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.