Cây cao su là một loại cây thân gỗ thuộc họ Đại kích (Euphorbiaceae) Nó có tầm quan trọng kinh tế lớn là do chất lỏng chiết ra từ nhựa cây của nó (gọi là nhựa) là nguồn nguyên liệu chủ lực để sản xuất cao su thiên nhiên Cây cao su là cây công nghiệp dài ngày, có khả năng thích ứng rộng, tính chống chọi với điều kiện bất lợi cao và là cây bảo vệ m i trường n n được nhiều nước có điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội thích hợp quan tâm phát triển trên qui mô diện tích lớn Hiện nay, Việt Nam chỉ trồng và khai thác cây cao su tự nhiên Các giống cao su đang đƣợc trồng là GT1, PR 225, PR 261, Hevea brasiliensis… và một số giống mới nhƣ RRIV 4, RRIV 2 [20]

C y cao su đạt độ tuổi 5-6 tuổi thì bắt đầu thu hoạch mủ đến khi đạt 26 – 30 tuổi, mùa khai thác cao su trong năm kéo dài khoảng 9 tháng bắt đầu từ tháng 6 đến hết tháng 2 năm sau Sau đó, việc khai thác sẽ dừng lại từ cuối tháng 2 đến hết tháng 5 để cây cao su thay lá, nếu khai thác trong thời gian này, c y có nguy cơ bị chết Vùng Đ ng Nam Bộ, Tây Nguyên, Bắc Trung Bộ và một số khu vực tại Nam Trung Bộ là những nơi có điều kiện khí hậu và đất đai phù hợp với cây cao su, nên diện tích cao su phần lớn đƣợc trồng ở các khu vực này Trong đó, Đ ng Nam Bộ là khu vực có diện tích lớn nhất Mặc dù cao su có nguồn gốc từ Nam Mỹ, nhƣng các quốc gia ở Châu Á mới là các quốc gia sản xuất chính ngành hàng này Trong đó Malaysia, Thái Lan, Indonesia, Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam là các nước sản xuất chính Các nước xuất khẩu chính là Malaysia, Thái Lan, Indonesia và Việt Nam Thái Lan là quốc gia đứng đầu trên thế giới về diện tích, năng suất và sản lƣợng cao su Đứng vị trí thƣ hai và thứ ba là Indonesia và Malaysia Việt Nam đứng thứ tƣ tr n thế giới về nguồn cung cấp cao su thiên nhiên [20]

Hình 12: Biểu đồ thống kê diện tích trồng và mức độ tăng trưởng của ngành cao su nước ta đến năm 2006 [20]

Hình 13: Năng suất khai thác mủ cao su của các nước trên Thế giới [19]

Cao su thiên nhiên là một chất có tính đàn hồi và tính bền, thu đƣợc từ nhựa của nhiều loại cây cao su (còn gọi là latex) Latex là nhựa cao su ở trạng thái phân tán nằm lơ lửng trong dung dịch chứa nhiều chất v cơ và hữu cơ Latex có trong nhu mô cây, tạo từ những tế bào sống gồm những nguyên sinh chất, nhân và các thành phần hiện diện Vào năm 1875 nhà khoa học người Pháp Bouchardat đã chứng minh cao su thiên nhiên là một hỗn hợp polymer isoprene (C 5 H 8 ) n , những polymer này có mạch cacbon rất dài với những nhánh ngang có tác dụng nhƣ cái móc Các mạch đó xoắn vào nhau, móc vào nhau bằng những nhánh ngang mà kh ng đút khi bị kéo dãn, mạch cacbon có xu hướng trở về hình dạng cũ au khi bị biến dạng, do đó sinh ra tính đàn hồi [22]

Latex cao su là một loại chất lỏng phức hợp, có thành phần và tính chất khác biệt nhau tùy theo loại Có thể nói đó là một trạng thái nhũ tương của các hạt cao su, latex có trong nhu mô cây tạo ra từ những tế bào sống gồm những nguyên sinh chất, nhân và các thành phần hiện diện khác Tế bào latex đƣợc một lớp nguyên sinh chất mỏng bao phủ, bao cả một khoảng không bào lớn là nơi nguy n sinh chất tiết ra latex Tùy theo trường hợp latex cao su có chứa các thành phần khác nhau như sau:

+ Ở dạng dung dịch: nước, các muối khoáng, acid, các muối hữu cơ, glucid, hợp chất phenolic, alcaloid ở trạng thái tự do hay trạng thái dung dịch muối;

+ Ở dạng dung dịch giả: các protein, phytosterol, chất màu, tannin, eyme;

+ Ở dạng nhũ tương: các amidon, lipid, tinh dầu, nhựa, sáp, polyterpenic

Hàm lƣợng những chất cấu tạo n n latex thay đổi tùy theo các điều kiện về khí hậu, hoạt tính sinh lý và hiện trạng sống của cây cao su

Bảng 1:Thành phần cơ bản của mủ cao su tự nhiên [22] cao su 30-40% nước 52-70% protein 2-3% acid béo và dẫn xuất 1-2% glucid và heterosid khoảng 1% khoáng chất 0,3-0,7%

2.4.3 Tính chất của cao su tự nhiên

Cao su tự nhiên là chất có tính tính dẻo, tính đàn hồi và khả năng chống mài mòn và bền khi kéo dãn [14] Cao su tự nhiên chịu ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ của môi trường Tỉ trọng của latex được ước định khoảng 0,97, độ nhớt của latex tươi có 35% cao su là từ 12-15 centipoises Người ta đo độ nhớt của latex bằng một dụng cụ gọi là nhớt kế áp dụng sự rơi của viên bi vốn là do tốc độ rơi của một viên bi bằng thép trong một ống thủy tinh chứa đầy latex [22]

Bảng 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới cơ tính của cao su tự nhiên [22]

Sức chịu kéo dãn (kg/cm 2 ) Độ dãn (%) -185

Nhựa cao su nếu để trong điều kiện m i trường tự nhiên sẽ bị đ ng đặc lại, hiện tượng đ ng đặc này không xảy ra ngay lập tức mà với tốc độ tương đối chậm Để ngăn chặn hiện tượng này trong thực tế người ta cho vào mủ cao su tự nhiên các hợp chất có tính kiềm để nâng cao pH của nó lên Chất được sử dụng thường nhất cho việc bảo quản ngắn hạn này là dung dịch ammoniac Lƣợng ammoniac sử dụng vào khoảng 0,7% so với lƣợng mủ cao su Ở Việt Nam [22]

Hình 14: Vùng đ ng đặc của mủ cao su tự nhiên theo pH [22]

Trong quá trình biến đổi chế biến từ nhựa cao su thiên nhiên thành các vật dụng, cao su phải trải qua quá trình xử lý, biến đổi tính chất của nó gọi là sự lưu hóa Theo định nghĩa đơn giản th lưu hóa là cho vào cao su một tỉ lệ lưu huỳnh thích hợp và thực hiện hóa hợp chúng bằng cách nung nóng hỗn hợp ở một nhiệt độ và trong khoảng thời gian nhất định

C ng thƣc hóa học của cao su là (C5H 8 ) n , tỉ số giữa cacbon và hydro đã đƣợc Faraday xác định vào năm1826 và nhũng ph n tích ngày càng chính xác hơn đã đƣợc thực hiện và xác nhận công thức này [22]

Hình 15: Công thức hóa học của phân tử cao su [22]

Hình 16: Cấu trúc của nhựa cao su [22]

CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA CỐT LIỆU, NHỰA ĐƯỜNG,

Cốt liệu

Đá dăm dùng để chế tạo bê tông nhựa có thể là đá dăm sản xuất từ đá thi n nhi n, đá dăm chế tạo từ cuội, đá dăm chế tạo từ xỉ lò cao, nhƣng phải phù hợp với các yêu cầu của quy phạm Kh ng dùng đá dăm chế tạo từ đá v i sét, sa thạch sét và phiến thạch sét Chất lượng của bê tông nhựa chịu ảnh hưởng lớn bởi chất lượng đa dăm hay sỏi về mặt cường độ, tính đồng nhất, h nh đạng, trạng thái bề mặt, thành phần khoáng vật…

Cốt liệu đá sử dụng trong nghiên cứu này đƣợc lấy từ trạm trộn BTN tại huyện Bến Lức, tỉnh Long An của công ty Cổ phần xây dựng công trình giao thông 674 Đá sau khi lấy từ trạm trộn về đƣợc phơi kh , r y sàng để phân loại cỡ hạt, các mắt sàng sử dụng có kích thước từ 12,5mm; 9,5mm; 4,75mm; 2,36mm; 1,18mm; 0,6mm;

0,3mm; 0,15mm và 0,075mm Sau đó tiến hành các thí nghiệm xác định chỉ ti u cơ lý của đá như tỷ trọng, hàm lượng thoi dẹt, độ dính bám với nhựa đường, độ hao mòn khi va đập Kết quả đƣợc thể hiện trong bảng sau:

Bảng 3: Kết quả thí nghiệm chỉ t u cơ lý của cốt liệu đá sử dụng trong nghiên cứu

Loại cốt liệu Kết quả thí nghiệm

- Khối lƣợng riêng (g/cm 3 ) 2,72 - Độ hao mòn Loss Angles (%) 16,77

- Độ dính bám với nhựa đường Cấp 5 Cốt liệu nhỏ:

- Khối lƣợng riêng (g/cm 3 ) 2,714 Bột khoáng:

- Khối lƣợng riêng (g/cm 3 ) 3,04 Một số hình ảnh về thí nghiệm cốt liệu đá dăm và bột khoáng:

Hình 17: Phơi đá và r y sàng đá (chụp 03/2017)

(H nh trái: phơi kh đá; H nh phải: Rây sàng phân loại đá theo cỡ hạt)

Hình 18: Thí nghiệm xác định tỷ trọng của cốt liệu và của bột khoáng (chụp (3/2017)

Hình 19: Thí nghiệm xác định độ dính bám của đá với nhựa đường (chụp 3/2017)

Hình 20: Thí nghiệm xác định hao mòn Loss Angles và hàm lƣợng thoi dẹt (chụp

Cát có vai trò chèn kẻ hở giữa các hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc của hỗn hợp

Có thể dùng cát nguồn gốc thiên nhiên, cát xay hoặc hỗn hợp cát thiên nhiên và cát xay Cát thiên nhiên phải sạch, kh ng đƣợc lẫn tạp chất hữu cơ Cát xay đƣợc nghiền từ đá có cường độ nén không nhỏ hơn cường độ nén của đá dùng để sản xuất đá dăm

Theo TCVN 8819-2011 [23] các chỉ ti u cơ lý của cát phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

Bảng 4: Chỉ ti u cơ lý quy định của cát

Chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử

1 M đun độ lớn (MK) ≥ 2 TCVN 7572-2: 2008

2 Hệ số đương lượng cát (ES),%

- Cát thiên nhiên - Cát xay

3 Hàm lƣợng chung bụi, bùn, sét, % ≤ 3 TCVN 7572-8: 2008

4 Hàm lƣợng sét cục, % ≤ 0,5 TCVN 7572-8: 2008

5 Độ góc cạnh của cát (độ rỗng của cát ở trạng thái chƣa đầm nén), %

- BTNC làm lớp mặt trên - BTNC làm lớp mặt dưới

Trong luận văn này sử dụng đá cấp phối để tạo mẫu bê tông nhựa, không sử dụng cát, các chỉ tiêu kỹ thuật về cát sử dụng để tham khảo theo quy định của tiêu chuẩn

Bột khoáng là thành phần quan trọng trong hỗn hợp bê tông nhựa Ngoài tác dụng nhét đầy lỗ rỗng giữa các cốt liệu lớn hơn (cát, đá dăm) làm tăng độ đặc của hỗn hợp mà còn làm tăng diện tích tiếp xúc, làm cho màng bitum trên mặt hạt các càng mỏng tăng lực tương tác giữa chúng, tăng cường độ của bê tông nhựa Bột khoáng để chế tạo bê tông nhựa thường sử dụng các loại bột mịn từ đá v i và đá đ l mit, vật liệu chế tạo bột khoáng cần phải sạch không lẫn các tạp chất hữu cơ và hàm lƣợng bùn sét quá 5%

Bột khoáng phải kh , tơi, kh ng vón hòn Các chỉ ti u cơ lý của bột khoáng phải thỏa mãn các yêu cầu quy định tại bảng sau:

Bảng 5: Chỉ ti u cơ lý quy định của bột khoáng

Chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử

1 Thành phần hạt (lƣợng lọt sàng qua các cỡ mắt vuông), %

3 Chỉ số dẻo của bột khoáng nghiền từ đá các bô nát, (*) %

(*): Xác định giới hạn chảy dẻo theo phương pháp Casagrandcc Sử dụng phần bột khoáng lọt qua sàng lưới mắt vuông cỡ 0,425 mm để thử nghiệm giới hạn chảy, giới hạn dẻo

Bột khoáng sử dụng trong nghiên cứu này là xi măng Vicem Hà Ti n đa dụng của Công ty Cổ phần Vicem Hà Tiên, Thành phố Hồ Chí Minh Bột khoáng là sản phẩm đƣợc nghiền từ đá các b nát (đá v i can xit, đolomit ) sạch, có giới hạn bền nén không nhỏ hơn 200daN/cm2 hoặc là xi măng Đá các b nát dùng sản xuất bột khoáng phải sạch, không lẫn các tạp chất hữu cơ, hàm lƣợng chung bụi bùn sét không quá 5%

Bột khoáng phải kh , tơi, kh ng đƣợc vón hòn, độ ẩm ≤ 1% Chỉ số dẻo của bột khoáng từ đá các b nát I p ≤ 4% (AASHTO T89, T90).

Nhựa đường

Nhựa đường được sử dụng là nhựa đường đặc 60/70 của Công ty TNHH Nhựa đường Petrolimex làm chất liên kết cho nghiên cứu thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật quy định tại TCVN 7493-2005 Các tiêu chuẩn kỹ thuật của nhựa đường đặc dùng trong xây dựng đường t được quy định theo bảng sau:

Bảng 6: Tiêu chuẩn ký thuật của nhựa đường

Mác theo độ kim lún Phương pháp thử

3 Nhiệt độ hóa mềm (dụng cụ vòng và bi), 0 C 46 - TCVN 7497:2005

4 Điểm chớp cháy (cốc mở

Tổn thất khối lƣợng sau gia nhiệt 5 giờ ở 163 0 C,

6 Tỷ lệ độ kim lún sau gia nhiệt 5 giờ ở 163 0 C so với ban đầu, %

7 Độ hòa tan trong tricloetylen, % 99 - TCVN 7500:2005

8 Khối lƣợng riêng ở 25 0 C, g/cm 3 1-1,05 TCVN 7501:2005

9 Độ nhớt động lực học ở

10 Hàm lƣợng paraphin, % khối lƣợng - 2,2 TCVN 7503:2005

11 Độ bám dính với đá cấp 3 - TCVN 7504:2005

Cao su

Nhựa cao su tự nhiên thu hoạch tại vườn có hai dạng: dạng dung dịch lỏng và dạng đặc gọi là nhựa chén

Trong luận văn này, cao su được sử dụng trộn với nhựa đường là loại nhựa chén, được lấy tại vườn cao su ở xã Bàu Khởi, huyện Dương Minh Ch u, tỉnh Tây Ninh

Mẫu lấy về dạng bánh, trạng thái dẻo đƣợc rửa sạch, phơi kh , sau đó cắt nhỏ

Hình 21: Vườn cây cao su ở Tây Ninh (chụp 03/2017)

Hình 22: Thu hoạch nhựa cao su (chụp 03/2017)

Hình 23: Sơ chế mủ cao su (chụp 03/2017)

Hình 24: Cao su sau khi phơi kh và đƣợc cắt nhỏ (chụp 03/2017).

Nhựa đường cao su

Tr n cơ sở kết quả của các nghiên cứu về ứng dụng cao su tự nhi để tăng chất lượng nhựa đường đã tr nh bày ở phần tổng quan, đặc biệt là nghiên cứu của các nước khu vực châu Á có sự tương đồng về địa lý và khí hậu với nước ta như Thái Lan (6% cao su tự nhiên) [13]; Ấn Độ (3-4%) [14]; Malaysia (8%) [15]; Algeria (4% và 8%)

[17] Trong luận văn này, tác giả thực hiện đánh giá ảnh hưởng của nhựa cao su thiên nhi n đến tính chất của nhựa đường và của BTN bằng cách thay thế một phần nhựa đường bằng cao su thiên nhiên với các hàm lượng 2%, 4%, 6% và 8% khối lượng

3.4.1 Quá trình trộn cao su với nhựa đường

Có thể pha trộn cao su vào nhựa đường trước khi trộn với cốt liệu, hoặc trộn cao su cùng lúc với nhựa và cốt liệu… Trong đề tài này, tác giả chọn phương pháp trộn cao su với nhựa đường trước, sau đó phối trộn với hỗn hợp cốt liệu

Trình tự trộn cao su với nhựa đường được thực hiện như sau:

- Vật liệu: nhựa đường 60/70, cao su đã cắt nhỏ

- Dụng cụ: tủ sấy và các dụng cụ cầm tay khác

- Chuẩn bị: nhựa đường cho vào tủ sấy ở nhiệt độ 150 o C trong 2 giờ, cao su được trộn đều trong điều kiện gia nhiệt 150 o C khoảng 10 phút trước khi đem trộn với nhựa đường

- Cho cao su vào nhựa đường đã được sấy và đem trộn hỗn hợp trong điều kiện gia nhiệt giữ cho nhiệt độ trong khi trộn khoảng 160 o C – 180 o C trong khoảng 10 phút

Hình 25: Quá trình trộn cao su với nhựa đường (chụp 03/2017)

3.4.2 Thí nghiệm độ kim lún

Thí nghiệm được thực hiện dựa theo TCVN 7495-2005: bitum – phương pháp xác định độ kim lún [24] Độ kim lún của nhựa là đại lƣợng chỉ độ đặc quánh của nhựa, tính bằng phần mười milimmet mà một kim tiêu chuẩn xuyên thẳng đứng vào mẫu nhựa trong điều kiện nhiệt độ, thời gian và tải trọng quy định

Thí nghiệm đƣợc tiến hành ở nhiệt độ 25 o C ± 0,1 o C trong thời gian 5 giây với tổng lƣợng gia tải là 100 ± 0,1g

Thiết bị đo độ kim lún: sử dụng máy đo điện tử Matest cho phép trục xuyên chuyển động lên xuống dễ dàng không có ảnh hưởng của ma sát Có đồng hồ hiển thị giá trị độ kim lún và bộ điều chỉnh kim lên xuống

Kim xuyên, cốc mẫu, chậu đựng nước (sử dụng bồn nước bảo ôn nhiệt), bình chứa cốc mẫu nhựa đường, nhiệt kế, đồng hồ đo thời gian, dụng cụ cấp nhiệt, thiết bị điều hòa nhiệt độ trong phòng

Hình 26: Dụng cụ thí nghiệm xác định độ kim lún (chụp 5/2017)

Chuẩn bị mẫu: mẫu nhựa đường sau khi pha trộn với cao su được rót vào cốc chứa mẫu Đậy nắp để chống bụi, để nguội trong không khí khoảng 1,5 giờ

Mẫu được bảo dưỡng trong nước ở nhiệt độ 25 o C trước khi đem thí nghiệm

Kiểm tra thiết bị để đảm bảo thiết bị xuyên bằng phẳng, ổn định Lau sạch kim bằng giẻ mềm có tẩm dung môi phù hợp, lau khô kim bằng giẻ mềm, lắp quả gia tải để đảm bảo tổng tải trọng là 100 ± 0,1g

Quá trình thí nghiệm được tiến hành trong bồn nước ở nhiệt độ 25 o C, đặt mẫu thẳng đứng dưới thiết bị xuyên, dùng nhiệt kế để kiểm tra nhiệt độ nước trong b nh đo mẫu Điều chỉnh sao cho đầu mũi kim vừa chạm sát mặt mẫu Thiết lập chế độ đo độ kim lún Nhấn nút “Start” để bắt đầu đo Sau 5 gi y màn h nh hiển thị kết quả số trị số độ kim lún

Thực hiện thí nghiệm ít nhất là 3 mũi xuy n tại các điểm cách thành cốc và cách nhau ít nhất 10mm

Bảng 7: Kết quả thí nghiệm độ kim lún của nhựa đường

Mẫu Lần đo Độ kim lún

Hỗn hợp nhựa 2% cao su

Nhận xét: Nhựa cao su tự nhiên khi thay thế một phần nhựa đường làm giảm độ kim lún của nhựa Độ kim lún giảm dần theo chiều tăng của hàm lƣợng cao su

3.4.3 Thí nghiệm xác định nhiệt độ hóa mềm

Thí nghiệm này được thực hiện dựa trên TCVN 7497-2005: Bitum- Phương pháp xác định điểm hóa mềm (dụng cụ vòng và bi) [25] Đ y là thí nghiệm dùng kiểm soát tính vững chắc khi nhiệt độ tăng của nhựa đường Thí nghiệm áp dụng được cho nhựa đường cao su có nhiệt độ hóa mềm trong khoảng 5 o C đến 200 o C

Bộ dụng cụ để thực hiện thí nghiệm gồm:

- Vòng thử: hình trụ rỗng, làm bằng đồng, có thành dày khác nhau Phần trên có đường kính bằng 19,84mm, cao 4,37mm, phần dưới có đường kính trong 15,88mm, cao 1,98mm Vòng mang một que thẳng đứng để giữ vòng nằm ngang và để cho vòng cách đáy ly đúng bằng 25,4mm

- Viên bi chuẩn: bằng thép, đường kính 9,53mm, nặng 3,45 đến 3,55g

- Ly nước: bằng thủy tinh, đường kính lớn hơn 8,5cm, cao hơn 12cm

Hình 27: Thí nghiệm xác định độ hóa mềm của nhựa (chụp 5/2017)

- Đặt vòng thử lên bảng đồng đã đƣợc bôi hợp chất thích hợp để nhựa không dính vào bảng đồng

- Mẫu nhựa cao su sao khi chuẩn bị xong đƣợc rót vào vòng, vòng đã đƣợc hơ nóng trước tới nhiệt độ rót chảy của nhựa

- Để nguội ít nhất 30 phút, sau đó dùng dao mỏng cắt nhựa dƣ

- Ráp dụng cụ thí gnhiệm (gồm vòng thử có que thẳng đứng, nhiệt kế) vào trong ly nước Vòng thử phải nằm ngang và cách đáy ly nước 25,4mm Đầu nhiệt kế phải đặt ngang vòng thử

- Rót nước cất đã làm lạnh ở 5 o C, tới mức cao nhất là 102mm và nhiều nhất là 108mm

- Giữ nhiệt độ m i trường nước ở 5 o C trong 15 phút Đặt viên bi vào ly nước ở nhiệt độ này

- Đun để nhiệt độ nước tăng đều 5 o C/phút

Bảng 8: Kết quả thí nghiệm độ hóa mềm

Mẫu Độ hóa mềm ( o C) Tiêu chuẩn

Hỗn hợp nhựa 2% cao su 50,2

≥ 46 o C Hỗn hợp nhựa 4% cao su 55,6

Hỗn hợp nhựa 6% cao su 58,9 Hỗn hợp nhựa 8% cao su 58,5

Nhận xét: Mẫu nhựa đường cao su có độ hóa mềm cao hơn so với nhựa đường

Lựa chọn cấp phối sử dụng trong nghiên cứu

Cấp phối lựa chọn là cấp phối BTN chặt 12.5 mm dựa theo luận văn thạc sĩ Trần Huy Hải, “Nghi n cứu ảnh hưởng của độ rỗng cốt liệu VMA đến khả năng làm việc của bê tông nhựa chặt” – 2016, cấp phối thứ 2 với hàm lƣợng nhựa tối ƣu là 5.44%

Công tác thiết kế hỗn hợp nhựa chặt được thực hiện theo phương pháp Marshall nhằm mục đích t m ra hàm lƣợng nhựa tối ƣu với hỗn hợp cốt liệu đã chọn Quá trình thí nghiệm đƣợc học viên thực hiện theo TCVN 8820-2011

Bảng 9: Cấp phối đƣợc sử dụng trong nghiên cứu

Giới hạn theo cấp phối BTNC

Lƣợng lọt sàng (%) Cận dưới Cận trên

Hình 28: Biểu đồ đường cong cấp phối sử dụng và đường cong giới hạn cấp phối theo

4.2 Kiểm tra chỉ tiêu cơ lý của BTN Để đánh giá các chỉ ti u cơ lý của hỗn hợp bê tông nhựa chặt 12,5, ta thực hiện thí nghiệm lần lƣợt các hàm lƣợng nhựa 4,5%, 5%, 5,5%, 6%, 6,5% theo khối lƣợng của hỗn hợp, mỗi hàm lượng nhựa tương ứng với 4 hàm lượng cao su tương ứng 2%,

4%, 6%, 8% khối lƣợng nhựa Tổ hợp lại có 20 hàm lƣợng nhựa và cao su, mỗi hàm lượng đúc 3 tổ hợp mẫu hình trụ tròn đường kính 101cm, cao 63,5cm

Sau đó tiến hành các thí nghiệm để xác định các chỉ ti u cơ lý của BTNC 12,5 gồm:

- Khối lƣợng thể tích BTN đã đầm nén (G mb ) - Độ rỗng dƣ (V a )

- Độ rỗng khung cốt liệu (VMA)

- Độ ổn định và độ dẻo Marshall Để xác định khối lƣợng thể tích bê tông nhựa đã đầm nén, ta phải xác định khối

C n dưới BTNC12.5 Cận tr n BTNC12.5 CP[18]CP BTNC 12.5 lƣợng riêng của b t ng nhƣa (Gmm) , giá trị này phụ thuộc vào tỷ trọng của cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ, bột khoáng và nhựa đường Kết quả thí nghiệm được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 10: Tỷ trọng của cốt liệu

Loại vật liệu Tỷ trọng của cốt liệu (g/cm 3 ) Tỷ lệ % trong hỗn hợp

Bảng 11: Kết quả thể hiện sự thay đổi khối lƣợng riêng bê tông nhựa theo sự thay đổi của hàm lƣợng nhựa trong hỗn hợp

STT Tỷ lệ nhựa theo hỗn hợp (%) G mm (g/cm 3 )

Thí nghiệm kiểm tra độ ổn định và độ dẻo Marshall đƣợc thực hiện dựa trên tiêu chuẩn TCVN 8860-2011: bê tông nhựa – phương pháp thử [26] Tiến hành ở điều kiện nhiệt độ theo quy trình là 60 o C và thời gian ngâm mẫu là 40 phút

Hình 29: Khuôn và dụng cụ đúc mẫu; máy đầm Marshall (chụp 5/2017)

Hình 30: Thí nghiệm nén Marshall (chụp 5/2017)

Thí nghiệm này mô phỏng trạng thái làm việc của mặt đường bê tông nhựa ở trạng thái ngập nước và chịu tác động của nhiệt độ m i trường Trong điều kiện này cường độ của mặt đường bị giảm đáng kể và dễ bị hư hỏng khi có tác động của tải trọng Kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày trong bảng sau:

Bảng 12: Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall và độ dẻo của mẫu BTN 2% cao su

Hàm lƣợng nhựa theo hỗn hợp (%)

Chiều cao mẫu (mm) Độ ổn định Marshall (kN) Độ dẻo (mm)

Bảng 16: Khối lƣợng riêng, khối lƣợng thể tích, độ rỗng còn dƣ của hỗn hợp BTN 2% cao su

Chiều cao mẫu TB (mm)

Khối lƣợng thể tích (g/cm3)

Khối lƣợng riêng (g/cm3) Độ rỗng dƣ

Bảng 17: Khối lƣợng riêng, khối lƣợng thể tích, độ rỗng còn dƣ của hỗn hợp bê tông nhựa 4% cao su

Khối lƣợng riêng (g/cm3) Độ rỗng dƣ

Khối lƣợng riêng (g/cm3) Độ rỗng dƣ (%)

6,5 1267,57 65,08 2,402 2,472 2,832 3÷6 Độ rỗng khung cốt liệu là giá trị đƣợc tính toán, nó phụ thuộc vào hàm lƣợng cốt liệu trong hỗn hợp (P s ), khối lƣợng thể tích mẫu bê tông nhựa (G mb ) và khối lƣợng riêng của hỗn hợp cốt liệu Kết quả đƣợc thể hiện trong bảng sau:

Bảng 20: Kết quả kiểm tra độ rỗng khung cốt liệu (hàm lƣợng cao su 2%)

Tỷ lệ cốt liệu trong hỗn hợp

Khối lƣợng thể tích bê tông nhựa Gmb

(g/cm 3 ) Độ rỗng khung cốt liệu (%)

Khối lƣợng thể tích bê tông nhựa G mb

Khối lƣợng thể tích bê tông nhựa Gmb

4.3 Biểu đồ quan hệ giữa hàm lƣợng nhựa và các chỉ tiêu cơ lý của mẫu BTN

Từ các kết quả thí nghiệm ở trên ta rút ra đƣợc mối quan hệ giữa sự thay đổi hàm lƣợng nhựa đến các chỉ ti u cơ lý của hỗn hợp bê tông nhựa nhƣ sau:

4.3.1 Hàm lƣợng cao su trộn chiếm 2%

Hình 31: Biểu đồ quan hệ giữa khối lƣợng thể tích với hàm lƣợng nhựa (2% cao su)

Hình 32: Biểu đồ quan hệ giữa độ rỗng dƣ với hàm lƣợng nhựa (2% cao su) y = -0.0151x 2 + 0.1732x + 1.9046

Hình 33: Biểu đồ quan hệ giữa độ ổn định Marshall với hàm lƣợng nhựa (2% cao su)

Hình 34: Biểu đồ quan hệ giữa độ rỗng cốt liệu với hàm lƣợng nhựa (2% cao su) y = -4.2411x 2 + 43.8490x - 93.5247

4.5 5 5.5 6 6.5 Độ ổn định arshall (kN)

Hình 35: Biểu đồ quan hệ giữa độ dẻo với hàm lƣợng nhựa (2% cao su)

4 3 2 Hàm lƣợng cao su trộn chiếm 4%

Hình 36: Biểu đồ quan hệ giữa khối lƣợng thể tích với hàm lƣợng nhựa (4% cao su) y = 0.8343x 2 - 6.4851x + 14.708

Hình 37: Biểu đồ quan hệ giữa độ rỗng dƣ với hàm lƣợng nhựa (4% cao su)

Hình 38: Biểu đồ quan hệ giữa độ ổn định Marshall với hàm lƣợng nhựa (4% cao su) y = 0.5843x 2 - 8.3705x + 32.1292

Hình 39: Biểu đồ quan hệ giữa độ rỗng cốt liệu với hàm lƣợng nhựa (4% cao su)

Hình 40: Biểu đồ quan hệ giữa độ dẻo với hàm lƣợng nhựa (4% cao su) y = 0.4971x 2 - 5.0188x + 29.2218

Hình: Biểu đồ quan hệ giữa khối lƣợng thể tích với hàm lƣợng nhựa (6% cao su)

Hình: Biểu đồ quan hệ giữa độ ổn định Marshall với hàm lƣợng nhựa (6% cao su)

Hình 44: Biểu đồ quan hệ giữa khối lƣợng thể tích với hàm lƣợng nhựa (8% cao su) y = -0.0371x 2 + 2.8706x - 10.038

4 4 Xác định hàm lƣợng nhựa tối ƣu

Xác định hàm lƣợng nhựa tối ƣu theo hai cách, thực hiện theo TCVN 8820:2011 [7] y = 0.7686x 2 - 8.3229x + 39.6421

Cách 1: Dựa trên biểu đồ quan hệ giữa hàm lƣợng nhựa và độ rỗng dƣ, hàm lƣợng nhựa tối ƣu là giá trị hàm lƣợng nhựa ứng với độ rỗng dƣ bằng 4%

Kết quả xác định hàm lƣợng nhựa tối ƣu cho từng hàm lƣợng cao su đƣợc thể hiện ở các bảng sau:

Với hàm lƣợng cao su 2%: độ rỗng dƣ bằng 4% => hàm lƣợng nhựa tối ƣu bằng 5,74%

Bảng 24: Xác định hàm lƣợng nhựa tối ƣu với hàm lƣợng cao su 2% theo độ rỗng dƣ

Chỉ tiêu Giá trị Tiêu chuẩn

8819:2011 Đánh giá Hàm lƣợng nhựa tối ƣu (%) 5,74 Độ ổn định Marshall (kN) 18,11 >=8 Thỏa

Khối lƣợng thể tích (g/cm3) 2,403 Độ rỗng cốt liệu (%) 17,34 > Thỏa Độ dẻo (mm) 4,414 2 ÷ 4 Không thỏa

Hàm lƣợng nhựa tối ƣu (%) 5,37 Độ ổn định Marshall (kN) 20,742 >=8 Thỏa

Tiêu chuẩn 8819:2011 Đánh giá Hàm lƣợng nhựa tối ƣu (%) 5,62 Độ ổn định Marshall (kN) 19,148 >=8 Thỏa

+ Tại giá trị độ rỗng dư bằng 4% xác định được hàm lượng nhựa tối ưu tương ứng với hàm lƣợng cao su 2%; 4%; 6% và 8% là 5,74%; 5,37%; 5,78% và 5,62%

+ Khi tăng hàm lƣợng cao su th hàm lƣợng nhựa tối ƣu biến đổi không tuyến tính

+ Tại các giá trị hàm lƣợng nhựa tối ƣu tr n th chỉ số dộ dẻo của mẫu BTN đều không thỏa so với quy định theo tiêu chuẩn 8819:2011

Cách 2: Xác định khoảng hàm lượng nhựa thỏa mãn tất cả các chỉ ti u tương ứng, đ y là khoảng hàm lƣợng nhựa tối ƣu Chọn 1 giá trị nằm trong khoảng hàm lượng nhựa tối ưu này, thường chọn giá trị ở giữa

Bảng 28: Xác định hàm lƣợng nhựa tối ƣu với hàm lƣợng cao su 2% theo khoảng HLN Độ ổn định Độ dẻo Độ rỗng dƣ Độ rỗng cốt liệu

=> Khoảng hàm lƣợng nhựa tối ƣu thỏa mãn các chỉ ti u là 4,59% đến 4,8%

=> Kh ng xác định đƣợc khoảng hàm lƣợng nhựa thỏa mãn các chỉ tiêu

+ Với hàm lƣợng cao su 2% và 4% xác định đƣợc khoảng hàm lƣợng nhựa tối ƣu thỏa mãn các chỉ ti u tương ứng là 4,59% ÷ 4,8% và 4,74% ÷ 4,83%

+ Với hàm lƣợng cao su 6% và 8% kh ng xác định đƣợc khoảng hàm lƣợng nhựa tối ƣu thỏa mãn các chỉ tiêu

Kết luận: Khi sử dụng cả hai cách để xác định hàm lƣợng nhựa tối ƣu theo

TCVN 8820:2011 th kh ng xác định đƣợc hàm lƣợng nhựa tối ƣu mà tại đó thỏa mãn tất cả các chỉ tiêu yêu cầu Do mẫu bê tông nhựa cao su có độ dẻo cao vƣợt trội so với bê tông nhựa th ng thường (theo quy định 2÷4mm)

Tiến hành chọn hàm lƣợng nhựa tối ƣu không xét độ dẻo, kết quả nhƣ sau

Bảng 32: Xác định hàm lƣợng nhựa tối ƣu theo độ rỗng dƣ kh ng xét đến độ dẻo

Hàm lƣợng nhựa tối ƣu (%) 5,74 5,37 5,78 5,62 Độ ổn định (kN) 17,711 20,742 19,794 19,148 Độ rỗng dƣ (%) 4% 4% 4% 4%

Bảng 33: Xác định hàm lƣợng nhựa tối ƣu theo khoảng HLN kh ng xét đến độ dẻo

Khoảng hàm lƣợng nhựa tối ƣu (%) 4,59 ÷ 6,5 4,74 ÷ 6,5 4,8 ÷ 6,5 4,89 ÷ 6,5

Hàm lƣợng nhựa tối ƣu (%)

(Giá trị chọn) 5,55 5,6 5,65 5,7 Độ ổn định (kN) 19,495 19,597 20,696 18,722 Độ rỗng dƣ (%) 3,935 3,542 4,221 3,885

Hàm lƣợng nhựa tối ƣu xác định theo cách 2 có giá trị tăng tuyến tính theo chiều tăng của hàm lƣợng cao su, độ ổn định Marshall lúc đầu tăng theo hàm lƣợng cao su, đạt giá trị cao nhất 20,696 kN khi hàm lƣợng cao su bằng 6%, sau đó giảm dần khi hàm lƣợng cao su tiếp tục tăng Điều này phù hợp với kết quả các nghiên cứu của nhóm tác giả từ Thái Lan Nopparat Vichitchochai, Jaratsri Panmai and Nuchanat Na-Ramong, “ Modification of Asphalt Cement by Natural Rubber for Pavement Construction” [14]; và kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả từ Malaysia Ramez A.Al-Mansob, Amiruddin Ismail,

Aows N.Alduri, Che Husna Azhari, Mohamed Rehan Karim, Nur Izzi Md.Yusoff,

“Physical and rheological properties of epoxidized natural rubber modified bitumens”

Kết luận: chọn kết quả xác định hàm lượng nhựa tối ưu theo cách 2, tương ứng với giá trị nhƣ bảng sau:

Bảng 34: Kết quả lựa chọn hàm lượng nhựa tương ứng với hàm lượng cao su

Hàm lƣợng nhựa tối ƣu (%) 5,55 5,6 5,65 5,67

4.5 So sánh, đánh giá các loại BTN sử dụng và không sử dụng cao su Để đánh giá ảnh hưởng của cao su đến các chỉ ti u cơ lý của bê tông nhựa ta căn cứ vào hàm lƣợng nhựa tối ƣu đã xác định ở mục 4.3 tiến hành đúc các tổ hợp mẫu tương ứng với 4 hàm lượng cao su là 2%, 4%, 6% và 8% khối lượng nhựa đường

Sử dụng các mẫu để tiến hành các thí nghiệm xác định cường độ chị kéo gián tiêp (ép chẻ); m đun đàn hồi, thí nghiệm độ ổn định Marshall và độ mài mòn Cantabro

Kết quả từ các thí nghiệm này được so sánh với bê tông nhựa th ng thường (không trộn cao su)

4.5.1 Thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu

Thí nghiệm được thực hiện dựa trên tiêu chuẩn 22TCN211-06: Áo đường mềm – Các chỉ dẫn và yêu cầu thiết kế [27] Thực hiện nén các mẫu trong điều kiện nén nở hông tự do (nén một trục, mẫu kh ng đặt trong khuôn, bản ép bằng đường kính mẫu)

Các mẫu đƣợc đúc với đúng tỷ lệ thành phần

Biểu đồ quan hệ giữa hàm lƣợng nhựa và các chỉ ti u cơ lý của mẫu BTN