Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng dụng nhựa tái sinh polyethylene cho hỗn hợp bê tông nhựa

Mục tiêu của nghiên cứu này là sử dụng vật liệu nhựa Polyethylene trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng với mục tiêu tạo ra một sản phẩm bê tông nhựa polime có giá thành thấp.. Mục đích của đề

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung

Mặt đường bê tông nhựa là một hỗn hợp vật liệu của cốt liệu, chất kết dính (nhựa đường) và các lỗ rỗng Hiệu suất của mặt đường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như : tính chất của các thành phần (cốt liệu, chất kết dính và phụ gia) và tỉ lệ của các thành phần trong hỗn hợp Hiệu suất của hỗn hợp nhựa đường có thể được cải thiện với việc sử dụng các loại phụ gia như : polime, mủ cao su, các loại sợi, và các phụ gia hóa học

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng việc bổ sung phụ gia polime với hàm lượng nhất định có thể cải thiện hiệu suất của mặt đường Việc bổ sung polime thường cải thiện độ bền, sức đề kháng lớn hơn để chống biến dạng vĩnh viễn (lún) và nứt nhiệt

Bên cạnh đó, nó làm tăng độ cứng và giảm thiệt hại mỏi Polyethylene mật độ thấp (Low density Polyethylene - LDPE) đã được chứng minh là một trong những phụ gia polime hiệu quả nhất trong việc nâng cao tuổi thọ của mặt đường và cũng giải quyết nhiều vấn đề môi trường [6].

Hỗn hợp bê tông nhựa nóng (Hot Mix Asphalt - HMA)

Bê tông nhựa (BTN) nóng là loại vật liệu lát đường được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới BTN nóng là sự kết hợp của hai thành phần chính là cốt liệu và chất kết dính (nhựa đường) Cốt liệu chiếm khoảng 95% tổng trọng lượng hỗn hợp Chúng được trộn với khoảng 5% nhựa đường để sản xuất BTN nóng BTN nóng được tạo ra bằng cách nung nóng chất kết dính để làm giảm độ nhớt của bitum và làm khô cốt liệu trước khi trộn, nhiệt độ trộn vào khoảng 140 – 160 0 C Hình 2.1 là sơ đồ cấu trúc mặt đường BTN điển hình

Hỗn hợp BTN nóng thường được chia thành ba loại sau:

 Cấp phối chặt (dense-graded course): còn gọi là cấp phối liên tục, là hỗn hợp được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên Thế giới Cấp phối chặt phù hợp với mọi cấp đường, có thể dùng để làm lớp móng, lớp liên kết hoặc lớp mặt

BTN nóng cấp phối chặt được thiết kế với độ rỗng thấp (thông thường từ 3- 6%) nhằm đảm bảo mặt đường không bị thấm nước

 Cấp phối gián đoạn (gap-graded course): Được thiết kế theo nguyên tắc đá chèn đá, tạo thành một bộ khung vững chắc, chịu lực tốt, cấp phối gián đoạn được xem là sản phẩm ưu việt, thích hợp để chống đùn trồi và các biến dạng mỏi, đặc biệt trong số đó phải kể đến là hỗn hợp đá vữa nhựa SMA (stone matrix asphalt) Nhờ những tính năng vượt trội đó, cấp phối gián đoạn được khuyên dùng cho những tuyến đường siêu trường, siêu trọng, các nút giao thông và khu vực giao thông tốc độ chậm

 Cấp phối hở (open-graded course): gồm cấp phối hở tạo nhám và cấp phối hở thoát nước Cấp phối hở tạo nhám có độ rỗng lớn hơn 15% và chỉ được dùng để làm lớp mặt với chiều dày rất mỏng Ngoài tính năng tạo ma sát, chống trượt nhờ được thiết kế với độ nhám thích hợp, BTN nóng cấp phối rỗng nhám còn làm giảm sự bắn tóe nước khi trời mưa và giảm tiếng ồn trên mặt đường

Cấp phối rỗng nhám thích hợp dùng làm lớp mặt cho các đường cao tốc, đường đua, những đoạn đường đèo, dốc Tuy nhiên cấp phối này được khuyến cáo không nên dùng ở những nút giao thông và khu vực xe lưu thông tốc độ chậm

Cấp phối hở thoát nước thường dùng làm lớp móng hoặc nằm dưới lớp BTN nóng cấp phối chặt, SMA hoặc lớp bê tông xi măng BTN nóng cấp phối rỗng có chức năng thoát nước cho mặt đường nhờ được thiết kế với độ rỗng cao

Lớp mặt trên Lớp mặt dưới Lớp móng trên

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc mặt đường BTN

2.2.1 Cơ bản về vật liệu trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng

Cốt liệu là các loại vật liệu trơ như cát, đá, sỏi, sỉ hoặc bụi đá Được lựa chọn và phân loại hợp lý sau đó trộn với chất kết dính để tạo thành BTN nóng Cốt liệu là bộ khung chịu lực chính của kết cấu mặt đường

Cốt liệu thường gồm 3 loại chủ yếu : cốt liệu thô, cốt liệu mịn và bột khoáng

 Cốt liệu thô thường là đá dăm, được giữ lại trên sàng 4.75mm Quy định về chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu thô (đối với BTN chặt) được thể hiện ở bảng 2.1

Bảng 2.1: Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho đá dăm (TCVN 8819 :2011)

Phương pháp thử Lớp mặt trên Lớp mặt dưới

1 Cường độ nén của đá gốc, Mpa TCVN 7572-10: 2006

(căn cứ chứng chỉ thí nghiệm kiểm tra của nơi sản xuất đá dăm sử dụng cho công trình)

- Đá mác ma, biến chất ≥ 100 ≥ 80

2 Độ hao mòn khi va đập trong máy Los Angeles, % ≤ 28 ≤ 35 TCVN 7572-12 : 2006

3 Hàm lượng hạt thoi dẹt (tỷ lệ

4 Hàm lượng hạt mềm yếu, phong hoá , % ≤ 10 ≤ 15 TCVN 7572-17 : 2006

5 Hàm lượng hạt cuội sỏi bị đập vỡ (ít nhất là 2 mặt vỡ), % - - TCVN 7572-18 : 2006

6 Độ nén dập của cuội sỏi được xay vỡ, % - - TCVN 7572-11 : 2006

7 Hàm lượng chung bụi, bùn, sét,

8 Hàm lượng sét cục, % ≤ 0.25 ≤ 0.25 TCVN 7572-8 : 2006 9 Độ dính bám của đá với nhựa đường, cấp ≥ 3 ≥ 3 TCVN 7504 : 2005

 Cốt liệu mịn (cát) là cốt liệu lọt qua sàng 4.75mm và giữ lại trên sàng 0.075mm Bảng 2.2 thể hiện các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu mịn

Bảng 2.2: Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho cát (TCVN 8819 : 2011)

Các chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử

1 Mô đun độ lớn (MK) ≥ 2 TCVN 7572-2: 2006

2 Hệ số đương lượng cát (ES), %

3 Hàm lượng chung bụi, bùn, sét, % ≤ 3 TCVN 7572- 8 : 2006

4 Hàm lượng sét cục, % ≤ 0.5 TCVN 7572- 8 : 2006

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

- BTNC làm lớp mặt trên ≥ 43

- BTNC làm lớp mặt dưới ≥ 40

 Bột khoáng là sản phẩm được nghiền từ đá gốc hay sỉ, là cốt liệu lọt qua sàng 0.075mm Bảng 2.3 thể hiện các chỉ tiêu cơ lý quy định của bột khoáng

Bảng 2.3: Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho bột khoáng (TCVN 8819 : 2011)

Các chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử

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

3 Chỉ số dẻo của bột khoáng nghiền từ đá các bô nát, % ≤ 4.0 TCVN 4197-1995

Chất kết dính (nhựa đường hay Bitum) là một hợp chất hữu cơ có độ nhớt cao, lỏng hay bán rắn, nó có mặt trong phần lớn các loại dầu thô và trong một số trầm tích tự nhiên Nhựa đường phần lớn được ứng dụng trong xây dựng đường, là một loại chất kết dính được trộn với các loại cốt liệu theo một tỉ lệ nhất định để tạo thành bê tông nhựa

Nhựa đường có tác dụng liên kết các cốt liệu với nhau Các tính chất vật lý của nhựa đường thay đổi đáng kể theo nhiệt độ Ở nhiệt độ phòng, nhựa đường có tính mềm dẻo như cao su; ở nhiệt độ cao sẽ hóa lỏng tương tự như dầu và ở nhiệt độ âm sẽ cứng và giòn Một số loại nhựa đường được thêm vào một tỉ lệ nhỏ các polime nhằm cải thiện tính chất của chúng, thường được gọi là nhựa polime cải tiến (polymer modified asphalt) Bảng 2.4 là chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường 60/70

Bảng 2.4: Các chỉ tiêu cơ lý quy định cho nhựa đường 60/70 (TCVN 7493 : 2005)

Phương pháp thử Min Max

1 Độ kim lún ở 25 o C, 0.1mm, 5 giây 60 70 TCVN 7495:2005 (ASTM D 5-

2 Độ kéo dài ở 25 0 C, 5cm/phút, cm 100 - TCVN 7496:2005 (ASTM D

3 Điểm hóa mềm (dụng cụ vòng và bi), o C 46 - TCVN 7497:2005 (ASTM D

4 Điểm chớp cháy (cốc mở

5 Tổn thất khối lượng sau gia nhiệt

6 Tỷ lệ độ kim lún sau gia nhiệt 5 giờ ở 163 o C so với ban đầu, % 75 - TCVN 7495:2005 (ASTM D 5-

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

2042-01) 8 Khối lượng riêng, g/cm 3 1.0 - 1.05 TCVN 7501:2005 (ASTM D

70-03) 9 Độ nhớt động học ở 135 o C, mm 2 /s (cSt) Pa.s TCVN 7502:2005 (ASTM D

10 Hàm lượng paraphin, % khối lượng - 2.2 TCVN 7503:2005

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

2.2.2 Các đặc tính mong muốn của hỗn hợp bê tông nhựa nóng

Các đặc tính mong muốn của BTN nóng phụ thuộc vào quá trình thiết kế hỗn hợp Các tính chất này còn phụ thuộc một hoặc toàn bộ các tính chất bao gồm hàm lượng và đặc tính của chất kết dính; mức độ đầm nén và các đặc tính của cốt liệu như cấp phối, cấu trúc, hình dạng và các thành phần hóa học Một số các tính chất mong muốn của hỗn hợp BTN được thể hiện như sau [6]

 Khả năng chống biến dạng vĩnh viễn (lún) : mặt đường không bị biến dạng hoặc bị dịch chuyển khi chịu tải trọng giao thông, đặc biệt là ở nhiệt độ cao và thời gian chịu tải dài

 Độ bền : hôn hợp BTN có khả năng chống lại các tác động của thời tiết và tác động bào mòn của giao thông

 Sức kháng mỏi : mặt đường không bị nứt dưới tác dụng của tải trọng lặp lại trong một chu kỳ thời gian

 Sức kháng trượt : mặt đường phải có khả năng chống trượt, đặc biệt trong điều kiện thời tiết ẩm ướt Tính chất của cốt liệu như cấu trúc, hình dạng, kích thước là các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng trượt

 Dễ sử dụng : hỗn hợp phải dễ dàng trong việc sử dụng như dễ rải và đầm nén để đạt được độ chặt yêu cầu

 Sức kháng ẩm : hỗn hợp không bị suy giảm đáng kể khi bị sự thấm nhập của độ ẩm

 Tiếng ồn thấp và thoát nước tốt : tính chất này là quan trọng đối với lớp mặt của kết cấu mặt đường

 Khả năng kháng nứt ở nhiệt độ thấp : đặc tính này rất quan trọng ở các vùng lạnh

2.2.3 Cấp phối cốt liệu cho hỗn hợp bê tông nhựa nóng

Cấp phối hay còn gọi là sự phân bố của các kích thước cốt liệu là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng của hỗn hợp BTN Cấp phối giúp xác định hầu hết các đặc tính quan trọng như : độ cứng, độ ổn định, độ bền, độ thấm, khả năng làm việc, khả năng kháng mỏi, và khả năng chống thiệt hại ẩm cấp phối thường được xác định bằng cách phân tích cỡ sàng Bảng 2.5 là giới hạn về thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu cho BTN chặt 12.5

Bảng 2.5: Cấp phối cốt liệu BTN chặt 12.5 (TCVN8819 :2011)

1 Cỡ hạt lớn nhất danh định, mm 12,5

2 Cỡ sàng mắt vuông, mm Lượng lọt qua sàng, % khối lượng

3 Hàm lượng nhựa đường tham khảo, % khối lượng hỗn hợp bê tông nhựa 5,0-6,0

Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu đối với BTN chặt 12.5 được thể hiện ở bảng 2.6

Bảng 2.6: Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu với BTN chặt 12.5 (TCVN 8819 : 2011)

Các chỉ tiêu Quy định Phương pháp thử

TCVN 8860-1:2011 2 Độ ổn định ở 60 0 C, 40 phút, kN ≥ 8.0

4 Độ ổn định còn lại, % ≥ 75 TCVN 8860-12:2011

6 Độ rỗng cốt liệu (tương ứng với độ rỗng dư 4%), %

- Cỡ hạt danh định lớn nhất 12,5 mm ≥ 14

Nhựa polime cải tiến

2.3.1 Giới thiệu chung Để cải thiện hiệu suất của mặt đường BTN, nhiều hợp chất cao phân tử đã được đưa vào hỗn hợp nhựa đường như chất phụ gia trong nhiều hình thức khác nhau Hỗn hợp nhựa đường polime giúp tăng cường khả năng kháng mỏi, cải thiện khả năng chống nứt do nhiệt độ thấp, giảm sự nhạy cảm nhiệt độ, và nâng cao sức kháng lún [2,3]

Polime chủ yếu được đưa vào hỗn hợp nhựa đường như một loại phụ gia cho chất kết dính Ngoài ra, chúng có thể được sử dụng để thay thế một phần cốt liệu có kích thước nhất định trong hỗn hợp bê tông nhựa Các tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa polime phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm polime, điều kiện và khả năng tương thích của polime với hỗn hợp nhựa đường

Polime gồm nhiều loại và phân loại khác nhau Trong đó, nhựa dẻo (Plastics) là một trong những polime được sử dụng phổ biến nhất hiện nay Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tìm kiếm sự phù hợp của chất thải từ nhựa trong hỗn hợp BTN

Qua đó đã cho thấy rằng, sử dụng các chất thải từ nhựa là việc làm hết sức ý nghĩa, không chỉ tăng cường chất lượng BTN mà còn góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

Polime là khái niệm được dùng cho các hợp chất cao phân tử, gồm nhiều đơn vị nhỏ lặp đi lặp lại Có hai loại polime là polime tự nhiên và polime tổng hợp Chúng đều được sử dụng phổ biến và trở nên thiết yếu trong cuộc sống hằng ngày Cả polime tự nhiên và polime tổng hợp đều được tạo ra qua quá trình trùng hợp của nhiều phân tử nhỏ, được gọi là các monome Ví dụ, các monome ethylene đơn lẻ khi nối lại với nhau thành chuỗi sẽ tạo thành polyethylene Khi hai hay nhiều monome khác nhau được kết hợp lại sẽ tạo thành một hợp chất gọi là copolyme Các loại polime thường được sử dụng có thể được chia thành hai loại: chất đàn hồi (elastomers) và chất dẻo (plastomers) [7]

Chất đàn hồi là thuật ngữ dùng cho các vật liệu có tính đàn hồi nói chung, có thể khôi phục lại hình dạng ban đầu sau khi bị kéo căng đến một mức độ nhất định Các chất đàn hồi với lịch sử lâu nhất được sử dụng là polyisoprene, thành phần polime của cao su thiên nhiên, được làm từ mủ của cây cao su Cao su tự nhiên vẫn là một polime công nghiệp quan trọng, nhưng nó bây giờ bị cạnh tranh bởi một số sản phẩm tổng hợp, chẳng hạn như cao su styren-butadien (SBR) và cao su butadien, là sản phẩm phụ của dầu mỏ và khí tự nhiên [7]

Chất dẻo có độ bền cao nhưng lại khá giòn và khả năng chống biến dạng kém

Chất dẻo điển hình là polyethylene (PE), ethylene vinyl acetate (EVA),v.v [7]

2.3.3 Phân loại polime và tổng quan về các ứng dụng của polime trong cải tiến nhựa đường

Chất đàn hồi và chất dẻo cũng được chia thành hai loại chủ yếu: nhiệt dẻo

(thermoplastic) và nhiệt rắn (thermoset) Khi nóng chảy, polime nhiệt rắn hình thành một cấu trúc liên kết mới và cấu trúc này được giữ lại khi làm nguội, đồng thời không thể trở lại cấu trúc ban đầu khi nung nóng trở lại, do đó, polime nhiệt rắn không có khả năng tái sinh Ngược lại, polime nhiệt dẻo cũng phát triển một cấu trúc mới khi nóng chảy và được giữ lại khi làm nguội, nhưng vẫn có thể trở lại cấu trúc ban đầu khi nung nóng trở lại, nhờ vậy polime nhiệt dẻo có khả năng tái sinh lại nhiều lần [7] Bảng 2.7 là các loại polime và phân loại của chúng

Bảng 2.7: Các loại polime và phân loại của chúng [7]

Loại polime Ví dụ Phân loại

Cao su thiên nhiên (Homopolymers)

Cao su thiên nhiên Polyisoprene, isoprene Đàn hồi, Nhiệt rắn Cao su tổng hợp

Cao su Styrene-Butadiene (SBR) Đàn hồi, Nhiệt rắn

Neoprene Đàn hồi, Nhiệt rắn

Polybutadiene (PB, BR) Đàn hồi, Nhiệt rắn

Styrene-Butadiene-Styrene (SBS) Đàn hồi, Nhiệt dẻo Styrene-Isoprene-Styrene (SIS) Đàn hồi, Nhiệt dẻo Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS) Đàn hồi, Nhiệt dẻo

Styrene-Butadiene (SB) Diblock Đàn hồi, Nhiệt dẻo

Cao su tái chế Mảnh vụn cao su Đàn hồi, Nhiệt rắn

Low density Polyethylene (LDPE) Chất dẻo, Nhiệt dẻo High density Polyethylene (HDPE) Chất dẻo, Nhiệt dẻo Ethylene Acrylate Copolymer Chất dẻo, Nhiệt dẻo Ethyl-Vinyl-Acetate (EVA) Chất dẻo, Nhiệt dẻo

Ethyl-Methacrylate Chất dẻo, Nhiệt dẻo

Polyvinyl Chloride (PVC) Chất dẻo/Đàn hồi,

Nhiệt dẻo Ethylene-Propylene-Diene-Monomer

(EPDM) Chất dẻo, Nhiệt dẻo

Acrylates, Ethyl-Methacrylate (EMA), Ethyl-Butyl-Acrylate (EBA) Chất dẻo, Nhiệt dẻo

2.3.3.1 Cao su thiên nhiên (Natural Rubber)

Cao su thiên nhiên (Hình 2.2) là một polime đàn hồi, là hydrocacbon của nhiều isoprene (polyisoprene), được sản suất từ nhựa (mủ) của cây cao su (natural ruber latex)

Việc sử dụng cao su thiên nhiên cải tiến nhựa đường cho khả năng kháng lún tốt hơn, độ dẻo và tính đàn hồi cao hơn Tuy nhiên, do cao su thiên nhiên có trọng lượng phân tử cao nên tính tương thích thấp, cần nhiệt độ trộn cao và thời thời gian trộn lâu để phân tán trong nhựa đường [8]

Hình 2.2: Cao su thiên nhiên

2.3.3.2 Cao su tổng hợp (Synthetic Rubber)

Là loại polime nhiệt rắn, cao su tổng hợp dùng làm phụ gia cho nhựa đường thường có dạng mủ (latex), là hỗn hợp của các hạt polime phân tán trong nước Mủ cao su tổng hợp thường dùng là styrene-butadien-rubber (SBR), polychloroprene

(Neoprene) và polybutadien (PB) Trong đó, SBR được sử dụng phổ biến nhất, việc xử lý và pha trộn mủ cao su SBR là khá dễ dàng Khi trộn một lượng mủ cao su thích hợp với nhựa đường sẽ tạo thành một hỗn hợp có đặc tính như một mạng lưới polime liên tục, mạng lưới này bao phủ các hạt nhựa đường Từ đó mang lại các lợi ích như tăng độ bền, tăng sức kháng trượt, cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ thấp, độ đàn hồi và độ dính bám cốt liệu tốt hơn [8]

Một bản tóm tắt kỹ thuật trên trang wed Cục Hàng Không Liên Bang Mỹ đã mô tả các lợi ích của SBR trong việc cải tiến nhựa đường như tăng độ dẻo ở nhiệt độ thấp; độ đàn hồi, tính dính kết cũng được cải thiện Lợi ích của cao su dạng mủ là các hạt cao su thì cực nhỏ và đồng nhất Khi tiếp xúc với nhựa đường trong quá trình trộn, các hạt cao su sẽ phân tán nhanh chóng và đồng đều, tạo thành một mạng lưới cấu trúc vững chắc [5]

Takamura (2001) [9] đã chứng minh lợi ích của SBR trong cải tiến nhựa đường và các hỗn hợp xử lý bề mặt, với sự gia tăng đáng kể trong kháng lún ở nhiệt độ cao (Hình 2.3), cũng như khả năng giữ cốt liệu tốt hơn (Hình 2.4)

Hình 2.3: Khả năng kháng lún của hỗn hợp nhựa SBR (Takamura, 2001)

Hình 2.4: Khả năng giữ cốt liệu của hỗn hợp nhựa SBR (Takamura, 2001)

Copolyme là sự kết hợp của hai hay nhiều homopolymer (polime đồng nhất) khác nhau, copolyme khối thường được tạo thành do quá trình polime hóa ion (đồng trùng hợp) Copolyme khối hầu hết là chất đàn hồi nên có thể cải thiện tính đàn hồi của nhựa đường [8] Ví dụ điển hình cho copolyme khối là SBS (styrene-butadien-styrene), SIS (Styrene-Isoprene-Styrene), ABS (Acrylonitrile-Butadiene-Styrene) Trong đó SBS được sử dụng phổ biến nhất

Becker et al (2001) [8] đã chỉ ra rằng, các copolyme khối đều mang lại độ dẻo tốt ở nhiệt độ thấp, kháng lún tốt hơn ở nhiệt độ cao, tăng tính liên kết giữa nhựa và cốt liệu; cũng như cường độ, độ đàn hồi và khả năng chống lão hóa rất tốt Nhược điểm của SBS là có giá khá cao, SIS thì giảm khả năng chống thấm nhập

2.3.3.4 Cao su tái chế (Reclaimed Rubber)

Tại sao phải cải tiến nhựa đường

Những nguyên nhân chủ yếu cần thiết phải cải tiến nhựa đường bao gồm:

 Sự phát triển của giao thông đường bộ đang tạo áp lực ngày càng tăng cho kết cấu áo đường, mặt đường BTN thông thường không thể chịu được tải trọng trục và áp suất lốp xe quá lớn

 Kinh phí bảo trì còn hạn chế

 Giá thành xây dựng ngày càng tăng cao khiến cho chiều dày kết cấu áo đường có xu hướng giảm dần, từ đó làm giảm tuổi thọ mặt đường

 Sự ảnh hưởng ngày càng lớn của khí hậu

Các vấn đề thường gặp của kết cấu áo đường bê tông nhựa:

 Biến dạng không phục hồi được (lún) do nhiệt độ cao

 Bị nứt do nhiệt độ thấp

 Bị lão hóa do quá trình oxy hóa

Như vậy, để cải thiện hiệu suất của mặt đường, thêm các loại phụ gia vào nhựa đường đã được áp dụng Trong đó, polime là loại phụ gia phổ biến nhất và được sử dụng nhiều nhất trong cải tiến nhựa đường

Bổ sung polime thường tăng độ cứng của nhựa đường và cải thiện tính nhạy cảm nhiệt độ của nó, kháng lún và nứt tốt hơn, tăng tuổi thọ của mặt đường và giảm chi phí bảo trì, đồng thời cũng cải thiện tính bám dính và liên kết cốt liệu [4,5].

Các vấn đề về chất thải từ nhựa (Waste Plastics)

Bảo vệ môi trường là vấn đề sống còn của quốc gia và dân tộc Sự phát triển kinh tế và tăng trưởng dân số càng nhanh thì càng đặt ra nhiều vấn đề về bảo vệ môi trường Đó là vấn đề lượng chất thải ngày càng tăng, trong đó, nhiều chất thải không thể phân hủy như tro bay, sỉ thép, nhựa dẻo, lốp xe phế liệu, … Các chất thải này khi thải ra môi trường có thể tồn tại hàng trăn năm dẫn đến cuộc khủng hoảng về rác thải và các vấn đề liên quan đến môi trường

Nhựa công nghiệp đã có những bước phát triển mạnh mẽ trong hai thập kỷ qua từ nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của các loại sản phẩm này Nhựa thường được dùng trong các lĩnh vực sản suất bao bì, xây dựng, nông nghiệp, công nghệ cao,… là một trong những sản phẩm thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày Việc sử dụng các sản phẩm không phân hủy này đang ngày càng tăng Cùng lúc đó, các chất thải từ nhựa đang gia tăng từng ngày và vấn đề đặt ra là làm sao để xử lý các chất thải này [1]

Xử lý nguồn rác thải từ nhựa với số lượng ngày càng lớn đang là một vấn đề thực sự tại Việt Nam và nhiều nước trên Thế giới, nhất là các nước đang phát triển Theo một báo cáo được đăng trên The Washington Post (2015) [10], có 8 triệu tấn rác thải nhựa thải ra biển mỗi năm Trong đó, Việt Nam thuộc 5 quốc gia có lượng chất thải nhựa thải ra biển nhiều nhất

Do đó, một nhu cầu thực tế là cần tìm các ứng dụng có ích cho các sản phẩm từ rác thải nhựa Không chỉ tiết kiệm nhiều chi phí như chi phí xử lý rác, chi phí khắc phục môi trưởng, quỹ đất dành chôn lấp rác mà còn đáp ứng được mục tiêu bảo vệ môi trường để phát triển bền vững.

THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA –

Lựa chọn cấp phối cho thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa – Polyethylene

Cấp phối lựa chọn là cấp phối BTN chặt 12.5mm theo luận văn thạc sĩ Nguyễn Hoài Vẹn, 2015 (Cấp phối 1) [22] với hàm lượng nhựa đường tối ưu là 5.74%; và luận văn thạc sĩ Trần Huy Hải, 2016 (Cấp phối 2) [23] với hàm lượng nhựa đường tối ưu là 5.44% Cả 2 cấp phối được thiết kế theo TCVN 8820:2011 theo nguyên tắc sau:

 Trong công tác thiết kế hỗn hợp BTN, công việc đầu tiên là phải phối trộn cốt liệu (đá dăm, cát, bột đá) để chọn ra 1 hỗn hợp cốt liệu có thành phần hạt đạt yêu cầu kỹ thuật

 Việc phối trộn cốt liệu được tiến hành theo nguyên tắc sau: đối với bất kỳ 1 hỗn hợp cốt liệu nào thì lượng lọt sàng (%) của hỗn hợp cốt liệu qua 1 cỡ sàng bất kỳ đều tuân theo công thức sau:

- P là lượng lọt qua sàng (%) của 1 cỡ sàng bất kỳ của hỗn hợp cốt liệu;

- A, B, C,D, là lượng lọt qua sàng (%) của 1 cỡ sàng bất kỳ của từng loại cốt liệu sử dụng để phối trộn;

- a, b, c,d, là tỷ lệ phối trộn của từng loại cốt liệu sử dụng để phối trộn a+b+c+d+ = 1 (100%) (3.2)

 Dựa vào công thức 3.1 và 3.2, trên cơ sở đã biết cấp phối của từng loại cốt liệu (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng bất kỳ A, B, C, D ), tiến hành lựa chọn tỷ lệ phối trộn của từng loại cốt liệu (a, b, c, d, ) một cách hợp lý để sao cho hỗn hợp cốt liệu được chọn có thành phần hạt nằm trong miền giới hạn đường bao cấp phối hỗn hợp cốt liệu quy định tại Tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu

 Dựa trên nguyên tắc này để tính toán phối trộn Để thuận tiện cho việc tính toán phối trộn, tiến hành lập phần mềm tính toán hoặc sử dụng phần mềm Microsoft Excel

Bảng 3.1 và Hình 3.1 là 2 cấp phối sử dụng trong nghiên cứu

Bảng 3.1: Thành phần cốt liệu cấp phối nghiên cứu

Cỡ sàng (mm) Lƣợng lọt sàng (%)

Hàm lượng PE được sử dụng với 5 hàm lượng là 6, 9, 12, 15 và 18% so với hàm lượng nhựa đường tối ưu Hàm lượng này áp dụng cho cả 2 cấp phối

Hình 3.1: Hai đường cong cấp phối nghiên cứu.

Lựa chọn vật liệu cho thiết kế hỗn hợp

Cốt liệu được chọn từ trạm trộn bê tông nhựa nóng của công ty cổ phần đầu tư xây dựng BMT chi nhánh Long An Bảng 3.2 là kết quả thí nghiệm cốt liệu Trong đó:

 Cốt liệu thô có kích thước lọt sàng 19mm và giữ trên sàng 4.75mm

 Cốt liệu mịn có kích thước lọt sàng 4.75mm và giữ trên sàng 4.75mm

 Bột khoáng được sử dụng là xi măng

Cận trên Cận dưới Cấp phối 1 Cấp phối 2

Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm cốt liệu

Chỉ tiêu thí nghiệm Đơn vị Kết quả Yêu cầu PP thí nghiệm

Tỷ trọng cốt liệu thô g/cm 3 2.708 AASHTO T 85-2000

Tỷ trọng cốt liệu mịn g/cm 3 2.677 AASHTO T 84-2000

Tỷ trọng bột khoáng g/cm 3 2.953 TCVN 4195:1995 Độ hao mòn khi va đập trong máy

Hàm lượng hạt thoi dẹt % 10.73 max 12 TCVN 7572-13:2006 Độ dính bám đá - nhựa cấp 5 min 3 TCVN 7504:2005

Một số hình ảnh thí nghiệm cốt liệu:

Hình 3.2: Bộ rây sàng và cốt liệu sau khi sàng

Hình 3.3: Thí nghiệm cốt liệu thô, cốt liệu mịn và bột khoáng

Hình 3.4: Thí nghiệm độ hao mòn khi va đập trong máy Los Angeles

Hình 3.5: Thí nghiệm độ dính bám đá – nhựa

Chất liên kết được sử dụng là nhựa đường 60/70 của Petrolimex và hạt nhựa tái sinh PE của công ty nhựa Thuận Thắng tại Quận 11, TP HCM

Nhựa tái sinh PE được sử dụng là loại nhựa có dạng hạt, kích thước từ 1–3 mm

Theo nhà sản xuất, hạt nhựa được tái chế từ các loại túi đi chợ, có hàm lượng HDPE khoảng 50%, còn lại là LDPE là một số tạp chất khác

Hình 3.6: Nhựa đường 60/70 và hạt nhựa tái sinh PE

Bảng 3.3 và Bảng 3.4 là kết quả thí nghiệm nhựa đường và hạt nhựa tái sinh PE

Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm nhựa đường

Các chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Yêu cầu Phương pháp thử Độ kim lún ở 25 o C, 0.1mm, 5 giây 1/10mm 70 min 60 max 70 TCVN 7495:2005 Độ kéo dài ở 25 o C, 5cm/phút cm >100 min 100 TCVN 7496:2005 Điểm hóa mềm (dụng cụ vòng và bi) oC 49.3 min 46 TCVN 7497:2005 Điểm chớp cháy (cốc mở Cleveland) oC 318 min 232 TCVN 7498:2005 Tỷ lệ độ kim lún sau gia nhiệt 5 giờ ở 163 o C so với ban đầu % 74.96 min 54 TCVN 7495:2005 Độ hòa tan trong tricloetylen % 99.83 min 99 TCVN 7500:2005 Khối lượng riêng g/cm 3 1.037 1.0 - 1.05 TCVN 7501:2005

Hàm lượng paraphin % khối lượng 1.52 max 2.2 TCVN 7503:2005 Độ bám dính với đá cấp cấp 5 min cấp 3 TCVN 7504:2005

Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm hạt nhựa tái sinh PE

Các chỉ tiêu Đơn vị Kết quả

Nhiệt độ hóa mềm o C 130 Độ dãn dứt % 400

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA – POLYETHYLENE

Chế bị mẫu

Chế bị mẫu là một trong các khâu quan trọng, yêu cầu mẫu phải tuân thủ các quy trình thí nghiệm đối với các chỉ tiêu cần kiểm tra

Tổng số lượng mẫu đúc mới cho cả 2 cấp phối là 132 mẫu Khối lượng thí nghiệm đánh giá các đặc trưng cơ lý của hỗn hợp BTN - Polyethylene được tổng hợp thành 2 bảng sau:

Bảng 4.1: Tổng hợp số lượng mẫu yêu cầu thí nghiệm cho cấp phối 1

Tên mẫu Loại mẫu Số lƣợng Ghi chú

Thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh của vật liệu ở 30 0 C

Thông thường D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 6% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 9% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 12% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 15% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 18% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ) ở 25 0 C

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm độ ổn định Marshall

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm độ mài mòn Cantabro

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Tổng số lƣợng mẫu cho cấp phối 1 72

Bảng 4.2: Tổng hợp số lượng mẫu yêu cầu thí nghiệm cho cấp phối 2

Tên mẫu Loại mẫu Số lƣợng Ghi chú

Thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh của vật liệu ở 30 0 C

Thông thường D1,6mm, H1,6mm 3 Trích dẫn

PE 6% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 9% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 12% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 15% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

PE 18% D1,6mm, H1,6mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ) ở 25 0 C

D1,6mm, Hc,5mm 3 Trích dẫn

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm độ ổn định Marshall

D1,6mm, Hc,5mm 3 Trích dẫn

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Thí nghiệm độ mài mòn Cantabro

D1,6mm, Hc,5mm 3 Trích dẫn

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

D1,6mm, Hc,5mm 3 Đúc mẫu mới

Tổng số lƣợng mẫu cho cấp phối 2 60

Thí nghiệm mô-đun đàn hồi vật liệu

Thí nghiệm xác định mô-đun đàn hồi được thực hiện theo 22TCN 211-06 [26]

Xác định mô-đun đàn hồi tĩnh vật liệu bê tông nhựa được thực hiện bằng cách ép các mẫu trụ tròn trong điều kiện cho nén nở hông tự do (nén 1 trục, mẫu không đặt trong khuôn, bản ép bằng đường kính mẫu) Lúc này trị số mô-đun đàn hồi của vật liệu được tính theo trị số biến dạng đàn hồi L đo được khi thí nghiệm ép, tương ứng với tải trọng p (Mpa) với công thức sau:

D là đường kính mẫu (đường kính bàn ép) và H là chiều cao mẫu

P (kN) là lực tác dụng lên bàn ép Khi thí nghiệm thường lấy p = 0,5 Mpa (tương đương với áp lực làm việc của vật liệu áo đường) Đường kính mẫu thì chọn tùy cỡ hạt lớn nhất có trong vật liệu dmax (D ≥ 4dmax); Chiều cao mẫu có thể bằng hai hoặc bằng đường kính mẫu Thường mẫu có kích thước như sau: D 1.6 mm, H = 101.6 ± 2 mm

Các mẫu phải được chế bị đúng với thực tế thi công về tỷ lệ các thành phần, về độ chặt, độ ẩm hoặc khoan lấy mẫu vật liệu vừa được rải và lu lèn như thực tế hiện trường

Mẫu BTN thường được chế bị với áp lực khoảng 30Mpa và duy trì áp lực này trong 3 phút

Mẫu bê tông nhựa được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng ít nhất 16 giờ và trước khi thí nghiệm ép phải giữ ở nhiệt độ tính toán trong 2,5 giờ để đảm bảo toàn khối đạt đến nhiệt độ đó (giữ trong tủ nhiệt hoặc ngâm trong nước ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tính toán vài độ)

Mẫu đem ép với chế độ gia tải 1 lần Giữ áp lực p trên mẫu cho đến khi biến dạng lún ổn định, cụ thể được xem là ổn định khi tốc độ biến dạng chỉ còn 0,01mm/phút (trong vòng 5 phút) Sau đó dỡ tải ra và đợi biến dạng phục hồi cũng đạt được độ ổn định như trên thì mới đọc thiên phân kế để xác định trị số biến dạng đàn hồi L

Một số hình ảnh chế bị và thí nghiệm mẫu:

Hình 4.1: Thiết bị tạo mẫu mô-đun đàn hồi

Hình 4.2: Mẫu mô-đun đàn hồi và thí nghiệm xác định mô-đun đàn hồi

Kết quả thí nghiệm xác định mô-đun đàn hồi vật liệu cho 2 cấp phối

Hình 4.3: Kết quả thí nghiệm mô-đun đàn hồi của cấp phối 1

Hình 4.4: Kết quả thí nghiệm mô-đun đàn hồi của cấp phối 2

Mô-đun đàn hồi của cấp phối 1

Mô-đun đàn hồi của cấp phối 2

Mô-đun đàn hồi (Mpa)

Mô-đun đàn hồi (Mpa)

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy mô-đun đàn hồi của cấp phối 1 đạt lớn nhất 529.25Mpa ứng với hàm lượng PE 6% và có xu hướng giảm dần khi tăng hàm lượng PE; cấp phối 2 có mô-đun đàn hồi tăng rất đáng kể khi trộn thêm PE, đạt mức cao nhất 498.89Mpa ứng với hàm lượng PE 12%.

Thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ)

Cường độ chịu kéo của vật liệu hỗn hợp BTN được xác định bằng thí nghiệm ép chẻ theo TCVN 8862:2011 [27]

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 vượt quá khả năng chịu kéo của vật liệu mẫu thử

Cường độ kéo khi ép chẻ thường lớn hơn cường độ kéo dọc trục và nhỏ hơn cường độ kéo khi uốn của mẫu vật liệu Cường độ kéo khi ép chẻ còn được gọi là cường độ kéo gián tiếp, hoặc cường độ kéo khi bửa

Phạm vi áp dụng: tiêu chuẩn này qui định trình tự thí nghiệm để xác định cường độ kéo khi ép chẻ (cường độ chịu kéo gián tiếp) của vật liệu bê tông nhựa Tiêu chuẩn này áp dụng cho các mẫu hình trụ được chế bị trong phòng thí nghiệm

Mục đích thí nghiệm: Xác định 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 giá trị tối đa, mẫu thử hình trụ sẽ bị phá hủy theo mặt phẳng thẳng đứng do ứng suất kéo phát sinh vượt quá khả năng chịu kéo của mẫu vật liệu thử

 Máy nén có khả năng tăng tải đến phá hủy mẫu, có đồng hồ đo lực và có hộp số để điều chỉnh tốc độ nén mẫu

 Tấm đệm truyền tải bằng thép, một mặt có dạng lòng máng, có bán kính bằng bán kính của đáy mẫu trụ Chiều rộng của tấm đệm truyền tải bằng thép bằng 12,70±0,30mm khi dùng cho mẫu trụ có đường kính 101.6 mm Chiều dài của tấm đệm truyền tải dài hơn đường sinh của mẫu trụ khoảng 3÷5mm về mỗi bên

Một tấm đệm được đặt gá lắp vào bàn nén ở dưới và một tấm đệm được đặt gá lắp vào bộ phận phía trên của máy

 Các thiết bị, dụng cụ điều chỉnh và kiểm tra nhiệt độ

 Tủ ổn nhiệt bằng nước để đặt mẫu thử ở nhiệt độ qui định

 Nhiệt kế có độ chính xác 0,10C

 Chuẩn bị mẫu thử hình trụ của vật liệu bê tông nhựa tuân theo tiêu chuẩn TCVN 8860:2011 Đường kính đáy mẫu hình trụ bằng 101,6mm, chiều cao của mẫu bằng 101,6mm

 Mẫu thử hình trụ phải được bảo dưỡng trong bể ổn nhiệt ở nhiệt độ xác định, trong thời gian qui định của yêu cầu thử nghiệm trước khi đưa vào máy nén để ép chẻ

 Một tổ mẫu gồm 3 viên mẫu

Một tải trọng 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 Tải trọng nén được tăng liên tục và đều với tốc độ biến dạng (hoặc tốc độ tăng tải) quy định cho đến khi mẫu trụ bị phá hủy Tải trọng tương ứng với trạng thái mẫu bị phá hủy được ghi lại và dùng để tính cường độ kéo khi ép chẻ của vật liệu thông qua các kích thước của mẫu trụ

 Xác định diện tích thiết diện chịu kéo khi ép chẻ của các viên mẫu trụ Trên mẫu thử hình trụ kẻ khung tạo bởi hai đường sinh và hai đường kính cùng nằm trên một mặt phẳng Đo chính xác tới 1mm các cặp cạnh song song với nhau từng đôi một và tính các giá trị trung bình Diện tích chịu kéo là diện tích của khung đã kẻ tính theo các giá trị trung bình của các cạnh

 Bảo dưỡng mẫu trong tủ nhiệt ở 25 o C trong 4h Độ sai lệch nhiệt độ cho phép là ±1 o C

 Ép chẻ mẫu thử bằng cách tăng tải liên tục và đều cho đến khi mẫu bị phá hủy: Tốc độ biến dạng (tốc độ di chuyển bàn nén của máy) khi ép chẻ mẫu bằng 50±5 mm/phút Ghi lại tải trọng tối đa phá hủy mẫu cho từng viên mẫu thử

Cường độ kéo khi ép chẻ Rkc của từng viên mẫu thử hình trụ được tính chính xác đến 0,01 MPa theo công thức:

P : tải trọng khi phá hủy mẫu, N;

H : Chiều cao của mẫu hình trụ (chiều dài đường sinh), mm;

D : Đường kính đáy mẫu hình trụ, mm

Cường độ kéo khi ép chẻ của vật liệu là giá trị cường độ trung bình của ba viên trong tổ mẫu nếu giá trị lớn nhất và nhỏ nhất không lệch nhau quá 15% so với giá trị của viên trung bình Nếu một trong hai giá trị trên lệch quá 15% so với viên trung bình thì loại bỏ cả hai giá trị lớn nhất và nhỏ nhất Khi đó cường độ kéo khi ép chẻ được tính theo giá trị của viên trung bình còn lại

Một số hình ảnh thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp:

Hình 4.5: Bảo dưỡng mẫu ở 25 o C sau đó tiến hành ép chẻ

Hình 4.6: Mẫu sau khi thí nghiệm ép chẻ

Kết quả thí nghiệm xác định cường độ kéo khi ép chẻ cho 2 cấp phối

Hình 4.7: Kết quả thí nghiệm ép chẻ của cấp phối 1

Hình 4.8: Kết quả thí nghiệm ép chẻ của cấp phối 2

Cường độ ép chẻ St của cấp phối 1

Cường độ ép chẻ St của cấp phối 2

Trên cở sở kết quả thí nghiệm ép chẻ, có thể thấy cường độ ép chẻ tăng dần khi tăng hàm lượng PE và không có xu hướng giảm khi hàm lượng PE tăng đến 18% Như vậy, hỗn hợp BTN – PE có cường độ ép chẻ rất tốt nhờ khả năng chịu kéo rất cao của nhựa PE.

Thí nghiệm ổn định Marshall

Thí nghiệm độ ổn định Marshall được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN 8860-1:

2011 [28] 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)

Mẫu BTN hình trụ có kích thước quy định được ngâm trong bể nước ổn nhiệt trong điều kiện xác định về nhiệt độ, thời gian và sau đó được nén đến phá huỷ trên máy nén Marshall Xác định giá trị lực nén lớn nhất và biến dạng mẫu ở cùng thời điểm để tính độ ổn định, độ dẻo Marshall

Máy ép Marshall: Tải trọng tác dụng sẽ truyền vào mẫu thử qua 2 vành của khuôn ép Máy được gắn các bộ phận cần thiết sau:

 Lò xo vòng: lò xo có sức chịu nén khoảng 4.5 tấn gắn liền với 1 lực kế Lực kế này để gián tiếp đọc tải trọng tác dụng lên mẫu

 Khuôn ép: gồm 2 vành bán nguyệt được dùng để giữ cũng như để ép mẫu thử.Vành trên sẽ di chuyển thẳng đứng nhờ 2 thanh hướng dẫn gắn liền vào vành dưới

 Chuyển vị kế đo chỉ số dẻo qui ước: chuyển vị kế chia độ thành đơn vị 1/10 mm hay 1/100 inches Nó được đặt trên thanh hướng dẫn của khuôn ép khi thí nghiệm

 Bồn nước: dùng ngâm mẫu thử trước khi thí nghiệm Bồn nước có chiều sâu ít nhất 15 cm, có bộ phận điều nhiệt để giữ nhiệt độ của nước ở 60  1 0 C và có giá đỡ để giữ mẫu thử cách đáy bồn 5cm

 Chỉ thí nghiệm sau khi đã xác định dung trọng các mẫu thử

 Ngâm mẫu thử vào bồn chứa nước đã được duy trì ở 60  1 o C trong 40 phút để có nhiệt độ thí nghiệm

 Điều chỉnh chuyển vị kế đo chỉ số dẻo qui ước về số không bằng cách dùng một hình trụ kim loại đường kính 101,6 mm đặt vào giữa 2 vành của khuôn ép

 Lau sạch mặt trong của 2 vành ép và 2 thanh hướng dẫn của khuôn ép Bôi dầu vào 2 thanh này để 2 vành ép di chuyển dễ dàng Khuôn ép phải được duy trì ở nhiệt độ 21 o C đến 38 o C khi thí nghiệm

 Điều chỉnh lực kế của lò xo vòng về số không khi không có tải trọng

 Khi tất cả dụng cụ đã sẵn sàng, lấy mẫu thử ra khỏi bồn nước và lau khô cẩn thận mặt ngoài

 Đặt mẫu thử lên chính giữa của vành dưới của khuôn ép Đặt vành trên vào vị trí và đưa toàn bộ lên bàn nén của máy ép

 Đặt chuyển vị kế vào vị trí và kiểm tra lại số không của nó

 Cho tải trọng tác dụng vào mẫu thử với tốc độ nhất định là 5,08 cm/phút ( 2 inches/phút) cho đến khi mẫu bị phá hoại Điểm phá hoại xảy ra khi đạt tải trọng lớn nhất ( đọc trên lực kế của lò xo vòng) Trị số này chính là độ ổn định Marshall của mẫu bê tông nhựa

 Toàn bộ quá trình thí nghiệm bắt đầu từ khi lấy mẫu thử khỏi bồn nước và kết thúc khi đọc xong các trị số vừa nói phải được hoàn tất trong vòng 30 giây

 Độ bền và độ dẻo Marshall lấy theo giá trị trung bình của 3 mẫu chênh lệch giữa các mẫu không quá 10% Độ ổn định Marshall của mẫu (S), tính bằng kilôniutơn (kN), chính xác tới 0.1 kN, theo công thức:

K : hệ số điều chỉnh, nội suy từ bảng tra;

P : lực nén lớn nhất (kN) Độ dẻo Marshall của mẫu là giá trị biến dạng của viên mẫu, ký hiệu là (F), tính bằng mm Độ ổn định, độ dẻo Marshall của BTN là giá trị trung bình của tối thiểu 3 mẫu

Một số hình ảnh thí nghiệm độ ổn định Marshall

Hình 4.9: Ngâm mẫu ở 60 o C trong 40 phút rồi nén Marshall

Hình 4.10: Mẫu sau khi nén Marshall

Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall cho 2 cấp phối

Hình 4.11: Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall của cấp phối 1

Hình 4.12: Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall của cấp phối 2

0 6 9 12 15 18 Độ ổn định Marshall của cấp phối 1 Độ ổn định (kN)

0 6 9 12 15 18 Độ ổn định Marshall của cấp phối 2 Độ ổn định (kN)

Hàm lƣợng PE (%) Độ ổn định (kN)

Hàm lƣợng PE (%) Độ ổn định (kN) Độ ổn định tăng rất đáng kể khi thêm nhựa PE, đạt mức cao nhất 24.07kN ở hàm lượng PE 15% cho cấp phối 1 và 19.17kN ở hàm lượng PE 12% cho cấp phối 2.

Thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro

Thí nghiệm Cantabro thực hiện theo tiêu chuẩn EN NLT-352-00 [29]

 Thí nghiệm này dùng để đánh giá độ chịu mài mòn của mẫu đầm bê tông nhựa trong thùng quay Losangeles Khối lượng bị mài mòn mẫu đầm chính là giá trị để đánh giá độ bền của vật liệu bê tông nhựa, đồng thời đánh giá mối quan hệ giữa độ mài mòn Cantabro với chất lượng, hàm lượng nhựa của hỗn hợp BTNR nghiên cứu

 Thiết bị thí nghiệm: thùng quay Losangeles

Hình 4.13: Thùng quay Los Angeles

 Chuẩn bị 2 mẫu đầm Marshall cho mỗi tổ mẫu đã được thiết kế ban đầu, để ở nhiệt độ 25 o C, cân xác định khối lượng ban đầu

 Đặt mẫu vào trong thùng quay Losangeles;

 Cho thùng quay tốc độ 30-33 vòng/phút, quay trong 300 vòng thì ngừng;

 Lấy mẫu kiễm tra độ mài mòn Cantabro

 Công thức tính độ mài mòn Cantabro như sau:

 CL: Độ mài mòn Cantabro Loss (%);

 B: Khối lượng sau cùng của mẫu (g);

Theo tiêu chuẩn EN NLT-352-00, qui định độ mài mòn Cantabro của mẫu asphalt nghiên cứu: CL ≤ 20% thí nghiệm mẫu ở 25 o C, quay 300 vòng [21]

Kết quả thí nghiệm độ mài mòn Cantabro:

Hình 4.14: Kết quả thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro của cấp phối 1

0 6 9 12 15 18 Độ mài mòn Cantabro CL của cấp phối 1

Hình 4.15: Kết quả thí nghiệm xác định độ mài mòn Cantabro của cấp phối 2

Kết quả thí nghiệm cho thấy, độ mài mòn của hỗn hợp BTN – PE tăng dần khi tăng hàm lượng PE, đạt đến 6.8% và 6.39% cho cấp phối 1 và cấp phối 2 ở hàm lượng PE 18% Tuy vẫn đạt mức yêu cầu cho phép là CL ≤ 20% nhưng vẫn lớn hơn khá nhiều so với mẫu BTN thông thường.