CHƯƠNG 4: NGHÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TÁI CHẾ BÊTÔNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP NểNG
II. TRÌNH TỰ TIẾN HÀNH
II.2. Thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế
Thực hiện theo trình tự của phương pháp thiết kế hỗn hợp bêtông nhựa tái chế nóng của Asphalt Institute đã trình bày ở chương 3, cụ thể theo các bước như sau:
Bước 1: Đánh giá chất lượng vật liệu RAP:
Được tiến hành với các nội dung sau:
1. Xác định hàm lượng nhựa đường cũ trong RAP:
Sử dụng phương pháp ASTM D 2172 (AASHTO T164) để tách nhựa ra khỏi RAP. Hàm lượng nhựa được xác định bằng tỷ số giữa khối lượng nhựa hiện có trong tổng hỗn hợp hoặc tổng cốt liệu.
Tiến hành thực hiện thí nghiệm với 7 mẫu vật liệu bêtông nhựa cũ được cào bóc trên quốc lộ 1A (từ Km1986 – Km1998) kết quả được thể hiện ở Bảng 4.2 sau đây:
Bảng 4.2: Hàm lượng nhựa của bêtông nhựa cũ tên QL 1A (Km1986 – Km1998) Hàm lượng nhựa (%) theo tổng khối lượng
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Mẫu 7 Trung bình
4.66 4.69 4.70 4.64 4.71 4.65 4.65 4.67
2. Xác định độ kim lún của nhựa đường cũ:
Sử dụng phương pháp ASTM D1856 (AASHTO T170) để thu hồi nhựa từ dung dịch có chứa nhựa và dung môi. Xác đinh độ kim lún của nhựa cũ sau khi thu hồi ở 250C theo phương pháp ASTM D5.
Kết quả thí nghiệm độ kim lún với 7 mẫu nhựa cũ thể hiện ở Bảng 4.3.
Bảng 4.3: Độ kim lún của nhựa cũ tên QL 1A (Km1986 – Km1998) Độ kim lún ở 25 0C (1/10 mm)
Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 Mẫu 6 Mẫu 7 Trung bình
34 33 36 35 35 34 37 35
3. Xác định cấp phối cốt liệu của RAP:
Cốt liệu sau khi đã tách nhựa đước xác định cấp phối trên cơ sở kết quả phân tích bằng sàn theo phương pháp ASTM C117 và C136 (AASHTO T11 và T27).
Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hạt với 7 cốt liệu sau khi tách nhựa được thể hiện ở Bảng 4.4.
Bảng 4.4: Kết quả phân tích thành phần hạt của RAP Lượng lọt qua sàng trên các cỡ sàng (mm)
Mẫu 16 12.5 8.0 4.0 2.36 1.0 0.5 0.3 0.15 0.075 1 100 97.54 86.68 65.33 53.77 46.06 34.48 20.85 9.02 6.36 2 100 96.95 84.80 63.33 53.31 46.61 35.99 20.31 9.69 7.14 3 100 95.50 86.80 67.14 56.29 48.42 36.03 17.89 10.08 6.83 4 100 95.83 85.97 65.88 54.72 47.58 36.40 18.36 8.03 5.31 5 100 96.64 84.17 63.56 54.24 47.50 35.91 15.71 7.54 4.94 6 100 94.72 78.02 57.39 49.28 43.62 33.54 18.24 8.26 6.09 7 100 96.08 78.12 58.15 50.51 44.20 33.88 16.68 8.70 6.49 Trung
bình 100 96.18 83.51 62.97 53.16 46.28 35.18 18.29 8.70 6.16 Do thức tế, bêtông nhựa cũ cào bóc trên QL 1A chỉ bao gồm có RAP, mà không có RAM.
4. Đúc mẫu chế bị thí nghiệm Marshall với các tổ mẫu BTN tái chế
Kết quả thí nghiệm xác định các các chỉ số: độ bền, độ dẻo, khối lượng thể tích và độ rỗng dư của 5 tổ mẫu bêtông nhựa tái chế (lấy trung bình kết quả của 3 mẫu trong mỗi tổ mẫu) được thể hiện trong Bảng 4.5.
Bảng 4.5: Kết quả thí nghiệm Marshall với các tổ mẫu BTN tái chế
Mẫu BTN
Độ bền Marshall
(KN)
Độ dẻo Marshall
(mm)
Độ rỗng dư (%)
Khối lượng thể tích
(g/cm3)
Hàm lượng nhựa (%)
Mẫu I cũ 8.98 2.60 5.7 2.32 4.67
Mẫu II cũ 9.16 2.54 5.3 2.33 4.69
Trung bình 9.07 2.87 5.5 2.32 4.68
Qui định của
22TCN 249-98 > 8.0 < 4 3 – 6 - -
Bước 2: Thiết kế cấp phối cốt liệu
Trên cơ sở số liệu phân tích thành phần hạt của RAP ở Bảng 4.6 (lấy giá trị trung bình của 7 mẫu), tiến hành bổ sung cố liệu mới, tính toán tỷ lệ phối hợp giữa cốt liệu RAP và cốt liệu mới để tạo nên một cấp phối cần thiết phù hợp với cấp phối tiêu chuẩn BTNC 15.
Cốt liệu mới và RAP có thành phần cấp phối ở Bảng 4.6 sau:
Bảng 4.6: Thành phần cấp phối của cốt liệu mới và RAP Lượng lọt qua sàng trên các cỡ sàng (mm) Cốt liệu
16 12.5 8.0 4.0 2.36 1.0 0.5 0.3 0.15 0.075 Cốt liệu
mới 100 96.06 53.78 15.38 9.97 7.74 7.49 7.32 7.05 5.91 RAP 100 96.18 83.51 62.97 53.16 46.28 35.18 18.29 8.70 6.16 Sau khi lựa chọn ta được kết quả sau: với 59% RAP và 41% cốt liệu mới, ta được một cấp phối cốt liệu thỏa mãn chuẩn BTNC 15. Chi tiết được thể hiện ở Bảng 4.7 sau:
Bảng 4.7: Kết quả thiết kế cấp phối Lượng lọt qua sàng (%) Kích
cỡ sàng (mm)
59%
RAP
41%
cốt liệu mới
Kết quả phối hợp
Đường bao BTNC 15
Cấp phối BTN mới
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
16 100x0.59=59.00 100x0.41=41.00 100 100 100
12.5 96.18x0.59=56.75 96.06x0.41=39.38 96.13 95-100 97.21 8.0 83.51x0.59=49.27 53.78x0.41=22.05 71.32 65-75 70.13 4.0 62.97x0.59=37.15 15.38x0.41=6.31 43.46 43-57 45.74 2.36 53.16x0.59=31.36 9.97x0.41=4.09 35.45 31-44 37.18 1.0 46.28x0.59=27.36 7.74x0.41=3.17 30.54 22-33 32.25 0.5 35.18x0.59=20.76 7.49x0.41=3.03 23.83 16-24 23.11 0.3 18.29x0.59=10.79 7.32x0.41=3.00 13.79 12-18 14.57 0.15 8.70x0.59=5.13 7.05x0.41=2.89 8.02 8-13 8.14 0.075 6.16x0.59=3.63 5.91x0.41=2.42 6.06 6-11 7.05
Để tện theo dừi và so sỏnh, ở Bảng 4.7 đưa ra cấp phối cốt liệu bờtụng nhựa mới sẽ đúc mẫu đối chứng (cột 6). Nhìn chung hai cấp phối cốt liệu của bêtông nhựa mới và bêtông nhựa tái chế tong tự nhau. Vì không có RAM nên giá trị r chính là hàm lượng cốt liệu mới, r=41 %.
Bước 3: Tính toán gần đúng tổng lượng nhựa theo yêu cầu
Tổng lượng nhựa yêu cầu trong hỗn hợp cốt liệu có thể được xác định theo công thức thực nghiệm sau:
F c K b a
Pb 0,035. 0,045. . (1)
Pb: Tổng gần đúng lượng nhựa yêu cầu của hỗn hợp tái chế, tính bằng phần trăm trọng lượng hỗn hợp
a: Phần trăm cốt liệu nằm lại trên sàng 2.36mm
b: Phần trăm cốt liệu lọt qua sàng 2.36mm và bị giữ lại trên sàng 0.075mm c: Phần trăm cốt liệu lọt qua sàng 0.075mm
K: Hệ số phụ thuộc vào hàm lượng cốt liệu lọt qua sàng 0.075mm, cụ thể K = 0.15 với 11-15% lọt qua sàng 0.075mm
= 0.18 với 6-10% lọt qua sàng 0.075mm = 0.2 khi ≤ 5% lọt qua sàng 0.075mm
F: 0-2% phụ thuộc vào mức độ hấp thụ nhựa của cốt liệu Với kết quả phân tích ở Bảng 4.6 ta có:
a = 100 – 35.45 = 64.55 b = 35.45 – 6.06 = 28.99
c = 6.06 K = 0.18 F = 1
0.035 64.55 0.045 28.99 0.2 6.06 1 5.65
Pb
Bước 4: Ước tính lượng nhựa mới cho thêm vào hỗn hợp
Lượng nhựa đường mới được cho thêm vào trong hỗn hợp tái chế được xem như là phần trăm trọng lượng của tổng hỗn hợp, được tính theo công thức sau:
sb sb sb
b sb
nb P
P r P
P P P r
100 ) 100 ( ) 100 .(
100
).
. 100
( 2
(2)
Pnb: Phần trăm lượng nhựa đường mới trong hỗn hợp tái chế.
r: Phần trăm cốt liệu mới (và cốt liệu RAM nếu có) cho thêm vào trên tổng hợp cốt liệu
Pb: Tổng gần đúng lượng nhựa yêu cầu của hỗn hợp tái chế (%), tính theo công thức (1)
Psb: Phần trăm hàm lượng nhựa trong hỗn hợp bêtông asphalt cũ.
Với kết quả tính ở trên Pb = 5.65 Psb = 4.67 R = 41
Lượng nhựa đường mới Pnb (%) cho thêm vào hỗn hợp là:
(1002 41 4.67) 5.65 (100 41) 4.67
100 (100 4.67) 100 4.67 2.92
Pnb
Hệ số R: Phần trăm nhựa đường mới (Pnb) so với hàm lượng nhựa tổng cộng (Pb) sẽ được tính là:
100. nb
b
R P
P Cụ thể:
100 2.92 5.65 52
R
Bước 5: Lựa chọn loại nhựa đường mới (hoặc tác nhân tái chế)
Nhựajfsdfj đường mới với độ nhớt yêu cầu được xác định trên cơ sở sử dụng toán đồ ở Hình 4.1, cụ thể là:
1. Số liệu ban đầu:
Lựa chọn nhựa có cấp độ nhớt thiết kế: Nhựa đường Caltex, độ kim lún 64, có độ nhớt lấy theo bảng tra là 2100 poises.
Giá trị R: Được tính ở trên, R=52 (%)
Độ nhớt của nhựa cũ trong RAP: Nhựa cũ có độ kim lún là 35 tương đương với độ nhớt lấy theo bảng tra là 6000 poises.
2. Xác định độ nhớt của nhựa mới:
Cụ thể ở Hình 4.1:
Điểm A là độ lớn của nhựa đường cũ với giá trị 6000 poises.
Điểm B là giao điểm giao điểm của 2 đường thẳng song song với 2 trục, trong đó giá trị ở trục tung là độ nhớt thiết kế mong muốn 2000 poises và giá trị ở trục hoành là R=52.
Kẻ đưởng thẳng AB kéo dài cắt trục tung bên phải tại C. Giá trị điểm C là 980 poises chính là loại nhựa đường mới. Nhựa đường mới được lựa chọn tra theo bảng có giá trị độ kim lún là: 87
‘
Hình4.1: Xác định loại nhựa mới trong hỗn hợp
Tỷ lệ phần trăm nhựa đường mới so với hàm lượng nhựa tổng cộng R Độ nhớt của nhựa ở 60 0 C theo đơn vị Poise
A
B
C
Bước 6: Thiết kế tối ưu hàm lượng nhựa của hỗn hợp bêtông nhựa 1. Tính toán chính xác các thành phần vật liệu cho các tổ mẫu:
a. Với mẫu bêtông nhựa tái chế:
Trên cơ sở các số liệu ban đầu đã biết trong các tính toán ở trên:
Phần trăm cốt liệu mới, r = 41%
Hàm lượng nhựa đường trong RAP, Psb = 4.67%.
Tổng hàm lượng nhựa yêu cầu đã tính, Pb = 5.65%
Chọn 5 tổ hợp mẫu hỗn hợp bêtông nhựa có hàm lượng nhựa tương ứng là:
Pb=4.65%, 5.15%, 5.65%, 6.15% và 6.65%.
Do hàm lượng nhựa Pb thay đổi nên các thông số tương ứng như lượng RAP trong hỗn hợp Psm, lượng cốt liệu mới Pns và hàm lượng nhựa mới Pnb cũng thay đổi theo quan hệ ở công thức Bảng 3.2.
Tiến hành tính chính xác các thông số tương ứng trên cho 5 tổ mẫu hỗn hợp, cụ thể như sau:
Lượng RAP trong hỗn hợp tái chế, Psm (%):
(100 ).
100.(100 )
100 100
b sm
sb sb
r P P r
P P
(100 41).
100.(100 41)
61.89 0.6189
100 4.67 100 4.67
b
sm b
P P P
Lượng cốt liệu mới cho thêm vào, Pns (%):
s
. 100
nb n
P r r P
s
41 41. 41 41 100
nb
n nb
P P P
Hàm lượng nhựa đường mới cho thêm vào trong hỗn hợp tái chế, Pnb (%):
sb sb sb
b sb
nb P
P r P
P P P r
100 ) 100 ( ) 100 .(
100
).
. 100
( 2
Thay số vào ta có:
1.0289 2.89
nb b
P P
Kết quả tính chính xác cho các thành phần vật liệu cho 5 tổ mẫu được thể hiện ở Bảng 4.8 sau:
Bảng 4.8: Kết quả xác định các thành phần vật liệu trong hỗn hợp BTN trộn nóng tái chế
Thành phần vật liệu trong hỗn hợp BTN ứng với 5 tổ mẫu
Tổ mẫu I II III IV V
Hàm lượng nhựa Pb 4.65 5.15 5.65 6.15 6.65
Hàm lượng nhựa mới
1.0289 2.89
nb b
P P
1.89 2.41 2.92 3.44 3.95
Lượng BTN nhựa cũ RAP 61.89 0.6189
sm b
P P
59.02 58.7 58.4 58.08 57.78
Lượng cốt liệu mới
s 41 0.41
n nb
P P
39.09 38.89 38.68 38.48 38.27
Tổng số 100 100 100 100 100
b. Với mẫu bêtông nhựa mới đối chứng:
Trên cơ sở cấp phối lựa chọn ở Bảng 4.7 cột 6, tiến hành lựa chọn 5 tổ mẫu bêtông nhựa với hàm lượng nhựa thay đổi theo bước 0.5%, cụ thể hàm lượng nhựa là: 4.40%; 4.90%; 5.30%; 5.80%; 6.30%.
2. Đúc mẫu, tiến hành thí nghiệm Marshall và các chỉ tiêu cơ lý:
a. Với mẫu bêtông nhựa tái chế:
Trên cơ sở thành phần vật liệu của 5 tổ mẫu với số liêu ở Bảng 4.8, mỗi tổ mẫu tiến hành đúc 3 mẫu và xác định các thông số Marshall tương ứng để tìm ra thành phần vật liệu có hàm lượng nhựa tối ưu.
Kết quả thí nghiệm xác định các các chỉ số: độ bền, độ dẻo, khối lượng thể tích và độ rỗng dư của 5 tổ mẫu bêtông nhựa tái chế (lấy trung bình kết quả của 3 mẫu trong mỗi tổ mẫu) được thể hiện trong Bảng 4.9.
Bảng 4.9: Kết quả thí nghiệm Marshall với các tổ mẫu BTN tái chế
Mẫu BTN
Độ bền Marshall
(KN)
Độ dẻo Marshall
(mm)
Độ rỗng dư (%)
Khối lượng thể tích
(g/cm3)
Hàm lượng nhựa (%)
Tổ mẫu I 9.33 2.85 5.3 2.33 1.89
Tổ mẫu II 10.63 2.72 5.7 2.32 2.41
Tổ mẫu III* 11.53 3.05 4.5 2.35 2.92
Tổ mẫu IV 11.18 3.42 4.9 2.34 3.44
Tổ mẫu V 10.76 2.73 5.3 2.33 3.95
Qui định của
22TCN 249-98 > 8.0 < 4 3 – 6 - -
b. Với mẫu bêtông nhựa mới đối chứng:
Trên cơ sở thành phần vật liệu của 5 tổ mẫu, mỗi tổ mẫu tiến hành đúc 3 mẫu. Số chày đầm 75 chày x 2 mặt. Xác định các thông số Marshall tương ứng để tìm ra thành phần vật liệu có hàm lượng nhựa tối ưu.
Kết quả thí nghiệm xác định các các chỉ số: độ bền, độ dẻo, khối lượng thể tích và độ rỗng dư của 5 tổ mẫu bêtông nhựa tái chế (lấy trung bình kết quả của 3 mẫu trong mỗi tổ mẫu) được thể hiện trong Bảng 4.10.
Bảng 4.10: Kết quả thí nghiệm Marshall với các tổ mẫu BTN mới đối chứng
Mẫu BTN
Độ bền Marshall
(KN)
Độ dẻo Marshall
(mm)
Độ rỗng dư (%)
Khối lượng thể tích
(g/cm3)
Hàm lượng nhựa (%)
Tổ mẫu 1 11.12 2.91 5.2 2.36 4.40
Tổ mẫu 2 11.93 3.32 4.8 2.37 4.90
Tổ mẫu 3* 12.29 3.57 4.4 2.38 5.30
Tổ mẫu 4 11.35 3.38 4.8 2.37 5.80
Tổ mẫu 5 10.54 3.12 5.6 2.35 6.30
Qui định của
22TCN 249-98 > 8.0 < 4 3 – 6 - 5.2 – 6.1 Ghi chú: Độ rỗng dư ở Bảng 4.9 và Bảng 4.10 được tính theo công thức sau:
Khối lượng thể tích mẫu Độ rỗng dư (%) = 1 -
Tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp BTN Trong đó, tỷ trọng lớn nhất của hỗn hợp bêtông nhựa là:
Với bêtông nhựa tái chế: 2.46 g/ cm3
Với bêtông nhựa mới: 2.49 g/ cm3 3. Chọn hỗn hợp bêtông nhựa thiết kế:
Trên cơ sở kết quả thí nghiệm ở Bảng 4.9 và Bảng 4.10 ta lựa chọn hỗn hợp bêtông nhựa thiết kế như sau:
a. Với mẫu bêtông nhựa tái chế:
Tổ mẫu III, trong đó:
Hàmlượng bê tông nhựa cũ RAP: 58.40%
Hàm lượng cốt liệu mới: 38.68%
Hàm lượng nhựa mới thêm vào: 2.92%
b. Với mẫu bêtông nhựa mới đối chứng:
Tổ mẫu 3, với hàm lượng nhựa 5.3%
Thành phần cấp phối của hai loại hỗn hợp bê tông nhựa tái chế (tổ mẫu III) và bê tông nhựa mới đối chứng (tổ mẫu 3) được thể hiện chi tiết ở Bảng 4.11
Bảng 4.11: Thành phần cấp phối của 2 loại BTN được chọn Lượng lọt qua sàng (%)
Kích cỡ sàng (mm)
59%
RAP
41%
cốt liệu mới
Kết quả phối hợp
Đường bao BTNC 15
Cấp phối BTN mới
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
16 100x0.59=59.00 100x0.41=41.00 100 100 100
12.5 96.18x0.59=56.75 96.06x0.41=39.38 96.13 95-100 97.21 8.0 83.51x0.59=49.27 53.78x0.41=22.05 71.32 65-75 70.13 4.0 62.97x0.59=37.15 15.38x0.41=6.31 43.46 43-57 45.74 2.36 53.16x0.59=31.36 9.97x0.41=4.09 35.45 31-44 37.18 1.0 46.28x0.59=27.36 7.74x0.41=3.17 30.54 22-33 32.25 0.5 35.18x0.59=20.76 7.49x0.41=3.03 23.83 16-24 23.11 0.3 18.29x0.59=10.79 7.32x0.41=3.00 13.79 12-18 14.57 0.15 8.70x0.59=5.13 7.05x0.41=2.89 8.02 8-13 8.14 0.075 6.16x0.59=3.63 5.91x0.41=2.42 6.06 6-11 7.05