CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ CẤU TẠO BÊ TÔNG ASPHALT 1.1 Vật liệu để chế tạo bêtông asphalt: [4] 1.1 Đá dăm: Chất lượng của đá dăm hay sỏi như cường độ, tính đồng nhất, hình dạng, trạng thái bề mặt, thành phần khoáng vật … có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của bêtông asphalt, do đó cần phải có những yêu cầu nhất định đối với chúng. Đá dăm dùng để chế tạo bêtông asphalt phải dùng đá dăm chế tạo từ xỉ đá thiên nhiên, đá dăm chế tạo từ cuội cũng như đá dăm chế tạo từ xỉ lò cao phù hợp với các yêu cầu của qui phạm. Không cho phép dùng đá dăm chế tạo từ sa thạch sét, phiến thạch sét để chế tạo bê tông asphalt. Hàm lượng hạt dẹt cho phép trong đá dăm của từng hỗn hợp bêtông asphalt được qui định chứa dưới 15% hạt dẹt theo trọng lượng.
Lượng hạt silic trong đá dăm chế tạo từ cuội không được vượt quá 20%. Đá dăm ở trong hỗn hợp bêtông asphalt dùng làm lớp móng không được chứa các hạt đá yếu và phong hóa lớn hơn 1% theo trọng lượng đối với lớp trên. Tuỳ theo cường độ chịu nén của đá mẹ (đá dùng chế tạo đá dăm) mà đá dăm dùng chế tạo bê tông asphalt sẽ có các loại mác ghi trong bảng III-1 (trang 227, [12]). Đá cần phải sạch, lượng ngậm chất bẩn không được lớn hơn 2% theo trọng lượng.
Trước khi cân đong, đối với bêtông hạt nhỏ cần phân ra ít nhất 2 cỡ hạt 10-15mm, 5-10 mm.2 Cát: Trong bêtông asphalt, cát có vai trò rất quan trọng. Nó có nhiệm vụ là chèn kẽ hở giữa các hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc của hỗn hợp. Để chế tạo bêtông asphan, có thể dùng cát thiên nhiên hoặc cát nhân tạo có các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với quy phạm. Đối với cát thiên nhiên để chế tạo bêtông asphalt, thì dùng cát hạt lớn (Mk > 2,5) và cát hạt vừa (Mk = 2-2,5).
Trong trường hợp dùng cát hạt nhỏ (Mk < 2) chỉ cho phép khi trộn thêm cát thiên nhiên hạt lớn hay cát nhân tạo (cát nghiền). Cát nghiền cần phải chế tạo từ đá có cường độ không được nhỏ hơn cường độ của đá dùng là đá dăm. Cát không được lẫn bụi, bùn sét quá 3% theo khối lượng trong cát thiên nhiên và 7% trong cát xay. Lượng hạt sét không được lớn hơn 0,5%.
Thành phần hạt của cát được xác định qua bộ sàng có kích thước lỗ sàng : 5; 3; 1,25; 0,63; 0,315; 0,14; 0,071 và 0,05 mm.3 Bột khoáng: Bột khoáng là một thành phần rất quan trọng trong hỗn hợp bêtông asphalt. Nó không những nhét đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu lớn hơn (cát, đá dăm hay sỏi) để làm tăng độ đặc của hỗn hợp mà còn làm tăng diện tích tiếp xúc, làm cho màng bitum trên mặt vật liệu khoáng càng mỏng và như vậy lực tương tác giữa chúng tăng lên, đưa đến cường độ của bêtông asphalt sau này cũng tăng lên. Người ta có thể dùng các loại bột khoáng sau đây: bột đá vôi, đá đôlômit, bột than đá, ximăng, vôi, … trong đó bột đá vôi, đá đôlômit được dùng nhiều nhất. Trang 6 Chất lượng của bột khoáng dùng trong bêtông asphan được đặc trưng bằng thành phần khoáng vật, độ nhỏ, độ rỗng, hệ số ưa nước.
Loại đá để nghiền làm bột khoáng chủ yếu là đá vôi và đá đôlômít. Cường độ chịu nén của các loại đá này không được nhỏ hơn 200kg/cm2.Yêu cầu về chất lượng: Để chế tạo hỗn hợp bêtông asphan người ta dùng bitum dầu mỏ xây dựng đường làm chất kết dính. Loại bitum này phải có các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với quy phạm. Tuỳ theo phương pháp rải, tính chất xe chạy, điều kiện khí hậu mà chọn mác bitum cho hợp lý.
Ở những đường mà xe nặng chạy nhiều, vùng khí hậu nóng thì người ta dùng bitum mác cao. Thành phần hóa học và sự phân nhóm: Bitum dầu mỏ là một hỗn hợp phức tạp của các hyđrocacbua: metal (CnH2n+1), naftalen CnH2n và loại mạch vòng. Các nguyên tố đó kết hợp thành nhiều hợp chất phức tạp, do đó việc nghiên cứu các hợp chất riêng rẽ rất khó thực hiện. Vì vậy để tiện việc nghiên cứu, người ta dựa trên cơ sở giống nhau về thành phần hóa học và tính chất vật lý mà chia chúng ra làm nhiều nhóm khác nhau.
Sự phân nhóm: Nhóm chất dầu: là những hợp chất thấp phân tử nhất của bitum. Trọng lượng phân tử của chúng vào khoảng 300 - 500, không màu, trọng lượng riêng nhỏ hơn 1 (a = 0,91 - 0,925g/cm3). Sự có mặt của nhóm chất dầu làm cho bitum có tính lỏng. Nếu hàm lượng của nhóm này tăng lên, tính Trang 7 quánh của bitum giảm xuống.
Nhóm này chiếm 45 - 60% trong bitum. Nhóm chất nhựa: là những hợp chất cao phân tử hơn, trọng lượng phân tử của chúng vào khoảng 600 - 800, trọng lượng riêng xấp xỉ 1, có màu nâu sẫm. Nó có thể hòa tan trong benzen, ét xăng, clorufooc. Sự có mặt của nhóm chất nhựa làm cho bitum có tính dẻo.
Nếu hàm lượng của chúng tăng lên, độ dẻo của bitum cũng tăng lên. Hàm lượng nhóm này trong bitum vào khoảng 15 - 30%. Nhóm chất asphalt: là những phần tử rắn, dòn, cao phân tử. Trọng lượng phân tử của nó từ 1000 - 6000 và cao hơn, trọng lượng riêng lớn hơn 1, nó có màu nâu sẫm hoặc đen, khi đốt nóng không bị phân giải, mà chỉ khi ở nhiệt độ lớn hơn 3000C nó mới bị phân giải thành khí và cốc.
Nó có thể hòa tan trong cloruafooc. Khi hàm lượng nhóm asphalt tăng lên thì tính quánh và nhiệt độ hóa mềm của bitum cũng tăng lên. Hàm lượng nhóm này trong bitum vào khoảng 10 - 30%. Chất carbon và carboit: là những hợp chất cao phân tử, có màu đen sẫm, trọng lượng riêng lớn hơn 1.
Tính chất của carbon gần giống như chất asphalt, chỉ khác là nó không hòa tan trong benzen, CCl4 nhưng hòa tan được trong đisunfurcarbon CS2. Carboit là một chất rắn ở dạng muội, không hòa tan trong các dung môi hữu cơ. Hàm lượng của nhóm chất này trong bitum thường nhỏ hơn 1,5%, đôi khi đạt đến 2,5%; sự có mặt của nhom này làm cho bitum kém dẻo. Nhóm axit asphalt và các chất alhydrid của chúng: nhóm này là những chất nhựa hóa (nhựa axit), là thành phần mang cực tính (những phần tử chứa gốc carboxin - COOH), do đó nó là thành phần hoạt tính bề mặt lớn nhất của bitum.
Nó dễ hòa tan trong rượu cồn, benzen, cloruafooc và khó tan trong Trang 8 ét xăng, trọng lượng riêng nhỏ hơn 1, màu nâu sẫm. Hàm lượng của chúng trong bitum nhỏ hơn 1%. Khi hàm lượng của chúng tăng lên thì khả năng thấm ướt và cường độ liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng dạng carbonat sẽ tăng lên. Chất parafin: là những chất hydrometal ở dạng rắn.
Sự có mặt của parafin có thể làm giảm khả năng phân tán và hòa tan của chất asphalt vào trong các chất khác. Mặt khác nó còn làm cho bitum nhạy cảm nhiệt độ. Nếu tỷ lệ của nó tăng lên, nhiệt độ hóa mềm, tính dòn của bitum khi hạ nhiệt độ sẽ tăng lên. Đồng thời nó cũng làm cho hóa lỏng ở nhiệt độ thấp hơn so với bitum không chứa parafin.
Hàm lượng của chất parafin trong bitum dầu mỏ có khi đạt đến 5%. Cấu trúc của bitum: - Tất cả các nhóm trên đây của bitum sẽ tạo thành một hệ thống keo rất phức tạp. Trong đó những chất asphalt, carboit, carbon là pha phân tán, chất dầu là môi trường phân tán, chất nhựa là chất hoạt tính bề mặt (chất làm cho hệ thống ổn định). Chính cấu trúc của hệ thống keo này sẽ quyết định các tính chất cơ học của vật liệu bitum như cường độ đàn hồi, độ dẻo cũng như tính ổn định nhiệt và các tính chất khác của bitum.
- Người ta thấy rằng, khi các loại bitum dầu mỏ có thành phần tương đối như nhau nhưng cấu trúc khác nhau thì các tính chất của nó cũng khác nhau rất lớn. - Bộ phận cơ bản của cấu trúc keo bitum là mixen. Mixen là những hạt keo, bên trong có nhân, gồm có các hydro carbua có trọng lượng phân tử lớn (chất asphalt, và đặc trưng thơm được thể hiện cao nhất). Xung quanh hạt nhân được bao bọc bằng một lớp chất nhựa có trọng lượng phân tử và đặc trưng thơm giảm dần, theo chiều từ hạt nhân đến chất dầu, tạo nên một sự liên tục, không biểu hiện rõ ràng giới hạn phân chia giữa pha phân tán và môi trường phân tán.1 Sơ đồ cấu tạo của bitum a.
Bitum ở trạng thái cấu trúc đông tụ b. Bitum ở trạng thái chất lỏng thực sự - Những mixen của bitum sẽ tương tác lẫn nhau qua môi trường phân tán là chất dầu, tạo nên một mạng lưới không gian có hình dạng nhất định. Mỗi một mixen của bitum là một nút của mạng. - Khi trong bitum chứa lượng chất nhựa đủ để tạo nên vỏ bọc các nhân asphalt, và chứa lượng chất dầu ít, thì hệ thống keo sẽ xảy ra đông tụ và tạo ra cấu trúc đông tụ (cấu trúc gel) bền vững và có đàn tính.
Cường độ của cấu trúc đông tụ phụ thuộc vào khoảng cách giữa các mixen và các nút trongmạng không gian, cũng như phụ thuộc mức độ phụ thêm của lực Vandervan ở mặt phân chia giữa pha phân tán và môi trường phân tán. Cấu trúc này đặc trưng cho các loại bitum quánh khi ở nhiệt độ thường. Trang 10 - Khi trong bitum chứa lượng chất dầu và chất nhựa khá lớn, thì các ximen sẽ ở xa nhau, nó sẽ chuyển động tự do trong môi trường lỏng, hệ thống không thể tạo ra cấu trúc đông tụ và ở thành một chất lỏng thực thụ. Cấu trúc này (cấu trúc dạng sol) đặc trưng cho các bitum lỏng ở nhiệt độ thường và bitum quánh khi ở nhiệt độ cao.
- Ngoài ra bitum còn có thể có dạng cấu trúc trung gian là cấu trúc sol - gel. Cấu trúc này đặc trưng cho các loại bitum quánh khi ở nhiệt độ thường mà nó có đồng tính nhớt và tính đàn hồi dẻo. Các tính chất và yêu cầu kỹ thuật của bitum quánh xây dựng đường. Các tính chất: Tính quánh (nhớt): tính quánh là tính chất chống lại sự di chuyển của các hạt bitum dưới tác dụng của ngoại lực, là nơi ma sát sinh ra khi các tầng bitum di động.
Tính quánh của bitum có một giá trị lớn. Nó ảnh hưởng nhiều đến các tính chất cơ học của hỗn hợp vật liệu khoáng với chất kết dính, đồng thời quyết định đặc trưng công nghệ chế tạo và thi công vật liệu có dùng bitum.