CHƯƠNG CHÂT KẾT DÍNH HỮU CƠ KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 3.1 3.1.1 Khái niệm Chất kết dính hữu (BITUM) hỗn hợp chất hữu có phân tử lượng tương đối cao, tồn thể rắn, dẻo hay lỏng Nguyên liệu để sản xuất chất kết dính hữu sản phẩm có nguồn gốc hữu dầu mỏ, than đá, than bùn Sau gia công hóa lí, sản phẩm người ta nhận số loại nhựa cặn Nhựa cặn gia công tiếp tục để thành chất kết dính hưu Chất kết dính hữu (nhất bi tum guđrông) ứng dụng rộng rãi để xây dựng lớp phủ mặt đường, vỉa hè, nhà công nghiệp, bảo vệ bê tông kim loại khỏi bị ăn mòn Chất kết dính hữu có đặc tính kĩ thuật sau: − Dễ liên kết với vật liệu khoáng lớp màng mỏng bền ổn định nước − Có độ nhớt định, nhờ mà thời gian thi công bao bọc quanh vật liệu khoáng thời kì làm việc gắn kết vật liệu khoáng thành khối đồng nhất, tạo cường độ cần thiết − Tương đối ổn định khí quyển, thay đổi tính chất trình sử dụng − Hòa tan nước axit vô cơ, hòa tan nhiều dung môi hữu 3.1.2 Phân loại Căn vào đặc điểm sau để phân loại chất kết dính hữu − Theo thành phần hóa học, chia : Bitum guđrông − Theo nguồn gốc nguyên liệu chia ra: + Bitum dầu mỏ sản phẩm cuối dầu mỏ + Bitum đá dầu sản phẩm chưng đá dầu + Bitum thiên nhiên loại bitum thường gặp thiên nhiên dạng kết tinh hay lẫn với loại đá + Guđrông than đá sản phẩm chưng khô than đá + Guđrông than bùn sản phẩm chưng khô than bùn + Guđrông gỗ sản phẩm chưng khô gỗ − Theo tính chất xây dựng chia ra: + Bitum guđrông rắn: nhiệt độ 20 - 25 oC chất rắn có tính giòn tính đàn hồi, nhiệt độ 180 - 200oC có tính chất chất lỏng 13 + Bitum guđrông quánh: nhiệt độ 20 - 25 oC chất mềm, có tính dẻo cao độ đàn hồi không lớn + Bitum guđrông lỏng : nhiệt độ 20 - 25 oC chất lỏng có chứa thành phần hyđrôcacbon dễ bay hơi, có khả đông đặc lại sau thành phần nhẹ bay sau có tính chất gần với tính chất bitum guđrông quánh + Nhũ tương bitum guđrông: hệ thống keo bao gồm hạt chất kết dính phân tán môi trường nước chất nhũ hóa BITUM DẦU MỎ XÂY DỰNG ĐƯỜNG 3.2 3.2.1 Thành phần cấu trúc bitum dầu mỏ xây dựng đường Thành phần bitum dầu mỏ xây dựng đường Bitum dầu mỏ hỗn hợp phức tạp hợp chất hydrocacbon (metan, naftalen, loại mạch vòng) số dẫn suất phi kim loại khác Nó có màu đen, hoà tan benzene (C6H6), cloruafooc (CHCl3), disunfuacacbon (CS2) va số dung môi hữu khác Thành phần hoá học bitum dầu mỏ sau: + + + + + C: 73-87%; H: 8-12%; O: 1-2%; S : 1-5% ; N : 0,5 -1% Những hợp chất hiđrôcacbon có cấu tạo hóa học tính chất vật lí giống xếp nhóm cấu tạo hóa học, chúng có ảnh hưởng lớn đến tính chất bitum Các nhóm cấu tạo hóa học chủ yếu bao gồm: − Nhóm chất dầu gồm hợp chất có phân tử lượng thấp (300-600), không màu, khối lượng riêng nhỏ (0,91-0,925) Nhóm chất dầu làm cho bitum có tính lỏng Nếu hàm lượng nhóm bitum tăng lên làm cho tính quánh giảm.Trong bi tum nhóm chất dầu chiếm 45-60% − Nhóm chất nhựa gồm hợp chất có phân tử lượng cao (600-900), màu nâu sẫm, khối lượng riêng xấp xỉ Nó hòa tan benzen, etxăng, clorofooc Nhóm chất nhựa trung tính (tỉ lệ H/C=1,6-1,8) làm cho bitum có tính dẻo Nếu hàm lượng nhóm bitum tăng lên làm cho tính dẻo tăng Nhóm chất nhựa axit (tỉ lệ H/C=1,3-1,4) làm tăng tính bám dính bitum với vật liệu khoáng Trong bi tum dầu mỏ nhóm chất nhựa chiếm 15-30% − Nhóm asfalt rắn gồm hợp chất có phân tử lượng lớn (1000-6000), màu nâu sẫm đen, khối lượng riêng 1,1-1,15) Nhóm không bị phân giải đốt Ở nhiệt độ lớn 300oC bị phân giải khí cốc Nhóm asfalt rắn có tỉ lệ H/C=1,1 Nó hòa tan clorofooc, têtracloruacacbon (CCl4), không hòa tan ête, dầu hỏa axêtôn (C3H5OH) Tính quánh biến đổi tính chất theo nhiệt độ bitum phụ thuộc chủ yếu vào nhóm Nếu hàm lượng nhóm bitum tăng lên làm cho tính quánh nhiệt độ hóa mềm bitum tăng lên.Trong bitum nhóm chiếm 10-38% − Nhóm cacben cacboit, tính chất cácben gần giống chất atphan, khác không hoà tan benzen CCl 4, hoà tan đisunfuacacbon khối lượng riêng lớn 14 Cacboit chất rắn dạng muội, không hoà tan dung môi Hàm lượng chất bitum nhỏ 1,5%, làm bitum dẻo − Nhóm axit atphan anhydrite: nhóm chất nhựa hoá (nhựa axit) mang cực tính (gồm phân tử co chứa gốc cacboxyl – COOH); thành phần hoạt tính bề mặt lớn bitum, dễ hoà tan rượu cồn, benzene, clorofooc khó hoà tan etxăng Axit asphalt có khối lượng riêng nhỏ 1, màu nâu sẫm, hàm lượng bitum nhỏ 1% Khi hàm lượng tăng lên, khả thấm ướt cường độ liên kết bitum với bề mặt vật liệu khoáng dạng cácbonat tăng lên − Nhóm paraffin hydro cacbua dạng rắn Parafin làm giảm khả phân tán hoà tan atphan vào nhóm khác, làm giảm tính đồng bitum Nếu tỷ lệ paraffin tăng lên, nhiệt độ hoá mềm, tính giòn bitum nhiệt độ thấp tăng lên, bitum hoá lỏng nhiệt độ thấp so với bitum không chứa paraffin Tỷ lệ paraffin bitum dầu mỏ đến 5% Dựa vào thành phần nhóm cấu tạo hóa học chia bitum dầu mỏ thành loại: + Bi tum loại có nhóm asfalt > 25%, nhựa < 24% dung dịch cacbon >50% + Bitum loại có hàm lượng nhóm cấu tạo hóa học tương ứng: >18%; >36% < 48% + Bitum loại tương ứng 21- 23%; 30 - 34%; 45-49% Cấu trúc bitum dầu mỏ xây dựng đường Bitum dầu mỏ hệ thống keo phức tap có cấu trúc cấu trúc mixen Theo lý thuyết mixen chất cao phân tử, Menep va Mark coi cấu trúc chúng hệ thống tinh thể (mixen) Mỗi mixen hệ thống phức tạp bao gồm số lượng lớn phân tử có phân tử lượng nhỏ bao quanh thể lực tương hỗ Khi lực tương hỗ lớn mixen nút mạng Cấu trúc mixen coi pha phân tán Với bitum, pha phân tán atphan, xung quanh chúng chất nhựa môi trường phân tán chất dầu Trong bitum quánh cứng, mixen chiếm tỷ lệ lớn Còn bitum lỏng chúng chiếm tỷ lệ nhỏ tương tác với nên chuyển động tự chất dầu Quan hệ hàm lượng cấu tạo nhóm bitum (dầu, nhựa, atphan) tạo nên cấu trúc phân tán khác (sol, gel, sol-gel) có tính chất lý định Cấu trúc sol đặc trưng cho bitum có hàm lượng chất dầu chất nhựa lớn Khi mixen không tạo tác dụng tương hỗ lẫn chuyển động tự môi trường dầu, cấu trúc sol có bitum lỏng bitum quánh nấu nóng chảy Khi tỷ lệ atphan bitum lớn tạo nên cấu trúc gel Trong cấu trúc gel hạt nhân atphan mở rộng ra, mixen xích lại gần có tác dụng tương hỗ lẫn nhau, tạo nên mạng cấu trúc không gian Cấu trúc tạo tính đàn hồi cho chất kết dính đặc trưng cho cấu trúc bitum cứng nhiệt độ thấp Cấu trúc sol-gel đặc trưng cho bitum quánh nhiệt độ thường Ở nhiệt độ vật liệu có tính đàn hồi dẻo tính nhớt 15 3.2.2 Các tính chất yêu cầu kỹ thuật bitum dầu mỏ xây dựng đường 3.2.2.1 Tính chất yêu cầu kỹ thuật bitum quánh Tính quánh Tính quánh bitum thay đổi phạm vi rộng Nó ảnh hưởng nhiều đến tính chất học hỗn hợp vật liệu khoáng với chất kết dính, đồng thời định công nghệ chế tạo thi công lọai vật liệu có dùng bitum Hình 1.1 Dụng cụ đo độ quánh 1.Đồng hồ đo 2.Kim 3.Vít 4.Đầu kim 5.Mẫu nhựa 6.Nước Độ quánh bitum phụ thuộc vào hàm lượng nhóm cấu tạo hóa học nhiệt độ môi trường Khi hàm lượng nhóm asfalt tăng lên hàm lượng nhóm chất dầu giảm độ quánh bi tum tăng lên Khi nhiệt độ môi trường tăng cao nhóm chất nhựa bị chảy lỏng độ quánh bitum giảm xuống Để đánh giá độ quánh bitum người ta dùng tiêu độ cắm sâu kim (có trọng lượng 100g, đường kính 1mm) dụng cụ tiêu chuẩn (Hình 1.1.) vào bitum nhiệt độ 25 oC giây Độ kim lún ký hiệu P (đo độ, độ 0,1 mm) Trị số P nhỏ độ quánh bitum cao Tính dẻo Tính dẻo đặc trưng cho khả biến dạng bitum tác dụng ngoại lực Tính dẻo bitum giống tính quánh, phụ thuộc vào nhiệt độ thành phần nhóm, nhiệt độ tăng tính dẻo tăng ngược lại Trong trường hợp bitum dùng làm mặt đường hay kết cấu khác tạo thành vết nứt Tính dẻo bitum đánh giá độ kéo dài, ký hiệu L (cm) mẫu tiêu chuẩn xác định dụng cụ đo độ dài (Hình 1.1.) 16 Hình 1.1 Dụng cụ đo độ kéo dài Thước đo Mẫu kéo Mẫu kéo Vít cố định Nhiệt độ thí nghiệm tính dẻo 25 oC, tốc độ kéo 5cm/phút Độ kéo dài lớn độ dẻo cao Tính ổn định nhiệt Khi nhiệt độ thay đổi, tính quánh, tính dẻo bitum thay đổi, thay đổi nhỏ bitum có tính ổn định nhiệt độ cao Tính ổn định nhiệt bitum phụ thuộc vào thành phần hóa học Khi hàm lượng nhóm asfalt tăng tính ổn định nhiệt bitum tăng ngược lại Bước chuyển bitum từ trạng thái rắn sang trạng thái quánh hóa lỏng ngược lại xảy khoảng nhiệt độ định Do tính ổn định nhiệt bitum biểu thị khoảng nhiệt độ Khoảng biến đổi nhiệt độ ký hiệu T xác định công thức: T = Tm - Tc (1.1) Trong : + Tm : nhiệt độ hóa mềm bitum + Tc : nhiệt độ hóa cứng bitum Nếu T lớn tính ổn định nhiệt bitum cao Trị số nhiệt độ hóa mềm bitum việc dùng để xác định khoảng biến đổi nhiệt độ T có ý nghĩa thực tế quan trọng Trong xây dựng đường người ta thường dùng bitum để rải mặt đường, gặp nhiệt độ cao T m không thích hợp bitum bị chảy làm cho mặt đường có dạng sóng, dồn đống 17 Hình 1.2 1.Viên bi 2.Vòng Dụng cụ vòng bi Giá Giá Vì vậy, nhiệt độ hóa mềm tiêu kỹ thuật để đánh giá chất lượng bitum Nhiệt độ hóa mềm bitum xác định dụng cụ “vòng bi“ (Hình 1.2.) Khối lượng viên bi 3,5g, đường kính 9,53mm vòng có kích thước hình vẽ Để xác định nhiệt độ hóa mềm người ta đun nóng bình chứa chất lỏng (thường nước) với tốc độ 5oC/phút Dưới tác dụng nhiệt độ tăng dần, đến lúc bitum bị nóng chảy lỏng ra, viên bi bitum rơi xuống Nhiệt độ chất lỏng bình, ứng với lúc viên bi tiếp xúc với giá đỡ xem nhiệt độ hóa mềm bitum Nhiệt độ hóa cứng bitum xác định dụng cụ đo độ kim lún Nhiệt độ hóa cứng nhiệt độ ứng với độ kim lún độ Tính hóa già Do ảnh hưởng thời tiết mà tính chất thành phần bitum thay đổi nghĩa làm cho bitum bị hóa già Sự hóa già làm cho tính quánh, tính dòn bitum tăng lên, làm xuất vết nứt lớp phủ mặt đường, tăng trình phá hoại ăn mòn Quá trình hoá già lớp phủ mặt đường chia làm hai giai đoạn Giai đoạn cường độ tính ổn định biến dạng tăng Giai đoạn bitum bắt đầu già, cấu trúc thay đổi, làm lớp phủ bị phá hoại Tuy hoá già bitum phát triển chậm, thường sau 10 năm sử dụng hoá già mức độ cao.Tính hoá già xác định trường mẫu thử thí nghiệm buồng khí hậu nhân tạo Tính ổn định đun nóng 18 Khi dùng bitum người ta thường phải đun nóng lên đến nhiệt độ 160 oC thời gian dài, thành phần nhẹ bốc hơi, làm thay đổi tính chất bitum Sau tiến hành thí nghiệm loại bi tum dầu mỏ quánh phải có hao hụt trọng lượng không lớn 1%, độ kim lún độ kéo dài thay đổi không lớn 40% so với trị số ban đầu Nhiệt độ bốc cháy Khi đun bitum đến nhiệt độ định chất dầu nhẹ bốc hòa lẫn vào môi trường xung quanh tạo nên hỗn hợp dễ cháy Hình 1.1 Dụng cụ xác định nhiệt độ bốc cháy 1.Nhiệt kế Nhựa Cát Để xác định nhiệt độ bốc cháy, người ta dùng dụng cụ riêng (Hình 1.1.) Trong thí nghiệm, lửa lan khắp mặt bitum nhiệt độ lúc xem nhiệt độ bốc cháy Nhiệt độ bốc cháy bitum thường nhỏ 200 oC Nhiệt độ tiêu quan trọng an toàn gia công bitum Tính bám dính Sự liên kết bitum với bề mặt vật liệu khoáng có liên quan đến trình thay đổi lý hoá hai chất tiếp xúc với Sự liên kết đóng vai trò quan trọng việc tạo nên cường độ tính ổn định với nước, với nhiệt độ bitum vật liệu khoáng Khi nhào trộn bitum với vật liệu khoáng, hạt khoáng thấm ướt bitum tạo thành lớp hấp phụ Khi phân tử bitum lớp hấp phụ tương tác với phân tử vật liệu khoáng lớp bề mặt Tương tác tương tác lý học hay hoá học Lực liên kết hoá học lớn nhiều so với lực liên kết lý học, bitum tương tác hoá học với vật liệu khoáng cường độ liên kết lớn Liên kết bitum với vật liệu khoáng trước hết phụ thuộc vào thành phần bitum Khi nhóm chất nhựa bitum nhiều liên kết với vật liệu khoáng tốt 19 Liên kết bitum với vật liệu khoáng phụ thuộc vào tính chất vật liệu khoáng Các loại đá bazơ liên kết với bitum tốt với loại đá axit Mức độ liên kết bitum với bề mặt vật liệu đá hoa đánh giá theo độ bền màng bitum bề mặt đá hoa nhúng nước sôi Nếu sau thí nghiệm, 2/3 bề mặt hạt đá hoa bitum bao bọc độ liên kết bitum với bề mặt đá hoa tốt Thực tế chế tạo hỗn hợp bitum vật liệu khoáng, người ta dùng nhiều loại đá khác nhau, mức độ liên kết khác Yêu cầu kỹ thuật Bitum dầu mỏ loại quánh dùng xây dựng đường Nga, Trung Quốc thường chia thành mác (Bảng a.1.) Bảng a.1 Các tiêu kỹ thuật bitum dầu mỏ loại quánh Các tiêu Qui định theo mác (200/300) (130/200) (90/130) (60/90) (40/60) - Khi 250C, giới hạn 201 - 300 131 -200 91-130 61- 90 41 - 60 - Khi 0oC, không nhỏ 45 35 28 20 13 qui định 65 60 50 40 35 39 43 47 51 6 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 200 220 220 220 220 Độ kim lún: không Ðộ kéo dài 25C, cm, không nhỏ Nhiệt độ hóa mềm, C, không thấp Sự thay đổi nhiệt độ hóa mềm sau gia nhiệt, 0C, không lớn Hàm lượng hợp chất hòa tan nước, không lớn Nhiệt độ bốc cháy, 0C không thấp 3.2.2.2 Tính chất yêu cầu kỹ thuật bitum lỏng Độ nhớt 20 Cũng bitum dạng quánh, độ nhớt bitum dạng lỏng phụ thuộc vào thành phần nhóm hóa học tỉ lệ lượng chất rắn chất lỏng dùng để pha loãng Khi bitum chứa nhiều nhóm chất nhựa, chất rắn chứa nhóm dầu độ nhớt tăng lên Độ nhớt bitum lỏng xác định nhớt kế (2.a.Hình 1.1.) Độ nhớt bitum lỏng đặc trưng thời gian để 50ml bitum lỏng chảy qua lỗ đáy dụng cụ có đường kính 5mm, nhiệt độ 60oC Phần cất (thành phần dễ bay hơi) Số lượng chất lượng phần cất tiêu gián tiếp biểu thị tốc độ đông đặc lại bitum lỏng mặt đường Nếu bitum lỏng chứa nhiều thành phần có nhiệt độ sôi thấp trình đông đặc bitum nhanh Để xác định thành phần cất bitum lỏng cần cất nhiệt độ khác nhau: 225 oC, 315oC 360oC Tính chất phần lại sau cất đến nhiệt độ 360oC đặc trưng cho loại bitum lỏng tính chất thời gian sử dụng mặt đường Các tính chất xác định với bitum đặc quánh Có thể xác định khả thi công (đặc lại) bitum lỏng tiêu lượng bay (%) nung bitum lỏng từ 60oC đến 100oC thời gian đến tùy loại bitum lỏng Chỉ tiêu gần sát thực tế tiêu phần cất nêu 1.Nước Chốt nút 7.Cối đo độ nhớt 10 Bếp nhiệt Hình 1.1 Nhớt kế Nắp đậy Cốc đo độ nhớt 5.Cánh khuấy 6.Vòi nước 8.Nút tròn 9.Bình đo 11.Bộ phận làm nóng nước Các yêu cầu kỹ thuật bitum dầu mỏ lỏng Bitum dầu mỏ loại lỏng dùng xây dựng đường Nga chia loại: đông đặc vừa đông đặc chậm Các tiêu kỹ thuật bitum lỏng, đông đặc vừa giới thiệu , loại đông đặc chậm Bảng a.1 Các tiêu kỹ thuật bitum lỏng đông đặc vừa CΓ 40/70 Quy định theo mác CΓ CΓ MΓ 70/130 130/200 40/70 MΓ 70/130 21 Độ nhớt theo nhớt kế đường kính lỗ 5mm, 600C, giây, khoảng Lượng bay sau nung, % không nhỏ Nhiệt độ hóa mềm phần lại sau nung để xác định lượng bay hơi, 0C, không nhỏ Nhiệt độ bốc cháy, 0C, không nhỏ Thí nghiệm liên kết với đá hoa cát 40-70 71-130 131-200 40-70 71-130 10 8 37 39 39 28 29 45 50 60 100 110 tốt tốt tốt tốt tốt Các tiêu kỹ thuật bitum lỏng đông đặc chậm Quy định mác MΓ MΓO MΓO MΓO 40/70 70/130 130/200 40/70 Độ nhớt theo nhớt kế 60 C 131-200 40-70 71-130 131-200 có d = mm, 600C, giây Lượng bốc sau nung, %, ≥ Bảng a.2 Các tiêu Nhiệt độ hóa mềm lại sau nung để xác định lượng bốc o hơi, C, ≥ o Nhiệt độ bốc cháy, C,≥ Thí nghiệm liên kết với đá hoa cát 30 - - - 110 120 160 180 tốt tốt tốt tốt 22