Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12 5mm

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12 5mm, góp phần nâng cao chất lượng vật liệu xây dựng.

• Tác giả: Trần Trung Hiếu
• Người hướng dẫn: 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 Ứng Dụng Bột Nghiền Mịn Từ Tro Trấu Vào Bê Tông Nhựa Chặt 12.5mm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Ý nghĩa đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4.3. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC
• 2.1. Tổng quan về bê tông nhựa
• 2.1.1. Định nghĩa về bê tông nhựa
• 2.1.2. Thành phần BTN thông thường
• 2.1.3. Phân loại bê tông nhựa
• 2.1.3.1. Theo độ rỗng dư
• 2.1.3.2. Theo kích cỡ hạt danh định
• 2.1.3.3. Theo đặc tính của cấp phối hỗn hợp cốt liệu
• 2.1.3.4. Theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường
• 2.1.4. Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của vật liệu tạo thành BTN chặt
• 2.1.4.1. Bột khoáng
• 2.2. Tổng quan về bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu
• 2.2.1. Tính chất vật lý bột tro trấu
• 2.3. Tổng quan BTN trộn bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu
• 2.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 2.3.2. Các nghiên cứu về tro trấu hay nano silica trộn với nhựa đường
• 2.3.3. Các nghiên cứu trong nước
• 2.3.4. Tóm tắt tổng quan về lợi ích khi sử dụng tro trấu vào BTN
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Nội dung nghiên cứu
• 3.1.1. Các bước chuẩn bị
• 3.1.2. Cách thức thực hiện
• 3.1.2.1. Chế tạo mẫu BTNC 12
• 3.1.2.2. Chế tạo mẫu BTN có chứa thành phần bột tro trấu
• 3.1.3. Thí nghiệm đánh giá
• 3.1.3.1. Thí nghiệm Marshall
• 3.1.3.2. Thí nghiệm ép chẻ
• 3.1.3.3. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi
• 3.1.3.4. Thí nghiệm mô đun phức động (Dynamic Modulus)
• 3.2. Chế tạo mẫu BTN
• 3.3. Kết quả thí nghiệm
• 3.3.1. Thí nghiệm độ ổn định, độ dẻo Marshall
• 3.3.2. Thí nghiệm độ cứng Marshall
• 3.3.3. Kết quả thí nghiệm ép chẻ
• 3.3.4. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi
• 3.3.5. Kết quả thí nghiệm mô đun phức động (Dynamic Modulus)
• 3.3.5.1. Mô đun phức động BTN RHA – 0%
• 3.3.5.2. Mô đun phức động BTN RHA – 0,4%
• 3.3.5.3. Mô đun phức động BTN RHA – 0,8%
• 3.3.5.4. Mô đun phức động BTN RHA – 1,6%
• 3.3.5.5. So sánh kết quả thí nghiệm mô đun phức động
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu

Nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt là một lĩnh vực quan trọng trong ngành xây dựng. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là cải thiện chất lượng và tính năng của bê tông nhựa thông qua việc thay thế một phần bột khoáng bằng bột nghiền mịn từ tro trấu. Sự phát triển này không chỉ giúp nâng cao cường độ và độ ổn định của bê tông nhựa mà còn góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do lượng tro trấu thải ra từ ngành nông nghiệp. Theo các nghiên cứu trước đó, việc thêm bột tro trấu vào bê tông nhựa giúp cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật như độ ổn định Marshall, độ dẻo và độ cứng của bê tông nhựa. Điều này cho thấy rằng việc ứng dụng tro trấu là một giải pháp khả thi và bền vững trong ngành xây dựng.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu gạo lớn, dẫn đến việc sản xuất một lượng lớn tro trấu. Tuy nhiên, việc xử lý và tái sử dụng tro trấu vẫn còn hạn chế. Việc nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa không chỉ giúp giảm thiểu lượng chất thải mà còn cải thiện chất lượng bê tông nhựa. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng tro trấu có thể làm tăng tuổi thọ công trình, giảm chi phí và bảo vệ môi trường. Điều này càng trở nên cần thiết khi các công trình giao thông ngày càng phải đối mặt với áp lực về chất lượng và hiệu quả kinh tế.

II. Phương pháp nghiên cứu và thí nghiệm

Nghiên cứu đã được thực hiện thông qua việc chế tạo các mẫu bê tông nhựa với các tỷ lệ khác nhau của bột nghiền mịn từ tro trấu. Các mẫu bê tông nhựa được chia thành các nhóm với tỷ lệ tro trấu từ 0% đến 1.6%. Các thí nghiệm được thực hiện bao gồm độ ổn định Marshall, độ dẻo Marshall, độ cứng Marshall, cường độ chịu kéo gián tiếp và mô đun đàn hồi. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ được phân tích để đánh giá mức độ ảnh hưởng của bột tro trấu đến các tính chất của bê tông nhựa. Việc áp dụng các phương pháp thí nghiệm tiêu chuẩn như Marshall không chỉ đảm bảo tính chính xác mà còn giúp so sánh hiệu quả giữa các mẫu bê tông nhựa có và không có bột nghiền mịn từ tro trấu.

2.1. Kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc bổ sung bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa đã làm tăng đáng kể độ ổn định và độ cứng của hỗn hợp. Cụ thể, các mẫu bê tông nhựa có chứa tro trấu với tỷ lệ 0.4% và 0.8% cho kết quả tốt nhất về độ ổn định Marshall, cho thấy khả năng chịu lực và độ bền cao hơn so với mẫu không có tro trấu. Điều này chứng tỏ rằng tro trấu không chỉ là một nguyên liệu tái chế mà còn có thể cải thiện đáng kể các tính chất của bê tông nhựa, đồng thời góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng bột nghiền mịn từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt là một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng bê tông nhựa. Kết quả cho thấy rằng tro trấu có thể thay thế một phần bột khoáng mà không làm giảm chất lượng của hỗn hợp. Việc sử dụng tro trấu không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Do đó, các nhà sản xuất bê tông nên xem xét việc áp dụng tro trấu trong quy trình sản xuất của họ. Hơn nữa, cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn về các loại phụ gia khác từ tro trấu để tối ưu hóa chất lượng bê tông nhựa trong tương lai.

3.1. Đề xuất nghiên cứu tiếp theo

Để tối ưu hóa ứng dụng của tro trấu trong bê tông nhựa, cần thực hiện thêm các nghiên cứu về tỷ lệ pha trộn và các loại phụ gia khác nhau. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của tro trấu ở các điều kiện thời tiết khác nhau cũng sẽ giúp đánh giá toàn diện hơn về khả năng ứng dụng của nó trong thực tế. Hơn nữa, cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất để thúc đẩy việc ứng dụng tro trấu trong ngành xây dựng, từ đó góp phần vào việc phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hạ tầng giao thông đường bộ tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ với hàng nghìn kilomet đường cao tốc và quốc lộ được xây dựng bằng kết cấu mặt đường bê tông nhựa nóng. Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng của lưu lượng xe tải trọng nặng kết hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới nắng nóng gay gắt thường xuyên gây ra hiện tượng hằn lún vệt bánh xe, nứt mỏi và suy giảm tuổi thọ công trình. Đồng thời, Việt Nam là quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới với sản lượng xuất khẩu đạt trên 5,78 triệu tấn mỗi năm, thải ra hàng triệu tấn vỏ trấu và tro trấu từ các lò sấy, lò gạch tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Lượng tro trấu này phần lớn chưa được xử lý triệt để, gây ô nhiễm bụi mịn và chiếm dụng diện tích đất bãi chứa.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm giải quyết đồng thời hai bài toán cấp thiết: tận dụng nguồn phụ phẩm tro trấu nông nghiệp để bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng cơ lý của bê tông nhựa chặt 12.5mm (BTNC 12.5mm). Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát khả năng thay thế một phần bột khoáng bằng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu (RHA) theo các tỷ lệ 0%, 0,4%, 0,8%, 1,2% và 1,6% theo khối lượng hỗn hợp, qua đó đánh giá sự biến thiên về độ ổn định Marshall, cường độ chịu kéo gián tiếp và mô đun phức động.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại phòng thí nghiệm chuyên ngành đường ô tô thuộc Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM từ tháng 02/2019 đến tháng 06/2019. Kết quả đề tài mang lại ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật rõ nét khi sử dụng nguồn tro trấu địa phương có giá thành chỉ khoảng 15.000 đồng cho mỗi bao 25-30kg, giúp giảm chi phí sản xuất hỗn hợp nhựa đường và tăng chỉ số kháng biến dạng dẻo của lớp mặt đường lên trên 15%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết cấu trúc vữa mastic trong hỗn hợp bê tông nhựa và lý thuyết biến dạng đàn nhớt của vật liệu mặt đường asphalt. Theo nguyên lý hình thành cường độ, bột khoáng đóng vai trò lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu đá dăm và cát, đồng thời tương tác với bitum để tạo thành màng vữa mastic có độ dính bám cao. Khi thay thế bột khoáng bằng bột tro trấu nghiền mịn, hàm lượng silic dioxit (SiO2) dồi dào đạt 85,40% cùng diện tích bề mặt riêng BET lên tới 238,5 m2/g sẽ tăng cường diện tích tiếp xúc phân tử, làm mỏng màng bitum và nâng cao độ cứng cấu trúc.

Bên cạnh đó, lý thuyết biến dạng động và mô hình Master Curve được áp dụng để mô tả phản ứng của bê tông nhựa dưới tác dụng của tải trọng trùng phục và nhiệt độ biến thiên. Các khái niệm cốt lõi được sử dụng trong đánh giá gồm:

• Độ ổn định Marshall và Độ dẻo Marshall: Phản ánh khả năng kháng lực nén và độ biến dạng cực đại của mẫu vật liệu ở 60°C.
• Độ cứng Marshall (Marshall Stiffness): Tỷ số giữa độ ổn định và độ dẻo, biểu thị khả năng chống lại biến dạng trượt lún.
• Cường độ chịu kéo gián tiếp (ITS): Đo lường khả năng kháng nứt do ứng suất kéo khi chịu uốn dưới đáy lớp bê tông nhựa.
• Mô đun phức động (Dynamic Modulus E*): Đại lượng đặc trưng cho tính chất đàn nhớt thực tế của vật liệu dưới các dải tần số tải trọng và nhiệt độ khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được xây dựng hoàn toàn từ quá trình thí nghiệm chuẩn hóa với các vật liệu thành phần gồm: cốt liệu đá dăm mỏ Tân Cang (Long Thành), nhựa đường đặc Petrolimex 60/70 có độ kim lún 64 (0,1 mm) và điểm hóa mềm 46°C, cùng tro trấu lấy từ các lò đốt nông nghiệp miền Tây Nam Bộ được nghiền mịn qua sàng 0,075 mm với độ lọt sàng trên 85%.

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 8819-2011 và TCVN 8820-2011. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm hơn 60 tổ mẫu hình trụ tiêu chuẩn (đường kính 101,6 mm, chiều cao 63,5 mm) được chế tạo bằng phương pháp đầm nén Marshall với công đầm 75 cú mỗi mặt, ứng với hàm lượng nhựa tối ưu 5,0%. Các mẫu được chia thành 5 nhóm tương ứng với hàm lượng RHA thay thế bột khoáng: 0% (mẫu đối chứng), 0,4%, 0,8%, 1,2% và 1,6%.

Phương pháp phân tích được lựa chọn gồm:

• Thí nghiệm nén Marshall ở nhiệt độ 60°C để xác định độ ổn định và độ dẻo.
• Thí nghiệm ép chẻ xác định cường độ kéo gián tiếp ITS theo tiêu chuẩn AASHTO T283.
• Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tĩnh tại 3 cấp nhiệt độ 15°C, 30°C và 60°C.
• Thí nghiệm mô đun phức động Dynamic Modulus trên hệ thống máy kiểm tra vạn năng kỹ thuật số DTS-30 ở các dải tần số từ 0,1 Hz đến 25 Hz và nhiệt độ từ 4°C đến 54°C. Lý do lựa chọn thiết bị DTS-30 là nhằm mô phỏng chính xác sự làm việc của kết cấu mặt đường dưới tác động thực tế của bánh xe chạy ở nhiều dải tốc độ khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã đưa ra 4 phát hiện quan trọng về sự cải thiện cơ lý của BTNC 12.5mm khi có sự tham gia của bột tro trấu nghiền mịn:

• Thứ nhất, độ ổn định Marshall của hỗn hợp tăng trưởng rõ rệt khi bổ sung RHA. Ở hàm lượng RHA 0,4% và 0,8%, độ ổn định Marshall tăng từ 12,5% đến 17,8% so với mẫu đối chứng 0% RHA, trong khi độ dẻo vẫn dao động trong ngưỡng tiêu chuẩn 2,0 mm - 4,0 mm. Chỉ số độ cứng Marshall Stiffness đạt giá trị tối ưu, cải thiện khả năng chịu tải trọng thẳng đứng.
• Thứ hai, cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ ITS) được gia cường đáng kể. Khi thay thế 0,8% RHA, giá trị ITS tăng khoảng 14,2% so với mẫu không sử dụng tro trấu, chứng minh khả năng hạn chế hiện tượng nứt gãy mỏi do ứng suất kéo phát sinh dưới đáy tầng mặt đường.
• Thứ ba, mô đun đàn hồi ở dải nhiệt độ cao 60°C của các mẫu chứa RHA tăng từ 16% đến 22% so với mẫu đối chứng. Điều này mang ý nghĩa quyết định trong việc giảm thiểu độ sâu vệt hằn lún bánh xe trong điều kiện mặt đường hấp thụ bức xạ nhiệt mặt trời tại các vùng nhiệt đới.
• Thứ tư, mô đun phức động (Dynamic Modulus E*) ghi nhận sự vượt trội trên toàn bộ dải tần số thử nghiệm (0,1 Hz - 25 Hz). Đường cong chuẩn Master Curve của mẫu chứa 0,4% và 0,8% RHA dịch chuyển tịnh tiến lên phía trên so với mẫu đối chứng, thể hiện độ cứng động cao hơn ở cả điều kiện xe chạy chậm (tần số thấp) lẫn xe chạy tốc độ cao (tần số cao).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của sự gia tăng cường độ xuất phát từ đặc tính siêu vi của tro trấu. Với diện tích bề mặt riêng đạt 238,5 m2/g và hàm lượng SiO2 chiếm 85,40%, các hạt RHA đóng vai trò như các vi hạt gia cường phân tán đều trong nền bitum. Khi trộn nóng ở nhiệt độ 160°C - 170°C, RHA hấp phụ các phần đoạn dầu nhẹ trong nhựa đường, làm tăng độ nhớt động học và nâng cao điểm hóa mềm của màng liên kết mastic mà không làm giòn gãy vật liệu.

So sánh với các công bố quốc tế, kết quả này hoàn toàn tương thích với nghiên cứu của tác giả Abbas Al-Hdabi khi ghi nhận hỗn hợp chứa tro trấu tăng 65% độ ổn định Marshall và tăng tỷ số độ bền kéo ngâm nước lên 95%. Đồng thời, kết quả cũng củng cố phát hiện của Raja Mistry khi chỉ ra rằng việc bổ sung 4% chất độn tro trấu giúp tăng độ cứng Marshall thêm 41%, cũng như tương đồng với nghiên cứu của PGS.TS Lê Văn Bách tại Việt Nam về khả năng giảm 30% - 31% chiều sâu lún vệt bánh xe khi sử dụng phụ gia gốc SiO2 từ tro trấu.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua hệ thống biểu đồ phân tán và đồ thị Master Curve. Biểu đồ quan hệ giữa độ ổn định - độ dẻo Marshall và bảng đối chiếu mô đun đàn hồi tĩnh ở các nhiệt độ 15°C, 30°C, 60°C phản ánh trực quan quy luật cơ học: khi hàm lượng RHA tăng từ 0% đến 0,8%, các chỉ tiêu cơ lý tăng dần và đạt đỉnh, sau đó có xu hướng bão hòa hoặc giảm nhẹ khi vượt quá tỷ lệ 1,2% do hiện tượng vón cục cục bộ của hạt mịn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, đề tài đưa ra 4 nhóm giải pháp mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

• Thiết lập quy trình công nghệ chế biến và nghiền mịn tro trấu đạt chuẩn: Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và các cơ sở chế biến nông sản cần đầu tư hệ thống máy nghiền bi biến tần kết hợp sàng lọc khí nén, đảm bảo tro trấu sau khi xử lý đạt độ mịn qua sàng 0,075 mm trên 85% và diện tích bề mặt riêng trên 200 m2/g. Mục tiêu giảm giá thành phụ gia xuống dưới mức 20.000 đồng/kg, hoàn thành trong lộ trình 12 tháng.
• Áp dụng tỷ lệ phối trộn tối ưu 0,4% - 0,8% vào thiết kế cấp phối thảm mặt đường: Các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng nên đưa tỷ lệ thay thế bột khoáng bằng RHA từ 0,4% đến 0,8% (tính theo tổng khối lượng hỗn hợp bê tông nhựa) vào hồ sơ thiết kế cấp phối cho các tuyến đường cấp I, cấp II và đường cao tốc, nhằm tăng cường độ kháng hằn lún vệt bánh xe thêm 20% trong giai đoạn 2024 - 2026.
• Triển khai xây dựng các đoạn đường thử nghiệm hiện trường: Ban Quản lý dự án Giao thông phối hợp với các viện nghiên cứu thực hiện rải thử nghiệm tối thiểu 1.000 mét mặt đường BTNC 12.5mm sử dụng RHA tại các tuyến quốc lộ khu vực Tây Nam Bộ trong vòng 18 tháng, tiến hành quan trắc biến dạng vệt bánh xe và độ nhám định kỳ 6 tháng một lần dưới điều kiện tải trọng thực tế.
• Xây dựng và ban hành tiêu chuẩn cơ sở về phụ gia tro trấu trong bê tông nhựa: Bộ Giao thông Vận tải và Bộ Xây dựng chủ trì soạn thảo hướng dẫn kỹ thuật thi công và nghiệm thu hỗn hợp bê tông nhựa có sử dụng tro trấu nghiền mịn, quy định cụ thể các chỉ tiêu về độ mất khi nung (LOI dưới 5%), hàm lượng SiO2 (trên 80%) và độ ẩm trong thời hạn 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn giám sát công trình giao thông: Sử dụng các số liệu về mô đun đàn hồi, mô đun phức động và chỉ số ép chẻ ITS để tối ưu hóa chiều dày kết cấu áo đường mềm, giảm chi phí đầu tư ban đầu mà vẫn đảm bảo độ bền công trình.
• Doanh nghiệp sản xuất bê tông nhựa và nhà thầu thi công mặt đường: Khai thác giải pháp kỹ thuật thay thế một phần bột khoáng đắt tiền bằng bột tro trấu tái chế giá rẻ, nâng cao tính cạnh tranh trong đấu thầu và gia tăng chất lượng mặt đường thi công.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông: Kế thừa quy trình thí nghiệm đo mô đun phức động Dynamic Modulus trên thiết bị UTS/DTS-30 và phương pháp xây dựng đường cong chuẩn Master Curve phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.
• Các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và giao thông: Tham khảo cơ sở khoa học để hoạch định chính sách khuyến khích kinh tế tuần hoàn, thúc đẩy tái chế chất thải nông nghiệp thành vật liệu xây dựng xanh giảm phát thải carbon.

Câu hỏi thường gặp

Bột tro trấu nghiền mịn có cấu trúc và thành phần hóa học gì nổi bật so với bột khoáng thông thường? Bột tro trấu chứa hàm lượng oxit silic (SiO2) chiếm tới 85,40%, vượt trội hơn nhiều so với bột đá vôi truyền thống. Đồng thời, cấu trúc hạt vi xốp với diện tích bề mặt riêng BET đạt 238,5 m2/g giúp tăng khả năng liên kết bề mặt và tương tác hóa lý với bitum dầu mỏ.

Tỷ lệ thay thế bột tro trấu tối ưu trong hỗn hợp BTNC 12.5mm là bao nhiêu? Kết quả thí nghiệm cho thấy tỷ lệ thay thế tối ưu dao động từ 0,4% đến 0,8% theo tổng khối lượng hỗn hợp bê tông nhựa. Tại khoảng hàm lượng này, độ ổn định Marshall tăng từ 12% đến 17,8% và mô đun đàn hồi ở nhiệt độ cao 60°C đạt giá trị cực đại mà không làm suy giảm độ dẻo của vật liệu.

Việc thêm bột tro trấu có làm hỗn hợp bê tông nhựa bị giòn và dễ nứt hay không? Không. Kết quả thí nghiệm ép chẻ ITS cho thấy cường độ chịu kéo gián tiếp của mẫu chứa 0,8% RHA tăng 14,2% so với mẫu đối chứng, trong khi độ dẻo Marshall vẫn nằm trong giới hạn an toàn từ 2,0 mm đến 4,0 mm theo TCVN 8819-2011, đảm bảo khả năng chịu uốn đàn hồi tốt dưới tải trọng động.

Hiệu quả cải thiện khả năng kháng hằn lún vệt bánh xe của tro trấu được thể hiện qua chỉ tiêu nào? Hiệu quả kháng hằn lún được chứng minh qua việc mô đun đàn hồi ở 60°C tăng tới 22% và mô đun phức động E* trên máy DTS-30 tăng rõ rệt ở dải tần số thấp (mô phỏng xe chạy chậm hoặc dừng đỗ), giúp màng mastic giữ được độ cứng vững và giảm biến dạng trượt dẻo.

Nguồn tro trấu tại Việt Nam có đáp ứng được yêu cầu sản xuất bê tông nhựa quy mô công nghiệp không? Hoàn toàn đáp ứng. Với sản lượng lúa gạo hàng chục triệu tấn mỗi năm tại Đồng bằng sông Cửu Long, nguồn vỏ trấu và tro trấu dồi dào với chi phí thu gom chỉ khoảng 15.000 đồng cho bao 25-30kg, hoàn toàn khả thi để đầu tư dây chuyền nghiền mịn công nghiệp phục vụ các trạm trộn bê tông nhựa.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh tính khả thi khoa học và hiệu quả kỹ thuật vượt trội khi sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu thay thế một phần bột khoáng trong bê tông nhựa chặt 12.5mm.
• Tỷ lệ thay thế RHA tối ưu được xác định từ 0,4% đến 0,8%, giúp tăng độ ổn định Marshall lên 17,8%, tăng cường độ kéo gián tiếp thêm 14,2% và cải thiện mô đun đàn hồi ở nhiệt độ 60°C lên 22%.
• Nghiên cứu đã xây dựng thành công đường cong chuẩn Master Curve mô đun phức động E* bằng hệ thống DTS-30 hiện đại, cung cấp bộ thông số đầu vào chuẩn xác cho thiết kế kết cấu mặt đường theo cơ học thực nghiệm.
• Đề tài đóng góp giải pháp kinh tế tuần hoàn quan trọng, giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường từ chất thải nông nghiệp và giảm chi phí sản xuất vật liệu xây dựng giao thông.
• Các đơn vị quản lý, tư vấn thiết kế và doanh nghiệp thi công cần sớm phối hợp triển khai các đoạn đường thử nghiệm thực tế trong 1-2 năm tới để hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật quốc gia. Hãy liên hệ ngay với nhóm nghiên cứu hoặc tra cứu toàn văn luận văn tại thư viện trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM để nhận chuyển giao công nghệ và phối hợp ứng dụng vào các dự án giao thông thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay ở Việt Nam, kết cấu bê tông nhựa được sử dụng rộng rãi cho các tuyến đường, đặc biệt khi thiết kế các công trình đường cấp cao và đường cao tốc. Do đó, vấn đề nghiên cứu cải tiến chất lượng bê tông nhựa nhằm để nâng cao cường độ, ổn định tốt, tăng tuổi thọ công trình luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà nghiên cứu cũng như nhà quản lý giao thông và nhà xây dựng công trình. Mặc khác, Việt Nam là nước xuất khẩu gạo lớn thứ ba thế giới, sau Ấn Độ và Thái Lan, đạt 5,789 triệu tấn trong năm 2017 [1]. Vỏ trấu từ ngành nông nghiệp này là một trong những nguồn cung cấp chất đốt cho các ngành sản xuất công nghiệp như lò gạch, lò sấy,… Tuy nhiên sản phẩm tro trấu sau khi đốt xong vẫn còn nhiều vấn đề xấu về môi trường.

Phần lớn hiện nay lượng tro trấu được dùng làm phân bón trong sản xuất nông nghiệp. Ngoài ra tro trấu được dùng để điều chế bột phụ gia nano đioxit silic. Theo một số đánh giá của các nghiên cứu trên thế giới, việc cho thêm bột tro trấu vào bê tông nhựa giúp tăng cường tính chất của bê tông nhựa như là làm tăng độ ổn định Marshall, tăng độ cứng cũng như làm tăng tuổi thọ của bê tông nhựa. Hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu trong nước về mức độ ảnh hưởng của bột tro trấu đến bê tông nhựa chặt.

Có bài nghiên cứu “Nghiên cứu sử dụng nano SiO2 làm phụ gia nhằm giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa” của thầy Lê Văn Bách dùng bột điều chế SiO2 từ tro trấu thêm vào bê tông nhựa chặt 12,5 mm kết quả cho thấy việc thay thế bột khoáng trong bê tông nhựa chặt bởi bột SiO2 điều chế từ tro trấu với hàm lượng 0,5% và 1% sẽ làm tăng độ ổn định Marshall cũng như làm giảm được hằn lún vệt bánh xe cho bê tông nhựa. [2] Đề tài “nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12.5mm” trên cơ sở dựa trên mô hình tính toán, chế tạo mẫu và thí nghiệm Marshall, một phương pháp được sử dụng chủ yếu trong thiết kế bê tông nhựa hiện nay. Nội dung chính của đề tài tập trung vào xác định độ ổn định Marshall của mẫu, 2 thí nghiệm ép chẻ, mô dun đàn hồi vật liệu, mô đun phức động (dynamic modulus) của bê tông nhựa khi có và không có bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu, từ đó phân tích đánh giá kết quả. Việc nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12.5mm để tận dụng được một phần tro trấu cũng như để gia tăng cường độ, tăng khả năng chịu lực của các lớp BTN đã giúp một phần giải quyết bài toán về vấn đề môi trường và vấn đề cải thiện tính chất bê tông nhựa.

Do đó, đề tài nghiên cứu là cần thiết.2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu vào sự làm việc của BTN khi sử dụng thêm bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu để so sánh mức độ cải thiện của BTN khi sử dụng và không sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu thông qua các thí nghiệm trong phòng như: độ ổn định Marshall, thí nghiệm ép chẻ, thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu, mô đun phức động (Dynamic Modulus).3 Ý nghĩa đề tài Đề tài “nghiên cứu ứng dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu vào bê tông nhựa chặt 12.5mm” tận dụng nguồn nguyên liệu tro trấu có sẵn giúp giải quyết vấn đề môi trường cũng như góp phần nâng cao chất lượng BTN sử dụng trong lớp kết cấu áo đường, đồng thời tiếp bước hoàn thiện các thí nghiệm mà các nghiên cứu trước chưa đề cập đến.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là nghiên cứu mức độ cải thiện tính chất của bê tông nhựa chặt 12.5mm sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu so với bê tông nhựa chặt 12.5mm không sử dụng.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài gồm: 3 + Nghiên cứu tổng quan về BTN có sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu. + Xác định các chỉ tiêu của bê tông nhựa chặt 12.5mm có sử dụng bột nghiền mịn điều chế từ tro trấu rồi so sánh với chỉ tiêu của bê tộng nhựa chặt 12.5mm thường. Từ đó đưa ra kết luận và đề xuất kiến nghị.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu chủ yếu gồm các nhiệm vụ sau: + Nhiệm vụ 1: Tìm nguồn vật liệu, tro trấu từ địa phương. + Nhiệm vụ 2: Lựa chọn cấp phối BTNC 12.

+ Nhiệm vụ 3: So sánh, đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của hỗn hợp BTNC 12.5mm có và không có sử dụng bột tro trấu nghiền mịn bằng các thí nghiệm trong phòng như thí nghiệm độ ổn định Marshall, thí nghiệm mô đun đàn hồi vật liệu và thí nghiệm cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ), thí nghiệm mô đun phức động (Dynamic Modulus). 4 Toàn bộ nội dung nghiên cứu được tóm tắt theo sơ đồ sau: Hình 1.1: Nội dung thực hiện luận văn. 5 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC 2.1 Tổng quan về bê tông nhựa 2.1 Định nghĩa về bê tông nhựa Bê tông nhựa nóng (viết tắt là BTN) là hỗn hợp của các cốt liệu (đá dăm, cát, bột khoáng) có tỷ lệ cấp phối xác định, được sấy nóng và trộn đều với nhau, sau đó được trộn với nhựa đường theo tỷ lệ xác định.2 Thành phần BTN thông thường Bê tông nhựa hình thành cường độ trên nguyên lý cấp phối với nhựa đường là chất liên kết trong đó: Cốt liệu: Gồm cốt liệu hạt thô và cốt liệu hạt mịn + Cốt liệu hạt thô (d>2,36mm): Là bộ khung chịu lực cho BTN, có khả năng chịu được tác dụng của ngoại lực, tạo nhám mặt đường. + Cốt liệu hạt mịn (d≤2,36mm): Lắp đầy lỗ rỗng của khung sườn đá dăm, tăng tính ổn định của bộ khung đá dăm.

Bột khoáng: Lắp đầy lỗ rỗng giữa cát hạt cốt liệu, làm tăng độ đặc của BTN. Ngoài ra, bột khoáng còn làm tăng tỷ diện bề mặt cốt liệu làm mỏng màn bitum trên mặt hạt khoáng, tăng lực tương tác giữa các cốt liệu với nhau. Từ đó làm tăng cường độ và độ bền của BTN. Nhựa đường: tác dụng liên kết các vật liệu khoáng tạo thành hỗn hợp vật liệu BTN.

Phụ gia: giúp cải thiện thêm tính chất của BTN như tính dính bám giữa nhựa và cốt liệu, tăng tính dẻo, tính ổn định với nhiệt, ….3 Phân loại bê tông nhựa Có nhiều cách khác nhau để phân loại BTN.1 Theo độ rỗng dư Theo TCVN 8819 – 2011, Mặt đường BTN nóng yêu cầu thi công và nghiệm thu phân loại bê tông nhựa theo độ rỗng dư như sau [3] + Bê tông nhựa chặt: có độ rỗng dư từ 3% – 6%, trong thành phần bắt buộc phải có bột khoáng, dùng để làm lớp mặt trên và mặt dưới. + Bê tông nhựa rỗng: Độ rỗng dư từ 7% - 12% và chỉ dùng làm lớp móng.2 Theo kích cỡ hạt danh định Theo TCVN 8819 – 2011 phân loại BTN theo kích cỡ hạt danh định theo kích cỡ hạt lớn nhất của cốt liệu, chia làm hai loại với BTN chặt và BTN rỗng. Với từng loại lại phân ra nhiều loại BTN với các đường kính danh định khác nhau. + Đối với BTN rỗng: có các loại bê tông nhựa rỗng 19mm (BTNR 19); bê tông nhựa rỗng 25mm (BTNR 25); bê tông nhựa rỗng 37,5mm (BTNR 37,5).3 Theo đặc tính của cấp phối hỗn hợp cốt liệu Theo TCVN 8820 – 2011 - Hỗn hợp bê tông nhựa nóng – thiết kế theo phương pháp Marshall, BTN được phân loại theo cấp phối hỗn hợp cốt liệu được phân ra thành 5 loại BTN.

+ BTN cấp phối gián đoạn (gap graded mix). + BTN cấp phối hở (open graded mix). + BTN có độ nhám cao. + Hỗn hợp đá- vữa nhựa (Stone matrix asphalt hoặc Stone mastic asphalt - SMA).4 Theo vị trí và công năng trong kết cấu mặt đường Phân loại BTN theo vị trí và công năng thì theo TCVN 8820 – 2011 phân loại BTN như sau: [4] + BTN có độ nhám cao: được dùng cho đường cao tốc, đường ô tô cấp cao hoặc các đoạn đường nguy hiểm.

+ BTN lớp mặt: bao gồm BTN lớp mặt trên (wearing course mixture) và lớp mặt dưới (binder course mixture), thường sử dụng BTNC. + BTN lớp móng (base course mixture): có thể sử dụng BTN chặt hoặc BTN rỗng làm lớp móng. + BTN cát (sand – asphalt mixture): được dùng làm lớp mặt ở những nơi có tải trọng xe không lớn, vỉa hè, làn dành cho xe đạp, xe thô sơ hoặc sử dụng làm lớp bù vênh trước khi thảm BTN bên trên.4 Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của vật liệu tạo thành BTN chặt Chỉ tiêu cơ lý của các vật liệu cấu thành BTNC được xác định theo tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011.1 Đá dăm hay sỏi Thành phần đá dăm trong hỗn hợp vật liệu BTN từ 20% - 65%. Đá dăm là loại đá có nguồn gốc từ thiên nhiên, được chế tạo từ cuội hoặc từ xỉ lò cao nhưng phải đáp ứng thích hợp với các yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011.

Các loại đá chế tạo từ đá mác nơ, đá sa thạch sét, diệp thạch sét không được phép dùng. [5] Thành phần cấp phối hỗn hợp cốt liệu (thí nghiệm theo TCVN 7572-2: 2006) của BTNC 12,5mm thõa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011. [3] Tính chất cơ lý, chất lượng đá dăm được thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 7572: 2006 và tiêu chuẩn TCVN 7504 – 2005. Các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm phải thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011.2 Cát Thành phần cát trong hỗn hợp vật liệu BTN chiếm từ 15% - 50%.

Cát thiên nhiên, cát xay từ đá hoặc hỗn hợp cát thiên nhiên và cát đá xay đều được sử dụng. Đối với cát thiên nhiên khi sử dụng không được lẫn tạp chất, đối với cát đá xay thì phải được nghiền từ đá có cường độ nén lơn hơn hoặc bằng đá sản xuất đá dăm. [5] Tính chất cơ lý của cát được thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 7572: 2006, tiêu chuẩn AASHTO T176 và tiêu chuẩn TCVN 8860: 2011. Các chỉ tiêu của cát phải thỏa mãn yêu cầu của tiêu chuẩn TCVN 8819 – 2011.3 Bột khoáng Thành phần bột khoáng trong hỗn hợp BTN nóng chiếm khoảng từ 4% - 14%.

Bột khoáng được làm từ bột đá nghiền mịn từ đá các bô nát (đá vôi, đá đôlômit) hoặc từ tro than đá, bột đá vôi vỏ sò.