Bitum dầu mỏ sử dụng trong xây dựng đường là một vật liệu truyền thống đáp ứng tốt các yêu cầu cơ bản cho công trình đường ôtô và sân bay. Tuy nhiên, với sự gia tăng rõ rệt về lưu lượng phương tiện và tải trọng trục xe, nhu cầu cải tiến vật liệu làm đường để phù hợp với các tiêu chuẩn cao hơn trong xây dựng đường ôtô và sân bay là điều cần thiết. Bitum cải tiến ra đời như một giải pháp để đáp ứng những yêu cầu này.
Sau đây mời quý vị cùng đơn vị thi công thảm bê tông nhựa nóng tại Hà Nội T&C Việt Nam tìm hiểu thêm về loại Bitum cải tiến này.
Tổng quan về Bitum cải tiến
Mục lục
Điểm mạnh của bitum cải tiến chính là khả năng tăng cường khả năng chịu lực và khả năng chống biến dạng của kết cấu mặt đường bê tông asphalt. Thành phần chủ yếu của loại bitum này là bitum nguyên chất kết hợp với các phụ gia. Các phụ gia thông dụng bao gồm bột cao su, mangan hữu cơ, lưu huỳnh và các polyme dẻo nhiệt. Trước đây, các phụ gia này thường được pha vào bê tông asphalt trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, hiện nay các phụ gia này được trộn trực tiếp với bitum tại nhà máy để tạo ra bitum cải tiến.
Việc sử dụng bitum cải tiến còn mang lại một giải pháp nâng cao chất lượng bảo dưỡng đường và kéo dài tuổi thọ công trình. Để đạt hiệu quả kinh tế tối ưu, bitum cải tiến thường được sử dụng kết hợp với các cốt liệu chất lượng cao trong các hỗn hợp đá nhựa thoát nước, hoặc ở các khu vực yêu cầu tính chống rão và biến dạng đặc biệt. Tuy nhiên, vì giá thành của bitum cải tiến còn khá cao, nên trong các công trình đường thông thường, việc sử dụng loại vật liệu này là không cần thiết.
Một trong những cải tiến đơn giản nhưng hiệu quả nhất để chống biến dạng là sử dụng bột cao su từ lốp ôtô cũ. Các hợp chất mangan hữu cơ, lưu huỳnh và polyme dẻo nhiệt không chỉ nâng cao khả năng thi công trong quá trình đầm lèn mà còn giúp cải thiện tính chống biến dạng của bê tông asphalt. Để đáp ứng tốt nhu cầu giao thông hiện đại, các loại cao su dẻo nhiệt được sử dụng để cải thiện cả khả năng chống biến dạng và chống rão của bitum.
Bitum là một vật liệu có tính đàn hồi và dẻo (nhớt), đặc tính này ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất kỹ thuật của bê tông asphalt. Cụ thể, tính chống biến dạng dư và chống nứt của bê tông asphalt chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ đặc tính này. Biến dạng của bitum tăng lên theo thời gian chịu tải và nhiệt độ. Khi chịu tải trọng, bitum phản ứng bằng một sự đàn hồi tức thời, sau đó sự biến dạng sẽ tăng dần theo thời gian cho đến khi tải trọng được loại bỏ. Sau khi tải trọng được gỡ bỏ, sự biến dạng đàn hồi tức thời sẽ phục hồi ngay lập tức, và sự phục hồi tiếp theo diễn ra dần dần. Tính đàn hồi chậm của vật liệu sẽ giúp giảm thiểu biến dạng vĩnh viễn gây ra bởi tính nhớt trực tiếp.
Khi tải trọng kéo tác động lên mặt đường, sự biến dạng dư sẽ hình thành và tích tụ, đặc biệt ở những khu vực có nhiệt độ cao, nơi có tốc độ giao thông thấp, hoặc tại các nút giao thông, nơi phương tiện phải dừng lại. Vì vậy, một trong những vai trò quan trọng của chất cải tiến bitum là tăng cường khả năng chịu biến dạng của bê tông asphalt, đặc biệt là khi nhiệt độ mặt đường cao, mà không làm giảm các đặc tính kỹ thuật của bitum và bê tông asphalt ở các nhiệt độ thấp hơn.
Có thể nâng cao khả năng chống biến dạng dư của bitum bằng cách làm cứng bitum, từ đó giảm phản ứng đàn hồi-dẻo (nhớt), giúp giảm biến dạng dư. Một giải pháp khác là tăng cường tính đàn hồi của bitum, giúp giảm biến dạng dẻo và từ đó giảm sự biến dạng dư. Khi tăng độ cứng của bitum, hỗn hợp bê tông asphalt sẽ có độ cứng động học cao hơn, giúp phân tán lực tốt hơn và tăng độ bền của kết cấu. Điều này có thể kéo dài tuổi thọ của đường hoặc tạo ra kết cấu đường có tuổi thọ và độ bền tương đương với các lớp áo đường mỏng hơn. Nhờ vậy, với cùng một tải trọng, chiều dày của kết cấu đường có thể được giảm bớt mà không làm giảm chất lượng công trình.
Các loại Bitum cải tiến
Phương pháp chủ yếu để chế tạo bitum cải tiến là bổ sung vào bitum các chất phụ gia như bột, khoáng chất đặc biệt, sợi khoáng và cao su. Việc lựa chọn các chất cải biến này phải dựa trên hai yếu tố chính: tính khả thi và tính kinh tế. Các chất cải biến này cần phải đáp ứng những yêu cầu sau:
- Dễ dàng có sẵn;
- Không thay đổi tính chất ở nhiệt độ trộn thảm;
- Có khả năng trộn đều với bitum;
- Không làm cho bitum trở nên quá nhớt khi trộn thảm, hoặc khi đầm nén trên bề mặt đường, và không làm bitum bị cứng hay giòn khi làm việc ở nhiệt độ thấp;
- Cần đạt hiệu quả kinh tế.
Khi các chất cải tiến đã được trộn vào bitum, thành phẩm phải có các đặc điểm sau:
- Duy trì các tính chất kỹ thuật trong suốt quá trình bảo quản, thi công và khi đường được đưa vào sử dụng;
- Có thể chế tạo bằng các thiết bị và công nghệ thông thường;
- Ổn định về mặt lý hóa trong suốt thời gian bảo quản, sử dụng và khai thác;
- Đạt độ nhớt phù hợp khi trộn và phun ở nhiệt độ sử dụng.
Bitum pha thêm lưu huỳnh
Có hai cách sử dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt để làm mặt đường. Cách thứ nhất là thêm một lượng nhỏ lưu huỳnh dưới dạng hòa tan vào bitum. Cách thứ hai, gọi là THERMOPAVE, sử dụng hàm lượng lưu huỳnh cao hơn. Lượng lưu huỳnh dư sẽ đóng vai trò như một chất khoáng tự rải, giúp tạo ra hỗn hợp dễ thi công và có khả năng chống biến dạng cao khi nguội.
Shell cũng đã phát triển một sản phẩm gọi là THERMOPATICH, đây là loại asphalt chứa hàm lượng lưu huỳnh cao, được sử dụng để sửa chữa ổ gà và phục hồi đường, có thể áp dụng cho cả đường bê tông asphalt hoặc bê tông xi măng. Bitum ở dạng lỏng được rót vào các lỗ hoặc khe nứt trên mặt đường, sau khi nguội có thể cho xe lưu thông ngay. Tuy nhiên, bitum pha lưu huỳnh có thể phản ứng với thành phần của bitum, đặc biệt là với naphthen thơm, tạo ra hydrô sunfua. Các nghiên cứu cho thấy rằng ở nhiệt độ khoảng 119,3°C, lưu huỳnh phản ứng với bitum chủ yếu bằng cách cộng vào các thành phần thơm, làm tăng tính phân cực và thay đổi một ít đặc tính lưu biến của bitum. Tuy nhiên, khi nhiệt độ vượt 150°C, quá trình oxy hóa tăng lên, gây ảnh hưởng xấu đến tính chất bitum, tương tự như tác động của quá trình sục khí. Vì vậy, cần thận trọng khi sử dụng bitum có lưu huỳnh.
Bitum pha thêm cao su
Các loại cao su như polybutadien, polyisopren, cao su thiên nhiên, cao su butyl, chloropren và styrene-butadien được sử dụng kết hợp với bitum. Tác dụng của chúng là làm tăng độ nhớt của bitum. Trong một số trường hợp, cao su được sử dụng ở trạng thái lưu hóa, như mảnh lốp tái chế, nhưng dạng này khó phân tán trong bitum. Do đó, cần phải có nhiệt độ cao và thời gian dài để biến đổi, và có thể tạo ra các liên kết không đồng nhất, trong đó cao su hoạt động chủ yếu như một chất dẻo.
Bitum thêm hợp chất mangan hữu cơ
Việc sử dụng hợp chất mangan hữu cơ trong bitum là một phát minh chung của Hoa Kỳ và Vương quốc Anh. Để cải thiện độ bền của vật liệu rải đường, người ta có thể bổ sung hợp chất mangan hữu cơ vào bitum, hoặc kết hợp mangan hữu cơ với coban hữu cơ, hoặc hợp chất đồng hữu cơ. Sản phẩm này phổ biến dưới tên gọi CHEMCRETE. Việc sử dụng bitum cải tiến với mangan hữu cơ trong asphalt và hỗn hợp đá nhựa có thể cải thiện khả năng phản ứng với nhiệt độ của hỗn hợp, qua đó nâng cao các tính chất hóa lý như ổn định Marshall, chống biến dạng dư và độ cứng động học.
Để hợp chất mangan hữu cơ phân tán nhanh trong bitum, nó được trộn với một chất chứa các chất cải biến khác, thường liên quan đến chủng loại và nồng độ hợp chất hữu cơ kim loại, cùng độ nhớt của dầu làm chất chứa các chất cải biến. Cả hai yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng chất cải biến phù hợp cho từng ứng dụng.
Cơ chế của CHEMCRETE là sử dụng các hợp chất có cấu trúc vòng trong bitum, với mangan xúc tiến việc tạo thành hợp chất dicetone, sau đó tạo thành phức chất ổn định. Các phức chất này liên kết chặt chẽ với phân tử bitum, giúp nâng cao khả năng phản ứng với nhiệt độ của bitum và tăng cường độ bền của hỗn hợp bitum.
Phản ứng lưu hoá phụ thuộc vào sự hiện diện của oxy trong bitum, độ dày của lớp bitum và nhiệt độ. Các thí nghiệm bảo quản với CHEMCRETE cho thấy rằng bitum 100 độ có chứa 2% mangan cải biến, bảo quản ở 160°C trong 28 ngày, độ kim lún giảm từ 127 độ xuống còn 100 độ.
Độ ổn định Marshall và các thông số đọc được trên hai loại bê tông asphalt mịn sản xuất từ bitum 100 độ có chứa CHEMCRETE và bitum 50 độ thông thường rất giống nhau ban đầu, nhưng sau 12 tháng, độ ổn định Marshall của bê tông asphalt mịn tăng hơn 400%. Độ dẻo Marshall cũng tăng 75%, dẫn đến sự tăng tổng thể thương số Marshall hơn 200%. Điều này chứng minh sự cải thiện độ bền qua quá trình lưu hoá. Các kết quả tương tự cũng được xác nhận qua thí nghiệm tạo vệt lún bánh xe trong phòng thí nghiệm trên các mẫu bê tông asphalt từ đoạn đường thử nghiệm. Sau khi rải bê tông, độ biến dạng ở 45°C của asphalt cải tiến và asphalt thông thường giống nhau (5mm/h), nhưng sau 6 tháng, độ biến dạng ở asphalt cải tiến đã giảm xuống dưới 1mm/h.
Bitum thêm các polyme dẻo nhiệt
Polyethylen, polypropylen, polyvinyl chlorit, polystyren và ethylen vinyl acetate (EVA) là các polyme dẻo nhiệt chủ yếu đã được nghiên cứu và kiểm nghiệm để cải tiến chất kết dính cho đường bộ. Các polyme này có đặc tính mềm đi khi bị nóng và cứng lại khi nguội.
Khi trộn với bitum, các polyme dẻo nhiệt làm tăng độ nhớt của bitum ở nhiệt độ bình thường, nhưng không làm tăng đáng kể độ đàn hồi của bitum. Khi bị nung nóng, chúng có thể tách khỏi bitum, dẫn đến hiện tượng phân tán không đều khi nguội. Tuy nhiên, dù có những hạn chế này, việc sử dụng EVA với nồng độ 5% cho bitum có độ kim lún 70 đã trở thành phổ biến, và kết quả thí nghiệm tại Việt Nam cũng cho thấy sự tương tự.
EVA là một copolymer dẻo nhiệt có cấu trúc ngẫu nhiên được tạo ra bằng cách đồng trùng hợp ethylen và vinyl acetat. Hàm lượng vinyl acetat trong EVA ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính của nó. Với hàm lượng vinyl acetat thấp, EVA có tính chất giống polyethylen tỷ trọng thấp. Khi hàm lượng vinyl acetat tăng, các đặc tính của EVA sẽ thay đổi, tạo ra các vùng mềm dẻo và vùng tinh thể cứng.
Các chất đồng trùng hợp EVA thường được phân loại theo MFI (Chỉ số chảy nóng) và hàm lượng vinyl acetat. Ví dụ, EVA có MFI là 150 và hàm lượng vinyl acetat 19 được ghi là 150/19. Các phẩm cấp EVA này thường trộn với bitum 70 độ, dễ dàng phân tán trong bitum và rất phù hợp với bitum. Tuy nhiên, trong quá trình bảo quản tĩnh, có thể xảy ra sự phân ly. Do đó, các sản phẩm hỗn hợp này cần được lưu thông tuần hoàn trước khi sử dụng.
Bảng dưới đây cho thấy tác động của hai phẩm cấp EVA 150/19 và 45/33 đối với các đặc tính của bitum 70 độ và asphalt nóng rải lớp mặt đường. Các kết quả thí nghiệm về vệt lún bánh xe cho thấy độ lún giảm bốn lần khi thêm EVA vào bitum 70 độ. Độ ổn định Marshall cũng có sự cải thiện nhưng không đáng kể như dự đoán từ kết quả thí nghiệm vệt lún bánh xe. Do đó, khi kiểm tra các hỗn hợp polyme cải tiến trong thí nghiệm Marshall, kết quả cần được xem xét thận trọng.
Bảng: Tác động của các phẩm cấp EVA 150/19 và 45/33 đến các đặc tính của bitum và asphalt nóng rải lớp mặt đường.
| Chất liên kết | Các đặc tính của chất liên kết | Các đặc tính của Marshall | Độ lún bánh xe ở 45°C, mm/h | Kim lún ở 25°C, 0.1 mm | Điểm mềm (IP), °C | Độ ổn định, kN | Độ chảy, mm | Tỷ số, kN/mm |
| 70 độ | 68 | 49,0 | 6,3 | 3,3 | 1,9 | 4,4 | ||
| 70 độ + 5% EVA 50/19 | 50 | 66,5 | 7,6 | 3,2 | 2,4 | 0,8 | ||
| 70 độ + 5% EVA 45/33 | 57 | 58,0 | 8,0 | 2,7 | 3,0 | 1,0 |
Bitum thêm cao su dẻo nhiệt
Trong bốn nhóm chất đàn hồi dẻo nhiệt chủ yếu, gồm: polyurethane, chất đồng trùng hợp polyether-polyester, các chất alken đồng trùng hợp, và các chất đồng trùng hợp có đoạn styren, nhóm chất đồng trùng hợp có đoạn styren đã chứng tỏ được khả năng phối hợp tốt nhất khi trộn với bitum.
Chất đồng trùng hợp có đoạn styren, hay còn gọi là cao su nhiệt dẻo (TR), có thể được tổng hợp qua phản ứng polyme hóa liên tục của styren–butađien–styren (SBS) hoặc styren–isopren–styren (SIS). Quá trình này yêu cầu chất xúc tác để kết nối các chuỗi polymer. Không chỉ có các chất đồng trùng hợp thẳng, mà còn có thể tạo ra các polymer phân nhánh, gọi là các chất đồng trùng hợp phân nhánh hoặc có cấu trúc hình rẻ quạt, hình sao.
Cao su nhiệt dẻo có tính đàn hồi và độ bền nhờ sự liên kết ngang vật lý của các phân tử trong mạng lưới không gian ba chiều. Các khối styren kết nối với các phần polyisopren hoặc polybutađien tạo thành một mạng lưới ba chiều, cung cấp cho polymer này độ bền và tính đàn hồi đặc biệt. Khi nhiệt độ vượt quá điểm hoá thuỷ tinh của polystyren (100°C), các liên kết khối yếu đi, khiến polystyren mềm và có thể bị tách ra dưới tác dụng của ứng suất, dễ dàng gia công. Khi nguội đi, các khối sẽ lại liên kết và tính bền, tính đàn hồi sẽ được phục hồi, từ đó chứng tỏ tính chất của một chất dẻo nhiệt.
Khi cao su nhiệt dẻo có trọng lượng phân tử bằng hoặc lớn hơn các nhóm chất asphalt, sự cân bằng pha trong bitum có thể bị xáo trộn. Polymer và asphalt sẽ “cạnh tranh” về lực hoà tan của malten, nếu không có đủ malten, hiện tượng tách pha có thể xảy ra. Cấu trúc của hệ thống bitum/polymer phù hợp và không phù hợp có thể được quan sát dưới kính hiển vi. Hệ thống tương thích sẽ có cấu trúc đồng nhất, trong khi hệ thống không tương thích sẽ có cấu trúc thô, đứt quãng.
Tách pha hoặc tính không tương thích có thể được kiểm tra qua thí nghiệm bảo quản nóng. Các thí nghiệm này thực hiện trên các mẫu bitum được lấy từ ba phần: đỉnh, một phần ba giữa và một phần ba đáy của bình chứa mẫu.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến độ ổn định và các đặc tính kỹ thuật của bitum trong quá trình bảo quản gồm:
- Số lượng và trọng lượng phân tử của các nhóm chất asphalt.
- Độ thơm của pha malten.
- Lượng polyme có mặt.
- Trọng lượng phân tử và cấu trúc của polyme.
- Nhiệt độ bảo quản.
Chất lượng phân tán polyme trong bitum chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, nhưng chủ yếu là cường độ xé trong quá trình trộn. Khi polyme được thêm vào bitum nóng, bitum sẽ ngay lập tức thấm vào các hạt polyme, làm các chuỗi styren phồng lên và dễ hoà tan hơn. Khi đó, lực xé đủ mạnh sẽ tác động vào các hạt polyme, giúp phân tán hoàn toàn trong quá trình trộn. Do vậy, cần sử dụng máy trộn có lực xé cao hoặc trung bình để đảm bảo sự phân tán hoàn toàn của cao su dẻo nhiệt vào bitum.