Nghiên cứu độ bám dính giữa nhũ tương và cốt liệu khoáng phục vụ chip seal tại Takeo, Campuchia

• Tác giả: Duk Heng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Mạnh Tuấn
• Trường học: Hochiminh City University of Technology
• Chuyên ngành: Transportation Engineering
• Đề tài: Nghiên cứu độ bám dính giữa nhũ tương và cốt liệu khoáng trong chip seal tại tỉnh Takeo, Campuchia
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hochiminh City

• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. BACKGROUND
• 1.2. PROBLEMS STATEMENT
• 1.3. OBJECTIVES OF THIS STUDY
• 1.4. OUTLINE
• 2. CHAPTER 2: LITERATURE REVIEW OF CHIP SEAL
• 2.1. CHIP SEAL DEFINITION
• 2.2. THE ADVANTAGES OF CHIP SEAL
• 2.3. CHIP SEAL MATERIALS SELECTION
• 2.3.1. Aggregate uses in chip seal
• 2.3.2. Aggregate application rate
• 2.3.3. Chip seal binders
• 2.3.4. The benefits of asphalt emulsion binders
• 2.3.5. How to store and handling the asphalt emulsions
• 2.4. CHIP SEAL DESIGN THEORY
• 2.5. CONSTRUCTION OF CHIP SEAL
• 2.5.1. Emulsion binder application
• 2.5.2. Application of cover aggregate
• 2.5.3. Sweeping after rolling
• 2.5.4. Removing traffic control
• 2.6. CHIP SEAL DISTRESSES
• 3. CHAPTER 3: STUDY DESIGN AND METHODOLOGY
• 3.1. EXPERIMENTAL AND TEST METHOD
• 3.1.1. Sweep test ASTM D7000
• 3.1.2. Summary of Sweep test
• 3.1.3. Significance and use
• 3.1.4. Vialit test BS EN 12272-3
• 3.1.5. Summary of test method
• 3.1.6. Significance and use
• 3.1.7. Test method for determining field coating TCVN 8817-15:2011
• 3.1.8. Summary test method
• 3.1.9. Digital image analysis
• 3.1.10. Summary of test method
• 4. CHAPTER 4: RESULTS AND DISCUSSION
• 4.1. PERFORMANCE FROM SWEEP TEST
• 4.2. PERFORMANCE FROM VIALIT ADHESION TEST
• 4.3. PERFORMANCE FROM TEST METHOD FOR DETERMINING FIELD COATING AND IMAGE ANALYSIS APPLICATION
• 4.4. CORRELATIONS BETWEEN AGGREGATE AND TEST METHODS
• 5. CHAPTER 5: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATION
• 5.1. SUMMARY RESULTS AND CONCLUSIONS
• 5.2. CONTRIBUTION AND RECOMMENDATION

I. Giới thiệu

Nghiên cứu độ bám dính giữa nhũ tương và cốt liệu khoáng trong chip seal tại tỉnh Takeo, Campuchia đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng công trình giao thông. Độ bám dính giữa nhũ tương và cốt liệu khoáng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của chip seal, giúp ngăn ngừa hiện tượng raveling và bleeding. Việc hiểu rõ các yếu tố tác động đến độ bám dính sẽ giúp nâng cao hiệu quả thi công và bảo trì các tuyến đường. Nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá độ bám dính giữa các loại nhũ tương khác nhau và cốt liệu khoáng từ nhiều nguồn khác nhau tại Campuchia.

II. Tài liệu tham khảo về chip seal

Chip seal là một phương pháp xử lý bề mặt đường phổ biến, bao gồm việc phun một lớp nhũ tương lên bề mặt đường và sau đó rải cốt liệu khoáng lên trên. Chip seal không chỉ giúp bảo vệ bề mặt đường mà còn tăng cường khả năng chống trượt. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lựa chọn cốt liệu khoáng phù hợp và nhũ tương có chất lượng tốt sẽ nâng cao đáng kể hiệu suất của chip seal. Các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng độ bám dính giữa nhũ tương và cốt liệu khoáng là yếu tố quyết định cho sự bền vững của lớp phủ này.

2.1 Định nghĩa chip seal

Chip seal là một phương pháp bảo trì bề mặt đường, trong đó một lớp nhũ tương được phun lên bề mặt đường và sau đó được phủ bằng cốt liệu khoáng. Mục đích chính của chip seal là bảo vệ bề mặt đường khỏi sự xâm nhập của nước và tăng cường độ bám dính cho xe cộ. Việc lựa chọn cốt liệu khoáng chất lượng cao sẽ giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của chip seal.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này được thực hiện bằng cách sử dụng ba phương pháp thử nghiệm chính: Sweep test, Vialit test, và Test method for determining field coating. Mỗi phương pháp sẽ được áp dụng để đánh giá độ bám dính giữa nhũ tương và cốt liệu khoáng. Các mẫu cốt liệu khoáng được thu thập từ năm nguồn khác nhau tại tỉnh Takeo. Kết quả từ các thử nghiệm sẽ được phân tích để xác định mối tương quan giữa các phương pháp thử nghiệm và hiệu suất của chip seal.

3.1 Thử nghiệm Sweep

Thử nghiệm Sweep được thực hiện nhằm đánh giá khả năng bám dính của nhũ tương với cốt liệu khoáng. Kết quả cho thấy rằng sự tương tác giữa cốt liệu khoáng và nhũ tương có ảnh hưởng lớn đến độ bám dính. Các yếu tố như kích thước và hình dạng của cốt liệu khoáng cũng được xem xét để xác định ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất của chip seal.

3.2 Thử nghiệm Vialit

Thử nghiệm Vialit được sử dụng để đo lường độ bám dính của nhũ tương với cốt liệu khoáng. Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác hơn về khả năng giữ lại nhũ tương trên bề mặt của cốt liệu khoáng. Kết quả cho thấy rằng việc lựa chọn nhũ tương phù hợp có thể làm tăng cường đáng kể độ bám dính, từ đó nâng cao hiệu suất của chip seal.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ các thử nghiệm cho thấy rằng độ bám dính giữa nhũ tương và cốt liệu khoáng có sự khác biệt đáng kể tùy thuộc vào nguồn gốc của cốt liệu khoáng. Những mẫu cốt liệu khoáng được chọn từ các nguồn có chất lượng cao hơn cho thấy độ bám dính tốt hơn. Điều này chứng tỏ rằng việc lựa chọn cốt liệu khoáng chất lượng là rất quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của chip seal. Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các yếu tố như nhiệt độ và độ ẩm có thể ảnh hưởng đến độ bám dính.

V. Kết luận và khuyến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải thiện độ bám dính giữa nhũ tương và cốt liệu khoáng là rất cần thiết để tăng cường hiệu suất của chip seal tại tỉnh Takeo, Campuchia. Đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo là tiếp tục khảo sát các loại nhũ tương và cốt liệu khoáng khác nhau để xác định những yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ bám dính. Hơn nữa, việc áp dụng các phương pháp thử nghiệm hiện đại sẽ giúp cải thiện độ chính xác trong việc đánh giá độ bám dính.

Tổng quan nghiên cứu

Chip seal là một phương pháp xử lý bề mặt đường phổ biến trên thế giới, đặc biệt tại Campuchia, với tổng chiều dài đường trải nhựa khoảng 6.627 km, trong đó khoảng 334 km được phủ chip seal do tính kinh tế và thuận tiện thi công. Chip seal bao gồm lớp nhựa đường dạng nhũ tương được phun lên bề mặt đường, sau đó rải một lớp đá dăm phủ lên, nhằm mục đích chống thấm nước, bảo vệ lớp nền và tăng ma sát bề mặt. Tuy nhiên, các vấn đề như rạn nứt, rêu rao, rỗ mặt và đặc biệt là hiện tượng raveling (mất đá dăm) và bleeding (chảy nhựa) vẫn thường xuyên xảy ra, ảnh hưởng đến tuổi thọ và hiệu quả sử dụng của lớp phủ.

Nghiên cứu tập trung đánh giá khả năng bám dính giữa nhũ tương nhựa đường và đá dăm từ 5 nguồn khác nhau tại Campuchia, sử dụng các phương pháp thử nghiệm Sweep test, Vialit test và phương pháp xác định lớp phủ thực địa kết hợp phân tích ảnh số. Mục tiêu chính là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ bám dính, từ đó đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng chip seal, giảm thiểu hiện tượng raveling và bleeding, góp phần nâng cao hiệu quả bảo trì và kéo dài tuổi thọ công trình giao thông. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2020 tại tỉnh Takeo, Campuchia, với phạm vi tập trung vào các loại nhũ tương CRS-1 và CRS-2 cùng đá dăm kích thước 4.5 mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về cơ chế bám dính giữa nhũ tương nhựa đường và đá dăm trong chip seal, bao gồm:

• Cơ chế bám dính vật lý và hóa học: Sự kết hợp giữa lực cơ học, lực điện tích và lực keo giữa bề mặt đá dăm và nhũ tương nhựa đường quyết định độ bền liên kết.
• Ảnh hưởng của đặc tính vật liệu: Các chỉ tiêu như chỉ số dẹt (flakiness index), độ hút nước, độ bền mài mòn (Los Angeles Abrasion), khối lượng riêng (Bulk Specific Gravity) của đá dăm ảnh hưởng đến khả năng bám dính.
• Tính chất nhũ tương nhựa đường: Loại nhũ tương (cationic rapid setting CRS-1, CRS-2), độ nhớt, độ phân tán, khả năng tách nước (demulsibility) ảnh hưởng đến quá trình bám dính và đóng rắn.
• Mô hình thiết kế chip seal: Dựa trên các phương pháp thiết kế của Hanson, Kearby và McLeod, tập trung vào tỷ lệ nhũ tương và đá dăm, độ phủ và độ bám dính để đảm bảo độ bền và tuổi thọ lớp phủ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Đá dăm được thu thập từ 5 mỏ tại Campuchia gồm Kho Ek Tum, Pech Mony, Near Pech Mony, Thlok Tro Bek và Ta Reach. Nhũ tương nhựa đường CRS-1 và CRS-2 được sử dụng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8817-15:2011.
• Phương pháp phân tích:
  • Sweep test (ASTM D7000): Đánh giá khả năng giữ đá dăm trên bề mặt nhũ tương bằng bàn chải nylon mô phỏng quét chổi, tính phần trăm khối lượng đá dăm mất đi sau 1 phút.
  • Vialit test: Đo giá trị bám dính giữa nhũ tương và đá dăm qua tác động sốc cơ học.
  • Phương pháp xác định lớp phủ thực địa (TCVN 8817-15:2011) kết hợp phân tích ảnh số (Digital Image Analysis) để đánh giá diện tích phủ nhũ tương trên bề mặt đá dăm.
• Cỡ mẫu: Mỗi loại đá dăm được thử nghiệm với hai loại nhũ tương, tổng cộng 10 tổ hợp mẫu.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập mẫu và thử nghiệm trong năm 2019, phân tích và báo cáo kết quả trong đầu năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng giữ đá dăm qua Sweep test: Đá dăm từ mỏ Pech Mony có tỷ lệ mất khối lượng thấp nhất, khoảng 5%, trong khi đá dăm từ Ta Reach mất khoảng 12%. Nhũ tương CRS-1 cho kết quả giữ đá dăm tốt hơn CRS-2 với mức chênh lệch khoảng 3-4%.
2. Giá trị bám dính theo Vialit test: Đá dăm có chỉ số dẹt thấp (dưới 15%) và độ hút nước thấp (<1.5%) cho giá trị bám dính cao hơn 20% so với đá dăm có chỉ số dẹt trên 20%. CRS-1 thể hiện độ bám dính trung bình cao hơn CRS-2 khoảng 15%.
3. Diện tích phủ nhũ tương theo phương pháp xác định lớp phủ và phân tích ảnh số: Đá dăm có độ nhám bề mặt cao và độ hút nước lớn có diện tích phủ nhũ tương lớn hơn 10-15% so với đá dăm mịn và ít hút nước.
4. Mối tương quan giữa các chỉ tiêu: Có mối tương quan âm giữa chỉ số dẹt và khả năng giữ đá dăm (r = -0.85), mối tương quan dương giữa độ hút nước và diện tích phủ nhũ tương (r = 0.78), cho thấy đặc tính vật liệu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả bám dính.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng raveling và bleeding được xác định là do sự không tương thích giữa đặc tính đá dăm và nhũ tương nhựa đường, đặc biệt là khi đá dăm có chỉ số dẹt cao và độ hút nước lớn làm giảm khả năng bám dính. Kết quả Sweep test và Vialit test cho thấy nhũ tương CRS-1 có ưu thế hơn CRS-2 trong việc tạo liên kết bền vững với đá dăm, phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm tại Campuchia. Phân tích ảnh số hỗ trợ đánh giá chính xác diện tích phủ nhũ tương, giúp kiểm soát chất lượng thi công chip seal.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành giao thông về ảnh hưởng của hình dạng và đặc tính vật liệu đến độ bền chip seal. Việc áp dụng đồng bộ các phương pháp thử nghiệm giúp dự báo chính xác hiệu suất chip seal, từ đó giảm thiểu chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tỷ lệ mất khối lượng đá dăm theo từng nguồn và loại nhũ tương, bảng tổng hợp giá trị bám dính Vialit, cùng biểu đồ phân tích tương quan giữa các chỉ tiêu vật liệu và kết quả thử nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Lựa chọn đá dăm có chỉ số dẹt dưới 20% và độ hút nước thấp để đảm bảo độ bám dính tốt, giảm thiểu hiện tượng raveling, áp dụng trong vòng 6 tháng tới, chủ thể: nhà thầu và đơn vị cung cấp vật liệu.
2. Ưu tiên sử dụng nhũ tương CRS-1 cho chip seal tại Campuchia do khả năng bám dính và độ bền cao hơn CRS-2, thực hiện ngay trong các dự án thi công chip seal hiện tại, chủ thể: cơ quan quản lý và nhà thầu thi công.
3. Áp dụng đồng bộ các phương pháp thử nghiệm Sweep test, Vialit test và phân tích ảnh số trong kiểm soát chất lượng chip seal trước khi mở đường cho giao thông, triển khai trong vòng 3 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm và đơn vị giám sát.
4. Đào tạo kỹ thuật viên và cán bộ quản lý về kỹ thuật thi công và kiểm soát chất lượng chip seal nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng, tổ chức định kỳ hàng năm, chủ thể: cơ quan quản lý và trường đại học kỹ thuật.
5. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật chip seal phù hợp với điều kiện địa phương Campuchia, dựa trên kết quả nghiên cứu, hoàn thiện trong 12 tháng, chủ thể: Bộ Giao thông vận tải và các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý giao thông và xây dựng đường bộ: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, nâng cao hiệu quả bảo trì đường bộ, giảm chi phí sửa chữa.
2. Nhà thầu thi công và cung cấp vật liệu: Áp dụng các tiêu chí lựa chọn vật liệu và kỹ thuật thi công phù hợp, đảm bảo chất lượng công trình và giảm thiệt hại do raveling, bleeding.
3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành giao thông: Tham khảo phương pháp thử nghiệm và kết quả nghiên cứu để phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo, đào tạo sinh viên.
4. Chuyên gia tư vấn và thiết kế công trình giao thông: Dựa trên dữ liệu thực nghiệm để thiết kế chip seal phù hợp với điều kiện khí hậu và vật liệu địa phương, nâng cao độ bền công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Chip seal là gì và tại sao lại phổ biến ở Campuchia?
   Chip seal là lớp phủ bề mặt đường gồm nhũ tương nhựa đường và đá dăm, giúp chống thấm nước và tăng ma sát. Ở Campuchia, chip seal được ưa chuộng do chi phí thấp và thi công nhanh, phù hợp với điều kiện giao thông và kinh tế địa phương.

2. Những yếu tố nào ảnh hưởng đến độ bám dính giữa nhũ tương và đá dăm?
   Chủ yếu là đặc tính vật liệu đá dăm như chỉ số dẹt, độ hút nước, độ bền mài mòn, cùng loại nhũ tương và điều kiện thi công như nhiệt độ, độ ẩm. Ví dụ, đá dăm có chỉ số dẹt cao thường giảm độ bám dính.

3. Phương pháp Sweep test đánh giá điều gì trong chip seal?
   Sweep test mô phỏng lực quét chổi để đo khả năng giữ đá dăm trên bề mặt nhũ tương, tính phần trăm đá dăm bị mất sau 1 phút, giúp dự báo độ bền liên kết ban đầu của chip seal.

4. Tại sao nên ưu tiên sử dụng nhũ tương CRS-1 thay vì CRS-2?
   CRS-1 có độ nhớt thấp hơn, khả năng bám dính nhanh và chắc hơn, phù hợp với khí hậu nóng ẩm, giúp giảm hiện tượng raveling và bleeding so với CRS-2.

5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng chip seal trong thi công?
   Áp dụng đồng thời các phương pháp thử nghiệm như Sweep test, Vialit test và phân tích ảnh số để đánh giá độ bám dính và lớp phủ nhũ tương, kết hợp kiểm tra thực địa và giám sát thi công chặt chẽ.

Kết luận

• Chip seal là giải pháp kinh tế và hiệu quả cho bảo trì đường bộ tại Campuchia, nhưng cần kiểm soát tốt hiện tượng raveling và bleeding.
• Đặc tính vật liệu đá dăm và loại nhũ tương nhựa đường ảnh hưởng quyết định đến độ bám dính và hiệu suất chip seal.
• Nhũ tương CRS-1 và đá dăm có chỉ số dẹt thấp, độ hút nước thấp được khuyến nghị sử dụng để nâng cao chất lượng chip seal.
• Phương pháp thử nghiệm Sweep test, Vialit test và phân tích ảnh số là công cụ hiệu quả để đánh giá và kiểm soát chất lượng chip seal.
• Đề xuất xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo nhân lực nhằm nâng cao hiệu quả thi công và bảo trì chip seal tại Campuchia trong vòng 1 năm tới.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án chip seal hiện tại và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp, đồng thời mở rộng nghiên cứu về các loại nhũ tương và đá dăm khác để tối ưu hóa hiệu quả công trình giao thông.