Chương 6 chất kết dính hữu cơ

Tính quánh của bitum phụ thuộc vào hàm lượng các nhóm cấu tạo và nhiệt độ của môi trường.. Khi nhiệt độ của môi trường tăng cao, nhóm chất nhựa sẽ bị chảy lỏng, độ quánh của bitum giảm x

CHẤT KẾT DÍNH HỮU CƠ

KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

 Khái niệm

Chất kết dính hữu cơ là vật liệu có thể ở dạng cứng, quánh, lỏng với thành

phần chủ yếu là hydro cacbon cao phân tử và một số hợp chất khác Chất kết dính hữu cơ có khả năng trộn lẫn và dính kết các vật liệu khoáng tạo thành hỗn hợp đá-nhựa có những tính chất vật lý, cơ học phù hợp để xây dựng đường ô tô

Chất kết dính hữu cơ có các tính chất cơ bản:

+ Dễ liên kết các vật liệu khoáng bằng lớp màng mỏng bền và ổn định

 Phân loại:

- Theo thành phần hoá học, chia hai loại: bitum và guđrông

Gudrong là sản phẩm thu được trong công nghiệp luyện than đá và các nguyên liệu cứng khác như gỗ, than bùn Khi chưng luyện các nhiên liệu cứng bằng phương pháp làm lạnh người ta thu được các chất ngưng tụ Đem chất ngưng tụ đó chưng luyện lần nữa thu được các chất dầu nhẹ, cặn

bã còn lại là gudrong

- Theo nguồn gốc nguyên liệu:

+ Bitum dầu mỏ - sản phẩm cuối cùng của dầu mỏ, là loại thường dùng, có nhiều ở Mỹ, Nga và Trung Đông;

+ Bitum đá dầu - sản phẩm khi chưng đá dầu Đá dầu có thể chứa đến 12% bitum Bitum đá dầu được sản xuất ở Pháp và Thụy Sỹ;

+ Bitum thiên nhiên - thường gặp trong thiên nhiên ở dạng tinh khiết hay lẫn với đá Được khai thác ở các mỏ đầu tiên ở Tây Ban Nha;

+ Guđrông than đá - sản phẩm khi chưng khô than đá;

+ Guđrông than bùn - sản phẩm khi chưng khô than đá;

+ Guđrông gỗ - sản phẩm khi chưng khô gỗ

- Theo trạng thái cấu trúc ở nhiệt độ thường:

BITUM DẦU MỎ

Khái niệm

Bitum dầu mỏ (nhựa đường) là một hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hidrocacbon (metan, naftalen, các loại mạch vòng) và một số dẫn xuất phi kim khác Nó có màu đen, hoà tan được trong benzen (C6H6), clorofooc (CHCl3), trycloetylen( C2HCl3), disunfuacacbon (CS2) và một số dung môi hữu cơ khác

Thành phần hoá học

Thành phần các nguyên tố hóa học của bitum thường dao động trong khoảng: C = 82%  88%; H = 8%  11%; O = 1%  1,5%; S = 0%  6%;

N = 0,5%  1%

Các thành phần O, N, S cần thiết để tạo nên các nhóm OH, COOH, NH2, SH

có ảnh hưởng lớn đến tính chất của bitum dầu mỏ

Để tiện nghiên cứu, bitum dầu mỏ được chia ra thành các nhóm:

- Nhóm chất dầu: chiếm khoảng 45%  60% Gồm những hợp chất có phân

tử lượng thấp (300  600 đvC), không màu, nhẹ khối lượng riêng (0,91  0,925) g/cm3 Tác dụng cho bitum có tính lỏng Nếu nhóm này tăng, tính quánh của bitum giảm

- Nhóm chất nhựa: chiếm khoảng 15%  30% Gồm những hợp chất có phân tử lượng cao (600  900 đvC), màu nâu sẫm, khối lượng riêng  1 g/cm3 Nó có thể hoà tan trong benzen, etxăng, clorofooc Gồm 2 loại

+ Nhóm chất nhựa trung tính (H/C = 1,6  1,8) làm cho bitum có tính dẻo.+ Nhóm chất nhựa axit (H/C = 1,3  1,4) làm tăng tính dính bám của bitum vào

- Nhóm atphan rắn: chiếm khoảng 10%  38% Gồm những hợp chất có phân tử lượng rất lớn (1000  6000 đvC), khối lượng riêng (11,5) g/cm3, màu nâu sẫm hoặc đen, không bị phân giải khi đốt Ở nhiệt độ lớn hơn 300

°C thì bị phân giải ra khí và cốc, tỉ lệ H/C = 1,1 Atphan có thể hoà tan trong clorofooc, tetraclorua cacbon (CCl4), không hoà tan trong ête, dầu hoả và axeton (C3H5OH) Atphan rắn làm cho bitum có tính quánh

Ngoài ra còn các nhóm Cacben và cacboit, nhóm axit atphan và anhydrit, nhóm Parafin chiếm tỷ lệ khá nhỏ, lần lượt là 1,5%; 1% và 5%

CÁC TÍNH CHẤT CỦA BITUM

1 Tính chất của bitum quánh

1.1 Tính quánh

Tính quánh biểu thị mối liên kết nội tại trong bitum, thể hiện độ đặc quánh

của bitum và thay đổi trong phạm vi rộng tùy theo mác của bitum

Tính quánh của bitum phụ thuộc vào hàm lượng các nhóm cấu tạo và nhiệt

độ của môi trường Khi hàm lượng nhóm asphalt tăng lên và hàm lượng nhóm chất dầu giảm, độ quánh của bitum tăng lên Khi nhiệt độ của môi trường tăng cao, nhóm chất nhựa sẽ bị chảy lỏng, độ quánh của bitum giảm xuống

Tính quánh thay đổi trong phạm vi rộng, nó ảnh hưởng nhiều đến tính chất

cơ học của hỗn hợp vật liệu khoáng và bitum, đồng thời quyết định công

nghệ chế tạo và thi công vật liệu dùng bitum

Tính quánh của bitum được đánh giá thông qua thí nghiệm xác định độ

kim lún

Độ kim lún của bitum tính bằng phần mười milimét của kim tiêu chuẩn xuyên thẳng đứng vào mẫu, trong điều kiện nhiệt độ, thời gian và tải trọng quy định

1.2 Tính dẻo

Tính dẻo đặc trưng cho khả năng biến dạng của bitum dưới tác dụng của

ngoại lực Tính dẻo được đặc trưng bằng độ kéo dài trước khi đứt của mẫu bitum

Độ kéo dài của bitum là khoảng cách đo được tính bằng cm, từ thời điểm mẫu bắt đầu bị kéo dài ra đến thời điểm khi mẫu đứt, trong điều kiện nhiệt

độ và vận tốc quy định Nếu không có quy định đặc biệt, thí nghiệm ở nhiệt

độ 25 oC  0,5 oC và vận tốc kéo mẫu bằng 5 cm/phút  5,0 % Tại các nhiệt

độ khác phải xác định vận tốc tương ứng

Tính dẻo cũng phụ thuộc thành phần nhóm và nhiệt độ môi trường Khi hàm lượng nhóm chất nhựa tăng thì tính dẻo tăng, hàm lượng nhóm parafin tăng thì tính dẻo giảm Khi nhiệt độ tăng tính dẻo của bitum cũng tăng và ngược lại.

1.3.Tính ổn định nhiệt

Tính ổn định nhiệt đặc trưng cho sự thay đổi tính quánh và tính dẻo theo

nhiệt độ môi trường Khi nhiệt độ thay đổi thì trạng thái bitum thay đổi: nhiệt độ tăng bitum từ trạng thái rắn chuyển sang trạng thái quánh và hóa lỏng, nhiệt độ giảm bitum từ trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái quánh và hóa rắn Sự thay đổi trạng thái của bitum làm cho tính quánh, tính dẻo của bitum thay đổi Nếu sự thay đổi càng nhỏ thì bitum có tính ổn định nhiệt càng cao

Điểm nhiệt độ ứng với thời điểm bitum chuyển từ trạng thái quánh sang trạng thái lỏng gọi là nhiệt độ hóa mềm, ký hiệu là Tm

Điểm nhiệt độ ứng với thời điểm bitum chuyển từ trạng thái quánh sang trạng thái cứng gọi là nhiệt độ hóa cứng, ký hiệu là Tc

Hiệu số ∆T= Tm-Tc càng lớn thì tính ổn định nhiệt của bitum càng cao

Nhiệt độ hóa mềm được xác định thông qua thí nghiệm với dụng cụ vòng và bi

1.4.Tính hoá già của bitum

Tính hoá già của bitum là sự thay đổi thành phần bitum khi nhiệt độ môi trường thay đổi Tính hoá già làm tăng độ giòn của bitum, làm xuất hiện vết nứt trong lớp phủ mặt đường, tăng quá trình phá hoại do ăn mòn

Nguyên nhân là do sự bay hơi của nhóm chất dầu làm tăng lượng của nhóm atphan làm cho tính quánh và tính giòn của bitum tăng lên, đồng thời làm thay đổi cấu tạo phân tử, tạo nên hợp chất mới Sự bay hơi phụ thuộc vào thành phần bitum, nhiệt độ, diện bay hơi, áp suất hơi nước trong môi trường

1.5 Tính ổn định khi đun

Khi dùng bitum, thường phải đun đến nhiệt độ cao (đến trên 160 °C) trong thời gian khá dài làm cho các thành phần dầu nhẹ có thể bốc hơi, làm thay đổi tính chất bitum

Tính ổn định khi đun được xác định thông qua sự tổn thất khối lượng sau gia nhiệt

Cốc kim loại hoặc thủy tinh chứa 50 g ± 0,5 g bi tum được quay trong tủ sấy

ở nhiệt độ 163 °C, tốc độ quay (5 ÷ 6) vòng/phút trong thời gian 5 giờ ± 15 phút Sau gia nhiệt, để nguội đến nhiệt độ phòng và xác định tổn thất.

1.6 Nhiệt độ bắt lửa và nhiệt độ bốc cháy (điểm chớp cháy và điểm cháy) 1.7 Tính dính bám (liên kết) của bitum với bề mặt vật liệu khoáng

Liên kết của bitum với vật liệu khoáng phụ thuộc vào tính chất bitum và tính chất vật liệu khoáng Khi bitum có độ hoạt tính lớn (nhóm axit atphan tăng) hay sức căng bề mặt lớn (độ quánh tăng) thì khả năng dính bám với vật liệu khoáng tăng Khi vật liệu khoáng có bề mặt vật liệu sạch, nhám thì liên kết với bitum chắc chắn, vật liệu khoáng gốc bazơ liên kết với bitum tốt hơn so với vật liệu khoáng gốc axit

Độ kéo dài ở 25 °C, 5 cm/phút (cm) ≥ 40 ≥ 80 ≥ 100 ≥ 100 ≥ 100 ≥ 100 Điểm hoá mềm (dụng cụ vòng và bi)

Điểm chớp cháy (cốc mở Cleveland) (°C)

≥ 240 ≥ 232 ≥ 232 ≥ 232 ≥ 230 ≥ 220 Tổn thất khối lượng sau khi gia nhiệt 5

giờ ở 163 °C (%) ≤ 0,2 ≤ 0,5 ≤ 0,5 ≤ 0,8 ≤ 0,8 ≤ 1,0

Tỷ lệ độ kim lún sau khi gia nhiệt 5 giờ ở

163 °C so với ban đầu (%) ≥ 80 ≥ 80 ≥ 75 ≥ 75 ≥ 75 ≥ 70

Độ hoà tan trong tricloetylen (%) ≥ 99

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 1,0 ÷ 1,05

Độ nhớt động học ở 135 °C (mm 2 /s) (cSt)

Báo cáo

Hàm lượng paraphin (% khối lượng) ≤ 2,2

2 Tính chất của bitum lỏng

Nhựa đường lỏng là sản phẩm được chế tạo bởi công nghệ làm lỏng nhựa đường đặc bằng sản phẩm dầu mỏ hoặc sản phẩm được sản xuất từ dầu mỏ

để tạo nên một hỗn hợp có tốc độ đông đặc và độ nhớt yêu cầu Nhựa lỏng

có màu đen, ở nhiệt độ bình thường có trạng thái lỏng vừa hoặc lỏng đặc

a Độ nhớt

Độ nhớt đặc trưng cho độ đặc quánh của nhựa đường lỏng Độ nhớt phụ thuộc vào thành phần hoá học của và tỷ lệ giữa lượng chất rắn với chất lỏng pha loãng Khi nhựa lỏng chứa nhiều nhóm chất nhựa, chất rắn và chứa ít nhóm chất dầu thì độ nhớt của nó tăng lên

Độ nhớt được biểu thị bằng độ nhớt động học hoặc độ nhớt Saybolt Furol

b Điểm chớp cháy

Điểm chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất ở áp suất 101,3 kPa (760 mmHg) mà hơi của mẫu nhựa bùng cháy dưới tác dụng của nguồn gây cháy

c Thử nghiệm chưng cất

Thử nghiệm chưng cất nhằm xác định hàm lượng nhựa và hàm lượng chất lỏng ở các nhiệt độ khác nhau Đây là chỉ tiêu gián tiếp biểu thị tốc độ đông đặc lại của bitum lỏng ở mặt đường Nếu hàm lượng chất lỏng lớn thì nhựa đường lỏng có nhiệt độ sôi thấp và quá trình đông đặc của của nhựa lỏng sẽ nhanh

Yêu cầu kỹ thuật

Theo TCVN 8818:2011, nhựa đường lỏng được chia nhiều mác căn cứ vào

NHỰA ĐƯỜNG POLIME (BITUM DẦU MỎ CẢI TIẾN)

- Nhu cầu về lưu lượng xe và tải trọng trục xe có xu hướng tăng rõ rệt

- Đường sử dụng bitum truyền thống có hiện tượng bị hằn lún vệt bánh

xe, bị nứt, bong tróc…

=> vật liệu làm đường cần được cải tiến để phù hợp với yêu cầu xây

dựng đường ô tô và sân bay cấp cao => Nhựa đường polime

Ưu điểm: tăng khả năng chịu lực và biến dạng của kết cấu mặt đường

bê tông nhựa

Nhựa đường polime là sản phẩm thu được từ công nghệ phối trộn nhựa đường đặc thông thường có nguồn gốc dầu mỏ với phụ gia cải thiện polime hữu cơ thích hợp như polime dẻo nhiệt, bột than mịn, bột cao su, bột đá và điôxit mangan, lưu huỳnh

Việc sử dụng nhựa đường polime đưa ra một giải pháp nhằm giảm số lần bảo dưỡng đường, tăng tuổi thọ phục vụ của mặt đường

Bitum có tính đàn hồi - dẻo Tính chất này ảnh hưởng nhiều đến các đặc tính kỹ thuật của bê tông nhựa làm đường Điển hình là tính chống biến dạng dư và nứt

Biến dạng của bitum tăng theo thời gian chịu tải và nhiệt độ Sau một thời gian chịu tải trọng, mặt đường để lại biến dạng dư, đặc biệt là nơi có nhiệt

độ môi trường cao, tốc độ giao thông thấp, giao thông tĩnh, nơi có nhiều phương tiện dừng đỗ

Một trong những vai trò cơ bản của chất cải tiến bitum là tăng tính chịu biến dạng của bê tông nhựa với biến dạng dư khi nhiệt độ mặt đường cao

mà không tác động xấu đến các đặc tính kỹ thuật của bitum hoặc bê tông nhựa ở các nhiệt độ khác

Nguyên tắc cải tiến bitum

Chất cải biến phải đáp ứng các yêu cầu:

+ Sẵn có

+ Có thể trộn được vào bitum

+ Không biến chất ở nhiệt độ trộn thảm

+ Không cho bitum quá nhớt ở nhiệt độ trộn thảm hoặc nhiệt độ đầm nén trên bề mặt đường

+ Không làm bitum bị cứng hoặc giòn khi làm việc ở nhiệt độ thấp

+ Phải có hiệu quả kinh tế

Sau khi trộn các chất cải biến (phụ gia), bitum phải có các đặc tính:

+ Giữ các đặc tính kỹ thuật trong thời gian bảo quản, thi công trên mặt

đường, khi con đường đã được đưa vào sử dụng

+ Có thể chế biến bằng cách thông thường từ nhà máy hoặc các trạm trộn

di động

+ Ổn định về lý hóa trong thời gian bảo quản, sử dụng và trên đường

+ Đạt độ nhớt trộn và phun ở nhiệt độ sử dụng

Các loại nhựa đường polime

 Bitum có pha thêm lưu huỳnh

+ Bê tông nhựa được cho thêm một lượng tương đối nhỏ lưu huỳnh dưới dạng một chất hòa tan trong bitum

+ Sử dụng hàm lượng lưu huỳnh cao, lượng lưu huỳnh dư đóng vai trò như một chất khoáng tự rải

 Bitum có pha thêm cao su: cao su được sử dụng cùng với bitum với tác dụng tăng độ nhớt của bitum

 Bitum có pha thêm các hợp chất mangan hữu cơ hoặc kết hợp giữa mangan hữu cơ và coban hữu cơ hay hợp chất đồng hữu cơ Sử dụng hỗn hợp sẽ nâng cao tính ổn định marshall, tăng khả năng chống biến dạng dư và tăng độ cứng động học

Các yêu cầu kỹ thuật: 22TCN 319:2004 “Tiêu chuẩn vật liệu nhựa đường polime - Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thí nghiệm”

TT Các chỉ tiêu Đơn vị

Trị số tiêu chuẩn theo mác

PMB-I PMB-II PMB- III

1 Nhiệt độ hóa mềm (phương pháp vòng và bi) độ C ≥ 60 ≥ 70 ≥ 80

2 Độ kim lún ở 25 °C 0,1mm 50 ÷ 70 40 ÷ 70 40 ÷ 70

3 Nhiệt độ bắt lửa (chớp cháy) độ C ≥ 230 ≥ 230 ≥ 230

4 Lượng tổn thất sau khi đun nóng ở 163 °C trong 5

giờ

% ≤ 0,6 ≤ 0,6 ≤ 0,6

5 Tỷ lệ độ kim lún của nhựa đường sau khi đun

nóng ở 163 °C trong 5 giờ so với ở 25 °C

% ≥ 65 ≥ 65 ≥ 65

6 Lượng hòa tan tricloetylen [C2HCl3] % ≥ 99 ≥ 99 ≥ 99

7 Khối lượng riêng ở 25 °C g/cm 3 1 ÷ 1,05 1 ÷ 1,05 1 ÷ 1,05

8 Độ bám dính với đá cấp ≥ cấp 4 ≥ cấp 4 ≥ cấp 4

9 Độ đàn hồi ở 25 °C (mẫu kéo dài 10 cm) % ≥ 60 ≥ 65 ≥ 70

10 Độ ổn định lưu trữ (gia nhiệt ở 163 °C trong 48

giờ, sai khác nhiệt độ hóa mềm phần trên và dưới

NHŨ TƯƠNG TRONG XÂY DỰNG

Nhũ tương là hệ thống keo phức tạp gồm hai chất lỏng không hoà tan lẫn nhau mà do sự phân tán của chất lỏng này vào trong chất lỏng kia để tạo thành những giọt ổn định nhờ sự có mặt của chất nhũ hóa có hoạt tính bề mặt Chất lỏng phân tán trong chất lỏng kia dưới dạng những giọt nhỏ li ti, gọi là pha phân tán, chất lỏng còn lại gọi là môi trường phân tán

Phân loại

- Căn cứ đặc trưng của pha phân tán và môi trường phân tán chia 2 loại

+ Pha phân tán là bitum hay guđrông, còn môi trường phân tán là nước thì gọi là nhũ tương dầu - nước (DN) hay nhũ tương thuận

+ Pha phân tán là nước, còn môi trường phân tán là bitum hay guđrông thì gọi là nhũ tương nước - dầu (ND) hay nhũ tương nghịch

- Căn cứ vào khả năng trộn lẫn của nhũ tương và vật liệu khoáng chia

làm 3 loại (quy phạm 18659-81 Nga)

- Căn cứ vào chất nhũ hoá:

+ Nhũ tương anion hoạt tính (nhũ tương kiềm) - dùng chất nhũ hoá là các muối kiềm của các axit béo, axit naftalen, nhựa hay những axit sunfua, độ

Vật liệu chế tạo nhũ tương

Chất kết dính để chế tạo nhũ tương có thể dùng chất kết dính hữu cơ như

bitum dầu mỏ loại đặc, loại lỏng, guđrông than đá

Nước để chế tạo nhũ tương khi dùng chất nhũ hoá anion hoạt tính phải là

nước mềm (độ cứng không lớn hơn 3 mili đương lượng gam/ℓ)

Chất nhũ hoá là những phụ gia hoạt tính bề mặt tăng tính ổn định của

nhũ tương Các chất nhũ hóa có khả năng hấp thụ trên bề mặt giọt bitum hay guđrông làm cho nhũ tương ổn định

CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NHŨ TƯƠNG

Tính ổn định khi vận chuyển và bảo quản

+ Tính ổn định khi bảo quản: là tính chất đặc trưng cho khả năng bảo

toàn được các tính chất của nhũ tương khi nhiệt độ thay đổi Yêu cầu không lắng đọng, không tạo thành các lớp vỏ và bảo toàn được tính đồng nhất trong 1 khoảng thời gian nhất định

+ Tính ổn định khi vận chuyển là tính chất đặc trưng cho khả năng bảo

toàn được các tính chất của nhũ tương khi vận chuyển hay bị các tác dụng

cơ học khác

Tính dính bám của màng chất dính kết với vật liệu khoáng

Được kiểm tra bằng trị số bề mặt của đá dăm vẫn còn được phủ nhũ tương sau khi rửa các mẫu thử bằng nước ở nhiệt độ 100 °C Phần được phủ nhũ tương phải ≥ 75% (nhũ tương anion) và ≥ 95% (nhũ tương cation)

Tính chất phần còn lại sau khi chưng cất

Sau khi chưng cất ở nhiệt độ 360 °C cho phần dung môi bay hơi hết, tính chất của phần còn lại phải phù hợp tiêu chuẩn như với bitum lỏng