Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu thiết kế tối ưu hàm lượng nhựa mới đưa vào bê tông nhựa tái chế nóng

MỤC LỤC HÌNH ẢNH STT Tên hình Trang CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Hình 2.2 Ứng xử của mặt đường bê tông nhựa với tải trọng tĩnh 5 Hình 2.3 Biến dạng của mặt đường bê tô

Hình 1.1 Sơ đồ trình tự thử nghiệm trong phòng 4

Hình 2.1 Các dạng cấp phối 5

Hình 2.2 Ứng xử của mặt đường bê tông nhựa với tải trọng tĩnh 5 Hình 2.3 Biến dạng của mặt đường bê tông nhựa chịu tải trọng bánh xe 7

Hình 2.4 Thay đổi thành phần của nhựa đường trong quá trình trộn, rải và khai thác [7] (Chipperfield và các cộng sự, 1970)

Hình 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn đến nhiệt độ hóa mềm 10 Hình 2.6 Ảnh hưởng của độ dày màng nhựa tới chỉ số lão hóa 11

Hình 2.7 Tác động của hàm lượng lỗ rỗng đối với quá trình lão hòa của nhựa đường [10] (Lubbers, H E.,1985)

Hình 2.8 Dụng cụ thí nghiệm TFOT 13

Hình 2.9 Dụng cụ thí nghiệm RTFOT 13

Hình 2.10 Dụng cụ thí nghiệm PAV 13

Hình 2.11 Tái chế nguội tại hiện trường-CI 17

Hình 2.12 Cào bóc mặt đường cũ, chuyển vật liệu lên xe chở về trạm trộn 18

Hình 2.13 Chế tạo hỗn hợp tái chế tại trạm trộn cố định 19 Hình 2.14 Chế tạo vật liệu tái chế tại trạm trộn di động 19

Hình 2.15 Trạm trộn di động, dễ di chuyển 19

Hình 2.16 Dây chuyền thi công Tái chế nóng tại chỗ 21

Hình 2.17 RAP thu được bằng cách bóc mặt đường bằng các thiết bị thô sơ

Hình 2.18 RAP thu từ máy cào bóc có kích thước nhỏ và tương đối đồng nhất

Hình 2.19 RAP từ nhiều nguồn khác nhau 24

Hình 2.20 Dây chuyền nghiền nghiền, sàng RAP 25

Hình 2.21 Kho chứa RAP có mái che 26

Hình 2.22 Trạm trộn chu kỳ có hệ thống tái chế nóng 28

Hình 2.23 Tái chế nóng tại trạm trộn chu kỳ 28

Hình 2.24 Trạm trộn liên tục có hệ thống tái chế nóng 29

Hình 2.25 Nguyên lý trộn hỗn hợp BTNTCN tại trạm liên tục truyền thống

Hình 2.26 Trạm trộn liên tục truyền thống dạng trống 30 Hình 2.27 Nguyên lý trộn hỗn hợp BTNTCN tại trạm liên tục Double- barrel

Hình 2.28 Trạm trộn liên tục Double-barrel với đường dẫn RAP nằm ở giữa trống

Hình 2.29 Sơ đồ trình tự thiết kế bê tông nhựa tái chế theo đề nghị của

Hình 2.30 Thu hồi nhựa theo phương pháp Abson 33

Hình 2.31 Thu hồi nhựa theo phương pháp bay hơi kiểu quay 33

Hình 2.32 Thu hồi nhựa theo phương pháp AASHTO TP2 34

Hình 2.33 Thay đổi thành phần hóa học của nhựa đường sau khi lão hóa và tái chế

Hình 2.34 Toán đồ xác định hàm lượng chất tái chế hoặc nhựa mới theo độ nhớt [MS-20]

Hình 2.35 Biểu đồ xác định hàm lượng phụ gia tái chế theo độ kim lún 36

Hình 2.36 Giản đồ mô tả quá trình khuếch tán chất kết dính của một viên đá trong quá trình tái chế (Carpenter và Wolosick,1980)

Hình 2.37 Cơ chế khuếch tán (Carpenter và Wolosick,1980) 39

Hình 2.38 Thống kê đánh giá kết quả tương tác giữa nhựa mới và nhựa lão hóa theo NCHRP 9-12

Hình 2.39 Sơ họa đoạn thử nghiệm 44

Hình 2.40 Biểu đồ quan hệ độ lún, trồi vệt bánh xe theo thời gian 45

Hình 3.4 Trộn mẫu bằng máy trộn gia nhiệt chuyên dụng 49 Hình 3.5 Thí nghiệm độ nhớt động học bằng nhớt kế mao dẫn chân không

Hình 3.6 Toán đồ tính tỷ lệ phụ gia tái chế thêm vào nhựa đường 60/70 của BTNTCN-2F và BTNTCN-2A

Hình 3.7 Biểu đồ hiển thị độ nhớt của các thành phần nhựa đường 53

Hình 3.8 So sánh chỉ tiêu độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm của các loại hỗn hợp nhựa đường

Hình 3.9 Sơ đồ tính các thành phần theo thể tích của bê tông nhựa đầm chặt

Hình 3.10 Minh họa chiều dày màng nhựa bao bọc cốt liệu 62 Hình 3.11 Sơ đồ trình tự thiết kế và thí nghiệm cho một cấp phối BTN 63 Hình 3.12 Đường cong thiết kế cấp phối BTNN C12,5 64 Hình 3.13 Sơ đồ trình tự thiết kế cấp phối BTNTCN sử dụng 20% RAP 69

Hình 3.14 Toán đồ độ nhớt xác định cấp nhựa đường mới và hàm lượng chất tái chế

Hình 3.15 Sơ đồ trình tự thiết kế cấp phối BTNTCN sử dụng 40% RAP 74

Hình 3.16 Chuẩn bị và thí nghiệm mẫu Marshall 76

Hình 3.17 Các đường cong cấp phối của hỗn hợp BTNTCN 77 Hình 3.18 Minh họa lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu 77

Hình 3.19 Bảng III-1 MS-20, Asphalt Institute 83

Hình 3.20 Biểu đồ thiết kế theo độ rỗng của các cấp phối BTNTCN sử dụng 20%RAP so với BTN truyền thống

Hình 3.21 Biểu đồ thiết kế theo độ rỗng của các cấp phối BTNTCN sử dụng 40%RAP so với BTN truyền thống

Hình 3.22 Biểu đồ so sánh độ ổn định Marshall của các cấp phối

BTNTCN sử dụng 20%RAP so với BTN truyền thống

Hình 3.23 Biểu đồ so sánh độ ổn định Marshall của các cấp phối

BTNTCN sử dụng 40%RAP so với BTN truyền thống

Hình 4.1 Chế bị mẫu trụ đo mô đun đàn hồi 88

Hình 4.2 Chế bị mẫu dầm đo cường độ chịu uốn 88

Hình 4.3 Chế bị mẫu Marshall 88

Hình 4.4 Thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu 89

Hình 4.5 Thí nghiệm cường độ chịu uốn 90

Hình 4.6 Thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp 91 Hình 4.7 So sánh độ ổn định Marshall của các loại BTN 94 Hình 4.8 So sánh cường độ kéo uốn của các loại BTN 95 Hình 4.9 So sánh cường độ ép chẻ của các loại BTN 95 Hình 4.10 So sánh mô đun đàn hồi của các loại BTN 95

Hình 4.11 So sánh tỉ số TSR của các loại BTN 96

Bảng 2.1 Ký hiệu các loại hỗn hợp bê tông nhựa 43

Bảng 2.2 Giá trị mô đun đàn hồi đặc trưng của đoạn tuyến thử nghiệm theo thời gian 45

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu thí nghiệm RAP 46

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu thí nghiệm nhựa trong RAP 47 Bảng 3.3 Các chỉ tiêu thí nghiệm phụ gia tái chế 48 Bảng 3.4 Tỷ lệ thành phần trong hỗn hợp nhựa đường 51 Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm các loại nhựa đường 53 Bảng 3.6 Các chỉ tiêu thí nghiệm của nhựa đường 60/70 55

Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm cốt liệu thô 56

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm cốt liệu mịn, đá 0x2 56 Bảng 3.9 Nội dung, khối lượng thí nghiệm bột khoáng 57

Bảng 3.10 Tóm tắt kết quả thiết kế bin nóng BTNC 12,5 65 Bảng 3.11 Bảng tính thành phần nhựa đường mới trong hỗn hợp

Bảng 3.12 Bảng tính thành phần nhựa đường mới trong hỗn hợp BTNTCN

Bảng 3.13 Bảng tính thành phần nhựa đường mới trong hỗn hợp

Bảng 3.15 Tóm tắt kết quả thiết kế bin nóng BTNTCN-1F 78 Bảng 3.16 Tóm tắt kết quả thiết kế bin nóng BTNTCN-1A 79 Bảng 3.17 Tóm tắt kết quả thiết kế bin nóng BTNTCN-2F 80 Bảng 3.18 Tóm tắt kết quả thiết kế bin nóng BTNTCN-2A 81 Bảng 3.19 Tính toán thành phần theo công thức Viện Asphalt 82 CHƯƠNG 4 : THÍ NGHIỆM CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA

Bảng 4.1 Bảng quy định nhiệt độ cho quá trình chế bị mẫu 86 Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu của các loại cấp phối

Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo uốn của các loại cấp phối 92 Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm sức kháng phá hoại dưới tác nhân độ ẩm 93 Bảng 4.5 Bảng tổng hợp thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý 94

Bê tông nhựa là hỗn hợp giữa nhựa đường, cốt liệu đá, khoáng vật tạo nên một hỗn hợp khi nén chặt lại có một cường độ nhất định chịu được bào mòn có thể trải để làm lớp áo đường Được sử dụng trong các công trình như ; đường ô tô, sân bay, bến bãi…

Dựa vào tỷ lệ của các thành phần cốt liệu hay sự phân bố cỡ hạt có thể phân loại bê tông nhựa thành 3 loại : cấp phối hở (Open-graded), cấp phối gián đoạn (Gap-Graded), cấp phối liên tục (Continuous-graded) Cấp phối hở thường được dùng để chế tạo bê tông nhựa rỗng (Porous Asphalt) ứng dụng cho lớp mặt thoát nước Cấp phối gián đoạn thường được ứng dụng để chế tạo lớp phủ mỏng tạo nhám (VTO- theo tiêu chuẩn 22TCN 345-06), Bê tông đá vữa nhựa (Stone Mastic Asphalt), Lớp bê tông nhựa tạo nhám Nova Chip… Cấp phối liên tục được ứng dụng để chế tạo bê tông nhựa chặt (Dense Graded- theo TCVN8819:2011)

Hình 2.1 Các dạng cấp phối

Cấp phối gián đoạn Cấp phối liên tục Cấp phối hở

Dựa vào nhiệt độ sản xuất có thể phân ra thành: bê tông nhựa rải nóng, bê tông nhựa rải ấm và bê tông nhựa rải nguội

2.1.2 Các tính chất của bê tông nhựa a) Mô đun độ cứng Độ cứng là khả năng chống biến dạng của hỗn hợp bê tông nhựa dưới tác động của tải trọng Vì hỗn hợp bê tông nhựa là một vật liệu nhớt đàn hồi, độ cứng của hỗn hợp bê tông nhựa thông thường bao gồm các thành phần đàn hồi và nhớt Tỷ lệ của mỗi thành phần này chủ yếu dựa vào nhiệt độ và thời gian gia tải Với thời gian chịu tải ngắn và nhiệt độ làm việc thấp, hỗn hợp bê tông nhựa sẽ ứng xử đàn hồi

Ngược lại, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng sẽ theo mô hình nhớt khi làm việc ở nhiệt độ cao và thời gian gia tải lâu [1] (Read và Whiteoak, 2003)

Mô đun độ cứng của bê tông nhựa được xác định theo công thức sau:

  (2.1) Trong đó, E : mô đun độ cứng

 : Biến dạng gây ra bởi ứng suất b) Biến dạng vĩnh viễn

Biến dạng vĩnh viễn hay còn gọi là biến dạng dư là hiện tượng biến dạng không thể phục hồi, được tích lũy sau khi dỡ tải trong mỗi chu kỳ gia tải Hình 2.2 minh họa các biến dạng khi tác dụng tải trọng Biến dạng bắt đầu gia tăng khi tải tác dụng Sau khi tải được dỡ, thành phần biến dạng đàn hồi sẽ phục hồi ngay lập tức

Ngoài ra còn có một thành phần được gọi là biến dạng đàn - nhớt sẽ hồi phục theo thời gian Tuy nhiên, sự biến dạng vĩnh viễn, do tính dẻo của nhựa đường, không thể phục hồi [2] (Perl và cộng sự, 1983) Mặc dù biến dạng nhớt và dẻo này rất nhỏ sau mỗi chu kỳ gia tải, nhưng biến dạng này sẽ tích lũy lớn dần sau hàng triệu chu kỳ gia tải (hình 2.3) Điều này sẽ gây ra hiện tượng lún mặt đường

Hình 2.2 Ứng xử của mặt đường bê tông nhựa với tải trọng tĩnh

Hình 2.3 Biến dạng của mặt đường bê tông nhựa chịu tải trọng bánh xe c) Tính mỏi của hỗn hợp bê tông nhựa Đặc trưng mỏi có thể được định nghĩa là: "Hiện tượng bị gãy khi ứng suất lặp đi lặp lại hoặc dao động có giá trị tối đa thường nhỏ hơn so với độ bền chịu kéo của vật liệu" [3] (Pell, 1988) Tuy nhiên, ứng suất kéo gây ra trên kết cấu áo đường Ứng suất

 = hằng số Đàn – dẻo Đàn hồi Đàn nhớt Vĩnh viễn ( Dẻo - Nhớt) không chỉ là do tải trọng giao thông mà còn do ảnh hưởng của môi trường xung quanh, ví dụ, sự biến động của nhiệt độ môi trường xung quanh Read (1996) [4] cũng xác định tính mỏi như: "Đặc trưng mỏi trong mặt đường bê tông nhựa là hiện tượng nứt Nó bao gồm hai giai đoạn chính, nứt ban đầu và nứt lan truyền, và được gây ra bởi ứng suất kéo tổng thể trong kết cấu áo đường không chỉ do tải trọng giao thông mà còn do thay đổi nhiệt độ và hoạt động thi công xây dựng" Các dữ liệu thực nghiệm cho thấy rằng: biên độ cường độ 30-200 microstrain là điều kiện có thể xảy ra phá hoại do mỏi [5] (Brown, 2000)

2.1.3 Độ bền của vật liệu bê tông nhựa Mặt đường bê tông nhựa nói chung là để chịu tác động của tải trọng giao thông trong điều kiện khí hậu nhất định Trong vòng đời khai thác, mặt đường bê tông nhựa phải chịu được những tác động để nâng cao được hiệu quả sử dụng Do đó, độ bền của mặt đường bê tông nhựa được khái niệm như sau (trích dẫn trong [6]

Scholz, 1995): "Độ bền của hỗn hợp bê tông nhựa được định nghĩa là khả năng chống lại các tác động của nước, lão hóa và sự thay đổi nhiệt độ của hỗn hợp vật liệu, trong quá trình khai thác mà không bị suy giảm đáng kể trong thời gian dài "

2.1.3.1 Cơ chế lão hóa của bê tông nhựa

Bê tông nhựa là hỗn hợp của nhựa đường và cốt liệu đá nên có thể hiểu cơ chế lão hóa của bê tông nhựa chính là cơ chế lão hóa của nhựa đường trong hỗn hợp

Lão hóa của bê tông nhựa được phân làm 2 thời kỳ : thời kỳ hóa già nhanh (Short- term Aging) xảy ra trong quá trình sản xuất và thi công bê tông nhựa và thời kỳ hóa già lâu (Long- term Aging) xảy ra trong quá trình khai thác của bê tông nhựa Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự lão hóa của nhựa đường nhưng chủ yếu dựa trên 4 cơ chế chính, đó là:

- Mất thành phần dầu do bị hấp thụ vào cốt liệu

- Thay đổi thành phần hóa học do các phân tử trong nhựa đường bị phản ứng ôxy hóa bởi ôxy trong môi trường

- Cấu trúc phân tử gây ra hiệu ứng thuận nghịch (hóa cứng vật lý)

- Mất mát thành phần bi tum do bay hơi nh sơ đồ hóa già nhựa đường

Hình 2.4 Thay đổi thành phần của nhựa đường trong quá trình trộn, rải và khai thác

[7] (Chipperfield và các cộng sự, 1970)

2.1.3.2 Một số tác nhân ảnh hưởng đến sự lão hóa Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn bê tông nhựa

Yêu cầu khi trộn phải bảo đảm nhiệt độ đủ cao để nhựa đường phân bố đều và nhanh trên bề mặt cốt liệu, do đó phải cố gắng hết mức để giảm thiểu thời gian trộn ở nhiệt độ thấp nhất Nhiệt độ trộn càng cao thì mức độ oxy hóa của lớp nhựa đường mỏng phủ trên bể mặt cốt liệu càng lớn Điều này được minh họa ở đổ thị hình 2.5, khi tăng nhiệt độ trộn thêm 5,5°c đối với thời gian trộn tiêu chuẩn 30 giây, điểm hóa mềm của nhựa đường [8]

(Whiteoak và cộng sự (1989)) sẽ tăng thêm 1°C Do đó người ta phải quy định mức nhiệt tối thiểu và tối đa cho quá trình trộn Nếu cốt liệu bị đun quá nóng có thể xảy ra hiện tượng nhựa đường sẽ bong khỏi cốt liệu trong thời gian bảo quản tại trạm trộn hay trên đường vận chuyển đến công trường

Hình 2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn đến nhiệt độ hóa mềm Ảnh hưởng của màng nhựa bao bọc cốt liệu

Trong quá trình trộn với cốt liệu, tất cả các cốt liệu và bột khoáng đều được phủ một lớp màng nhựa đường mỏng, lớp màng đó thường có độ dày khoảng 5 - 1 0 micrôn Như vậy, khi trộn nhựa đường với cốt liệu nóng và dàn ra thành lớp mỏng thì điều kiện để quá trình ôxy hóa và bay hơi các thành phần dầu là rất thuận lợi Sự hóa cứng của nhựa đường trong quá trình này là rất đáng kể và phải được cân nhắc khi lựa chọn cấp nhựa đường để sử dụng Người ta ước tính trong quá trình trộn thảm nhựa đường bị hóa cứng xấp xỉ một cấp có nghĩa là 100 pen xuống 70 pen, 70 pen xuống 50 pen Tuy vậy, mức độ hóa cứng phụ thuộc vào một số yếu tố như nhiệt độ, thời gian trộn, hàm lượng nhựa đường, tức là độ dày của lớp màng nhựa đường phủ trên cốt liệu Việc ngăn chặn nguyên nhân làm nhựa đường hóa cứng trong quá trình trộn thảm phụ thuộc vào việc kiểm soát một cách kỹ lưỡng tất cả các yếu tố này Đặc biệt, việc kiểm soát nhiệt độ và hàm lượng nhựa đường là cực kỳ quan trọng Tương tự, hình 2.6 cho thấy rằng giảm độ dày của lớp màng nhựa đường sẽ làm tăng đáng kể chỉ sổ lão hóa (tỷ lệ giữa độ nhớt của nhựa đường lão hóa  a so với độ nhớt của nhựa đường ban đầu  0 ) của nhựa đường [9] (Jacob (1981))

Nhiệt độ trộn, o C T hay đ ổi n hiệt độ h óa m ềm , o C

Hình 2.6 Ảnh hưởng của độ dày màng nhựa tới chỉ số lão hóa Ảnh hưởng của độ rỗng lớp bê tông nhựa mặt đường

Hình 2.7 Tác động của hàm lượng lỗ rỗng đối với quá trình lão hòa của nhựa đường

Những nghiên cứu về các vấn đề kinh tế và môi trường đã thúc đẩy nền công nghiệp tái chế thép, nhôm, chất dẻo, … và các loại vật liệu khác Trong số đó, bê tông nhựa là một trong những loại vật liệu có thể tái chế đã được các nhà nghiên cứu và đầu tư trên thế giới đưa vào ứng dụng rộng rãi Theo nhà nghiên cứu Taylor , bê tông nhựa tái chế (Reclaimed Asphalt Pavement - RAP) đã được đề cập đến từ năm 1915 nhưng nó không được phổ biến rộng rãi Đến năm 1970, nhu cầu sử dụng RAP trở nên thiết thực do sự gia tăng giá thành của nhựa đường và sự khan hiếm của vật liệu đá Những vấn đề liên quan đến kinh tế và môi trường này đã thúc đẩy phát triển công nghệ sản xuất bê tông nhựa (BTN) có pha chế RAP (Taylor, N H, 1978) [16]

Theo thống kê của nhà nghiên cứu John Sullivan [17], vào những năm 70 của thế kỉ 20 đã có khoảng 10 triệu tấn RAP (tương ứng 33%) được sử dụng, cho phép giảm đáng kể giá thành của BTN mà vẫn thỏa mãn các đặc tính và chỉ tiêu kĩ thuật

Hiện có 4 phương pháp chính sử dụng RAP: tái chế nguội tại trạm trộn, tái chế nóng tại trạm trộn và tái chế nguội tại chỗ, tái chế nóng tại chỗ [18] (Decker, D S., 1997) Theo báo cáo của Cục giao thông Minnesota (Minnesota Department of Transportaion), công nghệ tái chế nóng BTN tại trạm là phương pháp được dùng phổ biến và mang lại hiệu quả cao nhất nhờ những ưu điểm sau [19] (Michael và các cộng sự, 2002):

 Kiểm soát tốt chất lượng BTN như sản xuất BTN nhựa thông thường;

 Tiết kiệm chi phí từ 20 – 30%;

 Không lãng phí tài nguyên đá và nhựa;

 Không gây ô nhiễm môi trường Ở nước ta, công nghệ tái chế mặt đường bê tông nhựa chưa được phổ biến Từ năm 2011 đến nay mới chỉ đang thí điểm công tác tái chế nguội toàn chiều sâu tại hiện trường và đang trong giai đoạn đánh giá, phát hành quy định tạm thời

2.2.1 Tái chế nguội tại hiện trường-CIR (Cold In-Place Recycling)

Công nghệ CIR được thử nghiệm tại Nước Mỹ vào những năm 1980 Một hệ thống thiết bị để triển khai công tác này, bao gồm: hệ thống máy cào bóc, nghiền sàng, rải vật liệu, xe tải cấp chất kết dính, lu lèn Mặt đường nhựa cũ được cào bóc, nghiền để tạo nên cấp phối thích hợp, sau đó được trộn với chất kết dính Hỗn hợp sau khi trộn được rải ngay lên vị trí vừa cào bóc, được lu lèn đến độ chặt thích hợp để tạo nên lớp móng mặt đường tái chế nguội (Hình 2.11) Chất kết dính sử dụng trong tái chế nguội có thể là:

- Xi măng hay các chất thủy hóa, - Nhũ tương nhựa đường (NTNĐ), - Bi tum bọt’

- Nhũ tương nhựa đường hay bi tum bọt kết hợp với xi măng

Trên lớp tái chế nguội được phủ vật liệu thích hợp, hoặc bê tông nhựa (với đường có lưu lượng xe trung bình hoặc lớn) hoặc lớp láng nhựa Chip Seal với đường có lưu lượng xe thấp

Tái chế nguội hiện trường được phân thành 2 loại:

+ Tái chế nguội hiện trường –CIR (Cold in-place recycling)

+ Tái chế toàn chiều sâu –FDR (Full-depth reclamation) a) Tái chế nguội hiện trường –CIR

Tái chế nguội hiện trường CIR được sử dụng với đường có lưu lượng xe thấp, trung bình và nhìn chung cần phải có lớp phủ mặt Với lưu lượng xe thấp thường sử dụng loại Chip Seal hoặc Slurry Seal Đường có lưu lượng trung bình cần phủ lớp bê tông nhựa nóng

Tái chế nguội hiện trường CIR được sử dụng để khắc phục nhiều loại hư hỏng mặt đường và tính tiện nghi mặt đường nhưng không phải nguyên nhân do tải trọng gây ra nhằm hạn chế những hư hỏng tiếp tục phát triển nếu không sửa chữa

Chiều sâu lớp tái chế nguội CIR từ 2,5 cm đến 20 cm, trong đó chiều dày tối ưu thường từ 2,5 cm đến 10 cm Độ rỗng dư của hỗn hợp tái chế nguội CIR thường từ 8% đến 15%

Việc lựa chọn đoạn đường đủ điều kiện tái chế nguội CIR là rất quan trọng, bao gồm việc chọn chiều dầy tái chế thích hợp để đạt được cường độ kết cấu thỏa mãn, vì với tái chế nguội hiện trường thì không có thể cải thiện được lớp nền móng phía dưới

Hình 2.11 Tái chế nguội tại hiện trường-CIR b) Tái chế toàn chiều sâu –FDR

Tái chế toàn chiều sâu FDR thường sử dụng để khôi phục cải tạo đường hoặc xây dựng lại kết cấu đường bộ, hay mở rộng mặt đường nhằm khắc phục triệt để những hư hỏng và tăng sức chịu tải mặt đường

Chiều sâu cào bóc từ 20-30 cm và có thể lớn hơn 30 cm

Trong trường hợp đường có lượng giao thông nặng hoặc rất nặng, tiến hành rải một hoặc nhiều lớp phủ bê tông nhựa nóng lên lớp tái chế nguội

So sánh giữa Tái chế nguội tại hiện trường và tái chế nguội tại trạm trộn rút ra ưu, khuyết điểm sau: Ưu điểm của công nghệ tái chế tại hiện trường:

- Rút ngắn thời gian xây dựng: do tiến trình cào bóc tái chế được tiến hành đồng thời, mặt đường tái chế được hoàn thành ngay sau khi hệ thống thiết bị đồng bộ vận hành nên giảm thời gian xây dựng

- Không phải ngừng giao thông: có thể thi công trên một nửa chiều rộng đường, nửa còn lại vẫn giao thông bình thường

- Giảm giá thành xây dựng: do không phải vận chuyển vật liệu tái chế nên giá thành xây dựng giảm hơn so với công nghệ tái chế nguội tại trạm trộn

- Khó kiểm soát chất lượng hỗn hợp tái chế: do tính phù hợp giữa hỗn hợp tái chế thiết kế trong phòng với hỗn hợp tái chế thực tế tại hiện trường; sự đồng đều của hàm lượng chất kết dính khi trộn với vật liệu cũ

Công nghệ tái sử dụng vật liệu mặt đường bê tông nhựa cũ (RAP) tại trạm trộn bê tông nhựa nóng là phương pháp có nhiều ưu điểm Bê tông nhựa tái chế được sản xuất tại trạm trộn bê tông nhựa nóng chuyên dụng (có bộ phận cấp liệu RAP riêng) để tạo nên hỗn hợp BTNTSN thỏa mãn yêu cầu tương đương với bê tông nhựa nóng sử dụng vật liệu mới Cả 2 loại trạm trộn liên tục hoặc chu kỳ gián đoạn (gọi tắt là chu kỳ) đều có thể dùng để tái chế hỗn hợp [20] (Servas , V., 1980)

Vật liệu RAP sau khi cào bóc khỏi mặt đường hiện tại, được vận chuyển tới một trạm trộn bê tông nhựa nóng, ở đó chúng có thể được đổ thành đống để dùng sau này hoặc được gia công ngay Bằng cách nghiền, sàng RAP được làm nhỏ và phân loại tùy theo mục đích sử dụng trước khi trộn bổ sung cốt liệu mới, nhựa đường mới, chất tái chế (có hoặc không)

Công nghệ tái chế nóng mặt đường nhựa tại trạm trộn được thực hiện theo những bước sau:

- Cào bóc lớp mặt đường nhựa cũ hiện hữu từ mặt đường;

- Vận chuyển vật liệu về trạm trộn bê tông nhựa hoặc tồn chứa trong kho;

- Nghiền và sàng vật liệu RAP theo kích thước mắt sàng phù hợp để khi phối trộn với cốt liệu mới (đá dăm, cát, bột khoáng) sẽ tạo nên cấp phối cốt liệu phù hợp;

- Đưa RAP vào phễu chứa và vận chuyển đến buồng trộn để trộn chung với vật liệu mới theo cấp phối đã được thiết kế từ phòng thí nghiệm;

- Vận chuyển hỗn hợp BTNTCN ra công trường và thi công (rải, lu lèn) như với lớp bê tông nhựa thông thường

2.3.1 Thu hồi, nghiền sàng và bảo quản RAP

Có nhiều phương pháp thu hồi RAP, trong đó phổ biến bao gồm cào, cuốc, khoan cắt mặt đường cũ bằng các thiết bị thô sơ hoặc các thiết bị cơ giới (hình 2.17); cào bóc bằng máy cào chuyên dụng có chức năng nghiền (milling machine) (hình 2.18); thu gom từ sản phẩm phế thải tại trạm do quá trình sản xuất hỏng

Thông thường RAP thu được từ các thiết bị chuyên dụng có kích thước nhỏ và tương đối đồng nhất hơn các nguồn khác Do tính không đồng nhất giữa các nguồn RAP nên một số đơn vị như Cục quản lý đường cao tốc Hoa Kỳ (FHWA), khuyên không nên trộn lẫn các nguồn RAP khác nhau mà cần phải phân loại theo từng dự án [21] Tuy nhiên trên thực tế thì các nhà sản xuất thường trộn lẫn nhiều nguồn và chỉ tách riêng RAP của dự án khi có yêu cầu hoặc cần thiết Trên 22 Tiểu Bang Mỹ cho phép việc trộn lẫn RAP từ nhiều nguồn khác nhau (hình 2.19) Việc chọn phương án phân loại, từ đó đưa ra các mô hình nghiền, nghiền, sàng, lưu trữ RAP phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Các quy định bắt buộc của cơ quan quản lý địa phương - Diện tích kho bãi

- Lượng RAP tích trữ chung - Lượng RAP tích trữ của dự án riêng biệt - Hàm lượng RAP sử dụng trong hỗn hợp tái chế - Yêu cầu đặc biệt của dự án

Hình 2.17 RAP thu được bằng cách bóc mặt đường bằng các thiết bị thô sơ.

Hình 2.18 RAP thu từ máy cào bóc có kích thước nhỏ và tương đối đồng nhất.

Hình 2.19 - RAP từ nhiều nguồn khác nhau.

Quá trình nghiền, nghiền, sàng RAP được thực hiện cho các mục đích sau:

- Tạo ra các bãi đồng nhất từ việc thu hồi RAP từ nhiều nguồn

- Tách rời các vật liệu dính vào nhau từ vật liệu thu hồi mặt đường

- Giảm kích thước của RAP và phân loại để có thể sử dụng vào các cấp phối và các lớp kết cấu khác nhau

- Giảm thiểu tối đa việc tạo ra thêm thành phần hạt mịn Đối với các dự án yêu cầu lưu trữ RAP riêng biệt thì việc chọn lựa phương án cào bóc (milling) được ưu tiên hơn Việc sử dụng thiết bị cào bóc (milling machine) tạo ra RAP có kích thước nhỏ và tương đối đồng nhất, nhờ đó có thể không cần quá trình nghiền (crushing), cần lưu ý rằng quá trình nghiền có thể làm vỡ mặt cốt liệu đá và tạo ra thêm thành phần hạt mịn Tuy nhiên trong một số trường hợp cần RAP có kích thước nhỏ hơn để phù hợp với cấp phối hỗn hợp bê tông nhựa tái chế thì vẫn có thể thêm quá trình sàng để chọn ra kích thước phù hợp, đồng thời nghiền nhỏ các hạt có kích thước lớn

Trong trường hợp lưu trữ hỗn hợp RAP từ nhiều nguồn khác nhau thì tất cả các nhà sản xuất trên thế giới nhận ra rằng cần phải xử lý qua một dây chuyền nghiền (crushing), sàng (screening) để có thể thu được một hỗn hợp vật liệu đồng nhất Các thiết bị cơ giới như xe ủi, xe xúc cũng cần được huy động để trộn vật liệu trước khi đưa vào quá trình nghiền, sàng (hình 2.20)

Hình 2.20 Dây chuyền nghiền, sàng RAP.

Thông thường quá trình nghiền sàng được bắt đầu từ giai đoạn sàng sơ cấp

Quá trình sàng sơ cấp sẽ tách bớt những hạt có kích thước nhỏ để tránh các hạt này khi qua máy nghiền sẽ bị đập nhỏ hơn hoặc thành các hạt mịn Các hạt nhỏ sẽ đi qua sàng, các hạt lớn sót lại trên sàng sẽ đi qua máy nghiền Các hạt sau khi đi qua máy nghiền sẽ được vận chuyển vào kho lưu trữ thông qua hệ thống băng tải Trong trường hợp cần phân loại RAP ra nhiều loại kích thước thì RAP sau khi đi qua máy nghiền sẽ đi qua hệ thống sàng phân loại theo kích thước hạt rồi mới vận chuyển đến kho lưu trữ Một vài hệ thống được thiết kế hồi lưu đê các hạt chưa đươc nghiền nghiền quay trở lại máy nghiền và được nghiền lại

RAP sau khi nghiền sàng sẽ được vận chuyển vào bãi lưu trữ bằng băng tải hoặc cơ giới RAP khi lưu trữ dễ bị phân tầng dẫn đến không đồng nhất tại các vị trí trong bãi chứa Nhất là với cách chuyển lưu trữ bằng băng tải sẽ dẫn đến các hạt to nằm dưới đáy, các hạt nhỏ với hàm lượng nhựa cao nằm trên cao Nếu xảy ra sự phân tầng, có thể dùng xe xúc để trộn đều lại

Ngoài hiện tượng phân tầng, khi lưu trữ RAP còn dễ bị ảnh hưởng của môi trường, thời tiết như nắng, mưa, độ ẩm không khí… Để lưu trữ bảo quản tốt RAP thì cần phải đặt RAP vào kho có mái che Nếu điều kiện kinh tế cho phép thì toàn bộ vật liệu thu hồi và bộ phận nghiền sàng cũng nên được che chắn

Hình 2.21 Kho chứa RAP có mái che

Khi lưu trữ RAP theo từng bãi cũng cần phải lưu ý đến hình dạng và chiều cao của bãi Theo Viện Asphalt Hoa Kỳ thì bãi RAP nên có dạng hình nón với chiều cao giới hạn của bãi vật liệu RAP không được vượt quá 3m để hạn chế sự kết dính của RAP bởi áp lực giữa các hạt và nhiệt độ môi trường Các thiết bị cơ giới, vận tải không được phép di chuyển lên bãi vật liệu RAP để tránh hiện tượng kết dính [22]

2.3.2 Sản xuất bê tông nhựa tái chế nóng tại trạm trộn

Khi RAP là một phần của hỗn hợp BTN nóng, cần có một vài sự thay đổi trong cấu trúc truyền thống của trạm trộn Về cơ bản cấu trúc của trạm trộn truyền thống hầu như không thay đổi nhiều, chỉ bổ sung thêm các bộ phận chứa, vận chuyển RAP, phụ gia và bộ phận gia nhiệt Từ đó có rất nhiều công nghệ và thiết bị được thiết kế và sản xuất để phục vụ cho mục đích trên Đối với trạm trộn chu kỳ truyền thống (hình 2.22, 2.23): RAP được gia nhiệt bằng cách nhận nhiệt từ cốt liệu đá mới đã được nung đến nhiệt độ siêu cao (superheated) [22] Vật liệu đá mới được đun nóng tại tang sấy đến nhiệt độ siêu cao và chuyển lên bin nóng RAP từ phễu nguội (phễu RAP) được chuyển vào buồng trộn mà không qua quá trình gia nhiệt hay sấy khô Tại buồng trộn, RAP được gia nhiệt và sấy khô bằng cách nhận nhiệt từ vật liệu đá mới đã được gia nhiệt ở nhiệt độ cao, sao cho nhiệt độ cân bằng của hỗn hợp bằng nhiệt độ trộn hỗn hợp BTN nóng Tiếp theo chất tái chế (nếu dùng) đã được nấu sơ bộ đến nhiệt độ trên 100 o C, được phun vào buồng trộn và trộn chung với hỗn hợp đá và RAP trong thời gian khoảng 5 giây Ngoài ra chất tái chế cũng có thể được trộn chung với nhựa đường trước và đưa vào hỗn hợp đồng thời với nhựa đường Rồi đến bột khoáng được cho vào hỗn hợp và được trộn đều Việc trao đổi nhiệt giữa vật liệu mới và cũ được thực hiện trong suốt chu kỳ trộn Mặc dù phương pháp này đã khắc phục được vấn đề về ô nhiễm nhưng nó đòi hỏi phải giữ vật liệu trong thùng trộn lâu hơn và do đó làm giảm công suất của trạm trộn Khi tỷ lệ vật liệu RAP lớn thì cần phải đưa nhiệt độ cốt liệu mới lên quá cao nên tỷ lệ sử dụng RAP bị khống chế tối đa là 40%

[23] Một nhược điểm khác là khi dùng trạm trộn chu kỳ để tái chế là chi phí rang sấy cao, thùng sấy và bộ phận thu hồi bụi nhanh hỏng do nhiệt độ trong quá trình sản xuất cao hơn Các nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách trang bị thêm buồng sấy thích hợp để làm nóng vật liệu RAP trước khi trộn với vật liệu mới

Hình 2.22 - Trạm trộn chu kỳ có hệ thống tái chế nóng.

Hình 2.23 - Tái chế nóng tại trạm trộn chu kỳ Đối với trạm trộn liên tục truyền thống thì phương pháp truyền nhiệt cho RAP cũng thông qua cốt liệu đá siêu nóng, chỉ khác về phương pháp trộn Vật liệu đá, bột khoáng, nhựa đường, RAP được trộn trong trống trộn nên tạo ra rất nhiều khói bụi, gây ô nhiễm (Hình 2.24, 2.25, 2.26) Một vài công nghệ trộn liên tục khắc phục được nhược điểm trên được ra đời như Double-barrel của Mỹ Vật liệu đá đi vào điểm cuối của đầu đốt trong trống sấy, được sấy đến nhiệt độ cao RAP được tiếp xúc với với đá nóng tại điểm đủ cách xa đầu đốt để tránh tiếp xúc với lửa Thông thường đường đưa RAP vào trống trộn sẽ nằm giữa trống Nhựa đường mới, bột khoáng, chất tái chế, phụ gia cần thiết cũng được đưa vào Quá trình trộn xảy ra ở nửa dưới của trống trộn (Hình 2.27, 2.28) Đối với trạm trộn liên tục tái chế nóng truyền thống thì cho phép tái chế với hàm lượng RAP lên đến 70% [23]

Hình 2.24 – Trạm trộn liên tục có hệ thống tái chế nóng

Hình 2.25 - Nguyên lý trộn hỗn hợp BTNTCN tại trạm liên tục truyền thống.

Hình 2.26 Trạm trộn liên tục truyền thống dạng trống.

Hình 2.27 Nguyên lý trộn hỗn hợp BTNTCN tại trạm liên tục Double-barrel.

Hình 2.28 Trạm trộn liên tục Double-barrel với đường dẫn RAP nằm ở giữa trống

Địa điểm thử nghiệm: Quốc lộ 1 đoạn An Sương - An Lạc (Km1908+000- Km1908+400, Phải tuyến, làn ngoài (làn xe tải); chiều dài: 400m; chiều rộng: 3,5m

Tình trạng mặt đường: đoạn đường đã được đưa vào khai thác 10 năm, mặt đường đã xuất hiện các vết nứt do mỏi và hằn lún vệt bánh xe Chiều dày lớp BTN hiện hữu là 12cm Đoạn tuyến thử nghiệm được chia thành 04 phân đoạn (hình 2.39) sử dụng các cấp phối và tỷ lệ tái chế khác nhau Các loại cấp phối được quy định tại bảng 2.1

Bảng 2.1 Ký hiệu các loại hỗn hợp bê tông nhựa

Tỷ lệ RAP sử dụng trong hỗn hợp

Không sử dụng chất tái chế (mẫu đối chứng)

Sử dụng nhựa 60/70, không sử dụng chất tái chế

Sử dụng nhựa 60/70 + chất tái chế (dầu aromatic)

+ phụ gia Wetfix BTNC 12,5 BTNTCN 12,5-1 BTNTCN 12,5-2 BTNTCN 12,5-3

+ Phân đoạn 1: dài 100m, lớp trên BTNC 12.5 dày 5 cm, lớp dưới BTNC 19 dày 7 cm

+ Phân đoạn 2: dài 100m, lớp trên BTNTCN 12.5-1 dày 5 cm, lớp dưới BTNTCN 19-1 dày 7 cm

+ Phân đoạn 3: dài 100m, lớp trên BTNTCN 12.5-2* dày 5 cm, lớp dưới BTNTCN 19-2* dày 7 cm

+ Phân đoạn 4: dài 100m, lớp trên BTNTCN 12.5-3* dày 5 cm, lớp dưới BTNTCN 19-3* dày 7 cm

Hình 2.39 Sơ họa đoạn thử nghiệm

Công tác thí nghiệm và quan trắc sau thi công được tiến hành nghiêm ngặt, tuân thủ đề cương đã đề ra Tuy nhiên, khi đưa vào khai thác đoạn thử nghiệm đã xuất hiện hằn lún vệt bánh xe nên việc quan trắc sau khi thi công chủ yếu tập trung vào đánh giá diễn biến hằn lún vệt bánh xe của các đoạn thử nghiệm Mô đu đàn hồi chung của mặt đường trước và sau khi thi công cũng được khảo sát (bảng 2.2)

Sau 6 tháng đưa vào sử dụng trong điều kiện khai thác khắc nghiệt như: mật độ lưu thông cao, tải trọng xe lớn, nhiệt độ ngoài trời cao … Bề mặt bê tông nhựa tại các khu vực thử nghiệm công nghệ tái chế nóng so với khu vực bê tông nhựa truyền thống như sau:

- Toàn bộ bề mặt đường trong khu vực thử nghiệm không có dấu hiệu rạn nứt, ổ gà

- Bề mặt bê tông nhựa các khu vực thử nghiệm bê tông nhựa truyền thống, bê tông nhựa sinh loại 1, 2 và 3 đều xuất hiện vệt hằn bánh xe tương tự như nhau Vệt đùn trồi lún sâu nhất tập trung ở vệt bánh xe phía trong (tiếp giáp với làn xe hỗn hợp)

Hình 2.40 Biểu đồ quan hệ độ lún, trồi vệt bánh xe theo thời gian

Bảng 2.2: Giá trị mô đun đàn hồi đặc trưng của đoạn tuyến thử nghiệm theo thời gian

Mô đun đàn hồi đặc trưng (MPa)

1 Km1908 + 200 – Km1908 + 300 131,84 149,66 127,31 114,4 Đoạn 1 2 Km1908 + 300 – Km1908 + 400 182,1 189,7 179,7 173,7 Đoạn 2 3 Km1908 + 400 – Km1908 + 500 164,5 167,7 160,9 153,3 Đoạn 3 4 Km1908 + 500 – Km1908 + 600 118,9 125,2 118,9 101,8 Đoạn 4

Chi ều sâ u lú n v à tr ồi (m m )

Chiều sâu hằn lún Đùn trồi

3.1.1 Thí nghiệm phân tích thành phần trong RAP

Mẫu vật liệu RAP được lấy tại đống vật liệu ở công ty BMT, trạm trộn Bến Lức Mẫu vật liệu RAP đã được cào bóc tại hiện trường QL1A, sau đó được nghiền sàng, đổ đống trong kho chứa ( Hình 3.1)

Hình 3.1 Vật liệu RAP được nghiền sàng và chất đống

Mẫu RAP được lấy tại 6 vị trí trong đống vật liệu RAP đảm bảo tính đại diện, được chia tư và tiến hành các thí nghiệm: độ ẩm, chiết tách nhựa đường, thí nghiệm thành phần hạt cốt liệu trong RAP, tỷ trọng khối của cốt liệu trong RAP Quá trình thí nghiệm tuân thủ quy định trong phương pháp thí nghiệm hiện hành, thí nghiệm trên 6 mẫu thử, kết quả trung bình tại Bảng 3.1

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu thí nghiệm RAP

TT Nội dung Đơn vị Kết quả thí nghiệm trung bình

1 Thí nghiệm độ ẩm % 1,26 TCVN 7572-6:2006

2 Hàm lượng nhựa theo hỗn hợp % 4,54 TCVN 8860-2: 2006

3 Thành phần hạt (Xem chi tiết thiết kế cấp phối, Hình 3.2) - TCVN 7572-2: 2006

4 Tỷ trọng của cốt liệu RAP 2,664 AASHTO T84, 85

Hình 3.2 Biểu đồ thành phần hạt của cốt liệu trong RAP

3.1.2 Thí nghiệm vật liệu nhựa đường trong RAP Mẫu nhựa trong RAP được chiết suất bằng máy quay ly tâm (AASHTO T164) Sau đó dung môi và nhựa đường được quay ly tâm loại bỏ bột khoáng Nhựa đường trong RAP được thu hồi theo phương pháp Abson (AASHTO T170), hình 3.3 Kết quả thí nghiệm tại Bảng 3.2

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu thí nghiệm nhựa trong RAP

TT Nội dung Đơn vị Kết quả thí nghiệm trung bình

1 Độ kim lún ở 25 o C 1/10mm 36.3 TCVN 7495:2005

2 Độ kéo dài ở 25 o C mm 1001 TCVN 7496:2005

3 Nhiệt độ hóa mềm 0 C 64,95 TCVN 7496:2005

4 Độ nhớt động lực học ở 60 o C Poise 19533 TCVN8818-

Hình 3.3 Trình tự thu hồi nhựa đường trong RAP.

Chất phụ gia tái chế (dầu aromatic) do công ty BMT cung cấp có đầy đủ chứng chỉ, nguồn gốc xuất xứ Đây là loại dầu gốc dầu mỏ dạng vòng thơm, ngoài tác dụng làm giảm độ nhớt của nhựa đường lão hóa trong RAP, nó còn giúp bổ sung lượng dầu mất mát do bay hơi trong quá trình khai thác, bổ sung thành phần hydrocarbon no giúp điều chỉnh thành phần asphaltene trong cấu trúc phân tử của nhựa đường Tiến hành thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý, đánh giá và phân loại theo quy định tại bảng 1 của tiêu chuẩn ASTM D4552 Kết quả thí nghiệm được tổng hợp tại bảng 3.3

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu thí nghiệm phụ gia tái chế

TT Nội dung Đơn vị Kết quả thí nghiệm

Yêu cầu kỹ thuật theo ASTM D4552

1 Độ nhớt động học ở 60 o C cSt 453,9 176-900

2 Độ nhớt động lực học ở 60 o C Poise 44,8

4 Hàm lượng hydrocacbon no % Không thí nghiệm Max 30

5 Thí nghiệm mẫu sau khi nung

+ Thí nghiệm tỷ lệ độ nhớt 1,20 Max :3

+ Tổn thất sau khi nung % 0,55 ± 4%

6 Thí nghiệm khối lượng riêng g/cm 3 0,987

3.3.1 Với BTNTCN sử dụng 20% RAP

Tỷ lệ phối trộn được tính toán theo hướng dẫn “Hỗn hợp tái sinh nóng – Bản hướng dẫn sử dụng số 20” của Viện Asphalt Mỹ (Asphalt Institute) Theo tài liệu này thì khi hàm lượng RAP sử dụng không vượt quá 20% thì loại chất kết dính sử dụng trong BTNTCN sẽ là loại nhựa dùng trong vật liệu RAP khi sản xuất Ở đây, ta sử dụng nhựa đường 60/70 mà không cần quan tâm đến độ nhớt của hỗn hợp nhựa đường

Trong thử nghiệm này, Giả sử có 2 trường hợp, một là có sự trộn hoàn toàn nhựa đường mới và nhựa đường cũ trong hỗn hợp BTNTCN, hai là trong thực tế không có sự trộn lẫn hoàn toàn giữa nhựa đường mới và nhựa đường cũ Như vậy cần chuẩn bị 2 loại hỗn hợp: một là hỗn hợp với 100% trộn lẫn, ký hiệu là

BTNTCN-1F; một là hỗn hợp với 70% trộn lẫn, 70% dựa trên kiến nghị của Shirodkar và cộng sự (2010) [37] trong một nghiên cứu thử nghiệm, ký hiệu là BTNTCN-1A

Mẫu được trộn bằng máy trộn, nghiền chuyên dụng có gia nhiệt đảm bảo sự trộn lẫn đồng nhất hỗn hợp (hình 3.4)

Hình 3.4 Trộn mẫu bằng máy trộn gia nhiệt chuyên dụng

3.3.2 Với BTNTCN sử dụng 40% RAP

Với BTNTCN có sử dụng 40% RAP, nhựa đường cũ trong RAP sẽ được trộn với nhựa đường mới để đảm bảo hỗn hợp thu được sẽ có độ nhớt mục tiêu tương đượng với nhựa đường được sử dụng chế tạo BTNN ở nước ta hiện nay là nhựa 60/70 Nhựa đường mới thêm vào hỗn hợp BTNTCN là hỗn hợp của nhựa đường 60/70 với chất phụ gia tái chế đã được thí nghiệm ở mục 3.2 Tỷ lệ chất phụ gia tái chế trong hỗn hợp được xác định dựa trên toán đồ trộn độ nhớt theo hướng dẫn MS- 20 của Viện Asphalt Mỹ Độ nhớt của các loại nhựa đường được thí nghiệm ở nhiệt độ 60 o C theo phương pháp ở tiêu chuẩn ASTM D2171 hay TCVN 8818-5 :2011 Đây là phương pháp xác định độ nhớt sử dụng nhớt kế mao dẫn chân không (hình 3.5)

Hình 3.5 Thí nghiệm độ nhớt động học bằng nhớt kế mao dẫn chân không

Tương tự như BTNTCN sử dụng 20% RAP, thử nghiệm cũng xét mức độ trộn hoàn toàn 100% và mức độ trộn thực tế 70% Mức độ trộn hoàn toàn 100% ký hiệu là BTNTCN-2F, mức độ trộn thực tế 70% ký hiệu là BTNTCN-2A

* Xác định hàm lượng dầu Aromatic thêm vào nhựa 60/70 Giá trị độ nhớt tại 60 o C đo được:

- Độ nhớt nhựa đường thu hồi từ RAP: 19553 Poise - Độ nhớt nhựa đường 60/70 sử dụng: 2773 Poise - Độ nhớt phụ gia dầu aromatic: 44.8 Poise

Cách xác định R A được biểu diễn bằng toán đồ hình 3.6

Hình 3.6: Toán đồ tính tỷ lệ phụ gia tái chế thêm vào nhựa đường 60/70 của

* Tỷ lệ phối trộn được tổng hợp trong bảng 3.4

Bảng 3.4: Tỷ lệ thành phần trong hỗn hợp nhựa đường

Các thành phần Đơn vị BTNTCN-2F BTNTCN-2A

Tỷ lệ nhựa đường cũ RAP trong BTNTCN % 40 28

Tỷ lệ nhựa đường mới trong BTNTCN, R % 60 72

Tỷ lệ nhựa đường 60/70 trong hỗn hợp nhựa đường mới % 69 81

Tỷ lệ dầu AO trong hỗn hợp nhựa đường mới, RA

Khi ta dùng công thức của Karlsson và Isacsson (2.2) để xác định hàm lượng chất phụ gia tái chế trong BTNTCN-2F, ta có : ln( mix ) = x 1 ln( 1 ) + x 2 ln( 2 ) (2.2)

Với,  mix : độ nhớt của nhựa đường 60/70 = 2775 poise

 1 : độ nhớt của nhựa cũ trong RAP = 19533 poise

 2 : độ nhớt của nhựa đường mới x 1 : Phần trăm thể tích của nhựa đường cũ = 40% x 2 : Phần trăm thể tích của nhựa đường mới = 60%

Vậy độ nhớt của nhựa đường mới sẽ là 755,5 poise, cũng áp dụng với công thức trên, với :

 mix : độ nhớt của nhựa đường mới = 755,5 poise

 1 : độ nhớt của nhựa 60/70 = 2775 poise

 2 : độ nhớt của dầu AO = 44,8 poise x 1 : Phần trăm thể tích của dầu AO = x % x 2 : Phần trăm thể tích của nhựa đường 60/70 = (100-x)%

Thay vào công thức 2.2 và giải phương trình ta được x = 31,5%

Tương tự với BTNTCN-2A, ta tính được x = 18,4%

Kết quả này gần như kết quả chọn được từ toán đồ ở hình 3.4 3.3.3 Nhận xét kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm nhựa đường 60/70, hỗn hợp nhựa đường 60/70 với nhựa đường trong RAP, hỗn hợp nhựa 60/70 với nhựa đường trong RAP và chất phụ gia tái chế được tổng hợp trong bảng 3.5

Sau thời gian khai thác nhựa đường trong RAP bị ôxy hóa nên nhựa có phần bị cứng hóa Qua quá trình tái chế nhựa cũ được trộn với tác nhân trẻ hóa là nhựa đường 60/70, nhựa đường 60/70 kết hợp với dầu AO làm cho nhựa cũ mềm trở lại

Từ bảng so sánh ta có thể nhận xét các hỗn hợp nhựa mới và nhựa cũ có các chỉ tiêu gần hội tụ về giá trị yêu cầu của mác nhựa đường 60/70 Tuy còn nhiều chỉ tiêu chưa thể bằng được với nhựa đương 60/70 như mong muốn nhưng sự hội tụ này đã cho thấy việc xác định tỷ lệ nhựa 60/70 và phụ gia tái chế xác định từ toán đồ cho kết quả tin cậy So sánh các chỉ tiêu quan trọng của các loại hỗn hợp nhựa đường trong hình 3.7 và 3.8

Bảng 3.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm các loại nhựa đường

STT Hạng mục thí nghiệm Đơn vị

Kết quả thí nghiệm Yêu cầu

Tỷ lệ nhựa đường mới trong hỗn hợp, R % 100 80 86 60 71

Hàm lượng dầu AO thêm vào hỗn hợp nhựa đường mới, RA % 0 0 0 31 19

1 Nhiệt độ bắt lửa o C 336,5 351,5 344,4 326 324 Min.232

2 Độ kim lún – 100g ở 25 o C, 5 giây dmm

3 Độ giãn dài ở 25 o C - 5cm/phút cm 150+ 130,3 139,1 127,9 135,3 Min.100

4 Lượng tổn thất sau khi đun nóng ở

5 Tỷ lệ độ kim lún sau khi nung ở 163 o C trong 5 giờ so với ở 25 o C % 78,45 83,55 84,49 75,41 76,67 Min.54

7 Khối lượng riêng của nhựa ở 25 o C g/cm 3 1,025 1,028 1,028 1,027 1,030 1.0-1.05

8 Độ dính bám đá nhựa Cấp 3 3 3 3 3 Min 3

9 Độ nhớt động lực học ở 60 o C Poise 2775,0 4073,8 3644,7 2630,3 2653,5 Min 1800

Nhựa 60/70 BTNTCN-1F BTNTCN-1A BTNTCN-2F BTNTCN-2A Độ kim lún (1/10mm) Nhiệt độ hóa mềm (oC)

Hình 3.7 Biểu đồ hiển thị độ nhớt của các thành phần nhựa đường

Loại hỗn hợp nhựa đường có sử dụng 40% nhựa đường trong RAP có lượng tổn thất sau khi nung cao hơn và tỷ lệ tổn thất độ kim lún nhiều hơn so với loại nhựa 60/70 và loại nhựa có sử dụng 20% RAP Điều này có nghĩa là thành phần hợp chất nhẹ trong dầu AO đã bị bay hơi nhiều khi nung nóng trong 5 giờ (tổn thất qua quá trình TFOT tương đương với sự tổn thất qua quá trình sản xuất và rải thảm BTN)

Hình 3.8 So sánh chỉ tiêu độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm của các loại hỗn hợp nhựa đường.

Nhựa đường 60/70 do công ty Petrolimex cung cấp, có nguồn gốc từ Shell, Singapore Nhựa đường 60/70 đạt yêu cầu theo TCVN7493:2006 Số liệu tổng hợp tại Bảng 3.6

Bảng 3.6 Các chỉ tiêu thí nghiệm của nhựa đường 60/70

TT Nội dung Đơn vị Kết quả thí nghiệm

1 Độ kim lún ở 25 o C 1/10mm 61,9 Min: 60

2 Độ kéo dài ở 25 o C cm 150 + Min 100

3 Nhiệt độ hoá mềm (Phương pháp vòng và bi) oC 48,6 Min : 46

4 Nhiệt độ bắt lửa o C 336,5 Min: 232

5 Lượng tổn thất sau khi đun nóng ở

6 Tỷ lệ độ kim lún sau khi đun nóng ở 163 o C trong 5 giờ (TFOT) so với độ kim lún ở 25 o C

8 Độ dính bám đối với đá (Phương pháp đun trong nước sôi), cấp Cấp 3 Min 3

9 Độ nhớt động lực học ở 60 o C Poise 2775,0 Min 1800

3.4.2 Thí nghiệm cốt liệu thô

Cốt liệu dùng để thiết kế cấp phối BTNTCN có nguồn gốc tại mỏ đá Tân Đông Hiệp, Dĩ An, Bình Dương Vật liệu hộc nóng được lấy từ trạm trộn BTNN Bến Lức, công ty BMT Chất lượng cốt liệu đạt yêu cầu theo TCVN8819 :2011 Kết quả thí nghiệm tại Bảng 3.7

Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm cốt liệu thô

TT Nội dung Đơn vị Đá 12x15 Đá 9x11 Đá 6x8 Đá 3x5 Yêu cầu kỹ thuật

1 Giới hạn bền nén của đá gốc Mpa 132 > 100

2 Thành phần hạt Xem chi tiết tại kết quả thiết kế cấp phối

5 Hàm lượng hạt mềm yếu, phong hóa % 0,0 0,0 0,0 0,0 ≤ 10

6 Hàm lượng hạt thoi dẹt % 11,6 11,5 13,7 3,9 ≤ 15

7 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 0,14 0,29 0,23 0,48 ≤ 2

3.4.3 Thí nghiệm cát xay (cốt liệu mịn)

Nội dung, khối lượng thực hiện tại Bảng 3.8

Bảng 3.8 Kết quả thí nghiệm cốt liệu mịn, đá 0x2

TT Nội dung Đơn vị Kết quả thí nghiệm Yêu cầu kỹ thuật

1 Thành phần hạt và mô đun độ lớn 3,19 > 2

3 Hệ số đương lượng cát (ES) % 73 > 50

4 Hàm lượng bụi, bùn, sét % 1,78 < 3

5 Độ góc cạnh (độ rỗng của cát ở trạng thái không đầm) % 46,5 > 43

3.4.4 Thí nghiệm bột khoáng Bột khoáng sử dụng cho thử nghiệm là bột khoáng đá vôi, có nguồn gốc từ Hà Tiên Kết quả thí nghiệm tổng hợp tại Bảng 3.9

Bảng 3.9 Nội dung, khối lượng thí nghiệm bột khoáng

TT Nội dung Đơn vị Kết quả thí nghiệm Yêu cầu kỹ thuật

1 Thành phần hạt Xem chi tiết tại kết quả thiết kế cấp phối

3.5.1 Nguyên tắc thiết kế hỗn hợp BTN theo phương pháp Marshall:

Nhằm mục đích tìm ra hàm lượng nhựa tối ưu ứng với hỗn hợp cốt liệu đã chọn Phải tuân thủ các yêu cầu sau:

• Tất cả các vật liệu sử dụng (đá dăm, cát, bột khoáng, nhựa đường) đều phải thoả mãn các chỉ tiêu cơ lý theo quy định của Tiêu chuẩn

• Đường cong cấp phối của hỗn hợp cốt liệu sau khi phối trộn phải nằm trong giới hạn của đường bao cấp phối quy định tại Tiêu chuẩn

• Hàm lượng nhựa tối ưu lựa chọn phải thỏa mãn các chỉ tiêu liên quan đến đặc tính thể tích (Độ rỗng dư, Độ rỗng cốt liệu ), các chỉ tiêu thí nghiệm theo Marshall (độ ổn định, độ dẻo ) và các chỉ tiêu bổ sung nếu có theo quy định của Tiêu chuẩn

Hàm lượng nhựa tối ưu = Hàm lượng nhựa có hiệu + Hàm lượng nhựa hấp phụ

Hàm lượng nhựa hấp phụ là lượng nhựa bị cốt liệu hấp phụ vào trong các lỗ rỗng của bề mặt hạt cốt liệu Tùy thuộc vào nguồn gốc cốt liệu, đặc tính bề mặt của cốt liệu mà giá trị hàm lượng nhựa hấp phụ khác nhau Cùng cấp phối cốt liệu, tỷ lệ bột khoáng, cùng độ rỗng dư thiết kế nhưng cốt liệu có nguồn gốc khác nhau, đặc tính bề mặt khác nhau thì hàm lượng nhựa tối ưu khác nhau (do Hàm lượng nhựa hấp phụ khác nhau) Hàm lượng nhựa hấp phụ không có vai trò chi phối các đặc tính cơ lý của BTN

Hàm lượng nhựa có hiệu là lượng nhựa bao phủ bề ngoài các hạt cốt liệu và là lượng nhựa chi phối các đặc tính cơ lý của hỗn hợp BTN

Hàm lượng nhựa tối ưu được quyết định khi thiết kế thành phần hỗn hợp BTN Nếu lượng nhựa quá nhiều sẽ dẫn đến chiều dày màng nhựa lớn, độ rỗng dư nhỏ, vật liệu BTN sẽ dễ bị lún vệt bánh khi nhiệt độ mặt đường cao Ngược lại, nếu lượng nhựa quá ít sẽ không đủ bao bọc cốt liệu, chiều dày màng nhựa nhỏ, nhựa nhanh bị lão hóa, tính công tác của hỗn hợp thấp, khó đầm nén, vật liệu BTN sẽ dễ bị mỏi, bong bật

Hình 3.9 Sơ đồ tính các thành phần theo thể tích của bê tông nhựa đầm chặt

* Các công thức phân tích, tính toán đặc trưng thể tích:

- Tỷ trọng khối của hỗn hợp cốt liệu được tính theo công thức:

sb sb sb sb sb

G sb là tỷ trọng khối của hỗn hợp cốt liệu

P 1 , P 2 , , P n là hàm lượng từng loại cốt liệu, tính theo % của tổng khối lượng hỗn hợp cốt liệu

G sb1 , G sb2 , , G sbn là tỷ trọng khối của từng loại cốt liệu có trong hỗn hợp cốt liệu

- Độ rỗng dư V a tính bằng % theo thể tích hỗn hợp a 100 1 mb mm

G mb là tỷ trọng khối của hỗn hợp BTN đầm chặt;

G mm là tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp BTN ở trạng thái rời

- Thể tích nhựa V b tính bằng % theo thể tích tổng hỗn hợp b b mb b

P b là hàm lượng nhựa tính bằng % theo khối lượng hỗn hợp;

G mb là tỷ trọng khối của hỗn hợp BTN đầm chặt;

G b là tỷ trọng của nhựa

- Thể tích nhựa hấp phụ V ba tính bằng % theo thể tích tổng hỗn hợp: b s 100 ba mb b sb mm

P s là hàm lượng cốt liệu, % theo khối lượng hỗn hợp, P s 0-P b ;

G sb là tỷ trọng khối của toàn bộ hỗn hợp cốt liệu;

G mm là tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp BTN ở trạng thái rời

- Thể tích nhựa có hiệu V be tính bằng % theo thể tích tổng hỗn hợp:

Hoặc, V be tính bằng công thức be be mb b

P be là hàm lượng nhựa có hiệu tính bằng % theo khối lượng hỗn hợp,

P be có thể tính bằng công thức: be b be b

- Độ rỗng cốt liệu VMA là tổng của độ rỗng dư và hàm lượng nhựa có hiệu theo thể tích:

VMA: độ rỗng cốt liệu, % thể tích hỗn hợp

V be : Hàm lượng nhựa có hiệu, % thể tích hỗn hợp - Độ rỗng lấp đầy nhựa VFA:

VMA: Độ rỗng cốt liệu trong BTN đầm chặt V be : Hàm lượng nhựa có hiệu, % thể tích hỗn hợp

* Một số thông số kỹ thuật giúp lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu cho hỗn hợp BTN

- Chiều dày màng nhựa tối ưu:

Chiều dày màng nhựa biểu kiến (AFT: Apparent Film Thickness) bao quanh bề mặt cốt liệu được ước lượng dựa trên công thức sau theo NCHRP Report 673 [38]:

AFT: chiều dày màng nhựa biểu kiến, m;

S s : Tỷ diện bề mặt cốt liệu, m 3 /kg;

P s : Hàm lượng cốt liệu, % theo khối lượng hỗn hợp;

V be : Hàm lượng nhựa có hiệu, % thể tích hỗn hợp

G mb : Tỷ trọng khối của hỗn hợp BTN đầm chặt;

Tỷ diện riêng bề mặt được ước lượng theo công thức kinh nghiệm, được NHCRP Report 567 [39] giới thiệu

S s : Tỷ diện riêng bề mặt cốt liệu, m 3 /kg;

P 0,3 : Phần trăm cốt liệu lọt sàng 0,3mm

P 0,15 : Phần trăm cốt liệu lọt sàng 0,15mm

P 0,075 : Phần trăm cốt liệu lọt sàng 0,075mm Hoặc có thể tính cụ thể hơn với tỷ diện riêng bề mặt của tổng cốt liệu:

P i = Phần trăm lượng cốt liệu lọt qua sàng i mm Nghiên cứu NCHRP Report 567 ở Mỹ cho kết quả chiều dày màng nhựa có hiệu lớn hơn 9-10 μm sẽ dẫn đến lún vệt bánh quá giới hạn Chiều dày màng nhựa từ 6 đến 7 μm sẽ khó khăn cho công tác rải và đầm nén BTN Quy định chiều dày màng nhựa có hiệu không được dưới 7 μm và không được trên 10 μm Chiều dày màng nhựa thích hợp nhất vừa cho khả năng chống lún tốt, vừa cho độ bền mỏi cao và dễ thi công là từ 7 đến 9 μm

Hình 3.10 Minh họa chiều dày màng nhựa bao bọc cốt liệu

- Tỷ lệ bột khoáng / Hàm lượng nhựa có hiệu:

P 0,075 = Phần trăm khối lượng hạt lọt qua sàng 0.075 mm

P be = Hàm lượng nhựa có hiệu, % khối lượng hỗn hợp Tỷ lệ Bột khoáng/Hàm lượng nhựa có hiệu có vai trò rất quan trọng cho BTN chống lại tác động của mỏi, hằn lún vệt bánh xe.Tỷ lệ này lớn hỗn hợp có khả năng chống lại hằn lún cao Nếu tỷ lệ này quá lớn, dẫn tới hoặc nhựa đường không đủ để bao bọc các hạt bột khoáng, chiều dày màng nhựa mỏng hoặc vữa nhựa (hỗn hợp bột khoáng-nhựa đường) sẽ quá cứng làm cho BTN có tính cứng lớn, khó thi công và dễ gây ra hư hỏng dạng nứt mỏi Nếu tỷ lệ này quá nhỏ, dẫn tới hoặc thừa nhựa đường, hoặc vữa nhựa (hỗn hợp bột khoáng-nhựa đường) sẽ quá mềm làm cho BTN có tính mềm, dễ gây ra hư hỏng dạng hằn lún bánh xe Theo đề xuất của NHCRP Report 673 thì tỷ lệ thích hợp bột khoáng / Hàm lượng nhựa có hiệu là 0,8 - 1,6 đối với cấp phối có NMAS lớn hơn 4,75mm Còn theo thiết kế bằng phương pháp Superpave là 0,6 – 1,2 [40]

* Trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa nóng được thực hiện qua các giai đoạn: thiết kế sơ bộ (cốt liệu nguội), thiết kế hoàn chỉnh (cốt liệu nóng), phê duyệt công thức chế tạo hỗn hợp (hình 3.11)

Hình 3.11 Sơ đồ trình tự thiết kế và thí nghiệm cho một cấp phối BTN

Trong quá trình thí nghiệm của luận văn, do điều kiện về thời gian nên chỉ tiến hành thiết kế cấp phối ở giai đoạn thiết kế hoàn chỉnh (cốt liệu nóng)

Trình tự và tính toán thiết kế cấp phối thực hiện theo phương pháp Marshall

Tuân thủ hướng dẫn của TCVN8820:2011 và một số tài liệu hướng dẫn thiết kế cấp phối BTN theo phương pháp Marshall như: MS-2 (Asphalt Institute) Các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa dựa theo yêu cầu kỹ thuật của TCVN8819:2011

3.5.2 Thiết kế cấp phối BTN truyền thống (Mẫu đối chứng)

Thiết kế cấp phối BTNN C12,5, là loại BTN chặt có đường kính lớn nhất danh định là 12,5mm, theo hướng dẫn của tiêu chuẩn TCVN 8820 : 2011 và theo yêu cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn TCVN 8819 : 2011 Kết quả thiết kế cấp phối được tổng hợp trong bảng 3.10, đường cong cấp phối trong hình 3.12

Hình 3.12 Đường cong thiết kế cấp phối BTNN C12,5

Bảng 3.10 Tóm tắt kết quả thiết kế bin nóng BTNC 12,5

1.Kết quả của cốt liệu

Các chỉ tiêu Cỡ sàng (mm) Đá

12x15 Đá 9x11mm Đá 6x8mm Đá 3x5mm Đá 0x2mm

Thành phần hạt Phần trăm lọt sàng

Tỷ trọng riêng bão hòa khô bề mặt 2,684 2,692 2,697 2,695 2,703 -

Tỷ trọng riêng biểu kiến 2,690 2,706 2,719 2,723 2,784 - Độ hấp thụ nước (%) 0,13 0,30 0,47 0,62 1,71 -

2.Tỷ lệ phối trộn của hỗn hợp

Loại đá Đơn vị Hot bin

Tỷ lệ phối trộn theo cốt liệu % 13,00 16,00 18,00 18,00 27,00 8,00 5,04

Tỷ lệ phối trộn theo hỗn hợp % 12,38 15,23 17,14 17,14 25,70 7,62 4,80

Khối lượng vật liệu trong 1 tấn BTN kg 123,8 152,3 171,4 171,4 257,0 76,2 48,0

3.Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu của BTN tại HLN tối ưu 4,80%

Chỉ tiêu cơ lý Cỡ sàng Đơn vị Tỷ lệ hỗn hợp

% Lọt sàng Tiêu chuẩn TN Yêu cầu KT Ghi chú

Hàm lượng nhựa tối ưu % 4,80 5.0-:-6.0 Độ hấp thụ nhựa của cốt liệu % 0,40

Khối lượng thể tích g/cm 3 2,394 TCVN8860-5:2011 -

Khối lượng riêng g/cm 3 2,509 TCVN8860-4:2011 - Độ rỗng dư % 4,6 TCVN8860-9:2011 3 -:- 6 Độ rỗng cốt liệu % 14,9 TCVN8860-10:2011 > 14 Độ ổn định Marshall KN 13,2 TCVN8860-1:2011 > 8.0 Độ dẻo mm 3,9 TCVN8860-1:2011 2 -:- 4

% Độ ổn định % 92,0 TCVN8860-1:2011 min 75

Tỷ lệ bột khoáng / hàm lượng nhựa có hiệu, D/B 1,75 0,8-1,6

3.5.3 Thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa tái chế nóng

Thiết kế 4 hỗn hợp bê tông nhựa tái chế nóng có đường kính cỡ hạt lớn nhất danh định 12,5mm như sau: BTNTCN-1F, BTNTCN-1A, BTNTCN-2F, BTNTCN- 2A Hỗn hợp BTNTCN-1F, BTNTCN-1A sử dụng 20% RAP tương ứng với 100% và 70% tỷ lệ trộn Hỗn hợp BTNTCN-2F, BTNTCN-2A sử dụng 40% RAP tương ứng với 100% và 70% tỷ lệ trộn

3.5.3.1.Trình tự thiết kế hỗn hợp BTNTCN sử dụng 20% RAP Việc thiết kế hỗn hợp BTNTCN được thực hiện theo sách “Hỗn hợp tái sinh nóng – Bản hướng dẫn sử dụng số 20” của Viện Nhựa đường Mỹ, theo tài liệu này khi thiết kế BTNTCN có sử dụng < 20% RAP thì không cần quan tâm đến độ nhớt của hỗn hợp nhựa đường mà sử dụng loại nhựa đường dùng cho BTNC thông thường Đó là nhựa đường 60/70

Trình tự thiết kế BTNTCN sử dụng 20% RAP như sau: (sơ đồ hình 3.11)

1 Tiến hành phân tích thành phần hạt, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu tái sinh cũng như cốt liệu mới

2 Tính toán tỷ lệ phối trộn các loại cốt liệu để thỏa mãn yêu cầu theo TCVN 8819:2011;

3 Tính toán hàm lượng nhựa tham khảo theo công thức lý thuyết (TCVN8820:2011);

4 Tính toán hàm lượng nhựa mới trong hỗn hợp

5 Lựa chọn 05 hàm lượng nhựa xung quanh giá trị hàm lượng nhựa tham khảo, các hàm lượng nhựa này sai khác nhau 0,5%, trộn và tạo mẫu hỗn hợp BTNTCN theo phương pháp Marshall tuân thủ đúng trình tự của Tiêu chuẩn TCVN 8820:2011;

6 Thí nghiệm các chỉ tiêu của 05 tổ mẫu hỗn hợp ứng với 05 hàm lượng nhựa lựa chọn Vẽ biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và khối lượng thể tích, Độ ổn định Marshall, Độ dẻo, Độ rỗng dư, Độ rỗng cốt liệu từ đó lựa chọn được hàm lượng tối ưu;

7 Đưa ra công thức thiết kế

 Công thức tính toán các thành phần trong BTNTCN-1

Gọi p rap là hàm lượng nhựa đường có trong RAP a rap – phần trăm cốt liệu có trong RAP

A rap/agg – hàm lượng cốt liệu trong RAP được đưa vào hỗn hợp tái sinh nóng (tính theo % cốt liệu)

Hàm lượng nhựa đường cũ RAP có trong hỗn hợp tái sinh nóng (tính theo % cốt liệu) rap rap agg rap agg rap a p

/  (3.14) Hàm lượng nhựa mới đưa vào hỗn hợp tái sinh nóng (tính theo % cốt liệu) agg rap agg b agg new P P

P /  /  / (3.15) trong đó, P b/agg là tổng hàm lượng nhựa tính theo phần trăm cốt liệu

Hàm lượng RAP trong hỗn hợp tái sinh (tính theo % hỗn hợp)

  agg new agg rap agg rap agg rap mix P P

Hàm lượng nhựa đường mới cần thêm vào (tính theo % hỗn hợp):

  agg new agg rap agg new mix nb P P

Tổng hàm lượng nhựa tính theo phần trăm hỗn hợp

 agg new agg rap agg rap mix new mix b P P

Tính toán theo các công thức ở trên ta được các thành phần trong BTNTCN-1F, BTNTCN-1A được tổng hợp trong bảng 3.11, 3.12

Bảng 3.11 Bảng tính thành phần nhựa đường mới trong hỗn hợp BTNTCN-1F

Hình 3.13 Sơ đồ trình tự thiết kế cấp phối BTNTCN sử dụng 20% RAP

3.5.3.2.Trình tự thiết kế hỗn hợp BTNTCN sử dụng 40% RAP Trình tự thiết kế BTNTCN sử dụng 40% RAP như sau: (sơ đồ hình 3.12)

1 Tiến hành phân tích thành phần hạt, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu tái chế cũng như cốt liệu mới Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường tái chế, nhựa đường mới và chất tái chế, đặc biệt độ nhớt động học ở 60 o C;

2 Tính toán tỷ lệ phối trộn các loại cốt liệu để thỏa mãn yêu cầu theo TCVN 8819:2011;

3 Tính toán hàm lượng nhựa tham khảo theo công thức lý thuyết (TCVN8820:2011);

Thí nghiệm các chỉ tiêu của RAP: độ ẩm, hàm lượng nhựa, thành phần hạt

Sử dụng nhựa đường 60/70 cho hỗn hợp

Tính toán thành phần chất kết dính mới dựa vào công thức tính toán

Thiết kế cấp phối theo phương pháp Marshall (Tính toán theo thể tích)

Thí nghiệm thành phần hạt và các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu mới Tính toán phối trộn cốt liệu của hỗn hợp bê tông nhựa tái chế

Lựa chọn hàm lượng nhựa tối ưu

Quyết định công thức thiết kế Hàm lượng RAP dự kiến

4 Tính toán hàm lượng nhựa mới trong hỗn hợp

5 Lựa chọn và tính toán hàm lượng chất tái sinh theo toán đồ tham khảo của MS-20

6 Lựa chọn 05 hàm lượng nhựa xung quanh giá trị hàm lượng nhựa tham khảo, các hàm lượng nhựa này sai khác nhau 0,5%, trộn và tạo mẫu hỗn hợp BTNTCN theo phương pháp Marshall tuân thủ đúng trình tự của Tiêu chuẩn TCVN 8820:2011;

7 Thí nghiệm các chỉ tiêu của 05 tổ mẫu hỗn hợp ứng với 05 hàm lượng nhựa lựa chọn Vẽ biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và khối lượng thể tích, Độ ổn định Marshall, Độ dẻo, Độ rỗng dư, Độ rỗng cốt liệu từ đó lựa chọn được hàm lượng tối ưu;

8 Đưa ra công thức thiết kế

 Công thức tính toán các thành phần trong BTNTCN-2

Tiếp tục sử dụng các công thức từ (3.14) đến (3.18) trong tính toán các thành phần nhựa đường khi thiết kế BTNTCN-1 để xác định : hàm lượng nhựa đường mới thêm vào hỗn hợp (P nb ) và hàm lượng nhựa đường cũ RAP trong hỗn hợp (Prap) Để xác định cấp nhựa đường mới thêm vào hỗn hợp BTNTCN-2 ta cần xác định thêm phần trăm hàm lượng nhựa đường mới trên tổng hàm lượng nhựa trong hỗn hợp BTNTCN:

4.1 CÔNG TÁC CHUẨN BỊ MẪU

Từ kết quả thiết kế cấp phối ở chương 3, tiến hành công tác đúc mẫu thí nghiệm khảo sát các chỉ tiêu cơ lý của BTNTCN và BTN truyền thống để có cơ sở so sánh, đánh giá chất lượng của BTNTCN

Trên nguyên tắc loại trừ các sai số thô, công tác chuẩn bị và đúc mẫu được thực hiện rất nghiêm ngặt, chính xác, tuân thủ chặt chẽ các quy định của quy trình, quy phạm Loại bỏ ra khỏi tổ hợp mẫu ngay từ đầu những mẫu thử không đạt yêu cầu về kích thước, độ rỗng dư Ví dụ: chiều cao mẫu Marshall phải có chiều cao

63,5+1mm, mẫu trụ đo mô đun có chiều cao 101+1mm… Độ rỗng dư dùng để tính toán dung trọng mẫu chế bị được cố định là độ rỗng dư thiết kế 4,5%

Từng loại cốt liệu được phân tách ra theo từng mắt sàng (mm): 12,5-19; 9,5- 12,5; 4,75-9,5; 2,36-4,75; 0-2,36 Sau đó tính toán khối lượng vật liệu trên từng sàng cần đưa vào hỗn hợp dựa trên tỷ lệ phối trộn của từng loại cốt liệu Việc này giúp phối những khối lượng vật liệu đồng kích cỡ đã được tính toán trước nhằm đảm bảo cấp phối của từng viên mẫu đúng như cấp phối thiết kế

Nhiệt độ của cốt liệu , RAP và nhựa đường được bảo đảm bằng cách cho vật liệu vào tủ sấy cố định nhiệt độ Nhiệt độ vật liệu được tuân thủ theo bảng 4.1

Bảng 4.1 Bảng quy định nhiệt độ cho quá trình chế bị mẫu

STT Loại vật liệu Nhiệt độ ( o C) Thời gian duy trì

3 Hỗn hợp nhựa đường mới 135 2 giờ

STT Loại vật liệu Nhiệt độ ( o C) Thời gian duy trì

5 Nhiệt độ trộn hỗn hợp RAP và cốt liệu 160 30 giây

6 Nhiệt độ trộn hỗn hợp BTN 155 2 phút

Mẫu khảo sát mô đun đàn hồi vật liệu là mẫu hình trụ, sử dụng khuôn có đường kính 101,1mm và chiều cao (101 + 1)mm Khối lượng mẫu được tính toán sao cho mẫu đạt dung trọng ứng với độ rỗng dư thiết kế 4,5% và có chiều cao mẫu đạt 101mm Tạo mẫu bằng lực ép tĩnh 400kg/cm 2 trên cả 2 mặt mẫu Dừng ép mẫu khi chiều cao mẫu đạt yêu cầu, tức là pít tông xuống đến vạch đã được đánh dấu

Mẫu được để nguội ở nhiệt độ phòng, sau đó tháo khuôn và giữ ở nhiệt độ phòng trong ít nhất 16 giờ rồi tiến hành thí nghiệm Đúc 6 mẫu cho mỗi loại cấp phối BTN [41] Hình 4.1

Mẫu thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn của vật liệu là mẫu dạng dầm, sử dụng khuôn thép dạng dầm có kích thước (50x50x300)mm Khối lượng mẫu cũng được tính toán sao cho độ rỗng dư của mẫu sau khi lèn chặt là 4,5% và chiều cao mẫu là 50mm Tạo mẫu bằng lực ép tĩnh 400kg/cm 2 Dừng lực ép khi pít tông đến vạch đã được đánh dấu Mẫu được để nguội ở nhiệt độ phòng, sau đó tháo khuôn và giữ ở nhiệt độ phòng trong ít nhất 16 giờ rồi tiến hành thí nghiệm Đúc 6 mẫu cho mỗi loại BTN [41] Hình 4.2

Mẫu thí nghiệm sức kháng phá hoại dưới tác nhân độ ẩm là mẫu Marshall có đường kính 101,6mm và chiều cao là 63,5mm Khối lượng mẫu được tính toán sao cho mẫu đạt dung trọng ứng với độ rỗng dư thiết kế 4,5% và có chiều cao mẫu đạt 63,5mm Tạo mẫu bằng máy đầm Marshall, 75 chày trên mỗi mặt mẫu Mẫu được để nguội ở nhiệt độ phòng, sau đó tháo khuôn và giữ ở nhiệt độ phòng trong ít nhất 16 giờ rồi tiến hành thí nghiệm Đúc 6 mẫu cho mỗi loại BTN theo AASHTO T283 [41] Hình 4.3

4.2.1 Thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu Mô đun đàn hồi vật liệu được khảo sát ở các nhiệt độ 15, 30, 60 o C Mô đun ở

15 o C phục vụ kiểm toán ở điều kiện kéo uốn kết cấu áo đường, ở 30 o C phục vụ kiểm toán điều kiện tính võng kết cấu áo đường, ở 60 o C phục vụ kiểm toán điều kiện trượt của kết cấu áo đường

Công tác thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu, quan trọng là phải ổn định và duy trì được nhiệt độ của mẫu thử trong quá trình thí nghiệm Mẫu sau khi được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng ít nhất 16 giờ được đem đi ổn định ở các nhiệt độ thí nghiệm trong thời gian 2,5 giờ bằng cách ngâm mẫu vào nước ở nhiệt độ cao hơn vài độ so với các nhiệt độ thí nghiệm tương ứng Ví dụ mẫu đo ở 15 o C thì ngâm mẫu ở 12 o C, mẫu 30 o C thì ngâm mẫu ở 33 o C, mẫu 60 o C thì ngâm mẫu ở 63 o C

Mẫu được đo khi ngập trong nước, được duy trì ở các nhiệt độ thí nghiệm (hình 4.4) Sử dụng máy ép thủy lực gia tải 1 lần lên áp lực 0,5 Mpa với tốc độ gia tải 50,8mm/ phút Sau khi biến dạng lún ổn định, tốc độ lún chỉ còn 0,01mm/phút

Hình 4.1 Chế bị mẫu trụ đo mô đun đàn hồi

Hình 4.2 Chế bị mẫu dầm đo cường độ chịu uốn

Hình 4.3 Chế bị mẫu Marshall

(trong 5 phút), ghi nhận lại giá trị trên đồng hồ thiên phân kế (TPK) lúc gia tải và dỡ tải

Mô đun đàn hồi vật liệu được xác định theo công thức:

L = (Số đọc TPK lúc gia tải – số đọc TPK lúc dỡ tải)x 0,01mm

Hình 4.4 Thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu

4.2.2 Thí nghiệm cường độ chịu uốn

Mẫu sau khi được bảo dưỡng ở nhiệt độ phòng ít nhất 16 giờ được đem đi ổn định ở các nhiệt độ thí nghiệm trong thời gian 2,5 giờ bằng cách ngâm mẫu vào nước ở nhiệt độ 13 o C Đưa mẫu vào gá uốn mẫu có khoảng cách gối uốn là 200mm

Sử dụng máy ép thủy lực gia tải với tốc độ 100mm/phút cho tới khi gãy mẫu, ghi lại lực lớn nhất Toàn bộ thí nghiệm được thực hiện trong vòng không quá 45 giây (hình 4.5) Cường độ chịu kéo khi uốn được xác định theo công thức:

Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của BTNTCN và BTN truyền thống được tập hợp trong bảng 4.5 Các thông số kỹ thuật qua thí nghiệm thu được tuy có giá trị chưa đạt được giá trị trong bảng C-1, phụ lục C của tiêu chuẩn 22TCN 211- 06, nhưng có thể sử dụng để so sánh giữa BTN truyền thống và các loại BTNTCN

Dựa vào bảng 4.5 và các biểu đồ so sánh hình 4.7  4.10, ta có thể nhận xét:

BTNTCN với hàm lượng 20% RAP có các chỉ tiêu cường độ cao hơn hoặc bằng BTN truyền thống

BTNTCN với hàm lượng 40% RAP có các chỉ tiêu kỹ thuật giảm hơn BTNTCN với hàm lượng 20% RAP và BTN truyền thống

Các mẫu với hiệu suất trộn 70% có các chỉ tiêu cơ lý vượt hơn so với các mẫu có hiệu suất trộn 100%

BTNTCN có tỉ số TSR thấp hơn so với BTN truyền thống BTNTCN-2F có tỉ số TSR thấp nhất (hình 4.11)

Bảng 4.5 Bảng tổng hợp thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý

Hình 4.7 So sánh độ ổn định Marshall của các loại BTN

Các chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị

Hàm lượng nhựa tối ưu % 4,80 4,80 4,70 4,95 4,90

Tỷ lệ nhựa đường mới trong hỗn hợp, R % 100 81,1 86,5 63,5 74,2

Tỷ lệ chất phụ gia (dầu AO) % 0 0 0 27,0 16,0

Khối lượng thể tích g/cm 3 2,394 2,396 2,396 2,383 2,380 Độ rỗng dư % 4,6 4,4 4,5 4,4 4,5 Độ rỗng cốt liệu 14,9 14,8 14,7 15,3 15,4 Độ ổn định Marshall KN 13,2 14,8 16,0 11,6 14,0 Độ dẻo mm 3,9 3,7 3,8 3,8 3,7

% độ ổn định còn lại % 92,0 88,8 92,0 91,7 91,7

Mô đun đàn hồi ở 15 o C MPa 1595,7 1609,5 1584,0 1313,6 1489,6

Cường độ chịu kéo khi uốn kPa 1976,0 1919,2 1985,6 1526,8 1868,0 Cường độ ép chẻ ở trạng thái khô kPa 1168,6 1088,5 1069,4 952,0 998,3 Cường độ ép chẻ ở trạng thái bão hòa MPa 1110,1 965,1 922,8 760,8 858,0

Hình 4.8 So sánh cường độ kéo uốn của các loại BTN

Hình 4.9 So sánh cường độ ép chẻ của các loại BTN

Hình 4.10 So sánh mô đun đàn hồi của các loại BTN

Hình 4.11 So sánh tỉ số TSR của các loại BTN.

- Công nghệ tái chế mặt đường bê tông nhựa rất cần thiết được áp dụng ở Việt Nam Nó giúp tiết kiệm được nguồn tài nguyên cũng như ngoại tệ để nhập khẩu nhựa đường Với khả năng tận dụng triệt để và kiểm soát chất lượng chặt chẽ, phù hợp với dây chuyền công nghệ thi công sẵn có ở trong nước, tái chế nóng bê tông nhựa tại trạm trộn mở ra hướng tái sử dụng một cách có hiệu quả mặt đường cũ

- Công tác thiết kế cấp phối và kiểm soát chất lượng của BTNTCN đơn giản, gần giống như đối với BTN truyền thống Có thể sử dụng hệ thống thiết bị thí nghiệm sẵn có trong các phòng thí nghiệm ở nước ta

- Mẫu BTNTCN được chế bị với hàm lượng nhựa tối ưu, được lựa chọn từ việc thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu chế bị theo phương pháp Marshall, có các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNTCN đều đạt yêu cầu kỹ thuật của BTN truyền thống theo TCVN8819:2011

- BTNTCN với hàm lượng RAP 20% có các chỉ tiêu kỹ thuật bằng hoặc lớn hơn BTN truyền thống Nên có thể sử dụng nhựa đường 60/70 là chất kết dính mới thêm vào hỗn hợp BTNTCN với hàm lượng 20%

- Với hàm lượng RAP 40%, hiệu suất trộn 100%, cường độ vật liệu thấp hơn BTN truyền thống và các loại BTNTCN khác Nên hiệu suất trộn lẫn giựa nhựa đường mới và nhựa đường cũ trong hỗn hợp BTNTCN là không hoàn toàn Nhất là khi hàm lượng RAP tăng cao

- BTNTCN bị phá hoại do tác động của điều kiện nhiệt, ẩm nhiều hơn so với BTN truyền thống

5.2 KIẾN NGHỊ - Các trạm trộn hiện đại ở nước ta hiện nay có thể đáp ứng được dây chuyền, công nghệ tái chế nóng mặt đường BTN tại trạm trộn Tuy nhiên, để sử dụng hàm lượng RAP cao hơn 40% ở các trạm trộn mẻ cần thiết phải cải tiến, bổ sung buồng sấy riêng cho vật liệu RAP trước khi trộn với vật liệu mới

- Khi tái chế với hàm lượng RAP cao (> 40%) sử dụng cho mặt đường cấp cao, tải trọng và lưu lượng xe lớn nên sử dụng thêm các loại phụ gia để tăng cường độ và tính ổn định với môi trường Cần nghiên cứu khả năng chống hằn lún vệt bánh xe và khả năng kháng mỏi của BTNTCN dùng cho lớp mặt đường

5.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

- Tái chế mặt đường bê tông nhựa tại trạm trộn là công nghệ đem lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường Cần tiếp tục nghiên cứu để gia tăng hàm lượng RAP sử dụng lên càng cao càng tốt

- Để tăng chất lượng BTNTCN, nhất là với hàm lượng RAP cao Cần thiết phải nghiên cứu thêm vào thành phần BTNTCN chất phụ gia để tăng cường tính ổn định cho BTNTCN, chịu được tác động khắc nghiệt của môi trường

- Sự bay hơi nhanh của hỗn hợp nhựa đường mới trong hỗn BTNTCN trong giai đoạn sản xuất và thi công hỗn hợp BTNTCN dẫn đến sự cần thiết phải nghiên cứu mỏi của hỗn hợp trong điều kiện hóa già lâu (qua thời gian khai thác).

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế tối ưu hàm lượng nhựa mới đưa vào bê tông nhựa tái chế nóng
Tác giả	Trần Ngọc Huấn
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Mạnh Tuấn
Trường học	Đại học Quốc gia TP. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Xây dựng
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2015
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	131
Dung lượng	6,49 MB