Với mục đích nghiên cứu về khả năng áp dụng bê tông nhựa epoxy trong xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam, luận án tập trung nghiên cứu về thành phần, những đặc tính cơ học vật liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật, khả năng và hiệu quả ứng dụng của bê tông nhựa epoxy.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THỊ CẨM HÀ NGHIÊN CỨU THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CƠ HỌC VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG BITUM EPOXY LÀM CHẤT KẾT DÍNH CHO HỖN HỢP ASPHALT TẠI VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thơng Mã số : 9580205 Chun ngành : Xây dựng đường ơtơ đường thành phố TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hường dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thị Kim Đăng Trường Đại học Giao thông Vận tải GS.TS Bùi Xuân Cậy Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Thúc Tuyên Phản biện 3: GS.TS Phạm Cao Thăng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi … … ngày … tháng … năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thơng Vận tải CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Trần Thị Cẩm Hà, Trần Thị Kim Đăng (2017), Xác định số tiêu lý Bitum – epoxy, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 5/2017 Trần Thị Cẩm Hà, Bùi Xuân Cậy (2018), Nghiên cứu thực nghiệm mô-đun đàn hồi cường độ kéo uốn bê tông nhựa sử dụng chất kết dính Bitum - epoxy, Tạp chí Giao thông vận tải số tháng 5/2018 Trần Thị Cẩm Hà (2018), Nghiên cứu thực nghiêm mô-đun cắt động bi-tum - epoxy, Tạp chí Giao thơng vận tải số tháng 11/2018 Trần Thị Cẩm Hà, Nguyễn Quang Tuấn, Trần Anh T uấn, Hoàng Việt Hải (2018), Ứng xử chịu cắt lớp phủ bê tông nhựa vật liệu dính bám epoxy thép, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải số 66 tháng 10/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Thực tế khai thác mặt đƣờng BTN Việt Nam cho thấy có nhiều cố hƣ hỏng sớm mặt đƣờng trục quốc lộ chính: lún vệt bánh xe Quốc lộ 5, Quốc lộ1, đại lộ Đơng-Tây, đƣờng dẫn cầu Thanh Trì, đƣờng vành đai III -Hà Nội; hƣ hỏng lớp phủ mặt Cầu Thăng Long; lún vệt bánh xe sâu đƣờng vào cảng Cát Lái Việc xuống cấp chất lƣợng cơng trình ảnh hƣởng khơng nhỏ tới phát triển kinh tế - xã hội, phủ phải bỏ số lƣợng tiền lớn để việc sửa chữa, khắc phục hậu quả, đồng thời , ngƣời tham gia giao thông bị ảnh hƣởng vật chất lẫn tinh thần Ở nhiều nƣớc giới nhƣ Anh, Mỹ, Nhật bản, Ukraina …việc nghiên cứu đƣa vào sử dụng hỗn hợp BTN có chất kết dính bitum epoxy làm tầng mặt cho tuyến đƣờng chịu tải trọng nặng, làm lớp phủ mặt cầu thép cho kết tốt với khắc phục đƣợc rõ số nhƣợc điểm mặt đƣờng BTN sử dụng chất kết dính bitum thơng thƣờng Việt Nam có cơng trình thực tế sử dụng bê tông nhựa epoxy (BTNE) lớp phủ mặt cầu Thuận Phƣớc – Đà Nẵng Đáng tiếc ứng dụng không thành công Lớp phủ bê tông nhựa epoxy mặt cầu Thuận Phƣớc đƣợc thay gần nhƣ hồn tồn hỗn hợp BTN sử dụng bitum polime PMB (BTNP) Các nghiên cứu trƣớc áp dụng vật liệu vào cơng trình cầu Thuận Phƣớc hạn chế Hiện nay, Việt Nam, epoxy có nguồn cung nƣớc nƣớc ngoài, nhƣng chƣa có nghiên cứu đánh giá khả sử dụng bitum có epoxy làm chất kết dính cho hỗn hợp BTN Đề tài “Nghiên cứu thành phần, tính chất học vả khả sử dụng bitum epoxy làm chất kết dính cho hỗn hợp asphalt Việt Nam” đề tài cần thiết II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Với mục đích nghiên cứu khả áp dụng BTNE xây dựng cơng trình giao thơng Việt Nam, luận án tập trung nghiên cứu thành phần, đặc tính học vật liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật, khả hiệu ứng dụng BTNE III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung luận án tập trung vào số vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan BE BTNE Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá vật liệu BE, đánh giá khả sử dụng BE làm chất kết dính cho BTNE làm lớp mặt kết cấu đƣờng tơ phân tích lựa chọn hàm lƣợng epoxy cho BE làm chất kết dính cho BTNE ; Nghiên cứu thực nghiệm phòng tiêu lý BTNE để đánh giá khả phạm vi sử dụng vật liệu BTNE; Nghiên cứu đề xuất kết cấu mặt đƣờng điển hình sử dụng BTNE IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Ý nghĩa khoa học: Luận án nghiên cứu chất lý thuyết hỗn hợp BE BTNE, phân tích ƣu nhƣợc điểm phạm vi áp dụng loại vật liệu với điều kiện Việt Nam Hệ thống hố đƣợc tiêu chuẩn thí nghiệm đánh giá chất lƣợng BE BTNE Ý nghĩa thực tiễn: Dựa kết nghiên cứu phòng so sánh đánh giá BTNE loại BTN khác, từ đề xuất phƣơng pháp thiết kế thành phần hỗn hợp, đề xuất thí nghiệm tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng vật liệu BTNE Trên sở đặc tính lý thu đƣợc từ thực nghiệm, luận án đề xuất số loại kết cấu mặt đƣờng có sử dụng BTNE xây dựng cơng trình giao thơng Việt Nam CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BITUM-EPOXY VÀ BÊ TÔNG NHỰA EPOXY TRONG XÂY DỰNG ĐƢỜNG Ơ TƠ Chƣơng phân tích tổng quan sử dụng BE BTNE từ lựa chọn đƣợc loại epoxy làm sở nghiên cứu thực nghiệm chƣơng 1.1 Bitum Epoxy bê tông nhựa Epoxy 1.1.1 Tổng quan phụ gia cải thiện tính bitum Bảng 1-1: Các loại phụ gia thuộc nhóm polime để cải thiện bitum Thành phần chủ yếu Nhóm/Loại phụ gia Ví dụ chất phụ gia bitum cải tiến bitum phụ Chất đàn hồi - Elastomers Cao su tự nhiên, cao su tổng hợp mảnh gia Chất phụ gia cho BTN cao su đƣợc phân thành ba nhóm Chất đàn hồi nhiệt dẻo – Chất đồng trùng hợp khối butadiene bản, nhóm phi polime, nhóm Thermoplastic styrene loại SBS elastomers polime nhóm hóa học (tạo Epoxy, furfurolvà phenol-formaldehyd, Nhựa nhiệt rắn – phản ứng hóa học) Phân carbamide, silicone, Thermosetting plastics nhóm phụ gia polime thể polyvinyl acetate, polystyrene, polyisobutylene, Nhựa nhiệt dẻo – polyethylen, polypropylen, polyvinyl Bảng 1-1 Thermoplastics plastics clorua, nhựa nhiệt dẻo Elvaloy-4170, latex butonal loại NS, Viskoplast-S, 1.1.2 Phụ gia Epoxy ethylene methyl acrylate (EVA) nhựa nguồn gốc dầu mỏ Epoxy loại vật liệu nhiệt rắn - hóa rắn dƣới tác dụng nhiệt độ hay phản ứng hóa học mà sau khơng nóng chảy hay hịa tan lại đƣợc Epoxy có cƣờng độ cao, độ co rút thấp, khả bám dính tốt với chất khác nhau, bền với hóa chất dung mơi độc hại Epoxy thƣờng xuyên đƣợc dùng làm keo dính, lớp phủ, đóng gói, vật liệu đổ khn chất kết dính… Epoxy đƣợc tạo nên cách phối trộn ba thành phần là: nhựa gốc (nhựa chính), chất làm cứng chất biến tính Trong công thức phối trộn đơn giản kết hợp nhựa epoxy đơn chất làm cứng, cơng thức phức tạp bao gồm nhiều nhựa epoxy phức, chất biến tính tổ hợp chất làm c ứng 1.1.2.1 Nhựa (Nhựa chính) Nhựa epoxy loại polymer nhiệt rắn có liên kết chéo đƣợc hình thành từ phản ứng nhóm epoxide Nhựa epoxy phân tử dạng Hình 1-1 Cấu trúc hóa mạch vòng gồm nguyên tử: nguyên tử oxy học nhóm hai nguyên tử cacbon (Hình 1-1) Hai nhánh kết epoxy nối vào hai nguyên tử cacbon mạch vịng đa dạng, từ tạo loại nhựa epoxy khác 1.1.2.2 Chất làm cứng cho nhựa epoxy Nhựa epoxy phản ứng với số lƣợng lớn chất hóa học đƣợc gọi chất làm cứng Nhóm chất làm cứng thƣờng đƣợc sử dụng amin, dẫn xuất amin anhidrit Thời gian làm cứng khác nhau, vài giây vài ngày, chí đến vài tháng đến vài năm để nhiệt độ phòng Các chất làm cứng đƣợc chia thành loại nhƣ sau: Chất làm cứng khơng gia nhiệt, chất làm cứng nhiệt độ phịng nhiệt độ cao, chất làm cứng nhiệt độ cao 1.1.3 Bitum-Epoxy Bitum-Epoxy (BE) hệ thống hóa học hai thành phần (hai pha), phần epoxy nhiệt rắn (pha liên tục) đƣợc pha trộn với bitum thông thƣờng (pha phân tán) Bitum chất kết dính nhạy cảm với nhiệt, trở nên mềm dẻo bị nung nóng cứng nguội Epoxy vật liệu nhiệt rắn trở nên cứng vĩnh viễn sau q trình lƣu hóa Bitum-epoxy vật liệu nhiệt rắn mang tính rắn epoxy tính mềm dẻo bitum Tỉ lệ phần trăm Epoxy BE thƣờng dao động từ 15%÷50% theo khối lƣợng 1.2 Các nghiên cứu bitum-epoxy BTN sử dụng BE làm chất kết dính giới Trên giới, có nhiều nghiên cứu BE BTNE đƣợc thực Ví dụ dự án thử nghiệm BE với tham gia đồng thời quốc gia gồm: Đan Mạch, Pháp, Đức, New-zealand, Ukraina, Vƣơng quốc Anh Mĩ đƣợc thực từ năm 2006 đến 2008; Dự án nghiên cứu hỗn hợp BTNR sử dụng nguồn vật liệu địa phƣơng Trung Quốc năm 2002; Nghiên cứu sử dụng BE BTNE Nhật Bản cuối thập kỉ 70 kỉ 20…Các nghiên cứu BTNE có tuổi thọ cao, độ bền mỏi cao (gấp ≈ 10 lần BTN thông thƣờng), sức kháng lún cao (gần nhƣ khơng biến dạng thí nghiệm lún vệt bánh), khả chịu kéo tốt, khả chống bong bật tốt 1.3 Các ứng dụng BTNE giới Hỗn hợp BTNE có nhiều ứng dụng: làm lớp phủ mặt cầu, làm lớp mặt đƣờng cho tuyến đƣờng yêu cầu tuổi thọ dài, làm mặt đƣờng sân bay, mặt đƣờng khu vực cảng, làm lớp láng nhựa BE BTNE trực hƣớng cầu thép, làm lớp tạo nhám mặt đƣờng ô tô… 1.4 Các nghiên cứu ứng dụng BTNE Việt Nam Theo GS.TS Nguyễn Xuân Đào, vào năm 1975, 1976 BTNE đƣợc nghiên cứu thử nghiệm hai đoạn hai chiều xe chạy tuyến đƣờng Bắc Thăng Long – Nội Bài Theo dõi thời gian thử nghiệm chất lƣợng khai khác hai đoạn tốt nhƣng BTNE chƣa đƣợc đƣa vào sử dụng thực tế Gần đây, Việt Nam có cơng trình thực tế sử dụng BE BTNE cầu Thuận Phƣớc – thành phố Đà Nẵng Lớp phủ mặt cầu đƣợc sử dụng lớp BTNE dày 41mm Lớp phòng nƣớc đồng thời lớp dính bám mặt thép lớp BTNE phủ mặt cầu BE BE sử dụng dự án Epoxy Asphalt Id Hãng Chemco System (Hoa Kỳ) Cầu Thuận Phƣớc đƣợc thông xe vào ngày 14 tháng năm 2009 Đến mùa nắng nóng năm 2013, mặt cầu nhƣ hỏng nặng diện rộng gây ảnh hƣởng lớn đến trình lƣu thông cầu Với kết quan sát suốt năm phục vụ lớp phủ mặt cầu, tình trạng mặt đƣờng xấu sau đợt nắng nóng khoảng tháng tháng hàng năm nên khẳng định yếu tố nhiệt độ cao tác nhân chủ yếu gây hƣ hỏng lớp phủ mặt cầu Lớp phủ mặt cầu thép Thuận Phƣớc chịu nhiều yếu tố bất lợi nhiệt độ làm việc hiệu ứng tích nhiệt dầm thép hộp kín với chiều dài 655m mà khơng có hệ thống thơng gió Vào mùa hè, nhiệt độ bên hộp thép lên đến 70-80 C Điều khiến lớp phủ mặt cầu lớp dính bám ln hoạt động trạng Hình 1-21 Các hƣ hỏng tƣợng xô dồn bề mặt, bất lợi liên kết với thép sau năm khai thác Năm 2013, cầu Thuận Phƣớc đƣợc tiến hành sửa chữa lớp phủ mặt cầu : Đào bỏ lớp BTNE cũ thảm lớp BTN Polime PMB3, dày 80mm với cơng thức cải tiến, có sợi thủy tinh gia cƣờng Giữa lớp BTN Polime mặt thép dùng lớp dính bám nhựa đƣờng Epoxy hai thành phần Hãng Chemco System (Hoa Kỳ) Tăng cƣờng dính bám cách hàn gân râu thép vào mặt cầu với khoảng cách 80cm/vịtrí Giữa lớp BTN Polime PMB3 có tăng cƣờng lớp lƣới sợi thuỷ tinh với cƣờng độ chịu kéo 100 kN Sau đƣợc sửa chữa đƣa vào khai thác, đến sau năm đƣợc sửa chữa, mặt cầu hƣ hỏng trở lại lại đƣợc tiếp tục lên kế hoạch sửa chữa 1.5 Xác định vấn đề nghiên cứu luận án Luận án tập trung giải vấn đề sau: Nghiên cứu thành phần hỗn hợp bitum-epoxy bê tơng nhựa sử dụng bitumepoxy có đặc tính phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam khả thi với thực tế trình độ cơng nghệ thi công; Bƣớc đầu đƣa tiêu kỹ thuật BE với thành phần đề xuất BTNE sử dụng chất kết dính BE đề xuất để làm tầng mặt áo đƣờng với mục tiêu tăng tuổi thọ chất lƣợng khai thác điều kiện Việt Nam; Đề xuất đánh giá số kết cấu mặt đƣờng sử dụng BTNE, kiến nghị kết cấu áp dụng cho mặt đƣờng ô tô lớp phủ mặt cầu; Đƣa số khuyến nghị ban đầu công nghệ sản xuất công nghệ thi công BTNE sử dụng xây dựng CTGT Việt Nam Luận án tập trung nghiên cứu thành phần, đặc tính học vật liệu, tiêu chuẩn kỹ thuật, khả hiệu ứng dụng BTNE mà không sâu vào nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ thi công BTNE 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án sử dụng tổng hợp phƣơng pháp nghiên cứu: Phƣơng pháp lý thuyết, phƣơng pháp xác suất thống kê, phƣơng pháp thực nghiệm, phƣơng pháp mơ hình hóa CHƢƠNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN VÀ MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA BITUM-EPOXY Chƣơng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm phịng với mục đích lựa chọn đƣợc loại epoxy, tỷ lệ phƣơng pháp trộn BE, thí nghiệm xác định tiêu kỹ thuật BE có đối chứng để đánh giá ƣu điểm BE so với loại bitum đƣợc sử dụng phổ biến Việt Nam 2.1 Xác định thành phần cách chế tạo BE 2.1.1 Lựa chọn vật liệu epoxy nghiên cứu Epoxy sử dụng nghiên cứu đƣợc cung cấp công ty TAIYU KENSETSU, Nhật Bản Đây loại epoxy đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng rãi Nhật Bản, Trung Quốc Hàn Quốc Epoxy đƣợc tạo hai thành phần chất nhựa chất làm cứng với đặc điểm, tỷ lệ pha trộn điểm, thành Chất phần Epoxy Chỉ tiêuBảng 2-3 Chất Đặc nhựa làm cứng 2.2,-[(1-Methylethylidene) bis (Z)-Octadec-9-enylamine (4,1-phenyleneoxymethylene)] 2-Propenenitrile polymer with bisoxyirane homopolymer 1.3 2.3,-epoxypropyl oleate butadiene, 1-cyano-1-methyl-4Thành phần 2.3,-epoxypropyl stearate oxo -4-[[2-(1-piperazinyl) ethyl] amino] butyl-terminated CAS No 25085-99-8 , 5431-33-4 , 7460112-90-3 , 68383-29-4 84-6 Tỷ lệ pha trộn 56% theo khối lƣợng 44% theo khối lƣợng Mầu sắc Trong suốt Vàng rơm Mùi Không mùi amoniac Khối lƣợng 1.0 ~ 1.2 0.8 ~ 1.0 o riêng (ở 23 C) Điểm nóng 1000 Min 232 Min 1000 2.7 Mô đun cắt động BE với tỉ lệ thành phần đƣợc lựa chọn - Kết thí nghiệm DSR theo chuẩn PG BE15, BE35, BE50 chƣa hóa già tƣơng đƣơng với cấp đặc tính khai thác lần lƣợt PG70, PG76, PG82 - Cấp đặc tính khai thác theo PG sau RTFO loại bitum BE35 BE50 giữ đƣợc nhƣ cấp nhựa gốc lần lƣợt PG76 PG82 - Cấp đặc tính khai thác theo PG sau RTFO BE15 giảm cấp so với cấp nhựa gốc từ PG70 xuống PG64, tức tƣơng đƣơng với cấp tƣơng ứng bitum thƣờng 60/70 (BE0) 2.8 Kết luận chƣơng BE sử dụng epoxy công ty TAIYU thỏa mãn qui định tiêu chất lƣợng bitum sử dụng xây dựng theo TCVN 7493:2005 Với hàm lƣợng epoxy từ 35% trở lên, SP BE cao vƣợt trội so với bitum thông thƣờng Với hàm lƣợng epoxy lên tới 50% tiêu vƣợt trội so với PMB III Hàm lƣợng epoxy tối thiểu nên sử dụng 35% theo khối lƣợng BE SP Pe BE phụ thuộc vào thời gian nhiệt độ bảo dƣỡng Sự phụ thuộc lớn hàm lƣợng epoxy cao Với nhiệt độ khơng khí 25 C sau trộn tiếng, tính chất BE chƣa có khác biệt rõ ràng so với mẫu đối chứng ( bitum 60/70), nên việc sử dụng BE làm chất kết dính cho BTN khơng gặp khó khăn q trình sản xuất thi công Khi bảo dƣỡng nhiệt độ 25 C, sau ngày, SP Pe BE có giá trị tƣơng tự nhƣ mẫu đƣợc bảo dƣỡng 60 C ngày Nhƣ việc bảo dƣỡng mặt đƣờng BTN có sử dụng chất kết dính BE khả thi Việc giảm Pe thời gian khai thác đến khoảng 20 25 (1/10mm) nguy việc nứt hóa cứng bitum Nghiên cứu ảnh hƣởng 11 việc tăng độ cứng bitum đến khả kháng nứt với thí nghiệm mỏi cho BTN sử dụng chất dính kết BE cần thiết BE15, BE35 BE50 có cấp đặc tính khai thác dựa vào giá trị |G*|/sin mẫu nguyên gốc mẫu sau RTFO lần lƣợt PG64, PG76, PG82 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC CHỈ TIÊU CƠ LÝ CỦA BÊ TƠNG NHỰA SỬ DỤNG CHẤT KẾT DÍNH BITUM-EPOXY Chƣơng nghiên cứu đặc tính kỹ thuật BTNE phục vụ đánh giá chất lƣợng vật liệu, phân tích kết cấu mặt đƣờng sử dụng BTNE Việt Nam Trong đó, ngồi tiêu lý thơng dụng (độ ổn định, độ dẻo Marshall, E đh tĩnh, cƣờng độ kéo uốn…), tiêu mang tính chất nghiên cứu (tuổi thọ mỏi, mô đun đàn hồi động…) BTNE đƣợc phân tích đánh giá 3.1 Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNE BTN đối chứng Với kết luận Chƣơng 2, chƣơng tiến hành thử nghiệm hỗn hợp BTNE với hai loại BE BE35 BE50 (BTNE35 BTNE50) Vật liệu đối chứng BTN dùng chất kết dính PMB III (BTNP) Nghiên cứu thực với Hình3-1: Đƣờng cong cấp phối hỗn hợp loại BTN BTNC có đƣờng kính hạt lớn danh định 12,5mm (BTNC 12,5) với 01 tỷ lệ phối trộn nhóm cốt liệu cho loại chất kết dính BE35, BE50 PMB III (Hình 3-1 ) Khoảng hàm lƣợng nhựa tối Bảng3-6 Khoảng hàm lƣợng nhựa tối ƣu hỗn hợp BTN Hàm lƣợng nhựa tối ƣu ƣu xác định theo phƣơng pháp Loại chất kết Kí hiệu loại hỗn TT dính hợp BTN (% theo khối lƣợng hỗn hợp) Marshall (Bảng 3-6) Chọn giá BE35 BTNE35 5,55 ÷ 6,10 trị hàm lƣợng nhựa tối ƣu BE50 BTNE50 5,35 ÷ 6,20 tƣơng ứng với độ rỗng dƣ V a = PMB III BTNP 4,80 ÷ 5,30 4,5% ÷ 5% (khoảng giá trị đƣợc khuyến nghị 858/QĐ – BGTVT) Kết hàm lƣợng nhựa tối ƣu thiết kế lựa chọn BTNP 5,2%, BTNE35 BTNE50 chọn hàm lƣợng 6,0% theo khối lƣợng hỗn hợp 3.2 Công tác chế tạo mẫu BTNE Bƣớc 1: Chế tạo BE theo trình tự mục 2.1.2.2 12 Bƣớc 2: Chế tạo hỗn hợp BTNE - BE sau đƣợc chế tạo Bƣớc đƣợc cho vào tủ sấy để đƣa lên nhiệt độ 140 C - Cốt liệu đƣợc sấy lên đến nhiệt độ 170 C, bột đá để dạng nguội - Trộn chất kết dính BE, cốt liệu bột đá nhƣ hỗn hợp BTN thông thƣờng Bƣớc 3: Chế tạo mẫu BTNE sử dụng đầm xoay đầm lăn Mẫu BTNE sau chế bị đƣợc bảo dƣỡng nhiệt độ 25 C 168h (7 ngày) trƣớc thí nghiệm Nhƣ thấy quy trình chế tạo mẫu hỗn hợp BTNE cho thí nghiệm xác định tiêu lý BTNE tƣơng tự nhƣ hỗn hợp BTN thông thƣờng, khác phần chế tạo chất kết dính BE 3.3 Độ ổn định, độ dẻo Marshall độ ổn định lại BTN 3.3.1 Kết thí nghiệm Marshall phân tích Phân tích độ chụm kết thí nghiệm Marshall gồm độ ổn định độ dẻo Marshall theo tiêu chuẩn ASTM D6927-15, cho thấy kết thí nghiệm đảm bảo độ chụm Độ bền Marshall trạng thái ngâm nƣớc 60 C 1h BTNE50 51,72 kN, 3,328 lần BTNP (15,56 kN) xấp xỉ 1,53 lần BTNE35 Hình 3-3 Độ ổn định Marshall BTN (33,86 kN) Độ bền Marshall trạng thái ngâm nƣớc 60 C 24h BTNE50 46,33 kN, 3,319 lần BTNP (13,96 kN) xấp xỉ 1,59 lần BTNE35 (29,08 kN) Giá trị trung bình độ bền Marshall hỗn hợp BTNE35 đạt đƣợc 2,18 2,08 lần hỗn hợp BTNP tƣơng ứng với trạng thái ngâm nƣớc 60 C 1h 24h Kết phân tích phƣơng sai ANOVA độ dẻo Marshall Nguồn DF Adj SS Adj MS F-Value P-Value Model Linear Loại BTN Điều kiện 2-Way Interactions Loại BTN*Điều kiện Sai số Tổng 2 12 17 14.6819 14.3299 0.0616 14.2683 0.3520 0.3520 1.7713 16.4532 2.9364 4.7766 0.0308 14.2683 0.1760 0.1760 0.1476 19.89 32.36 0.21 96.66 1.19 1.19 0.000 0.000 0.815 0.000 0.337 0.337 Kết S R-sq R-sq(adj) R-sq(pred) 0.384198 89.23% 84.75% 75.78% Hình 3-4 Biểu đồ Pareto yếu tố ảnh hƣởng đến độ dẻo Marshall (F) Từ kết phân tích ANOVA độ dẻo Marshall (F) Hình 3-4 kết luận: - Thời gian ngâm mẫu ảnh hƣởng đến độ dẻo Marshall có ý nghĩa thống kê; - Loại BTN khơng ảnh hƣởng đến độ dẻo Marshall hay nói cách khác 13 BTNE có độ dẻo Marshall (F) tƣơng tự nhƣ BTNP Đây ƣu điểm BTNE, độ ổn định Marshall cao độ dẻo giới hạn cho phép Độ dẻo Marshall hỗn hợp thỏa mãn yêu cầu hỗn hợp bê tông nhựa polime nằm khoảng từ 3mm – 6mm (Hình 3-5) BE với thành phần nhiệt rắn epoxy rõ ràng đóng vai trị quan trọng việc hình thành tính rắn cải thiện độ ổn định Marshall BTNE Thành phần bitum trì tính dẻo hỗn hợp thể qua độ chảy dẻo Marshall không khác nhiều so với Hình 3-5 Độ dẻo Marshall BTN BTNP 3.4 Mô đun đàn hồi tĩnh BTNE Mô đun đàn hồi tĩnh đƣợc thí nghiệm theo Phụ lục C, 22TCN211-06 trạng thái nhiệt độ 15 C, 30 C 60 C 3.4.1 Kết thí nghiệm phân tích Ở nhiệt độ 15 C, 30 C, 60 C E đh tĩnh trung bình BTNE50 cao so với BTNP lần lƣợt 64,98%, 35,60% 24,37%; BTNE35 cao so với BTNP lần lƣợt 31,31%, 21,49% 7,11% Ở 15 C chênh Hình 3-9 Đồ thị khoảng giá trị mô đun đàn hồi tĩnh loại BTN lệch E đh loại BTN thử nghiệm rõ rệt, độ chênh giảm dần nhiệt độ 30 C 60 C khơng cịn đáng kể, đặc biệt BTNE35 với BTNP 2000 Eđ tĩ h nh (MPa) 1500 1762.06 1402.39 1067.99 1000 599.586 669.259 493.538 500 Chất kết dính % 35 Nhiệt độ (độ C) 322.713 ox ep y % 50 o ep xy 15 lim Po e % 35 o ep xy % 50 o ep xy 30 lim Po e % 35 o ep xy % 50 374.752 o ep xy 301.298 l im Po e 60 3.4.2 Xác định mô đun đàn hồi tĩnh đặc trưng BTN Bảng3-12 Tổng hợp kết xác định mô đun đàn hồi tĩnh đặc trƣng (E đt ) Ở nhiệt độ thí nghiệm 15 C, 0 30 C, 60 C E đhđt BTNE50 Nhiệt độ 150C Nhiệt độ 300C Nhiệt độ 600C Loại BTN E S E E S E E S Eđt tb đt tb đt tb cao so với BTNP lần lƣợt BTNP 1068.00 31.83 1015.64 493.54 0.57 492.60 301.30 6.13 291.22 61,56%, 32,43% 20,04%; BTNE35 1402.39 44.88 1328.57 599.59 35.38 541.39 322.71 11.44 303.89 BTNE35 cao so với BTNE50 1762.06 73.67 1640.88 669.26 10.28 652.35 374.75 15.30 349.58 BTNP lần lƣợt 30,81%, 9,90% 4,35% (Bảng 3-12) E đh tĩnh hay khả kháng biến dạng BTNE thí nghiệm cao so với giá trị E đh tĩnh BTN thƣờng, cao so với BTNP sử dụng PMB III sử dụng phổ biến Việt Nam Thành phần nhiệt rắn epoxy với khả 14 cải thiện tính rắn trì tính đàn hồi BE nguyên nhân cho kết tăng E đh BTNE 3.5 Cƣờng độ kéo uốn BTNE Cƣờng độ kéo uốn mẫu BTN đƣợc xác định theo phụ lục C tiêu chuẩn 22 TCN 211-06, mẫu dầm kích thƣớc 240 x 60 x 60 mm 3.5.1 Kết thí nghiệm cường độ kéo uốn phân tích Ở nhiệt độ 15 C, R ku trung bình BTNE35 BTNE50 cao so với BTNP lần lƣợt 21,07%; 87,44% có ý nghĩa thống kê mức độ tin cậy 95% Phân tích mặt cắt gẫy mẫu sau thí nghiệm (Hình 3-1) cho thấy: Vết gẫy mẫu BTNE35 BTNP xảy vị trí chất liên kết; vết gẫy mẫu Hình 3-14 Đồ thị giá trị cƣờng độ kéo uốn trung bình BTN BTNE50 thẳng xuyên qua hạt cốt liệu Điều cho thấy, BE50 có độ cứng cao vai trò thành phần nhiệt rắn epoxy BE a Mẫu BTNE50 b Mẫu BTNE35 c Mẫu BTNP Hình 3-1 Hình ảnh vết gẫy sau thí nghiệm kéo uốn 3.5.2 Cường độ kéo uốn đặc trưng BTN Ở nhiệt độ 15 C R kuđt BTNE35 BTNE50 cao so với BTNP lần lƣợt Bảng 3-15 Cƣờng độ kéo uốn đặc trƣng BTN 21,95%, 93,96% R kuđt Loại Cƣờng độ kéo uốn Độ lệch Cƣờng độ kéo uốn đặc BTNE50 cao so với BTNE35 BTN trung bình (MPa) chuẩn S trƣng Rđt (MPa) 59,05% Nhƣ thấy khả BTNP 8,92 0,49 8,11 chịu kéo uốn BTNE50 BTNE35 10,80 0,55 9,89 vƣợt trội so với BTNE35 BTNP BTNE50 16,72 0,60 15,73 R ku cao nhiệt độ thí nghiệm (15 C) phù hợp với kết nghiên cứu dự án thử nghiệm châu Âu, đƣợc cho vai trị thành phần nhựa epoxy đảm bảo độ linh hoạt dẻo BE điều kiện nhiệt độ thấp, mà bitum thông thƣờng có trạng thái cứng - giịn Đặc điểm đƣợc kiểm chứng thêm với thí nghiệm mỏi BTNE 3.6 Khả kháng lún BTNE 15 Sau 40.000 chu kỳ tác dụng tải, Số lần tác dụng (lƣợt) chiều sâu lún BTNE50 BTNE50 BTNE35 xấp xỉ 1/3 1/2 BTNP Chiều sâu vệt lún mẫu BTNE50 sau 40.000 chu kỳ tác BTNE35 dụng tải tƣơng đƣơng với chiều sâu vệt lún mẫu BTNP sau BTNP 1.400 chu kỳ BTNE35 sau Hình 3-18 Kết thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe 13.000 chu kỳ Chiều sâu vệt lún mẫu BTNE35 sau 40.000 chu kỳ tác dụng tải tƣơng đƣơng với chiều sâu vệt lún mẫu BTNP sau khoảng 3.600 chu kỳ Nhƣ thấy BTNE, đặc biệt BTNE50 có khả kháng lún vệt bá nh xe cao 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 90,000 0.00 Chiều sâu lún (mm) 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 Ƣu điểm rõ rệt BTNE khả kháng lún so với BTNP thể đặc điểm chất nhiệt rắn epoxy, với tính rắn khả trì đàn hồi nhiệt độ cao Kết hoàn toàn phù hợp với nhiều nghiên cứu giới mạnh rõ rệt BE 3.7 Độ bền mỏi BTNE Ngun tắc thơng số thí nghiệm: thí nghiệm uốn dầm điểm, khống chế biến dạng, tải trọng tác dụng hình sin liên tục, tần số gia tải 10Hz, nhiệt độ thí nghiệm 10 C Mơ đun độ cứng ban đầu (S o ) BTNE50 cao nhiều so với BTNE35 BTNP Giá trị độ lệch pha BTNE50 thấp BTNP cao nhất, điều cho thấy BTNE50 thể đặc tính thiên nhớt thấp cịn BTNP có đặc tính thiên nhớt cao ba loại BTN đƣợc thử nghiệm N f50 BTNE50 lớn vƣợt trội so với BTNE35 BTNP 6000000 5000000 3.669e+006 3.2295e+006 4000000 3000000 2000000 BTNE50% 189500 BTN P 638500 267500 400 BTNE35% BTN P 975500 300 BTNE35% BTNE50% BTN P 200 BTNE35% Biến dạng 728500 BTNE50% 660500 1000000 Loại BTN Hình 3-24 Biểu đồ so sánh N f50 14,000 80 12,000 70 60 10,000 50 8,000 40 6,000 30 4,000 20 2,000 10 - 150 200 250 300 350 400 Góc lệch pha ứng suất biến dạng (độ) Độ bền mỏi cao BTNE, đặc biệt BTNE50 kiểm chứng khả trì độ dẻo dai chất dính kết BE 7000000 Mơ đun độ cứng ban đầu So (MPa) Mô đun độ cứng cao góc pha nhỏ BTNE50 cho thấy rõ vai trò thành phần nhiệt rắn epoxy đảm bảo tính đàn hồi cao BE hỗn hợp BTNE 8.1155e+006 8000000 kỳ Nf50 (chu ) N f50 BTNE35 cao BTNP không đáng kể mức biến dạng 200 300, nhƣng lại thấp tƣơng đối nhiều mức biến dạng 400 9000000 So_BTNP So_BTNE35 So_BTNE50 Phi_BTNP Phi_BTNE35 Phi_BTNE50 450 Biến dạng () Hình3-25 Biểu đồ quan hệ Độ cứng ban đầu Góc lệch pha ban đầu với Biến dạng 16 hỗn hợp Nf50 (chu kz) 3.7.1 Xây dựng phương trình đặc trưng độ bền mỏi Đƣờng đặc tính mỏi ba 10,000,000 BTNP loại BTN đƣợc xây BTNE 35% dựng thể BTNE 50% Hình 3-32 y = 3.23E+15x-3.77 R² = 0.9291 1,000,000 Power (BTNP) y = 6.48E+14x Kết xây dựng phƣơng R² = 0.9962 Power (BTNE 35%) trình đặc tính mỏi (quan hệ y = 2.36E+16x Power (BTNE 50%) R² = 0.998 độ bền mỏi (N f50 ) với 100,000 10 500 biến dạng ( )) ba loại Biến dạng () BTN điều kiện nhiệt độ 10 C, tần số 10Hz đƣợc Hình 3-32 Đƣờng đặc trƣng mỏi BTN nhiệt độ 10 C, tần số 10Hz thể phƣơng trình 3-8, 3-9 3-10 (Bảng 3-18) -3.615 -4.256 Giá trị độ dốc đƣờng đặc trƣng mỏi BTNP, BTNE35 BTNE50 lần lƣợt 3,615; 4,256 3,770 phù hợp với kết nghiên cứu mỏi BTN giới cơng bố (thƣờng từ ÷ 6) Phân tích Hình 3-32 cho thấy: Độ nhạy cảm mỏi BTNE35 lớn nhất, cao BTNP BTNE50 lần lƣợt 17,73% 12,89%; Đƣờng đặc tính mỏi BTNE35 nằm sát cắt đƣờng đặc tính mỏi BTNP 3.8 Mơ đun động BTNE 3.8.1 Phân tích kết thí nghiệm xác định mơ đun động BTN Hình3-37 Biểu đồ mơ đun động |E * | BTN nhiệt độ 10 C Hình 3-38 Biểu đồ mơ đun động |E * | BTN nhiệt độ 30 C Hình3-39 Biểu đồ mô đun động |E * | BTN nhiệt độ 60 C 17 Kết thí nghiệm đảm bảo độ chụm thể hình 3-37, hình 3-38 hình 3-39 Từ kết thí nghiệm đƣa số nhận xét sau: Điều kiện thí nghiệm gồm nhiệt độ tần số gia tải ảnh hƣởng lớn đến |E * |, cụ thể nhƣ sau: Ở tần số, nhiệt độ tăng lên |E * | giảm nhanh; nhiệt độ, tần số giảm xuống |E * | giảm Điều giải thích tính đàn nhớt BTNP BTNE Ở tất nhiệt độ (từ 10 – 60 C) tần số thí nghiệm, |E * | trung bình BTNE50 lớn BTNE35 BTNE35 lớn BTNP Ở nhiệt độ cao, chênh lệch giá trị |E * | BTNE BTNP lớn 3.8.2 Xây dựng đường cong chủ mô đun động BTNE vật liệu đối chứng BTNP Đƣờng cong chủ mô đun động (|E * |) 1.E+05 Đƣờng cong chủ |E*| BTN BTN đƣợc xây dựng từ quy tắc T =30 C 1.E+04 tƣơng quan tần số - nhiệt độ (Hình 341) Đƣờng cong chủ |E * | đƣờng 1.E+03 cong đặc trƣng cho tính chất đàn nhớt BTNE50 BTNP vật liệu BTN vùng rộng BTNE35 1.E+02 tần số nhiệt độ Nó đƣợc sử 1.E-08 1.E-06 1.E-04 1.E-02 1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 * Tần số (Hz) dụng để dự đoán |E | tần số tải Hình 3-41 Đƣờng cong chủ |E | BTNE50, BTNE35 BTNP nhiệt độ khác nhiệt độ tham chiếu 30 C Mô đun động (MPa) ref * 3.8.3 Mơ hình hóa đường cong chủ mô đun động BTNE BTNP mơ hình 2S2P1D Mơ hình 2S2P1D đƣợc nghiên cứu đề xuất Olard, F., & Di Benedetto (2003) Mô hình gồm thơng số đầu vào (E 00 , E , δ, β, τ, k h) cần thiết để mơ hình hóa đặc tính đàn nhớt Mơ hình hóa |E*| , BTNE35 BTNE50 theo mơ hình 2S2P1D tuyến tính nhựa đƣờng BTN Các thơng số mơ hình 2S2P1D đƣợc xác định cách thử dần để tối thiểu hóa sai số thực nghiệm mơ hình Mơ đun động (MPa) 1.E+05 BTNP Tref =300C 1.E+04 Master curve_BTNE50 Master curve_BTNP 1.E+03 Master curve_BTNE35 Mơ hình 2S2P1D_BTNE50 Mơ hình 2S2P1D_BTNP 1.E+02 1.E-08 Mơ hình 2S2P1D_BTNE35 1.E-06 1.E-04 1.E-02 1.E+00 1.E+02 1.E+04 1.E+06 1.E+08 Tần số (Hz) * Hình 3-44 Mơ hình hóa đƣờng cong chủ |E | BTNE BTNP mơ hình 2S2P1D Đánh giá phù hợp mơ 2S2P1D với kết thí nghiệm Phƣơng pháp mức độ phù (Goodness of Fit) đƣợc sử dụng để giá mức độ phù hợp mơ hình Bảng 3-25 Đánh giá mức độ phù hợp mơ hình 2S2P1D với số liệu đo |E * | hợp đánh hình Loại BTN R2 Se/Sy Đánh giá BTNP 0,9894 0,118 Rất tốt BTNE35 0,9944 0,086 Rất tốt BTNE50 0,9801 0,162 Rất tốt 18 2S2P1D với số liệu đo |E * | BTN nghiên cứu Bảng 3-25 cho thấy, mơ hình 2S2P1D phù hợp để mô đƣờng cong chủ |E * | BTNE35, BTNE50 BTNP (các hệ số xác định thỏa mãn R >0,90 S e /S y