Ảnh hưởng của SBS đến khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của đường bê tông nhựa_TS. Nguyễn Mạnh Tuấn, KS.Trần Phong Thái

ẢNH HƯỞNG CỦA SBS ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG HẰN LÚN VỆT BÁNH XE CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG NHỰA EVALUATING THE INFLUENCE OF SBS TO REDUCE RUTTING OF ASPHALT CONCRETE PAVEMENT TS Nguyễn Mạnh Tuấn, KS Trần Phong Thái TÓM TẮT Trong báo tập trung nghiên cứu và đánh giá mức độ ảnh hưởng của phụ gia SBS (Styrene-Butadiene-Styrene) đến khả hằn lún vệt bánh xe của mặt đường bê tông nhựa Ngoài thí nghiệm kiểm tra độ ổn định và độ dẻo Marshall , nghiên cứu này sử dụng thêm những thí nghiệm để đánh giá sự thay đổi các tính chất của hỗn hợp thí nghiệm ép chẻ mẫu , độ mài mòn Cantabro, mô-đun đàn hồi bê tông nhựa Ngoài ra, báo trình bày thí nghiệm kiểm tra hằn lún vệt bánh xe bằng thiết bị Hamburg Wheel -Tracking Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chỉ với hàm lượng nhỏ SBS đã làm cải thiện đáng kể khả kháng hằn lún vệt bánh xe của hỗn hợp bê tông nhựa ảnh hưởng của nhiệt độ cao đối với sự làm việc của hỗn hợp BTN; cấu tạo kết cấu áo đường chưa hợp lý ABSTRACT In this study, we evaluated the influence of SBS (StyreneButadiene-Styrene) to reduce rutting in asphalt concrete We used Marshall stability and flow test, Cantabro loss test, Indirect Tensle Strength (ITS) test, elastic modulus test to evaluate the permanent deformation performance of asphalt concrete In addition, this study used Hamburg WheelTracking test to examine the rutting dept of adphalt concrete samples The results showed that SBS can be used to improve the performance properties of asphalt mixture and reduce rutting Hình Vệt hằn bánh xe đường Mai Chí Thọ thuộc đại lộ Đông Tây (Hình chụp ngày 2/11/2013) TS Nguyễn Mạnh Tuấn Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: nmanhtuan@hcmut.edu.vn Điện thoại: 0933.481.368 Ks Trần Phong Thái Viện Khoa Học Công Nghệ GTVT phía Nam Email: Tranphongthaicd06b@gmail.com Điện thoại: 0906.19.15.14 Giới thiệu Hiện tượng lún trồi mặt đường bê tông nhựa (BTN) trở nên phổ biến và nhận được sự quan tâm đặc biệt Hình Hình Hiện tượng này được ghi nhận tại hầu hết các tuyến đường có lưu lượng và tải trọng xe lớn (quốc lộ 1, 3, 5…), các vùng có thời tiết nắng nóng (khu vực miền Trung Việt Nam ) và các vị trí đặc biệt (gần trạm thu phí , đèo dố c, đường cong , ngã tư tín hiệu , trạm kiểm tra cảnh sát giao thông) Ngay từ mặt đường BTN đưa vào sử dụng thì dạng hư hỏng này được xem là vấn đề quan trọng cần phải xem xét tới quá trình thiết kế sơ bộ Vấn đề này đã được nhiều nhà khoa học thế giới phân tích và đánh giá , dựa vào kết luận từ những nghiên cứu khoa học đã được công bố thì nguyên nhân chính dẫn tới hiện tượng lún trồi đó l à: Công tác lu lèn không đảm bả o yêu cầu ; lớp vật liệu không đảm bảo về cường độ, độ ổn định; sự liên kết giữa cốt liệu và nhựa hỗn hợp không đảm bảo ; không kiểm soát chất lượng chế tạo hỗn hợp BTN; sự gia tăng về giao thô ng cả về lưu lượng và tải trọng ; Hình Mặt cắt đường tại vị trí lún trồi quốc lộ 1A (Hình chụp tháng 06/2013) Từ những đánh giá về các nguyên nhân dẫn tới hiện tượng lún trồi nêu chúng nhận thấy rằng việc sử dụng phụ gia polime để cải thiện chất lượn g nhựa đường, đồng thời cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTN là một giải pháp được cho là tối ưu ở Việt Nam hiện Với đặc tính có thể tái chế nên loại vật liệu này được coi là thân thiện với môi trư ờng và kéo dài tuổi thọ của mặt đường BTN Tại Việt Nam hiện sử dụng loại nhựa đường có chứa SBS nhiều hãng cung cấp Shell , Colas…cung cấp Loại nhựa này quá trình thử nghiệm và cũng đã cho thấy những hiệu quả kỹ thuật Tuy nhiên loại BTN sử dụng phụ gia này có giá thành khá cao và đòi hỏi cao về kỹ thuật thi công Chính vì vậy , việc nghiên cứu tính hiệu quả của phụ gia SBS đối với mặt đường BTN điều kiện thời tiết khắc nghiệt tại Việt Nam , cũng đánh giá khả tương thích của nó đối với nguồn nguyên vật liệu địa phương là một vấn đề cần được xem xét một cách kỹ càng Phụ gia polime nâng cao khả ứng biến của nhự a đường dưới điều kiện nhiệt độ cao [1] Cấu trúc phân tử của Trang hỗn hợp nhựa đường sau trộn được đánh giá thông qua hình ảnh chụp TEM (Transmission Electron Microscopy ), kết quả nghiên cứu cho thấy SBS mạch thẳng có tác dụn g đến nhựa đường tốt so với các loại SBS còn lại [2] Năm 2005, tác giả Akiyoshi và đồng nghiệp đã thử nghiệm các hàm lượng 0, 3, 5, 7, 12% để đánh giá và cho kết quả rằng với hàm lượng từ đến 5% SBS so với nhự a đường đã cải thiện được các đặc tính của hỗn hợp BTN [3] Do đó, báo tập trung xem xét sử dụng SBS có hàm lượng 4% (so với tổng khối lượng nhựa) hỗn hợp bê tông nhựa so sánh với bê tông nhựa thông thường không sử dụng SBS đến cá c đặc tính kỹ thuật của hỗn hợp BTN , đặc biệt thông qua thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe bằng thiết bị Hamburg Wheel -Tracking mẫu để so sánh tiêu độ ổn định Marshall, cường độ ép chẻ, khả mài mòn Cantabro, mô đun đàn hồi thí nghiệm vệt hằn bánh xe Hamburg Wheel Tracking thể mục báo Bảng Kết quả thí nghiệm nhựa đường 60/70 Chỉ tiêu Kết thí nghiệm Độ kim lún (0.1mm) 64 Nhiệt độ hóa mềm ( C) 49.5 Độ kéo dài (mm) 25 C >110 Vật liệu và phương pháp thí nghiệm Nhiệt độ bắt lửa ( C) > 300 Trong nghiên cứu này, hỗn hợp BTN được thiết kế theo phương pháp Marshall hay theo tiêu chuẩn TCVN 8820-2011 [4] Nhựa đường 60/70 và phụ gia SBS (Hình 3) sử dụng nghiên cứu được Công ty Petrolimex cung cấp Một số chỉ tiêu lý bản quan trọng của nhựa 60/70 được thể hiện Bảng Điều kiện để SBS hòa tan được vào nhựa thì hỗn hợp nhựa được trộn ở nhiệt độ 180oC, thời gian 60 phút và tốc độ máy trộn là 4000 vòng/phút Khối lượng riêng (g/cm ) o o o Độ dính bám 1.033 Mức độ Bảng Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu lý của cốt liệu Loại cốt liệu Kết thí nghiệm Cốt liệu lớn: - Khối lượng riêng (g/cm3) 2.716 - Độ hao mòn Loss Angles (%) 14.4 - Hàm lượng thoi dẹt (%) 9.4 Cốt liệu nhỏ: - Khối lượng riêng (g/cm3) 2.806 Bột khoáng: - Khối lượng riêng (g/cm3) 2.928 Hình Phụ gia SBS Hình thể cấp phối bê tông nhựa chặt 12.5mm (BTNC12.5) sử dụng nghiên cứu phù hợp TCVN 8819-2011 [5] Cốt liệu được lấy từ mỏ đá Tân Cang – Long Thành – Đồng Nai Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp cốt li ệu tương ứng với cấp phối Hình được thể hiện ở Bảng Kết quả thí nghiệm 3.1 Thí nghiệm Marshall Thí nghiệm kiểm tra độ ổn định và độ dẻo Marshall được tiến hành theo tiê u chuẩn TCVN 8820-2011 [4] Các mẫu được đầm với độ rỗng còn dư 5±1% Trước thí nghiệm , tất cả mẫu được ngâm ổn định bồn nước ở nhiệt độ 60oC thời gian 40 phút, sau đó được nén với tốc độ gia tải của thiết bị là 50mm/giây Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở Bảng 3, nó cho thấy rằng SBS có độ ổn định Marshall cao so với hỗn hợp thông thường 3.2 Thí nghiệm kéo gián tiếp (ép chẻ) Hình Cấp phối BTNC 12.5mm Bê tông nhựa thông thường BTNC12.5 sử dụng nhựa đường 60/70 thiết kế theo TCVN 8820-2011 [4] Kết quả hàm lượng nhựa tối ưu hỗn hợp BTNC12.5 5.75% Sau đó, 4%SBS (so với khối lượng hàm lượng nhựa) thêm vào để tạo hỗn hợp BTNC12.5 có 4%SBS Hai loại hỗn hợp bê tông nhựa BTNC12.5 BTNC12.5 có 4% SBS tạo Thí nghiệm kéo gián tiếp nhằm đánh giá kh ả làm việc ổn định của BTN điều kiện thời tiết khắc nghiệt Các mẫu được chế bị phòng theo phương pháp Marshall , áp dụng tiêu chuẩn TCVN 8862-2011 [6] Mẫu được bảo dưỡng ổn định điều kiện nhiệt độ 70oC, thời gian 1.5 giờ Nhiệt độ 70oC lựa chọn dựa vào khảo sát thực tế số đường thành phố Hồ Chí Minh vào trưa Các mẫu được nén bằng thiết bị Marshall với tốc độ gia tải là 50 mm/giây Dựa vào giá trị lớn nhất trước của đồng hồ đo tại thời điểm mẫu phá hoại, giá trị chịu kéo ép chẻ của hỗn hợp đơn vị là MPa, được tính theo công thức: ITS= 2*P/(π*H*D) (1) Trong đó: P là giá trị lực thẳng đứng (N); H là chiều cao của mẫu (mm); D là đường kính mẫu (mm) Kết quả thí nghiệm chịu nén ép chẻ ở Bảng cho thấy rằng BTN có SBS có giá Trang trị cao , điều này chứng tỏ hỗn hợp BTN có khả n định nhiệt so với hỗn hợp BTN thông thường ăng ổn Bảng Kết quả thí nghiệm so sánh hỗn hợp BTN Hỗn hợp – Giá trị thí nghiệm Thí nghiệm BTNC12.5 + 0%SBS BTNC12.5 + 4%SBS Độ ổn định Marshall (kN) 11.3 14.9 Độ dẻo Marshall (mm) 2.7 1.4 Ép chẻ ở 70 C (MPa) 0.078 0.135 Độ hao mòn theo phương pháp Cantabro (%) 4.90 4.21 Thí nghiệm Mô-đun đàn hồi ở 30oC 212.8 311.0 o MPa Giá trị mô-đun (E) của hỗn hợp BTN được quy đổi sau: E= pH/L (MPa) (3) Trong đó: p= 4P/πD2, D là đường kính mẫu và H là chiều cao mẫu, P là lực tác dụng lên bàn ép (kN) Khi thí nghiệm thường lấy p= 0.5 MPa (tương đương với áp lực của kết cấu áo đường) Kết quả thí nghiệm thể hiện Bảng Kết quả cho thấy SBS làm tăng đáng kể (gần 1.4) trị số mô-đun đàn hồi của vật liệu Điều này chứng tỏ hỗn hợp ít biến dạng chịu tác dụng của tải trọng thẳng đứng (a) (b) Vị trí vết nứt Hình Thí nghiệm kiểm tra mô-đun đàn hồi của hỗn hợp BTN a) Quá trình chế bị mẫu; b) Quá trình thí nghiệm Hình Mẫu sau quá trình thí nghiệm ép chẻ 3.3 Thí nghiệm Cantabro Quá trình thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn EN NLT-352-00 [7] Mẫu được đầm nén theo phương pháp Marshall, chiều cao mẫu là 101mm và đường kính là 63.5mm Mẫu được đầm nén sau đó bảo dưỡng và được thí ngh iệm bằng thiết bị thử độ hao mòn Los -Angeles Sau đạt được 300 vòng với tôc độ 30 ± 33 vòng/phút thì dừng lại và lấy mẫu để kiểm tra mức độ bong bật của vật liệu , trình thí nghiệm không sử dụng bi sắt Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng vật liệu bị thất thoát (Cantabro loss) được tính theo công thức: ML= (m – m )/ m (2) Trong đó: m là khối lượng mẫu trước thí nghiệm , m là khối lượng mẫu sau thí nghiệm Kết quả thí nghiệm đư ợc thể hiện Bảng Từ kết quả này ta có thể kết luận được rằng SBS đã làm tăng khả kháng bong bật của vật liệu dưới tác dụng va đập của tải trọng Hình Mẫu trước sau thí nghiệm 3.4 Thí nghiệm kiểm tra mô-đun đàn hồi của hỗn hợp Thí nghiệm áp dụng tiêu chuẩn 22TCN 211-06 [8], mẫu có chiều cao và đường kính là 101 mm Mẫu được chế bị bằng máy ép thủy lực , điều chỉnh cần cho áp lực tác dụng lên mẫu là 30 MPa khoảng thời gian là 03 phút Hình Trước thí nghiệm, mẫu được bảo dưỡng nhiệt độ 30oC vòng 2.5 giờ Quá trình thí nghiệm Hình Theo 22TCN 211-06 thì áp lực bánh xe có giá trị p=0.5 3.5 Thí nghiệm Hamburg Wheel-Tracking Thiết bị thí nghiệm Hamburg Wheel-Tracking (HWT) kết hợp hoàn thiện phương pháp thử nghiệm đánh giá tiêu độ lún hư hỏng nguồn ẩm cách lăn bánh xe thép bề mặt hỗn hợp BTN đặt chìm nước gia nhiệt trước (nhiệt độ khoảng 40÷50oC) Chỉ tiêu ổn định nhiệt độ ẩm dựa tiêu đạt hay không đạt Yetkin Yildirim đồng nghiệp nhận thấy số lượng vòng bánh xe tác dụng lên mẫu đạt 10.000 lượt nhận thấy rõ ràng mát mẫu tác dụng nguồn ẩm tải trọng bánh xe [9].Thiết bị cần kiểm tra làm việc đồng thời khuôn cố định mẫu bánh xe trình chuyển động qua lại Do giá thành thí nghiệm cao nên 02 mẫu tiến hành thí nghiệm: mẫu BTN thông thường mẫu BTN có sử dụng 4%SBS Toàn trình đúc mẫu điều kiện thí nghiệm áp dụng theo tiêu chuẩn AASHTO T324-04 [10] Khuôn mẫu có chiều dài 12.6 inches (320mm) chiều rộng 10.24 inches (260mm), bề rộng chúng 1.5, 3, 4.7 inches (38, 76, 119 mm) Các bánh xe có đường kính inches (203mm) bề rộng 0.9 inches (22.87mm) Độ rỗng mẫu thử khoảng ± 1%, đầm nén máy nén đẳng hướng Thí nghiệm sử dụng bồn nước để gia nhiệt, nhiệt độ bồn nước thay đổi từ 25 ÷ 70oC, nhiệt độ áp dụng thí nghiệm 50oC Vận tốc thiết bị thí nghiệm 53 lượt/phút, đủ 15.000 lượt dừng thiết bị kiểm tra kết (Hình 6) Trong nguyên nhân gây tượng lún trồi mặt đường BTN nêu phần nguyên nhân mặt đường BTN chịu tác dụng tải trọng lặp điều kiện làm việc chịu tác động nguồn ẩm nhiệt độ cao Việc sử dụng thí nghiệm HWT mô tương đối làm việc mặt đường BTN trường hợp bất lợi nhất, từ đánh giá khả kháng lún loại mặt đường Mẫu sau trình thí nghiệm Hình 7, mối quan hệ độ lún số lượt tải trọng tác dụng thể Hình Trang • Giá trị mô -đun đàn hồi của hỗn hợp BTN sử dụng SBS tại nhiệt độ 30oC cao so với hỗn hợp BTN thông thường • SBS cải thiện đáng kể khả kháng hằn lún vệt bánh xe Hình Mẫu quá trình thí nghiệm Cám ơn Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Bách Khoa khuôn khổ đề tài mã số T-KTXD-2015-56 Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn tài trợ trường Đại Học Bách Khoa Tài liệu tham khảo Hình Mẫu sau kết thúc thí nghiệm Hình Kết quả thí nghiệm kiểm tra hằn lún vệt bánh xe Từ kết thí nghiệm Hình ta kết luận SBS nâng cao khả chống lún trồi mặt đường BTN điều kiện nhiệt độ cao chịu tác dụng nguồn ẩm Kết luận Nghiên cứu này đã tập trung đánh giá mức độ ảnh hưởng của phụ gia SBS đến các chỉ tiêu lý của hỗn hợp BTN Sử dụng cấp phối BTN C12.5 để so sánh Hàm lượng SBS nghiên cứu là 4% Từ kết quả thí nghiệm , có thể đưa được các kết luận sau: • Hỗn hợp BTN sử dụng SBS làm tăng giá trị gián tiếp và độ ổn định Marshall chịu kéo • Thí nghiệm Cantabro cho thấy SBS làm tăng khả chống bong bật của vật liệ u hỗn hợp so với hỗn hợp thông thường Larry (2006), Performance Grace (PG) Polymer Modified Asphalt in California, Technology Transfer Program, Institute of Transportation Studies, UC Berkeley Rameshwar Adhikari (2011), Influence of Uncoupled Diblock Molecules on Mechanical Properties of StyreneButadiene-Styrene Triblock Copolymer, Nepal Journal of Science and Technology, No.12, pp.149-156 AkiyoshiHanyu, Sadaharu Ueno, Atsushi Kasahara, and Kazuo Saito (2005), Effect of the Morphology of SBS Modified Asphalt on Mechanical Properties of Binder and Mixture, Journal of Eastern Asia Society for Transportation Studies, Vol.6, pp.1153-1167 TCVN 8820-2011 (2011), Hỗn hợp bê tông nhựa nóng Thiết kế theo phương pháp Marshall, Bộ Khoa Học Công Nghệ TCVN 8819-2011 (2011), Mặt đường bê tông nhựa nóng – Yêu cầu thi công nghiệm thu, Bộ Khoa Học Công Nghệ TCVN 8862-2011 (2011), Quy trình thí nghiệm xác định cường độ kéo ép chẻ vật liệu hạt liên kết chất kết dính, Bộ Khoa Học Công Nghệ EN NLT-352-00 (2000), Characterization procedure of asphalt binders with the Cantabro test UCL method 22 TCN 211- 06 (2006), Áo đường mềm - Các yêu cầu dẫn thiết kế, Bộ GTVT Yetkin Yildirim, Priyantha W.Jayawichrama, M.Shabbir Hossain, Abdulrahman Alhabshi, Cenk Yildirim, Andre de Fortier Smit and Dallas Little (2007), Hamburg Wheel Tracking Database Analysis, FHWA report 10 AASHTO T324-04, Standard Method of Test for Hamburg Wheel-Track Testing of Compacted Hot-Mix Asphalt (HMA) Trang