Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
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; Nghiên cứu cấu trúc, độ tinh khiết của lưu huỳnh; Tương tác của lưu huỳnh, hình thái tồn tại của lưu huỳnh khi trộn vào bitum và trộn vào hỗn hợp bê tông asphalt;..

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205 Chuyên ngành : Xây dựng đường ôtô và đường thành phố TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Phạm Huy Khang Trường Đại học Giao thông Vận tải 2. GS.TS. Bùi Xuân Cậy Trường Đại học Giao thông Vận tải Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi … giờ … ngày … tháng … năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc Gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. ThS. Nguyễn Thu Trang, GS.TS. Phạm Huy Khang (2017), “Một số kết quả nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của phụ gia lưu huỳnh đối với bitum và bitum cải tiến polymer dùng trong kết cấu áo đường”, Tạp chí GTVT tháng 12/2017. 2. ThS. NCS. Nguyễn Thu Trang, TS. Trần Ngọc Hưng, GS.TS. Phạm Huy Khang (2018), “Nghiên cứu thành phần hóa học và hình thái của chất kết dính bitum – lưu huỳnh sử dụng kỹ thuật chuyển đổi phổ hồng ngoại Fourier (FTIR) và kính hiển vi điện tử quét (SEM), Tạp chí GTVT tháng 12/2018. 3. ThS. NCS. Nguyễn Thu Trang, ThS. Vũ Thế Thuần, GS.TS. Phạm Huy Khang, GS.TS. Bùi Xuân Cậy (2019), “Nghiên cứu thực nghiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật của chất kết dính bitum - lưu huỳnh (SBB) sử dụng lưu huỳnh Dung Quất”, Tạp chí GTVT tháng 10/2019. 4. Nguyễn Thu Trang, Trần Ngọc Hưng, Phạm Huy Khang, Bùi Xuân Cậy (2020), “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình kết tinh lưu huỳnh trong cấu trúc bê tông asphalt đến các chỉ tiêu Marshall”, Tạp chí khoa học GTVT, Số 71 tập 5 – tháng 6/2020.
1 MỞ ĐẦU I. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, trên thế giới sản lượng lưu huỳnh đã vượt quá mức tiêu thụ, ngành công nghiệp lưu huỳnh trong thế kỷ 21 sẽ cần mở rộng tiêu thụ lưu huỳnh ở các thị trường phi truyền thống và tìm ra các cách 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,…) thực hiện để xử lý nguồn lưu huỳnh sẵn có đang dư thừa và kết quả ứng dụng đã đạt được những thành tựu nổi bật 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 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 mới. Theo báo cáo của Công ty TNHH một thành viên Lọc hóa dầu Bình Sơn (BSR), sản lượng lưu huỳnh thu hồi của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất là 18 tấn/ngày với độ tinh khiết 99,99% và sản lượng lưu huỳnh sẽ tăng lên khi Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn đi vào hoạt động. Trong khi đó các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê asphalt tại Việt Nam còn hạn chế và chưa 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 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) 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 các đặc trưng hình thái, tính chất 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
2 đó đánh giá khả năng ứng dụng của lưu huỳnh Dung Quất trong xây dựng dựng mặt đường bê tông asphalt trên các tuyến đường 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. 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, hình thái, đặc tính của lưu huỳnh 1.1.1.1. Khái niệm 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 tìm thấy ở dạng đơn chất hay trong các khoáng chất sulfua và sulfat. 1.1.1.2. Hình thái của lưu huỳnh Hai dạng thù hình của lưu huỳnh rắn phổ biến, ổn định nhiệt động là lưu huỳnh orthorhombic hay còn gọi là rhombic (Sα) và lưu huỳnh monoclinic (Sβ), cả hai đều được cấu tạo từ các phân tử cyclo- S8 gồm tám nguyên tử lưu huỳnh được kết nối Hình 1-6. Mô hình cấu tạo vòng của phân tử lưu huỳnh S8 trong một vòng hình vương miện (Hình 1-6). Lưu huỳnh trực giao rhombic (Sα) là dạng lưu huỳnh phổ biến nhất và ổn định đến 95,3°C. 1.1.1.3. Đặc tính của lưu huỳnh Độ nhớt của lưu huỳnh thay đổi phức tạp theo nhiệt độ (Hình 1-3). Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy (dưới 113oC), Sα và Sβ là chất rắn, màu vàng. Ở nhiệt độ 119oC, lưu huỳnh nóng chảy thành chất lỏng màu vàng, rất linh động, độ nhớt giảm. Ở nhiệt độ 155°C, độ nhớt lưu huỳnh giảm xuống mức thấp nhất (0,0065 Pa.s). Sau khoảng nhiệt độ 158oC, lưu huỳnh có màu nâu, độ nhớt của lưu huỳnh lỏng đảo chiều, tăng theo nhiệt độ và đạt tới độ nhớt tối đa khoảng 93,3 Pa.s ở nhiệt độ 187oC và lại giảm xuống mức 0,16 Pa.s khi nhiệt độ tăng đến 400oC. Sự thay đổi độ nhớt phức tạp này của lưu huỳnh lỏng được các tác giả lý giải bởi sự thay đổi cấu Hình 1-10. Sự thay đổi độ nhớt của lưu huỳnh theo nhiệt độ trúc phân tử lưu huỳnh.
3 1.1.2. Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum Khi lưu huỳnh, bitum được nung nóng và kết hợp tạo thành chất kết dính SBB, có thể xảy ra 3 loại phản ứng khác nhau: a) Lưu huỳnh liên kết hoá học với bitum. b) Lưu huỳnh hòa tan trong bitum. c) Lưu huỳnh tồn tại trong hỗn hợp dưới dạng tinh thể nhỏ rời rạc phân tán trong bitum. 1.2. Các loại bitum, lưu huỳnh dùng trong bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) Bitum có độ kim lún từ 40 - 300 (0,1mm) được ưu tiên ứng dụng trong hỗn hợp bê tông asphalt Hình 1-15. Hàm lượng lưu huỳnh hòa tan và lưu huỳnh tinh thể trong SBB – lưu huỳnh. Để hỗ trợ sản xuất bê tông asphalt cải tiến bằng các viên lưu huỳnh ở nhiệt độ thấp hơn, các loại bitum thường sử dụng ở Châu Âu có độ kim lún từ 50/70 đến 250/350 và tại Mỹ sử dụng bitum PG 46 (có độ kim lún 300/400) đến bitum PG 70 (có độ kim lún 60). Các dạng lưu huỳnh đã được nghiên cứu ứng dụng cải tiến bitum, làm phụ gia trong bê tông asphalt gồm: Lưu huỳnh nguyên chất dạng lỏng, lưu huỳnh nguyên chất dạng viên rắn và lưu huỳnh sơ chế cải tiến bằng các phụ gia. 1.3. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam 1.3.1. Các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới Từ năm 1900 đến nay việc nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt đã được triển khai trên phạm vi rộng ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Canada, Nga, Pháp, các nước Trung Đông, Trung Quốc,…. Việc sử dụng lưu huỳnh để cải tiến hoặc thay thế bitum đã được chứng minh thành công bằng cả thí nghiệm trong phòng cũng như trong thi công thực tế. Với lợi thế sẵn có và giá thành thấp của lưu huỳnh hiện nay tạo ra cơ hội thay thế vật liệu xây dựng áo đường với chi phí giảm tối đa đến 21%. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới cho thấy lưu huỳnh là một vật liệu phù hợp để thay thế một phần bitum trong BTA sử dụng cho mặt đường cấp cao, mặt đường chịu áp lực lớn như mặt đường có tải trọng giao thông nặng, nút giao thông, nhà ga hàng hóa và sân bay cũng như mặt đường toàn chiều sâu. Bê tông asphalt lưu huỳnh sản xuất với quy trình công nghệ phù hợp (giới hạn nhiệt độ) không gây độc hại cho môi trường và con người, giảm được chi phí bitum và tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải. 1.3.2. 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 a) Vật liệu lưu huỳnh tại Việt Nam Lưu huỳnh của Nhà máy lọc dầu Dung Quất được thu hồi với sản lượng khoảng 18
4 tấn/ngày đạt độ tinh khiết 99,99%. Với tiềm năng về nguyên vật liệu, BTAS có khả năng được ứng dụng trong tương lai tại Việt Nam b) Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam Trong thời gian qua, tại Phòng thí nghiệm Kiểm định trọng điểm Đường bộ, Môi trường và An toàn giao thông thuộc Công ty cổ phần UTC2, Trường Đại học Giao thông Vận tải – Phân hiệu TP. Hồ Chí Minh, PGS.TS. Nguyễn Văn Hùng và cộng sự đã có nghiên cứu bước đầu ứng dụng lưu huỳnh trong BTAS nhưng chưa sử dụng nguồn vật liệu lưu huỳnh tại Việt Nam. 1.4. Xác định vấn đề, phương pháp nghiên cứu của luận án 1.4.1. Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án Luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh khi sử dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa” tác giả tập trung vào mục tiêu sau: - Sử dụng lưu huỳnh – sản phẩm phụ của Nhà máy lọc dầu Dung Quất làm vật liệu trong nghiên cứu. - Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần hóa học của chất kết dính SBB, BTAS xác định được hình thức tồn tại của lưu huỳnh trong bitum và BTAS. - Nghiên cứu thực nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của SBB theo ngày tuổi, lựa chọn nhiệt độ trộn và đầm nén của BTAS sử dụng SBB theo từng tỉ lệ của lưu huỳnh. - Nghiên cứu thực nghiệm các chỉ tiêu cơ học của BTAS theo ngày tuổi và đề xuất ngày tuổi thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ học phục vụ cho thiết kế kết cấu áo đường mềm theo tiêu chuẩn 22TCN 211-06 và phương pháp cơ học thực nghiệm. Từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của lưu huỳnh sản xuất tại Việt Nam trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt. - Khuyến nghị công nghệ sản xuất và thi công BTAS tại Việt Nam. 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng tổng hợp các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp lý thuyết, phương pháp xác suất thống kê, phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô hình hóa. CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, HÌNH THÁI, THÀNH PHẦN HÓA HỌC, ĐẶC TÍNH CỦA CHẤT KẾT DÍNH BITUM – LƯU HUỲNH (SBB) Chương 2 tập trung vào ba nội dung nghiên cứu: (1) Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá độ tinh khiết của lưu huỳnh Dung Quất, xác định khối lượng riêng của lưu huỳnh và dạng thù hình của lưu huỳnh sẽ sử dụng trong nghiên cứu. (2) Thực nghiệm phân tích cấu trúc, hình thái, thành phần hóa học của SBB sử dụng vật liệu bitum 60/70 phối trộn với lưu huỳnh Dung Quất để từ đó thấy được thành phần hóa học của SBB, dạng tồn tại của lưu huỳnh trong bitum. (3) Thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính SBB theo ngày tuổi và so sánh với bitum 60/70, lựa chọn nhiệt độ trộn và đầm nén.
5 2.1. Chế tạo mẫu SBB 2.1.1. Lựa chọn vật liệu trong nghiên cứu Bitum 60/70 do Công ty TNHH Pertrolimex cung cấp, được lấy mẫu theo TCVN 7494:2005. Lưu huỳnh nhà máy lọc dầu Dung Quất, được sản xuất bởi Công ty TNHH một thành viên Lọc hóa dầu Bình Sơn (BSR). Thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính SBB tác giả khảo sát theo các hàm lượng lưu huỳnh 10%, 20%, 30%, 40% theo khối lượng chất kết dính SBB, mẫu được ký hiệu lần lượt là: SBB_10/90; SBB_20/80; SBB_30/70; SBB_40/60. Thực nghiệm phân tích cấu trúc, hình thái, thành phần hóa học của SBB tác giả lựa chọn hai chất kết dính: SBB_10/90 và SBB_30/70. 2.1.2. Lựa chọn nhiệt độ trộn mẫu Lựa chọn nhiệt độ trộn là 135°C để đảm bảo lưu huỳnh phân tán đều trong bitum và để hạn chế khí thải độc hại, bụi lưu huỳnh phát sinh trong quá trình trộn. 2.1.3. Lựa chọn tốc độ khuấy trộn mẫu và thời gian khuấy trộn Tốc độ khuấy trộn: 1000 vòng/phút; Sau khi lưu huỳnh cho hết vào bitum các mẫu đều được trộn khoảng 1 phút để đảm bảo lưu huỳnh phân tán hoàn toàn trong bitum. 2.1.4. Lựa chọn tuổi của mẫu thí nghiệm Mẫu được thí nghiệm ở các ngày tuổi: 0, 7, 14, 30 ngày tuổi. Mẫu ở 0 ngày tuổi là mẫu sau khi trộn được đổ vào khuôn, được bảo quản trong khuôn đến nhiệt thí nghiệm. 2.1.5. Chế tạo mẫu - Sấy bitum 60/70 trong tủ sấy đến nhiệt độ 140°C, cân bitum theo khối lượng tính toán. - Lưu huỳnh được cân theo khối lượng tương ứng với từng tỉ lệ. - Trộn bitum và lưu huỳnh, nhiệt độ trộn 135oC, tốc độ khuấy trộn 1000 vòng/phút, thời gian trộn 2-5 phút. Sản phẩm thu được là SBB. - SBB được đổ vào các khuôn thí nghiệm tương ứng với các thí nghiệm cần thực hiện. - Mẫu được bảo quản ở nhiệt độ phòng (25°C). Đến thời điểm thí nghiệm mẫu được lấy ra và tiến hành thí nghiệm theo đúng quy trình thí nghiệm. 2.2. Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần hóa học của SBB 2.2.1. Các phương pháp phân tích xác định cấu trúc, thành phần và các đặc trưng của vật liệu - Phương pháp nhiễu xạ tia X phân tích cấu trúc tinh thể lưu huỳnh (Xray Powder Diffraction - XRD). - Phương pháp quang phổ hồng ngoại xác định thành phần hóa học của chất kết dính bitum và SBB. - Phương pháp nghiên cứu hình thái của SBB bằng kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscop).
6 2.2.2. Kết quả phân tích cấu trúc tinh thể của lưu huỳnh Từ giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu lưu huỳnh Dung Quất (Hình 2-10) xuất hiện các đỉnh đặc trưng của lưu huỳnh, các Pic của mẫu thí nghiệm trùng đúng vào d(h,k,l) trên dải phổ mẫu, từ đó xác định cho thấy vật liệu nghiên cứu là lưu huỳnh tinh khiết (100%) có dạng thù hình Orthorhombic. Khối lượng riêng của lưu huỳnh là 2,067 g/cm3. 2.2.3. Kết quả thí nghiệm phân tích thành Hình 2-10. Giản đồ XRD của mẫu lưu huỳnh phần hóa học của chất kết dính SBB Dung Quất Phân tích mức độ hấp phụ năng lượng của các quang phổ hồng ngoại ứng với số sóng từ 1200-1500 cm-1 và 1500-1800 cm-1 cho thấy ở nhiệt độ trộn 1350C và thời gian trộn 2-5 phút, lưu huỳnh phân tán trong bitum, ít có sự thay đổi và không có các liên kết hóa học đáng kể hình thành giữa lưu huỳnh và các nhóm thành phần của bitum 60/70 sử dụng nghiên cứu (Hình 2-11). 2.2.4. Kết quả phân tích hình thái học của Hình 2-11. Quang phổ hồng ngoại hấp phụ của các mẫu SBB chất kết dính SBB Quan sát hình ảnh SEM của mẫu bitum 60/70 (hình 2-12) không có lưu huỳnh cho thấy cấu trúc đồng nhất. Hình ảnh cấu trúc các mẫu SBB ở 0 ngày tuổi (hình 2-13a; 2- 14a) cho thấy lưu huỳnh tồn tại dưới dạng hai pha: (1) lưu huỳnh hòa tan tạo thành giọt dạng keo trong suốt và (2) lưu huỳnh tự do tồn tại dưới dạng tinh thể trong mẫu SBB. Hình ảnh cấu trúc các mẫu SBB ở 30 ngày tuổi (Hình 2-13c; 2-14c) cho thấy sự kết tinh của các tinh thể lưu huỳnh tăng Hình 2-12. Hình ảnh SEM theo thời gian lưu trữ, thể hiện ở hình ảnh các tinh thể trên ảnh của mẫu bitum 60/70 chụp với mật độ dày đặc và tăng kích thước sau 30 ngày lưu trữ. Quan sát hình ảnh cũng cho thấy lưu huỳnh tinh thể mảnh dạng kim, tấm, có kích thước micron như tinh thể lưu huỳnh đơn hình ở dạng beta (Sβ). a) c) Hình 2-13. Hình ảnh SEM của mẫu SBB_10/90
7 Như vậy, chất kết dính SBB khi được làm mát, sự tương tác giữa bitum và lưu huỳnh đã tạo ra lưu a) b) huỳnh monoclinic - tinh thể lưu huỳnh đơn xiên ở dạng beta (Sβ). Theo hình ảnh SEM của mẫu SBB_10/90 và SBB_30/70 hàm a) c) lượng lưu huỳnh tinh thể trong Hình 2-14. Hình ảnh SEM của mẫu SBB_30/70 SBB tăng khi hàm lượng lưu huỳnh tăng và hàm lượng này tăng theo thời gian. Từ đó có thể dự đoán được tính chất cơ học của bê tông asphalt sử dụng SBB_30/70 cao hơn mẫu bê tông asphalt sử dụng SBB_10/90 và tính chất cơ học tăng theo thời gian. Lưu huỳnh tinh thể tạo hiệu quả làm đầy khoảng trống trong cốt liệu bê tông asphalt tạo thành cấu trúc quan trọng giống như việc gia cố sợi trong vật liệu composite, cải thiện độ cứng của mặt đường, làm tăng khả năng kháng lún vệt bánh xe. 2.3. Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính SBB 2.3.1. Lựa chọn các chỉ tiêu thí nghiệm Trong phạm vi luận án tác giả lựa chọn, tiến hành thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ bản và các chỉ tiêu khác theo quy định của tiêu chuẩn TCVN7493:2005 của 4 loại chất kết dính SBB: SBB_10/90; SBB_20/80; SBB_30/70; SBB_40/60 theo ngày tuổi, cụ thể: - Thí nghiệm độ kim lún: TCVN 7495:2005; ASTMD5; AASHTO T49. - Thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm của bitum: TCVN 7494-2005; ASTM D36 - Thí nghiệm độ nhớt bằng nhớt kế quay Brookfield: AASHTO T316, ASTM D 4402-02. - Thí nghiệm cắt động lưu biến DSR: TCVN 11808–2017; AASHTO T315 2.3.2. Kết quả thí nghiệm 2.3.2.1. Kết quả thí nghiệm độ kim lún Kết quả độ kim lún của các tổ hợp mẫu được đánh giá độ chụm theo ASTM C670 với giới hạn chấp nhận được quy định theo tiêu chuẩn TCVN 7495:2005 (ASTM D5). Tổng số có 49 tổ hợp mẫu thí nghiệm. Phân tích phương sai ANOVA với với mức ý nghĩa α=0,05, phân tích hậu định (post-hoc) theo phương pháp Tukey's HSD sai số các cặp Hình 2-19. Độ kim lún của các mẫu SBB theo ngày tuổi so sánh 5%, cho thấy độ kim lún của các mẫu SBB với tỷ lệ S/B khác nhau ở 0 ngày tuổi đều tăng so với mẫu bitum 60/70 ban đầu (tăng từ 1,64 đến 1,70 lần), tương đương với độ kim lún của mẫu bitum 80/100.
8 Kết quả thí nghiệm cho thấy có sự ảnh hưởng đáng kể của ngày tuổi của mẫu và hàm lượng lưu huỳnh đến giá trị độ kim lún các mẫu SBB ở 25°C. Sau 7, 14, 30 ngày tuổi, độ kim lún của các mẫu SBB đều giảm (từ 1,5-2,9 lần) so với mẫu SBB ở 0 ngày tuổi và mẫu bitum 60/70 đối chứng. Mẫu SBB_10/90 có tỉ lệ giảm nhỏ nhất. Quy luật thay đổi độ kim lún của các mẫu SBB với hàm lượng lưu huỳnh khác nhau theo ngày tuổi được lý giải do sự kết tinh của lưu huỳnh theo thời gian. Độ kim lún của các mẫu SBB ở 25°C giảm mạnh nhất sau 7 ngày tuổi, tốc độ giảm nhỏ dần ở các ngày 14 và 30, điều này là do ảnh hưởng của tốc độ kết tinh diễn ra chủ yếu trong 14 ngày đầu tiên. 2.3.2.2. Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm được đánh giá độ chụm theo ASTM C670 với giới hạn chấp nhận được quy định theo tiêu chuẩn TCVN 7495:2005 (ASTM D36). Kết quả đánh giá độ chụm của các mẫu thí nghiệm đều đạt. Tổng số có 49 tổ hợp mẫu thí nghiệm. Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ hóa mềm của các mẫu SBB với tỷ lệ S/B khác nhau ở 0 ngày tuổi đều suy Hình 2-20. Nhiệt độ hóa mềm của các mẫu SBB giảm so với mẫu bitum 60/70 ban đầu. theo ngày tuổi Phân tích phương sai ANOVA với với mức ý nghĩa α=0,05, phân tích hậu định (post- hoc) theo phương pháp Tukey's HSD sai số các cặp so sánh 5%, cho thấy có sự ảnh hưởng đáng kể của ngày tuổi và hàm lượng lưu huỳnh đến giá trị nhiệt độ hóa mềm các mẫu SBB. Nhiệt độ hóa mềm của mẫu SBB_10/90 sau 30 ngày tuổi tương đương với mẫu bitum 60/70. Mẫu SBB_20/80, SBB_30/70 và đặc biệt mẫu SBB_40/60 có nhiệt độ hóa mềm tăng cao sau 7, 14 ngày tuổi và tăng cao hơn so với bitum 60/70 từ 1,11 (4,5°C) đến 1,16 (6,8°C) lần. Nhiệt độ hóa mềm tăng mạnh nhất sau 14 ngày tuổi. Xu hướng tăng nhiệt độ hóa mềm của các mẫu SBB dự báo khả năng tăng độ ổn định Marshall, giảm lún vệt bánh xe trong mẫu bê tông asphalt sử dụng SBB. 2.3.2.3. Kết quả thí nghiệm cắt động lưu biến trên máy DSR Qua phân tích kết quả độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm của chất dính SBB theo các tỉ lệ lưu huỳnh cho thấy chất kế dính SBB_10/90 theo ngày tuổi tốc độ giảm độ kim lún và tăng nhiệt độ hóa mềm không đáng kể vì vậy trong thí nghiệm cắt động lưu biến trên máy DSR chỉ lựa chọn 3 loại chất kết dính SBB_20/80, SBB_30/70, SBB_40/60 để thực hiện thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm cho thấy, trị số G*/sinδ Hình 2-23. G*/sinδ của các mẫu SBB với tần của các mẫu SBB ở 0 ngày tuổi giảm so với số 1,59 Hz (10 rad/s) theo các ngày tuổi ở 64°C
9 mẫu bitum 60/70 và các mẫu SBB_20/80, SBB_30/70, SBB_40/60 ở 0 ngày tuổi có cấp đặc tính khai thác là PG58. Sau một khoảng thời gian, ở 7, 14, 30 ngày tuổi, do sự kết tinh của lưu huỳnh trị số G*/sinδ tăng cao (từ 2,5-3,5 lần) so với mẫu SBB ở 0 ngày tuổi và so với bitum 60/70. Xu hướng này dự báo khả năng kháng lún vệt bánh xe của hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng chất kết dính SBB sẽ cao hơn so với mẫu bitum 60/70 và khả năng này tăng theo ngày tuổi, tăng khi hàm lượng lưu huỳnh trong hỗn hợp tăng. Trị số G*/sinδ của các mẫu SBB có xu hướng tăng cao sau ở 7 ngày đầu và ổn định (tăng không đáng kể) sau 14 ngày. Theo phân cấp của AASHTO M320, dựa trên trị số G*/sinδ các mẫu SBB_20/80, SBB_30/70 ở 7, 14, 30 ngày tuổi có cấp đặc tính khai thác là PG64 và SBB_40/60 tương đương với cấp đặc tính khai thác là PG70. 2.3.2.4. Kết quả thí nghiệm xác định độ nhớt bằng nhớt kế quay Brookfield Kết quả thí nghiệm (Hình 2-24) cho thấy lưu huỳnh có hiệu quả giảm độ nhớt của SBB. Độ nhớt của các mẫu SBB giảm đáng kể so với mẫu bitum 60/70 từ 2,3-2,8 lần tùy theo tỉ lệ lưu huỳnh. Từ độ nhớt của các mẫu SBB tương ứng với 3 nhiệt độ 120°C, 135°C, 150°C thiết lập đồ thị Log đường quan hệ giữa độ nhớt – nhiệt độ theo hướng dẫn của Hình 2-24. Độ nhớt của các mẫu SBB theo nhiệt độ và tỉ lệ lưu huỳnh/bitum tiêu chuẩn ASTM 2493 (Hình 2-25). Từ đó xác định được khoảng nhiệt độ trộn và đầm nén của các mẫu SBB tương ứng khoảng độ nhớt 0,17±0,02 Pa.s và 0,28±0,03 Pa.s Hình 2-25. Biểu độ quan hệ độ nhớt – nhiệt độ của các mẫu SBB Bảng 2-4. Nhiệt độ trộn và đầm nén của hỗn hợp BTAS và BTA 12,5 Khoảng Chất kết dính nhiệt độ (°C) SBB_10/90 SBB_20/80 SBB_30/70 SBB_40/60 Bitum 60/70 Trộn mẫu 132÷137 129÷134 128÷133 126÷131 147÷151 Đầm mẫu 121 ÷ 126 119 ÷ 123 118 ÷ 122 116 ÷ 120 137 ÷ 141 Theo kết quả độ nhớt của SBB cho thấy nhiệt độ trộn và đầm nén của BTAS giảm so với BTA sử dụng bitum 60/70 từ 15–20°C. Nhiệt độ trộn và đầm nén này tương đương nhiệt độ trộn và đầm nén của bê tông asphalt ấm (WMA).
10 2.3.2.5. Một số kết quả thí nghiệm chỉ tiêu kỹ thuật khác của chất kết dính SBB Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật khác của chất kết dính SBB được tổng hợp như bảng 2-5 sau. Bảng 2-5. Bảng kết quả thí nhiệm một số chỉ tiêu kỹ thuật của chất kết dính SBB 2.4. Kết luận chương 2  Theo phân tích phổ FI/TR, hợp chất hóa học mới không hình thành trong chất kết dính SBB sử dụng bitum 60/70 và lưu huỳnh Dung Quất, ở nhiệt độ trộn 135°C, tốc độ trộn 1000 vòng/phút, thời gian trộn 2-5 phút.  Theo ảnh SEM quan sát được hàm lượng lưu huỳnh kết tinh trong SBB tăng theo hàm lượng lưu huỳnh và tăng theo ngày tuổi. Chất kết dính SBB khi được làm mát, sự tương tác giữa bitum và lưu huỳnh đã tạo ra hỗn hợp chứa lưu huỳnh monoclinic - tinh thể lưu huỳnh đơn xiên ở dạng beta (Sβ).  Chất kết dính SBB theo các tỉ lệ lưu huỳnh/ bitum, ở 0 ngày tuổi có độ kim lún tăng, nhiệt độ hóa mềm, độ nhớt Brookfield, trị số G*/sinδ giảm so với mẫu bitum 60/70.  Các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính SBB với các hàm lượng lưu huỳnh trong hỗn hợp từ 10-40%, đều thay đổi theo ngày tuổi, đặc biệt khi hàm lượng lưu huỳnh cao (30- 40%). Các chỉ số đều thay đổi đáng kể ở 7 ngày đầu, ổn định sau 14 ngày tuổi và thay đổi theo hướng có lợi: độ kim lún giảm, nhiệt độ hóa mềm tăng, trị số G*/sinδ (hệ số kháng lún vệt bánh xe) tăng. Kết quả dự báo khả năng kháng lún vệt bánh xe của hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng chất kết dính SBB cao hơn hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng bitum 60/70.  Theo phân cấp của AASHTO M320, dựa trên trị số G*/sinδ các mẫu SBB_20/80, SBB_30/70 ở 7, 14, 30 ngày tuổi có cấp đặc tính khai thác là PG64 và SBB_40/60 tương đương với cấp đặc tính khai thác là PG70  Lợi ích của lưu huỳnh không thể được chứng minh chỉ trong SBB vì SBB là hỗn hợp không đồng nhất và không có sự tái cấu trúc trong SBB giống như trong BTAS. Vì vậy cần đánh giá lợi ích của lưu huỳnh trong BTAS theo ngày tuổi của mẫu.  Kết quả thí nghiệm độ nhớt của SBB cho thấy nhiệt độ trộn và đầm nén của hỗn hợp BTAS sử dụng SBB thấp hơn từ 15-20°C so với hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng bitum 60/70 và tương đương với nhiệt độ trộn, đầm nén của bê tông asphalt ấm do đó giúp hạn chế sự hình thành khí H2S trong quá trình sản xuất và thi công.
11 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI LÀM PHỤ GIA CHO BÊTÔNG ASPHALT Chương 3 tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh khi được sử dụng làm phụ gia cho BTA theo nội dung sau: (1) Thiết kế thành phần hỗn hợp bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) và BTA đối chứng; (2) Nghiên cứu thực nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của BTAS (độ ổn định, độ dẻo Marshall, mô đun đàn hồi tĩnh, cường độ kéo uốn, khả năng kháng nứt, mô đun đàn hồi động) và so sánh đối chiếu với BTA đối chứng. Các chỉ tiêu cơ lý được đánh giá theo ngày tuổi của mẫu. (3) Xây dựng đường cong chủ mô đun động của BTAS, mô hình hóa đường cong chủ mô đun động của BTAS để xác định mô đun động ở nhiệt độ và tần số bất kỳ. 3.1. Thiết kế thành phần hỗn hợp BTAS và BTA đối chứng Theo kết quả nghiên cứu ở Chương 2, các chỉ tiêu kỹ thuật thay đổi theo hướng có lợi sau 14 ngày tuổi nhất là đối với chất kết dính SBB_30/70 và SBB_40/60. Vì vậy với mục tiêu nghiên cứu nâng cao chất lượng hỗn hợp bê tông asphalt sao cho loại hỗn hợp này có cường độ cao và ổn định ở nhiệt độ cao, tăng khả năng chống biến dạng, tác giả lựa chọn hai loại chất kết dính SBB_30/70 và SBB_40/60 cho bê tông asphalt – lưu huỳnh. Hai loại BTAS được ký hiệu lần lượt là Hình 3-1. Đường cong cấp phối BTA 12,5 thiết kế BTAS_30/70 và BTAS_40/60. Nghiên cứu chỉ thực hiện với một loại bê tông asphalt (BTA) là BTA có đường kính hạt lớn nhất danh định 12,5mm. Mẫu đối chứng là BTA12,5 sử dụng bitum 60/70. Hỗn hợp BTAS và BTA12,5 đối chứng được thiết kế thành phần theo phương pháp Marshall có thành phần cấp phối tuân thủ theo Hướng dẫn ban hành kèm theo Quyết định số 858/QĐ-BGTVT năm 2014. Chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu đối với BTA12,5 tuân thủ theo Quyết định số 858/QĐ-BGTVT cũng được áp dụng cho BTAS. Hàm lượng chất kết dính SBB cần thiết theo khối lượng hỗn hợp bê tông asphalt được tính bằng công thức (3.1): 100 AR (3.1) SBB(%)  100 R  Ps ( R  Ga ) Trong đó: A : hàm lượng chất kết dính bitum (%) trong thiết kế hỗn hợp BTA thông thường; R : Tỉ lệ khối lượng riêng của lưu huỳnh và bitum (Gs/Ga  2); Ps : Hàm lượng lưu huỳnh trong chất kết dính SBB (%); Gs: Khối lượng riêng của lưu huỳnh ở nhiệt độ môi trường; Ga: Khối lượng riêng của bitum ở nhiệt độ môi trường.
12 Nhiệt độ trộn của BTAS là 135°C và nhiệt độ đầm nén là 125°C. Hỗn hợp BTA12,5 đối chứng trộn ở 155°C và đầm mẫu ở 145°C. Khoảng giá trị hàm lượng chất kết dính tối ưu của BTAS và BTA được lựa chọn tương ứng với độ rỗng dư của hỗn hợp nằm trong khoảng từ Va= 4,5%-5%. Bảng 3-3. Hàm lượng chất kết dính tối ưu của các hỗn hợp BTA, BTAS Loại Bê tông Hàm lượng CKD tối ưu (%) STT Loại chất kết dính asphalt CKD Bitum Lưu huỳnh 1 Bitum 60/70 BTA 4,5 4,5 0 2 SBB_30/70 BTAS_30/70 5,62 3,94 1,68 3 SBB_40/60 BTAS_40/60 6,08 3,65 2,43 3.2. Chế tạo mẫu BTAS Quy trình trộn mẫu trong phòng thí nghiệm đối với hỗn hợp BTAS: Cốt liệu được ủ ở nhiệt độ 135°C qua đêm (tối thiểu 12 giờ); đặt nhiệt độ thùng trộn đến 135°C; trộn cốt liệu khô trong 30 giây; cân bitum và lưu huỳnh; chế tạo chất kết dính SBB (theo hướng dẫn mục 2.1.5 ); trộn cốt liệu và SBB trong 1 phút; Hỗn hợp sau khi trộn được ủ ở nhiệt độ 125°C trong 2 tiếng trước khi đầm mẫu; chế tạo mẫu BTAS. Quy trình chế tạo mẫu BTAS tương tự như mẫu BTA thông thường, chỉ khác ở bước chế tạo chất kết dính SBB. 3.3. Nghiên cứu cấu trúc vi mô của BTAS b) c)c) Hình 3-2. Kết quả chụp SEM (b) và phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (c) mẫu BTAS_30/70 sau 14 ngày Phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) của mẫu BTAS (Hình 3-2) cho thấy vùng màu trắng trong mẫu BTAS là thành phần nguyên tố lưu huỳnh (S). Như vậy, sau 14 ngày tuổi lưu huỳnh tinh thể kết tinh rời rạc trong cấu trúc của mẫu BTAS. Tinh thể lưu huỳnh có hình dạng tấm, với kích thước micron là tinh thể lưu huỳnh đơn xiên ở dạng beta (Sβ). 3.4. Độ ổn định, độ dẻo Marshall và độ ổn định còn lại của BTAS và BTA 12,5 3.4.1. Kết quả thí nghiệm Marshall và phân tích Kết quả thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall được đánh giá độ chụm theo yêu cầu về độ biến động trong ASTM D6927-15 và hệ số biến sai ứng với số mẫu quy định trong ASTM C670. Trị số độ ổn định Marshall của các mẫu thí nghiệm đều ≥8,0KN và trị số
13 độ dẻo đều nằm trong khoảng 1,5÷4 thỏa mãn quy định của Quyết định 858/QĐ- BGTVT. Kết quả phân tích ANOVA cho thấy kết quả thực nghiệm các yếu tố đầu vào và tính tương tác của chúng đều ảnh hưởng đến độ ổn định và độ dẻo Marshall có ý nghĩa thống kê. Độ ổn định Marshall của BTAS_30/70 và BTAS_40/60 thử nghiệm sau 1 ngày tuổi có giá trị trung bình thấp hơn so với BTA thông thường (Hình 3-8 ). Tuy nhiên, phân Hình 3-8. Độ ổn định Marshall của BTAS tích ANOVA chỉ ra sự khác biệt này không có ý nghĩa thống kê (F=1,44; p=0,269 > α=0,05). Độ ổn định Marshall, các mẫu BTAS_30/70 BTAS_40/60 tăng theo ngày tuổi và ổn định sau 14 ngày tuổi. Độ ổn định Marshall các mẫu BTAS sau 28 ngày tuổi cao hơn so với BTA12,5 thông thường từ 20% đến 33%. Độ dẻo Marshall mẫu BTAS_30/70, BTAS_40/60 giảm dần theo thời gian tuổi, Hình 3-11. Độ dẻo Marshall của BTAS ổn định sau mốc 14 ngày tuổi. Độ dẻo Marshall của BTAS giảm so với BTA thông thường từ 17% đến 23% Thiết lập phương trình hồi quy bậc 2 quan hệ giữa độ ổn định, độ dẻo Marshall với tỉ lệ lưu huỳnh, ngày tuổi như sau: Độ ổn định (kN) = 7.097 + 0.0837 Tỷ lệ S + 0.3002 Tuổi - 0.00619 Tuổi*Tuổi Độ dẻo (mm) = 4.213 - 0.01667 Tỷ lệ S - 0.1072 Tuổi + 0.002458 Tuổi*Tuổi Sự thay đổi giá trị của các thông số Marhall theo thời gian (tăng độ ổn định, giảm độ dẻo) là do sự kết tinh của lưu huỳnh trong cấu trúc của BTAS trong cấu trúc vữa nhựa và lỗ rỗng BTAS đã phát huy hiệu quả gia cường rời rạc BTAS, dẫn đến tăng khả năng chịu lực, tăng độ cứng và giảm biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực. Như vậy qua khảo sát độ ổn định, độ dẻo Marshall theo tỉ lệ lưu huỳnh, ngày tuổi cho thấy sau khoảng 7 đến 14 ngày, mẫu BTAS có các thông số Marshall phát triển đầy đủ, ổn định mốc 14 ngày tuổi. Vì vậy để đánh giá ảnh hưởng của lưu huỳnh đối với BTA, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ học tiếp theo tác giả thực hiện ở 1 và 14 ngày tuổi của mẫu. 3.4.2. Độ ổn định còn lại Độ ổn định Marshall còn lại của các mẫu BTA, BTAS_30/70 và BTAS_40/60 được thực hiện ở mốc 1 ngày và 14 ngày tuổi. Độ ổn định Marshall còn lại của các mẫu BTAS được cải thiện rõ rệt theo ngày tuổi. Ở 1 ngày tuổi, độ ổn định Marshall còn lại các mẫu BTAS_30/70 và BTAS_40/60 thấp hơn so với BTA đối chứng. Sau 14 ngày tuổi, quá
14 trình kết tinh của lưu huỳnh tinh thể tương đối hoàn thành, cấu trúc BTAS ổn định, độ ổn định Marshall còn lại của các mẫu BTAS cao hơn so với BTA đối chứng (92,05% và 94,12% so với 88,89%). 3.5. Khả năng kháng lún vệt bánh xe Khả năng kháng lún vệt bánh xe được thí nghiệm theo phương pháp C, A của Quy định kỹ thuật ban hành kèm theo Quyết Hình 3-13. Biểu đồ độ ổn định Marshall còn lại định số 1617/QĐ-BGTVT năm 2014. 3.5.1. Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp C BTAS ở 2 ngày tuổi (BTAS_30/70_2 và BTAS_40/60_2), 14 ngày tuổi (BTAS_30/70_14 và BTAS_40/60_14) và mẫu BTA12,5 đối chứng đều có độ ổn định động DS ≥ 1000 đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tại Quyết định 1617/QĐ-BGTVT (Bảng 3-9). Sau 14 ngày tuổi chiều sâu lún vệt bánh xe (RD) của các mẫu BTAS giảm đáng kể so với BTAS ở 2 ngày tuổi và mẫu BTA đối chứng. Tham số DS cao và RD nhỏ cho thấy tốc độ biến dạng của mẫu BTAS nhỏ hơn BTA chứng tỏ khả năng kháng cắt (lún vệt bánh xe) của BTAS cao hơn rất nhiều so với mẫu BTA đối chứng, kết quả này là do lưu huỳnh tinh thể kết tinh trong BTAS sẽ gia cường trong khoảng trống của cốt liệu sẽ tăng cường ma sát trong cấu trúc khung của cốt liệu, tăng độ bền cắt, độ ổn định nhiệt độ cao của hỗn hợp. Bảng 3-1. Kết quả thí nghiệm xác định độ ổn định động của BTAS và BTA12,5 Bảng 3-9. Kết quả thí nghiệm xác định độ ổn định động của BTAS và BTA12,5 STT Thông tin Loại mẫu 1 Ký hiệu mẫu BTA_12,5 BTAS_30/70_2 BTAS_30/70_14 BTAS_40/60_2 BTAS_40/60_14 2 Chiều dày trung bình, mm 50 Chế bị mẫu bằng đầm lăn tuân theo tiêu chuẩn EN - 12697-33 Phương pháp chế bị mẫu 3 Phụ lục C, quy định kỹ thuật ban hành theo QĐ số 1617/QĐ - BGTVT 4 Ngày đúc mẫu 8/8/2018 9/8/2018 9/8/2018 10/8/2018 10/8/2018 5 Ngày thí nghiệm 10/8/2018 11/8/2018 23/8/2018 12/8/2018 24/8/2018 Bảo dưỡng 48h trong Bảo dưỡng 48h trong Bảo dưỡng 14 ngày Bảo dưỡng 48h trong Bảo dưỡng 14 ngày phòng thí nghiệm ở phòng thí nghiệm ở trong phòng thí phòng thí nghiệm ở trong phòng thí 6 Tuổi mẫu và điều kiện bảo quản nhiệt độ 25 oC nhiệt độ 25 oC nghiệm ở nhiệt độ 25 nhiệt độ 25 oC nghiệm ở nhiệt độ 25 7 Nhiệt độ thí nghiệm, OC 60 8 Mẫu thí nghiệm M1 M2 M1 M2 M1 M2 M1 M2 M1 M2 9 Độ sâu vệt hằn bánh xe tại 45 phút, mm 2,53 2,22 2,94 2,86 0,92 0,98 2,63 2,71 0,88 0,9 10 Độ sâu vệt hằn bánh xe tại 60 phút, mm 2,92 2,57 3,36 3,34 1,01 1,08 3,03 3,07 0,96 0,99 11 Độ ổn định DS, lần/mm 1292 1440 1500 1313 5600 5040 1575 1750 6300 5600 12 Độ ổn định DS trung bình, lần/mm 1366 1406 5320 1663 5950 Yêu cầu kỹ thuật theo QĐ1617/QĐ- DS ≥ 1000 lượt/mm 13 BGTVT 3.5.2. Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp A Kết quả thí nghiệm cho thấy khi số chu kỳ tăng lên 10000 lượt đối với BTAS_30/70 và 6000 lượt đối với BTAS_40/60 chiều sâu lún vệt bánh xe của mẫu BTAS tăng nhanh, nguyên nhân do các tinh thể lưu huỳnh được hình thành trong các mẫu trước khi thí nghiệm (xem hình 3-2) thường bị phá hủy hoặc bị vỡ trong quá trình chịu tác động của
15 tải trọng bánh xe trong môi trường nước. Cường độ (đặc biệt khả năng kháng cắt) của các mẫu BTAS có được thông qua việc thiết lập một mạng tinh thể lưu huỳnh trong khoảng trống cốt liệu và chất kết dính, có khả năng cường độ này sẽ giảm khi mạng đó bị Hình 3-16. Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh hư hại do sự có mặt của nước. Vì vậy BTAS xe của mẫu BTA12,5 theo phương pháp A không thích hợp làm việc trong môi trường thường xuyên bão hòa nước. Hình 3-17. Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe Hình 3-18. Thí nghiệm chiều sâu vệt lún bánh xe của mẫu BTAS_30/70_14 theo phương pháp A của mẫu BTAS_40/60_14 theo phương pháp A 3.6. Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS và BTA12,5 Mô đun đàn hồi tĩnh được thí nghiệm theo Phụ lục C, 22TCN 211-06 ở 3 trạng thái nhiệt độ 150C, 300C và 600C. Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS cao hơn đáng kể so với BTA: ở 15°C E tĩnh trung bình của BTAS_30/70, BTAS_40/60 cao hơn so với BTA lần lượt là 1,04 và 1,12 lần tuy nhiên ở 30°C E tĩnh của BTAS_30/70, Hình 3-24. Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS và BTA BTAS_40/60 cao hơn BTA lần lượt 1,62 và 2,32 lần; ở 60°C E tĩnh của BTAS_30/70, BTAS_40/60 cao hơn BTA lần lượt là 2,57 và 2,79 lần. Thiết lập phương trình hồi quy bậc 2 quan hệ giữa mô đun đàn hồi tĩnh với tỉ lệ lưu huỳnh, nhiệt độ như sau: E tĩnh (MPa) = 1559.3 + 2.59 Tỷ lệ S - 53.22 Nhiệt độ + 0.5107 Nhiệt độ*Nhiệt độ + 0.1525 Tỷ lệ S*Nhiệt độ 3.7. Cường độ kéo uốn của BTAS và BTA Cường độ kéo uốn của các mẫu BTA được xác định thông qua thử nghiệm cường độ ép chẻ (kéo gián tiếp của mẫu BTA) theo TCVN 8862:2011: Rku = Kn . Rke Trong đó: - Rke: Cường độ khi ép chẻ, Mpa Hình 3-26. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ của BTAS và BTA đối chứng
16 - Kn: Hệ số quan hệ thực nghiệm giữa hai loại cường độ, Kn = 2. Mẫu BTAS_30/70 có cường độ chịu kéo khi ép chẻ (Cường độ chịu kéo khi uốn) lớn hơn mẫu BTAS_40/60 và BTA lần lượt là 11,4% và 14,5%. 3.8. Khả năng kháng nứt của BTAS và BTA Thí nghiệm được thực hiện theo hướng dẫn của tiêu chuẩn ASTM D8225-19. BTAS_30/70 và BTAS_40/60 có chỉ số CTIndex đều lớn hơn so với giá trị tham khảo của Sở GTVT Bang OKLAHOMA (CTindex ≥80) BTAS_30/70 và BTAS_40/60 có chỉ số CTIndex thấp hơn lần lượt là 60,9% và 71,84% so với hỗn hợp BTA12,5 đối Hình 3-33. Kết quả thí nghiệm CTIndex của chứng. Kết quả này cho thấy khi thay thế một BTAS và BTA phần bitum bằng lưu huỳnh trong hỗn hợp hàm lượng bitum trong hỗn hợp giảm đi đồng thời sau thời gian tuổi (14 ngày) lưu huỳnh tinh thể kết tinh trong BTAS làm giảm khả năng kháng nứt của BTAS. Hàm lượng lưu huỳnh càng cao thì khả năng kháng nứt càng giảm. 3.9. Mô đun động của BTAS và BTA 3.9.1. Kết quả thí nghiệm và phân tích Hình 3-40. Biểu đồ mô đun động của BTA Hình 3-41. Biểu đồ mô đun động của BTAS_30/70
17 Từ kết quả thí nghiệm cho thấy ở cùng một nhiệt độ, khi tần số tăng lên thì |E*| cũng tăng còn nếu ở cùng một tần số, khi nhiệt độ tăng lên thì |E*| giảm đi rất nhanh. Ở khoảng nhiệt độ cao (40°C ÷ 60°C) |E*| của mẫu BTAS đều lớn hơn BTA. Ở nhiệt độ cao 60°C và tần số thấp |E*| của BTAS_30/70, BTAS_40/60 lớn gấp 1,4 và 1,7 lần |E*| của BTA. Hình 3-42. Biểu đồ mô đun động của BTAS_40/60 3.9.2. Xây dựng đường cong chủ mô đun động của BTAS và BTA `Đường cong chủ |E*| là đường cong đặc trưng cho tính chất đàn nhớt của vật liệu BTN trong một vùng rộng của tần số và nhiệt độ. Đường cong chủ |E*| của BTA được xây dựng từ quy tắc tương quan tần số - nhiệt độ (Hình 3-44 ). Nó được sử dụng để dự đoán |E*| ở các tần số tải và nhiệt độ khác nhau. Hình 3-44. Đường cong chủ |E*| của BTA, 3.9.3. Mô hình hóa mô đun động của BTAS_30/70, BTAS_40/60 ở nhiệt độ tham chiếu 30°C BTAS và BTA bằng mô hình 2S2P1D Mô hình 2S2P1D được xây dựng và đề xuất bởi Olard, F., & Di Benedetto. Mô hình này gồm 7 thông số đầu vào (E00, E0, δ, β, τ, k và h) cần thiết để mô hình hóa đặc tính đàn nhớt tuyến tính của bitum và BTA. * Đánh giá sự phù hợp của mô hình 2S2P1D với kết quả thí nghiệm: Phương Hình 3-47. Mô hình hóa đường cong chủ |E*| pháp mức độ phù hợp (Goodness of Fit) để của BTAS và BTA đánh giá mức độ phù hợp của mô hình 2S2P1D với số liệu đo |E*| của BTA trong nghiên cứu. Kết quả trong Bảng 3-17 cho thấy, mô hình 2S2P1D phù hợp để mô phỏng đường cong chủ |E*| của cả BTAS_30/70, BTAS_40/60 và BTA.