Bài giảng vật liệu xây dựng chương 9 nguyễn ngọc hưng

- Ý nghĩa: ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu có sử dụng bitum;  Quyết định đến công nghệ chế tạo và thi công vật liệu có sử dụng bitum;  Dựa vào chỉ tiêu độ kim lún để định r

VËt liÖu x©y dùng

construction materials

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VIÖN KHOA HäC Vµ C¤NG NGHÖ X¢Y DùNG GIAO TH¤NG

bé m«n vËt liÖu x©y dùng

NguyÔn Ngäc L©n

CHƯƠNG 9 CHẤT KẾT DÍNH HỮU CƠ

1 Khái niệm

- Bitum, guđrông, nhũ tương là các chất kết dính hữu cơ

- Trộn lẫn và dính bám với vật liệu khoáng

-Thành phần:

 Hyđrô các bon cao phân tử (CnH2n, CnH2n+2, CnH2n-6);

 Dẫn xuất chứa các nguyên tố O, N, S;

2 Phân loại chất kết dính hữu cơ

Theo thành phần hoá học

Là hỗn hợp phức tạp của các hyđrô các bon ở dạng cao phân tử và các dẫn xuất

của chúng chứa O, N, S

Là hỗn hợp phức tạp của các hyđrô các bon không no

và các dẫn xuất của chúng

chứa O, N, S

Theo nguồn gốc

Bitum

Bitum thiên nhiên Bitum đá dầu Bitum dầu mỏ

Là loại bitum tinh

khiết có trong tự

nhiên

Sản phẩm thu được từ quá trình chưng khô đá dầu

Sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất dầu mỏ

Hồ bitum thiên nhiên rộng 35 hecta ở Trinidad

Sơ đồ chưng cất bitum dầu mỏ từ dầu thô

Sản phẩm thu được

từ quá trình chưng

khô gỗ

20 o -25 o

Là chất lỏng có tính đàn hồi không cao

3 Bitum dầu mỏ

Sơ đồ chưng cất bitum dầu mỏ từ dầu thô

Nhóm Cacben và Cacboit:

 (1-2)%;

 Nhóm Cacben: tính chất gần giống như nhóm asphalt

 Nhóm Cacboit: chất rắn dạng muội, không hoà tan trong

bất kỳ dung môi nào;

Nhóm chất này nhiều:

 tính quánh tăng;

 tính dẻo giảm

- Cấu trúc của bitum:

Là một hệ keo phức tạp, có cấu trúc cơ bản là cấu trúc mixen:

Các nhóm chất rắn (asphalt) – pha phân tán;

Nhóm chất dầu – môi trường phân tán;

Nhóm chất nhựa – chất hoạt tính bề mặt giữ cho hệ ổnđịnh

- Cấu trúc của bitum:

 nhua

dau

asphalt

Cấu trúc dạng gel của bitum

 nhua

dau

asphalt

- Cấu trúc dạng gel - sol:

 Là cấu trúc đặc trưng cho biitum quánh ở nhiệt độ thường;

 Bitum có tính đàn hồi dẻo và nhớt

Cấu trúc dạng sol của bitum

3.2 Các tính chất của bitum dầu mỏ quánh

3.2.1 Tính quánh

- Khái niệm:

 Là tính chất chống lại sự dịch chuyển của các hạt bitum dưới tác dụng của ngoại lực

 Biểu thị mối liên kết nội tại trong bitum

 Chỉ tiêu kỹ thuật đặc trưng cho tính quánh: độ kim lún (P25)

P – Penetration

to = 25oC

Cấu tạo kim xuyên

8 40' to 9 40' xấp xỉ 6,35 mm 1,00 to 1,02mm

Khoảng 50 mm Giá đỡ

đế Nhiệt kế

Thanh răng

Trục dẫn hướng

vấu tỳ tay

Núm điều chỉnh kim đồng hồ

Nhựa đường Hộp đựng nước ổn nhiệt Khối kê

Hộp đựng nhựa

đường

Dụng cụ đo độ kim lỳn của

bitum quỏnh

Bộ thiết bị đo độ kim lún của bitum quánh

- Ý nghĩa:

 ảnh hưởng nhiều đến tính chất của vật liệu có sử dụng bitum;

 Quyết định đến công nghệ chế tạo và thi công vật liệu có sử dụng bitum;

 Dựa vào chỉ tiêu độ kim lún để định ra mác của bitum quánh

- Một số yếu tố ảnh hưởng:

 Hàm lượng các nhóm chất có trong bitum;

 Nhiệt độ môi trường

- Phương pháp xác định:

Độ kéo dài L25 được xác định bởi thí nghiệm kéo mẫu bitum hình số 8 trong nước ở 25oC với tốc độ kéo 5 cm/phút đến khi đứt

Khuôn chứa mẫu bitum hình số 8

MÉu nhùa ®­êng

Thiết bị đo độ kéo dài của bitum quánh

Thí nghiệm kéo mẫu bitum hình số 8

3.2.3 Tính ổn định với nhiệt độ

- Khái niệm: là tính chất đánh giá sự thay đổi các tính chất của

bitum khi nhiệt độ thay đổi

t o

Tm: nhiệt độ bitum chuyển từ trạng thái quánh sang trạng thái lỏng

Tc: nhiệt độ bitum chuyển từ trạng thái quánh sang trạng thái rắnT=Tm-Tc: biểu thị tính ổn định với nhiệt độ của bitum

Nếu T càng lớn thì tính ổn định với nhiệt độ của bitum càng cao và ngược lại

 Hư hỏng điển hình xảy ra đối với vật liệu sử dụng bitum có nhiệt độ hoá mềm không hợp lý

Lún vệt hằn bánh xe ở mặt đường bêtông asphalt

Bitum chảy ở nhiệt độ cao

 Hư hỏng xảy ra đối với vật liệu sử dụng bitum có nhiệt độ hoá cứng không hợp lí

Vật liệu có sử dụng bitum nứt ở nhiệt độ thấp

- Phương phỏp xỏc định:

 Tm: được xỏc định bởi

dụng cụ thớ nghiệm “vũng

và bi” Viờn bi và bitum

được gia nhiệt trong chất

lỏng đến khi viờn bi tiếp

xỳc với bảng dưới của giỏ

đỡ  nhiệt độ chất lỏng

trong bỡnh chớnh là Tm

Nhiệt kế thuỷ ngân

chi tiết 3

chi tiết 4

Bình thuỷ tinh có vạch chia, dung tích 1000ml, chứa ethylen glycol

Khung treo để đặt khuôn mẫu và bi

Vòng dẫn hướng

có vít định vị bi Khuôn mẫu

đổ nhựa

5 4

Bi thép

3 2 1

chi tiết 1

Ethylen glycol

Thiết bị đo nhiệt độ hoỏ

mềm của bitum

Dụng cụ xác định nhiệt độ hoá mềm của bitum

Dụng cụ thí nghiệm xác định nhiệt độ hoá mềm của bitum quánh

 Xác định nhiệt độ hoá cứng Tc: được xác định bởi dụng cụ đo

độ kim lún hoặc dụng cụ Fraass

 Với dụng cụ đo độ kim lún: điểm nhiệt độ làm cho kim xuyên vào bitum được 0,1 mm là nhiệt độ hoá cứng của

bitum

 Với dụng cụ Fraass: dùng tấm thép mỏng (41x20 mm)

phủ lớp bitum dầy 0,5 mm, sau đó uốn thanh thép và hạ thấp dần nhiệt độ 1oC/phút Khi lớp bitum phủ trên thanh thép xuất hiện vết nứt chân chim  nhiệt độ tương ứng tại thời điểm đó chính là nhiệt độ hoá cứng của bitum

Dụng cụ fraass xác định nhiệt độ hoá cứng của bitum

- Một số yếu tố ảnh hưởng:

 Thành phần nhóm chất có trong bitum;

 Nhiệt độ môi trường

- ý nghĩa: là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của bitum Nó đảm

bảo sự ổn định chất lượng của bitum và các vật liệu có sử dụng bitum khi nhiệt độ thay đổi, nhằm chánh hiện tượng các vật liệu

sử dụng bitum trở nên giòn ở nhiệt độ thấp hoặc các vật liệu sử dụng bitum có khả năng chịu lực thấp và biến dạng lớn ở

nhiệt độ cao

3.2.4 Tính hoá già của bitum

- Khái niệm: thành phần và tỷ lệ của các nhóm chất trong bitum

thay đổi do ảnh hưởng của quá trình thi công hỗn hợp có sửdụng bitum và do tác động của môi trường → sự hóa già củabitum

- Nguyên nhân:

 Do quá trình oxy hóa;

 Do bay hơi các thành phần dầu nhẹ;

 Do polyme hóa;

 Do cốt liệu hút

→ Tỷ lệ pha rắn/lỏng tăng → bitum hóa già.

- Các giai đoạn hóa già:

 Giai đoạn 1: diễn ra trong giai đoạn nhào trộn và thi cônghỗn hợp bitum-VLK, và giai đoạn đầu của quá trình khaithác Giai đoạn này hóa già làm tăng cường độ và khả năngchịu biến dạng

 Giai đoạn 2: hóa già phát triển trong quá trình khai thácmặt đường, khả năng chịu biến dạng của kết cấu mặt đườnggiảm → mặt đường dễ bị nứt, bong bật, v.v

Sự hóa già của bitum khi trộn, lưu kho, vận chuyển, thi công và khai thác

(Lưu ý: Chỉ số hoá già thường là tỷ lệ của 2 giá trị như độ nhớt, độ cứng hay độ kim lún).

Hóa già của mặt đường bê

tông asphalt

- Phương phỏp xỏc định: ASTM D2872

Thớ nghiệm hoỏ già của màng mỏng bitum trong lũ quay

Thí nghiệm màng mỏng bitum trong lò quay

đễ xác định sự hoá già (hoá cứng) của bitum

3.2.5 Nhiệt độ bắt lửa

- Khái niệm: là nhiệt độ thấp nhất tại áp suất khí quyển (760 mmHg) mà ở đó ngọn lửa thí nghiệm làm cho mẫu bốc hơi và cháy

- Nguyên nhân: do thành phần nhóm chất dầu trong bitum

- Phương pháp xác định: ASTM D1310, 22TCN 279-01

- ý nghĩa: xác định nhiệt độ an toàn cho bitum khi đun nóng chảy

Thí nghiệm xác định nhiệt độ bắt lửa của bitum

3.2.6 Tính dính bám của bitum với vật liệu khoáng

Chất lượng dính bám của bitum vơi VLK

3.2.6 Tính dính bám của bitum với vật liệu khoáng

- Khái niệm: là tính chất đánh giá độ bền của mối liên kết giữa bitum với vật liệu khoáng (đá dăm) dưới tác dụng của nước sôi

ở 100oC

Sự hình thành mối liên kết giữa bitum với vật liệu khoáng:

lý giữa bitum với hợp chất khoáng vật trên bề mặt vật liệu khoáng (hấp phụ, neo)

hữu cơ có trong bitum với các khoáng vật vô cơ mang tính bazơ có trên bề mặt vật liệu khoáng

- Phương pháp xác định:

22TCN 279- 01, ASTM D3625

Dùng 20 viến đá dăm có kích cỡ 30-40 mm, rửa sạch, sấy khô

 nhúng từng viên vào bitum đun nóng tới nhiệt độ làm việcvới thời gian 15 phút  nhấc viên đá ra và treo lên giá để ngoàikhông khí 15 phút  sau đó nhúng viên đá bọc bitum vào trongnước sôi trong 10 phút  nhấc viên đá ra và quan sát

Bảng 9.1: Phân cấp dính bám bitum với vật liệu khoáng

Đ ĐÆc tr­ng cña mµng bitum trªn Æc tr­ng cña mµng bitum trªn

DÝnh b¸m kh¸ cÊp 4 cÊp 4 DÝnh b¸m TB

DÝnh b¸m TB cÊp 3 cÊp 3 DÝnh b¸m kÐm

DÝnh b¸m kÐm cÊp 2 cÊp 2 DÝnh b¸m rÊt kÐm DÝnh b¸m rÊt kÐm cÊp 1 cÊp 1

- Ý nghĩa: là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng, ảnh hưởng nhiều đến các tính chất cơ học, tính ổn định nhiệt và ổn định nước của vật liệu có sử dụng bitum.

- Một số yếu tố ảnh hưởng:

 Tính chất của bitum;

 Nguồn gốc và tính chất bề mặt vật liệu khoáng

3.2.7 Cỏc chỉ tiờu kỹ thuật của bitum quỏnh xõy dựng đường

Mác theo độ kim lún

20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 70 70 85 85 100 100 120 120 150 150 200 200 300 300

1 Đ Độ ộ kim kim lún lún ở ở 25 25 0 C, C, 0 0 1 1mm mm 20

30

40 50

60 70

85 100

120 150

200 300

2 Đ Độ ộ kéo kéo dài dài ở ở 25 25 0 C, C, cm cm 40 80 100 100 100 100

3 Nhiệt Nhiệt độ độ hoá hoá mềm mềm ,, 0 C 52 49 46 43 39 35

4 Nhiệt Nhiệt độ độ bắt bắt lửa, lửa, 0 C 240 232 232 232 230 220

5 Lượng Lượng tổn tổn thất thất sau sau khi khi đun đun 5 5

8 Khối Khối lượng lượng riêng, riêng, g/cm g/cm 3 1 1 1.05 1.05

9 Hàm Hàm lượng lượng parafin, parafin, max, max, % % 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2

10 Đ Độ ộ nhớt nhớt ở ở 135 135 0 C, C, cSt cSt 515 305 285 235 185 150

3.2.8 Phạm vi sử dụng của bitum dầu mỏ quỏnh làm đường

Mác của bitum Phạm vi sử dụng

Gia Gia cố cố đất, đất, làm làm lớp lớp tráng tráng mặt, mặt, làm làm lớp lớp thấm thấm nhập nhập khi khi vật vật liệu liệu

bêtông asphalt asphalt xây xây dựng dựng mặt mặt đường đường ở ở vùng vùng khí khí hậu hậu ôn ôn hoà, hoà, có

có thể thể dùng dùng để để chế chế tạo tạo bêtông bêtông asphalt asphalt nóng nóng xây xây dựng dựng mặt mặt

đường

đường ôtô ôtô cho cho xe xe chạy chạy ở ở vùng vùng khí khí hậu hậu lục lục địa địa

Chế Chế tạo tạo bêtông bêtông asphalt asphalt nóng nóng xây xây dựng dựng mặt mặt đường đường ở ở xứ xứ nóng,

nóng, chế chế tạo tạo vật vật liệu liệu lợp lợp và và cách cách nước nước

Chế Chế tạo tạo bêtông bêtông asphalt asphalt nóng nóng xây xây dựng dựng mặt mặt đường đường ôtô ôtô cho cho xứ xứ nóng,

nóng, cho cho xe xe nặng nặng

Chế Chế tạo tạo mastit mastit asphalt asphalt cứng cứng cho cho các các lớp lớp mặt mặt đường đường đặc đặc biệt biệt

4 Bitum lỏng xây dựng đường

4.1 Khái niệm và phân loại

 BitumBitum lỏnglỏng XDDXDD cócó thànhthành phầnphần làlà cáccác loạiloại bitumbitum đặcđặc đượcđược phaphaloãng

loãng bằngbằng dungdung môimôi xăngxăng;; dầudầu hỏahỏa;; hoặchoặc dầudầu dieseldiesel

 BitumBitum lỏnglỏng thườngthường đượcđược chiachia làmlàm 33 loạiloại theotheo tốctốc độđộ đôngđông đặcđặc::

 Loại Loại đông đông đặc đặc nhanh nhanh:: RCRC (rapid(rapid curing),curing), dungdung môimôi thườngthường

là

là xăngxăng;;

 Loại Loại đông đông đặc đặc trung trung bình bình:: MC,MC, dungdung môimôi làlà dầudầu hỏahỏa;;

 Loại Loại đông đông đặc đặc chậm chậm:: SC,SC, dungdung môimôi làlà dầudầu dieseldiesel

Chương 9: CKD hữu cơ 4 Bitum lỏng xây dựng đ

Chương 9: CKD hữu cơ 4 Bitum lỏng xây dựng đườn ường g

4.2 Các tính chất

 ĐộĐộ nhớtnhớt (AASHTO(AASHTO 732732 9090))

 PhụPhụ thuộcthuộc vàovào thànhthành

phầnphần củacủa bitumbitum

 ĐượcĐược xácxác địnhđịnh bằngbằng thờithời

giangian đểđể chảychảy hếthết 5050mlmlbitum

bitum lỏnglỏng quaqua lỗlỗ đáyđáycủa

của nhớtnhớt kếkế cócó đườngđườngkính

kính 55mm,mm, ởở nhiệtnhiệt độđộ

60oCC

Chương 9: CKD hữu cơ 4 Bitum lỏng xây dựng đ

Chương 9: CKD hữu cơ 4 Bitum lỏng xây dựng đườn ường g

4.2 Các tính chất

 PhầnPhần cấtcất (phần(phần dễdễ baybay hơi)hơi)

 BiểuBiểu thịthị tốctốc độđộ đôngđông đặcđặc

 ĐượcĐược xácxác địnhđịnh bằngbằng cáchcách nungnung bitumbitum ởở cáccác nhiệtnhiệt độđộ 360360oC

((225225oCC;; 315315oC)C) SauSau đóđó xácxác địnhđịnh cáccác tínhtính chấtchất củacủa phầnphần còncònlại

lại

 HoặcHoặc xácxác địnhđịnh %% baybay hơihơi khukhu nungnung bitumbitum lỏnglỏng từtừ 6060oCC đếnđến

100oCC từtừ 11 đếnđến 55 giờgiờ

Chương 9: CKD hữu cơ 4 Bitum lỏng xây dựng đ

Chương 9: CKD hữu cơ 4 Bitum lỏng xây dựng đườn ường g

Chương 9: CKD hữu cơ 4 Bitum lỏng xõy dựng đ

Chương 9: CKD hữu cơ 4 Bitum lỏng xõy dựng đườn ường g

Bảng 9 7 Bitum lỏng đông đặc nhanh (Mỹ)

Các chỉ tiêu

thí nghiệm RC- 70 RC- 250 RC- 300 RC-3000

99,5+

0.2-250-500

35+

-60+

80+

65+

30-120 100+

99,5+

0.2-800-1600 80+

15+

-15+

75+

75+

80-120 100+

99,5+

0.2-3000-6000 80+

- 25+

-70+

80+

80-120 100+

99,5+

0.2-D2170-T201 D1310-T79

D402-T76

D5-T49 D148-T51 D2042-T44 D95-T55

5 Các loại bitum cải tiến (modified bitumen)

5.1 Mở đầu

 BitumBitum dầudầu mỏmỏ XDĐXDĐ truyềntruyền thốngthống đápđáp ứngứng tốttốt cáccác yêuyêu cầucầu vềvềxây

xây dựngdựng đườngđường ôtôôtô vàvà sânsân baybay

 NhuNhu cầucầu xâyxây dựngdựng lớplớp mặtmặt chịuchịu tảitải trọngtrọng lớn,lớn, ổnổn địnhđịnh vớivới cáccácđiều

điều kiệnkiện môimôi trườngtrường làmlàm việcviệc khắckhắc nghiệtnghiệt làlà cầncần thiết,thiết, đòiđòi hỏihỏi cócónhững

những loạiloại bitumbitum cócó chấtchất lượnglượng caocao hơnhơn →→ bitumbitum cảicải tiếntiến

Chương 9: CKD hữu cơ 5 Các loại bitum cải ti Chương 9: CKD hữu cơ 5 Các loại bitum cải tiến ến

Một số cải thiện của các loại bitum cải tiến:

 NângNâng caocao tínhtính đànđàn hồi,hồi, dẻodẻo củacủa bitum,bitum, khảkhả năngnăng chịuchịu biếnbiếndạng

dạng;;

 NângNâng caocao độđộ ổnổn địnhđịnh nhiệtnhiệt;;

 NângNâng caocao khảkhả năngnăng dínhdính bámbám vớivới cốtcốt liệuliệu

Chương 9: CKD hữu cơ 5 Các loại bitum cải ti Chương 9: CKD hữu cơ 5 Các loại bitum cải tiến ến

Một số loại bitum cải tiến:

tính dễdễ thithi côngcông;; tăngtăng khảkhả năngnăng chịuchịu biếnbiến dạngdạng;;

 BitumBitum cảicải thiệnthiện bằngbằng caocao susu:: tăngtăng độđộ nhớtnhớt bitumbitum;;

 BitumBitum cảicải thiệnthiện bằngbằng cáccác hợphợp chấtchất manganmangan hữuhữu cơcơ:: tăngtăng độđộ

ổn

ổn địnhđịnh nhiệtnhiệt;;

 BitumBitum cảicải thiệnthiện bằngbằng cáccác polimepolime kháckhác

Chương 9: CKD hữu cơ 5 Các loại bitum cải ti Chương 9: CKD hữu cơ 5 Các loại bitum cải tiến ến

6 Nhũ tương xây dựng đường

6.1 Khái niệm và phân loại

Khái niệm:

Nhũ

Nhũ tươngtương XDĐXDĐ làlà mộtmột hệhệ thốngthống keokeo phứcphức tạptạp gồmgồm haihai chấtchất lỏnglỏngkhông

không hòahòa tantan trongtrong nhau,nhau, trongtrong đóđó::

 MộtMột chấtchất làlà phapha phânphân tántán;;

 MộtMột chấtchất làlà môimôi trườngtrường phânphân tántán;;

 HệHệ đượcđược giữgiữ ổnổn địnhđịnh nhờnhờ chấtchất nhũnhũ hóahóa

Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đư Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đường ờng

Cấu trúc nhũ tương điển hình

Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đư Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đường ờng

Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đư Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đường ờng

Phân loại theo đặc trưng của pha phân tán và môi trường phân tán

Pha phân tán là bitum hoặc guđrông

Môi trường phân tán là nước

(Nhũ tương D-N)

Pha phân tán là nước Môi trường phân tán là bitum hoặc guđrông

(Nhũ tương N-D)

Theo khả năng trộn lẫn của nhũ tương với VLK

Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đư Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đường ờng

Phân loại theo chất nhũ hóa

pH 2-6

Muối của các amoniac

Nhũ tương trung tính

pH 7

Cao su tổng hợp

Nhũ tương dạng bộtnhão

Vôi tôi, đất sét

6.2 Vật liệu chế tạo

 Chất kết dính: Chất kết dính:Bitum dầu mỏ (mác số 1Bitum dầu mỏ (mác số 1 3, hoặc số 5 khi sử 3, hoặc số 5 khi sử

dụng ở vùng khí hậu nóng); guđrông

 Nước Nước: nước mềm, pH : nước mềm, pH ≤ 3≤ 3

 Chất nhũ hóa Chất nhũ hóa: xem phần phân loại CNH (Thực tế thường : xem phần phân loại CNH (Thực tế thường

dùng chất nhũ hóa anion hoạt tính để chế tạo NT thuận

Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đư Chương 9: CKD hữu cơ 6 Nhũ tương xây dựng đường ờng