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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• SUMMARY
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.6. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Ứng dụng vôi trong xây dựng phát triển đường
• 2.2. Các loại vôi ứng dụng trong xây dựng đường
• 2.2.1. Vôi phụ phẩm
• 2.2.2. Vôi thải tái chế (waste lime)
• 2.3. Tổng quan vôi thủy hóa Ca(OH)2
• 2.3.1. Các dạng của vôi thủy hóa
• 2.4. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng vôi trong hỗn hợp BTN
• 2.4.1. Nghiên cứu ứng dụng vôi trên thế giới
• 2.4.2. Nghiên cứu ứng dụng vôi với BTN ở Việt Nam
• 2.5. Một số nhận xét từ kết quả của việc nghiên cứu tổng quan
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.2. Kiểm tra các tính chất của hỗn hợp BTNC 12.5
• 3.2.1. Thí nghiệm đo độ ổn định, độ dẻo Marshall
• 3.2.2. Thí nghiệm đo độ ổn định còn lại của BTN
• 3.2.3. Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo khi ép chẻ
• 3.2.4. Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi tĩnh
• 3.2.5. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi động (mô đun phức động)
• 3.2.6. Thí nghiệm vệt hằn bánh xe
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Độ ổn định, độ dẻo Marshall
• 4.2. Độ ổn định còn lại của BTN
• 4.3. Cường độ chịu kéo khi ép chẻ
• 4.4. Mô đun đàn hồi
• 4.5. Mô đun phức động (dynamic modulus)
• 4.6. Thí nghiệm vệt hằn bánh xe
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng lưới đường bộ tại Việt Nam hiện có hơn 85% chiều dài sử dụng kết cấu mặt đường bê tông nhựa. Tuy nhiên, điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa lớn, triều cường dâng cao cùng hiện tượng ngập lụt đô thị thường xuyên đã khiến mặt đường bị ngấm nước kéo dài. Tác động kết hợp giữa độ ẩm và sự gia tăng nhanh chóng của lưu lượng xe tải trọng nặng làm suy giảm 30% đến 50% tuổi thọ thiết kế của công trình, gây ra các hư hỏng nghiêm trọng như ổ gà, bong tróc và lún vệt bánh xe.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự suy giảm liên kết dính bám giữa màng nhựa đường và cốt liệu khoáng khi có sự xâm nhập của nước. Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán nâng cao khả năng kháng ẩm cho bê tông nhựa chặt có kích cỡ hạt lớn nhất danh định 12.5 mm (BTNC 12.5). Mục tiêu cụ thể là đánh giá toàn diện ảnh hưởng của việc sử dụng vôi thủy hóa thay thế bột khoáng ở các tỷ lệ 0%, 10%, 20%, 30% và 40% đến các đặc tính cơ lý, độ bền kháng ẩm và khả năng kháng biến dạng của hỗn hợp.

Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng nguồn cốt liệu đá dăm mỏ Tân Cang và nhựa đường đặc 60/70. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn to lớn khi tận dụng nguồn tài nguyên đá vôi dồi dào trong nước để tạo ra vật liệu mặt đường bền vững. Giải pháp này giúp kéo dài chu kỳ bảo trì thêm 15% đến 20%, đồng thời tiết kiệm khoảng 25% chi phí sửa chữa định kỳ 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 lý thuyết cơ học vật liệu đàn nhớt và lý thuyết tương tác bề mặt trong hỗn hợp bê tông nhựa. Thứ nhất, lý thuyết dính bám bề mặt giải thích rằng các hợp chất mang tính axit trong nhựa đường có xu hướng phản ứng hóa học mạnh với các ion canxi trong vôi thủy hóa, tạo thành hợp chất canxi không hòa tan giúp tăng cường độ dính bám đá - nhựa và ngăn ngừa hiện tượng bóc tách màng nhựa dưới áp lực nước lỗ rỗng. Thứ hai, lý thuyết cơ học thực nghiệm áp dụng mô hình hàm Sigmoidal và nguyên lý dịch chuyển thời gian - nhiệt độ để xây dựng đường cong chủ (Master Curve) cho mô-đun phức động.

Các khái niệm then chốt trong nghiên cứu bao gồm:

• Bê tông nhựa chặt 12.5 (BTNC 12.5): Hỗn hợp cấp phối liên tục có cỡ hạt danh định lớn nhất 12.5 mm, độ rỗng dư thiết kế từ 3% đến 6%.
• Vôi thủy hóa: Hợp chất Canxi hydroxit có độ tinh khiết cao ($Ca(OH)_2 \ge 96%$), khối lượng thể tích xốp đạt 500 kg/m³, đóng vai trò như chất hoạt tính bề mặt và bột khoáng mịn lọt qua sàng 0.075 mm.
• Độ ổn định còn lại (Retained Marshall Stability): Tỷ số phần trăm giữa độ ổn định Marshall sau khi ngâm mẫu trong nước ở 60°C suốt 24 giờ so với mẫu ngâm 40 phút tiêu chuẩn.
• Cường độ chịu kéo khi ép chẻ (Indirect Tensile Strength): Thông số đặc trưng cho khả năng kháng nứt nhiệt và biến dạng kéo uốn của vật liệu ở nhiệt độ thấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với hệ thống mẫu thử được chế bị chuẩn hóa:

• Vật liệu đầu vào: Nhựa đường Shell 60/70 có độ kim lún 62 (0.1 mm), nhiệt độ hóa mềm 49°C, độ kéo dài ở 25°C đạt trên 150 cm; cốt liệu đá dăm lấy từ mỏ Tân Cang (Đồng Nai) tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 8819:2011; vôi thủy hóa công nghiệp từ Hải Phòng.
• Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Tổng cộng hơn 70 mẫu thí nghiệm được chế bị theo phương pháp lấy mẫu phân tầng ngẫu nhiên tương ứng với 5 hàm lượng vôi thủy hóa thay thế bột khoáng (0%, 10%, 20%, 30%, 40%). Cụ thể gồm 15 mẫu thí nghiệm Marshall tiêu chuẩn (3 mẫu cho mỗi hàm lượng), 30 mẫu đo độ ổn định còn lại (6 mẫu cho mỗi hàm lượng), 15 mẫu ép chẻ xác định cường độ kéo gián tiếp ở 15°C, 5 mẫu đo mô-đun đàn hồi tĩnh và 5 mẫu đo mô-đun phức động.
• Phương pháp phân tích: Lựa chọn thí nghiệm Marshall theo TCVN 8860-1:2011 và độ ổn định còn lại theo TCVN 8860-12:2011 để đánh giá mức độ nhạy cảm ẩm; thí nghiệm ép chẻ theo TCVN 8862:2011; thí nghiệm mô-đun đàn hồi tĩnh theo 22 TCN 211-06 ở các dải nhiệt độ 15°C, 30°C, 60°C; thí nghiệm mô-đun phức động trên thiết bị chuyên dụng DTS 30 theo tiêu chuẩn EN 12697-26 ở các tần số từ 0.1 Hz đến 25 Hz và nhiệt độ 4°C, 21°C, 37°C; thí nghiệm vệt hằn bánh xe Hamburg theo Quyết định 1617/QĐ-BGTVT ở 50°C trong môi trường ngập nước. Toàn bộ chuỗi thực nghiệm được hoàn thành và phân tích đồng bộ vào tháng 06 năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã thu được các phát hiện kỹ thuật mang tính định lượng rõ ràng:

• Cải thiện độ ổn định và độ dẻo Marshall: Khi thay thế 10% bột khoáng bằng vôi thủy hóa, độ ổn định Marshall đạt giá trị cao nhất là 13.73 kN, tăng 5.62% so với mẫu đối chứng 0% vôi (13.00 kN). Độ dẻo Marshall tương ứng đạt 4.81 mm, tăng 28.95% so với mức 3.73 mm của mẫu không có vôi, chứng minh khả năng hấp thụ năng lượng biến dạng tốt hơn.
• Nâng cao chỉ số độ ổn định còn lại: Mẫu chứa 10% vôi thủy hóa đạt tỷ lệ độ ổn định còn lại là 78.0%, tăng 2.0% so với mẫu đối chứng (76.0%) và vượt mức yêu cầu tối thiểu 75.0% của tiêu chuẩn TCVN 8860-1:2011. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng vôi lên 30% và 40%, độ ổn định còn lại giảm mạnh xuống chỉ còn 66.0%.
• Tăng cường khả năng kháng nứt gián tiếp: Cường độ chịu kéo khi ép chẻ ở nhiệt độ 15°C đạt cực đại 2.81 MPa tại hàm lượng 10% vôi thủy hóa, cao hơn 13.31% so với mẫu đối chứng đạt 2.48 MPa.
• Tối ưu hóa mô-đun đàn hồi tĩnh và động: Ở nhiệt độ 30°C và 60°C, mô-đun đàn hồi của mẫu 10% vôi thủy hóa tăng đáng kể, đồng thời đường cong chủ Master Curve xây dựng từ thiết bị DTS 30 cho thấy độ cứng phức động được cải thiện ở dải tần số tải trọng trung bình và cao.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao chất lượng làm việc của BTNC 12.5 khi bổ sung 10% vôi thủy hóa xuất phát từ diện tích bề mặt riêng lớn của vôi ($Ca(OH)_2$), giúp tăng mật độ tương tác với bitum. Các phân tử canxi phản ứng với axit carboxylic và anhydrit có trong nhựa đường để tạo thành muối canxi không tan, biến lớp tiếp xúc giữa đá và nhựa trở nên kỵ nước. Nhờ đó, màng bitum bao bọc hạt cốt liệu không bị nước xâm thực tách rời ngay cả khi chịu tác động thủy lực áp lực cao dưới bánh xe chạy.

Hiện tượng suy giảm tính chất cơ lý khi hàm lượng vôi vượt quá 20% (đặc biệt là mức 30% và 40% khiến độ ổn định còn lại tụt xuống 66.0%) được giải thích do lượng vôi dư thừa hút lượng lớn bitum tự do, làm tăng độ quánh của mastics nhựa đường và khiến hỗn hợp trở nên giòn. Lượng bột quá mịn làm tăng độ rỗng dư và giảm độ đặc chắc khi đầm nén, tạo ra các khe rỗng mao dẫn cho nước xâm nhập.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố quốc tế của các chuyên gia giao thông tại Hàn Quốc và Châu Âu, khẳng định ngưỡng thay thế vôi từ 10% đến 15% là tối ưu. Về mặt trực quan, dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn rõ ràng thông qua biểu đồ cột so sánh độ ổn định còn lại giữa các tỷ lệ vôi (0% đến 40%) và đồ thị hàm logarit biểu diễn đường cong chủ Master Curve giữa mô-đun động $E^*$ và tần số quy đổi $f_r$.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích khoa học và kết quả thực nghiệm, 4 giải pháp ứng dụng cụ thể được đề xuất:

1. Ban hành quy định kỹ thuật về cấp phối BTNC 12.5 kháng ẩm: Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải phối hợp cùng các cơ quan chuyên trách thuộc Bộ GTVT xây dựng chỉ dẫn kỹ thuật áp dụng tỷ lệ vôi thủy hóa thay thế 10% bột khoáng trong thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa chặt, đặt mục tiêu duy trì độ ổn định còn lại $\ge 78.0%$ và độ sâu vệt hằn bánh xe $< 12.5$ mm sau 15.000 chu kỳ tải, hoàn thành trong giai đoạn 2026-2027.
2. Thiết lập quy chuẩn kiểm soát nguồn vôi thủy hóa đầu vào: Các Ban quản lý dự án và phòng thí nghiệm LAS-XD phải kiểm tra nghiêm ngặt chỉ tiêu chất lượng của vôi trước khi sản xuất, đảm bảo hàm lượng $Ca(OH)_2 \ge 96.0%$, độ mịn lọt sàng 0.075 mm đạt trên 90.0% và độ ẩm vật liệu $< 1.0%$ nhằm duy trì tính đồng nhất của hỗn hợp.
3. Triển khai thi công thí điểm trên các tuyến đường chịu ngập: Sở Giao thông Vận tải các tỉnh thuộc khu vực Đồng bằng sông Cửu Long và Duyên hải miền Trung chỉ đạo áp dụng thử nghiệm cấp phối BTNC 12.5 có 10% vôi trên ít nhất 30 km đến 50 km các đoạn tuyến thường xuyên bị triều cường, theo dõi biến dạng mặt đường định kỳ 6 tháng một lần trong vòng 2 năm (2026-2028).
4. Cải tiến dây chuyền nạp phụ gia tại trạm trộn bê tông nhựa: Các doanh nghiệp sản xuất bê tông nhựa nóng đầu tư nâng cấp hệ thống silo cấp liệu riêng biệt cho vôi bột với sai số cân định lượng tự động dưới 1.0%, duy trì nhiệt độ trộn hỗn hợp từ 150°C đến 165°C để phát huy tối đa hiệu quả phân tán của vôi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

• Kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát công trình giao thông: Ứng dụng bảng cấp phối chuẩn và tỷ lệ 10% vôi thủy hóa để tối ưu hóa hồ sơ thiết kế thành phần bê tông nhựa cho các dự án đường cao tốc và đường đô thị cấp cao chịu tải trọng nặng.
• Đơn vị quản lý trạm trộn và nhà thầu thi công mặt đường: Sử dụng quy trình chế bị mẫu, thông số nhiệt độ và kỹ thuật phối trộn vôi thủy hóa công nghiệp sẵn có để thay thế các loại phụ gia kháng bóc tách nhập khẩu đắt tiền, giúp tiết kiệm 15% đến 20% chi phí phụ gia.
• Các cơ quan quản lý nhà nước và chủ đầu tư hạ tầng giao thông: Tham khảo cơ sở dữ liệu thực nghiệm về độ ổn định còn lại và mô-đun phức động để ban hành tiêu chuẩn nghiệm thu chất lượng mặt đường tại các vùng trũng thấp, kéo dài tuổi thọ khai thác công trình thêm 3 đến 5 năm.
• Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Xây dựng Cầu đường: Khai thác phương pháp luận xây dựng đường cong chủ Master Curve bằng thiết bị nén động DTS 30 và mô hình toán học sigmoidal phục vụ các nghiên cứu chuyên sâu về cơ học vật liệu đàn nhớt.

Câu hỏi thường gặp

Vôi thủy hóa nâng cao khả năng kháng ẩm của bê tông nhựa bằng cơ chế nào?

Vôi thủy hóa ($Ca(OH)_2 \ge 96%$) phản ứng hóa học trực tiếp với các hợp chất mang tính axit trong nhựa đường đặc 60/70, tạo thành lớp màng muối canxi kỵ nước bền vững. Màng liên kết này gia tăng độ dính bám cơ - hóa tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt liệu đá và bitum, ngăn chặn triệt để hiện tượng nước thẩm thấu gây bóc tách màng nhựa.

Tại sao tỷ lệ 10% vôi thủy hóa thay thế bột khoáng lại đạt hiệu quả tối ưu?

Tại hàm lượng 10%, hỗn hợp đạt sự cân bằng tối ưu giữa độ dẻo và độ cứng: độ ổn định Marshall đạt đỉnh 13.73 kN (tăng 5.62%), độ ổn định còn lại đạt 78.0% và cường độ ép chẻ đạt cực đại 2.81 MPa. Tỷ lệ này đảm bảo màng mastics nhựa bao bọc kín khít cốt liệu mà không làm tăng độ rỗng dư.

Điều gì xảy ra nếu tăng hàm lượng vôi thủy hóa vượt quá 20%?

Khi hàm lượng vôi vượt quá 20% (ở mức 30% và 40%), lượng hạt siêu mịn tăng vọt hấp thụ hết lượng nhựa tự do, làm hỗn hợp bị khô, giòn và tăng độ rỗng dư. Hậu quả là độ ổn định còn lại sụt giảm mạnh xuống mức 66.0%, khiến mặt đường dễ bị rạn nứt và bốc tách khi ngập nước.

Luận văn sử dụng tiêu chuẩn nào để đánh giá khả năng kháng ẩm của hỗn hợp?

Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn TCVN 8860-12:2011 để đo độ ổn định còn lại sau khi ngâm mẫu trong nước ở 60°C suốt 24 giờ (yêu cầu $\ge 75%$). Ngoài ra, phương pháp thí nghiệm vệt hằn bánh xe Hamburg theo Quyết định 1617/QĐ-BGTVT ở 50°C trong môi trường ngập nước cũng được sử dụng để kiểm chứng biến dạng dẻo thực tế.

Việc ứng dụng vôi thủy hóa có làm tăng chi phí xây dựng mặt đường không?

Việc sử dụng vôi thủy hóa sản xuất trong nước chỉ làm thay đổi chi phí vật liệu đầu vào ở mức dưới 3% so với bột khoáng thông thường. Ngược lại, nhờ độ ổn định còn lại tăng lên 78% và tuổi thọ mặt đường kéo dài thêm 15% đến 20%, chi phí duy tu và sửa chữa ổ gà định kỳ giảm tới 25%.

Kết luận

• Luận văn đã xác định chính xác tỷ lệ 10% vôi thủy hóa thay thế bột khoáng là hàm lượng tối ưu giúp nâng cao toàn diện chất lượng làm việc của hỗn hợp BTNC 12.5.
• Chỉ số độ ổn định Marshall đạt mức cực đại 13.73 kN, độ dẻo đạt 4.81 mm, đảm bảo khả năng hấp thụ biến dạng và phân bố ứng suất vượt trội dưới tác dụng của tải trọng trục xe.
• Khả năng kháng ẩm được cải thiện rõ rệt với độ ổn định còn lại đạt 78.0% sau 24 giờ ngâm nước ở 60°C, vượt tiêu chuẩn ngành và cao hơn mẫu đối chứng không vôi.
• Cường độ chịu kéo khi ép chẻ ở 15°C tăng 13.31% đạt 2.81 MPa, củng cố độ bền chống nứt nhiệt và chống phá hủy giòn trong điều kiện thời tiết chuyển mùa.
• Các kết quả đo mô-đun phức động trên thiết bị DTS 30 và đường cong chủ Master Curve cung cấp bộ thông số đầu vào chính xác cho thiết kế mặt đường mềm theo phương pháp cơ học thực nghiệm.

Kế hoạch tiếp theo cần tập trung chuẩn hóa tiêu chuẩn thi công và mở rộng các dự án thử nghiệm hiện trường trong giai đoạn 2026-2027. Các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu thi công hạ tầng giao thông nên nhanh chóng ứng dụng giải pháp cấp phối BTNC 12.5 kết hợp 10% vôi thủy hóa nhằm nâng cao chất lượng công trình và tối ưu hóa chi phí vòng đời đường bộ.

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%.