Nghiên cứu sử dụng phụ gia nano cacbon để giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa luận văn thạc sĩ chuyên ngành xây dựng đường ô tô và đường thành phố

Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano cacbon giúp giảm hằn lún vệt bánh xe trên mặt đường bê tông nhựa, nâng cao chất lượng công trình giao thông.

• Tác giả: Nguyễn Hà Trung
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Văn Bách
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano cacbon giảm hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. PHẦN MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA VÀ TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON ĐỂ GIA CƯỜNG CHO BÊ TÔNG NHỰA
• 2.1. Tổng quan về vật liệu nano cacbon. Khái niệm và ứng dụng vật liệu nano cacbon
• 2.2. Tổng quan về Bê tông nhựa (BTN)
• 2.3. Tình hình sử dụng vật liệu nano cacbon hiện nay
• 2.3.1. Trên thế giới
• 2.3.2. Tại Việt Nam
• 2.4. Tình hình sử dụng Bê tông nhựa hiện nay. Tính khả thi khi sử dụng vật liệu Nano Cacbon làm phụ gia cho Bê tông nhựa nhằm giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe
• 3. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 3.1. Cơ sở khoa học để sử dụng phụ gia Nano Cacbon vào bê tông nhựa ứng dụng vào mặt đường ô tô làm giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe
• 3.1.1. Cơ chế hình thành vệt lún bánh xe trong lớp bê tông nhựa
• 3.2. Nghiên cứu về ứng dụng Nano cacbon trong xây dựng đường
• 3.3. Phương pháp nghiên cứu, đánh giá kết quả. Các tồn tại, hạn chế mà đề tài chưa đề cập đến
• 4. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NANO CACBON ĐỂ GIẢM THIỂU VỆT HẰN BÁNH XE CHO MẶT ĐƯỜNG BT NHỰA
• 4.1. Cấu tạo kết cấu áo đường ô tô
• 4.2. Quy trình chế tạo mẫu bê tông nhựa theo phương pháp Marshall. Chuẩn bị cốt liệu
• 4.3. Trộn cốt liệu mẫu BTN
• 4.4. Đúc mẫu cốt liệu
• 4.5. Nghiên cứu, tính toán thành phần vật liệu bê tông nhựa nóng C12. Quá trình chế tạo với các tỉ lệ Nano khác nhau. Chuẩn bị vật liệu
• 4.6. Phân tán hỗn hợp Nano Cacbon vào nhựa đường
• 4.7. Chế tạo mẫu
• 4.8. Thiết bị đầm lăn
• 4.9. Tính khối lượng hỗn hợp bê tông nhựa cần thiết để tạo mẫu
• 4.10. Nhiệt độ đầm nén
• 4.11. Trình tự đầm nén mẫu
• 4.12. Tiến hành thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm và so sánh kết quả
• 4.12.1. Khả năng kháng nứt
• 4.12.2. Thí nghiệm ép chẻ
• 4.12.3. Khả năng kháng lún
• 4.13. Kết luận
• KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ DỰ KIẾN HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 1.1. Dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phụ gia nano cacbon và ứng dụng trong xây dựng đường bê tông nhựa

Phụ gia nano cacbon là một trong những vật liệu tiên tiến được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là trong việc cải thiện chất lượng mặt đường bê tông nhựa. Vật liệu này có kích thước nanomet, mang lại các tính chất cơ học vượt trội như độ bền kéo cao, khả năng chống mài mòn và độ đàn hồi tốt. Công nghệ nano đã mở ra hướng đi mới trong việc gia cường vật liệu xây dựng, giúp tăng cường độ bền và tuổi thọ của kết cấu đường. Việc sử dụng phụ gia nano cacbon trong bê tông nhựa không chỉ giúp giảm thiểu các vấn đề như hằn lún vệt bánh xe mà còn cải thiện khả năng chịu tải và độ bền mặt đường.

1.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu nano cacbon

Vật liệu nano cacbon bao gồm các cấu trúc như ống nano cacbon (CNTs) và graphene, có kích thước từ 1 đến 100 nanomet. Những vật liệu này có tính chất cơ học đặc biệt, như độ bền kéo gấp 375 lần so với thép và khả năng dẫn điện tốt. Ống nano cacbon được ứng dụng rộng rãi trong việc gia cường các vật liệu xây dựng, giúp tăng cường độ bền và khả năng chống biến dạng. Nghiên cứu cho thấy, việc thêm nano cacbon vào bê tông nhựa giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ học, đặc biệt là khả năng chống hằn lún vệt bánh xe.

1.2. Ứng dụng của nano cacbon trong xây dựng đường

Trong lĩnh vực xây dựng đường, nano cacbon được sử dụng như một phụ gia để cải thiện chất lượng mặt đường bê tông nhựa. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh rằng, việc thêm nano cacbon vào hỗn hợp bê tông nhựa giúp giảm thiểu hiện tượng hằn lún vệt bánh xe, một vấn đề phổ biến trên các tuyến đường giao thông. Công nghệ nano không chỉ nâng cao độ bền của mặt đường mà còn giảm chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của công trình.

II. Giảm hằn lún vệt bánh xe bằng phụ gia nano cacbon

Hằn lún vệt bánh xe là một trong những vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa. Hiện tượng này xảy ra do tải trọng lớn từ phương tiện giao thông và sự biến dạng của vật liệu dưới tác động của nhiệt độ và độ ẩm. Việc sử dụng phụ gia nano cacbon đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu hiện tượng này. Nano cacbon giúp tăng cường độ bền và độ đàn hồi của bê tông nhựa, từ đó giảm thiểu biến dạng và hằn lún vệt bánh xe.

2.1. Cơ chế hình thành hằn lún vệt bánh xe

Hằn lún vệt bánh xe hình thành do sự tác động liên tục của tải trọng từ phương tiện giao thông lên mặt đường bê tông nhựa. Khi tải trọng vượt quá khả năng chịu đựng của vật liệu, bề mặt đường bắt đầu biến dạng, tạo ra các vết lún. Nano cacbon giúp tăng cường độ bền và độ đàn hồi của bê tông nhựa, từ đó giảm thiểu hiện tượng này.

2.2. Hiệu quả của nano cacbon trong giảm hằn lún

Các thí nghiệm thực tế đã chứng minh rằng, việc thêm nano cacbon vào bê tông nhựa giúp giảm đáng kể độ sâu của hằn lún vệt bánh xe. Kết quả thí nghiệm cho thấy, với tỷ lệ nano cacbon 0,15%, độ sâu hằn lún giảm tới 30% so với bê tông nhựa thông thường. Điều này khẳng định hiệu quả của phụ gia nano cacbon trong việc cải thiện chất lượng mặt đường.

III. Nghiên cứu ứng dụng và thực tiễn

Nghiên cứu ứng dụng phụ gia nano cacbon trong mặt đường bê tông nhựa đã được tiến hành với các thí nghiệm cụ thể để đánh giá hiệu quả của vật liệu này. Các mẫu bê tông nhựa được chế tạo với tỷ lệ nano cacbon khác nhau, từ 0% đến 0,15%, và được kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật như độ ổn định, độ dẻo và khả năng chống hằn lún vệt bánh xe. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nano cacbon không chỉ cải thiện các tính chất cơ học mà còn giúp tăng tuổi thọ của mặt đường.

3.1. Phương pháp nghiên cứu và thí nghiệm

Nghiên cứu được thực hiện bằng phương pháp thí nghiệm trong phòng, sử dụng các mẫu bê tông nhựa có chứa nano cacbon với tỷ lệ 0%, 0,1% và 0,15%. Các mẫu được kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật như độ ổn định, độ dẻo và khả năng chống hằn lún vệt bánh xe. Kết quả thí nghiệm cho thấy, các mẫu có chứa nano cacbon đạt hiệu quả cao hơn so với mẫu không sử dụng phụ gia.

3.2. Kết quả và đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng nano cacbon giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của bê tông nhựa. Độ ổn định của mẫu tăng lên, độ dẻo được duy trì ở mức tối ưu và khả năng chống hằn lún vệt bánh xe được nâng cao. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng rộng rãi của phụ gia nano cacbon trong xây dựng đường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống giao thông vận tải đóng vai trò thiết yếu trong phát triển kinh tế xã hội, đảm bảo lưu thông và nâng cao năng lực vận tải quốc gia. Tại Việt Nam, bê tông nhựa (BTN) là vật liệu chủ đạo trong kết cấu mặt đường mềm, chiếm trên 80% diện tích mặt đường ở khu vực Nam Bộ và được sử dụng rộng rãi cho đường cao tốc, đường đô thị và sân bay. Tuy nhiên, sau một thời gian khai thác, nhiều tuyến đường bê tông nhựa đã xuất hiện các dạng hư hỏng phổ biến như rạn nứt, bong bật và đặc biệt là hằn lún vệt bánh xe, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng và tuổi thọ mặt đường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng ứng dụng phụ gia nano cacbon (Carbon Nanotubes – CNTs) trong bê tông nhựa nhằm giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe, nâng cao độ bền và tính ổn định của mặt đường bê tông nhựa. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu bê tông nhựa nóng có bổ sung nano cacbon với các tỷ lệ 0%, 0,1% và 0,15% theo khối lượng nhựa đường, được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Công ty cổ phần xây dựng BMT, TP. Hồ Chí Minh năm 2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng mặt đường bê tông nhựa, góp phần giảm thiểu chi phí bảo trì, nâng cao an toàn giao thông và kéo dài tuổi thọ công trình giao thông đường bộ. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng ứng dụng công nghệ nano trong ngành xây dựng đường bộ tại Việt Nam, phù hợp với xu thế phát triển vật liệu mới trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ nano và kỹ thuật bê tông nhựa.

• Công nghệ nano và vật liệu nano cacbon: Vật liệu nano có kích thước từ 1 đến 100 nm, thể hiện các tính chất vật lý và hóa học vượt trội so với vật liệu truyền thống. Ống nano cacbon (CNTs) là dạng vật liệu nano cacbon có cấu trúc ống cuộn từ các lớp graphene, gồm CNTs đơn tường (SWCNTs) và đa tường (MWCNTs). CNTs có độ bền kéo gấp 375 lần thép, mô đun đàn hồi gấp 6 lần thép, đồng thời có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, độ cứng và độ đàn hồi vượt trội. Những đặc tính này giúp CNTs trở thành phụ gia tiềm năng để gia cường bê tông nhựa, cải thiện khả năng chịu lực và chống biến dạng.

• Kỹ thuật bê tông nhựa: Bê tông nhựa là hỗn hợp gồm bitum dầu mỏ làm chất kết dính, cốt liệu (đá dăm, cát, bột khoáng) và phụ gia. Các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng gồm độ ổn định, độ dẻo, độ rỗng cốt liệu, độ rỗng dư và độ rỗng lấp đầy nhựa, được quy định theo tiêu chuẩn TCVN 8819:2011. Phương pháp thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo Marshall được áp dụng để xác định hàm lượng bitum tối ưu, đảm bảo các đặc tính cơ học và thể tích phù hợp nhằm chống lại biến dạng vĩnh cửu và hằn lún vệt bánh xe.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu là: hằn lún vệt bánh xe (HLVBX), vật liệu nano cacbon (CNTs), và đặc tính cơ học của bê tông nhựa (độ ổn định, cường độ nén ép chẻ, độ rỗng).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm.

• Nguồn dữ liệu: Mẫu bê tông nhựa nóng cấp C12 được chế tạo với các tỷ lệ CNTs 0%, 0,1% và 0,15% theo khối lượng nhựa đường. Cốt liệu được chuẩn bị theo tiêu chuẩn TCVN 8819-2011, sử dụng phương pháp Marshall để thiết kế và chế tạo mẫu.

• Phương pháp phân tích: Thí nghiệm đánh giá các chỉ tiêu cơ lý gồm độ ổn định còn lại, cường độ nén ép chẻ, khả năng kháng nứt và khả năng kháng lún vệt bánh xe bằng thiết bị đầm lăn và máy ép chẻ. Các kết quả được so sánh giữa các mẫu có và không có phụ gia nano cacbon để xác định hiệu quả gia cường.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu diễn ra trong năm 2019, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, chế tạo mẫu, tiến hành thí nghiệm và phân tích kết quả tại phòng thí nghiệm Công ty cổ phần xây dựng BMT, TP. Hồ Chí Minh.

Cỡ mẫu được lựa chọn đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả, với các mẫu thử được chuẩn bị và thử nghiệm theo quy trình tiêu chuẩn để giảm thiểu sai số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng cường khả năng kháng nứt: Mẫu bê tông nhựa có bổ sung 0,15% CNTs cho thấy độ ổn định còn lại tăng lên 82%, cao hơn 12% so với mẫu không sử dụng phụ gia (khoảng 70%). Thí nghiệm ép chẻ cũng ghi nhận cường độ nén ép chẻ tăng 18% khi sử dụng 1% nano cacbon, thể hiện khả năng chống nứt mỏi tốt hơn.

2. Giảm hằn lún vệt bánh xe: Kết quả thí nghiệm HLVBX cho thấy chiều sâu hằn lún giảm từ 12,5 mm ở mẫu chuẩn xuống còn khoảng 8,5 mm ở mẫu có 0,15% CNTs, tương đương giảm 32%. Điều này chứng tỏ phụ gia nano cacbon giúp cải thiện khả năng chống biến dạng vĩnh cửu dưới tác động tải trọng xe.

3. Cải thiện tính ổn định cơ học: Độ ổn định ở 60°C của mẫu có CNTs đạt trên 8 kN, vượt mức tối thiểu 5,5 kN theo tiêu chuẩn TCVN 8860-12:2011, trong khi mẫu không có phụ gia chỉ đạt khoảng 6,5 kN. Độ dẻo của mẫu vẫn duy trì trong khoảng 2-4 mm, đảm bảo tính linh hoạt cần thiết cho mặt đường.

4. Phân bố nano cacbon đồng đều: Qua quan sát cấu trúc vi mô, CNTs được phân tán đều trong nhựa đường, tạo thành mạng liên kết bền vững, giúp tăng cường liên kết giữa bitum và cốt liệu, giảm hiện tượng bong bật và nứt vỡ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện là do tính chất cơ học vượt trội của CNTs, như độ bền kéo cao, mô đun đàn hồi lớn và khả năng chịu nhiệt tốt, giúp gia cố cấu trúc bê tông nhựa, tăng khả năng chống biến dạng và nứt mỏi. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với báo cáo của Hassan Latifi và Parham Hayati, khi sử dụng 0,5-1% CNTs làm tăng độ cứng và khả năng chống mỏi của bê tông nhựa.

Việc giảm chiều sâu hằn lún vệt bánh xe có ý nghĩa lớn trong việc kéo dài tuổi thọ mặt đường, giảm chi phí bảo trì và nâng cao an toàn giao thông. Các biểu đồ so sánh độ ổn định, cường độ nén ép chẻ và chiều sâu hằn lún giữa các mẫu có thể minh họa rõ ràng hiệu quả của phụ gia nano cacbon.

Tuy nhiên, nghiên cứu còn giới hạn trong phạm vi phòng thí nghiệm, chưa áp dụng thực tế trên công trình quy mô lớn. Do đó, cần có các nghiên cứu tiếp theo để đánh giá hiệu quả lâu dài và điều kiện thi công thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phụ gia nano cacbon trong thiết kế bê tông nhựa: Khuyến nghị sử dụng nano cacbon với tỷ lệ từ 0,1% đến 0,15% theo khối lượng nhựa đường để cải thiện khả năng chống hằn lún và tăng cường độ bền mặt đường. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thiết kế và thi công công trình giao thông, thời gian áp dụng trong các dự án mới và sửa chữa mặt đường.

2. Nghiên cứu thí điểm thi công thực tế: Thực hiện các dự án thí điểm tại một số tuyến đường trọng điểm để đánh giá hiệu quả thực tế của bê tông nhựa có phụ gia nano cacbon, từ đó hoàn thiện quy trình thi công và hướng dẫn kỹ thuật. Thời gian đề xuất trong vòng 1-2 năm.

3. Phát triển công nghệ phân tán nano cacbon: Đầu tư nghiên cứu và ứng dụng công nghệ trộn ướt để đảm bảo phân tán đồng đều CNTs trong nhựa đường, tránh hiện tượng kết tụ gây giảm hiệu quả gia cường. Các nhà sản xuất vật liệu và thiết bị thi công cần phối hợp thực hiện.

4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công: Cơ quan quản lý nhà nước và các viện nghiên cứu cần xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình thi công và kiểm định chất lượng bê tông nhựa có phụ gia nano cacbon, đảm bảo tính đồng bộ và khả năng áp dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà thiết kế và kỹ sư xây dựng giao thông: Nắm bắt kiến thức về vật liệu mới, cải tiến kỹ thuật thiết kế mặt đường bê tông nhựa, nâng cao chất lượng công trình.

2. Các nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Hiểu rõ hiệu quả kinh tế và kỹ thuật khi ứng dụng phụ gia nano cacbon, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thực nghiệm và cơ sở lý thuyết về công nghệ nano trong xây dựng đường bộ.

4. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng: Phát triển sản phẩm bê tông nhựa cải tiến, mở rộng thị trường và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

1. Nano cacbon là gì và tại sao lại được sử dụng trong bê tông nhựa?
   Nano cacbon là vật liệu có kích thước nanomet, gồm các ống nano cacbon có độ bền và độ cứng cao. Khi được bổ sung vào bê tông nhựa, chúng giúp tăng cường liên kết giữa bitum và cốt liệu, cải thiện khả năng chịu lực và chống biến dạng.

2. Tỷ lệ nano cacbon tối ưu trong bê tông nhựa là bao nhiêu?
   Nghiên cứu cho thấy tỷ lệ từ 0,1% đến 0,15% theo khối lượng nhựa đường là hiệu quả nhất, giúp tăng độ bền và giảm hằn lún mà không làm ảnh hưởng đến tính thi công.

3. Phương pháp thử nghiệm nào được sử dụng để đánh giá hiệu quả của nano cacbon?
   Phương pháp Marshall để thiết kế hỗn hợp, thí nghiệm độ ổn định còn lại, cường độ nén ép chẻ và thí nghiệm hằn lún vệt bánh xe bằng thiết bị đầm lăn được áp dụng để đánh giá các chỉ tiêu cơ lý.

4. Nano cacbon có ảnh hưởng đến tuổi thọ mặt đường như thế nào?
   Việc sử dụng nano cacbon giúp giảm chiều sâu hằn lún vệt bánh xe khoảng 32%, từ đó kéo dài tuổi thọ mặt đường, giảm chi phí bảo trì và nâng cao an toàn giao thông.

5. Có những thách thức nào khi ứng dụng nano cacbon trong thực tế?
   Thách thức chính là công nghệ phân tán đồng đều nano cacbon trong nhựa đường và việc áp dụng trên quy mô công trình thực tế còn hạn chế. Cần nghiên cứu thêm về quy trình thi công và tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.

Kết luận

• Phụ gia nano cacbon (CNTs) với tỷ lệ 0,1-0,15% cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học của bê tông nhựa, tăng khả năng chống nứt và giảm hằn lún vệt bánh xe.
• Kết quả thí nghiệm cho thấy chiều sâu hằn lún giảm khoảng 32%, độ ổn định còn lại tăng trên 12% so với mẫu không sử dụng phụ gia.
• Nano cacbon phân bố đồng đều trong nhựa đường, tạo mạng liên kết bền vững, nâng cao độ bền và tính ổn định của mặt đường.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ nano trong xây dựng đường bộ tại Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng và tuổi thọ công trình giao thông.
• Đề xuất triển khai thí điểm thi công thực tế, phát triển công nghệ phân tán nano và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật để ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp trong ngành giao thông vận tải tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ nano để nâng cao hiệu quả và bền vững của hệ thống hạ tầng giao thông Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống giao thông vận tải đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc giữ cho huyết mạch giao thông của đất nước luôn thông suốt, phục vụ nhu cầu đi lại của nhân dân, giúp cho các hoạt động sinh hoạt được thuận tiện. Để hoàn thiện hệ thống hạ tầng giao thông đường bộ, ngoài việc đầu tư xây dựng mới vào các công trình cầu, đường, hầm,. thì chất lượng xây dựng công trình giao thông cũng là một mục tiêu hết sức quan trọng, góp phần đảm bảo khai thác an toàn và nâng cao năng lực vận tải của toàn hệ thống hạ tầng giao thông.

Bê tông nhựa là một loại vật liệu vô cùng quan trọng trong đường bộ. Nó có mặt hầu hết ở các tầng phủ của các mặt đường mềm cấp cao. Bê tông nhựa không những được sử dụng trong đường ôtô, mà còn sử dụng rộng rãi trong đường đô thị, đường sân bay. Thành phần quan trọng của Bê tông nhựa là chất kết dính bitum, có nhiệm vụ kết dính với cốt liệu thành một khối bền vững.

Sự liên kết giữa bitum với cốt liệu có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng mặt đường. Một vấn đề thực trạng hiện nay, một số tuyến đường bê tông nhựa ở nước ta sau một thời gian đưa vào sử dụng đã xuất hiện phổ biến các dạng hư hỏng mặt đường bê tông nhựa như: rạn nứt, bong bật, hằn lún vệt bánh xe. Vì vậy, vấn đề được đề cập trong phạm vi đề tài nghiên cứu là đưa ra định hướng nghiên cứu các đặc tính của bê tông nhựa, giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa bằng cách sử dụng vật liệu nano cacbon làm phụ gia cho bê tông nhựa để đáp ứng nhu cầu sử dụng và khai thác mạng lưới đường bộ Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu khả năng ứng dụng bê tông nhựa có sử dụng phụ gia nano cacbon trong xây dựng đường ô tô nhằm giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa.

Đối tƣợng nghiên cứu Mặt đường ô tô sử dụng kết cấu bê tông nhựa có sử dụng phụ gia nano cacbon. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu, đánh giá dựa trên kết quả thí nghiệm trong phòng bê tông nhựa có sử dụng phụ gia nano cacbon, cụ thể là vật liệu ống nano carbon (Carbon Nanotubes – CNTs) trong xây dựng đường ô tô, qua đó đánh giá được khả năng giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe cho mặt đường bê tông nhựa sử dụng nano carbon làm phụ gia. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu, đánh giá dựa trên kết quả thí nghiệm các mẫu bê tông asphalt sử dụng vật liệu không sử dụng loại vật liệu nano cacbon, 0,1% nano cacbon, 0,15% nano cacbon. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU BÊ TÔNG NHỰA VÀ TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO CACBON ĐỂ GIA CƢỜNG CHO BÊ TÔNG NHỰA 1.

Tổng quan về vật liệu nano cacbon. Giới thiệu Định nghĩa về “công nghệ nano” phụ thuộc vào lĩnh vực được nói đến. Tuy nhiên, về cơ bản nano được định nghĩa là sự hiểu biết, kiểm soát, và tái cấu trúc của vật chất theo thứ tự nano mét (tức là dưới 100nm) để tạo ra vật liệu có tính cơ bản và thuộc tính mới. Công nghệ nano và vật liệu nano với kích thước hạt ở quy mô nanomét (10-9m) Hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) đã định nghĩa hạt nano là các hạt có kích thước trong khoảng 1 đến 100 nm, có thể hoặc không biểu hiện các tính chất gia tăng liên quan đến kích thước.

Các vật liệu nano thường có kích thước hai hoặc ba chiều trong khoảng từ 1-100 nanomet (1nm = 10-9 m) và có thể được tạo thành từ nhiều vật liệu cơ bản khác nhau (cacbon, silic và các kim loại như vàng, cađimi và selen). Các vật liệu nano cũng có các hình dạng khác nhau thể hiện theo tên gọi như các ống nano, dây nano, các cấu trúc tinh thể như các chấm lượng tử và fullerene. Các vật liệu nano thường thể hiện các tính chất rất khác biệt so với các vật liệu rời riêng biệt: độ cứng cao hơn, tính dẫn điện, phát sáng và các tính chất khác. Đối với nhiều loại hạt nano, 50 đến 100% nguyên tử có thể nằm ở trên bề mặt của chúng khiến cho chúng có tính chất phản ứng mạnh hơn các vật liệu rời.

Các vật liệu nano chế tạo (Engineered nanomaterials) là loại vật liệu nano được tạo ra một cách có chủ ý (trái ngược với loại được hình thành tự nhiên hay ngẫu nhiên). Các vật liệu nano chế tạo có các kích thước dưới 100 nm. Các hạt có kích thước nanomet xuất hiện cả trong tự nhiên cũng như là phụ phẩm vô tình của các quy trình sản xuất hiện tại. Các hạt cỡ nano có 4 trong thành phần của các hạt khí quyển được sinh ra từ các sự kiện tự nhiên như núi lửa phun và cháy rừng.

Chúng cũng có trong phần của khói bụi được sinh ra trong quá trình hàn, đánh gỉ kim loại, khí xả ô-tô và các quá trình công nghiệp khác. Cuộc cách mạng công nghệ nano hiện nay khác với các quá trình công nghiệp trong quá khứ do các vật liệu nano được chế tạo và gia công từ dưới lên, chứ không phải xuất hiện như là phụ phẩm của các hoạt động khác. Các vật liệu nano chế tạo có các tính chất khác lạ ngoài mong đợi so với các tính chất của các hỗn hợp vật liệu sinh ra chúng. Khái niệm và ứng dụng vật liệu nano cacbon Vật liệu nano cacbon được xác định là những vật liệu trong đó “thành phần nano” là cacbon tinh khiết.

Graphite hay than chì là một dạng thù hình của cacbon, có cấu trúc lớp. Mỗi lớp là một tấm graphene, các tấm graphene này liên kết với nhau bằng một lực liên kết yếu như một dạng liên kết Van - Der - Waals. Ống nano cacbon (CNT) là các lớp than chì (graphite) được cuộn lại thành ống. Kích thước của chúng rất khác nhau (đường kính có thể nhỏ tới 0,4 nm) và có thể tồn tại các ống nano bên trong các ống nano khác, điều này dẫn đến có hai loại ống nano cacbon được biết đến là: CNTs đơn tường (SWCNTs) và CNTs đa tường (MWCNTs).

Ngoài độ bền kéo nổi bật, các ống nano còn có nhiều tính chất điện khác nhau (phụ thuộc vào cách cấu trúc than chì cuốn quanh ống và các yếu tố khác) và vì vậy chúng có thể cách điện, siêu dẫn hay dẫn điện. 1 Mô hình 3D của ống nano cacbon đơn vách [1] CNTs là vật liệu có tính chất cơ rất tốt, bền và nhẹ thích hợp cho việc gia cường các vật liệu như cao su, polymer, kim loại để tăng cường độ bền, độ chống mài mòn…Suất Yuong của CNTs gấp 6, độ bền kéo gấp 375 lần so với thép nhưng lại nhẹ hơn thép rất nhiều. a) Chiều đứng; b) Chiều ngang Hình 1. 2 Cấu trúc Graphite [5, tr.6] Hoạt động nghiên cứu các vật liệu nano dựa trên cacbon trong những năm gần đây tập trung vào quá trình chế tạo và xác định tính chất của chúng.

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã hiểu khá rõ về cấu trúc và nhiều tính chất cơ bản của ống nano đơn vách và mối tương quan của chúng, nhiều tính chất của ống nano đơn vách không thấy ở than chì. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa có hiểu biết cơ bản về cơ chế nuôi cấy ống nano. Đây là những kiến thức quan 6 trọng do nó liên quan chặt chẽ đến các tính chất của ống nano và cấu trúc hình học của chúng. Tổng quan về Bê tông nhựa (BTN): Bê tông nhựa là một loại đá nhân tạo có thành phần chủ yếu là bitum dầu mỏ, hỗn vật liệu khoáng (đá dăm, cát, bột khoáng) và phụ gia.

Nó được sử dụng làm đường ôtô. Căn cứ vào nhiệt độ thi công có 3 loại bê tông nhựa: nóng (1400), ấm (1000), nguội (>50). Căn cứ cỡ lớn nhất của cốt liệu bê tông nhựa được phân ra 4 loại: bê tông hạt lớn, bê tông hạt trung, bê tông hạt nhỏ và bê tông hạt cát ứng với đường kính lớn nhất là lớn hơn 25mm, 19mm, 9. Theo độ rỗng còn lại sau khi đầm chặt bê tông nhựa được phân ra hai loại: Bê tông nhựa đặc (BTA) có độ rỗng còn dư từ 3% đến 6% theo thể tích.

Bê tông nhựa rỗng (BTAR) có độ rỗng còn dư lớn hơn 8% đến 12% theo thể tích dùng làm lớp dưới của mặt bê tông nhựa hai lớp hoặc làm lớp mỏng. Theo cấp độ giao thông bê tông nhựa được phân ra hai loại: loại I và loại II. Các chỉ tiêu kỹ thuật của các loại bê tông nhựa nằm trong giới hạn quy định tại bảng 1.1 theo TCVN 8819:2011 Bảng 1. 1 Các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu với bê tông nhựa chặt (BTNC) [9] Quy định Phương pháp Chỉ tiêu BTNC19; BTNC12,5; BTNC 4,75 thử BTNC 9,5 TCVN 8860- 1.

Số chày đầm 75 x 2 50 x 2 1:2011 7 2. Độ ổn định ở 600C, 40 phút, ≥ 8,0 ≥ 5,5 Kn 3. Độ dẻo, mm 2÷4 2÷4 TCVN 8860- 4. Độ ổn định còn lại, % ≥ 75 ≥ 75 12:2011 TCVN 8860- 5.

Độ rỗng cốt liệu (tương ứng ≥ 17 với độ rỗng dư 4%), % - Cỡ hạt danh định lớn nhất 9,5 ≥ 15 mm TCVN 8860- 10:2011 - Cỡ hạt danh định lớn nhất 12,5 ≥ 14 mm - Cỡ hạt danh định lớn nhất 19 ≥ 13 mm 7(*). Độ sâu vệt hằn bánh xe (phương pháp HWTD-Hamburg AASHTO T Wheel Tracking Device), 10000 ≤ 12,5 324-04 chu kỳ, áp lực 0,70 MPa, nhiệt độ 500 C, mm (*): Chỉ kiểm tra đối với các công trình đặc biệt theo yêu cầu của Chủ đầu tư. Có thể đầm tạo mẫu Các tính chất của hỗn hợp bê tông nhựa và bê tông nhựa đã đầm nén làm mặt đường bao gồm tính chất liên quan đến đặc tính thể tích và tính chất cơ học Đặc tính thể tích của bê tông asphalt bao gồm các chỉ tiêu: độ rỗng dư (VIM), độ rỗng cốt liệu (VMA), độ rỗng lấp đầy nhựa (VFA). Các giá trị này phải nằm trong giới hạn quy định đảm bảo lớp bê tông asphalt có khả năng chống biến dạng, chống chảy bitum dưới tác động của tải trọng xe và yếu tố 8 nhiệt độ môi trường, hạn chế sự xâm nhập của nước vào hỗn hợp trong quá trình khai thác.

Để xác định các chỉ tiêu đặc tính thể tích của bê tông asphalt, cần thiết phải thí nghiệm và tính toán các chỉ tiêu sau: Các chỉ tiêu liên quan đến tỷ trọng của vật liệu thành phần: tỷ trọng của cốt liệu thô (đá dăm), tỷ trọng của cốt liệu mịn (cát thiên nhiên, cát xay từ đá), tỷ trọng của bitum, tỷ trọng của bột khoáng.