Luận văn thạc sĩ: Ảnh hưởng của nhựa PET tới chất lượng bê tông nhựa

• Tác giả: Vũ Ngọc Hưởng
• Người hướng dẫn: PGS. TS 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 Nhựa PET Tới Chất Lượng Của Bê Tông Nhựa Bằng Phương Pháp Trộn Khô Cải Tiến
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 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. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 1.6.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. TỔNG QUAN
• 2.1. Một số loại polyme đã được nghiên cứu và sử dụng
• 2.1.1. Cao su
• 2.1.2. Styrene – butadiene – Styrene (SBS)
• 2.1.3. Styrene – butadiene – rubber (SBR)
• 2.2. Tổng quan về nghiên cứu PET
• 2.2.1. Nghiên cứu ứng dụng PET trên thế giới
• 2.2.2. Nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam
• 2.2.3. Phương pháp trộn PET với hỗn hợp bê tông nhựa
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Lựa chọn vật liệu
• 3.2. Phương pháp trộn PET với hỗn hợp bê tông nhựa
• 3.3. Các thí nghiệm đánh giá tính chất của hỗn hợp BTNC 12
• 3.3.1. Thí nghiệm Marshall
• 3.3.2. Thí nghiệm đo mô đun đàn hồi
• 3.3.3. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ
• 3.3.4. Thí nghiệm mô đun phức động
• 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
• 4.1. Thí nghiệm Marshall
• 4.2. Thí nghiệm mô đun đàn hồi
• 4.3. Thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ
• 4.4. Thí nghiệm mô đun phức động
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• BẢN CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT

I. Giới thiệu chung

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nhựa PET đến chất lượng của bê tông nhựa (BTN) ngày càng trở nên cần thiết trong bối cảnh giao thông hiện đại. Với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và tải trọng phương tiện, mặt đường BTN phải đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm nứt, lún, và hư hỏng. Việc cải thiện chất lượng BTN là một trong những giải pháp quan trọng, trong đó việc sử dụng các loại phụ gia như nhựa PET đã được đề xuất. Nhựa PET không chỉ giúp cải thiện chất lượng BTN mà còn có lợi cho môi trường bằng cách giảm thiểu lượng rác thải nhựa. Tính cấp thiết của đề tài này không chỉ nằm ở việc nâng cao chất lượng BTN mà còn ở việc thúc đẩy việc sử dụng vật liệu tái chế trong xây dựng.

II. Tổng quan về nghiên cứu PET

Trong những năm qua, nhựa PET đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng nhựa PET vào BTN còn hạn chế. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng nhựa PET có thể cải thiện tính chất của BTN, đặc biệt là khả năng kháng lún và độ bền. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng nhựa PET có thể thay thế một phần cốt liệu trong BTN mà không làm giảm chất lượng. Một nghiên cứu của A. Hassan vào năm 2005 cho thấy rằng việc thay thế 20% cốt liệu bằng nhựa PET đã làm giảm trọng lượng đơn vị của hỗn hợp BTN. Tuy nhiên, vẫn cần có nhiều nghiên cứu hơn để xác định hàm lượng tối ưu và các phương pháp trộn hiệu quả.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp trộn khô cải tiến để kết hợp nhựa PET với hỗn hợp BTN. Các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm nhằm đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTN có sử dụng nhựa PET. Các chỉ tiêu như độ ổn định, độ dẻo, và mô đun đàn hồi được đo lường và so sánh với mẫu BTN thông thường. Kết quả từ các thí nghiệm sẽ cung cấp thông tin quan trọng về hiệu quả của nhựa PET trong cải thiện chất lượng BTN. Phương pháp nghiên cứu này không chỉ giúp xác định được hàm lượng nhựa PET tối ưu mà còn mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng vật liệu tái chế trong xây dựng.

IV. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc bổ sung nhựa PET vào BTN có thể cải thiện đáng kể khả năng làm việc của hỗn hợp ở nhiệt độ cao. Hàm lượng nhựa PET tối ưu được xác định là 0.4% trên tổng khối lượng cốt liệu, giúp hỗn hợp BTN hoạt động hiệu quả hơn dưới tác động của độ ẩm và nhiệt độ. Tuy nhiên, một số chỉ tiêu như khả năng chịu tải động chưa được cải thiện rõ rệt, cho thấy cần có thêm các nghiên cứu để tối ưu hóa công thức phối trộn. Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các loại BTN thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí sản xuất.

V. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nhựa PET đến chất lượng BTN không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn lớn. Việc sử dụng nhựa PET trong BTN không chỉ giúp cải thiện chất lượng mặt đường mà còn góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ rác thải nhựa. Hơn nữa, nghiên cứu này mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm xây dựng bền vững, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên. Các kết quả của nghiên cứu sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng nhựa PET trong lĩnh vực xây dựng, đồng thời khuyến khích việc áp dụng các vật liệu tái chế trong xây dựng.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh giao thông ngày càng phát triển với số lượng phương tiện và tải trọng tăng cao, mặt đường bê tông nhựa (BTN) chịu nhiều tác động gây hư hỏng như nứt trượt, hằn lún và rạn nứt. Tại Việt Nam, việc cải thiện chất lượng BTN nhằm nâng cao tuổi thọ và khả năng chịu tải của mặt đường là vấn đề cấp thiết. Theo báo cáo của ngành giao thông, việc sử dụng phụ gia polymer đã được chứng minh giúp tăng cường tính năng của BTN, tuy nhiên chi phí cao là rào cản lớn. Nhựa tái chế PET (Polyethylene Terephthalate) được xem là giải pháp thay thế tiềm năng với chi phí thấp hơn và khả năng cải thiện đặc tính nhựa đường.

Nghiên cứu này tập trung đánh giá ảnh hưởng của nhựa PET đến chất lượng BTN bằng phương pháp trộn khô cải tiến (PPTK cải tiến) với các hàm lượng PET khác nhau (0%, 0.1%, 0.2%, 0.4%, 0.6%, 0.8%) trên tổng khối lượng cốt liệu. Thí nghiệm được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2022, sử dụng cấp phối BTNC 12.5 và nhựa đường mác 60/70. Mục tiêu chính là xác định hàm lượng PET tối ưu nhằm nâng cao độ ổn định, độ dẻo, khả năng chịu tải và độ bền của BTN, đồng thời góp phần thúc đẩy sử dụng nhựa tái chế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu xây dựng bền vững, giảm chi phí bảo trì mặt đường và hỗ trợ chính sách bảo vệ môi trường thông qua tái chế nhựa PET.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết vật liệu composite: BTN được xem là vật liệu composite gồm cốt liệu, nhựa đường và phụ gia PET, trong đó sự tương tác giữa các thành phần ảnh hưởng đến tính chất cơ lý của hỗn hợp.
• Mô hình ảnh hưởng của phụ gia polymer đến BTN: Phụ gia polymer như SBS, SBR đã được chứng minh cải thiện độ bền, độ dẻo và khả năng chống lún của BTN. PET được xem là polymer tái chế có tiềm năng tương tự nhưng với chi phí thấp hơn.
• Khái niệm mô đun đàn hồi (MĐĐH) và mô đun phức động (MĐPĐ): MĐĐH phản ánh khả năng đàn hồi của BTN dưới tải trọng tĩnh, còn MĐPĐ thể hiện ứng xử của BTN dưới tải trọng động và nhiệt độ thay đổi.
• Khái niệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ (CĐCK): Đánh giá khả năng chống nứt của BTN ở nhiệt độ thấp, quan trọng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng cốt liệu BTNC 12.5 lấy từ trạm trộn BTN nóng Hồng An, TP. Hồ Chí Minh; nhựa đường mác 60/70; nhựa PET công nghiệp mua từ công ty Vân Gia Phát.

• Phương pháp trộn: Áp dụng phương pháp trộn khô cải tiến (PPTK cải tiến) với quy trình sấy cốt liệu ở 170°C trong 4 giờ, nhựa đường sấy ở 150-160°C trong 2 giờ, trộn nhựa đường với cốt liệu trong 2 phút, sau đó thêm PET và trộn tiếp 3 phút để đảm bảo nhựa đường bao phủ PET và cốt liệu.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tổng cộng 15 mẫu được chế tạo với 5 hàm lượng PET khác nhau, mỗi hàm lượng có 3 mẫu cho các thí nghiệm Marshall, mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo và mô đun phức động.

• Phương pháp phân tích: Thí nghiệm Marshall theo TCVN 8860-1:2011 để đo độ ổn định và độ dẻo; thí nghiệm mô đun đàn hồi theo TCN 211-06 tại 15°C, 30°C và 60°C; thí nghiệm cường độ chịu kéo khi ép chẻ theo TCVN 8862:2011 ở 25°C; thí nghiệm mô đun phức động theo EN 12697-26C tại các nhiệt độ từ -10°C đến 54°C và tần số từ 0.5 Hz đến 25 Hz. Dữ liệu được phân tích bằng phần mềm TestLab và xây dựng đường cong Master Curve để đánh giá ảnh hưởng của PET.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 2/2022, hoàn thành thí nghiệm và phân tích dữ liệu đến tháng 6/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của PET đến độ ổn định và độ dẻo Marshall:

   • Độ ổn định Marshall đạt giá trị cao nhất 8.73 kN tại hàm lượng PET 0.1%, tăng khoảng 15% so với mẫu không sử dụng PET.
   • Độ dẻo Marshall tăng lên 4.12 mm tại hàm lượng PET 0.4%, cao hơn 20% so với mẫu chuẩn.
   • Khi hàm lượng PET vượt quá 0.4%, độ ổn định và độ dẻo giảm mạnh, mẫu 0.8% PET có độ ổn định thấp nhất 7.81 kN, giảm 7.2% so với mẫu 0%.

2. Ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi (MĐĐH):

   • MĐĐH giảm khi tăng hàm lượng PET, với giá trị thấp nhất 316.2 MPa tại 0.8% PET, giảm khoảng 35-43% so với mẫu không có PET ở các nhiệt độ 15°C, 30°C và 60°C.
   • Điều này cho thấy PET không cải thiện khả năng đàn hồi của BTN dưới tải trọng tĩnh.

3. Ảnh hưởng đến cường độ chịu kéo khi ép chẻ (CĐCK):

   • CĐCK giảm khi tăng hàm lượng PET, mẫu không sử dụng PET có giá trị 1.18 MPa, cao hơn các mẫu có PET.
   • Mẫu 0.8% PET có cường độ thấp nhất, cho thấy PET không cải thiện khả năng chống nứt ở nhiệt độ thấp.

4. Ảnh hưởng đến mô đun phức động (MĐPĐ):

   • Ở nhiệt độ cao (54°C), đường cong Master Curve của mẫu 0.4% PET nằm dưới mẫu không có PET, cho thấy PET không tăng cường độ chịu TTĐ ở nhiệt độ cao.
   • Ở nhiệt độ thấp (-10°C và 4°C), mẫu 0.4% PET có đường cong Master Curve chuyển dịch rõ rệt, thể hiện khả năng làm việc tốt hơn so với mẫu chuẩn.
   • PET cải thiện khả năng làm việc của BTN ở nhiệt độ thấp dưới tác động của tải trọng động.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc phối trộn PET bằng phương pháp trộn khô cải tiến giúp tăng độ ổn định và độ dẻo Marshall, nâng cao khả năng làm việc của BTN ở nhiệt độ cao dưới tác động của độ ẩm. Tuy nhiên, PET không cải thiện mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo khi ép chẻ, đồng nghĩa với việc khả năng chống biến dạng tĩnh và chống nứt của BTN không được nâng cao. Điều này có thể do sự liên kết chưa tốt giữa PET và nhựa đường, bởi PET có nhiệt độ nóng chảy cao (khoảng 260°C) nên khó đồng nhất trong hỗn hợp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, PET thường cải thiện khả năng kháng lún và độ bền ở nhiệt độ thấp nhưng không tăng cường độ chịu tải tĩnh. Việc sử dụng PET dạng hạt mịn và điều chỉnh nhiệt độ, thời gian trộn có thể cải thiện tính đồng nhất và hiệu quả của phụ gia này. Các biểu đồ Master Curve và số liệu mô đun phức động minh họa rõ sự khác biệt về tính chất cơ lý của BTN có và không có PET, đặc biệt ở các điều kiện nhiệt độ và tần số tải khác nhau.

Nghiên cứu góp phần làm rõ vai trò của PET trong cải thiện chất lượng BTN, đồng thời chỉ ra hạn chế cần khắc phục trong phương pháp trộn và lựa chọn vật liệu để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng PET.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cải tiến phương pháp trộn PET với BTN:

   • Tăng nhiệt độ trộn và kéo dài thời gian trộn để PET có thể phân tán đồng đều và liên kết tốt hơn với nhựa đường.
   • Thử nghiệm các dạng PET khác nhau (hạt mịn, sợi) để đánh giá hiệu quả phối trộn.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng.

2. Xác định hàm lượng PET tối ưu cho từng loại BTN:

   • Dựa trên kết quả hiện tại, hàm lượng PET khoảng 0.4% là tối ưu, cần khảo sát thêm với các cấp phối và nhựa đường khác nhau.
   • Thời gian: 3-6 tháng, chủ thể: các trường đại học và trung tâm nghiên cứu.

3. Mở rộng thí nghiệm đánh giá tính chất BTN có PET:

   • Thực hiện thêm các thí nghiệm về độ mỏi, độ nhám bề mặt, vệt hằn bánh xe để đánh giá toàn diện hiệu quả của PET.
   • Thời gian: 6 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm chuyên ngành giao thông.

4. Khuyến khích sử dụng PET tái chế trong công nghiệp xây dựng:

   • Tăng cường tuyên truyền, hỗ trợ kỹ thuật cho các nhà thầu và doanh nghiệp sử dụng PET nhằm giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
   • Thời gian: liên tục, chủ thể: Bộ Giao thông Vận tải, các sở ngành liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng giao thông:

   • Nắm bắt kiến thức về ứng dụng nhựa tái chế PET trong BTN, phương pháp thí nghiệm và phân tích dữ liệu.
   • Áp dụng làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và nhà thầu thi công đường bộ:

   • Tham khảo để lựa chọn phụ gia PET phù hợp, tối ưu chi phí và nâng cao chất lượng mặt đường.
   • Áp dụng trong thiết kế và thi công các dự án giao thông.

3. Cơ quan quản lý nhà nước về giao thông và môi trường:

   • Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách khuyến khích tái chế nhựa PET trong xây dựng hạ tầng giao thông.
   • Đánh giá tác động môi trường và hiệu quả kinh tế.

4. Các tổ chức bảo vệ môi trường và cộng đồng:

   • Hiểu rõ lợi ích của việc sử dụng nhựa tái chế PET trong giảm thiểu rác thải nhựa và ô nhiễm môi trường.
   • Hỗ trợ vận động và tuyên truyền nâng cao nhận thức xã hội.

Câu hỏi thường gặp

1. PET có thể thay thế hoàn toàn nhựa đường trong BTN không?
   PET không thể thay thế hoàn toàn nhựa đường do tính chất vật lý và hóa học khác biệt. PET được sử dụng như phụ gia để cải thiện một số tính chất của BTN, đặc biệt là khả năng chịu nhiệt và độ bền cơ học ở nhiệt độ thấp.

2. Hàm lượng PET tối ưu trong BTN là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy hàm lượng PET khoảng 0.4% trên tổng khối lượng cốt liệu mang lại hiệu quả tốt nhất về độ ổn định và độ dẻo Marshall, đồng thời cải thiện khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp.

3. Phương pháp trộn khô cải tiến có ưu điểm gì so với phương pháp trộn ướt?
   Phương pháp trộn khô cải tiến giúp giữ nguyên hình dạng và đặc tính của PET, tránh hiện tượng chảy dẻo và giảm khả năng liên kết kém giữa PET và nhựa đường, từ đó nâng cao hiệu quả phối trộn.

4. PET ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chịu tải động của BTN?
   PET không cải thiện khả năng chịu tải trọng động (TTĐ) ở nhiệt độ cao nhưng giúp tăng khả năng làm việc của BTN ở nhiệt độ thấp, giảm nguy cơ nứt và hư hỏng do tải trọng động.

5. Việc sử dụng PET trong BTN có tác động môi trường như thế nào?
   Sử dụng PET tái chế trong BTN góp phần giảm lượng nhựa thải ra môi trường, giảm ô nhiễm và thúc đẩy phát triển vật liệu xây dựng bền vững, đồng thời giảm chi phí sản xuất vật liệu.

Kết luận

• Việc phối trộn PET với BTN bằng phương pháp trộn khô cải tiến đã cải thiện độ ổn định và độ dẻo Marshall, nâng cao khả năng làm việc của BTN ở nhiệt độ cao dưới tác động của độ ẩm.
• Hàm lượng PET 0.4% được xác định là mức tối ưu cho hiệu quả phối trộn tốt nhất.
• PET không cải thiện mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo khi ép chẻ, đồng nghĩa với hạn chế trong khả năng chống biến dạng tĩnh và chống nứt.
• PET giúp cải thiện khả năng làm việc của BTN ở nhiệt độ thấp dưới tác động của tải trọng động, góp phần tăng tuổi thọ mặt đường.
• Cần tiếp tục nghiên cứu cải tiến phương pháp trộn, lựa chọn loại PET và mở rộng thí nghiệm để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng PET trong BTN.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục thử nghiệm các phương pháp trộn mới, đa dạng hóa nguồn PET và đánh giá toàn diện tính chất vật liệu để ứng dụng rộng rãi trong xây dựng giao thông.