Nghiên cứu bê tông asphalt chất lượng cao sử dụng phụ gia bột su phế thải để xây dựng mặt đường ôtô

LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành thầy hướng dẫn Phó giáo sư, Tiến só Nguyễn Xuân Vinh tận tình hướng dẫn, giúp đỡ hoàn thành luận văn Đồng thời xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy động viên, khuyến khích truyền đạt kiến thức chuyên ngành xây dựng công trình cho nhiều năm qua; giúp cho nâng cao kiến thức chuyên môn, lực khoa học củng cố lòng yêu ngành, yêu nghề! Tôi xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Cầu đường, Khoa Kỹ thuật công trình, Phòng sau đại học – Đại học Bách khoa tạo điều kiện giúp đỡ trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn trường Cao Đẳng GTVT III Khoa công trình thuộc trường quan tâm, giúp đỡ từ vật chất đến tinh thần để hoàn thành trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn! Đặc biệt, xin bày tỏ lòng cảm ơn đến phòng thí nghiệm thuộc công ty TNHH TV-KT Trung Tín Đức, Trung tâm ứng dụng khoa học công nghệ giao thông vận tải tạo điều kiện thuận lợi để giúp đỡ trình thí nghiệm Cuối muốn bày tỏ lòng biết ơn đến người thân gia đình thông cảm, động viên chia sẻ khó khăn suốt thời gian làm luận văn! Trần Thanh Tưởng -5- MỤC LỤC Chương mở đầu Trang Chương TỔNG QUÁT VỀ ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG ASPHALT Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Đặc điểm làm việc mặt đường bêtông asphalt trog điều kiện khí hậu nóng phía Nam nước ta Trang 12 1.2 Những kết nghiên cứu chế tạo bêtông asphalt chất lượng cao áp dụng Trang 16 1.3 Những phương hướng nghiên cứu chế tạo bêtông asphalt chất lượng cao khác Trang 31 1.4 Phương hướng nghiên cứu đề tài Trang 39 Chương NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẤU TẠO BÊTÔNG ASPHALT VÀ CÁC CHẤT PHỤ GIA 2.1 Vật liệu để chế tạo bêtông asphalt Trang 42 2.2 Ảnh hưởng polymer đến tính chất bitum Trang 52 2.3 Tính chất bêtông asphalt Trang 68 Chương CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BÊTÔNG ASPHALT SỬ DỤNG BỘT CAO SU PHẾ THẢI TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM A Nghiên cứu bêtông asphalt có phụ gia bột cao su phế thải 3.1 Đề cương thực thí nghiệm Trang 95 3.2 Thí nghiệm loại vật liệu dùng để chế tạo bêtông nhựa Trang 97 3.3 Thiết kế bêtông nhựa Trang 103 -6- 3.4 Tìm hàm lượng nhựa thông thường tối ưu hỗn hợp Trang 105 3.5 Tìm hàm lượng cao su tối ưu hỗn hợp BTN Trang 105 B Xác định tiêu lý bitum cải tiến cách trộn bột cao su phế thải 3.6 Các tiêu lý thông dụng bitum Trang 115 3.7 Nghiên cứu ảnh hưởng bột cao su phế thải bitum cải tiến Trang 115 C Sơ đề xuất công nghệ sản xuất Trang 123 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Trang 125 4.2 Phương hướng nghiên cứu Trang 127 Tài liệu tham khaûo Trang 129 MỤC LỤC PHỤ LỤC THÍ NGHIỆM VÀ CÁCH TÍNH Phụ lục 1: Kết thiết kế cấp phối mặt đường BTNN Trang 131 Phụ lục 2: Thí nghiệm vật liệu Trang 132 Phụ lục 2a: Kết thí nghiệm tìm hàm lượng nhựa tối ưu bêtông nhựa thường Trang 138 Phụ lục 3: Kết thí nghiệm BTNN cải tiến Trang 141 Phụ lục 4: Kết thí nghiệm mẫu BTNN kiểm chứng Trang 143 Phuï luïc 5: Xác định cường độ chịu nén vật liệu bêtông asphalt Trang 151 Phuï luïc 6: Xác định môđun đàn hồi tónh vật liệu bêtông asphalt Trang 153 -7- Phuï luïc 7: Kết thí nghiệm bêtông nhựa cải tiến nhiệt độ khác Trang 158 Phuï luïc 8: Kết thí nghiệm nhựa + cao su Trang 160 Phuï luïc 9: Phuï luïc ảnh thí nghiệm cách tính Trang 162 -8- CHƯƠNG MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ: Trong năm qua, nước ta bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, đại hóa đất nước đạt thành tựu đáng kể mạng lưới sở hạ tầng giao thông vận tải dần hoàn thiện đồng hóa Trên tuyến quốc lộ, đường cao tốc thảm bêtông asphalt tạo độ phẳng độ êm thuận cho xe chạy quốc lộ 51, QL1A, Song trước đòi hỏi ngày cao phát triển kinh tế, năm qua lưu lượng giao thông tăng nhanh, đặc biệt thành phố lớn TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, mặt khác, tượng đường đưa vào sử dụng chưa hết tuổi thọ xuống cấp nghiêm trọng cần phải bảo trì tạo thêm gánh nặng vốn cho đất nước Do vậy, nhu cầu vấn đề nâng cấp sửa chữa mạng lưới đường bộ, yêu cầu đặt phải nghiên cứu nâng cao chất lượng việc sử dụng bêtông asphalt để có loại mặt đường có độ đàn hồi tốt, ổn định nhiệt độ cao, tăng tuổi thọ công trình, giảm tiếng ồn, đảm bảo an toàn chạy xe Trên giới, người ta sử dụng nhiều phương pháp để tạo Bêtông ásphalt có tính kỹ thuật cao Những phương pháp hay sử dụng là: ¾ Bitum chất lượng cao (Multiphalte) làm chất liên kết ¾ Phụ gia bột cao su bêtông át phan ¾ Phụ gia Cololymere eva (Etylene vinyl axêtat), … Trong điều kiện mật độ giao thông phát triển kéo theo sản phẩm công nghiệp phế thải tăng lên lớn Trong lốp xe phế thải nhiều, để tận dụng phế thải ngành kỹ thuật nói chung ngành giao thông nói riêng vấn đề cần quan tâm -9- Sử dụng sản phẩm phế thải giải mặt môi trường mà có lợi mặt kinh tế kỹ thuật ngành giao thông Đó lý để chọn đề tài : “ Nghiên cứu bêtông asphalt chất lượng cao sử dụng phụ gia bột cao su phế thải để xây dựng mặt đường ôtô” MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: Với cao su phế thải nghiền thành bột, đem trộn vào bitum dầu mỏ làm chất kết dính với cốt liệu để tạo hỗn hợp bêtông ásphalt Từ thí nghiệm tiêu kỹ thuật để đánh giá ảnh hưởng bột cao su bitum dầu mỏ hỗn hợp bêtông ásphalt Qua đó, tìm hàm lượng cao su thích hợp có bitum hàm lượng hỗn hợp “bitum + cao su” tối ưu để chế tạo bêtông ásphalt, đồng thời định khung hàm lượng cao su có bitum thích hợp hàm lượng hỗn hợp “bitum + cao su” thích hợp tối ưu để chế tạo bêtông ásphalt ứng với hàm lượng cao su mà ta chọn (dựa theo số liệu ta thí nghiệm tính chất kỹ thuật đường) Các tiêu kỹ thuật đề tài quan tâm là: Cường độ Mashall; Thương số Marshall; Cường độ chịu nén; Cường độ chịu kéo uốn; Mun đàn hồi Tónh; Biến dạng dư; Hệ số ổn định nhiệt v.v… Trên sở đó, rút kết luận đánh giá khả ứng dụng việc sử dụng hỗn hợp “bitum + bột cao su” bêtông ásphalt để xây dựng mặt đường nước ta nói riêng khu vực nhiệt đới nói chung NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU: Đánh giá ảnh hưởng bột cao su đến tính chất bitum dầu mỏ thông qua tiêu lý thông dụng: Độ kim lún; Độ kéo dài; Nhiệt hóa mềm; Độ dính bám với đá - 10 - Đánh giá ảnh hưởng bột cao su đến tính chất bêtông ásphalt dạng hạt mịn thông qua tiêu lý thông dụng: Cường độ Marshall (ở 30oC; 40oC; 50oC; 60oC); Thương số Marshall; Cường độ chịu nén 20oC; 50oC); Mun đàn hồi Tónh phòng 30oC (đặc biệt tiêu có xét đến tính hồi phục nhanh tức xét đến biến dạng dư); Hệ số ổn định nhiệt Các tiêu so sánh với loại bêtông ásphalt dạng hạt mịn dùng loại bitum dầu mỏ thông thường Từ rút kết luận tìm hướng nghiên cứu tiếp PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Kết hợp phương pháp thực nghiệm nghiên cứu lý thuyết Sử dụng lý thuyết để giải thích kết thực nghiệm phòng ¾ Cơ sở lý thuyết : ƒ Lý thuyết nhựa ƒ Lý thuyết cấu trúc phân tử polymer ƒ Lý thuyết tương tác nhựa đá bêtông nhựa ƒ Lý thuyết cấu trúc làm việc bêtông nhựa ¾ Phương pháp thực nghiệm phòng: ƒ Vật liệu để chế tạo bêtông nhựa ƒ Chất phụ gia (Bột cao su phế thải) ƒ Phương pháp thí nghiệm: Từ thí nghiệm có được, ta xác định qui luật hình thành xử lý số liệu thí nghiệm Tìm đưa tiêu thông số kỹ thuật cần thiết - 11 - KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN: ¾ Chương mở đầu ¾ Chương 1: Tổng quát đặc điểm làm việc kết nghiên cứu mặt đường bêtông asphalt nước ¾ Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết cấu tạo bêtông asphalt chất phụ gia ¾ Chương 3: Những kết nghiên cứu bêtông asphalt sử dụng phụ gia bột cao su phế thải phòng thí nghiệm ¾ Chương 4: Kết luận kiến nghị ¾ Tài liệu tham khảo ¾ Phụ lục kết thí nghiệm ¾ Phụ lục hình ảnh thí nghiệm - 12 - Chương 1: TỔNG QUÁT VỀ ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC VÀ NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG ASPHALT Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA MẶT ĐƯỜNG BÊTÔNG ASPHALT TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU NÓNG Ở PHÍA NAM NƯỚC TA: 1.1.1 Đặc điểm khí hậu Việt Nam: [20] Việt Nam nước nằm bán đảo Đông Dương thuộc khu vực Đông Nam Châu Á, trải dài từ vó tuyến đến vó tuyến 23, Việt Nam nước có khí hậu nhiệt đới, nóng ẩm, có gió mùa Ở miền Bắc, mùa nóng thường kéo dài từ đầu tháng đến cuối tháng hàng năm Vào mùa tia mặt trời gần chiếu thẳng góc với mặt đất, nên khu vực Hà Nội phần lớn tỉnh phía Bắc, nhiệt độ không khí tăng lên cao (nhiệt độ cao tuyệt đối tới +420C) Tháng nóng tháng 6, tháng có nhiệt độ không khí dao động phạm vi từ >260C đến >300C Số ngày có nhiệt độ tổng hợp >240C chiếm từ 100 đến 120 ngày Lượng xạ tổng cộng lớn, đạt 950 đến 1080 kcal/m2.h Vào mùa lạnh (từ tháng 11 đến tháng 4), nhiệt độ không khí tổng hợp mùa đông nhỏ 80C Trong mùa lạnh khu vực Hà Nội vùng đồng Bắc Bộ nhiệt độ thấp, trung bình không khí thường vào khoảng +140C Ở phía Nam, có vị trí cận xích đạo, có mùa rõ rệt tháng mùa khô tháng mùa mưa Mùa khô kéo dài từ tháng 12 đến tháng năm sau Vào mùa mưa ít, lượng mưa chiếm 5% năm, nhiệt độ cao ngày thường từ 32 đến 350C Có ngày đặc biệt nóng, nhiệt độ không khí lớn đạt 36 đến 370C Số nắng trung bình ngày từ đến Ở TP Hồ Chí Minh số liệu quan trắc đài khí tượng thuỷ văn cho thấy, nhiệt - 13 - độ không khí thay đổi tháng năm, biên độ dao động khoảng từ đến 70C, nhiệt độ trung bình hàng năm 270C Biểu đồ nhiệt độ trung bình không khí TP HCM: (hình 1.1) Hình 1.1 1.1.2 Sự làm việc mặt đường bêtông asphalt điều kiện khí hậu nóng phía Nam nước ta: [20] Với điều kiện khí hậu nước ta nên mặt đường bêtông nhựa thường xuyên phải làm việc nhiệt độ cao vào mùa nóng Cụ thể vào mùa nóng, nhiệt độ đo mặt đường mặt đường nhựa khoảng trưa ngày thường cao (500 đến 600C) có thời điểm lên đến +700C, mặt đường thường bị nung nóng 5-6 liền ngày Hình biểu thị diễn biến nhiệt độ ngày chiều sâu 2cm mặt đường bêtông nhựa đường Hoàng Văn Thụ TP.HCM vào mùa mưa cho thấy, vào mùa mưa nhiệt độ mặt đường bêtông nhựa đạt tới +500C (Hình 1.2) 50 Nhiệt ñoä (t0C) 45 40 35 30 25 20 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Giờ ngày - Trang 130 [11] Hồ Tấn Quỳnh – Nghiên Cứu, Chế Tạo Bêtông Nhựa Nóng Gia Cố Bột Cao Su Phế Thải - Luận án khoa học kỹ thuật – Đại học giao thông vận tải Hà Nội – 2004 [12] Qui trình thi công nghiệm thu bêtông nhựa nóng 22TCN 249-98 Bộ GTVT [13] Qui trình thiết kế áo đường mềm 22TCN 211-93 Bộ GTVT [14] Standard Specification for Highway and bridges – 1975 edition [15] Tiêu chuẩn kỹ thuật Công trình giao thông đường – Tập 1; Tập (Vật liệu Phương pháp thử) [16] Tiêu chuẩn 22TCN 345-06: Thi công nghiệm thu lớp phủ mỏng bêtông nhựa có độ nhám cao [17] Tiêu chuẩn kỹ thuật đường – Nhà xuất Giao thông vận tải 1996 [18] The Shell Bitumen Handbook – Professor Stephen Brown – University of Nottingham, July 1990 [19] KS Nguyễn Hữu Trí Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Cao su thiên nhiên –– Nhà xuất trẻ , tháng 1/2001 [20] PGS.TS Nguyễn Xuân Vinh – Các chuyên đề nâng cao Thiết kế đường ôtô điều khiển giao thông đèn tín hiệu – NXB ĐH Quốc Gia – TP HCM 2003 - 162 - Phụ lục 9: ẢNH THÍ NGHIỆM VÀ CÁCH TÍNH TOÁN 9.1 THÍ NGHIỆM CÁC LOẠI VẬT LIỆU DÙNG TRONG ĐỀ TÀI: 9.1.1 Cách xác định tiêu lý đá: ™ Xác định khối lượng riêng: Rửa đá hong khô đá, sau nghiền nhỏ rây 0.2mm, sấy ẩm nhiệt độ 1050-1100C Sau cho vào bình tỷ trọng, đổ nước cất vào khoảng 1/3 bình lắc nhẹ Đun bình sôi 20-30 phút Khối lượng riêng ñaù: γR = g ( g1 + g ) − g (g/cm3) g: khối lượng bột đá, (g) g1: Khối lượng bình + nước cất, (g) g2: khối lượng bình + nước cất + bột đá, (g) ™ Xác định khối lượng thể tích: Dùng phương pháp bọc sáp Khối lượng thể tích đá: γV = g (g − g) ( g1 − g ) (g/cm3) γS g: khối lượng viên đá khô, (g) g1: Khối lượng viên đá có bọc sáp, cân không khí, (g) g2: Khối lượng viên đá có bọc sáp, cân nước, (g) γS: Khối lượng riêng sáp, (g) ™ Xác định hàm lượng thoi dẹt: Hàm lượng hạt thoi dẹt: PD = g − g1 x100% g g: khối lượng đá thí nghiệm, (g) g1: Khối lượng đá lại sau nhặt bỏ hạt thoi dẹt, (g) ™ Xác định hàm lượng bùn đất: - 163 - Hàm lượng bùn đất: PB = g − g1 x100% g g: khối lượng đá thí nghiệm, (g) g1: Khối lượng đá sau rửa bùn đất, (g) ™ Xác định thành phần cỡ hạt: ¾ Đá 1x2: dùng cỡ(mm) 19, 16, 12.5, 8, 4, 2, 1, 0.5, 0.3, 0.15, 0.075,