Đang tải... (xem toàn văn)
ông nghệ tái chế mặt đường nhựa đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới. Công nghệ này được nghiên cứu ở Việt Nam trong một dự án thử nghiệm đầu tiên sử dụng trạm trộn bê tông nhựa nóng tái chế mặt đường ở thành phố Hồ Chí Minh. Đoạn thử nghiệm này sử dụng 20%, 30%, 40% vật liệu mặt đường bê tông nhựa cũ thu hồi ở Quốc Lộ 1, đoạn An Sương – An Lạc, TP.HCM. Bài báo tập trung trình bày nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được thực hiện để thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa tái chế nóng và thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý, trong đó, có so sánh với hỗn hợp bê tông nhựa thông thường sử dụng vật liệu mới hoàn toàn. Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông nhựa tái chế nóng tại trạm trộn đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật tương tự như bê tông nhựa thông thường dùng vật liệu mới
THIẾT KẾ HỖN HỢP BÊ TÔNG NHỰA TÁI CHẾ THEO CÔNG NGHỆ TRỘN NÓNG TẠI NHÀ MÁY Ở QUỐC LỘ - HỒ CHÍ MINH MIX DESIGN OF RECLAIMED ASPHALT PAVEMENT USING HOT-CENTRAL-PLANT IN HIGHWAY NO.1 - HOCHIMINH CITY TS Nguyễn Mạnh Tuấn, Ks Trần Ngọc Huấn ABSTRACT Technology of reclaimed asphalt pavement was studied and applied by many countries around the world This technology has been studying firstly in Viet Nam with one trial project using hot-central-plant technology located in Highway No.1 from An Suong to An Lac, Ho Chi Minh City In this trial road, rates of reclaimed asphalt pavement were 20, 30, and 40% This paper focuses on the testing in laboratory for mix design to blend old and new material; and a series of laboratory tests were performed to evaluate the performance of recycled asphalt concrete in comparison with usual asphalt concrete These results indicated that the recycled asphalt concrete could achieve the similar properties of asphalt concrete with virgin material TS Nguyễn Manh 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: +84-933-48-1368 Ks Trần Ngọc Huấn Học viên cao học , Khoa kỹ thuật Xây dựng , Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: ngochuanrl3@gmail.com Điện thoại: +84-908-29-4229 Giới thiệu chung Những nghiên cứu vấn đề kinh tế môi trường thúc đẩy công nghiệp tái chế thép, nhôm, chất dẻo, v.v loại vật liệu khác Trong số đó, bê tông nhựa (BTN) loại vật liệu tái chế nhà nghiên cứu đầu tư giới đưa vào ứng dụng rộng rãi Theo nhà nghiên cứu Taylor [1], BTN tái chế (Reclaimed Asphalt Pavement - RAP) đề cập đến từ năm 1915 không phổ biến rộng rãi Đến năm 1970, nhu cầu sử dụng RAP trở nên thiết thực gia tăng giá thành nhựa đường khan vật liệu đá Những vấn đề liên quan đến kinh tế môi trường thúc đẩy phát triển công Bài báo trình bày cách thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa tái sinh nóng (BTNTSN) với BTN cũ chiếm 20, 30, 40% lấy từ Quốc Lộ 1, đoạn An Sương – An Lạc, Tp.HCM Địa điểm thử nghiệm: Quốc lộ đoạn An Sương - An Lạc (Km1908+000- Km1908+400, Phải tuyến, (làn xe tải); chiều dài: 400m; chiều rộng: 3,5m Tình trạng mặt đường: đoạn đường đưa vào khai thác 10 năm, mặt đường xuất vết nứt mỏi hằn lún vệt bánh xe Chiều dày lớp BTN hữu 12cm Đoạn tuyến thử nghiệm chia thành 04 phân đoạn sử dụng cấp phối tỷ lệ tái chế khác nhau: • Phân đoạn 1: dài 100m, lớp BTNC 12.5 dày cm, lớp BTNC 19 dày cm • Phân đoạn 2: dài 100m, lớp BTNTSN 12.5-1 dày cm, lớp BTNTSN 19-1 dày cm • Phân đoạn 3: dài 100m, lớp BTNTSN 12.5-2 dày cm, lớp BTNTSN 19-2* dày cm • Phân đoạn 4: dài 100m, lớp BTNTSN 12.5-3 dày cm, lớp BTNTSN 19-3* dày cm L1 = 100m L2 = 100m L3 = 100m L4 = 100m cm Công nghệ tái chế mặt đường nhựa nghiên cứu ứng dụng nhiều nước giới Công nghệ nghiên cứu Việt Nam dự án thử nghiệm sử dụng trạm trộn bê tông nhựa nóng tái chế mặt đường thành phố Hồ Chí Minh Đoạn thử nghiệm sử dụng 20%, 30%, 40% vật liệu mặt đường bê tông nhựa cũ thu hồi Quốc Lộ 1, đoạn An Sương – An Lạc, TP.HCM Bài báo tập trung trình bày nghiên cứu phòng thí nghiệm thực để thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa tái chế nóng thí nghiệm tiêu lý, đó, có so sánh với hỗn hợp bê tông nhựa thông thường sử dụng vật liệu hoàn toàn Kết thí nghiệm cho thấy bê tông nhựa tái chế nóng trạm trộn đạt tiêu kỹ thuật tương tự bê tông nhựa thông thường dùng vật liệu nghệ sản xuất BTN có pha chế RAP Công tác thiết kế BTN tái chế nhằm xác định thành phần loại vật liệu bổ xung với RAP tạo hỗn hợp bê tông nhựa thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật Vật liệu thêm vào bao gồm: cốt liệu mới, cốt liệu tái chế, nhựa đường mới, chất phụ gia tái chế, phụ gia tăng cường độ ổn định BTNC 12.5 BTNTSN 12.5-1 BTNTSN 12.5-2* BTNTSN 12.5-3* cm TÓM TẮT BTNC 19 BTNTSN 19-1 BTNTSN 19-2* BTNTSN 19-3* Hình Sơ họa đoạn thử nghiệm Kết thiết kế cấp phối thí nghiệm tiêu lý 2.1 Thiết kế cấp phối: Dựa tiêu chuẩn hành nước quy định thiết kế, thi công nghiệm thu bê tông nhựa, kết hợp với tài liệu hướng dẫn nước [2, 3, 4] Công tác thiết kế cấp phối BTNTSN phòng thực theo công việc sau: • Thí nghiệm vật liệu RAP; • Thí nghiệm vật liệu mới: nhựa đường mác 60/70, phụ gia tái chế dầu Aromatic, cốt liệu đá, bột khoáng; • Thí nghiệm pha trộn hoàn toàn chất kết dính cũ theo hướng dẫn ấn MS-20 Viện Asphalt Mỹ; • Thiết kế cấp phối BTNTSN với kích cỡ hạt 12,5 19mm với tỷ lệ sử dụng RAP: 20, 30, 40% Thiết kế cấp phối BTN (cấp phối đối chứng) sử dụng vật liệu thông thường (nhựa đường 60/70, cốt liệu mới) có cỡ hạt lớn 12,5 19mm; Trang Bảng Kết thí nghiệm phụ gia tái chế • Thí nghiệm số đặc tính kỹ thuật BTNTSN BTNN so sánh 2.1.1 Vật liệu sử dụng: Vật liệu cào bóc (RAP) cào bóc tuyến đường khai thác, có tuổi thọ khoảng 10 năm, đồng thời đoạn tuyến thử nghiệm trường Vị trí lấy vật liệu RAP Km1908+000-Km1908+400 QL.1A (Đoạn An Sương – An Lạc, TP.HCM) Vật liệu RAP xe cào bóc chuyên dụng thu gom, tập kết trạm trộn nghiền sàng Sau lấy mẫu RAP thí nghiệm chiết tách, thu hồi nhựa đường theo phương pháp Abson (AASHTO T170), kết thí nghiệm Bảng Cốt liệu sử dụng đá xay từ đá granite mỏ Tân Đông Hiệp bao gồm cốt liệu thô cốt liệu mịn, kế thí nghiệm bảng Nhựa đường sử dụng loại nhựa đường phổ biến nhập vào Việt Nam nhựa mác 60/70 theo độ kim lún, tiêu Bảng Bột khoáng đá vôi có nguồn gốc từ Hà Tiên Phụ gia tái chế sử dụng dầu Aromatic nhập có tiêu thí nghiệm Bảng Phụ gia tăng cường dính bám: sử dụng phụ gia Wetfix BE Bảng Kết thí nghiệm vật liệu RAP Đơn vị Kết thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm Thí nghiệm độ ẩm % 0,8 TCVN 7572-6:2006 Chiết tách hàm lượng nhựa % 4,5 TCVN 8860-2: 2006 Xem bảng TCVN 7572-2: 2006 2,493 TCVN 8860-4:2011 Nội dung Thành phần hạt Tỷ trọng RAP g/cm Độ nhớt động học 60oC Độ nhớt động lực học 60oC Điểm bắt cháy Thí nghiệm mẫu sau nung TFOT 162,5 oC + Thí nghiệm tỷ lệ độ nhớt + Tổn thất sau nung Thí nghiệm khối lượng riêng Cỡ sàng (mm) Đá 16x22 25 100.0 100.0 100.0 100.0 100,0 19 95.8 100.0 100.0 100.0 100,0 12,5 6.8 63.1 100.0 100.0 9,5 2.0 22.4 98.5 4,75 0.9 1.4 2,36 0.9 1.4 1,18 0.8 0,60 Thành phần hạt Phần trăm lọt sàng (%) Đá 10x15 Đá 5x10 Đá 0x5 Đá RAP Kết thí nghiệm Yêu cầu kỹ thuật theo ASTM D4552 RA1 cSt Poise o F 52,03 5,0 485,6 50-175 Min 425 - % g/cm3 1,24 0,68 0,961 Max :3 ± 4% - 2.1.2 Thiết kế cấp phối hỗn hợp: Ứng với cỡ hạt lớn danh định 12,5 19mm thiết kế cấp phối có tỷ lệ RAP khác 20, 30, 40% tương đồng đường cong cấp phối Đồng thời thiết kế cấp phối BTN sử dụng vật liệu hoàn toàn làm mẫu đối chứng Việc thiết kế cấp phối tuân thủ theo phương pháp Marshall Công tác trộn hỗn hợp thí nghiệm phòng thực tương đồng với công tác trộn trạm trộn mẻ dự kiến để thực thử nghiệm Trình tự trộn mẫu sau: o • Rang cốt liệu lên nhiệt độ cao: 215 C (20% o o RAP), 250 C (30% RAP), 300 C (40% RAP) ( theo hướng dẫn bảng VI.1 tài liệu MS-20; o • Nấu nhựa đường lên 135 C giờ, trộn phụ gia tái chế với định lượng từ trước; • Vật liệu RAP trộn với cốt liệu (được rang nóng nhiệt độ cao) khoảng thời gian phút; • Hỗn hợp RAP cốt liệu sau trộn với nhựa đường khoảng thời gian phút, nhiệt độ trộn 170oC Bảng Thành phần hạt số tiêu lý cốt liệu cốt liệu RAP Các tiêu Đơn vị Nội dung Bảng Ký hiệu loại hỗn hợp bê tông nhựa Tỷ lệ RAP sử dụng hỗn hợp Bột khoáng 0% 20% 30% 40% 100,0 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) Sử dụng nhựa 60/70 + chất tái chế (dầu aromatic) + phụ gia Wetfix 100,0 BTNC 12,5 BTNTSN 12,5-1 BTNTSN 12,5-2 BTNTSN 12,5-3 99,3 100,0 BTNC 19 BTNTSN 19-1 BTNTSN 19-2 BTNTSN 19-3 100.0 95,5 100,0 2.9 91.4 75,1 100,0 1.3 65.9 56,0 100,0 1.3 1.2 46.7 40,0 100,0 0.8 1.2 1.2 32.2 31,6 100,0 0,30 0.7 1.1 1.2 20.4 22,2 100,0 0,15 0.6 1.0 1.2 12.5 13,1 98,6 0.4 0.8 1.0 7.3 7,8 86,8 Tỷ trọng khối , Gsb 0,075 2,680 2,673 2,667 2,654 2,671 2,910 Độ mài mòn LA (%) Hàm lượng hạt thoi dẹt (%) Độ hấp thụ nước (%) 11.34 12,16 13,57 - 8.7 8,1 8,8 - 0,40 0,55 0,56 0,88 - Bảng Một số tiêu nhựa đường 60/70 nhựa đường RAP Loại nhựa đường Độ kim lún, 25oC (1/10mm) Nhiệt độ hóa mềm (oC) Độ giãn dài (cm) Độ nhớt động lực học 60oC (Poise) Nhựa 60/70 67,7 49 129,5 1758 Nhựa đường RAP 25,4 65,1 32 32150 Bảng 6: Phần trăm phối trộn vật liệu cấp phối bê tông nhựa Loại cấp phối BTNC 12.5 BTNTCN 12.5-1 BTNTCN 12.5-2 BTNTCN 12.5-3 BTNC 19 BTNTCN 19-1 BTNTCN 19-2 BTNTCN 19-3 bin nóng 16x28 bin nóng 12x15 bin nóng 9x11 bin nóng 6x8 bin nóng 3x5 bin nóng 0x2 RAP Bột khoáng Nhựa HLN tối ưu - 13,30 15,20 17,10 9,50 33,25 - 6,65 5,00 5,00 - 11,41 17,12 13,31 9,51 19,02 19,92 5,71 4,00 4,90 11,42 15,23 12,38 10,47 12,38 29,91 4,76 3,45 4,80 4,80 11,42 11,42 11,42 11,42 7,62 39,87 3,81 3,01 17,14 13,33 15,23 9,52 9,52 23,80 - 6,66 4,80 4,80 17,14 13,33 11,42 8,57 8,57 12,85 19,94 4,28 3,90 4,80 15,25 13,34 12,39 7,15 6,67 7,62 29,94 4,29 3,35 4,70 17,15 11,43 11,43 5,24 4,76 3,81 39,90 3,33 2,95 4,75 Lựa chọn hàm lượng nhựa phụ gia thêm vào hỗn hợp thực thông qua toán đồ độ nhớt chất kết dính, theo hướng dẫn tài liệu MS-20, R tỷ lệ nhựa đường thêm vào hỗn hợp nhựa đường Trang Bảng Kết tiêu lý hỗn hợp nhựa đường Hình Toán đồ xác định hàm lượng phụ gia BTNTSN12.5-2 Hình Toán đồ xác định hàm lượng phụ gia BTNTSN12.5-2 Từ bảng so sánh ta nhận xét hỗn hợp nhựa nhựa cũ có tiêu gần hội tụ giá trị yêu cầu mác nhựa đường 60/70 Điều cho thấy việc xác định tỷ lệ nhựa 60/70 phụ gia tái chế xác định từ toán đồ cho kết tin cậy b) Thí nghiệm tiêu lý Sau thiết kế xong cấp phối bê tông nhựa, tiến hành đúc mẫu hàm lượng nhựa tối ưu, tiêu thí nghiệm đúc mẫu Kết tổng hợp Bảng Bảng Kết thí nghiệm tiêu kỹ thuật BTNTSN 12,5 Hình Toán đồ xác định hàm lượng phụ gia BTNTSN12.5-3 2.1.3 Thí nghiệm tiêu lý Nhằm kiểm chứng làm việc chung nhựa đường 60/70, nhựa đường cũ RAP, phụ gia tái chế, phụ gia tăng cường dính bám Sau xác định tỷ lệ pha trộn thành phần chất kết dính loại cấp phối bê tông nhựa, tiến hành pha trộn thí nghiệm tiêu lý hỗn hợp nhựa đường theo yêu cầu tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7493:2005 [5] Để đánh giá khả làm việc BTNTSN thực thí nghiệm Marshall, thí nghiệm độ ổn định lại Marshall, mô đun đàn hồi tĩnh, cường độ chịu kéo gián tiếp ép chẻ theo hướng dẫn tiêu chuẩn 22TCN211-2006 [6], cường độ chịu uốn điểm thí nghiệm mô khác độ hằn lún vệt bánh xe Hamburg Wheel Tracking, thí nghiệm khả kháng mỏi Các mẫu bê tông nhựa có hàm lượng nhựa tối ưu trộn tương tự trình thiết kế Mẫu Marshall, mô đun đàn hồi tĩnh, cường độ chịu kéo gián tiếp, cường độ chịu uốn chế bị với độ rỗng tương đương với mẫu Marshall (khoảng 4%) Mẫu thí nghiệm HWT có độ rỗng dư 7% 2.1.4 Nhận xét kết thí nghiệm a) Thí nghiệm nhựa đường Pha trộn hỗn hợp nhựa đường 60/70 nhựa đường RAP với phụ gia tái chế theo tỷ lệ tính toán tiến hành thí nghiệm tiêu lý nhựa đường, kết bảng Bảng Kết thí nghiệm tiêu kỹ thuật BTNTSN 19 Qua kết thiết kế nhận thấy hàm lượng nhựa tối ưu trộn thêm hỗn hợp nhựa có phụ gia làm mềm nhựa dầu AO có xu hướng giảm so với sử dụng nhựa 60/70 Do độ nhớt hỗn hợp nhựa 60/70 dầu AO thấp nhựa 60/70 Các kết cho thấy mô đun đàn hồi vật liệu, độ bền ép chẻ cường độ chịu kéo uốn có xu hướng giống nhau: BTNTSN sử dụng hàm lượng chất phụ gia theo toán Trang đồ cường độ BTNTSN giảm tăng hàm lượng RAP sử dụng thấp so với BTNC thông thường sử dụng nhựa đường 60/70 loại không sử dụng phụ gia Nhóm nghiên cứu tiến hành điều chỉnh lượng dầu AO thêm vào hỗn hợp phương pháp thực nghiệm: đúc tổ mẫu Marshall theo hàm lượng phụ gia thay đổi từ tìm hàm lượng dầu AO thích hợp giúp hỗn hợp BTNTSN có cường độ Marshall cải thiện Kết Bảng 10 Bảng 10 Kết thí nghiệm điều chỉnh hàm lượng phụ gia nhiễm môi trường, chất lượng kết cấu mặt đường sau tái chế tương đương với kết cấu làm nên có tính thực tiễn xây dựng đường ô tô • Công nghệ tái chế nóng BTN có nhiều ưu điểm, sử dụng rộng rãi giới, công nghệ ổn định Nhu cầu tái chế mặt đường BTN Việt Nam tương lai lớn, việc nghiên cứu, áp dụng công nghệ tái chế nóng phù hợp với điều kiện Việt Nam cần thiết • Các kết thử nghiệm ban đầu cho thấy loại BTNTSN có tiêu kỹ thuật tương đương với BTNN truyền thống Việt Nam • Công tác thiết kế bê tông nhựa tái chế nóng cần phải xem xét chọn tỷ lệ chất tái chế đưa vào hỗn hợp Việc sử dụng toán đồ để tính toán hàm lượng chất tái chế xét tiêu lý nhựa đường phù hợp xem chất kết dính trộn lẫn với hoàn toàn (trộn lẫn 100%) Nhưng, trình khuyếch tán thực tế hỗn hợp bê tông nhựa tái chế có sử dụng phụ gia cần nghiên cứu thêm Lời cảm ơn Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện khoa học & công nghệ GTVT, Phòng thí nghiệm trọng điểm đường III, Công ty cổ phần xây dựng giao thông BMT tạo điều kiện cho tác giả tham gia vào dự án thử nghiệm Tài liệu tham khảo [1] Taylor, N H (1978), Life Expectancy of Recycled Asphalt Paving, Recycling of Bituminous Pavements, L.E Wood, ed., ASTM STP 662, American Society of Testing and Materials, Philadelphia, Pennsylvania, 3-15 Hình Xác định hàm lượng phụ gia tối ưu cho cấp phối BTNTSN12.5-3 [2] TCVN8819:2011 (2011), Mặt đường bê tông nhựa nóng – Yêu cầu thi công nghiệm thu, Bộ Khoa Học Công Nghệ Sau giảm hàm lượng phụ gia (AO) cường độ tăng cao hẳn chí vượt cường độ mẫu BTNC thông thường (Loại BTN có ký hiệu dấu *) [3] TCVN8820:2011 (2011), Hỗn hợp bê tông nhựa nóng – Thiết kế theo phương pháp Marshall, Bộ Khoa Học Công Nghệ Kết luận [4] Viện Asphalt Mỹ (1986), MS20 - Tái chế nóng bê tông nhựa Trên sở kết trên, rút nhận xét sau: • Công nghệ tái chế mặt đường BTN theo phương pháp nóng nguội áp dụng rộng rãi nước tiên tiến, có hiệu cao, hạn chế việc nâng cao cao độ công trình đường bộ, khu vực thành phố, mặt cầu, tiến kiệm vật liệu cũ sau cào bóc, giảm thiểu ô [5] TCVN 7493:2005 (2005), Các tiêu chuẩn Việt Nam Bitum, Bộ Khoa Học Công Nghệ [6] 22TCN 211:06 (2006), Áo đường mềm – Các yêu cầu dẫn thiết kế, Bộ Giao Thông Vận Tải Trang