Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của cấp phối và vôi đến khả năng chống ẩm của bê tông nhựa chặt 12 5

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối và vôi đến khả năng chống ẩm của bê tông nhựa chặt 12 5, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Đinh Nhật Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mạnh Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG-HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của cấp phối và vôi đến khả năng chống ẩm của bê tông nhựa chặt
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Nghiên cứu về cấp phối bê tông và vôi trong bê tông là một lĩnh vực quan trọng nhằm cải thiện khả năng chống ẩm của bê tông nhựa chặt. Việc sử dụng vôi như một phụ gia không chỉ giúp nâng cao chất lượng mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Mặt đường bê tông nhựa thường xuyên chịu tác động của tải trọng và độ ẩm, dẫn đến hư hỏng. Do đó, việc tìm kiếm giải pháp cải thiện khả năng chống ẩm là cần thiết. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thêm vôi thủy hóa vào hỗn hợp bê tông nhựa có thể nâng cao đáng kể khả năng làm việc của nó. Theo đó, việc nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao cho ngành xây dựng.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh giao thông ngày càng phát triển, việc sử dụng bê tông nhựa trở nên phổ biến. Tuy nhiên, mặt đường thường xuyên gặp phải vấn đề hư hỏng do độ ẩm, dẫn đến lún, nứt và ổ gà. Nghiên cứu này nhằm tìm ra giải pháp hiệu quả để cải thiện khả năng chống ẩm của bê tông nhựa bằng cách sử dụng vôi như một thành phần trong cấp phối vật liệu. Các nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng vôi có thể cải thiện tính chất cơ lý của bê tông nhựa, từ đó nâng cao độ bền và khả năng chống chịu của mặt đường trong điều kiện khắc nghiệt.

II. Nghiên cứu tổng quan

Trong nghiên cứu này, các tác giả đã tổng hợp các tài liệu liên quan đến việc ứng dụng vôi trong bê tông nhựa. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng việc sử dụng vôi có thể cải thiện đáng kể các tính chất của bê tông nhựa, đặc biệt là trong điều kiện ẩm ướt. Các loại vôi như vôi thủy hóa, bụi lò vôi và vôi thải tái chế đều đã được nghiên cứu với các tỷ lệ khác nhau để đánh giá hiệu quả. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng vôi không chỉ cải thiện độ ổn định mà còn tăng cường khả năng kháng nước của hỗn hợp bê tông nhựa. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao chất lượng mặt đường, đặc biệt là ở những khu vực có khí hậu ẩm ướt.

2.1 Các loại vôi ứng dụng trong xây dựng đường

Nghiên cứu đã phân loại các loại vôi được sử dụng trong xây dựng, bao gồm vôi phụ phẩm, vôi thải tái chế, và bụi lò vôi. Mỗi loại vôi đều có những đặc tính riêng biệt và ứng dụng khác nhau trong cấp phối bê tông. Vôi phụ phẩm thường có giá thành thấp và dễ dàng tìm thấy, trong khi vôi thải tái chế có thể giúp giảm thiểu lượng chất thải trong sản xuất. Việc sử dụng bụi lò vôi cũng cho thấy khả năng cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của bê tông nhựa, từ đó nâng cao khả năng chống ẩm và độ bền của mặt đường.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đề tài này bao gồm việc thực hiện các thí nghiệm để đánh giá khả năng chống ẩm của hỗn hợp bê tông nhựa có sử dụng vôi. Các thí nghiệm như độ ổn định, độ dẻo Marshall, và cường độ chịu kéo khi ép chẻ đã được thực hiện để xác định hàm lượng vôi tối ưu. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc thay thế một phần bột khoáng bằng vôi thủy hóa có thể cải thiện đáng kể các chỉ tiêu kỹ thuật của bê tông nhựa. Đặc biệt, với 10% vôi thủy hóa, hỗn hợp bê tông nhựa cho thấy khả năng làm việc tốt hơn trong điều kiện độ ẩm cao.

3.1 Kiểm tra các tính chất của hỗn hợp BTNC 12.5

Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá các tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa chặt BTNC 12.5. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng vôi đã giúp tăng cường khả năng kháng ẩm của hỗn hợp. Các chỉ tiêu như độ ổn định và độ dẻo Marshall đều được cải thiện, cho thấy rằng vôi không chỉ đóng vai trò là một phụ gia mà còn giúp tăng cường tính chất vật liệu của bê tông nhựa. Điều này khẳng định rằng việc ứng dụng vôi trong cấp phối vật liệu là một giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng mặt đường.

IV. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vôi thủy hóa trong hỗn hợp bê tông nhựa chặt BTNC 12.5 có tác động tích cực đến khả năng chống ẩm. Các thí nghiệm cho thấy rằng với 10% hàm lượng vôi, các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp đều đạt yêu cầu cao hơn so với hỗn hợp không có vôi. Điều này không chỉ giúp cải thiện khả năng kháng ẩm mà còn nâng cao độ bền và tính ổn định của mặt đường. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc sử dụng vôi là một giải pháp hiệu quả và khả thi cho ngành xây dựng, đặc biệt trong bối cảnh khí hậu Việt Nam.

4.1 Độ ổn định và độ dẻo Marshall

Thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marshall cho thấy rằng hỗn hợp bê tông nhựa có sử dụng vôi có độ ổn định cao hơn so với hỗn hợp thông thường. Điều này chứng tỏ rằng vôi không chỉ cải thiện khả năng chống ẩm mà còn giúp tăng cường độ bền của bê tông nhựa. Các chỉ số kỹ thuật đều đạt yêu cầu, cho thấy rằng việc ứng dụng vôi trong cấp phối bê tông là một hướng đi đúng đắn cho ngành xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu về đề tài thực hiện, tính cấp thiết, mục tiêu và ý nghĩa nghiên cứu. Đồng thời tóm tắt các nội dung thực thiện và phạm vi nghiên cứu của đề tài.  Chương 2: Trình bài nghiên cứu tổng quan nhằm tạo nên cái nhìn tổng thể về việc ứng dụng vôi vào BTN trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Từ đó tìm ra hướng nghiên cứu cho đề tài.

 Chương 3: Phương pháp nghiên cứu: lựa chọn vật liệu, hàm lượng vôi thay thế bột khoáng và các thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của vôi đến chất lượng của BTN.  Chương 4: Trình bày các nhận xét từ kết quả thí nghiệm có được. Từ đó tìm ra hàm lượng vôi tối ưu.  Chương 5: Tóm tắt kết quả nghiên cứu và đưa ra các kiến nghị.1 Ứng dụng vôi trong xây dựng phát triển đường Theo A.

Morgan Johnson và cộng sự vào năm 1924 và 1925 dưới sự chỉ đạo của Dean McCaustland, một số thử nghiệm ban đầu về sử dụng vôi trong mặt đường tự nhiên và đường cao tốc ở Iowa và South Dakota spon-sored được tài trợ bởi Bureau of Public Roads và được báo cao lên National Lime Association [8]. Trong những năm 1947-1948, những kỹ sư Texas Highway Departmen đã có nhiều bài báo nói những thành công trong ứng dụng vôi và vôi thủy hóa trong xây dựng gia cố phát triển đường. Họ đã đưa ra được chỉ số PI (chỉ số dẻo), hàm lượng phần trăm của vôi sử dụng trong gia cố đường [9-13]. Epps và cộng sự nghiên cứu sự ảnh hưởng của vôi trong việc kháng ẩm trông hỗn hợp đường nhựa.

Nghiên cứu này đã thống kê và đánh giá các phương thức thử nghiệm vôi lên đường nhựa, sau đó tìm ra những ưu điểm vượt trội của vôi so với các phụ gia khác. Kết quả cho thấy rằng vôi là hợp chất khi cho và đường nhựa sẽ làm tăng khả năng kháng nước, làm cứng chất kết dính nhựa đường với cốt liệu, cải thiện khả năng chống ẩm trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm cao [14]. Ngày nay, các quốc gia như Đức, Anh, Ai cập là những nước dẫn đầu trong việc sử dụng vôi trong hỗn hợp BTN.2 Các loại vôi ứng dụng trong xây dựng đường 2.1 Vôi phụ phẩm Thành phần hóa học : Đá vôi → Phản ứng nhiệt độ tầng giá hóa lỏng → [Vôi (CaO) + Canxi sunfat (CaSO4)] – Vôi phụ phẩm. -6- Vôi phụ phẩm (Bột)CFB Vôi phụ phẩm (Dạng hạt )CFB Vôi phụ phẩm (hydrat )CFB Bed Ash Hydrated Ash Hình 2.1: Các dạng vôi phụ phẩm.

Theo những nghiên cứu của đại học trung tâm quốc gia Trung Quốc vật liệu vôi phụ phẩm – cấp phối cốt liệu Formosa” có thể thay thế nhiên liệu tự nhiên vôi hoặc muội than khác cho sử dụng vật liệu đường cơ bản, cung cấp một sự lựa chọn khác cho đơn vị thiết kế cấp phối cốt liệu đường. Đồng thời cũng giảm sự khai thác cấp phối cốt liệu tự nhiên, làm giảm sự thiếu hút của việc cấp phối cốt liệu tự nhiên và có khả năng không thấm nước [18].2 Vôi thải tái chế (waste lime) Vôi thải tái chế là sản phẩm của quá trình soda hóa của Na2CO3. Phương trình phản ứng hóa học : 2NH4Cl + CaO + H2O → 2NH3 + CaCl2 +2H2O CaCO3 (plastic) → CaO + CO2 Năm 1982, Kennedy và cộng sự [19] đã nghiên cứu và làm một loạt các thí nghiệm kiểm tra sự ảnh hưởng của vôi thải tái chế đến hỗn hợp bê tông nhựa, trong đó có 02 thí nghệm nổi trội là : kiểm tra độ ổn định marshall và thử nghiệm Lotman (AASHTOT 283). Kết quả chỉ ra rằng chỉ số MSR (tỷ lệ ổn định Marshall) và chỉ số TSR (tỷ lệ độ bền kéo) cao hơn so với hỗn hợp bê tông nhựa thông thường.

Điều đó chứng tỏ hỗn hợp bê tông nhựa có sử dụng vôi thải tái chế có khả năng phục hồi biến dạng ở điều kiện độ ẩm cao.3 Bụi lò vôi (lime kiln dust) Bụi lò vôi là sản phẩm phụ công nghiệp được tạo ra khi sản xuất vôi sống có công thức hóa học là CaO. Khi đá vôi được nung nóng tự nhiên, nó tạo ra khí với bụi. Bụi được sàng lọc được gọi là Lime Kiln dust, có hoạt tính tương đối cao. Bụi lò vôi có thể có hàm lượng canxi oxit (CaO) 30 – 50% và hàm lượng canxi cacbonat (CaCO3) 30 – 50% [20].

Các nghiên cứu chỉ ra rằng [21, 22] bụi lò vôi có thể sử dụng như một phần bột khoáng trong cốt liệu BTN. Làm cho hỗn hợp BTN bền vững về cấu trúc cũng như tiết kiệm chi phí và bảo tồn tài nguyên khoáng sản cho thế hệ tương lai. Theo Jiupeng Z và cộng sự [23] đã chứng minh được hàm lượng CaO có trong bụi lò vôi đóng vai trò trong tính chất lưu biến ưu việt đồng thời làm đóng cứng hơn hỗn hợp BTN và tăng khả năng chống hư hỏng trong điều kiện độ ẩm cao.3 Tổng quan vôi thủy hóa Ca(OH)2 Vôi thủy hóa có tên khoa học là Canxi hyđroxyt là một hợp chất hóa học với công thức hóa học Ca(OH)2. Nó là một chất dạng tinh thể không màu hay bột màu trắng, tên gọi của khoáng chất tự nhiên chứa canxi hiđroxit là portlandit [24].

Ca(OH)2 thu được là từ nguồn gốc đá vôi. Hầu hết các đá vôi hình thành trong vùng nước biển nông, yên tĩnh, ấm áp. Loại môi trường đó là nơi các sinh vật có khả năng hình thành vỏ canxi cacbonat và bộ xương có thể dễ dàng chiết xuất các thành phần cần thiết từ nước biển. Khi những con vật này chết, vỏ và mảnh vụn xương của chúng tích tụ lại như một lớp trầm tích có thể được hóa thành đá vôi.

Ngày nay trên Trái đất có nhiều môi trường hình thành đá vôi. Chúng được tìm thấy ở vùng nước nông giữa 30 độ vĩ bắc và 30 độ vĩ nam. Đá vôi đang hình thành ở biển Caribbean, Ấn Độ Dương, Vịnh Ba Tư, Vịnh Mexico, xung quanh các đảo Thái Bình Dương và trong quần đảo Indonesia [25]. 2: Cấu trúc phân tử Ca(OH)2.1 Các dạng của vôi thủy hóa Dung dịch vôi thủy hóa chưa lọc có thể vẩn của các hạt hyđroxyt canxi rất mịn trong nước gọi là “vôi sữa”.

Dung dịch vôi thủy hóa sau khi lọc bỏ cặn rắn thu được dung dịch vôi trong suốt, gọi là “nước vôi trong”. Vôi thủy hóa dạng tinh thể không màu hay bột màu trắng.3: Vôi dạng dung dịch (vôi sữa).4 : Vôi dạng bột.5: Điều chế vôi thủy hóa Ca(OH)2. [27] Các sơ đồ phản ứng hóa học: Đá vôi + nhiệt → Canxi oxít + Carbon Dioxide CaCO3 + (~ 1315 ° C) → CaO + CO2 Đá vôi đôlômit + nhiệt → Đôlômit Vôi + Carbon Dioxide CaCO3.MgO + CO2 Quá trình hydrat hóa mà biến đổi vôi để vôi thủy hóa (vôi thủy hóa) như sau: Canxi oxít + Nước → Calcium Hydroxide + Nhiệt CaO + H2O → Ca(OH)2 + Nhiệt Đôlômit Vôi + Nước → Vôi + Nhiệt CaO.MgO hoặc Ca(OH)2.Mg OH)2 + Nhiệt Thông số kỹ thuật của vôi thủy hóa Ca(OH)2 được thể hiện Bảng 2.1: Các thông số cơ bản của vôi thủy hóa Tổng quan Danh pháp IUPAC Hyđroxit canxi Tên khác Canxi hyđroxit, vôi thủy hóa Công thức phân tử Ca(OH)2 Phân tử gam 74,093g/mol Biểu hiện Bột mềm màu trắng Số CAS [1305-62-0] Thuộc tính Tỷ trọng và pha 2,211 g/cm3, rắn 0,185 g/ cm3 Độ hòa tan trong nước Ksp = 4,68 × 10−6 Điểm nóng chảy 580 °C (853 K) (phân hủy) 2.4 Tổng quan về nghiên cứu sử dụng vôi trong hỗn hợp BTN 2.1 Nghiên cứu ứng dụng vôi trên thế giới Theo một nghiên cứu vào năm 2008, Hwang Sung Do và cộng sự [28]. Hỗn hợp BTN theo tiêu chuẩn Hàn Quốc, Hỗn hợp cốt liệu có sử dụng vôi thải tái chế với các hàm lượng khác nhau (0%; 25%; 50%; 75%; 100%) khối lượng của bột khoáng.

Tác giả đã tiến hành các thí nghiệm độ ổn định, độ dẻo Marshall, mô-đun đàn hồi, kéo gián tiếp, thí nghiệm mỏi. kết quả cho thấy về việc sử dụng vôi vào cốt liệu (BTN) giúp cải thiện chất lượng BTN đạt được các kết quả như sau: Tăng cường độ và độ ổn định của BTN do hỗn hợp thu được “cứng” hơn khi có vôi, cải thiện khả năng đàn hồi và sức kháng mỏi ở nhiệt độ khắc nghiệt, độ ẩm cao; có nhiều phương pháp thiết kế áo đường mềm, giảm chiều dày lớp kết cấu áo đường và giảm chi phí bảo dưỡng và duy tu công trình. Một nghiên cứu khác của Sangyum Lee, Sungho Mun, Y. Richard Kim vào năm 2011 [6].

Hỗn hợp BTN sử dụng nhựa đường 60/70 với hàm lượng tối ưu là 5.30% và cốt liệu có cấp phối theo tiêu chuẩn Hàn Quốc. Hỗn hợp BTN có sử dụng vôi thủy hóa -11- với hàm lượng 1% trọng lượng mẫu tương đường với 15.6 % khối lượng bột khoáng. Sau đó tiến hành hàng loạt thí nghiệm. Trong đó có hai thí nghiệm nổi trội và đánh giá một cách khách quan; thí nghiệm mô-đun tĩnh và mô-đun động và kết quả cho thấy có nhiều khả quan.

Khi cho vôi thủy hóa vào hỗn hợp BTN thì BTN đã tăng khả năng phục hồi biến dạng và ít bị ảnh hưởng trong điều kiện độ ẩm cao. Tuy nhiên có một nhược điểm tương đối lớn là độ cứng lại giảm khá nhiều so với hỗn hợp BTN thông thường theo tiêu chuẩn Hàn Quốc. Tại Thổ Nhĩ Kỳ vào năm 2012 một nhóm tác giả gồm Celaleddin E. Sengul, Atakan Aksoy, Erol Iskender, Halit Ozen [29].

Đã tiến hành nghiên cứu hỗn hợp BTN có sử dụng vôi thủy hóa theo tiêu chuẩn của Thổ Nhĩ Kỳ. BTN sử dụng các hàm lượng vôi khác nhau (2.0%) để thay thế một phần bột khoáng. Trong nghiên cứu này tác giả muốn xem xét các vấn đề biến dạng trong môi trường độ ẩm cao. Để đánh giá vấn đề đó tác giả đã tiến hành một số thí nghiệm có liên quan.

Thí nghiệm Marshall Quotient (MQ) và thí nghiệm repeated creep (RCT) ở nhiệt độ 250C và 400C. Nhìn chung kết quả cho thấy trog môi trường độ ẩm cao thì biến dạng sức kháng tăng hơn so với BTN thông thường theo tiêu chuẩn Thổ Nhĩ Kỳ. Tuy nhiên có một vấn đề lớn là BTN có sử dụng vôi thủy hóa là giá trị trong thí nghiệm mỏi tương đối thấp, điều đó chứng tỏ một điều khả năng kháng mỏi không được tốt trong điều kiện độ ẩm cao. Một nghiên cứu tương đối đầy đủ được thực hiện bới Olumide Moses Ogundipe vào năm 2016 [7].

Trong bài viết này, độ ổn định marshall của hỗn hợp BTN có sử dụng hydrat lime được so sánh với hỗn hợp BTN thông thường. Tác giả đã sử dụng hỗn hợp BTN theo tiêu chuẩn BSI (1997) – Nigeria, hàm lượng nhựa tối ưu là 6,5%.