Sợi thủy tinh là một trong những loại sợi có cường độ chịu kéo lớn, ổn định trong điều kiện nước và nhiệt độ cao. Đây là yêu cầu cơ bản của vật liệu gia cường trong bê tông asphalt rải nóng. Nhiệt độ nóng chảy của sợi từ 800-900oC [1], đảm bảo sợi không bị phá hoại trong quá trình trộn nóng bê tông asphalt. Bài báo này tập trung nghiên cứu một số tính chất cơ lý của sợi thủy tinh loại C, khả năng gia cường trong bê tông asphalt chặt rải nóng.
TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 53 SỢI THỦY TINH VÀ KHẢ NĂNG GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH TRONG BÊ TÔNG ASPHALT GLASS FIBER AND REINFORCED CAPACITY IN ASPHALT CONCRETE Vũ Phương Thảo1, Hồ Anh Cương2 1,2 Trường Đại học GTVT, Hà Nội Tóm tắt: Sợi thủy tinh loại sợi có cường độ chịu kéo lớn, ổn định điều kiện nước nhiệt độ cao Đây yêu cầu vật liệu gia cường bê tơng asphalt rải nóng Nhiệt độ nóng chảy sợi từ 800-900oC [1], đảm bảo sợi không bị phá hoại q trình trộn nóng bê tơng asphalt Bài báo tập trung nghiên cứu số tính chất lý sợi thủy tinh loại C, khả gia cường bê tơng asphalt chặt rải nóng Từ khóa: Sợi thủy tinh, bê tơng asphalt Abstract: Glassfiber is one of fibers has great tensile strength, stability at high temperature and water This is a basic of reinforcing substances in hot mix asphalt Softening temperature of glass fiber from 800 - 900oC[1], so that it is not distroyed during hot mixing of asphalt concrete This paper presents to research several physical and mechanical properties of C - glass fiber, it’s reinforced stability in hot mix-asphalt Keywords: Glass fiber, hot mix asphalt Giới thiệu Sợi thủy tinh loại vật liệu vô dẻo sợi thực vật động vật, khó thắt nút, khơng đàn hồi hay dãn rộng, không cháy, không dẫn điện [1] Sợi thủy tinh chia làm hai loại chính: Sợi thủy tinh thơng thường sợi thủy tinh đặc biệt Hơn 90% sợi thủy tinh sử dụng sợi thông thường, chủ yếu loại E Glass, C - Glass Sợi thủy tinh đặc biệt chia thành số loại điển S - Glass (độ bền học cao), D - Glass (cách điện bền vững), sợi siêu tinh khiết silic, sợi rỗng sợi trilobal Sợi thủy tinh thơng thường có giá thành thấp loại sợi thủy tinh đặc biệt phải lựa chọn sử dụng cho mục đích khu biệt có xét đến hiệu kinh tế Khi gia cường bê tông asphalt, vai trò sợi thủy tinh bị ảnh hưởng mức độ phân tán, tỷ lệ đường kính sợi chiều dài sợi Vai trò sợi thủy tinh Theo nghiên cứu giới, việc gia cường sợi thủy tinh vào bê tông asphalt chặt rải nóng (HMA) đem lại hiệu rõ rệt Khi gia cường sợi có cường độ chịu kéo cao làm tăng cường độ hỗn hợp bê tông asphalt Về lý thuyết, ứng suất truyền sang sợi cường độ cao, làm giảm ứng suất lên phần có cường độ yếu chất liên kết asphalt [2] Sợi có tác dụng làm tăng độ rỗng dư, tăng độ ổn định Marshall, cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe tăng tuổi thọ mỏi cho bê tông asphalt [3] Đặc biệt dùng loại sợi có cường độ chịu kéo lớn sợi thủy tinh, sợi cacbon [2], khả cải thiện lún vệt bánh xe tuổi thọ mỏi tăng mạnh Vai trò sợi thủy tinh bê tông asphalt chứng minh nghiên cứu Jahran năm 1999 sợi thủy tinh có chiều dài 25mm gia cường HMA Dmax 20mm [4] Kết cho thấy bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (G-FRAC) có khả kháng mỏi, chống hằn lún vệt bánh xe, khống chế nứt tốt bê tông asphalt đối chứng không gia cường sợi Tuổi thọ mỏi tăng thêm hàm lượng sợi thủy tinh gia cường tăng dần từ 0% - 0,5% (hình 1) [4] Hình Đặc tính mỏi HMA hàm lượng sợi thủy tinh (G-FRAC) khác [4] Sợi thủy tinh có khả giữ ổn định cho chất kết dính asphalt, đặc biệt điều kiện nhiệt 54 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 độ cao lưu lượng giao thông lớn Hơn sợi có cấu trúc mạng lưới ba chiều hỗn hợp asphalt nên gia cường cho khung giúp chống lại lực cắt giảm khả bị chảy cho hỗn hợp asphalt [5] Kết thí nghiệm số tính chất lý học học sợi thủy tinh loại C - Tính chất lý học sợi thủy tinh Đo đường kính sợi đếm số sợi tao sợi thủy tinh tác giả thực Viện Dệt may da giày Trung tâm Thí nghiệm vật liệu Dệt may da giày Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (đo đường kính sợi thủy tinh theo tiêu chuẩn ASTM D2130 [6]) Phân tích thành phần ngun tố có sợi thủy tinh thực Phòng Thí nghiệm Siêu cấu trúc công nghệ Nano y sinh thuộc Viện Vệ sinh Dịch tễ TW Kết thể bảng Hình Đo đường kính sợi thủy tinh Bảng Kết đo đường kính sợi thủy tinh Mẫu sợi thủy tinh Đường kính sợi (mm) Mẫu 0.02 Mẫu 0.015 Mẫu 0.02 Mẫu 0.018 Mẫu 0.02 TB 0.018 Thí nghiệm đếm số sợi tao sợi thủy tinh thể bảng Bảng Kết thí nghiệm đếm số sợi thủy tinh tao sợi Mẫu sợi thủy tinh Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu TB Số sợi tao sợi 340 355 375 368 350 357 - Tính chất học sợi thủy tinh Xác định lực kéo đứt, độ dãn đứt sợi thủy tinh thực theo tiêu chuẩn ASTM D 225602 [7] Phòng Thí nghiệm Viện Dệt may, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Kết lực kéo đứt, độ giãn đứt mô đun đàn hồi thể bảng Bảng Kết đo lực kéo đứt, độ giãn đứt mô đun đàn hồi sợi thủy tinh Mẫu sợi thủy tinh Đơn vị Tổ mẫu Tổ mẫu Tổ mẫu Trung bình Lực kéo đứt tao sợi (F) N 21, 23, 18, 21,4 Độ giãn đứt (e) mm 2,00 2,23 1,95 2,06 Độ giãn tương đối % 0,80 0,89 0,78 0,83 Mô đun đàn hồi MPa 30431 29571 25349 28450 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu gia cố sợi thủy tinh - Mức độ phân tán Yêu cầu sợi phân tán hỗn hợp hiệu phân tán áp lực hiệu mạng lưới sợi thủy tinh HMA cao Sợi thủy tinh phân tán bê tông asphalt cho yếu tố phân tán áp lực xuống pha asphalt, ngăn chặn việc hình thành lan truyền vết nứt Hơn sợi đan xen hình thành mạng lưới dạng khơng gian asphalt bao bọc xung quanh cốt liệu có tác dụng lấp đầy làm liền vi vết nứt (micro-crack) xuất hạt cốt liệu (cơ chế khâu vết nứt - bridging cracking effects) - Đường kính chiều dài sợi Đường kính, tỷ lệ đường kính chiều dài sợi có ảnh hưởng đến vai trò hỗn hợp vật liệu Chiều dài sợi gia cường phụ thuộc vào đường kính lớn cốt liệu [2] Chiều dài sợi sử dụng gia cường bê tông asphalt thay đổi khoảng lớn từ cỡ 10-2 mm đến vài chục mm [4, 5] Theo nhiều nghiên cứu giới, đường kính sợi nhỏ, khả cải thiện đặc tính bê tơng asphalt cao Sợi mảnh, tỷ diện bề mặt sợi với pha TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 asphalt lớn, khả chịu lực tăng lên đơn vị chiều dày asphalt Tỷ lệ chiều dài/đường kính cao hiệu mạng lưới cao [8] Trong nghiên cứu này, sợi thủy tinh trộn thử theo phương pháp trộn khô với ba chiều dài sợi khác 10mm, 20mm, 30mm Trộn khô phương pháp trộn sợi với hỗn hợp cốt liệu trước, sau tiến hành đổ bitum vào Quan sát bê tơng asphalt mắt cho thấy với sợi có chiều dài 10mm, 20mm, mức độ phân tán sợi HMA Hỗn hợp vật liệu sử dụng sợi thủy tinh có chiều dài 30mm xuất số búi sợi (hình 3) Sợi 10mm Sợi 20mm Sợi 30mm Hình Mức độ phân tán sợi thủy tinh chiều dài khác bê tông asphalt Như phân tích, theo Fu đánh giá, tỷ lệ chiều dài sợi đường kính sợi lớn cho hiệu mạng lưới sợi phân tán bê tông asphalt cao [8] Tuy nhiên chiều dài sợi bị khống chế khả trộn hỗn hợp vật liệu Do chiều dài sợi thủy tinh 20mm lựa chọn để gia cường bê tơng asphalt chặt nóng hợp lý Kết luận Sợi thủy tinh loại C có cường độ chịu kéo lớn Vai trò sợi thủy tinh bê tơng asphalt tổng kết sau: - Có vai trò cốt phần chất kết dính asphalt, tăng tính ma sát, giảm trơn trượt, giảm khả dãn nở dài Hàm lượng sợi vừa đủ để tạo nên cấu trúc xương vững cho chất kết dính, q khơng đủ để có tác động đến tính chất lý asphalt 55 - Có tác dụng phân tán áp lực lên chất kết dính asphalt, chịu phần ứng suất tác dụng lên hỗn hợp bê tông asphalt, hạn chế di chuyển cốt liệu, làm chậm trình xuất phát triển vết nứt; - Có cấu trúc mạng lưới ba chiều hỗn hợp asphalt nên gia cường cho khung giúp chống lại lực cắt giảm khả bị chảy hỗn hợp asphalt - Chiều dài sợi, đường kính sợi có ảnh hưởng đến q trình tạo hình, ngắn q khơng có khả gia cường, dài q khó thi cơng, sợi khó phân tán HMA - Chiều dài sợi mang lại hiệu cải thiện tốt đảm bảo tính cơng tác 20mm Tài liệu tham khảo [1] American Society for Metals Handbook, Vol 21 : Composites, 2001 [2] National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) Synthesis 475, Fiber Additives in Asphalt Mixtures, Transportation research board Washington, D.C, 2015 [3] Najd A, Chao Z, Ying G, “Experiments of fracture behavior of glass fiber reinforced asphalt concrete”, J Chan Univ (Nat Sci Ed), 25(3): 28– 32, 2005 [4] Jahran and Fantani, Glass Fiber Reinforced Asphalt Paving Mixture:Feasibility Assessment, JKAU: Eng Sci., vol 11 no 1, pp 85-98, 1999 [5] Abdelaziz Mahrez et al, “Fatigue and deformation properties of glass fibe reinforced bituminous mixes”, Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies, Vol 6, pp 997 – 1007, 2005 [6] ASTM Standart, Standard Test Method for Diameter of Wool and Other Animal Fibers by Microprojection, 2002 [7] ASTM Standart, Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the Single-Strand Method, 2002 [8] Fu S et al, “Tensile properties of short–glass–fiber and short–carbon–fiber-reinforced polypropylene composites”, Composites Part A2000; 31:1117– 25, Octorber, 2000 Ngày nhận bài: 14/04/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 05/05/2016 Ngày chấp nhận đăng: 12/05/2016 ... nghiệm đếm số sợi thủy tinh tao sợi Mẫu sợi thủy tinh Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu TB Số sợi tao sợi 340 355 375 368 350 357 - Tính chất học sợi thủy tinh Xác định lực kéo đứt, độ dãn đứt sợi thủy tinh thực... kính sợi thủy tinh Bảng Kết đo đường kính sợi thủy tinh Mẫu sợi thủy tinh Đường kính sợi (mm) Mẫu 0.02 Mẫu 0.015 Mẫu 0.02 Mẫu 0.018 Mẫu 0.02 TB 0.018 Thí nghiệm đếm số sợi tao sợi thủy tinh thể... ảnh hưởng đến hiệu gia cố sợi thủy tinh - Mức độ phân tán Yêu cầu sợi phân tán hỗn hợp hiệu phân tán áp lực hiệu mạng lưới sợi thủy tinh HMA cao Sợi thủy tinh phân tán bê tông asphalt cho yếu tố