Chương 6 chất kết dính hữu cơ

University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thơng vận tải CHẤT KẾT DÍNH HỮU CƠ KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI  Khái niệm Chất kết dính hữu vật liệu dạng cứng, quánh, lỏng với thành phần chủ yếu hydro cacbon cao phân tử số hợp chất khác Chất kết dính hữu có khả trộn lẫn dính kết vật liệu khoáng tạo thành hỗn hợp đá-nhựa có tính chất vật lý, học phù hợp để xây dựng đường tơ Chất kết dính hữu có tính chất bản: + Dễ liên kết vật liệu khoáng lớp màng mỏng bền ổn định nước; + Khơng tan nước, chất kết dính hữu dùng làm vật liệu lợp, vật liệu cách nước + Khó tan axit vô cơ, dễ tan dung môi hữu dầu hoả, xăng, benzen, + Chịu ảnh hưởng lớn nhiệt độ University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải  Phân loại: - Theo thành phần hoá học, chia hai loại: bitum guđrông Gudrong sản phẩm thu công nghiệp luyện than đá nguyên liệu cứng khác gỗ, than bùn Khi chưng luyện nhiên liệu cứng phương pháp làm lạnh người ta thu chất ngưng tụ Đem chất ngưng tụ chưng luyện lần thu chất dầu nhẹ, cặn bã lại gudrong - Theo nguồn gốc nguyên liệu: + Bitum dầu mỏ - sản phẩm cuối dầu mỏ, loại thường dùng, có nhiều Mỹ, Nga Trung Đơng; + Bitum đá dầu - sản phẩm chưng đá dầu Đá dầu chứa đến 12% bitum Bitum đá dầu sản xuất Pháp Thụy Sỹ; + Bitum thiên nhiên - thường gặp thiên nhiên dạng tinh khiết hay lẫn với đá Được khai thác mỏ Tây Ban Nha; + Guđrông than đá - sản phẩm chưng khô than đá; + Guđrông than bùn - sản phẩm chưng khô than đá; + Guđrông gỗ - sản phẩm chưng khô gỗ University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải - Theo trạng thái cấu trúc nhiệt độ thường: + Bitum guđrông rắn + Bitum guđrông quánh + Bitum guđrông lỏng + Nhũ tương bitum guđrông University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải BITUM DẦU MỎ Khái niệm Bitum dầu mỏ (nhựa đường) hỗn hợp phức tạp hợp chất hidrocacbon (metan, naftalen, loại mạch vòng) số dẫn xuất phi kim khác Nó có màu đen, hoà tan benzen (C6H6), clorofooc (CHCl3), trycloetylen( C2HCl3), disunfuacacbon (CS2) số dung môi hữu khác Thành phần hố học Thành phần ngun tố hóa học bitum thường dao động 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 nhóm OH, COOH, NH 2, SH có ảnh hưởng lớn đến tính chất bitum dầu mỏ University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Để tiện nghiên cứu, bitum dầu mỏ chia thành nhóm: - Nhóm chất dầu: chiếm khoảng 45%  60% Gồm 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 tăng, tính qnh bitum giảm - Nhóm chất nhựa: chiếm khoảng 15%  30% Gồm hợp chất có phân tử lượng cao (600  900 đvC), màu nâu sẫm, khối lượng riêng  g/cm3 Nó hoà tan benzen, etxăng, clorofooc Gồm 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 bitum vào - Nhóm atphan rắn: chiếm khoảng 10%  38% Gồm hợp chất có phân tử lượng lớn (1000  6000 đvC), khối lượng riêng (11,5) g/cm3, màu nâu sẫm đen, không bị phân giải đốt Ở nhiệt độ lớn 300 °C bị phân giải khí cốc, tỉ lệ H/C = 1,1 Atphan hồ tan clorofooc, tetraclorua cacbon (CCl4), khơng hồ tan ête, dầu hoả axeton (C3H5OH) Atphan rắn làm cho bitum có tính quánh University of Transport Technology Trường Đại học Cơng nghệ giao thơng vận tải Ngồi nhóm Cacben cacboit, nhóm axit atphan anhydrit, nhóm Parafin chiếm tỷ lệ nhỏ, 1,5%; 1% 5% CÁC TÍNH CHẤT CỦA BITUM Tính chất bitum quánh 1.1 Tính quánh Tính quánh biểu thị mối liên kết nội bitum, thể độ đặc quánh bitum thay đổi phạm vi rộng tùy theo mác bitum Tính quánh bitum phụ thuộc vào hàm lượng nhóm cấu tạo nhiệt độ mơi trường Khi hàm lượng nhóm asphalt tăng lên hàm lượng nhóm chất dầu giảm, độ quánh bitum tăng lên Khi nhiệt độ mơi trường tăng cao, nhóm chất nhựa bị chảy lỏng, độ quánh bitum giảm xuống Tính quánh thay đổi phạm vi rộng, ảnh hưởng nhiều đến tính chất học hỗn hợp vật liệu khống bitum, đồng thời định công nghệ chế tạo thi công vật liệu dùng bitum University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Tính qnh bitum đánh giá thơng qua thí nghiệm xác định độ kim lún Độ kim lún bitum tính phần mười milimét kim tiêu chuẩn xuyên thẳng đứng vào mẫu, điều kiện nhiệt độ, thời gian tải trọng quy định University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải 1.2 Tính dẻo Tính dẻo đặc trưng cho khả biến dạng bitum tác dụng ngoại lực Tính dẻo đặc trưng độ kéo dài trước đứt mẫu bitum Độ kéo dài bitum khoảng cách đo tính cm, từ thời điểm mẫu bắt đầu bị kéo dài đến thời điểm mẫu đứt, điều kiện nhiệt độ vận tốc quy định Nếu khơng có quy định đặc biệt, thí nghiệm nhiệt độ 25 oC  0,5 oC vận tốc kéo mẫu cm/phút  5,0 % Tại nhiệt độ khác phải xác định vận tốc tương ứng University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Tính dẻo phụ thuộc thành phần nhóm nhiệt độ mơi trường Khi hàm lượng nhóm chất nhựa tăng tính dẻo tăng, hàm lượng nhóm parafin tăng tính dẻo giảm Khi nhiệt độ tăng tính dẻo bitum tăng ngược lại University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải 1.3.Tính ổn định nhiệt Tính ổn định nhiệt đặc trưng cho thay đổi tính quánh tính dẻo theo nhiệt độ mơi trường Khi nhiệt độ thay đổi trạng thái bitum thay đổi: nhiệt độ tăng bitum từ trạng thái rắn chuyển sang trạng thái quánh hóa lỏng, nhiệt độ giảm bitum từ trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái quánh hóa rắn Sự thay đổi trạng thái bitum làm cho tính quánh, tính dẻo bitum thay đổi Nếu thay đổi nhỏ bitum có tính ổn định nhiệt cao Điểm nhiệt độ ứng với thời điểm bitum chuyển từ trạng thái quánh sang trạng thái lỏng gọi nhiệt độ hóa mềm, ký hiệu T m Điểm nhiệt độ ứng với thời điểm bitum chuyển từ trạng thái quánh sang trạng thái cứng gọi nhiệt độ hóa cứng, ký hiệu Tc Hiệu số ∆T= Tm-Tc lớn tính ổn định nhiệt bitum cao University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải c Thử nghiệm chưng cất Thử nghiệm chưng cất nhằm xác định hàm lượng nhựa hàm lượng chất lỏng nhiệt độ khác Đây tiêu gián tiếp biểu thị tốc độ đông đặc lại bitum lỏng mặt đường Nếu hàm lượng chất lỏng lớn nhựa đường lỏng có nhiệt độ sơi thấp q trình đơng đặc của nhựa lỏng nhanh University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Yêu cầu kỹ thuật Theo TCVN 8818:2011, nhựa đường lỏng chia nhiều mác vào độ nhớt động học: - Nhựa lỏng đơng đặc nhanh (RC) có mác: RC-70, RC-250, RC-800 RC-3000; - Nhựa lỏng đông đặc vừa (MC) có mác: MC-30, MC-70, MC-250, MC800 MC-3000 University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải NHỰA ĐƯỜNG POLIME (BITUM DẦU MỎ CẢI TIẾN) - Nhu cầu lưu lượng xe tải trọng trục xe có xu hướng tăng rõ rệt - Đường sử dụng bitum truyền thống có tượng bị hằn lún vệt bánh xe, bị nứt, bong tróc… => vật liệu làm đường cần cải tiến để phù hợp với yêu cầu xây dựng đường ô tô sân bay cấp cao => Nhựa đường polime Ưu điểm: tăng khả chịu lực biến dạng kết cấu mặt đường bê tông nhựa Nhựa đường polime sản phẩm thu từ công nghệ phối trộn nhựa đường đặc thơng thường có nguồn gốc dầu mỏ với phụ gia cải thiện polime hữu thích hợp polime dẻo nhiệt, bột than mịn, bột cao su, bột đá điôxit mangan, lưu huỳnh University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Việc sử dụng nhựa đường polime đưa giải pháp nhằm giảm số lần bảo dưỡng đường, tăng tuổi thọ phục vụ mặt đường Bitum có tính đàn hồi - dẻo Tính chất ảnh hưởng nhiều đến đặc tính kỹ thuật bê tơng nhựa làm đường Điển hình tính chống biến dạng dư nứt Biến dạng bitum tăng theo thời gian chịu tải nhiệt độ Sau thời gian chịu tải trọng, mặt đường để lại biến dạng dư, đặc biệt nơi có nhiệt độ mơi trường cao, tốc độ giao thơng thấp, giao thơng tĩnh, nơi có nhiều phương tiện dừng đỗ Một vai trò chất cải tiến bitum tăng tính chịu biến dạng bê tông nhựa với biến dạng dư nhiệt độ mặt đường cao mà không tác động xấu đến đặc tính kỹ thuật bitum bê tông nhựa nhiệt độ khác University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Nguyên tắc cải tiến bitum Chất cải biến phải đáp ứng yêu cầu: + Sẵn có + Có thể trộn vào bitum + Không biến chất nhiệt độ trộn thảm + Không cho bitum nhớt nhiệt độ trộn thảm nhiệt độ đầm nén bề mặt đường + Không làm bitum bị cứng giòn làm việc nhiệt độ thấp + Phải có hiệu kinh tế Sau trộn chất cải biến (phụ gia), bitum phải có đặc tính: + Giữ đặc tính kỹ thuật thời gian bảo quản, thi công mặt đường, đường đưa vào sử dụng + Có thể chế biến cách thông thường từ nhà máy trạm trộn di động + Ổn định lý hóa thời gian bảo quản, sử dụng đường + Đạt độ nhớt trộn phun nhiệt độ sử dụng University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Các loại nhựa đường polime  Bitum có pha thêm lưu huỳnh + Bê tông nhựa cho thêm lượng tương đối nhỏ lưu huỳnh dạng chất hòa tan bitum + Sử dụng hàm lượng lưu huỳnh cao, lượng lưu huỳnh dư đóng vai trò chất khống tự rải  Bitum có pha thêm cao su: cao su sử dụng với bitum với tác dụng tăng độ nhớt bitum  Bitum có pha thêm hợp chất mangan hữu kết hợp mangan hữu coban hữu hay hợp chất đồng hữu Sử dụng hỗn hợp nâng cao tính ổn định marshall, tăng khả chống biến dạng dư tăng độ cứng động học Các yêu cầu kỹ thuật: 22TCN 319:2004 “Tiêu chuẩn vật liệu nhựa đường polime - Yêu cầu kỹ thuật phương pháp thí nghiệm” University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải TT Các tiêu Đơn vị Trị số tiêu chuẩn theo mác PMBPMB-I PMB-II III ≥ 60 ≥ 70 ≥ 80 50 ÷ 70 40 ÷ 70 40 ÷ 70 ≥ 230 ≥ 230 ≥ 230 ≤ 0,6 ≤ 0,6 ≤ 0,6 Nhiệt độ hóa mềm (phương pháp vòng bi) độ C Độ kim lún 25 °C 0,1mm Nhiệt độ bắt lửa (chớp cháy) độ C Lượng tổn thất sau đun nóng 163 °C % Tỷ lệ độ kim lún nhựa đường sau đun nóng 163 °C so với 25 °C 10 Lượng hòa tan tricloetylen [C2HCl3] Khối lượng riêng 25 °C Độ bám dính với đá Độ đàn hồi 25 °C (mẫu kéo dài 10 cm) Độ ổn định lưu trữ (gia nhiệt 163 °C 48 giờ, sai khác nhiệt độ hóa mềm phần mẫu) % ≥ 99 ≥ 99 ≥ 99 g/cm3 ÷ 1,05 ÷ 1,05 ÷ 1,05 cấp ≥ cấp ≥ cấp ≥ cấp % ≥ 60 ≥ 65 ≥ 70 độ C ≥3 ≥3 ≥3 11 Độ nhớt 135 °C (con thoi 21, tốc độ cắt 18,6 s1 , nhớt kế Brookfield) Pa.s % ≥ 65 ≤3 ≥ 65 ≤3 ≥ 65 ≤3 University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải NHŨ TƯƠNG TRONG XÂY DỰNG Nhũ tương hệ thống keo phức tạp gồm hai chất lỏng khơng hồ tan lẫn mà phân tán chất lỏng vào chất lỏng để tạo thành giọt ổn định nhờ có mặt chất nhũ hóa có hoạt tính bề mặt Chất lỏng phân tán chất lỏng dạng giọt nhỏ li ti, gọi pha phân tán, chất lỏng lại gọi môi trường phân tán Phân loại - Căn đặc trưng pha phân tán môi trường phân tán chia loại + Pha phân tán bitum hay guđrơng, mơi trường phân tán nước gọi nhũ tương dầu - nước (DN) hay nhũ tương thuận + Pha phân tán nước, mơi trường phân tán bitum hay guđrơng gọi nhũ tương nước - dầu (ND) hay nhũ tương nghịch - Căn vào khả trộn lẫn nhũ tương vật liệu khoáng chia làm loại (quy phạm 18659-81 Nga) University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải - Căn vào chất nhũ hố: + Nhũ tương anion hoạt tính (nhũ tương kiềm) - dùng chất nhũ hoá muối kiềm axit béo, axit naftalen, nhựa hay axit sunfua, độ pH =  12 + Nhũ tương cation hoạt tính (nhũ tương axit) - dùng chất nhũ hoá muối hợp chất amoniac bậc bốn, diamin , độ pH =  + Nhũ tương không sinh ion - dùng chất nhũ hố khơng sinh ion opanol (cao su tổng hợp) polyizobutilen , độ pH = + Nhũ tương dùng chất nhũ hố dạng bột vơ bột vôi tôi, đất sét dẻo, trepen, diatomit Ứng dụng - Tưới mặt đường tạo lớp dính bám University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải Vật liệu chế tạo nhũ tương Chất kết dính để chế tạo nhũ tương dùng chất kết dính hữu bitum dầu mỏ loại đặc, loại lỏng, guđrông than đá Nước để chế tạo nhũ tương dùng chất nhũ hoá anion hoạt tính phải nước mềm (độ cứng khơng lớn mili đương lượng gam/ℓ) Chất nhũ hoá phụ gia hoạt tính bề mặt tăng tính ổn định nhũ tương Các chất nhũ hóa có khả hấp thụ bề mặt giọt bitum hay guđrông làm cho nhũ tương ổn định University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA NHŨ TƯƠNG Độ nhớt Nhũ tương làm đường cần có độ nhớt hợp lý Độ nhớt xác định nhớt kế Saybolt Furol Độ phân tách Nhũ tương sau thi công phải tách nước nhanh dính bám tốt với bề mặt vật liệu khoáng Đánh giá mức độ phân tách nhũ tương thơng qua đặc tính khơng dính bám với loại cát chuẩn Tính ổn định vận chuyển bảo quản + Tính ổn định bảo quản: tính chất đặc trưng cho khả bảo tồn tính chất nhũ tương nhiệt độ thay đổi Yêu cầu không lắng đọng, không tạo thành lớp vỏ bảo tồn tính đồng khoảng thời gian định + Tính ổn định vận chuyển tính chất đặc trưng cho khả bảo tồn tính chất nhũ tương vận chuyển hay bị tác dụng học khác University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thơng vận tải Tính dính bám màng chất dính kết với vật liệu khống Được kiểm tra trị số bề mặt đá dăm phủ nhũ tương sau rửa mẫu thử nước nhiệt độ 100 °C Phần phủ nhũ tương phải ≥ 75% (nhũ tương anion) ≥ 95% (nhũ tương cation) Tính chất phần lại sau chưng cất Sau chưng cất nhiệt độ 360 °C cho phần dung mơi bay hết, tính chất phần lại phải phù hợp tiêu chuẩn với bitum lỏng University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải University of Transport Technology Trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải ... đường tạo lớp dính bám University of Transport Technology Trường Đại học Cơng nghệ giao thông vận tải Vật liệu chế tạo nhũ tương Chất kết dính để chế tạo nhũ tương dùng chất kết dính hữu bitum dầu... bitum với tác dụng tăng độ nhớt bitum  Bitum có pha thêm hợp chất mangan hữu kết hợp mangan hữu coban hữu hay hợp chất đồng hữu Sử dụng hỗn hợp nâng cao tính ổn định marshall, tăng khả chống biến... Nhiệt độ bắt lửa nhiệt độ bốc cháy (điểm chớp cháy điểm cháy) 1.7 Tính dính bám (liên kết) bitum với bề mặt vật liệu khoáng Liên kết bitum với vật liệu khống phụ thuộc vào tính chất bitum tính chất