Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh khi sử dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài luận án nhằm đánh giá ảnh hưởng của lưu huỳnh Dung Quất khi ứng dụng trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên các tuyến quốc lộ tại Việt Nam, cụ thể: Nghiên cứu cấu trúc, độ tinh khiết của lưu huỳnh; Nghiên cứu tương tác của lưu huỳnh, hình thái tồn tại của lưu huỳnh khi trộn vào bitum và trộn vào hỗn hợp bê tông asphalt; Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính bitum – lưu huỳnh (SBB), bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) từ đó lựa chọn điều kiện sản xuất, thi công phù hợp và đánh giá khả năng ứng dụng của BTAS trong KCAĐ mềm trên các tuyến quốc lộ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh khi sử dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THU TRANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG NHỰA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THU TRANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG NHỰA Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9580205 Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS Phạm Huy Khang 2. GS.TS Bùi Xuân Cậy HÀ NỘI – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Phạm Huy Khang và GS.TS. Bùi Xuân Cậy. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa ai công bố. Tác giả luận án Nguyễn Thu Trang
LỜI CẢM ƠN Trước hết, với lòng biết ơn sâu sắc nhất, NCS xin gửi lời cảm ơn đến hai Thầy đã trực tiếp hướng dẫn là GS.TS. Phạm Huy Khang và GS.TS. Bùi Xuân Cậy. Hai Thầy đã luôn tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hỗ trợ NCS ngay từ định hướng nghiên cứu ban đầu và trong suốt quá trình nghiên cứu. NCS xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Quang Phúc và các thầy cô Bộ môn Đường bộ - Trường Đại học GTVT đã luôn nhiệt tình hỗ trợ NCS, cung cấp những tài liệu khoa học hết sức quý giá để thực hiện đề tài nghiên cứu này. NCS vô cùng cảm ơn TS. Trần Ngọc Hưng và các cán bộ Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc – Trường Đại học Công nghệ GTVT, Phòng thí nghiệm LAS-XD72 đã tận tình giúp đỡ NCS thực hiện thí nghiệm trong luận án này. Ngoài ra, TS. Trần Ngọc Hưng cũng đã cung cấp cho NCS nhiều tài liệu có giá trị cho đề tài nghiên cứu. NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng thí nghiệm XD-LAS1721 – Công ty Kinh doanh nhựa đường ICT; Trung tâm phân tích, thí nghiệm công nghệ cao Trường Đại học Mỏ địa chất; Phòng hóa phân tích – Viện hóa học thuộc Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng – Bộ môn Vật liệu xây dựng - Trường Đại học GTVT đã giúp NCS hoàn thành một số thí nghiệm trong phạm vi nghiên cứu của luận án. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học GTVT, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn, tạo điều kiện của Ban Giám hiệu Trường, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa công trình. NCS xin trân trọng cảm ơn. NCS xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Bộ môn Đường bộ, Khoa công trình - Trường Đại học Công nghệ GTVT đã quan tâm, ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi cho NCS hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, NCS xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới người thân trong gia đình của NCS đã luôn động viên, ủng hộ, giúp đỡ về tinh thần và vật chất cho NCS trong suốt thời gian thực hiện luận án. Trân trọng cảm ơn! Nghiên cứu sinh Nguyễn Thu Trang
i MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯU HUỲNH VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT ...................... 3 1.1. Tổng quan về lưu huỳnh ......................................................................................... 3 1.1.1. Khái niệm, nguồn gốc và ứng dụng của lưu huỳnh ......................................... 3 1.1.2. Hình thái của lưu huỳnh................................................................................... 4 1.1.2.1. Hệ thống tinh thể ....................................................................................... 4 1.1.2.2. Các dạng thù hình của lưu huỳnh .............................................................. 6 1.1.2.3. Sự chuyển đổi của các thù hình ................................................................. 7 1.1.3. Đặc tính của lưu huỳnh .................................................................................... 9 1.1.3.1. Điểm nóng chảy và kết tinh....................................................................... 9 1.1.3.2. Độ nhớt ...................................................................................................... 9 1.1.3.3. Khối lượng riêng ..................................................................................... 11 1.2. Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum trong bê tông asphalt ....................... 11 1.2.1. Bitum.............................................................................................................. 11 1.2.2. Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum.................................................... 13 1.2.2.1. Liên kết hóa học bitum – lưu huỳnh ....................................................... 14 1.2.2.2. Lưu huỳnh hòa tan trong bitum ............................................................... 16 1.2.2.3. Lưu huỳnh tinh thể trong bitum và bê tông asphalt ................................ 16 1.3. Các loại bitum, lưu huỳnh dùng trong bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) ...... 17 1.3.1. Các loại bitum sử dụng trong sản xuất bê tông asphalt – lưu huỳnh ............. 17 1.3.2. Các loại lưu huỳnh dùng làm phụ gia cho bê tông asphalt ............................ 17 1.4. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam .............................................................................. 19 1.4.1. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới........................................................................................... 19 1.4.1.1. Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt của Tập đoàn Shell ở một số nước trên Thế giới ................................................................................. 20 1.4.1.2. Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt tại Liên bang Nga [75], [76], [77], [78].............................................................................................. 23
ii 1.4.1.3. Một số kết quả nghiên cứu của FHWA [40], [41] .................................. 25 1.4.2. Tổng quan về vật liệu lưu huỳnh và các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam .................................................. 26 1.4.2.1. Vật liệu lưu huỳnh tại Việt Nam ............................................................. 26 1.4.2.2. Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam ............................................................................................. 26 1.5. Xác định mục tiêu, phương pháp nghiên cứu của luận án ................................... 27 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 27 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 27 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, HÌNH THÁI, THÀNH PHẦN HÓA HỌC, ĐẶC TÍNH CỦA CHẤT KẾT DÍNH BITUM – LƯU HUỲNH (SBB) .................... 29 2.1. Chế tạo mẫu SBB ................................................................................................. 29 2.1.1. Lựa chọn vật liệu trong nghiên cứu ............................................................... 29 2.1.1.1. Bitum ....................................................................................................... 29 2.1.1.2. Lưu huỳnh ............................................................................................... 30 2.1.2. Chế bị mẫu SBB ............................................................................................ 30 2.1.2.1. Lựa chọn hàm lượng lưu huỳnh, nhiệt độ trộn, thời gian trộn mẫu và tuổi mẫu thí nghiệm ..................................................................................................... 30 2.1.2.2. Quy trình chế bị mẫu SBB ...................................................................... 34 2.2. Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần hóa học của SBB ............................. 34 2.2.1. Các phương pháp phân tích xác định cấu trúc, thành phần và các đặc trưng của vật liệu [17] ............................................................................................................... 34 2.2.1.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X phân tích cấu trúc tinh thể (Xray Powder Diffraction - XRD) ............................................................................................... 34 2.2.1.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại xác định thành phần hóa học của chất kết dính bitum và SBB [17] .................................................................................. 36 2.2.1.3. Phương pháp nghiên cứu hình thái vật chất bằng kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscop) [17] ........................................................... 38 2.2.2. Kế hoạch thí nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, bitum, SBB ................................................................................................................ 39 2.2.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, chất kết dính bitum, SBB ........................................................................ 40
iii 2.2.3.1. Cấu trúc lưu huỳnh Dung Quất ............................................................... 40 2.2.3.2. Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hóa học của chất kết dính SBB . ................................................................................................................. 41 2.2.3.3. Kết quả phân tích hình thái học của chất kết dính SBB .......................... 43 2.3. Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính SBB ..................................... 47 2.3.1. Lựa chọn các chỉ tiêu thí nghiệm, kế hoạch thí nghiệm ................................ 47 2.3.1.1. Lựa chọn các chỉ tiêu thí nghiệm ........................................................... 47 2.3.1.2. Kế hoạch thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính ....................... 52 2.3.2. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính ................................ 52 2.3.2.1. Kết quả thí nghiệm độ kim lún (0,1mm) ................................................. 52 2.3.2.2. Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm (°C) ............................................ 54 2.3.2.3. Kết quả thí nghiệm cắt động lưu biến trên máy DSR ............................. 55 2.3.2.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định độ nhớt của chất kết dính SBB ................................................................................................................. 57 2.3.2.5. Một số kết quả thí nghiệm chỉ tiêu kỹ thuật khác của chất kết dính SBB .. ................................................................................................................. 59 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................ 60 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI LÀM PHỤ GIA CHO BÊTÔNG ASPHALT ... 62 3.1. Thiết kế thành phần hỗn hợp BTAS và BTA đối chứng ...................................... 62 3.1.1. Lựa chọn phương pháp thiết kế thành phần BTAS và BTA đối chứng ........ 62 3.1.2. Lựa chọn loại BTA, loại chất kết dính SBB cho BTAS trong nghiên cứu.... 62 3.1.2.1. Lựa chọn loại BTA trong nghiên cứu ..................................................... 62 3.1.2.2. Lựa chọn hàm lượng lưu huỳnh sử dụng trong BTAS ............................ 63 3.1.3. Tính toán hàm lượng chất kết dính SBB trong hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phụ gia lưu huỳnh ..................................................................................................... 63 3.1.4. Lựa chọn nhiệt độ trộn và đầm nén hỗn hợp BTA và BTAS ........................ 64 3.1.5. Lựa chọn cốt liệu và bột khoáng trong nghiên cứu ....................................... 64 3.1.6. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông asphalt chặt 12,5 ................................ 64 3.1.7. Xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu cho hỗn hợp BTA và BTAS theo phương pháp Marshall .............................................................................................. 66 3.1.7.1. Trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phụ gia lưu huỳnh ... 66
iv 3.1.7.2. Trình tự xác định hàm lượng bitum tối ưu theo phương pháp Marshall . 66 3.1.7.3. Kế hoạch thí nghiệm ............................................................................... 66 3.1.7.4. Chế bị mẫu BTAS ................................................................................... 67 3.1.7.5. Kết quả xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu ................................... 67 3.2. Lựa chọn các thí nghiệm thực hiện trong phòng .................................................. 68 3.3. Nghiên cứu cấu trúc vi mô của BTAS ................................................................. 68 3.3.1. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 68 3.3.2. Kết quả nghiên cứu ........................................................................................ 69 3.4. Độ ổn định, độ dẻo Marshall, độ ổn định còn lại ................................................. 70 3.4.1. Kế hoạch thí nghiệm Marshall ....................................................................... 70 3.4.2. Kết quả thí nghiệm và phân tích .................................................................... 71 3.4.2.1. Các chỉ tiêu về thể tích ............................................................................ 71 3.4.2.2. Kết quả phân tích độ ổn định Marshall ................................................... 73 3.4.2.3. Kết quả phân tích độ dẻo Marshall.......................................................... 77 3.4.2.4. Độ ổn định còn lại ................................................................................... 79 3.5. Khả năng kháng lún vệt bánh xe .......................................................................... 80 3.5.1. Phương pháp và kế hoạch thí nghiệm ............................................................ 80 3.5.2. Kết quả thí nghiệm ......................................................................................... 82 3.5.2.1. Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp C.......... 82 3.5.2.2. Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp A ......... 83 3.6. Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS............................................................................ 85 3.6.1. Phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh............................................... 85 3.6.2. Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh ..................................................... 86 3.6.3. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh ....................................................... 87 3.7. Cường độ kéo uốn của BTAS và BTA ................................................................. 89 3.7.1. Kế hoạch thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn của BTAS và BTA .......... 89 3.7.2. Phương pháp thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn ................................... 89 3.7.3. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn ........................................................... 90 3.8. Khả năng kháng nứt của BTAS và BTA .............................................................. 92 3.8.1. Kế hoạch thí nghiệm xác định khả năng kháng nứt của BTAS và BTA ....... 93 3.8.2. Phương pháp thí nghiệm ................................................................................ 93 3.8.3. Kết quả thí nghiệm xác định khả năng kháng nứt và phân tích ..................... 95
v 3.9. Mô đun động của BTAS và BTA ......................................................................... 97 3.9.1. Những vấn đề chung về mô đun đàn hồi động của BTA ............................... 97 3.9.2. Kế hoạch thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm mô đun động .................. 98 3.9.2.1. Kế hoạch thí nghiệm mô đun động ........................................................ 98 3.9.2.2. Phương pháp thí nghiệm ......................................................................... 98 3.9.3. Kết quả thí nghiệm và đánh giá mô đun động ............................................... 99 3.9.4. Xây dựng đường cong chủ mô đun động của BTAS và BTA ..................... 102 3.9.5. Mô hình hóa mô đun động của BTAS và BTA ........................................... 105 3.9.5.1. Lựa chọn mô hình.................................................................................. 105 3.9.5.2. Đánh giá sự phù hợp của mô hình 2S2P1D với kết quả thí nghiệm ..... 106 3.10. Kết luận chương 3 .............................................................................................. 108 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT – LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ .............................................................. 110 4.1. Kết cấu áo đường mềm điển hình trên tuyến quốc lộ ở Việt Nam..................... 110 4.1.1. KCAĐ trên các tuyến đường quốc lộ huyết mạch Eyc ≥(160–180) MPa ... 110 4.1.2. KCAĐ trên các tuyến đường quốc lộ khác Eyc ≥(140–155)MPa ............... 112 4.1.3. KCAĐ trên các tuyến đường đô thị Eyc ≥(140–190)MPa .......................... 113 4.2. Đề xuất cấu tạo kết cấu áo đường mềm ứng dụng BTAS làm lớp mặt trong kết cấu áo đường ô tô ở Việt Nam ........................................................................................... 114 4.3. Kiểm toán các lớp kết cấu mặt đường mềm theo 22TCN 211-06...................... 115 4.4. Phân tích kết cấu áo đường mềm sử dụng BTAS theo phương pháp cơ học thực nghiệm (M-E) .............................................................................................................. 117 4.4.1. Tổng quan về thiết kế áo đường mềm theo phương pháp cơ học – thực nghiệm ...................................................................................................................... 117 4.4.2. Ứng dựng phương pháp cơ học - thực nghiệm phân tích kết cấu áo đường mềm trong luận án ........................................................................................................... 119 4.4.2.1. Giao thông ............................................................................................. 119 4.4.2.2. Số liệu khí hậu ....................................................................................... 121 4.4.2.3. Lựa chọn kết cấu mặt đường phân tích ................................................. 121 4.4.2.4. Xác định thông số cần thiết của các lớp vật liệu ................................... 121 4.4.2.5. Kết quả phân tích kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp cơ học – thực nghiệm ........................................................................................................ 121
vi 4.5. Xác định chi phí xây dựng KCAĐ khi sử dụng BTAS và BTA 12,5 đối chứng124 4.5.1. Các căn cứ lập chi phí xây dựng KCAĐ sử dụng BTAS và BTA 12,5 ....... 124 4.5.2. Kết quả xác định chi phí xây dựng KCAĐ khi sử dụng BTAS và BTA đối chứng 125 4.6. Công nghệ sản xuất và thi công mặt đường bê tông asphalt – lưu huỳnh.......... 126 4.6.1. Công nghệ sản xuất bê tông asphalt – lưu huỳnh ........................................ 126 4.6.2. Công nghệ thi công mặt đường bê tông asphalt – lưu huỳnh ...................... 127 4.6.3. Biện pháp đảm bảo an toàn lao động trong sản xuất, thi công BTAS ......... 127 4.7. Tác động về môi trường khi sử dụng lưu huỳnh làm phụ gia cho bê tông asphalt .. ............................................................................................................................ 127 4.7.1. Ảnh hưởng của lưu huỳnh đến môi trường và con người............................ 127 4.7.2. Kết quả quan trắc nồng độ của khí thải (H2S và SO2) trong sản xuất và thi công BTAS tại một số dự án trên Thế giới ...................................................................... 129 4.7.2.1. Kết quả quan trắc của FHWA [41] ....................................................... 129 4.7.2.2. Kết quả quan trắc tại tiểu vương quốc Ả rập Saudi [54]....................... 129 4.7.3. Biện pháp giảm thiểu khí thải H2S và SO2 trong sản xuất và thi công BTAS .. ...................................................................................................................... 131 4.8. Kết luận chương 4 .............................................................................................. 132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 133 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................................. 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 137
vii DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ CHƯƠNG 1. Hình 1-1. Bản đồ các nước sản xuất lưu huỳnh trên Thế giới năm 2010 (trái) và sản lượng lưu huỳnh năm 2019 (phải) ................................................................................... 3 Hình 1-2. Cấu trúc của vật rắn [20]................................................................................. 4 Hình 1-3. Trục tinh thể và ô đơn vị [20] ......................................................................... 5 Hình 1-4. Cấu tạo 7 loại mạng tinh thể của vật rắn [20] ................................................. 5 Hình 1-5. Ô mạng tinh thể [20] ....................................................................................... 6 Hình 1-6. Mô hình cấu tạo vòng của phân tử lưu huỳnh S8 [57] .................................... 6 Hình 1-7. Sự biến đổi S8 thành Sn [57] ........................................................................... 7 Hình 1-8. Sự chuyển đổi các dạng thù hình của lưu huỳnh [25] .................................... 8 Hình 1-9. Hình thái của lưu huỳnh tinh thể dạng thù hình Orthorhombic (a) và Monoclinic (b) [25] ......................................................................................................... 8 Hình 1-10. Sự thay đổi độ nhớt của lưu huỳnh theo nhiệt độ [41] ............................... 10 Hình 1-11. Sơ đồ hình thành chuỗi lưu huỳnh trùng hợp [25]...................................... 11 Hình 1-12. Cấu trúc của Asphalten [69] ....................................................................... 12 Hình 1-13. Cấu trúc vòng thơm [69] ............................................................................. 13 Hình 1-14. Cấu trúc Hydrocacbon no [69] ................................................................... 13 Hình 1-15. Hàm lượng lưu huỳnh hòa tan và lưu huỳnh tinh thể trong SBB [25], [41] ....................................................................................................................................... 16 Hình 1-16. Lưu huỳnh sơ chế dạng viên rắn [45] ......................................................... 18 Hình 1-17. Lưu huỳnh nguyên chất dạng viên rắn của Nhà máy Dung Quất............... 19 Hình 1-18. Kết quả thí nghiệm APA (8000 lượt bánh xe, nhiệt độ 700C) [46] ............ 22 Hình 1-19. Kết quả thí nghiệm độ ổn định Marshall ở Qatar với hàm lượng lưu huỳnh 40% [45] ........................................................................................................................ 22 Hình 1-20. Độ nhớt của SBB với tỉ lệ lưu huỳnh khác nhau (1-1200C, 2-1300C, 3-1400C, 4-1500C) [75]................................................................................................................. 24 Hình 1-21. Kết quả kiểm tra độ sâu vệt hằn bánh xe theo AASHTO TP63 và AASHTO T324 [76] ....................................................................................................................... 25 CHƯƠNG 2. Hình 2-1. Máy khuấy đũa phục vụ chế tạo chất kết dính SBB ..................................... 34
viii Hình 2-2. Nguyên lý nhiễu xạ tia X [17] ...................................................................... 35 Hình 2-3. Giản đồ nhiễu xạ tia X [17] .......................................................................... 35 Hình 2-4. Thiết bị nhiễu xạ tia X D8 Advance Eco của hãng Bruker – Đức ............... 36 Hình 2-5. Nguyên lý phương pháp chuyển đổi hồng ngoại FTIR ................................ 36 Hình 2-6. Dải hấp phụ chuyển đổi hồng ngoại FTIR.................................................... 37 Hình 2-7. Thiết bị quang phổ hồng ngoại FT/IR 4600 type A – Nhật Bản .................. 38 Hình 2-8. Thiết bị chụp hiển vi điện tử SEM (hãng FEI – Mỹ).................................... 39 Hình 2-9. Lưu huỳnh của Nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất ........................................ 40 Hình 2-10. Giản đồ XRD của mẫu lưu huỳnh Dung Quất ............................................ 40 Hình 2-11. Quang phổ hồng ngoại hấp phụ của các mẫu SBB ..................................... 41 Hình 2-12. Hình ảnh SEM của mẫu bitum 60/70 ......................................................... 44 Hình 2-13. Hình ảnh SEM của mẫu SBB_10/90 .......................................................... 44 Hình 2-14. Hình ảnh SEM của mẫu SBB_30/70 .......................................................... 45 Hình 2-15. Thiết bị thí nghiệm và mẫu thí nghiệm độ kim lún .................................... 48 Hình 2-16. Thiết bị thí nghiệm và mẫu thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm ......................... 48 Hình 2-17. Thiết bị đo độ nhớt Brookfield và nguyên lý hoạt động............................. 50 Hình 2-18. Thiết bị thí nghiệm MCR 102 và sơ đồ nguyên lý hoạt động DSR............ 51 Hình 2-19. Độ kim lún của các mẫu SBB theo ngày tuổi ............................................. 53 Hình 2-20. Nhiệt độ hóa mềm của các mẫu SBB theo ngày tuổi ................................ 54 Hình 2-21. G*/sinδ của các mẫu SBB ở tần số 1,59 Hz (10 rad/s) theo nhiệt độ ở 0 ngày tuổi ................................................................................................................................. 56 Hình 2-22. G*/sinδ của các mẫu SBB ở tần số 1,59 Hz (10 rad/s) theo nhiệt độ, theo ngày tuổi ........................................................................................................................ 56 Hình 2-23. G*/sinδ của các mẫu SBB với tần số 1,59 Hz (10 rad/s) theo các ngày tuổi ở 64°C ........................................................................................................................... 57 Hình 2-24. Độ nhớt của các mẫu SBB theo nhiệt độ và tỉ lệ lưu huỳnh/bitum ............ 58 Hình 2-25. Biểu độ quan hệ độ nhớt – nhiệt độ của các mẫu SBB ............................... 59 CHƯƠNG 3. Hình 3-1. Đường cong cấp phối BTA 12,5 thiết kế ...................................................... 65 Hình 3-2. Kết quả chụp SEM (a, b) và phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (c, d) mẫu BTAS_30/70 sau 14 ngày ............................................................................................. 69 Hình 3-3. Phân tích hậu định sự khác biệt độ rỗng dư các loại BTA ........................... 73
ix Hình 3-4. Phân tích hậu định sự khác biệt độ rỗng cốt liệu các loại BTA ................... 73 Hình 3-5. Biểu đồ phân tích điều kiện áp dụng phương pháp thống kê ....................... 74 Hình 3-6. Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng độ ổn định ......................................... 74 Hình 3-7. Ảnh hưởng các yếu tố tỉ lệ lưu huỳnh, ngày tuổi đến độ ổn định Marshall . 75 Hình 3-8. Độ ổn định Marshall của BTAS ................................................................... 76 Hình 3-9. Phân tích phương sai và hậu định độ ổn định Marshall mẫu BTAS_30/70 BTAS_40/60 theo thời gian .......................................................................................... 76 Hình 3-10. Ảnh hưởng các yếu tố tỉ lệ lưu huỳnh, ngày tuổi đến độ dẻo Marshall ...... 77 Hình 3-11. Độ dẻo Marshall của BTAS ........................................................................ 77 Hình 3-12. Biểu đồ thay đổi độ ổn định và độ dẻo Marshall theo thời gian ................. 78 Hình 3- 13. Biểu đồ độ ổn định Marshall còn lại .......................................................... 79 Hình 3-14. Thiết bị thí nghiệm theo phương pháp C (hình a) và phương pháp A (hình b).................................................................................................................................... 81 Hình 3-15. Kết quả thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe theo phương pháp C .......... 82 Hình 3-16. Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTA_12,5 theo phương pháp A .................................................................................................................................... 83 Hình 3-17. Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTAS_30/70_14 theo phương pháp A ........................................................................................................................... 84 Hình 3-18. Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTAS_40/60_14 theo phương pháp A ........................................................................................................................... 84 Hình 3-19. Sơ đồ thử nghiệm xác định mô đun đàn hồi theo 22TCN 211-06 .............. 85 Hình 3-20. Thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh .................................................... 86 Hình 3-21. Biến dạng đàn hồi của mẫu thí nghiệm theo thời gian gia tải và dỡ tải ..... 86 Hình 3-22. Ảnh hưởng các yếu tố Tỷ lệ lưu huỳnh, nhiệt độ đến E tĩnh ...................... 88 Hình 3-23. Ảnh hưởng tương tác các yếu tố Tỷ lệ lưu huỳnh * Nhiệt độ đến E tĩnh ... 88 Hình 3-24. Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS và BTA .................................................... 88 Hình 3-25. Thí nghiệm ép chẻ mẫu BTA trên máy Marshall và hình ảnh mặt vỡ của mẫu sau khi ép chẻ ................................................................................................................ 90 Hình 3-26. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ của BTAS và BTA đối chứng.................... 92 Hình 3-27. Biểu đồ so sánh cường độ chịu kéo khi ép chẻ của các loại BTA .............. 92 Hình 3-28. Bộ thiết bị thí nghiệm xác định chỉ số CTIndex ............................................ 94 Hình 3-29. Đường cong quan hệ giữa lực - chuyển vị .................................................. 94
x Hình 3-30. Đường cong lực - chuyển vị tổ mẫu BTAS_30/70 ..................................... 95 Hình 3-31. Đường cong lực - chuyển vị tổ mẫu BTAS_40/60 ..................................... 95 Hình 3-32. Đường cong lực - chuyển vị tổ mẫu BTA12,5 ........................................... 95 Hình 3-33. Kết quả thí nghiệm CTIndex của BTAS và BTA .......................................... 96 Hình 3-34. Biểu đồ so sánh CTIndex của các loại BTAS ................................................ 96 Hình 3-35. Các chu kỳ ứng suất và biến dạng của mô đun động.................................. 98 Hình 3-36. Thiết bị đầm xoay Troxler .......................................................................... 99 Hình 3-37. Thí nghiệm mô đun động ............................................................................ 99 Hình 3-38. Biểu đồ Pareto các yếu tố ảnh hưởng đến |E*| .......................................... 100 Hình 3-39. Biểu đồ ảnh hưởng các yếu tố đến |E*| ..................................................... 101 Hình 3-40. Biểu đồ mô đun động của BTA ................................................................ 101 Hình 3-41. Biểu đồ mô đun động của BTAS_30/70 ................................................... 101 Hình 3-42. Biểu đồ mô đun động của BTAS_40/60 ................................................... 102 Hình 3-43. Xây dựng đường cong chủ |E*| của BTAS_30/70 ở nhiệt độ tham chiếu 30°C ..................................................................................................................................... 103 Hình 3-44. Đường cong chủ |E*| của BTA, BTAS_30/70, BTAS_40/60 ở nhiệt độ tham chiếu 30°C ................................................................................................................... 103 Hình 3-45. Biểu đồ quan hệ giữa aT thực và aT theo quy tắc WLF với nhiệt độ ........ 104 Hình 3-46. Sơ đồ mô tả mô hình 2S2P1D [65] ........................................................... 105 Hình 3-47. Mô hình hóa đường cong chủ |E*| của BTAS và BTA ............................. 106 CHƯƠNG 4. Hình 4-1. Trình tự thiết kế KCAĐ mềm theo phương pháp M-E [19], [33] .... 118 Hình 4-2. Mô hình dây chuyền trạm trộn BTAS theo phương pháp trộn bitum và lưu huỳnh trước [71] .......................................................................................................... 126 Hình 4-3. Quá trình hình thành khí H2S và SO2 [77] ................................................ 128
xi DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG 1. Bảng 1-1. Điểm nóng chảy của lưu huỳnh ...................................................................... 9 Bảng 1-2. Khối lượng riêng của lưu huỳnh .................................................................. 11 CHƯƠNG 2. Bảng 2-1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của bitum 60/70 .......................................................... 29 Bảng 2-2. Kế hoạch thí nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, bitum và SBB ................................................................................................................ 39 Bảng 2-3. Kế hoạch thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính .................................. 52 Bảng 2-4. Nhiệt độ trộn và đầm nén của hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng chất kết dính SBB ............................................................................................................................... 59 Bảng 2-5. Bảng kết quả thí nhiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật của chất kết dính SBB ..... 59 CHƯƠNG 3. Bảng 3-1. Bảng tính toán thành phần cấp phối BTA 12,5 ............................................ 65 Bảng 3-2. Số lượng mẫu thí nghiệm xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu ............ 67 Bảng 3-3. Hàm lượng chất kết dính tối ưu của các hỗn hợp BTA, BTAS ................... 68 Bảng 3-4. Số lượng mẫu thí nghiệm Marshall .............................................................. 71 Bảng 3-5. Các đặc trưng thể tích của các loại BTA ...................................................... 72 Bảng 3-6. Thông số phân tích phương sai với Va, VMA và VFA ............................... 72 Bảng 3-7. Độ ổn định Marshall còn lại các mẫu BTA, BTAS ..................................... 79 Bảng 3-8. Kế hoạch thí nghiệm đánh giá khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS và BTA ............................................................................................................................... 82 Bảng 3-9. Kết quả thí nghiệm xác định độ ổn định động của BTAS và BTA12,5 ....... 82 Bảng 3-10. Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh ................................................. 86 Bảng 3-11. Kế hoạch thí nghiệm cường độ kéo uốn..................................................... 89 Bảng 3-12. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu kéo khi uốn ......................................... 91 Bảng 3-13. Kế hoạch thí nghiệm IDEAL-CT ............................................................... 93 Bảng 3-14. Kế hoạch thí nghiệm mô đun động |E*| ..................................................... 98 Bảng 3-15. Kết quả xác định các hệ số của quy tắc WLF .......................................... 104 Bảng 3-16. Các thông số của mô hình 2S2P1D mô phỏng đường cong chủ |E*| ....... 106 Bảng 3-17. Đánh giá mức độ phù hợp của mô hình 2S2P1D với số liệu đo |E*| ....... 107
xii CHƯƠNG 4. Bảng 4-1. Thông số đặc trưng của các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường đề xuất .. 115 Bảng 4-2. Kết quả kiểm toán kết cấu áo đường (Eyc =160) theo 22TCN 211-06 ..... 116 Bảng 4-3. Đề xuất phân loại xe sử dụng trong M-E ở Việt Nam ............................... 119 Bảng 4-4. Lưu lượng xe dự báo năm đầu và hệ số tăng trưởng xe ............................. 120 Bảng 4-5. Số liệu giao thông tính toán trong phân tích M-E ...................................... 121 Bảng 4-6. Các kết quả phân tích KC1 và KC2 theo phương pháp M-E trường hợp lưu lượng xe nặng năm đầu (N0) bằng 1.000 xe/ngđ ........................................................ 122 Bảng 4-7. Các kết quả phân tích KC1 và KC2 theo phương pháp M-E trường hợp lưu lượng xe nặng năm đầu (N0) bằng 2.000 xe/ngđ ........................................................ 122 Bảng 4-8. Các kết quả phân tích KC1 và KC2 theo phương pháp M-E trường hợp lưu lượng xe nặng năm đầu (N0) bằng 3.000 xe/ngđ ........................................................ 123 Bảng 4-9. Các kết quả phân tích KC1 và KC2 theo phương pháp M-E trường hợp lưu lượng xe nặng năm đầu (N0) bằng 4.000 xe/ngđ ........................................................ 123 Bảng 4-10. Bảng tổng hợp sơ bộ chi phí xây dựng KCAĐ ........................................ 125
xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHTO : (American Association of State Highway and Transportation Officials) Hiệp hội những người làm vận tải và đường bộ Mỹ ASTM : (American Society for Testing and Material) Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ APA : (Asphalt Pavement Analyzer) Thiết bị phân tích mặt đường bê tông asphalt BTA : Bê tông asphalt BTAS : Bê tông asphalt – lưu huỳnh CPĐD : Cấp phối đá dăm DSR : (Dynamic Shear Rheometer) Cắt động lưu biến ĐNC : Đá - nhựa chặt FHWA : (Federal Highway Administration) Cục quản lý đường bộ Liên bang Mỹ FTIR : (Fourier Transform Infra-Red) Chuyển đổi hồng ngoại KCAĐ : Kết cấu áo đường HMA : (Hot mix asphalt) Bê tông nhựa rải nóng M-E : (Mechanistic – Empirical) Cơ học – Thực nghiệm NCAT : (National Center for Asphalt Technology) Trung tâm Công nghệ Asphalt Quốc gia (Mỹ) SBB : (Sulfur Bitumen Binder) Chất kết dính bitum – lưu huỳnh S/B : Lưu huỳnh/bitum (tỷ lệ theo khối lượng chất kết dính SBB) SEM : (Scanning Electron Microscope) Kính hiển vi điện tử quét TCN : Tiêu chuẩn ngành TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam Va : (Air Voids ) Độ rỗng dư VFA : (Voids Filled with Asphalt ) Độ rỗng lấp đầy bitum VMA : (Voids in the Mineral Aggregate )Độ rỗng cốt liệu : Vệt hằn bánh xe WMA : (Warm mix asphalt) Bê tông nhựa rải ấm XRD : (Xray Powder Diffraction) Nhiễu xạ bột tia X
1 MỞ ĐẦU I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong nhiều thập kỷ qua do sự phát triển không bền vững đã tạo ra nhiều hệ quả nghiêm trọng cho thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, cụ thể: (1) tiêu thụ quá mức nguồn tài nguyên thiên nhiên, làm cạn kiệt và suy thoái tài nguyên (cả tái tạo và không thể phục hồi); (2) tạo ra và tích tụ chất thải (bao gồm hữu cơ và vô cơ; nguy hiểm và không nguy hiểm); và (3) tác động và làm suy thoái môi trường (đối với không khí, nước, đất đai, quần thể sinh vật). Đây là những thách thức mà các nước trên thế giới đang phải đối mặt và cần có quyết sách thực hiện nhằm mục đích dung hòa 3 lĩnh vực chính “kinh tế - xã hội - môi trường” để đạt được sự phát triển bền vững. Hiện nay trên thế giới, phát triển bền vững là một trong những lĩnh vực ngày càng được quan tâm. Phát triển bền vững là một loại hình phát triển mới, lồng ghép quá trình sản xuất với bảo tồn tài nguyên và nâng cao chất lượng môi trường. Trong ngành khai thác, sản xuất khoáng sản nói chung và ngành dầu khí nói riêng, các quy định về kiểm soát phát thải ngày càng nghiêm ngặt. Vì vậy mối quan tâm chính là làm thế nào để vừa tiếp tục sản xuất các nguyên liệu cần thiết vừa bảo vệ môi trường. Việc thu hồi lưu huỳnh – sản phẩm phụ của quá trình khai thác khoáng sản và lọc hóa dầu, giúp ngăn chặn sự phát thải của khí SO2 và các hợp chất có hại khác vào khí quyển, tránh những tác động có hại của những khí thải đó, dẫn đến sản lượng lưu huỳnh trên thế giới ngày càng gia tăng. Ngành công nghiệp lưu huỳnh đang đối mặt với câu hỏi phải làm gì với tất cả lượng lưu huỳnh được tạo ra, trong khi sản lượng lưu huỳnh hiện tại đã vượt quá mức tiêu thụ. Do vậy trong thế kỷ XXI cần phải mở rộng hơn nữa việc tiêu thụ lưu huỳnh ở các thị trường phi truyền thống, đồng thời tìm ra các phương án có thể chấp nhận được để sử dụng lưu huỳnh dư thừa mà không ảnh hưởng đến việc bảo vệ môi trường. Sử dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt là một trong những giải pháp được các nước trên thế giới (Mỹ, Nga, Canada, Ả rập Sau di, Trung Quốc, Ấn độ, Qatar,…) áp dụng để xử lý nguồn lưu huỳnh sẵn có đang dư thừa và kết quả của việc ứng dụng này cũng đã đạt được những thành tựu nổi bật về mặt kỹ thuật như bê tông asphalt – lưu huỳnh có độ ổn định Marshall, khả năng kháng lún vệt bánh xe và khả năng kháng ăn mòn do sự cố chảy dầu cao hơn so với bê tông asphalt thông thường. Tại Việt Nam, với sự phát triển của công nghệ, các nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất, Nghi Sơn được xây dựng, mở rộng và nâng cấp để sản xuất các sản phẩm lọc dầu sạch và ít gây
2 ô nhiễm môi trường, ngoài xăng dầu sẽ có thêm các loại bitum, dầu nhờn, lưu huỳnh và nhiều chủng loại sản phẩm trung gian và thành phẩm hóa dầu khác. Theo số liệu của Công ty TNHH một thành viên Lọc hóa dầu Bình Sơn (BSR), sản lượng lưu huỳnh được thu hồi tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất là khoảng 18 tấn/ngày với độ tinh khiết 99,99% và trữ lượng lưu huỳnh sẽ tăng lên khi Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn đi vào hoạt động. Trong khi đó các nghiên cứu về ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam còn hạn chế và chưa có nghiên cứu nào sử dụng nguồn lưu huỳnh sẵn có trong nước. Vì vậy đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh khi sử dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa” sử dụng lưu huỳnh tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất là cần thiết. II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Đề tài luận án nhằm đánh giá ảnh hưởng của lưu huỳnh Dung Quất khi ứng dụng trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên các tuyến quốc lộ tại Việt Nam, cụ thể: (1) Nghiên cứu cấu trúc, độ tinh khiết của lưu huỳnh; (2) Nghiên cứu tương tác của lưu huỳnh, hình thái tồn tại của lưu huỳnh khi trộn vào bitum và trộn vào hỗn hợp bê tông asphalt; (3) Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính bitum – lưu huỳnh (SBB), bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) từ đó lựa chọn điều kiện sản xuất, thi công phù hợp và đánh giá khả năng ứng dụng của BTAS trong KCAĐ mềm trên các tuyến quốc lộ. III. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a) Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án: Là bê tông asphalt – lưu huỳnh với cỡ hạt lớn nhất danh định 12,5 mm sử dụng bitum 60/70 và cốt liệu, lưu huỳnh ở Việt Nam. b) Phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án: Đề tài luận án tập trung nghiên cứu đặc trưng hình thái, tính chất và các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu, chất kết dính SBB, BTAS trong phòng thí nghiệm và ứng xử của BTAS khi sử dụng làm lớp mặt của KCAĐ mềm. IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỂ TÀI a) Ý nghĩa khoa học: Luận án nghiên cứu lý thuyết và đề xuất các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu cấu trúc, hình thái của vật liệu lưu huỳnh Dung Quất, chất kết dính SBB, BTAS, khảo sát ảnh hưởng của lưu huỳnh đối với đặc tính của SBB và BTAS, từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của lưu huỳnh Dung Quất trong xây dựng dựng mặt đường bê tông asphalt trên các tuyến giao thông với điều kiện ở Việt Nam. b) Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đề xuất phương pháp thiết kế thành phần BTAS, phương pháp thí nghiệm và các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của BTAS, đề xuất kết cấu áo đường có sử dụng BTAS trong xây dựng công trình giao thông ở Việt Nam.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯU HUỲNH VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT 1.1. Tổng quan về lưu huỳnh 1.1.1. Khái niệm, nguồn gốc và ứng dụng của lưu huỳnh Lưu huỳnh là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu S và có số nguyên tử 16, là một phi kim phổ biến, không mùi, không vị, nhiều hóa trị. Lưu huỳnh trong dạng gốc là chất rắn kết tinh màu vàng chanh. Trong tự nhiên, nó có thể được tìm thấy ở dạng đơn chất hay trong các khoáng chất sulfua và sulfat. Lưu huỳnh dạng đơn chất có thể tìm thấy ở gần các suối nước nóng và các khu vực núi lửa tại nhiều nơi trên thế giới, tồn tại trong các mỏ muối, là sản phẩm phụ được thu hồi từ các nhà máy lọc hóa dầu, sản xuất khí tự nhiên và nhà máy luyện kim loại màu. Sản lượng lưu huỳnh được sản xuất ở các quốc gia trên Thế giới vào các năm 2010 và 2019 thể hiện như trên Hình 1-1 (đơn vị tính 1000 tấn, số liệu được cập nhập từ trang web https://www.statista.com). Hình 1-1. Bản đồ các nước sản xuất lưu huỳnh trên Thế giới năm 2010 (trái) và sản lượng lưu huỳnh năm 2019 (phải) Lưu huỳnh có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như sản xuất axít sulfuric, ắc quy, bột giặt, thuốc diệt nấm và các phân bón phốt-phat. Lưu huỳnh cũng được dùng để lưu hóa cao su, làm trắng giấy. Do bản chất dễ cháy, lưu huỳnh còn được ứng dụng trong các loại diêm, thuốc súng và pháo hoa.