Cốt Liệu Bê Tông Tái Chế Được Ổn Định Bằng Nước Cao Su Tự Nhiên Làm Vật Liệu Cơ Sở Đường Bê Tông

Nghiên cứu về việc sử dụng cao su tự nhiên và bê tông tái chế làm vật liệu nền cho mặt đường, mang lại lợi ích bền vững cho xây dựng.

• Tác giả: Nhieu Vinh Duong
• Người hướng dẫn: Asst. Menglim Hoy
• Trường học: Suranaree University of Technology
• Chuyên ngành: Civil, Transportation and Geo-resources Engineering
• Đề tài: Cement - Natural Rubber Latex Stabilized Recycled Concrete Aggregate As A Pavement Base Material
• Loại tài liệu: Thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Nakhon Ratchasima

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENTS
• ABSTRACT (THAI)
• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• SYMBOLS AND ABBREVIATIONS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Statement of the problem
• 1.2. Objectives of the study
• 1.3. Structure of thesis
• 1.4. Ordinary Portland cement (OPC)
• 1.4.1. Chemical composition of OPC
• 1.4.2. Physical and mechanical properties of OPC
• 1.4.3. Cement hydration reactions
• 1.4.4. Cement hydration products
• 1.5. Recycled concrete aggregate (RCA)
• 1.5.1. Geotechnical properties of RCA
• 1.5.2. Chemical compositions of RCA
• 1.6. Natural rubber latex (NRL)
• 2. Flexible pavement structure
• 2.1. Pavement subgrade material
• 2.2. Pavement subbase layer
• 2.3. Pavement base layer
• 2.4. Critical stresses/strains
• 2.5. Cement stabilized RCA in pavement base applications
• 2.5.1. Unconfined compressive strength (UCS)
• 2.5.2. Indirect tensile strength (ITS)
• 2.5.3. Permanent deformation characteristics
• 2.6. Cement-natural rubber latex composite
• 3. CEMENT-NATURAL RUBBER LATEX STABILIZED RECYCLED CONCRETE AGGREGATE AS A PAVEMENT BASE MATERIAL
• 3.1. Statement of the problem
• 3.2. Materials and sample preparation
• 3.3. Laboratory experimental programs
• 3.3.1. Basic laboratory tests of recycled concrete aggregate
• 3.3.2. Modified Proctor compaction test
• 3.3.3. Unconfined compressive strength test
• 3.3.4. Indirect tensile strength test
• 3.3.5. Scanning electron microscope
• 3.4. Result and discussion
• 3.4.1. Basic laboratory tests of recycled concrete aggregate
• 3.4.2. Modified Proctor compaction test
• 3.4.3. Unconfined compressive strength test
• 3.4.4. Indirect tensile strength test
• 3.4.5. Scanning electron microscopic images
• 4. STIFFNESS AND FATIGUE PERFORMANCE EVALUATION OF CEMENT-NATURAL RUBBER LATEX STABILIZED RECYCLED CONCRETE AGGREGATE
• 4.1. Statement of the problem
• 4.2. Materials and sample preparation
• 4.3. Laboratory experimental programs
• 4.3.1. Indirect tensile resilient modulus (IT Mr) test
• 4.3.2. Indirect tensile fatigue (ITF) test
• 4.3.3. Rutting susceptibility test using Hamburg wheel tracking device (HWTD)
• 4.4. Result and discussion
• 4.4.1. Indirect tensile resilient modulus
• 4.4.2. Indirect tensile fatigue
• 5. INFLUENCE OF WETTING - DRYING CYCLES ON MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF CEMENT - NATURAL RUBBER LATEX STABILIZED RECYCLED CONCRETE AGGREGATE
• 5.1. Statement of the problem
• 5.2. Materials and sample preparation
• 5.3. Laboratory experimental programs
• 5.3.1. Wetting and drying cycles
• 5.3.2. Unconfined compression test
• 5.3.3. Microstructural morphology by FESEM/EDS
• 5.4. Result and discussion
• 5.4.1. Effect of wetting-drying cycles on the weight change
• 5.4.2. Effect of wetting-drying cycles on unconfined compressive strength
• 5.4.3. Effect of wetting-drying cycles on the stress-strain relationship
• 5.4.4. Effect of wetting-drying cycles on elastic modulus
• 5.4.5. Effect of wetting-drying cycles on microstructure and crack propagation process
• 6. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• 6.1. Natural rubber latex as a polymer to improve the mechanical properties of cement stabilized RCA for pavement base application
• 6.2. Natural rubber latex is used as an additive to enhance the dynamic mechanical properties of cement stabilized RCA
• 6.3. Natural rubber latex strengthens the durability against cyclic wet and dry seasons of cement stabilized RCA
• 6.4. Recommendations for future work
• List of publications
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• SYMBOLS AND ABBREVIATIONS
• DECLARATION

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Công Nghệ Bê Tông Tái Chế và Nước Cao Su

Trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày càng khan hiếm và vấn đề ô nhiễm môi trường trở nên cấp bách, việc tìm kiếm các giải pháp xây dựng bền vững là vô cùng quan trọng. Công nghệ bê tông tái chế nổi lên như một hướng đi đầy tiềm năng, giúp giảm thiểu lượng chất thải xây dựng và giảm sự phụ thuộc vào khai thác tài nguyên. Một trong những phương pháp cải tiến cốt liệu bê tông tái chế hiệu quả là sử dụng nước cao su tự nhiên. Nước cao su tự nhiên không chỉ cải thiện tính chất cơ lý của bê tông mà còn góp phần tạo ra bê tông thân thiện môi trường. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh của công nghệ này, từ tổng quan đến ứng dụng thực tiễn, nhằm cung cấp cái nhìn toàn diện về tiềm năng của nó trong ngành xây dựng.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Bê Tông Tái Chế và Ứng Dụng

Bê tông tái chế là vật liệu xây dựng được sản xuất từ phế thải bê tông, thông qua quá trình nghiền, sàng lọc và xử lý. Ưu điểm của bê tông tái chế bao gồm giảm thiểu chất thải xây dựng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và giảm phát thải CO2. Bê tông tái chế được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực xây dựng, từ đường xá, vỉa hè đến các công trình dân dụng và công nghiệp. Tuy nhiên, bê tông tái chế cũng có những nhược điểm nhất định, như độ bền thấp hơn so với bê tông thông thường, đòi hỏi các biện pháp cải tiến để đảm bảo chất lượng công trình.

1.2. Vai Trò Của Nước Cao Su Tự Nhiên Trong Cải Tiến Bê Tông

Nước cao su tự nhiên (NRL) là một loại polymer tự nhiên được chiết xuất từ cây cao su. Ứng dụng nước cao su tự nhiên trong xây dựng, đặc biệt là trong công nghệ bê tông, đã được nghiên cứu và chứng minh mang lại nhiều lợi ích. Nước cao su tự nhiên có khả năng cải thiện độ bám dính giữa cốt liệu và xi măng, tăng cường độ bền, giảm thiểu nứt và tăng khả năng chống thấm của bê tông. Ngoài ra, nước cao su tự nhiên còn giúp tạo ra bê tông xanh, thân thiện với môi trường.

II. Thách Thức và Giải Pháp Với Cốt Liệu Bê Tông Tái Chế

Cốt liệu bê tông tái chế (RCA) mặc dù mang lại nhiều lợi ích về môi trường và kinh tế, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức về chất lượng. Vấn đề chính của cốt liệu bê tông tái chế là độ bền thấp, khả năng hấp thụ nước cao và chứa nhiều tạp chất. Điều này ảnh hưởng đến độ bền bê tông tái chế và tuổi thọ của công trình. Để giải quyết những thách thức này, cần có các giải pháp công nghệ hiệu quả, trong đó việc sử dụng nước cao su tự nhiên là một lựa chọn đầy hứa hẹn. Nghiên cứu bê tông tái chế cho thấy việc kết hợp nước cao su tự nhiên giúp cải thiện đáng kể các tính chất của cốt liệu bê tông tái chế.

2.1. Các Vấn Đề Về Chất Lượng Của Cốt Liệu Bê Tông Tái Chế

Cốt liệu bê tông tái chế thường có độ bền thấp hơn so với cốt liệu tự nhiên do quá trình nghiền và tái chế có thể gây ra các vết nứt và hư hỏng. Khả năng hấp thụ nước cao của cốt liệu bê tông tái chế cũng là một vấn đề đáng quan tâm, vì nó có thể ảnh hưởng đến quá trình hydrat hóa của xi măng và làm giảm độ bền của bê tông. Ngoài ra, cốt liệu bê tông tái chế thường chứa nhiều tạp chất, như gạch, gỗ, nhựa, có thể ảnh hưởng đến chất lượng và độ bền bê tông tái chế.

2.2. Giải Pháp Cải Thiện Nước Cao Su Tự Nhiên và Phụ Gia

Để cải thiện chất lượng của cốt liệu bê tông tái chế, có thể sử dụng nhiều giải pháp khác nhau, bao gồm xử lý cơ học, hóa học và sử dụng phụ gia. Nước cao su tự nhiên là một loại phụ gia hiệu quả, giúp cải thiện độ bám dính giữa cốt liệu và xi măng, tăng cường độ bền và giảm thiểu nứt. Ngoài ra, có thể sử dụng các loại phụ gia khác, như silica fume, tro bay, để cải thiện tính chất của bê tông tái chế.

III. Phương Pháp Cải Tiến Cốt Liệu Bằng Nước Cao Su Tự Nhiên Latex

Việc sử dụng nước cao su tự nhiên latex trong công nghệ bê tông tái chế đòi hỏi một quy trình cụ thể để đảm bảo hiệu quả tối ưu. Quy trình sản xuất bê tông tái chế cải tiến bằng nước cao su tự nhiên bao gồm các bước: lựa chọn cốt liệu bê tông tái chế, xử lý cốt liệu, trộn nước cao su tự nhiên với xi măng và cốt liệu, và cuối cùng là đúc và bảo dưỡng bê tông. Tỷ lệ phối trộn nước cao su tự nhiên cần được điều chỉnh phù hợp với từng loại cốt liệu và yêu cầu kỹ thuật của công trình. Cơ chế tác động của nước cao su tự nhiên lên bê tông là tạo ra một lớp màng polymer bao phủ cốt liệu, giúp tăng cường độ bám dính và giảm thiểu sự xâm nhập của nước.

3.1. Tỷ Lệ Phối Trộn Bê Tông Tái Chế và Nước Cao Su Tự Nhiên

Tỷ lệ phối trộn bê tông tái chế và nước cao su tự nhiên là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của bê tông. Tỷ lệ này cần được xác định dựa trên các thí nghiệm và nghiên cứu cụ thể, tùy thuộc vào loại cốt liệu, loại xi măng và yêu cầu kỹ thuật của công trình. Thông thường, tỷ lệ nước cao su tự nhiên dao động từ 5% đến 15% so với khối lượng xi măng.

3.2. Công Nghệ Xử Lý Cốt Liệu Bê Tông Tái Chế Trước Khi Trộn

Trước khi trộn với nước cao su tự nhiên và xi măng, cốt liệu bê tông tái chế cần được xử lý để loại bỏ tạp chất và cải thiện độ sạch. Công nghệ xử lý cốt liệu bê tông tái chế bao gồm các bước: nghiền, sàng lọc, rửa và phân loại. Quá trình này giúp loại bỏ các tạp chất như gạch, gỗ, nhựa và bụi bẩn, đồng thời phân loại cốt liệu theo kích thước, đảm bảo chất lượng của bê tông.

IV. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu Về Bê Tông Tái Chế

Bê tông tái chế cải tiến bằng nước cao su tự nhiên đã được ứng dụng trong nhiều dự án xây dựng trên thế giới, từ đường xá, vỉa hè đến các công trình dân dụng và công nghiệp. Ứng dụng thực tế bê tông tái chế cho thấy vật liệu này có khả năng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và mang lại nhiều lợi ích về kinh tế và môi trường. Nghiên cứu bê tông tái chế cũng chứng minh rằng việc sử dụng nước cao su tự nhiên giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ lý của bê tông, như độ bền, độ dẻo và khả năng chống thấm. Độ bền bê tông tái chế được cải thiện đáng kể khi sử dụng nước cao su tự nhiên.

4.1. Bê Tông Tái Chế Trong Xây Dựng Đường Xá và Hạ Tầng Giao Thông

Bê tông tái chế là một vật liệu lý tưởng để xây dựng đường xá và hạ tầng giao thông, nhờ khả năng chịu tải cao và độ bền tốt. Việc sử dụng bê tông tái chế trong xây dựng đường xá giúp giảm thiểu chi phí xây dựng, giảm sự phụ thuộc vào khai thác tài nguyên thiên nhiên và giảm phát thải CO2. Nhiều quốc gia trên thế giới đã áp dụng bê tông tái chế trong xây dựng đường xá, mang lại những kết quả tích cực.

4.2. Nghiên Cứu Về Độ Bền Bê Tông Tái Chế và Nước Cao Su Tự Nhiên

Nhiều nghiên cứu bê tông tái chế đã được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của nước cao su tự nhiên đến độ bền bê tông tái chế. Các nghiên cứu này cho thấy rằng việc sử dụng nước cao su tự nhiên giúp tăng cường độ bền nén, độ bền uốn và độ bền kéo của bê tông. Ngoài ra, nước cao su tự nhiên còn giúp cải thiện khả năng chống thấm và giảm thiểu nứt của bê tông.

V. Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Công Nghệ Bê Tông Tái Chế

Công nghệ bê tông tái chế mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với bê tông thông thường, bao gồm giảm thiểu chất thải xây dựng, tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, giảm phát thải CO2 và giảm chi phí xây dựng. Tuy nhiên, công nghệ bê tông tái chế cũng có những nhược điểm nhất định, như độ bền thấp hơn so với bê tông thông thường, đòi hỏi các biện pháp cải tiến để đảm bảo chất lượng công trình. Việc sử dụng nước cao su tự nhiên giúp khắc phục một phần nhược điểm bê tông tái chế.

5.1. Ưu Điểm Bê Tông Tái Chế Tiết Kiệm và Bảo Vệ Môi Trường

Ưu điểm lớn nhất của bê tông tái chế là khả năng tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên và giảm thiểu chất thải xây dựng. Việc sử dụng bê tông tái chế giúp giảm sự phụ thuộc vào khai thác đá, cát và sỏi, đồng thời giảm lượng chất thải xây dựng đổ ra môi trường. Ngoài ra, bê tông tái chế còn giúp giảm phát thải CO2, góp phần bảo vệ môi trường.

5.2. Nhược Điểm Bê Tông Tái Chế Vấn Đề Về Độ Bền và Chất Lượng

Nhược điểm chính của bê tông tái chế là độ bền thấp hơn so với bê tông thông thường. Điều này là do cốt liệu bê tông tái chế thường có độ bền thấp hơn và chứa nhiều tạp chất. Để khắc phục nhược điểm này, cần có các biện pháp cải tiến, như sử dụng nước cao su tự nhiên và các loại phụ gia khác.

VI. Tương Lai Của Công Nghệ Bê Tông Tái Chế và Nước Cao Su

Công nghệ bê tông tái chế và nước cao su tự nhiên có tiềm năng phát triển rất lớn trong tương lai, khi mà vấn đề bảo vệ môi trường và sử dụng tài nguyên bền vững ngày càng được quan tâm. Tương lai bê tông tái chế hứa hẹn sẽ trở thành một vật liệu xây dựng phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Nghiên cứu bê tông tái chế sẽ tiếp tục được đẩy mạnh để cải thiện chất lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu này. Bê tông bền vững sẽ là xu hướng chủ đạo trong ngành xây dựng.

6.1. Xu Hướng Phát Triển Bê Tông Tái Chế và Vật Liệu Xây Dựng Xanh

Xu hướng phát triển của bê tông tái chế là hướng tới việc tạo ra các vật liệu xây dựng xanh, thân thiện với môi trường và có độ bền cao. Các nghiên cứu bê tông tái chế sẽ tập trung vào việc tìm kiếm các giải pháp cải tiến chất lượng cốt liệu, sử dụng các loại phụ gia mới và phát triển các quy trình sản xuất hiệu quả hơn.

6.2. Kinh Tế Tuần Hoàn và Bê Tông Tái Chế Trong Xây Dựng Bền Vững

Kinh tế tuần hoàn là một mô hình kinh tế hướng tới việc sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả và giảm thiểu chất thải. Bê tông tái chế đóng vai trò quan trọng trong kinh tế tuần hoàn của ngành xây dựng, giúp giảm lượng chất thải xây dựng đổ ra môi trường và tái sử dụng các vật liệu đã qua sử dụng. Việc áp dụng bê tông tái chế trong xây dựng bền vững là một bước quan trọng để bảo vệ môi trường và xây dựng một tương lai tốt đẹp hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của các hoạt động xây dựng cơ sở hạ tầng trên toàn cầu đã thúc đẩy nhu cầu tiêu thụ cốt liệu khoáng tự nhiên lên mức kỷ lục, ước tính đạt khoảng 48 tỷ tấn mỗi năm. Cùng với đó, khối lượng chất thải xây dựng và phá dỡ phát sinh khổng lồ đang gây áp lực nghiêm trọng lên môi trường và quỹ đất chôn lấp. Điển hình tại Thái Lan, các báo cáo thống kê ghi nhận khoảng 4,2 triệu tấn chất thải xây dựng được thải ra mỗi năm, trong đó cốt liệu bê tông tái chế chiếm tỷ trọng khoảng 23%. Việc tái chế nguồn phế thải này để làm vật liệu móng đường là một giải pháp cấp thiết nhằm hướng tới phát triển kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu khai thác mỏ đá tự nhiên.

Tuy nhiên, cốt liệu bê tông tái chế có nhược điểm cố hữu là độ rỗng cao, khả năng hút nước lớn và lớp vữa xi măng cũ bám dính yếu ớt. Giải pháp gia cố bằng xi măng poóc-lăng truyền thống giúp nâng cao đáng kể cường độ chịu nén nhưng lại khiến kết cấu trở nên giòn, dễ phát sinh nứt tế vi dưới tác dụng của tải trọng trùng phục và sự biến thiên nhiệt ẩm. Nhằm khắc phục hạn chế này, nghiên cứu đặt mục tiêu tiên phong là đánh giá tính khả thi của việc tích hợp mủ cao su thiên nhiên như một phụ gia polyme sinh học xanh vào hỗn hợp cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng dùng cho lớp móng đường giao thông.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm chuyên sâu tại phòng thí nghiệm thuộc Viện ISI, Đại học Công nghệ Suranaree trong giai đoạn 2019 đến 2022. Đề tài tập trung tối ưu hóa hàm lượng mủ cao su kết hợp cùng xi măng, đánh giá toàn diện tính năng cơ lý tĩnh, đặc tính động lực học và độ bền chu kỳ môi trường. Kết quả nghiên cứu đóng góp giải pháp kỹ thuật vượt trội, đáp ứng hoàn toàn các tiêu chuẩn kỹ thuật móng đường của Cục Đường bộ Thái Lan cũng như tiêu chuẩn quốc tế AASHTO, đồng thời mở ra hướng đi bền vững cho ngành giao thông vận tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng ba hệ thống lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật vật liệu và cơ học công trình giao thông:

Thứ nhất là lý thuyết động học thủy hóa của xi măng poóc-lăng thông thường. Quá trình thủy hóa của các khoáng alite (tricalcium silicate) và belite (dicalcium silicate) sản sinh ra gel calcium silicate hydrate (C-S-H), calcium hydroxide dạng tinh thể portlandite và khoáng ettringite. Đây là các liên kết cấu trúc chính chịu trách nhiệm hình thành cường độ sớm và cường độ lâu dài cho khung cốt liệu.

Thứ hai là lý thuyết composite polyme sinh học kết hợp khoáng vô cơ. Cấu trúc mạch cao phân tử cis-1,4 polyisoprene trong mủ cao su thiên nhiên khi phân tán vào ma trận xi măng sẽ tự sắp xếp tạo thành mạng lưới màng mỏng polyme dẻo dai. Màng polyme này lấp đầy các vi lỗ rỗng, bao bọc bề mặt tiếp giáp và tạo liên kết cầu nối đàn hồi giữa các sản phẩm thủy hóa vô cơ và hạt cốt liệu.

Thứ ba là lý thuyết cơ học kết cấu áo đường mềm theo phương pháp giải tích thực nghiệm. Mô hình phân tích tập trung vào sự phân bố ứng suất nén thẳng đứng và ứng suất kéo uốn ngang tại đáy lớp móng dưới tác dụng của tải trọng trục xe bánh đôi tiêu chuẩn, phản ánh qua các chỉ tiêu mô đun đàn hồi hồi phục và cơ chế tích lũy biến dạng mỏi.

Hệ thống khái niệm chuyên ngành chủ đạo gồm: Cốt liệu bê tông tái chế (RCA), Cường độ nén nở hông tự do (UCS), Cường độ kéo gián tiếp (ITS), Mô đun đàn hồi hồi phục kéo gián tiếp (IT Mr), Tuổi thọ mỏi kéo gián tiếp (ITFL), Độ dốc rão (Creep Slope), Điểm uốn bóc tách (Stripping Inflection Point) và Tỷ lệ cao su khô trên xi măng (r/c ratio).

Phương pháp nghiên cứu

Chương trình thực nghiệm sử dụng cỡ mẫu hơn 180 mẫu thử tiêu chuẩn hình trụ (đường kính 101,6 mm và chiều cao 116,4 mm) cùng các mẫu dầm chuyên dụng. Phương pháp chọn mẫu phân tầng ngẫu nhiên được áp dụng từ nguồn bê tông phế thải dầm kết cấu được nghiền cơ học và sàng phân loại theo đúng đường cong cấp phối quy định cho lớp móng đường của tiêu chuẩn ASTM D2940.

Quy trình chế tạo mẫu áp dụng phương pháp trộn hai giai đoạn tiên tiến (TSMA). Ở giai đoạn đầu, cốt liệu tái chế được nhào trộn trước với dung dịch phân tán mủ cao su tự nhiên để các hạt cao su thẩm thấu và bọc kín lớp vữa xi măng cũ xốp trên bề mặt hạt. Giai đoạn tiếp theo mới bổ sung xi măng poóc-lăng và lượng nước còn lại. Các mẫu được đầm nén ở năng lượng đầm nén Proctor cải tiến theo chuẩn ASTM D1557 nhằm đạt khối lượng thể tích khô cực đại và độ ẩm tối ưu, sau đó bảo dưỡng tiêu chuẩn trong phòng dưỡng hộ ở nhiệt độ 25 ± 2 độ C tại các mốc thời gian 7 ngày và 28 ngày.

Lý do lựa chọn hệ thống phương pháp phân tích toàn diện bao gồm:

Thí nghiệm nén nở hông tự do (UCS) và kéo gián tiếp (ITS) theo tiêu chuẩn ASTM C39 và ASTM C496 để đánh giá khả năng chịu tải tĩnh cơ bản.

Thí nghiệm kéo gián tiếp lặp đo mô đun hồi phục (IT Mr) và tuổi thọ mỏi (ITF) dưới tần số tải trọng động 1,0 Hz để mô phỏng chính xác ứng xử của lớp móng dưới bánh xe di chuyển thực tế.

Thí nghiệm vệt hằn bánh xe Hamburg (HWTD) ngập nước với 10.000 chu kỳ tải trọng nhằm kiểm tra khả năng kháng lún vệt bánh và độ nhạy cảm ẩm.

Thí nghiệm kiểm tra độ bền qua 12 chu kỳ làm ẩm và sấy khô liên tục (w-d cycles) theo tiêu chuẩn ASTM D559 để mô phỏng điều kiện thời tiết khắc nghiệt mùa mưa nắng.

Phân tích kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường tích hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (FESEM/EDS) và nhiễu xạ tia X (XRD) để giải thích bản chất tương tác hóa lý và biến đổi vi cấu trúc khoáng vật học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện thứ nhất về đặc tính cơ lý tĩnh: Việc kết hợp xi măng hàm lượng 3% đến 5% với tỷ lệ cao su khô trên xi măng từ 5% đến 10% giúp cường độ nén 7 ngày đạt từ 2,55 MPa đến 4,82 MPa, vượt xa yêu cầu kỹ thuật tối thiểu là 1,75 MPa của Cục Đường bộ Thái Lan đối với lớp móng đường. Đặc biệt, cường độ kéo gián tiếp (ITS) của mẫu có phụ gia cao su tăng từ 15,4% đến 28,6% so với mẫu đối chứng chỉ gia cố xi măng thông thường, đồng thời chỉ số độ dẻo dai hấp thụ năng lượng biến dạng tăng hơn 45%.

Phát hiện thứ hai về tính năng động lực học và tuổi thọ mỏi: Thí nghiệm ITF chứng minh rằng việc bổ sung mủ cao su tự nhiên ở tỷ lệ r/c bằng 10% giúp kéo dài tuổi thọ mỏi của kết cấu lên gấp 2,3 đến 3,5 lần ở các mức ứng suất kéo khác nhau. Mô đun đàn hồi hồi phục IT Mr sau 28 ngày bảo dưỡng đạt giá trị cao và ổn định trong khoảng 2.650 MPa đến 4.350 MPa, thể hiện khả năng phân bố tải trọng tuyệt vời mà không làm tăng độ giòn gãy của vật liệu.

Phát hiện thứ ba về khả năng kháng lún vệt bánh xe và chu kỳ thời tiết: Trong thí nghiệm bánh xe Hamburg qua 10.000 chu kỳ tác động, độ sâu lún vệt bánh của mẫu chứa mủ cao su giảm hơn 35% so với mẫu chỉ dùng xi măng, đồng thời không ghi nhận hiện tượng phá hoại bóc tách sớm. Qua 12 chu kỳ ẩm - khô khắc nghiệt, tỷ lệ hao hụt khối lượng mẫu được kiểm soát dưới 3,2% và mức độ suy giảm cường độ nén UCS được hạn chế giảm tới 40% so với hỗn hợp không có mủ cao su.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao tính năng của hỗn hợp composite được giải thích thông qua sự tương tác đồng vận giữa phản ứng thủy hóa xi măng và quá trình tạo màng cao su. Dưới tác động của nước, các hạt mủ cao su dạng nhũ tương phân tán len lỏi vào các khe nứt vi mô và mao dẫn của cốt liệu tái chế. Khi xi măng hút nước thủy hóa tạo gel C-S-H và tinh thể ettringite, các hạt cao su liên kết lại thành mạng lưới màng polyme liên tục đan xen cùng mạng khoáng. Màng polyme này hoạt động như một hệ thống dây chằng vi mô có tính đàn hồi cao, giúp hấp thụ năng lượng ứng suất cục bộ và ngăn chặn sự lan truyền của các vết nứt tế vi khi chịu tải lặp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về cốt liệu tự nhiên hoặc cốt liệu tái chế chỉ xử lý bằng xi măng đơn thuần, vật liệu mới đã giải quyết triệt để bài toán nứt phản ánh từ lớp móng lên bề mặt lớp bê tông nhựa. Trong khi việc tăng hàm lượng xi măng đơn thuần khiến vật liệu bị giòn hóa nghiêm trọng, việc kết hợp mủ cao su thiên nhiên đã mang lại sự cân bằng hoàn hảo giữa độ cứng chịu lực và độ dẻo kháng nứt.

Các dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan và khoa học thông qua hệ thống đồ thị và bảng số liệu phân tích:

Biểu đồ quan hệ Ứng suất - Biến dạng thể hiện rõ sự chuyển dịch từ trạng thái phá hoại giòn đột ngột sang phá hoại dẻo dai với diện tích dưới đường cong ứng suất lớn hơn đáng kể.

Biểu đồ tiến triển lún theo chu kỳ tải trọng bánh xe (HWTD rutting curves) minh họa trực quan sự suy giảm độ dốc rão và sự dịch chuyển tích cực của điểm uốn bóc tách.

Bảng so sánh tỷ lệ suy giảm cường độ nén và mô đun đàn hồi qua từng mốc chu kỳ 1, 3, 6, 9 và 12 chu kỳ ẩm - khô, làm nổi bật tính ổn định bền vững của cấu trúc vật liệu mới.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa tỷ lệ cấp phối tối ưu trong thiết kế móng đường: Các cơ quan quản lý kỹ thuật và đơn vị tư vấn thiết kế nên áp dụng định mức tỷ lệ xi măng poóc-lăng từ 3% đến 5% kết hợp tỷ lệ mủ cao su tự nhiên r/c ở mức 5% đến 10% cho các dự án đường ô tô cấp cao, nhằm đạt mục tiêu nâng cao tuổi thọ mỏi công trình lên tối thiểu 30% trong lộ trình 12 tháng tới do Bộ Giao thông Vận tải chủ trì.

Thứ hai, bắt buộc chuyển giao và áp dụng công nghệ trộn hai giai đoạn (TSMA): Các nhà thầu thi công hạ tầng giao thông cần lắp đặt hệ thống cấp phụ gia dạng lỏng đồng bộ tại trạm trộn để vận hành quy trình TSMA ngay trong quý 2 năm 2024, hướng tới mục tiêu kiểm soát độ đồng nhất chất lượng hỗn hợp đạt trên 95% trước khi đưa ra hiện trường đầm nén.

Thứ ba, thiết lập tiêu chuẩn kiểm định độ bền chu kỳ môi trường ngập ẩm: Cục Quản lý Đường bộ cần ban hành quy trình nghiệm thu bổ sung phép thử 12 chu kỳ khô - ướt đối với vật liệu gia cố móng đường tại các khu vực thường xuyên chịu ngập lụt, đặt chỉ tiêu kỹ thuật khống chế mức suy giảm cường độ sau ngập ẩm không vượt quá 20% trong vòng 24 tháng tới.

Thứ tư, ban hành chính sách ưu đãi kinh tế và tín chỉ carbon cho vật liệu tái chế xanh: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp cùng Bộ Xây dựng hoàn thiện khung cơ chế giảm thuế từ 10% đến 15% cho các doanh nghiệp sử dụng cốt liệu bê tông phá dỡ kết hợp mủ cao su tự nhiên nội địa trong giai đoạn 2024 đến 2026, thúc đẩy chuỗi cung ứng vật liệu giao thông carbon thấp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và chuyên gia công trình giao thông: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác về mô đun đàn hồi hồi phục IT Mr, đặc tính mỏi và hệ số Poisson, phục vụ trực tiếp cho công tác mô phỏng và tính toán chiều dày kết cấu áo đường mềm theo phương pháp cơ học - thực nghiệm hiện đại.

Nhóm nhà thầu xây dựng và đơn vị sản xuất vật liệu: Hướng dẫn chi tiết quy trình trộn hai giai đoạn TSMA và phương pháp đầm nén kiểm soát độ ẩm, giúp tối ưu hóa công nghệ thi công hiện trường và tiết kiệm từ 20% đến 30% chi phí mua cốt liệu đá tự nhiên.

Nhóm cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Luận văn là căn cứ khoa học vững chắc để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về tái chế phế thải xây dựng và đề ra giải pháp kích cầu tiêu thụ nông sản cao su thiên nhiên trong các dự án đầu tư công.

Nhóm học viên cao học, nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu địa kỹ thuật: Cung cấp phương pháp luận nghiên cứu đa quy mô từ cơ học vĩ mô đến phân tích vi cấu trúc FESEM, EDS và XRD, làm tài liệu tham khảo giá trị cho các đề tài phát triển vật liệu xây dựng bền vững tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần bổ sung mủ cao su thiên nhiên vào cốt liệu bê tông tái chế gia cố xi măng?

Hỗn hợp cốt liệu tái chế gia cố xi măng thông thường có cường độ chịu nén cao nhưng lại giòn và rất dễ nứt dưới tải trọng bánh xe lặp lại. Việc bổ sung mủ cao su thiên nhiên tạo ra mạng lưới polyme liên tục, giúp cải thiện độ dẻo dai, tăng cường độ kéo gián tiếp lên 15% đến 28% và ngăn chặn sự phát triển vết nứt.

Tỷ lệ phối trộn xi măng và mủ cao su thiên nhiên nào mang lại hiệu quả tối ưu nhất?

Kết quả thực nghiệm chuyên sâu chứng minh rằng hàm lượng xi măng từ 3% đến 5% kết hợp cùng tỷ lệ cao su khô trên xi măng từ 5% đến 10% mang lại hiệu quả cơ lý tốt nhất. Cấp phối này giúp cường độ nén 28 ngày đạt trên 4,5 MPa, đáp ứng hoàn toàn mọi quy chuẩn kỹ thuật móng đường chịu tải trọng nặng.

Quy trình trộn hai giai đoạn mang lại ưu thế gì so với phương pháp trộn truyền thống?

Phương pháp trộn hai giai đoạn cho phép dung dịch mủ cao su thẩm thấu sâu và bao bọc toàn bộ lớp vữa xi măng cũ bám trên hạt cốt liệu trước khi thêm xi măng mới. Cơ chế này cải thiện đáng kể diện tích tiếp xúc liên kết, giảm độ rỗng vi mô và giúp cường độ nén của hỗn hợp tăng hơn 18% so với cách trộn một lần thông thường.

Khả năng chống chịu của vật liệu mới trong điều kiện ngập nước và biến đổi thời tiết ra sao?

Sau 12 chu kỳ làm ẩm và sấy khô khắc nghiệt, màng polyme cao su kỵ nước giúp ngăn chặn sự xâm nhập của các phân tử nước vào cấu trúc rỗng. Nhờ đó, độ tổn thất khối lượng được khống chế dưới 3,2% và mức suy giảm cường độ nén giảm tới 40% so với các mẫu chỉ gia cố bằng xi măng poóc-lăng.

Việc ứng dụng giải pháp này đóng góp như thế nào cho kinh tế và môi trường?

Giải pháp giúp tận dụng 100% cốt liệu bê tông phế thải thay thế đá khai thác tự nhiên, giải quyết vấn đề chôn lấp hàng triệu tấn phế thải xây dựng mỗi năm. Đồng thời, việc ứng dụng nguồn mủ cao su tự nhiên trong nước tạo chuỗi giá trị nông nghiệp bền vững, giúp giảm khoảng 25% lượng phát thải khí nhà kính trong sản xuất vật liệu đường bộ.

Kết luận

Thứ nhất, luận văn đã khẳng định tính khả thi vượt trội của việc kết hợp mủ cao su thiên nhiên và xi măng poóc-lăng để cải tiến toàn diện chất lượng cốt liệu bê tông tái chế làm lớp móng đường ô tô.

Thứ hai, nghiên cứu xác lập thành công tỷ lệ cấp phối tối ưu với 3% đến 5% xi măng và tỷ lệ cao su khô r/c từ 5% đến 10%, giúp gia tăng tuổi thọ mỏi của kết cấu lên gấp 2,3 đến 3,5 lần.

Thứ ba, công trình làm sáng tỏ cơ chế hình thành cấu trúc vi mô thông qua màng polyme đàn hồi lấp đầy lỗ rỗng, hỗ trợ gel C-S-H và giảm thiểu tối đa hiện tượng nứt giòn phản ánh.

Thứ tư, vật liệu composite chứng minh độ bền bỉ cơ học vượt bậc khi trải qua 12 chu kỳ ẩm - khô, hạn chế mức độ suy giảm cường độ nén tới 40% so với mẫu truyền thống.

Thứ năm, kết quả mở ra giải pháp chiến lược thúc đẩy kinh tế tuần hoàn, giảm áp lực khai thác tài nguyên đá mỏ và nâng cao giá trị thương mại cho ngành cao su tự nhiên.

Về kế hoạch triển khai tiếp theo, nhóm nghiên cứu đề xuất tiến hành thi công đoạn đường thử nghiệm thực địa dài 500 mét trong vòng 6 tháng tới và hoàn thiện bộ tiêu chuẩn kỹ thuật thi công nghiệm thu cấp cơ sở trong 12 tháng tiếp theo. Các cơ quan ban ngành, doanh nghiệp xây dựng và chuyên gia hạ tầng hãy nhanh chóng đón đầu công nghệ để cùng chung tay kiến tạo những công trình giao thông xanh và bền vững.