Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng phụ gia tăng khả năng dính bám đá-nhựa cải thiện chất lượng bê tông nhựa ở Việt Nam

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:153

Thêm vào BST

Báo xấu

59
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm xác định được nguyên nhân suy giảm khả năng dính bám đá-nhựa. Đề xuất được phương pháp thí nghiệm xác định khả năng dính bám đá-nhựa, xác định độ nhạy ẩm của BTN phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đánh giá được hiệu quả của các loại phụ gia tăng dính bám cho BTNC hiện có tại Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng phụ gia tăng khả năng dính bám đá-nhựa cải thiện chất lượng bê tông nhựa ở Việt Nam

i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Bùi Xuân Cậy và PGS.TS Nguyễn Quang Phúc. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào, các nội dung tham khảo đều được dẫn nguồn chính xác và rõ ràng. Tác giả luận án Vũ Ngọc Phương
ii LỜI CẢM ƠN Được sự hướng dẫn tận tình của các thầy hướng dẫn, sự giúp đỡ của thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, người thân, với sự nỗ lực của bản thân, luận án “Nghiên cứu sử dụng phụ gia tăng khả năng dính bám đá-nhựa cải thiện chất lượng bê tông nhựa ở Việt Nam” của tôi – NCS Vũ Ngọc Phương đã hoàn thành. Bằng những tình cảm sâu sắc nhất, tôi vô cùng cảm ơn GS.TS.Bùi Xuân Cậy, PGS.TS.Nguyễn Quang Phúc, hai người Thầy đã định hướng, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi vô cùng cảm ơn Phòng thí nghiệm trọng điểm UTC-Cienco4 trực thuộc Trường Đại học Giao thông Vận tải; Phòng thí nghiệm trọng điểm đường bộ I, Phòng thí nghiệm trọng điểm đường bộ II, Trung tâm KHCN Địa Kỹ thuật trực thuộc Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã cung cấp thông tin, giúp đỡ tôi trong công tác thí nghiệm phục vụ luận án này. Trân trọng cảm ơn các thầy, cô và đồng nghiệp tại Bộ môn Công trình Giao thông công chính và môi trường, Bộ môn Đường bộ, đã giúp đỡ, chỉ bảo cho tôi các kiến thức chuyên môn, góp phần không nhỏ để tôi hoàn thành luận án này. Cảm ơn gia đình và bạn bè, những người thân luôn ở bên tôi, ủng hộ và khích lệ tôi hoàn thành luận án tiến sỹ này. Trân trọng. Tác giả luận án Vũ Ngọc Phương
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ DÍNH BÁM ĐÁ-NHỰA, SUY GIẢM DÍNH BÁM ĐÁ-NHỰA, CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN DÍNH BÁM ĐÁ- NHỰA VÀ VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA TĂNG DÍNH BÁM .........................................................7 1.1. Dính bám đá – nhựa ..........................................................................................7 1.2. Suy giảm dính bám đá-nhựa - Bong tách..........................................................8 1.2.1. Nguyên nhân gây suy giảm liên kết đá-nhựa - Bong tách ......................8 1.2.2. Nhận dạng hư hỏng mặt đường BTN do bong tách ................................9 1.2.3. Cơ chế hình thành và phát triển bong tách (mechanisms of stripping)......13 1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng dính bám đá-nhựa ...............................15 1.3.1. Ảnh hưởng của nhựa đường .................................................................15 1.3.2. Ảnh hưởng của cốt liệu .........................................................................17 1.3.3. Ảnh hưởng của thiết kế hỗn hợp BTN ...................................................21 1.3.4. Ảnh hưởng của thời tiết khi thi công lớp BTN ......................................22 1.3.5. Ảnh hưởng của khí hậu môi trường ......................................................22 1.3.6. Ảnh hưởng của lưu lượng xe.................................................................22 1.4. Các giải pháp cải thiện dính bám đá-nhựa, giảm thiểu bong tách ..................22 1.5. Tính năng của một số loại phụ gia tăng dính bám đá – nhựa .........................23 1.5.1. Phụ gia vô cơ (dạng rắn) ......................................................................24 1.5.2. Phụ gia hóa học ....................................................................................26 1.5.3. Phụ gia nano organosilane [23] ...........................................................26 1.6. Cơ chế hoạt động của các loại phụ gia tăng dính bám đá – nhựa ...................27 1.6.1. Cơ chế hoạt động của vôi hydrat [39], [52] ........................................28 1.6.2. Cơ chế hoạt động của Wetfix Be [22]...................................................29 1.6.3. Cơ chế hoạt động của Toughfix [56] ....................................................30 1.6.4. Cơ chế hoạt động của Toughfix Hyper [57] .........................................31 1.6.5. Cơ chế hoạt động của Zycotherm (Z.T.) [33] .......................................32 1.6.6. Phân tích đặc thù của loại phụ gia Toughfix Hyper có khả năng cải thiện dính bám đối với cả đá vôi và đá granite .............................................................33 1.7. Các phương pháp thí nghiệm kiểm tra đánh giá khả năng dính bám đá-nhựa [28], [47], [58]. ..........................................................................................................34 1.8. Tình Hình nghiên cứu sử dụng phụ gia tăng dính bám trên thế giới ..............35 1.8.1. Hoa Kỳ ..................................................................................................35
iv 1.8.2. Châu Âu ................................................................................................37 1.8.3. Châu Á ..................................................................................................39 1.9. Tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia tăng dính bám tại Việt Nam ..............40 1.9.1. Đánh giá một số công trình nghiên cứu, thử nghiệm điển hình liên quan đến phụ gia tăng dính bám ..........................................................................................40 1.9.2. Đánh giá các tiêu chuẩn kỹ thuật, phương pháp thử liên quan đến khả năng dính bám đá-nhựa và phụ gia tăng dính bám .......................................................41 1.10. Kết luận và những nội dung cần giải quyết trong luận án ..............................42 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHÂN TÍNH, ĐÁNH GIÁ, LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM KIỂM TRA KHẢ NĂNG DÍNH BÁM ĐÁ-NHỰA PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM .........................................................................45 2.1. Phân tích các phương pháp thí nghiệm kiểm tra khả năng dính bám đá-nhựa trên thế giới ...............................................................................................................45 2.1.1. Các phương pháp thí nghiệm với hỗn hợp đá-nhựa ở trạng thái rời ...46 2.1.2. Các phương pháp thí nghiệm với hỗn hợp đá-nhựa đã đầm nén .........51 2.1.3. Tình hình sử dụng các phương pháp thí nghiệm kiểm tra khả năng dính bám đá-nhựa trên thế giới ....................................................................................60 2.2. Phân tích lựa chọn phương pháp thí nghiệm dính bám đá-nhựa phù hợp với điều kiện Việt Nam ...................................................................................................61 2.2.1. Lựa chọn các phương pháp thí nghiệm đưa vào phân tích ..................61 2.2.2. Phân tích lựa chọn phương pháp thí nghiệm với hỗn hợp đá-nhựa ở trạng thái rời .........................................................................................................63 2.2.3. Phân tích lựa chọn phương pháp thí nghiệm với hỗn hợp đá-nhựa ở trạng thái đầm chặt ...............................................................................................64 2.3. Phân tích lựa chọn giữa AASHTO T283 và ASTM D 4867 và hiệu chỉnh cho phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam ..................................................................70 2.3.1. Phân tích lựa chọn giữa AASHTO T283 và ASTM D 4867 ..................70 2.3.2. Phân tích loại bỏ việc bảo dưỡng mẫu với chu kỳ đóng băng/tanbăng trong AASHTO T283 cho phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam .....................71 2.4. Kết luận chương 2 ...........................................................................................72 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA MỘT SỐ LOẠI PHỤ GIA ĐANG SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM ..73 3.1. Nghiên cứu xác định hàm lượng phụ gia vôi hydrat tối ưu để xử lý trước bề mặt đá dăm nhằm cải thiện khả năng dính bám đá-nhựa cho BTN ..........................73 3.1.1. Mục đích nghiên cứu.............................................................................73
v 3.1.2. Tóm tắt trình tự tiến hành nghiên cứu thực nghiệm .............................74 3.1.3. Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC12.5 ..............................................74 3.1.4. Xử lý trước bề mặt đá dăm với vôi hydrat ............................................76 3.1.5. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nước đến hỗn hợp BTN đã đầm nén …………………………………………………………………………………78 3.1.6. Thí nghiệm LVBX với BTNC12.5 có tỷ lệ tối ưu vôi hydrat xử lý trước với đá dăm là 1.0% ...............................................................................................84 3.1.7. Kết luận chung ......................................................................................85 3.2. Nghiên cứu xác định hiệu quả của Toughfix Hyper (TFH) và tỷ lệ TFH tối ưu ……………………………………………………………………………….85 3.2.1. Mục đích nghiên cứu.............................................................................85 3.2.2. Thí nghiệm với nhựa đường ..................................................................86 3.2.3. Thiết kế thành phẫn BTNC12.5 ............................................................89 3.2.4. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nước đến cường độ hỗn hợp BTN đã đẩm nén ............................................................................................................91 3.2.5. Thí nghiệm LVBX với BTNC12.5 có tỷ lệ TFH tối ưu 0.15%...............98 3.2.6. Kết luận chung ....................................................................................100 3.3. Đánh giá hiệu quả của 6 phụ gia tăng dính bám đá – nhựa cho BTNC12.5 sử dụng cốt liệu dính bám kém miền Trung ................................................................100 3.3.1. Mục đích nghiên cứu...........................................................................100 3.3.2. Lựa chọn vật liệu ................................................................................101 3.3.3. Thiết kế thành phần hỗn hợp BTNC12.5 ............................................102 3.3.4. Thí nghiệm độ dính bám theo TCVN 7504:2005 ................................103 3.3.5. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của nước đến cường độ hỗn hợp BTN đã đẩm nén theo AASHTO T283* .......................................................................104 3.3.6. Phân tích đánh giá hiệu quả của các phụ gia ....................................107 3.4. Kết luận chương 3 .........................................................................................108 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA PHỤ GIA TĂNG DÍNH BÁM TRÊN MỘT SỐ ĐOẠN ĐƯỜNG KHU VỰC MIỀN TRUNG ....................................................................................110 4.1. Khảo sát độ nhạy ẩm trên đoạn đường Km1249+200 - Km1249+300 thuộc Dự án xây dựng mở rộng QL1 sau 3 năm khai thác ...............................................110 4.1.1. Mục đích nghiên cứu...........................................................................110 4.1.2. Khảo sát lựa chọn đoạn đường nghiên cứu, khoan mẫu BTN ............111
vi 4.1.3. Đánh giá chất lượng mặt đường đoạn nghiên cứu tại thời điểm bắt đầu khai thác ……………………………………………………………………………..…112 4.1.4. Thí nghiệm xác định độ nhạy ẩm của BTN trên đoạn nghiên cứu .....115 4.1.5. Phân tích đánh giá độ nhạy ẩm đã xác định trên đoạn đường nghiên cứu ………………………………………………………………………….……118 4.2. Thí nghiệm đánh giá hiệu quả của phụ gia ToughFix trong giai đoạn thi công tại đoạn đường Km66+700- Km67+200, cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi ...............119 4.2.1. Mục đích nghiên cứu...........................................................................119 4.2.2. Tóm tắt thông tin về đoạn nghiên cứu ................................................119 4.2.3. Đánh giá hiệu quả của phụ gia Toughfix với BTNC12.5 tại trạm trộn ………………………………………………………………………………..121 4.2.4. Đánh giá hiệu quả của Toughfix trong giai đoạn lu lèn BTNC12.5 ..125 4.2.5. Kết luận về hiệu quả của phụ gia Toughfix cho BTNC12.5 trong giai đoạn thi công trên đoạn Km66 +700 - Km67+200 ............................................130 4.3. Kết luận chương 4 .........................................................................................130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................131 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................134 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...............................................140 PHỤ LỤC 1. Thông tin về tính năng của các loại phụ gia (vôi hydrat, Wetfix Be, Toughfix, Toughfix Hyper và Zycotherm) PHỤ LỤC 2. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của nước đến hỗn hợp BTN đã đầm nén (AASHTO T283*) PHỤ LỤC 3. Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng vôi hydrat tối ưu PHỤ LỤC 4. Kết quả thí nghiệm xác định hàm lượng Toughfix Hyper tối ưu PHỤ LỤC 5. Kết quả thí nghiệm đánh giá hiệu quả của 6 loại phụ gia PHỤ LỤC 6. Kết quả thí nghiệm hiện trường
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BTN Bê tông nhựa (trong luận án này đồng nghĩa với BTNC) BTNC Bê tông nhựa chặt BTNC12,5 Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 12,5 mm BTNC19 Bê tông nhựa chặt có cỡ hạt lớn nhất danh định là 19 mm BTNRTN Bê tông nhựa rỗng thoát nước (Porous Asphalt-PA) SMA Stone Matrix Asphalt (Hỗn hợp đá vữa nhựa) KQTN Kết quả thí nghiệm YCKT Yêu cầu kỹ thuật LVBX Lún vệt bánh xe GTVT Giao thông vận tải TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam QĐ 858 Quyết định số 858/QĐ-BGTVT ngày 26/3/2014 của Bộ trưởng Bộ GTVT về việc ban hành “Hướng dẫn áp dụng hệ thống các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành nhằm tăng cường quản lý chất lượng thiết kế và thi công mặt đường bê tông nhựa nóng đối với các tuyến đường ô tô có quy mô giao thông lớn” QĐ 1617 Quyết định số 1617/QĐ-BGTVT ngày 29/4/2014 của Bộ trưởng Bộ GTVT về việc ban hành “Quy định kỹ thuật về phương pháp thử độ sâu hằn lún vệt bánh xe của bê tông nhựa xác định bằng thiết bị Wheel tracking” QĐ 3287 Quyết định số 3287/QĐ-BGTVT ngày 29/10/2018 của Bộ trưởng Bộ GTVT về việc ban hành “Quy định tạm thời về kỹ thuật thi công và nghiệm thu lớp phủ siêu mỏng tạo nhám trên đường ô tô” TSk Cường độ kéo gián tiếp khi ép chẻ của mẫu BTN được bảo dưỡng ở trạng thái khô TSbh Cường độ kéo gián tiếp khi ép chẻ của mẫu BTN được bảo dưỡng ở trạng thái bão hòa
viii TSR Tỷ số cường độ kéo gián tiếp khi ép chẻ của mẫu BTN (tính bằng TSbh/TSk) AASHTO American Association of State Highways and Transportation Officials (Hiệp hội những người làm đường và vận tải toàn nước Hoa Kỳ) ASTM American Society of Testing Materials (Hiệp hội thí nghiệm vật liệu Hoa Kỳ) NCHRP National Cooperation Highway Research Program (Chương trình hợp tác nghiên cứu đường bộ quốc gia)
ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Phân nhóm cốt liệu theo thành phần khoáng [26] ...................................19 Bảng 1. 2. Phân loại đá dựa trên hàm lượng SiO2 ....................................................21 Bảng 1. 3. Hiệu quả sử dụng vôi hydrat theo đánh giá của các bang nước Mỹ........36 Bảng 1. 4. So sánh tuổi thọ của đường có và không sử dụng vôi hydrat trên hệ thống đường cao tốc giữa các Bang nước Mỹ......................................................37 Bảng 1. 5. Phụ gia chống bong tách dạng lỏng của hãng PetroChem (USA) ...........37 Bảng 1. 6. Tình hình sử dụng vôi hydrat cho BTN tại các nước châu Âu ................38 Bảng 2. 1. Các phương pháp thí nghiệm trên mẫu hỗn hợp đá-nhựa rời ..................46 Bảng 2. 2.Các phương pháp thí nghiệm trên mẫu hỗn hợp đá-nhựa đã đầm nén .....51 Bảng 2. 3. Các phương pháp thí nghiệm dính bám đá-nhựa.....................................62 Bảng 3. 1. Các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNC12.5 ở hàm lượng nhựa tối ưu ……….75 Bảng 3. 2. Kết quả thí nghiệm LVBX của mẫu BTNC12.5 dùng đá granite ……..76 Bảng 3. 3. Thành phần hóa học của vôi hydrat sử dụng trong thí nghiệm ………..77 Bảng 3. 4. Số lượng mẫu BTNC12.5 xử lý trước bằng vôi hydrat ………………...78 Bảng 3. 5. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo khi ép chẻ của mẫu BTNC12.5 với đá vôi, đá granite, tỷ lệ vôi hydrat khác nhau …………………………………..……80 Bảng 3. 6. Kết quả thí nghiệm LVBX của mẫu BTNC12,5 ………………………84 Bảng 3. 7. Kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường với các tỷ lệ TFH….88 Bảng 3. 8. Các chỉ tiêu kỹ thuật của BTNC12.5 ở hàm lượng nhựa tối ưu ………..90 Bảng 3. 9. Kết quả thí nghiệm LVBX của BTNC12.5 (không có phụ gia TFH), với 5 loại đá dăm ……………………………………………………………………..91 Bảng 3. 10. Số lượng mẫu thí nghiệm xác định cường độ kéo gián tiếpkhi ép chẻ..91 Bảng 3. 11. Tỷ lệ phụ gia tăng dính bám lựa chọn để nghiên cứu………………..102 Bảng 3. 12. Các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTNC12.5 (không có phụ gia) …102 Bảng 3. 13. Kết quả thí nghiệm độ dính bám ứng với 6 loại phụ gia …………….103 Bảng 3. 14. Tổng số lượng mẫu thí nghiệm TSk và TSbh ứng với 6 loại phụ gia 104 Bảng 3. 15. Kết quả thí nghiệm TSk, TSbh, TSR của mẫu BTNC12.5 …………105
x Bảng 4. 1. Chất lượng thi công BTNC19 của đoạn 1248+400-Km 1249+300 ......113 Bảng 4. 2. Chất lượng thi công BTNC12.5 của đoạn 1248+400-Km 1249+600 ...114 Bảng 4. 3. Độ rỗng dư của các mẫu BTNC12.5 .....................................................115 Bảng 4. 4. Cường độ kéo gián tiếp khi ép chẻ mẫu khô .........................................116 Bảng 4. 5. Cường độ kéo gián tiếp khi ép chẻ mẫu bão hòa ...................................116 Bảng 4. 6. Độ lệch của chuỗi thí nghiệm ................................................................117 Bảng 4. 7. Đánh giá độ chụm của chuỗi kết quả thí nghiệm ..................................117 Bảng 4. 8.Cấp phối hỗn hợp vật liệu khoáng của BTNC12.5.................................120 Bảng 4. 9. Kết quả thiết kế hỗn hợp BTN12.5 có Tough Fix 0.3% ........................120 Bảng 4. 10. Ký hiệu 2 tổ mẫu BTNC12.5 chế bị từ mẫu rời .................................122 Bảng 4. 11. Kết quả thí nghiệm các mẫu BTN12.5 chế bị từ mẫu rời Làn 1 .........122 Bảng 4. 12. Kết quả thí nghiệm các mẫu BTNC12.5 chế bị từ mẫu rời Làn 2 .......123 Bảng 4. 13. Đánh giá độ chụm của TSk, TSbh của mẫu thí nghiệm ở làn 1 ..........124 Bảng 4. 14. Đánh giá độ chụm của TSk, TSbh của mẫu thí nghiệm ở làn 2 ..........124 Bảng 4. 15. Ký hiệu mẫu khoan BTNC12.5 ...........................................................126 Bảng 4. 16. Kết quả thí nghiệm TSR trên mẫu khoan BTNC12.5 Làn 1 ...............127 Bảng 4. 17. Kết quả thí nghiệm TSR trên mẫu khoan BTNC12.5 Làn 2 ...............127 Bảng 4. 18. Đánh giá độ chụm của TSk, TSbh của mẫu khoan thí nghiệm ở làn 1 .................................................................................................................................128 Bảng 4. 19. Đánh giá độ chụm của TSk, TSbh của mẫu khoan thí nghiệm ở làn 2 .................................................................................................................................128
xi DANH MỤC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình 1. 1. Minh họa cơ chế bong tách (stripping) do tác động của nước ..................9 Hình 1. 2. Nhận dạng bong tách ...............................................................................10 Hình 1. 3. Lún vệt bánh xe do bong tách lớp BTN phía dưới...................................11 Hình 1. 4. Nứt mỏi do bong tách lớp BTN phía dưới ...............................................11 Hình 1. 5. Bong tróc mặt đường do BTN có độ chặt thấp (độ rỗng dư cao) ...........12 Hình 1. 6. Bong tróc mặt đường BTN do cốt liệu bị phân tầng ................................12 Hình 1. 7 Ổ gà ...........................................................................................................12 Hình 1. 8. Phân loại cốt liệu theo hàm lượng SiO2 và theo điện tích bề mặt ...........21 Hình 1.9. Qui trình sản xuất vôi hydrat Ca(OH)2 .....................................................24 Hình 1. 10. Cơ chế tương tác của vôi hydrat với cốt liệu gốc a xít .........................28 Hình 1. 11. Cấu trúc hóa học của Wetfix Be ............................................................29 Hình 1. 12. Các phân tử Wetfix be làm cầu nối giữa cốt liệu và nhựa đường ..........29 Hình 1. 13. Cơ chế tương tác của Toughfix với bề mặt cốt liệu ...............................30 Hình 1. 14. Cơ chế hoạt động của Toughfix Hyper với các bề mặt cốt liệu .............31 Hình 1. 15. Cơ chế hoạt động của phụ gia Z.T. với bề mặt cốt liệu ........................32 Hình 2. 1. Thiết bị Hamburg Wheel-Tracking ..........................................................55 Hình 2. 2. Minh họa điểm bong màng nhựa .............................................................55 Hình 2. 3. Minh họa mẫu bão hòa chân không .........................................................57 Hình 2. 4. Mô hình thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ ...................58 Hình 3. 1. Cấp phối hỗn hợp cốt liệu của BTNC12.5 ...............................................75 Hình 3. 2 Vôi hydrat -Ca(OH)2 thương phẩm sử dụng dể thí nghiệm .....................77 Hình 3. 3 Mẫu đá dăm đã xử lý vôi hydrat ...............................................................77 Hình 3. 4. Trộn hỗn hợp đá dăm ẩm với phụ gia vôi hydrat .....................................79 Hình 3. 5. Đầm Marshall chế tạo mẫu BTN12,5 ......................................................79 Hình 3. 6. Mẫu BTNC12,5 được bão hòa .................................................................79 Hình 3. 7. Thí nghiệm kéo gián tiếp khi ép chẻ mẫu BTNC12,5 .............................79 Hình 3. 8. Mẫu BTN được bảo dưỡng ở 60°C trong 24 giờ .....................................80
xii Hình 3. 9. Mẫu BTN sau khi thí nghiệm kéo khi ép chẻ ..........................................80 Hình 3. 10. TSk và TSbh của BTNC12.5 đá vôi sử dụng phụ gia vôi hydrat ..........81 Hình 3. 11. TSk và TSbh của BTNC12.5 đá granite sử dụng phụ gia vôi hydrat ....81 Hình 3. 12. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ kéo gián tiếp khi ép chẻ ..............83 Hình 3. 13. Biểu đồ độ dính bám đá – nhựa sử dụng TFH .......................................87 Hình 3. 14. Các cấp phối hỗn hợp cốt liệu của BTNC12.5 ......................................89 Hình 3. 15. TSk và TSbh của mẫu BTNC2.5 đá granite Bình Định .........................93 Hình 3. 16. TSR của mẫu BTNC12.5 đá granite Bình Định ....................................93 Hình 3. 17. TSk và TSbh của mẫu BTNC12.5 đá granite Đà Nẵng .........................93 Hình 3. 18. TSR của mẫu BTN đá granite Đà Nẵng .................................................94 Hình 3. 19. TSk và TSbh của mẫu BTNC12.5 đá granite Hà Tĩnh ..........................94 Hình 3. 20. TSR của mẫu BTNC12.5 đá granite Hà Tĩnh ........................................95 Hình 3. 21. TSk và TSbh của mẫu BTNC12.5 đá granie Đăk Lăk ...........................95 Hình 3. 22. TSR của mẫu BTNC12.5 đá granie Đăk Lăk.........................................96 Hình 3. 23. TSk và TSbh của mẫu BTNC12.5 đá vôi Ninh Bình .............................96 Hình 3. 24. TSR của mẫu BTNC12.5 đá vôi Ninh Bình...........................................97 Hình 3. 25. So sánh LVBX của BTNC12.5 có và không có TFH=0.15% ...............99 Hình 3. 26. Cấp phối hỗn hợp vật liệu khoáng của BTNC12.5 ..............................102 Hình 3. 27. Biểu đồ giá trị TSR ứng với 6 loại phụ gia ..........................................106 Hình 3. 28. Biểu đồ đánh giá % tăng TSbh.............................................................106 Hình 4. 1. Toàn cảnh khu vực đoạn đường lựa chọn để nghiên cứu (11/2018)......111 Hình 4. 2. Khoan mẫu BTN trên đoạn nghiên cứu (11/2018) ................................112 Hình 4. 3. Cấp phối hỗn hợp vật liệu khoáng của BTNC19 (Km 1249+300) .......113 Hình 4. 4. Cấp phối hỗn hợp vật liệu khoáng của BTNC12.5 (Km 1249+300) .....114 Hình 4. 5. Kết quả đo Edh vào tháng 11/2015 của đoạn nghiên cứu ......................115 Hình 4. 6. Giá trị TSk và TSbh của mẫu khoan hiện trường đoạn nghiên cứu.......118 Hình 4. 7. Hệ thống cấp phụ gia Tough Fix cho thùng trộn BTN .........................121 Hình 4. 8. Sơ đồ lấy mẫu thí nghiệm tại máy rải hiện trường.................................122 Hình 4. 9. TS trên 2 làn xe của mẫu BTNC12.5, 0.3% Toughfix ...........................124
xiii Hình 4. 10. TSR trên 2 làn xe của mẫu BTNC12.5, 0.3% Toughfix ......................125 Hình 4. 11. Khoan mẫu BTNC12.5 đoạn Km66 + 700 -Km67+200 ......................126 Hình 4. 12. Sơ đồ khoan mẫu thí nghiệm tại hiện trường .......................................126 Hình 4. 13. TS trên 2 làn xe của mẫu khoan hiện trường BTNC12.5 Toughfix.....129 Hình 4. 14. TSR trên 2 làn xe của mẫu khoan hiện trường BTNC12.5 Toughfix ..129
1 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu Ở Việt Nam, mặt đường bê tông nhựa (BTN) được sử dụng phổ biến trong xây dựng các tuyến đường ô tô cấp cao. BTN có nhiều ưu điểm như: dễ thi công, dễ sửa chữa…, nhưng lại có đặc thù là nhạy cảm với nước (hay còn được gọi là nhạy ẩm). Thuật ngữ “BTN nhạy cảm với nước” hay gọi tắt là “Nhạy ẩm” (Moisture susceptibility) biểu thị khả năng BTN dễ bị suy giảm tính năng do tác động của nước, dẫn tới “BTN bị hư hỏng do nước” [58]. Nhìn chung, mức độ nhạy ẩm của BTN được tăng lên bởi bất kỳ yếu tố nào làm tăng độ ẩm trong BTN. Thuật ngữ “BTN bị hư hỏng do nước” (moisture damage) biểu thị mặt đường BTN bị suy giảm tính năng do tác động của nước, là kết quả của việc mất khả năng dính bám đá –nhựa (thường gọi là bong tách-stripping) và sau đó là mất khả năng dính kết trong nội tại màng nhựa đường, dẫn tới phá hủy tính toàn vẹn của BTN. Bong tách kết hợp với tải trọng trùng phục của xe, lâu dần mặt đường BTN xuất hiện những hư hỏng như: bong tróc mặt đường, nứt mỏi, hằn lún vệt bánh xe [43]. Có thể nói hư hỏng điển hình của mặt đường BTN do tác động của nước là bong tách [46], [61]. Mặt đường BTN khi bị hư hỏng do tác động của nước rất khó sửa chữa. Việc phủ thêm một lớp BTN trên mặt đường bị hư hỏng, thường xem là giải pháp có hiệu quả với những hư hỏng mặt đường BTN do các nguyên nhân khác, thì trong trường hợp hư hỏng BTN do tác động của nước thường là không hiệu quả. Giải pháp phổ biến để khắc phục hiện tượng hư hỏng BTN do nước thường là phải cào bóc lớp BTN nhựa cũ đã hư hỏng và rải lớp BTN mới thay thế, dẫn tới chi phí sửa chữa cao hơn nhiều [43], [61]. Trên thế giới, việc nghiên cứu về các nhân tố ảnh hưởng đến suy giảm dính bám đá- nhựa, về độ nhạy ẩm của BTN cũng như về phụ gia tăng dính bám đá-nhựa được quan tâm nhiều. Tại Mỹ, độ nhạy ẩm của BTN được đánh giá là vấn đề phổ biến, mang tính quốc gia. Kết quả khảo sát tại với 44 Bang nước Mỹ cho thấy: 82% của
2 các cơ quan yêu cầu sử dụng phụ gia chống bong tách, trong đó có 56% sử dụng phụ gia lỏng, 15% sử dụng cả phụ gia lỏng và vôi hydrat, 29% sử dụng vôi hydrat [58]. Tại châu Âu, vôi hydrat ngày càng được sử dụng nhiều cho BTN tại hầu hết các nước châu Âu, đặc biệt là Áo, Pháp, Hà Lan, Anh và Thụy Sĩ [40]. Tại các nước châu Á, tùy theo kinh nghiệm mà mỗi nước sử dụng phụ gia chống bong tách dạng rắn, dạng lỏng khác nhau, vôi hydrat [35], Wetfix BE [22], phụ gia chống bong tách dạng lỏng gốc amin [51] đã được đưa vào các tiêu chuẩn mang tính quốc gia để khuyến nghị sử dụng. Phụ gia tăng dính bám, trên thế giới thường được gọi là phụ gia chống bong tách (anti-stripping additives), là một giải pháp hữu hiệu khi BTN sử dụng cốt liệu dính bám kém nhằm cải thiện khả năng dính bám đá-nhựa, giảm thiểu tác động của nước gây hư hỏng mặt đường BTN. Việt Nam có đặc thù về khí hậu, nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, mưa nhiều. Về cốt liệu sử dụng cho BTN, có nhiều loại cốt liệu có độ dính bám đá-nhựa kém, điển hình là cốt liệu tại khu vực Miền Trung. Về phụ gia tăng dính bám đá- nhựa, mặc dù TCVN có khuyến nghị áp dụng phụ gia vôi, xi măng, phụ gia hóa dạng lỏng khi chế tạo BTN với cốt liệu có độ dính bám kém [22], tuy nhiên chưa có công trình nào ở nước ta sử dụng phụ gia vôi để tăng khả năng dính bám. Một số loại phụ gia hóa học đã được mang vào Việt Nam như: Wetfix Be (Thụy Điển), Tougfix, Toughfix Hyper (Nhật Bản), Zycotherm (Ấn độ), tuy nhiên chỉ có Wetfix Be và Tougfix được đưa vào sử dụng. Nhìn chung đến nay hầu như chưa có đề tài, dự án nghiên cứu đánh giá tổng thể về hiệu quả sử dụng phụ gia tăng dính bám đá-nhựa cho BTN tại Việt Nam. Vì vậy, luận án “Nghiên cứu sử dụng phụ gia tăng khả năng dính bám đá-nhựa cải thiện chất lượng bê tông nhựa ở Việt Nam” là cần thiết, có tính thời sự, có ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn. Trong quá trình thực hiện luận án, đề tài nghiên cứu cấp Bộ năm 2017 “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của các phụ gia tăng dính bám để cải thiện chất lượng BTN sử dụng đá dăm có độ dính bám kém khu vực Miền Trung” do của Viện Khoa học và Công
3 nghệ GTVT chủ trì được triển khai. Việc tham gia thực hiện đề tài này đã giúp cho NCS có những thông tin hữu ích để triển khai luận án này. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác định được nguyên nhân suy giảm khả năng dính bám đá-nhựa. Đề xuất được phương pháp thí nghiệm xác định khả năng dính bám đá-nhựa, xác định độ nhạy ẩm của BTN phù hợp với điều kiện Việt Nam. Đánh giá được hiệu quả của các loại phụ gia tăng dính bám cho BTNC hiện có tại Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu của luận án là các loại phụ gia tăng dính bám điển hình hiện có tại Việt Nam sử dụng để cải thiện chất lượng BTNC. - Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm các nghiên cứu lý thuyết về cơ sở khoa học của dính bám đá-nhựa và phụ gia tăng dính bám; các nghiên cứu thực nghiệm đánh giá hiệu quả của các phụ gia tăng dính bám hiện có tại Việt Nam cho BTNC12.5, vì đây là lớp vật liệu đắt tiền nhất, chịu tác dụng trực tiếp của điều kiện môi trường, tác động của nước và lượng xe lưu thông. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, bao gồm phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết và phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết: Được sử dụng để nghiên cứu, phân tích và tổng hợp các kết quả nghiên cứu về 1) hư hỏng mặt đường BTN do tác hại của nước, bao gồm: nguyên nhân, cơ chế gây hư hỏng, giải pháp giảm thiểu; 2) phụ gia tăng dính bám đá-nhựa, bao gồm: các loại phụ gia, cơ chế hoạt động của các loại phụ gia; 3) phương pháp thí nghiệm đánh giá độ nhạy ẩm của BTN và hiệu quả của phụ gia tăng dính bám. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, bao gồm phương pháp quan sát khoa học và phương pháp thực nghiệm khoa học được sử dụng để 1) nghiên cứu thực nghiệm trong phòng đánh giá hiệu quả của một số phụ gia tăng dính bám đá-nhựa cho điển hình hiện có tại Việt Nam cho BTNC12.5; 2) nghiên cứu thực nghiệm hiện trường trên các đoạn đường có sử dụng phụ gia tăng dính bám Wetfix Be, Tough Fix cho BTN khu vực miền Trung.
4 - Phương pháp toán học thống kê được sử dụng để xử lý các kết quả thí nghiệm, phân tích, xác định sự ảnh hưởng của các thông số thí nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học 1). Phân tích và nêu bật được bản chất của dính bám đá-nhựa trong hỗn hợp BTN, suy giảm dính bám đá-nhựa (nguyên nhân, cơ chế hình thành, giải pháp giảm thiểu), các giải pháp tổng thể cải thiện dính bám đá-nhựa nói chung và sử dụng phụ gia tăng dính bám nói riêng. 2). Phân tích chi tiết vai trò, cơ chế hoạt động của các loại phụ gia tăng dính bám đá nhựa cho BTN trên thế giới và hiện có tại nước ta: Wetfix Be, Toughfix, Toughfix Hyper, Zycotherm, vôi hydrat và xi măng. 3). Đề xuất phương pháp thí nghiệm cần thiết để đánh giá khả năng dính bám đá- nhựa, và đánh giá hiệu quả của phụ gia tăng dính bám phù hợp với điều kiện Việt Nam. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn 1). Xác định hàm lượng tối ưu của một số phụ gia tăng dính bám được sử dụng rộng rãi trên thế giới nhưng chưa được áp dụng đại trà tại Việt Nam (vôi hydrat tối ưu cho giải pháp xử lý trước với cấp phối đá dăm, Toughfix Hyper tối ưu). 2). Đánh giá hiệu quả của 6 loại phụ gia tăng dính bám hiện có tại Việt Nam (Wetfix Be, Toughfix, Toughfix Hyper, Zycotherm, vôi hydrat và xi măng) cho BTN có sử dụng đá dăm dính bám kém tại mỏ đá miền Trung. 3) Đánh giá được hiệu quả của phụ gia Toughfix trong giai đoạn thi công trên đoạn đường thuộc Dự án xây dựng đường ô tô cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi. 4) Xác định được độ nhạy ẩm của mặt đường BTN sau 3 năm khai thác trên một đoạn đường của QL1A. 6. Bố cục của luận án Luận án có bố cục gồm phần mở đầu, 4 chương, kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp, cụ thể như sau: Mở đầu
5 Trình bày về sự cần thiết của việc nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án, bố cục của luận án. Chương 1 - Nghiên cứu tổng quan về dính bám đá-nhựa, suy giảm dính bám đá- nhựa, các giải pháp cải thiện dính bám đá- nhựa và vai trò của phụ gia tăng dính bám đá-nhựa Chương này tập trung phân tích, đánh giá những nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến dính bám đá-nhựa trong hỗn hợp BTN, hư hỏng mặt đường BTN do suy giảm dính bám đá-nhựa, các giải pháp cải thiện dính bám đá- nhựa, vai trò, cơ chế hoạt động với cốt liệu của phụ gia tăng dính bám đá-nhựa, tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia tăng dính bám làm cơ sở lựa chọn những nội dung cần thiết để nghiên cứu. Chương 2 - Nghiên cứu phân tích, lựa chọn phương pháp thí nghiệm kiểm tra, đánh giá khả năng dính bám đá-nhựa phù hợp với điều kiện Việt Nam Chương này tập trung phân tích đánh giá các phương pháp thí nghiệm kiểm tra khả năng dính bám đá-nhựa điển hình trên thế giới, các phương pháp hiện có trong nước, qua đó lựa chọn các phương pháp thí nghiệm đánh giá khả năng dính bám đá-nhựa phù hợp với điều kiện Việt Nam. Chương 3 - Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng đánh giá hiệu quả của các loại phụ gia tăng khả năng dính bám hiện có tại Việt Nam Chương này bao gồm các thí nghiệm, phân tích nhằm: 1) xác định hàm lượng tối ưu của một số phụ gia tăng dính bám được sử dụng rộng rãi trên thế giới nhưng chưa được áp dụng đại trà tại Việt Nam (vôi hydrat tối ưu cho giải pháp xử lý trước với cốt liệu, Toughfix Hyper tối ưu) và 2) đánh giá hiệu quả của 6 loại phụ gia tăng dính bám hiện có tại Việt Nam (Wetfix Be, Toughfix, Toughfix Hyper, Zycotherm, vôi hydrat và xi măng) cho BTN có sử dụng đá dăm dính bám kém tại mỏ đá miền Trung. Chương 4- Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường đánh giá hiệu quả của phụ gia tăng dính bám trên một số đoạn đường khu vực miền Trung
6 Chương này tập trung vào những nội dung chủ yếu sau: 1) khảo sát, thí nghiệm, xác định độ nhạy ẩm của BTN có sử dụng phụ gia Wetfix Be trên một đoạn đường lựa chọn thuộc Dự án xây dựng mở rộng QL1A qua tỉnh Bình Định – Phú Yên sau 3 năm khai thác và 2) khảo sát, thí nghiệm, đánh giá hiệu quả của phụ gia Tough Fix trong giai đoạn thi công BTN trên một đoạn đường thuộc Dự án xây dựng đường cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi. Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp Tóm tắt những kết quả nghiên cứu có tính mới của luận án, đưa ra những định hướng nghiên cứu tiếp theo.
7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ DÍNH BÁM ĐÁ-NHỰA, SUY GIẢM DÍNH BÁM ĐÁ-NHỰA, CÁC GIẢI PHÁP CẢI THIỆN DÍNH BÁM ĐÁ- NHỰA VÀ VAI TRÒ CỦA PHỤ GIA TĂNG DÍNH BÁM Chương này tập trung phân tích, đánh giá những nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến dính bám đá-nhựa trong hỗn hợp BTN, hư hỏng mặt đường BTN do suy giảm dính bám đá-nhựa, các giải pháp cải thiện dính bám đá- nhựa, vai trò, cơ chế tương tác với cốt liệu của phụ gia tăng dính bám đá-nhựa, tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia tăng dính bám làm cơ sở lựa chọn những nội dung cần thiết để nghiên cứu. 1.1. Dính bám đá – nhựa BTN là vật liệu được tạo thành từ hỗn hợp cốt liệu (đá dăm, cát, bột khoáng) và nhựa đường có tỷ lệ xác định được trộn nóng tại trạm trộn, sau đó được rải và đầm nén tại mặt đường. BTN phải có cường độ và độ ổn định để chống lại tác động của tải trọng xe và các tác động bất lợi của môi trường. Cường độ của BTN được tạo thành bởi hai nhân tố là lực ma sát và lực dính [36] , trong đó: 1). Lực ma sát được tạo thành bởi: cường độ của cốt liệu, đặc tính của cốt liệu (độ góc cạnh, độ nhám bề mặt), tỷ lệ các cỡ hạt cốt liệu (cấp phối cốt liệu)... 2). Lực dính được tạo thành bởi: lực dính kết của nhựa đường và lực dính bám đá- nhựa: a) Lực dính kết (cohesive strengh): Lực liên kết nội tại giữa các phân tử nhựa đường. Nhân tố ảnh hưởng chủ yếu đến lực dính kết là tính năng của nhựa đường, thể hiện qua mác nhựa đường. Nhựa đường có độ nhớt (độ quánh) càng lớn thì khả năng dính kết của nhựa đường càng lớn. Nhựa đường biến tính polime thường có độ nhớt cao hơn so với nhựa đường gốc được sử dụng để chế tạo nhựa đường polime do nhựa đường polime có khả năng ổn định tính năng khi nhiệt độ cao nên có khả năng tạo ra lực dính kết lớn hơn so với nhựa đường thường. Lực dính kết là cơ sở để tạo nên lực dính bám.