Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Ảnh hưởng của lưu huỳnh khi sử dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu tác động của lưu huỳnh làm phụ gia trong bê tông nhựa, cải thiện tính chất cơ học và độ bền vật liệu.

• Tác giả: Nguyễn Thu Trang
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Huy Khang
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu huỳnh khi sử dụng làm phụ gia cho bê tông nhựa
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. 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, nguồn gốc và ứng dụng của lưu huỳnh
• 1.1.2. Hình thái của lưu huỳnh. Hệ thống tinh thể
• 1.1.2.1. Các dạng thù hình của lưu huỳnh
• 1.1.2.2. Sự chuyển đổi của các thù hình
• 1.1.3. Đặc tính của lưu huỳnh
• 1.1.3.1. Điểm nóng chảy và kết tinh. Khối lượng riêng
• 1.2. Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum trong bê tông asphalt
• 1.2.1. Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum. Liên kết hóa học bitum – lưu huỳnh
• 1.2.2. Lưu huỳnh hòa tan trong bitum
• 1.2.3. Lưu huỳnh tinh thể trong bitum và bê tông asphalt
• 1.3. Các loại bitum, lưu huỳnh dùng trong bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS)
• 1.3.1. Các loại bitum sử dụng trong sản xuất bê tông asphalt – lưu huỳnh
• 1.3.2. Các loại lưu huỳnh dùng làm phụ gia cho bê tông asphalt
• 1.4. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam
• 1.4.1. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới
• 1.4.1.1. Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt của Tập đoàn Shell ở một số nước trên Thế giới
• 1.4.1.2. Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt tại Liên bang Nga [75], [76], [77], [78]
• 1.4.1.3. Một số kết quả nghiên cứu của FHWA [40], [41]
• 1.4.2. 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
• 1.4.2.1. Vật liệu lưu huỳnh tại Việt Nam
• 1.4.2.2. Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam
• 1.5. Xác định mục tiêu, phương pháp nghiên cứu của luận án
• 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, HÌNH THÁI, THÀNH PHẦN HÓA HỌC, ĐẶC TÍNH CỦA CHẤT KẾT DÍNH BITUM – LƯU HUỲNH (SBB)
• 2.1. Chế tạo mẫu SBB
• 2.1.1. Lựa chọn vật liệu trong nghiên cứu
• 2.1.2. Chế bị mẫu SBB
• 2.1.2.1. Lựa chọn hàm lượng lưu huỳnh, nhiệt độ trộn, thời gian trộn mẫu và tuổi mẫu thí nghiệm
• 2.1.2.2. Quy trình chế bị mẫu SBB
• 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 [17]
• 2.2.1.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X phân tích cấu trúc tinh thể (Xray Powder Diffraction - XRD)
• 2.2.1.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại xác định thành phần hóa học của chất kết dính bitum và SBB [17]
• 2.2.1.3. Phương pháp nghiên cứu hình thái vật chất bằng kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscop) [17]
• 2.2.2. Kế hoạch thí nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, bitum, SBB
• 2.2.3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, chất kết dính bitum, SBB
• 2.2.3.1. Cấu trúc lưu huỳnh Dung Quất
• 2.2.3.2. Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hóa học của chất kết dính SBB
• 2.2.3.3. Kết quả phân tích hình thái học của chất kết dính SBB
• 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, kế hoạch thí nghiệm
• 2.3.1.1. Lựa chọn các chỉ tiêu thí nghiệm
• 2.3.1.2. Kế hoạch thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính
• 2.3.2. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính
• 2.3.2.1. Kết quả thí nghiệm độ kim lún (0,1mm)
• 2.3.2.2. Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm (°C)
• 2.3.2.3. Kết quả thí nghiệm cắt động lưu biến trên máy DSR
• 2.3.2.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định độ nhớt của chất kết dính SBB
• 2.3.2.5. Một số kết quả thí nghiệm chỉ tiêu kỹ thuật khác của chất kết dính SBB
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI LÀM PHỤ GIA CHO BÊTÔNG ASPHALT
• 3.1. Thiết kế thành phần hỗn hợp BTAS và BTA đối chứng
• 3.1.1. Lựa chọn phương pháp thiết kế thành phần BTAS và BTA đối chứng
• 3.1.2. Lựa chọn loại BTA, loại chất kết dính SBB cho BTAS trong nghiên cứu
• 3.1.2.1. Lựa chọn loại BTA trong nghiên cứu
• 3.1.2.2. Lựa chọn hàm lượng lưu huỳnh sử dụng trong BTAS
• 3.1.2.3. Tính toán hàm lượng chất kết dính SBB trong hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phụ gia lưu huỳnh
• 3.1.2.4. Lựa chọn nhiệt độ trộn và đầm nén hỗn hợp BTA và BTAS
• 3.1.2.5. Lựa chọn cốt liệu và bột khoáng trong nghiên cứu
• 3.1.3. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông asphalt chặt 12,5
• 3.1.4. Xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu cho hỗn hợp BTA và BTAS theo phương pháp Marshall
• 3.1.4.1. Trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phụ gia lưu huỳnh
• 3.1.4.2. Trình tự xác định hàm lượng bitum tối ưu theo phương pháp Marshall
• 3.1.4.3. Kế hoạch thí nghiệm
• 3.1.4.4. Chế bị mẫu BTAS
• 3.1.4.5. Kết quả xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu
• 3.1.5. Lựa chọn các thí nghiệm thực hiện trong phòng
• 3.2. Nghiên cứu cấu trúc vi mô của BTAS
• 3.2.1. Phương pháp nghiên cứu
• 3.2.2. Kết quả nghiên cứu
• 3.3. Độ ổn định, độ dẻo Marshall, độ ổn định còn lại
• 3.3.1. Kế hoạch thí nghiệm Marshall
• 3.3.2. Kết quả thí nghiệm và phân tích
• 3.3.2.1. Các chỉ tiêu về thể tích
• 3.3.2.2. Kết quả phân tích độ ổn định Marshall
• 3.3.2.3. Kết quả phân tích độ dẻo Marshall. Độ ổn định còn lại
• 3.4. Khả năng kháng lún vệt bánh xe
• 3.4.1. Phương pháp và kế hoạch thí nghiệm
• 3.4.2. Kết quả thí nghiệm
• 3.4.2.1. Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp C
• 3.4.2.2. Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp A
• 3.5. Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS
• 3.5.1. Phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh
• 3.5.2. Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh
• 3.5.3. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh
• 3.6. Cường độ kéo uốn của BTAS và BTA
• 3.6.1. Kế hoạch thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn của BTAS và BTA
• 3.6.2. Phương pháp thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn
• 3.6.3. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn
• 3.7. Khả năng kháng nứt của BTAS và BTA
• 3.7.1. Kế hoạch thí nghiệm xác định khả năng kháng nứt của BTAS và BTA
• 3.7.2. Phương pháp thí nghiệm
• 3.7.3. Kết quả thí nghiệm xác định khả năng kháng nứt và phân tích
• 3.8. Mô đun động của BTAS và BTA
• 3.8.1. Những vấn đề chung về mô đun đàn hồi động của BTA
• 3.8.2. Kế hoạch thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm mô đun động
• 3.8.2.1. Kế hoạch thí nghiệm mô đun động
• 3.8.2.2. Phương pháp thí nghiệm
• 3.8.3. Kết quả thí nghiệm và đánh giá mô đun động
• 3.8.4. Xây dựng đường cong chủ mô đun động của BTAS và BTA
• 3.8.5. Mô hình hóa mô đun động của BTAS và BTA
• 3.8.5.1. Lựa chọn mô hình
• 3.8.5.2. Đánh giá sự phù hợp của mô hình 2S2P1D với kết quả thí nghiệm
• 3.9. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT – LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ
• 4.1. Kết cấu áo đường mềm điển hình trên tuyến quốc lộ ở Việt Nam
• 4.1.1. KCAĐ trên các tuyến đường quốc lộ huyết mạch Eyc ≥(160–180) MPa
• 4.1.2. KCAĐ trên các tuyến đường quốc lộ khác Eyc ≥(140–155)MPa
• 4.1.3. KCAĐ trên các tuyến đường đô thị Eyc ≥(140–190)MPa
• 4.2. Đề xuất cấu tạo kết cấu áo đường mềm ứng dụng BTAS làm lớp mặt trong kết cấu áo đường ô tô ở Việt Nam
• 4.2.1. Kiểm toán các lớp kết cấu mặt đường mềm theo 22TCN 211-06
• 4.3. Phân tích kết cấu áo đường mềm sử dụng BTAS theo phương pháp cơ học thực nghiệm (M-E)
• 4.3.1. Tổng quan về thiết kế áo đường mềm theo phương pháp cơ học – thực nghiệm
• 4.3.2. Ứng dựng phương pháp cơ học - thực nghiệm phân tích kết cấu áo đường mềm trong luận án
• 4.3.2.1. Số liệu khí hậu
• 4.3.2.2. Lựa chọn kết cấu mặt đường phân tích
• 4.3.2.3. Xác định thông số cần thiết của các lớp vật liệu
• 4.3.2.4. Kết quả phân tích kết cấu mặt đường mềm theo phương pháp cơ học – thực nghiệm
• 4.4. Xác định chi phí xây dựng KCAĐ khi sử dụng BTAS và BTA 12,5 đối chứng
• 4.4.1. Các căn cứ lập chi phí xây dựng KCAĐ sử dụng BTAS và BTA 12,5
• 4.4.2. Kết quả xác định chi phí xây dựng KCAĐ khi sử dụng BTAS và BTA đối chứng
• 4.5. Công nghệ sản xuất và thi công mặt đường bê tông asphalt – lưu huỳnh
• 4.5.1. Công nghệ sản xuất bê tông asphalt – lưu huỳnh
• 4.5.2. Công nghệ thi công mặt đường bê tông asphalt – lưu huỳnh
• 4.5.3. Biện pháp đảm bảo an toàn lao động trong sản xuất, thi công BTAS
• 4.6. Tác động về môi trường khi sử dụng lưu huỳnh làm phụ gia cho bê tông asphalt
• 4.6.1. Ảnh hưởng của lưu huỳnh đến môi trường và con người
• 4.6.2. Kết quả quan trắc nồng độ của khí thải (H2S và SO2) trong sản xuất và thi công BTAS tại một số dự án trên Thế giới
• 4.6.2.1. Kết quả quan trắc của FHWA [41]
• 4.6.2.2. Kết quả quan trắc tại tiểu vương quốc Ả rập Saudi [54]
• 4.6.3. Biện pháp giảm thiểu khí thải H2S và SO2 trong sản xuất và thi công BTAS
• 4.7. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về lưu huỳnh và các ứng dụng của lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt

Nghiên cứu về lưu huỳnh cho thấy đây là một vật liệu có tiềm năng lớn trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong sản xuất bê tông nhựa. Lưu huỳnh không chỉ giúp cải thiện tính chất của bê tông mà còn góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Các ứng dụng của lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng lưu huỳnh làm phụ gia có thể cải thiện độ bền, khả năng chống lún và độ ổn định của mặt đường. Theo một nghiên cứu của Tập đoàn Shell, việc áp dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt đã mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao chất lượng mặt đường.

1.1. Khái niệm nguồn gốc và ứng dụng của lưu huỳnh

Khái niệm về lưu huỳnh được định nghĩa là một nguyên tố hóa học có ký hiệu S, thường xuất hiện dưới dạng tinh thể. Nguồn gốc của lưu huỳnh chủ yếu từ các mỏ khoáng sản và quá trình sản xuất công nghiệp. Ứng dụng của lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu. Việc sử dụng lưu huỳnh không chỉ giúp cải thiện tính chất cơ lý của bê tông mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Các nghiên cứu cho thấy, lưu huỳnh có khả năng tạo ra các liên kết hóa học với bitum, từ đó nâng cao độ bền và khả năng chống lún của mặt đường.

II. Nghiên cứu cấu trúc hình thái thành phần hóa học đặc tính của chất kết dính bitum lưu huỳnh SBB

Nghiên cứu về cấu trúc và thành phần hóa học của chất kết dính bitum – lưu huỳnh (SBB) cho thấy sự tương tác giữa lưu huỳnh và bitum là rất quan trọng. Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD) và quang phổ hồng ngoại (FTIR) đã được sử dụng để xác định cấu trúc và thành phần của SBB. Kết quả cho thấy, lưu huỳnh có thể hòa tan trong bitum, tạo ra một hỗn hợp đồng nhất với các tính chất cơ lý vượt trội. Việc nghiên cứu hình thái của SBB cũng cho thấy sự phân bố đồng đều của lưu huỳnh trong bitum, điều này giúp cải thiện độ bền và khả năng chống lún của mặt đường. Các chỉ tiêu cơ lý như độ kim lún và nhiệt độ hóa mềm cũng được cải thiện đáng kể khi sử dụng SBB.

2.1. Chế tạo mẫu SBB

Quá trình chế tạo mẫu SBB bao gồm việc lựa chọn vật liệu và xác định hàm lượng lưu huỳnh phù hợp. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định các thông số như nhiệt độ trộn và thời gian trộn. Kết quả cho thấy, việc tối ưu hóa các thông số này là rất quan trọng để đạt được chất lượng tốt nhất cho SBB. Các mẫu SBB được chế tạo với tỷ lệ lưu huỳnh khác nhau đã được thử nghiệm để đánh giá tính chất cơ lý. Kết quả cho thấy, tỷ lệ lưu huỳnh cao hơn giúp cải thiện độ bền và khả năng chống lún của mặt đường, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng trong thực tế.

III. Nghiên cứu ứng dụng bê tông asphalt lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường ô tô

Nghiên cứu ứng dụng bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS) trong xây dựng mặt đường ô tô cho thấy nhiều lợi ích vượt trội. Việc sử dụng BTAS không chỉ giúp cải thiện chất lượng mặt đường mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, BTAS có khả năng kháng lún vệt bánh xe tốt hơn so với bê tông asphalt thông thường. Kết quả thí nghiệm cho thấy, BTAS có độ ổn định và độ dẻo cao, giúp tăng cường khả năng chịu tải của mặt đường. Việc áp dụng BTAS trong các dự án xây dựng đường quốc lộ đã được thực hiện và cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao chất lượng mặt đường.

3.1. Kết cấu áo đường mềm điển hình trên tuyến quốc lộ ở Việt Nam

Kết cấu áo đường mềm trên các tuyến quốc lộ ở Việt Nam thường được thiết kế với các lớp vật liệu khác nhau. Việc áp dụng BTAS trong kết cấu áo đường mềm đã được nghiên cứu và đề xuất. Kết quả phân tích cho thấy, việc sử dụng BTAS giúp cải thiện độ bền và khả năng chống lún của mặt đường. Các lớp vật liệu trong kết cấu áo đường mềm cần được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định và độ bền lâu dài. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc áp dụng BTAS có thể giảm thiểu chi phí bảo trì và nâng cao hiệu quả sử dụng của mặt đường trong thời gian dài.