Nghiên cứu sử dụng tro bay làm chất phụ gia trong bê tông asphalt

Tro bay biến tính, với 0,3% các phụ gia hữu cơ như Triethoxyphenylsilan (TEPS), chất phân tán Nuosperse W-30 và hỗn hợp của chúng đã được đưa vào bê tông asphalt (BTA). Các kết quả thử nghiệm cho thấy rằng BTA sử dụng tro bay biến tính có các tính chất cơ lý cao hơn hẳn so với tính chất cơ lý của BTA tro bay không biến tính. Các kết quả nghiên cứu này cũnh cho thấy, BTA tro bay biến tính đem lại các tính chất cơ lý tương đương với BTA truyền thống đang sử dụng hiện nay.

TẠP CHÍ VẬT LIỆU & XÂY DỰNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TRO BAY LÀM CHẤT PHỤ GIA TRONG BÊ TÔNG ASPHALT Phạm Gia Vũ, Trần Đại Lâm, Thái Thu Thủy, Trịnh Anh Trúc, Tô Thị Xuân Hằng, Nguyễn Anh Sơn, Nguyễn Thùy Dương, Vũ Kế Oánh Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Nhận ngày 12/10/2020, chỉnh sửa ngày 15/11/2020, chấp nhận đăng 21/12/2020 Tóm tắt: Tro tính, với 0,3 % phụ gia hữu Triethoxyphenylsilan (TEPS), chất phân tán Nuosperse W-30 hỗn hợp chúng đưa vào bê tông asphalt (BTA) Các kết thử nghiệm cho thấy BTA sử dụng tro tính có tính chất lý cao hẳn so với tính chất lý BTA tro bay khơng biến tính Các kết nghiên cứu cũnh cho thấy, BTA tro tính đem lại tính chất lý tương đương với BTA truyền thống sử dụng Từ khóa: Tro tính, bitum, bê tơng asphalt Abstract: In this study, fly-ash was organically modified by trietoxyphenylsilan and a Nuoperse W-30 disperser and then incorporated into asphalt concrete mixture The experimental results demonstrated that the presence of modified fly-ash has significantly improved the mechanical properties of asphalt concrete mixture by comparison with pristine fly-ash The asphalt concrete containing modified fly-ash gave the properties equivalent with the traditional asphalt concrete Keywords: modified fly ash, bitumen, asphalt concrete mixture Giới thiệu Tro bay hạt bụi nhỏ bị theo khí từ ống khói q trình đốt than nhà máy nhiệt điện Tro bay hỗn hợp oxit nhôm (Al2O3), oxit canxi (CaO), oxit silic (SiO2), oxit sắt (Fe2O3), lượng nhỏ than chưa cháy hết Hàng năm, số lượng tro bay thải từ nhà máy nhiệt điện ước tính hàng triệu tấn, gây ô nhiễm môi trường Vì vậy, không Việt Nam mà nước khác giới, vấn đề sử dụng tro bay ln quan tâm thích đáng, phần nhỏ tro sử dụng (20 - 30 %) [1] Tro bay sử dụng có hiệu số lĩnh vực chế tạo vật liệu xây dựng xi măng, bê tông, gạch khơng nung Trên giới, có số cơng trình nghiên cứu đưa tro bay vào bê tông asphalt Khi trộn tro bay vào số chất kết dính bitum khác làm giảm vết nứt bê tông asphalt so với mẫu bê tơng asphalt chứa bitum khơng có tro bay [2] Khi sử dụng tro bay làm chất phụ gia bê tông asphalt, độ ổn định Marshall tăng lên, khả chống biến dạng, chống rạn nứt hỗn hợp cải thiện so với chất độn bột đá [3-6] Do đó, tác giả kiến nghị sử dụng tro bay nơi có sẵn, khơng giảm chi phí thi cơng mà cịn giải phần vấn đề sử dụng xử lý tro bay, qua giảm thiểu nhiễm mơi trường Để gia cường thêm tính chất bitum, số nghiên cứu cho thấy tro bay cải thiện tính chất lưu biến bitum hỗn hợp bitum để làm cho phù hợp cho việc xây dựng đường [7] Thử nghiệm độ ổn định Marshall tiến hành mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM D 1559 Kết cho thấy khả biến tính hỗn hợp bê tông bitum mang lại ổn định tối đa với hàm lượng bitum hơn, góp phần giải khủng hoảng dầu mỏ giới Tro bay thêm vào hỗn hợp bê tông nhựa vật liệu làm cứng lấp đầy [8] Các tính chất học hỗn hợp xác định chế độ nhiệt khác thử nghiệm khả chịu ẩm tiến hành để xác định khả ứng dụng chúng Kết nghiên cứu cho thấy tro bay sử dụng có lợi mặt cải thiện độ bền, tăng độ ma sát khả chống nứt Các kết nghiên cứu cho thấy, tro bay sử dụng bê tơng asphalt Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc đưa tro bay vào để sử dụng bê tông asphalt với tỉ lệ thay đổi để nghiên cứu tính chất lý chúng Trong cơng trình chúng tơi xử lý bề mặt tro bay nhằm nâng cao liên kết tro bay với bitum nghiên cứu so sánh tiêu kỹ thuật chúng so với bê tông asphalt truyền thống sử dụng cốt liệu mịn bột đá nhằm đưa loại bê tông asphalt sử dụng tro bay có tiêu kỹ thuật tương đương Vật liệu phương pháp thí nghiệm 2.1 Hóa chất - Trietoxyphenylsilan (TEPS) có độ tinh khiết 98 % Sigma Aldrich tỉ trọng 0.996 g/mL 25 °C - Chất phân tán Nuosperse W-30 hãng Elementis có thơng số hóa học sau: hàm lượng phần khô 33,5 %, độ nhớt 400 - 700 Cps, khối lượng riêng 1,04 g/cm3 TẠP CHÍ VẬT LIỆU & XÂY DỰNG Bảng Kết thí nghiệm sàng thành phần hạt Phần trăm lọt sàng (%) Mắt sàng (mm) Đá 10x19 Đá 5x10 Đá 0x5 Bột khoáng 19 12,5 9,5 4,75 2,36 1,18 0,6 0,3 0,15 0,075 100,00 45,36 13,41 3,51 1,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 100,00 100,00 76,25 1,93 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00 0,00 100,00 100,00 100,00 93,73 59,16 37,47 22,22 13,69 7,69 3,91 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 97,60 93,43 82,48 Bảng Thành phần hóa học tro bay sử dụng Hàm lượng (%) SiO2 Al2O3 T-Fe2O3 MgO CaO Na2O K2O Mất nung 57,42 24,00 6,95 1,91 1,18 0,17 4,30 2,51 Bảng Chỉ tiêu kỹ thuật nhựa đường 60/70 sử dụng STT Chỉ tiêu thí nghiệm Thơng số kỹ thuật Độ kim lún 25˚C, 0,1mm, giây Chỉ số độ kim lún PI Điểm hóa mềm (dụng cụ vịng bi) Độ kéo dài 25˚C, 5cm/phút Độ dính bám với đá 63,1 0,55 48,4 >100 Cấp Đơn vị Tiêu chuẩn thí nghiệm 0,1mm TCVN 7495:2005 Phụ lục II - 27/TT - BGTVT TCVN 7497:2005 TCVN 7496:2005 TCVN 7504:2005 ˚C cm Cấp Bảng Tỷ lệ phối trộn loại cốt liệu STT Loại cốt liệu Tỷ lệ % sử dụng (%) Đá 10x19 Đá 5x10 Đá 0x5 Bột khoáng (hoặc tro bay) 32 25 38 Bảng Tỷ lệ phối trộn thành phần hạt cấp phối đối chứng sử dụng nghiên cứu Loại cốt liệu 10×19 5×10 0×5 Bột khống Hoặc tro bay* Hỗn hợp Cỡ sàng - Phần trăm lọt sàng (%) % phối trộn 32% 25% 38% 5% 5% 0,32 0,25 0,38 0,05 0,05 1,00 19 12,5 9,5 4,75 2,36 1,18 0,6 0,3 0,15 0,075 32,00 25,00 38,00 5,00 5,00 100,00 14,51 25,00 38,00 5,00 5,00 82,51 4,29 19,06 38,00 5,00 5,00 66,35 1,12 0,48 35,62 5,00 5,00 42,22 0,35 0,07 22,48 5,00 5,00 27,91 0,00 0,05 14,24 5,00 5,00 19,29 0,00 0,02 8,44 5,00 5,00 13,47 0,00 0,00 5,20 4,88 5,00 10,08 0,00 0,00 2,92 4,67 5,00 7,59 0,00 0,00 1,49 4,12 5,00 5,61 2.2 Vật liệu thí nghiệm - Đá dăm: Mỏ đá Transmeco, Hà Nam (loại đá vôi) với loại đá sử dụng: Đá 10x19; đá 5x10; đá 0x5 bột khống có thành phần hạt phân tích thể bảng - Bột khoáng: Kiện Khê, Hà Nam - Tro bay nhà máy nhiệt điện phả lại có thành phần hóa học sau phân tích bảng - Nhựa đường: 60/70 Shell - Singapore sau thí nghiệm có giá trị bảng TẠP CHÍ VẬT LIỆU & XÂY DỰNG Hình Độ ổn định Marshall (a) độ dẻo (b) rỗng dư (c), bê tơng asphalt với hàm lượng 5% bột khống, 5% tro bay khơng biến tính 5% tro tính với phụ gia khác 2.3 Phương pháp thí nghiệm 2.3.1 Biến tính tro bay Tro bay cân, đong phối trộn với phụ gia theo tỉ lệ thiết kế (lượng phụ gia chiếm 0,3 % khối lượng so với tro bay) cho vào cối nghiền bi nghiền liên tục thời gian 30 phút Tro tính với 0,3 % Nuosperse W-30, biến tính với 0,3% TEPS, biến tính với 0,15% TEPS + 0,15% Nuosperse W-30 ký hiệu Tro bay 1, Tro bay Tro bay Sau đó, loại tro tính đưa vào quy trình chế tạo bê tơng asphalt 2.3.2 Cấp phối thành phần hạt sử dụng thử nghiệm - Tỷ lệ phối trộn cốt liệu sử dụng thực bảng - Hàm lượng nhựa sử dụng nghiên cứu là: 4,5 % (tính theo hỗn hợp bê tơng nhựa) * Tỉ lệ cấp phối hạt sử dụng bột đá tro bay 2.3.3 Chế tạo bê tông asphalt Bước 1: Gia nhiệt cốt liệu tới 170 0C - 190 0C; nhựa đường 60/70 tới 155 0C - 165 0C; tính tốn hàm lượng nhựa, bột khống (hoặc tro bay) cần dùng cân định lượng trước khối lượng bột khoáng (hoặc tro bay) cần sử dụng cho mẻ trộn; Bước 2: Trút cốt liệu gia nhiệt đến nhiệt độ quy định vào cối trộn; cho bột khoáng (hoặc tro bay) cân định lượng trước vào thùng trộn; dùng bay đảo cốt liệu bột khoáng (hoặc tro bay) thùng trộn; Bước 3: Dùng bay tạo hố trũng khối cốt liệu trút lượng nhựa đường nóng (đã định lượng theo thiết kế) vào hố trũng; Bước 4: Đưa thùng trộn vào máy trộn tự động trộn hỗn hợp nói Thời gian trộn tùy thuộc vào khối lượng mẻ trộn, loại máy cánh trộn loại thiết bị Bước 5: Kết thúc trình trộn, tắt máy trộn, lấy hỗn hợp bê tông nhựa khỏi thùng trộn, tiến hành chế bị mẫu cần thiết phục vụ cho công tác xác định tiêu chất lượng hỗn hợp bê tông nhựa (các tiêu Marshall, mô đun tĩnh, kéo uốn ) Các mẫu chế bị, bảo dưỡng theo tiêu chuẩn, quy định hỗn hợp bê tông nhựa hành 2.4 Phương pháp tiêu chuẩn đánh giá tính chất bê tông asphalt Độ ổn định Marshall I, độ dẻo, độ rỗng đư đo theo tiêu chuẩn TCVN 8860-1:2011 Mô đun đàn hồi (tại 30 oC), cường độ chịu kéo uốn (tại 15 oC) đo theo Phụ lục C - 22TCN 211:06 Độ ổn định Marshall II lại đo theo tiêu chuẩn TCVN 8860-12:2011, 01 tổ thí nghiệm điều kiện ngâm 40 phút nước 60°C; 01 tổ thí nghiệm điều kiện ngâm 24 nước 60°C Kết nghiên cứu: 3.1 Tính chất lý bê tông asphalt với loại tro tính với phụ gia khác Trên hình 1(a) đồ thị biểu diễn độ ổn định (cường độ) Marshall bê tông asphalt (BTA) sử dụng % bột đá, % tro bay tro tính tương ứng (tro bay 1, tro bay tro bay 3) Kết cho thấy giá trị độ ổn định Marshall BTA sử dụng bột đá đạt giá trị 10,49 kN, cao hẳn giá trị tương ứng BTA sử dụng tro bay chưa biến tính (8,41 kN) tương đương với tro tính tương ứng 10,10 kN, 10,32 kN 11,02 kN (tiêu chuẩn 858/QĐ-BGTVT cần ≥ kN) Ta có BTA sử dụng tro bay cho giá trị độ ổn định Marshall cao nhất, cao giá trị BTA sử dụng bột đá Giá trị độ ổn định Marshall BTA sử dụng tro tính cao hẳn so với BTA sử dụng tro bay chưa biến tính điều lý giải chất phụ gia bám bề mặt tro bay có vai trị liên kết tốt với nhựa làm cho tro bay phân tán đặn bitum, làm tăng khả gia cường cho bitum Hình (b) độ dẻo của bê tông asphalt (BTA) sử dụng % bột đá, % tro bay tro tính tương ứng (tro bay 1, tro bay tro bay 3) Các giá trị độ dẻo BTA sử dụng loại bột đạt giá trị theo tiêu chuẩn 858/QĐ-BGTVT (1,44mm) Giá trị độ dẻo BTA sử dụng tro bay cao so với BTA chưa biến tính biến tính cịn lại, điều cho thấy phụ gia biến tính tro bay có tác dụng làm phân tán gia cường tốt Tương tự trên, hình (c) biểu diễn độ rỗng dư loại sử dụng % bột đá, % tro bay tro tính tương ứng (tro bay 1, tro bay tro bay 3) Kết cho thấy với mẫu TẠP CHÍ VẬT LIỆU & XÂY DỰNG Hình Độ ổn định (a), độ dẻo (b) độ rỗng dư (c) bê tông asphalt với hàm lượng 5% bột khống tro tính với hàm lượng thay đổi từ - % Bảng Độ ổn định bê tông asphalt chứa % bột đá % tro tính sau ngâm nước theo thời gian Loại mẫu BTA- Bột đá BTA- Tro tính Độ ổn định Marshall ngâm 24 (kN) Độ ổn định Marshall ngâm 40 phút (kN) 9,73 9,49 Yêu cầu kỹ thuật (theo 858/QĐ-BGTVT) Yêu cầu kỹ thuật (theo TCVN 8819:2011) BTA sử dụng bột đá độ rỗng dư mẫu cao so với mẫu BTA sử dụng tro bay tro tính Điều lý giải tro bay có kích thước nhỏ so với bột đá sử dụng nghiên cứu nên chúng làm cho hỗn hợp BTA kết cấu chặt chẽ làm giảm độ rỗng dư Mẫu tro bay biến tính phụ gia hữu có vai trị phân tán hạt vô bitum Ảnh hưởng phụ gia làm cho hạt tro bay phân tán tốt bitum đồng thời có tác dụng lên hệ BTA làm cho chúng có xu hướng phân tán tốt làm cho hạt BTA có xu kết tụ lại với nhau, cho BTA kết cấu chặt chẽ nên làm giảm độ rỗng dư BTA Giá trị độ rỗng dư BTA tro bay BTA tro bay đạt giá trị tương ứng 3,56 % 3,03 % Đối với yêu cầu kỹ thuật TCVN 8819:2011 quy định từ - % loại BTA tro bay đạt yêu cầu Tuy nhiên theo yêu cầu kỹ thuật 858/QĐ-BGTVT quy định độ rỗng dư từ - % loại BTA tro bay có độ rỗng dư thấp Đối với loại tro tính phụ gia hồn tồn silan, phụ gia có vai trị gia cường cho BTA làm tăng khả kết tụ hạt BTA nên độ rỗng dư không bị giảm đạt giá trị trung bình 4,9 % Vì vậy, BTA sử dụng tro tính tiếp tục nghiên cứu tính chất khác Trên hình mô tả độ ổn định Marshall độ dẻo rỗng dư, bê tơng asphalt BTA biến tính với tro bay với hàm lượng tro tính thay đổi %, % % Kết cho thấy tăng hàm lượng tro tính lên đến %, nhìn chung, giá trị độ ổn định Marshall độ dẻo đạt giá trị tiêu chuẩn yêu cầu Tuy nhiên hàm lượng tro tính tăng độ ổn định Marshall độ rỗng dư có xu giảm dần Điều giải thích hàm lượng tro bay tăng lên làm cho hạt tro bay kết tụ lại với làm cho độ bám dính nhựa với đá giảm dẫn đến độ bền 10,49 10,32 Độ ổn định lại (%) 92 92 Min 80 Min 75 Marshall giảm Khi hàm lượng tro bay tăng, lượng tro bay điền vào lỗ rỗng BTA làm cho độ rỗng dư BTA giảm dần Bảng trình bày kết thí nghiệm độ ổn định Marshall điều kiện ngâm 40 phút 24 nước 60 °C mẫu BTA tro tính với mẫu BTA-bột đá Kết cho thấy độ ổn định Marshall lại mẫu đạt yêu cầu kỹ thuật theo 858/QĐ-BGTVT Hình mơ đun đàn hồi tĩnh cường độ chịu kéo hai mẫu BTA tro bay BTA- bột đá nhiệt độ 30 oC Giá trị mô đum đàn hồi tĩnh BTA tro bay đạt giá trị 388 MPa, thấp chút so với giá trị mô đun đàn hồi tĩnh BTA-bột đá đạt giá trị 403 MPa Ngược lại, cường độ chịu kéo uốn nhiệt độ 15oC BTA tro tính đạt giá trị 4,23 MPa cao so với cường độ chịu kéo uốn BTA-bột đá có giá trị 403 MPa Hình Mơ đun đàn hồi tĩnh cường độ chịu kéo uốn mẫu bê tông asphalt chứa % bột đá % tro tính TẠP CHÍ VẬT LIỆU & XÂY DỰNG Kết luận Sử dụng tro tính phụ gia hữu (TEPS) chất phân tán Nuosperse W-30 cải thiện độ bền Marshall BTA so với BTA sử dụng tro bay khơng biến tính BTA sử dụng tro bay thay bột đá có tính chất lý đạt tiêu kỹ thuật so với yêu cầu Bộ GTVT, nhiên tính chất lý đạt thấp tính chất lý BTA thông thường sử dụng bột đá BTA tro tính 0,3 % TEPS có tính chất lý cao hẳn so với BTA tro bay khơng biến tính BTA tro tính hồn tồn thay BTA sử dụng bột khống thơng thường./ Tài liệu tham khảo [1]Sreelakshmi D., Annie J (2018), “Alkaline Activation of Fly Ash: An Overview”, International Research Journal of Engineering and Technology, 05 (11), pp 770 - 773 [2]Konstantin S., Ismael F., Justin D B., Ahmed F., Art C (2013), “Application of Fly Ash in Asphalt Concrete: from Challenges to Opportunities”, World of Coal Ash Conference, Session: Cement & Concrete VI [3]Srividya D., Nagan S (2018), “Effect of fly-ash based geopolymer coated aggregate on bituminous mixtures”, Gradevinar, 70 (3), pp 187 - 199 [4]Ajay K., Anil K.C (2014), “Experimental Investigation of Bituminous Mixes Using Fly Ash as Filler Material”, Journal of Civil Engineering and Environmental Technology, (6), pp - [5]Katara S.D., Modhiya C.S., Raval N.G (2014), “Influence of Modify Bituminous Mix with Fly Ash”, International Journal of Engineering and Technical Research, (4), pp 184 - 186 [6]Debashish K., Mahabir P., Jyoti P.G (2014), “Influence of Fly-ash as a Filler in Bituminous Mixes”, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, (6), pp 895 - 900 [7]Poorna P.S, Mohamed I.A (2014), “Marshall Test Properties of Bituminous Concrete Mixes Using Fly Ash Modified Bitumen”, International Journal of Scientific & Engineering Research, (7), pp 439 - 444 [8]Ali N., Chan J.S., Simms S., Bushman R., Bergan A.T (1996), “Mechanistic evaluation of fly ash asphalt concrete mixtures”, Journal of Materials in Civil Engineering, 8, pp 19-25 Lời cám ơn Cơng trình hỗ trợ kinh phí nghiên cứu từ đề tài khoa học công nghệ Bộ Xây dựng, số RD47-19.s ... làm tăng khả gia cường cho bitum Hình (b) độ dẻo của bê tông asphalt (BTA) sử dụng % bột đá, % tro bay tro tính tương ứng (tro bay 1, tro bay tro bay 3) Các giá trị độ dẻo BTA sử dụng loại bột... Marshall BTA sử dụng tro tính cao hẳn so với BTA sử dụng tro bay chưa biến tính điều lý giải chất phụ gia bám bề mặt tro bay có vai trị liên kết tốt với nhựa làm cho tro bay phân tán đặn bitum, làm tăng... Kết nghiên cứu: 3.1 Tính chất lý bê tông asphalt với loại tro tính với phụ gia khác Trên hình 1(a) đồ thị biểu diễn độ ổn định (cường độ) Marshall bê tông asphalt (BTA) sử dụng % bột đá, % tro bay