Chương 6-chất kết dính hữu cơ và bê tông asphalt pptx

- Tính quánh phụ thuộc vào nhiệt ñộ môi trường và hàm lượng các nhóm cấu tạo - Tính quánh có ảnh hưởng lớn ñến các tính chất cơ học cũng như quá trình công nghệ sản xuất các loại vật liệ

CH ƯƠ NG VI- CH Ấ T K Ế T DÍNH

6-1 Khái ni ệ m và phân lo ạ i Ch ấ t k ế t dính h ữ u c ơ

I- Khái ni ệ m

II- Phân lo ạ i

6-2 Các tính ch ấ t c ủ a bitum d ầ u m ỏ

I- Tính quánh (Nh ớ t)

II- Tính d ẻ

III- Tính ổ n ñị nh nhi ệ t

IV- Tính ổ ñị nh c ủ a Bitum trong môi tr ườ ng không khí

V- Nhi ệ t ñộ b c cháy

6-3 Khái ni ệ m và phân lo ạ i bê tông asphalt

6-4 V ậ t li ệ u ch ế t ạ o bê tông asphalt

I- ð á

II- Cát

III- B ộ t khoáng

IV- Bitum

6-5 Các tính ch ấ t c ủ a bê tông asphalt

I- C ườ ng ñộ

II- Tính l ư u bi ế

III- ðộ mài mòn

IV- Tính ổ ñị nh n ướ c

6-6 Thi ế t k ế thành ph ầ n bê tông asphalt

6-7 Ch ế t ạ o và Thi công bê tông asphalt

6-1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

I Khái ni ệ m

CKD hữu cơ là những hợp chất hidrocacbon cao phân tử với các nguyên tố phi kim loại khác, tồn tại ở dạng rắn, dạng quánh hay dạng lỏng Tính chất cơ lý của

nó thay ñổi theo nhiệt ñộ.

CKD hữu cơ có khả năng liên kết tốt với bề mặt các vật liệu rắn như ñá, cát, gạch,

bê tông, Tương ñối ổn ñịnh dưới tác dụng của môi trường khí quyển Không hòa tan trong nước, chỉ hòa tan trong các dung môi hữu cơ, có tính dẻo, có khả năng chống thấm
Do ñó ñược ứng dụng ñể xây dựng mặt ñường, làm vật liệu ngăn nước trong các CTTL như khớp nối mềm, lớp phủ lòng hồ, lòng kênh dẫn nước ñể chống thấm,….

II Phân lo ạ i

CKD hữu cơ thường gặp là Bitum và Guñrông

1 Bitum: Có hai loại

- Bitum thiên nhiên: Thường tích tụ dưới các lòng hồ hay lẫn trong các loại ñá vôi,

sa thạch,…

- Bitum nhân tạo: Là sản phẩm trong công nghiệp dầu mỏ (Thông dụng)

2 Guñrông:

Là sản phẩm thu ñược trong công nghiệp luyện than ñá, chưng khô than bùn hay chưng khô gỗ

6-2 CÁC TÍNH CH Ấ T C Ủ A BI TUM D Ầ U M Ỏ

I Tính quánh (nh ớ t) c ủ a bitum

- KN: Tính quánh là tính chất của các hạt bitum

chống lại sự dịch chuyển tương ñối giữa chúng

dưới tác dụng của ngoại lực.

- Tính quánh phụ thuộc vào nhiệt ñộ môi trường và

hàm lượng các nhóm cấu tạo

- Tính quánh có ảnh hưởng lớn ñến các tính chất

cơ học cũng như quá trình công nghệ sản xuất các

loại vật liệu dùng CKD Bitum.

- Tính quánh ñược xác ñịnh bằng ñộ xuyên sâu của

kim tiêu chuẩn ñường kính 1mm, khối lượng 100g,

ở nhiệt ñộ 25 o C, rơi tự do trong 5s ðộ lún kim ký

hiệu là P, ño bằng ñộ (1ñộ bằng 0,1mm) ðộ xuyên

sâu càng lớn chứng tỏ tính quánh của bitum càng

nhỏ.

6-2 CÁC TÍNH CH Ấ T C Ủ A BI TUM D Ầ U M Ỏ

II Tính d ẻ o

- KN: Tính dẻo ñặc trưng cho khả năng biến dạng

của bitum dưới tác dụng của ngoại lực.

- Tính dẻo phụ thuộc vào nhiệt ñộ môi trường, hàm

lượng các nhóm cấu tạo và thời gian tác dụng của

tải trọng

- Tính dẻo ñược xác ñịnh bằng ñộ kéo dài trên máy

ở nhiệt ñộ 25±0,5 o C với tốc ñộ kéo dài 5cm/ph ðộ

kéo dài càng lớn thì ñộ dẻo càng lớn.

6-2 CÁC TÍNH CH Ấ T C Ủ A BI TUM D Ầ U M Ỏ III Tính ổ n ñị nh nhi ệ t

- Khi nhiệt ñộ tăng, bitum có thể chuyển từ trạng

thái rắn sang lỏng, ngược lại khi nhiệt ñộ giảm nó

có thể chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn Trước

khi chuyển sang trạng thái lỏng hay rắn nó ñều phải

qua trạng thái trung gian là quánh.

- Nhiệt ñộ “hóa mềm” – tm là ñiểm nhiệt ñộ làm cho

bitum chuyển từ quánh sang lỏng.

- Nhiệt ñộ “hóa cứng” – tc là ñiểm nhiệt ñộ làm cho

bitum chuyển từ quánh sang cứng.

- tm-tc càng lớn biểu thị tính ổn ñịnh nhiệt ñộ của

bitum càng cao.

- Xð tm bằng dụng cụ “vòng và bi” Nhiệt ñộ làm

cho viên bi rơi từ vòng chứa mẫu bitum trên thang

A xuống chạm thang B là tm.

- Xð tc bằng dụng cụ ño ñộ xuyên kim ðiểm nhiệt

ñộ làm cho kim xuyên vào bitum ñược 1 o (tương

ứng với 0,1mm) là tc.

6-3 KHÁI NI Ệ M VÀ PHÂN LO Ạ I BÊ TÔNG ASPHALT

I Khái ni ệ m

- Bê tông asphalt là v ậ t li ệ u nhân t ạ o ñượ c ch ế t ạ o t ừ h ỗ n

h ợ p h ợ p lý các v ậ t li ệ u: ð á, cát, b ộ t ñ á, bitum và các ph ụ gia khi c ầ n thi ế t.

- Trong thành ph ầ n c ủ a bitum, các v ậ t li ệ u ñ á, cát, b ộ t ñ á ñượ c g ọ i chung là c ố t li ệ u hay v ậ t li ệ u khoáng Ch ấ t k ế t dính h ữ u c ơ bitum th ườ ng dùng là lo ạ i bitum d ầ u m ỏ

II Phân lo ạ i

• Hỗn hợp bê tông asphalt và bê tông asphalt ñược phân loại theo các ñặc ñiểm sau:

- Theo công dụng: Bê tông asphalt ñược chia ra bê tông thủy công, bê tông

ñường và bê tông sân bay, bê tông ñể làm nền cho nhà công nghiệp và nhà

kho, bê tông cho lơp mái phẳng Ngoài ra còn có những loại bê tông ñặc biệt:

bê tông cho lớp phủ bền axit và bền kiềm (chế tạo từ cốt liệu bền hóa), bê tông trang trí.

- Theo nhiệt ñộ thi công: Hỗn hợp bê tông asphalt trong lớp phủ mặt ñường

chia ra loại nóng, ấm và lạnh

- Hỗn hợp nóng ñược rải và bắt ñầu làm ñặc khi nhiệt ñộ nhỏ hơn 1200 C Hỗn hợp này thường dùng bitum có ñộ quánh:40/60, 60/90 và 90/130.

- Hỗn hợp ấm ñược rải và bắt ñầu làm ñặc khi nhiệt ñộ không nhỏ hơn 700 C với bê tông lỏng mác 130/200

- Hỗn hợp lạnh dùng bitum lỏng có ñộ quánh70/130 ñược rải ở nhiệt ñộ không

khí nhỏ hơn 5 0 C và ñược giữ ở nhiệt ñộ thường.

- Theo ñộ ñặc quánh (hoạc ñộ rỗng): Theo chỉ tiêu ñộ rỗng còn dư bê tông

asphalt ñược chia ra 3 loại: Loại ñặc nếu ñộ rỗng 2-7%; Loại rỗng nếu có

ñộ rỗng 6-12% và loại rất rỗng nếu có ñộ rỗng 12-18%.

- Theo ñộ lớn của hạt cốt liệu: Theo Dmax của VL khoáng chia ra 3 loại (Dmax ≤ 40); Loại trung bình (Dmax ≤ 20); Loại nhỏ (Dmax ≤ 5)

- Theo tỷ lệ giữa ñá và cát: Có các loại A, B, C, D, E

- Theo cường ñộ ñá dăm, chất lượng bột khoáng: Bê tông asphalt ñược chia

ra loại I, II, và III

I đá (dăm hoặc sỏi)

Chất lượng của ựá dăm hay sỏi (cường ựộ, tắnh ựồng nhất, hình dạng, trạng thái bề mặt, thành phần hạt, Ầ) có ảnh hưởng rất lớn ựến chất lượng của bê tông asphalt Các chỉ tiêu chất lượng của ựá dăm hay sỏi ựể chế tạo bê tông asphalt ựược quy ựịnh như khi chế tạo bê tông ximăng pooclăng

Thành phần hạt của ựá dăm hay sỏi ựược phân ra ba nhóm 20-40; 10-20 và 5-10mm

II Cát

Có thể dùng cát tự nhiên hay cát nhân tạo với các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với quy phạm như khi dùng cho bê tông ximăng pooclăng

đối với cát tự nhiên chỉ dùng cát lớn (Mựl≥2,5) và cát vừa (Mựl=2-2,5) Nếu không có cát lớn có thể dùng cát hạt nhỏ theo nguyên tắc cấp phối không liên tục

III Bột khoáng

Bột khoáng do có bề mặt riêng lớn, có khả năng dàn mỏng màng bitum trên bề mặt, làm tăng lượng tương tác giữa chúng, cùng với bitum nhét ựầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu nên cường ựộ của bê tông asphalt tăng lên

Bột khoáng là loại bột mịn ựược chế tạo từ ựá vôi và ựá ựôlômit, cường ựộ chịu nén của ựá không nhỏ hơn 200 daN/cm2 Vật liệu chết tạo bột khoáng cần sạch, không chứa các tạp chất và sét quá 5% Bột khoáng cần phải khô, xốp khi trộn với bitum không ựược vón cục, có khả năng hút bitum tốt và phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- độ nhỏ: lượng sót qua sàng có kich thước lỗ sàng:

1,25mm - 100%; 0,315mm ≥90%; 0,071mm ≥70%

- Lượng bột khoáng hút hết 15g bitum mác 60/70 không nhỏ hơn 40g

- Tác dụng lắ hóa của bột khoáng với bitum ựược xác ựịnh một cách gần ựúng bằng hệ số ưa nước (Ku) của các hạt khoáng kich thước nhỏ hơn 1,25mm: tỷ số giữa ựộ trườn nở của bột khoáng trong nước (có cực)

và ựộ trương nở trong kêrôxin ựã khử nước (không có cực) Bột khoáng

ưa nước (có ái cực lớn với nước) có Ku>1, bột khoáng không ưa nước có

Ku<1 Bột khoáng ưa nước liên kết với bitum tốt hơn và làm tăng cường

ựộ của bê tông asphalt

IV Bitum

• Hỗn hợp bê tông asphalt thường dùng bitum dầu mỏ đặc quánh làm chất kết dính Loại bitum này phải có các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với 22TCN 227-95 ở điều kiện Việt Nam thông thường chọn bi tum đặc số 3 hoặc 4 Các chỉ tiêu kỹ thuật của bitum quánh được chia làm 5 mác theo bảng 5-3.

• Yêu cầu bitum dùng chế tạo hỗn hợp bê tông asphalt rải nóng

là loại đặc gốc dầu mỏ Đánh giá độ quánh của bitum bằng chỉ tiêu độ cắm sâu của kim (trọng lượng 100g, đường kính 1mm) của dụng cụ tiêu chuẩn vào bitum ở nhiệt độ 25oC trong 5 giây

• Bitum nhựa phải sạch, không lẫn nước và tạp chất, phải đảm bảo tính dẻo cao, tính ổn định nhiệt và tính bám dính cao với

bề mặt vật liệu khoáng.

Bờ tụng asphalt với cấu trỳc vi mụ thuận nghịch, tựy theo nhiệt ủộ nú

cú thể tồn tại ở những trạng thỏi sau ủõy: ủàn hồi-dũn, ủàn hồi-dẻo, nhớt-dẻo Ngoài nhiệt ủộ, bờ tụng cũn chịu tỏc ủộng của hơi nước và nước Nước xõm nhập vào lỗ rỗng của bờ tụng asphalt và làm yếu sự liờn kết của vật liệu khoỏng với màng chất kết dớnh

I Cường ủộ

Cường ủộ biểu thị giới hạn của ứng suất phỏt sinh trong quỏ trỡnh sử dụng Thực tế bề mặt vỡ khi phỏ huỷ bờ tụng asphalt luụn luụn ủi qua bitum

Do ủú, cường ủộ lý thuyết của bờ tụng asphalt ủược xỏc ủịnh bằng cường

ủộ của màng bitum Việc phỏ hủy bờ tụng asphalt dưới tỏc ủộng của tải

trọng là một quỏ trỡnh ủộng, nú phỏt triển theo thời gian Tải trọng càng lớn, quỏ trỡnh phỏ hủy xảy ra càng nhanh

Cường ủộ của bờ tụng asphalt ủược xỏc ủịnh ở nhiệt ủộ 50oC, 20oC và

0oC Cường ủộ ở 50oC biểu thị tớnh ổn ủịnh ủộng của vật liệu chế tạo bờtụng, ở 0oC – tớnh chống nứt Cũn ở 20oC ủược coi là nhiệt ủộ chuẩn ủể tiến hành thớ nghiệm Nhiệt ủộ thớ nghiệm chuẩn của Mỹ là 25oC, của Phỏp

là 18oC

6-5 Cỏc tớnh chất của bờ tụng asphalt

Ngoài cường ựộ chịu nén, cường ựộ chịu kéo của bê tông asphalt cũng là chỉ tiêu quan trọng ựể xác ựịnh khả năng chống nứt của bê tông

bê tông asphalt chế tạo từ các loại bitum khác nhau, ở những nhiệt ựộ khác nhau ựược giới thiệu ở bảng 6-1

Cường ựộ bê tông asphalt ựược xác ựịnh trên thiết bị Marshall và nó phụ thuộc vào thành phần vật liệu, vào công nghệ làm ựặc bê tông, nhiệt ựộ và tốc ựộ biến dạng Hàm lượng bitum lớn hơn hoặc nhỏ hơn hàm lượng hợp lý ựều làm giảm cường ựộ

bê tông Cường ựộ bê tông phát triển tỷ lệ thuận với ựộ quánh của bitum.

Bảng 6-1: Cường ựộ kéo, nén ứng với các nhiệt ựộ TN khác

nhau

II Tắnh lưu biến

Các chỉ tiêu cường ựộ của bê tông asphalt không ựặc trưng hoàn toàn cho sự làm việc của nó, vì khi chất tải làm phát sinh không chỉ biến dạng thuận nghịch mà cả biến dạng không thuận nghịch Giá trị của các biến dạng ựó, ở một nhiệt ựộ nhẩ ựịnh liên quan ựến mức ựộ chất tải, thời gian tác dụng của tải trọng và tốc ựộ biến dạng đó là biểu hiện tắnh lưu biến của bê tông asphalt

III độ mài mòn của bê tông asphalt xảy ra do tác dụng của lực

ma sát độ chống mài mòn càng cao khi ựộ ựặc của bê tông, ựộ cứng của cốt liệu và sự dắnh bám của ựá với bitum càng lớn Loại bê tông dùng ựá granit chống mài mòn tốt hơn dùng ựá vôi

IV Tắnh ổn ựịnh nước: Bê tông asphalt bị ẩm lâu ngày có thể

bị phá hoại do liên kết cấu trúc bị yếu ựi Tắnh ổn ựịnh nước phụ thuộc vào ựộ ựặc và sự ổn ựịnh của ựộ dắnh bám độ rỗng của bê tông asfalt (thường là 3-7%) có ảnh hưởng lớn ựến ựộ ổn ựịnh nước Lỗ rỗng trong bê tông có thể là lỗ rỗng hở hoặc lỗ rỗng kắn Giảm kắch thước hạt thì số lượng lỗ rỗng kắn không thấm nước tăng lên

Trong bê tông hạt lớn thực tế chỉ chứa lỗ rỗng hở, còn trong bê tông hạt nhỏ lỗ rỗng hở chỉ chiếm 30 – 40% ðộ ổn ñịnh nước của bê tông asfalt ñược xác ñịnh thông qua ñộ bão hòa nước ñộ trương phồng

và hệ số mềm (Km) Hệ số mềm yêu cầu không ñược thấp hơn 0,9 còn khi ngâm dài ngày trong nước (14ngày) yêu cầu không nhỏ hơn 0,8

* Yêu cầu kỹ thuật của BT asphalt

Bê tông asphalt dùng ñể xây dựng các lớp áo ñường ôtô cấp I, II, III, ñường thành phố và sân bãi Mỗi nước ñều có những tiêu chuẩn riêng

về loại bê tông này Ở Việt Nam, 22 TCN 63-1984 quy ñịnh các chỉ tiêu

kỹ thuật của bê tông asphalt như bảng 6-2

Bảng 6-2: Bảng quy ñịnh các chỉ tiêu của bê tông

asphalt

Mục ñích của việc thiết kế thành phần bê tông là lựa chọn một dạng (nóng, ẩm, nguội) và loại (A, B, …) bê tông tương ứng với

ñiều kiện làm việc (vùng khí hậu, ñặc tính chịu tải) với loại vật

liệu khoáng, loại và lượng bitum tối ưu, với tỉ lệ giữa các thành phần thỏa mãn với các yêu cầu quy ñịnh

Có nhiều phương pháp thiết kế thành phần bê tông asphalt Song phổ biến nhất, cho kết quả tin cậy nhất là phương pháp dựa trên cơ

sở lý thuyết về ñường cong ñộ ñặc hợp lý của hỗn hợp vật liệu khoáng, ñó là phương pháp tính toán kết hợp với thực nghiệm

Trình tự thiết kế thành phần bê tông asphalt như sau: lựa chọn

và kiểm tra vật liệu, xác ñịnh tỉ lệ của các vật liệu theo thành phần cấp phối hạt, lựa chọn thành phần bitum tối ưu và thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật trên các mẫu thử

6-6 Thiết kế thành phần BT asphalt

I Lựa chọn thành phần vật liệu khoáng ñể chế tạo bê tông asphalt.

Vật liệu sử dụng phải phù hợp với loại, dạng bê tông và ñạt các yêu cầu về tính chất cơ học, tính ổn ñịnh nhiệt và tính chống ăn mòn,

ñồng thời phải phù hợp với yêu cầu của quy phạm Thành phần cấp

phối hạt theo quy phạm ñược giới thiệu trên hình 6-2, hình 6-3 và bảng 6-3, bảng 6-4

Hình 6-2: Thành phần hạt liên

tục của bê tông nhựa nóng

Hình 6-3: Thành phần hạt gián

ñ oạn của bê tông nhựa nóng

Bảng 6-3: Thành phần hạt của hỗn hợp bê tông asphalt nóng và ẩm

Bảng 6-4: Thành phần hạt của hỗn hợp bê tông asphalt nguội

Thành phần vật liệu khoáng trong bê tông asphalt thông thường gồm 3 loại: ñá dăm, cát, bột khoáng với tỉ lệ là ð, C, B% Trong một

số trường hợp ñể tăng chất lượng có thể cho thêm một phần ñá mạt (M%) Hỗn hợp vật liệu khoáng ñược lựa chọn có tổng tỉ lệ thành phần như sau:

ð+C+B+M = 100%

Lượng lọt qua sàng của hỗn hợp vật liệu khoáng Lx ñược xác ñịnh theo công thức:

Trong ñó: ðx, Mx, Cx và Bx lượng lọt qua sàng kích thước x(mm) của ñá, mạt ñá, cát và bột ñá

II Xác ñịnh lượng ñá dăm

Tỷ lệ thành phần của ñá dăm ñược xác ñịnh theo công thức:

Trong ñó: Ax, Ad là lượng sót tích lũy tại cỡ hạt x (mm) của hỗn hợp lý theo quy phạm và của ñá dăm

III Xác ñịnh lượng bột khoáng

Tỷ lệ phần trăm của bột khoáng (có cỡ hạt < 0,071mm) ñược xác

ñịnh theo công thức sau (phần cát và ñá mạt có kích thước <0,071mm

cũng ñược coi là bột khoáng):

Trong ñó: Y0,071, B0,071 là lượng hạt nhỏ hơn 0,071mmcuar hỗn hợp vật liệu hợp lý và của bột khoáng

IV Xác ñịnh lượng cát và mạt ñá

Tỷ lệ phần trăm của cát và mạt ñá ñược tính như sau:

C + M = 100 – B – ð hoặc C = 100 – B – ð (không dùng mạt ñá)

Từ kết quả tắnh toán và thành phần vật liệu thực tế, tiến hành tắnh toán lại trị số Lx với tất cả các cỡ hạt So sánh ựường biểu diễn

Lx với thành phần hạt khoáng vật hợp lý Yêu cầu Lx phải phù hợp với giới hạn thành phần của hỗn hợp hợp lý theo quy phạm Nếu thành phần chọn ựược không hợp quy phạm thì có thể ựiều chỉnh lại các lượng vật liệu ựể có Lxhợp quy phạm

V Xác ựịnh lượng bitum tối ưu

Lượng bitum tối ưu ựược tắnh toán theo chỉ tiêu ựộ rỗng của hỗn hợp vật liệu khoáng của các mẫu thắ nghiệm bê tông asphalt và

ựộ rỗng còn dư của bê tông asphalt theo quy ựịnh ở quy phạm

Chuẩn bị các mẫu thắ nghiệm từ hỗn hợp bê tông asphalt, trong ựó lượng bitum dùng giảm ựi 0,3-0,5% so với giới hạn dưới của các trị

số trong bảng 6-3 Lượng bitum tối ưu ựược xác ựịnh theo công thức sau:

VI Kiểm tra trên các mẫu thắ nghiệm

Kết quả tắnh toán lượng bitum sẽ dùng ựể chế tạo ba mẫu thử và kiểm tra lại các tắnh năng cần thiết của bê tông asphalt Nếu chỉ tiêu ựộ rỗng không ựảm bảo các chỉ tiêu khác (vắ dụ cường ựộ, ựộ ổn ựịnh nước) thì ựiều chỉnh lại thành phần vật liệu khoáng, chủ yếu là lượng bột khoáng Sau ựó tắnh lại lượng B và làm lại theo trình tự trên cho

ựến lúc ựạt các yêu cầu quy ựịnh

6-7 Chế tạo và thi công bê tông asphalt

I Chế tạo (Trộn)

Trong giai ựoạn chuẩn bị, nguyên liệu ựá dăm hay sỏi, cát cần ựược sấy khô và nung ựến nhiệt ựộ phù hợp với ựộ nhớt của bi tum Bi tum cần phải ựun ựến nhiệt ựộ thi công từ 140-200oC tùy theo ựộ quánh của bi tum và loại bê tông asphalt (nóng, ấm ) Việc trộn

bê tông asphalt ựược tiến hành theo 2 giai ựoạn:

Giai ựoạn 1 (trộn khô) đá dăm và cát nóng ựược trộn với bột khoáng (không nung nóng) Các hạt bột khoáng sẽ bọc bề mặt cát,

ựá ựể tăng ựộ hoạt tắnh bề mặt cho cốt liệu