[Khoa Học Vật Liệu] Bê Tông Asphalt Phần 1

Chia sẻ: Danh Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

542
lượt xem 150
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bê tông Asphalt là 1 loại vật liệu hỗn hợp, đó là 1 loại đá nhân tạo nhận được sau khi tạo hình và làm đặc chắc. 1 hỗn hợp có tỉ lệ thành phần hợp lý và được nhào trộn kỹ bao gồm hỗn hợp vật liệu khoáng, bitum dầu mỏ và phụ gia nếu có.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: [Khoa Học Vật Liệu] Bê Tông Asphalt Phần 1

GS.TS. PH M DUY H U (Ch biên) PGS.TS. VŨ ð C CHÍNH – TS. ðÀO VĂN ðÔNG THS. NGUY N THANH SANG BÊ TÔNG ASPHALT NHÀ XU T B N GIAO THÔNG V N T I
Vi n khoa h c và công ngh xây d ng giao thông Trư ng ñ i h c GTVT Huuphamduy@gmail.com L I NÓI ð U Bê tông asphalt và các v t li u h n h p khoáng–bitum khác là v t li u chính ñ xây d ng m t ñư ng ô tô và sân bay, ñư ng s t và các công trình thu l i. N i dung c a giáo trình trình bày v các nguyên lý, v t li u ch t o, các tính ch t v t lý và cơ h c, phương pháp thi t k thành ph n, công ngh ch t o bê tông asphalt. Giáo trình bao g m 12 chương ñư c phân công biên so n như sau: Ch biên: Chương 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9–GS. TS. Ph m Duy H u Chương 7, 8–PGS.TS. Vũ ð c Chính Chương 7, 11, 12–TS. ðào Văn ðông Chương 9, 10–ThS. Nguy n Thanh Sang Giáo trình là tài li u h c t p cho sinh viên chuyên ngành v t li u và công ngh xây d ng, sinh viên ngành xây d ng công trình giao thông c a Trư ng ð i h c Giao thông V n t i. Giáo trình còn là tài li u tham kh o cho các k sư xây d ng giao thông và xây d ng dân d ng, các h c viên cao h c, nghiên c u sinh và các ñ c gi c n quan tâm. Trong quá trình biên so n chúng tôi ñã nh n ñư c ý ki n ñóng góp c a các ñ ng nghi p, các nhà khoa h c k thu t thu c B GTVT, B Xây d ng và các trư ng ð i h c trong và ngoài nư c. Chúng tôi ñã nh n ñư c các tài li u quý báu c a trư ng Xây d ng ñư ng và ôtô c a Nga và các tài li u c a công ty Shell Anh Qu c. Chúng tôi r t cám ơn và mong nh n ñư c ý ki n ñóng góp c a b n ñ c cho cu n sách ñư c hoàn thi n hơn. Các tác gi
CÁC T KHÓA Ph m Duy H u, Bê tông asphalt, bitum, v t li u khoáng, bê tông r i ngu i, ñ b n Marshall, c u trúc c a bê tông asphalt, h n h p v t li u khoáng - bitum, SMA. Chương 1 KHÁI NI M VÀ PHÂN LO I BÊ TÔNG ASPHALT 1.1. KHÁI NI M Bê tông asphalt là v t li u khoáng–bitum xây d ng ñư ng, nh n ñư c khi làm ñ c h n h p bê tông asphalt. H n h p bê tông asphalt bao g m ñá dăm (ho c s i), cát, b t khoáng, bitum d u m , ph gia. H n h p ñư c thi t k h p lý và gia nhi t t 120– 1600C. Thành ph n c a bê tông asphalt theo kh i lư ng thông thư ng như sau: ñá dăm: 20–65%; cát: 30–66%; b t khoáng: 4–14%; bitum: 5–7%; và ph gia tuỳ theo k t qu thí nghi m. Trên cơ s ch t k t dính h u cơ (bitum, guñrông, nhũ tương) trong xây d ng ñư ng thư ng dùng các v t li u h n h p khoáng và ch t kêt dính h u cơ. Ph bi n nh t và có ch t lư ng cao nh t t v t li u khoáng–bi tum là bê tông asphalt. Bê tông asphalt là s n ph m nh n ñư c khi làm ñ c và r n ch c h n h p asphalt–bê tông. H n h p bê tông asphalt bao g m: ñá dăm, cát, b t khoáng và bi tum ñư c l a ch n thành ph n h p lý, nhào tr n và gia công thành m t h n h p ñ ng nh t. C t li u l n làm tăng kh i lư ng h n h p, làm gi m giá thành c a bê tông asphalt và tăng cư ng ñ và ñ n ñ nh. C t li u nh khi tr n v i bitum t o thành v a asphalt làm tăng tính d o c a h n h p, nh hư ng ñ n kh năng làm vi c và ph m vi ng d ng c a bê tông asphalt. B t khoáng làm thay ñ i t l c t li u nh làm h n h p ñ c hơn và tăng t l b m t c a các c t li u, nó k t h p v i bitum t o nên ch t k t dính m i bao b c và bôi trơn b m t c t li u. Ch t lư ng c a bê tông asphalt ph thu c vào ngu n g c c a c t li u, b t khoáng và ñ quánh/ nh t c a bitum. Bê tông asphalt là t t nh t so v i các h n h p v t li u khoáng–bitum khác ch nó có ñ ñ c, cư ng ñ , ñ n ñ nh và ñ b n cao do s tham gia c a b t khoáng trong thành ph n. Bê tông asphalt ñư c s d ng làm l p ph m t ñư ng có lư ng giao thông cao như ñư ng cao t c, ñư ng thành ph và sân bay. Bê tông asphalt ñòi h i k t c u phía dư i có ñ c ng cao ñ ñ m b o không b n t g y trong quá trình khai thác. ð ng th i vi c c i ti n ñ nhám ñ ñ m b o cho xe ch y v i t c ñ cao là v n ñ còn ñang ti p t c nghiên c u. Cư ng ñ và ñ n ñ nh c a bê tông asphalt ñư c hình thành nh s liên k t gi a c t li u v i b t khoáng và bitum. Thành ph n c a bê tông asphalt có th ñư c thi t k
theo tiêu chu n Vi t Nam và tiêu chu n c a Vi n Asphalt Hoa Kỳ. Thành ph n h n h p v t li u khoáng theo các tiêu chu n này v căn b n là gi ng nhau. Tuy nhiên, v n ñ lư ng bitum t i ưu còn có nh ng ñi m chưa th ng nh t. Các tính ch t c a bê tông asphalt ph thu c vào nhi t ñ thi công và nhi t ñ khai thác. Theo các tài li u qu c t thì bê tông asphalt có th khai thác nhi t ñ t –500C ñ n +600C. Các gi i pháp ñ tăng cư ng ñ n ñ nh nhi t c a bê tông asphalt c n ñ c bi t lưu ý khi s d ng bê tông asphalt trong ñi u ki n khí h u nhi t ñ i. Trong quá trình khai thác bê tông asphalt ch u nh hư ng c a các y u t nhi t ñ và th i ti t nên nó b già ñi, n t n , b mài mòn và bi n d ng làm gi m tu i th khai thác c a bê tông asphalt. Tu i th trung bình c a các l p ph m t ñư ng b ng bê tông asphalt kho ng 10 ñ n 15 năm. Trong ñi u ki n thi t k , thi công, b o dư ng và khai thác h p lý thì tu i th t i ña có th ñ t ñ n 20 năm. Yêu c u v thành ph n h n h p, tính ch t c a bê tông asphalt và phương pháp thi t k thành ph n ñã ñư c ghi rõ trong tiêu chu n TCVN và TCN GTVT. Có th tham kh o tiêu chu n 9128–84 ho c 2.05.02–85 ho c 12801–84 c a Nga; tiêu chu n c a Vi n Asphalt Hoa Kỳ. Bê tông asphalt ñã ñư c s d ng ñ xây d ng kho ng 50% các con ñư ng trên toàn th gi i và kho ng 15% các con ñư ng Vi t Nam. Bê tông asphalt còn có th s d ng làm v a hè, khu vui chơi gi i trí, công trình th thao và các công trình thu l i. Bê tông asphalt ch y u có màu ñen nhưng trong ñi u ki n yêu c u cũng có th ch t o bê tông asphalt có màu khác. 1. 2. PHÂN LO I BÊ TÔNG ASPHALT Bê tông asphalt là v t li u khoáng–bitum có ch t lư ng cao. Ngoài ra còn có các lo i h n h p khác như: v t li u ñá nh a macadam, ñá nh a c p ph i ñ c, ñá nh a cư ng ñ cao, ñá nh a h t m n (v a asphalt), h n h p t o nhám, ñá nh a th m nư c. S khác nhau cơ b n gi a h n h p asphalt và ñá nh a là c p ph i c a h n h p. C p ph i c t li u trong asphalt thư ng bao g m c t li u l n, c t li u m n và b t ñá. Trong các h n h p ñá nh a thư ng ít s d ng b t ñá. Các h n h p t o nhám và ñá nh a th m nư c thư ng s d ng các c p ph i gián ño n. Bê tông nh a còn có th ñư c ch t o t các lo i bitum polyme ho c các lo i nhũ tương bitum. Cư ng ñ c a bê tông asphalt thay ñ i t 1–15MPa và ph thu c vào nhi t ñ . Bê tông asphalt có th ñư c phân lo i theo các y u t sau: Theo các tiêu chu n qu c t và 22TCN 249–98 c a B Giao thông v n t i qui ñ nh như sau: H n h p bê tông asphalt và bê tông asphalt ñư c phân lo i theo các ñ c ñi m sau: Theo nhi t ñ thi công: H n h p bê tông asphalt trong l p ph m t ñư ng ñư c chia ra lo i nóng, m và ngu i. H n h p nóng ñư c r i và b t ñ u làm ñ c khi nhi t ñ không nh hơn 120oC. H n h p này thư ng dùng bi tum có ñ quánh 40/60, 60/70 và 70/100. H n h p m ñư c r i và b t ñ u làm ñ c khi nhi t ñ không nh hơn 900C và
thư ng dùng bitum l ng s 1, 2, 3. H n h p ngu i dùng bi tum l ng có ñ nh t 70/130 ñư c r i nhi t ñ không khí không nh hơn 5oC và ñư c gi nhi t ñ thư ng. Theo ñ ñ c (ho c ñ r ng dư): Theo ch tiêu ñ r ng dư bê tông asphalt ñư c chia làm 3 lo i: lo i ñ c có ñ r ng 2–5%, lo i r ng có ñ r ng 6–12% và lo i r t r ng có ñ r ng 12–25% theo th tích. Theo ñ l n c a h t c t li u: Theo ñư ng kính l n nh t c a h t v t li u khoáng ñư c chia ra 3 lo i: lo i l n (Dmax ≤ 40mm), lo i trung bình (Dmax ≤ 20mm) và lo i nh (h n h p h t nh và h n h p cát Dmax ≤ 5mm). Theo tiêu chu n M bê tông asphalt chia làm 21 lo i ký hi u là s Lamã và có ch tiêu ph là a, b, c, d...Ví d Ia,..., IId... V i Dmax là 2,5 in, 1,5 in, 1 in, 0,5 in và 3/8 in, Dmin là m t sàng s No200 (0,071 mm). Theo hàm lư ng gi a ñá dăm (ho c s i) và cát: Bê tông asphalt nóng ho c m, ñ c ñư c chia làm 3 lo i: lo i A n u t l ñá dăm–h n h p c t li u trong kho ng 50–65%; lo i B: 35–50%; lo i C: 20–35%; lo i D: bê tông asphalt cát thiên nhiên; lo i G: bê tông asphalt cát nghi n. Bê tông asphalt ngu i ñư c chia làm 2 lo i: BN: 35–50%; CN: 20–35%. Bê tông asphalt cát r i ngu i ñư c ký hi u: DN và GN. Theo ch t lư ng c a v t li u và tính ch t cơ lý: Bê tông asphalt còn chia ra lo i sau: I, II, và III: Bê tông asphalt ñ c và nóng. I,II: Bê tông asphalt nóng r ng và r t r ng. I,II: Bê tông asphalt ngu i. V cơ b n cách phân lo i bê tông theo các tiêu chu n là th ng nh t tuy có quy ñ nh khác nhau v ñơn v ño kích thư c h t c t li u và kí hi u lo i bê tông. Theo tiêu chu n Vi t Nam và Nga ñơn v ño là mm, tiêu chu n Anh, M là in. 1.3. CÁC YÊU C U CHUNG ð I V I BÊ TÔNG ASPHALT Bê tông asphalt là m t lo i v t li u ñ c bi t v i các tính ch t thay ñ i nhi u theo nhi t ñ c a môi trư ng và theo mùa. Vào mùa hè nhi t ñ bê tông trong l p ph m t ñư ng có th ñ t 50–600C, cư ng ñ ch còn 1–1.5MPa, bê tông asphalt tr nên d o và có th b ch y. V mùa ñông cư ng ñ ñ t t 10–15MPa, bê tông asphalt tr nên ñàn h i th m trí có th dòn. Trong c năm m c ñ t i tr ng chuy n ñ ng trên m t ñư ng là không ñ i. Như v y vi c thi t k thành ph n bê tông, thi t k k t c u m t ñư ng, thi t k công ngh thi công là m t bài toán r t là ph c t p ñ ñ m b o yêu c u thay ñ i tr ng thái ng su t bi n d ng trong các ñi u ki n thay ñ i nhi t ñ khác nhau. Bài toán ñó ñư c gi i quy t b ng cách l a ch n d ng, ki u, v t li u, k t c u m t ñư ng h p lý có xét ñ n s phù h p gi a ñi u ki n v n t i và khí h u. Bê tông asphalt c n ñ m b o các yêu c u v cư ng ñ , ñ n ñ nh, bi n d ng nhi t ñ cao và ch ng l i s phá ho i do n t nhi t ñ th p. Khi ñ m b o ñư c các y u t trên bê tông asphalt có th ñ t tu i th t 15 ñ n 20 năm. 1.4. K T C U M T ðƯ NG BÊ TÔNG ASPHALT K t c u m t ñư ng ôtô ch y u g m m t s l p: l p m t, móng và l p n n móng. Hình 1.1 mô t m t m t c t ngang ñi n hình c a m t con ñư ng. Các l p k t c u m t
ñư ng bê tông asphalt mô t hình 1.2. K t c u m t ñư ng có kh năng phân b hi u qu t i tr ng xe, ñ m b o kh năng ch u t i, tu i th , chi phí ñ u tư xây d ng và b o dư ng h p lý. K t c u m t ñư ng ñư c thi t k ñ ñ m b o dư i tác d ng c a t i tr ng xe ng su t trên m t ñư ng và n n ñư ng không vư t quá các gi i h n cho phép. Ngày nay t i tr ng tr c xe thi t k thư ng t 10–13 t n, trong tương lai có th ñ n 15 t n. T i tr ng c a máy bay có th phát tri n ñ n 25 t n. Các tác ñ ng c a môi trư ng như ñ m, lư ng mưa, m c nư c ng m, các ñi u ki n khí h u cũng nh hư ng l n ñ n ch t lư ng m t ñư ng. L p m t ñư ng thư ng bao g m 2 l p: l p trên thư ng ñư c g i là l p áo (l p m t). L p này thư ng s d ng bê tông asphalt ñ c h t nh . L p dư i thư ng s d ng bê tông asphalt r i nóng ho c m r ng và h t l n. L p trên c a m t ñư ng ph i ñ m b o kh năng ch ng l i bi n d ng dư i tác d ng c a t i tr ng xe, không th m nư c ñ b o v l p dư i c a m t ñư ng. Trong nh ng con ñư ng ñ c bi t có th s d ng các l p ñá bitum r ng th m nư c ho c các l p matít asphalt c ng. Hình 1.1. M t c t ngang ñư ng ôtô ñi n hình M t ñư ng bê tông asphalt là lo i m t ñư ng chính trong giao thông ñô th , ngoài ñô th , ñư ng cao t c và ñư ng nhi u xe ch y. Hình 1.2. C u t o các l p m t ñư ng ôtô L p móng là b ph n k t c u chính trong k t c u m t ñư ng ñ phân b t i tr ng ñ m b o các l p dư i không b quá t i. ðây là l p ch u l c chính, có kh năng ch ng l i bi n d ng dư và s n t g y do m i và ng su t phát sinh do chênh l ch nhi t ñ . L p
móng có th chia ra làm 2 l p: l p móng trên và l p móng dư i (l p c p ph i ñá dăm tiêu chu n). L p móng trên thư ng s d ng các v t li u dính k t, l p móng dư i s d ng v t li u có gia cư ng. Các v t li u dính k t bao g m bê tông asphalt có ñ r ng cao, v t li u khoáng–bitum, các v t li u ñá ho c n n móng ñư c gia cư ng b ng ch t dính k t vô cơ. L p gia cư ng g m có ñá dăm, cát, v t li u khoáng t các ñ i ho c các s n ph m ch t th i công nghi p. T ng móng cũng có th s d ng các lo i bê tông nghèo. L p n n móng c a k t c u m t ñư ng cơ b n g m 2 l p: l p n n trên thư ng b ng v t li u h t có ch t lư ng t t, l p n n dư i là ñ t t nhiên ho c ñ t ñã ñư c gia c nh m t o l p l p m t t t c a n n ñư ng. ðôi khi cũng b sung m t s l p: l p ph n n có th b ng ñ t t nhiên ho c c t li u h t thô ñư c gia c vôi và xi măng. L p thoát nư c t do ñ t o thành m t l p thoát nư c ra kh i m t ñư ng b ng ñ d c ngang l p này có th dùng cát v i tiêu chu n k thu t ñ m b o. CÂU H I ÔN T P 1. Khái ni m và phân lo i bê tông asphalt 2. Các yêu c u chung ñ i v i bê tông asphalt 3. K t c u m t ñư ng bê tông asphalt
Chương 2 CH T K T DÍNH BITUM 2.1. KHÁI NI M VÀ PHÂN LO I BITUM LÀM ðƯ NG 2.1.1. KHÁI NI M Nh ng lo i v t li u như bitum, guñrông, nhũ tương, nh a màu là các ch t k t dính h u cơ. Chúng có th d ng c ng, quánh, l ng (thành ph n ch y u là hiñrôcácbon cao phân t và m t s h p ch t khác), có kh năng tr n l n và dính k t các v t li u khoáng, t o thành v t li u ñá nhân t o có nh ng tính ch t v t lý, cơ h c phù h p ñ xây d ng ñư ng ôtô và sân bay. Các ch t k t dính h u cơ còn ñư c dùng làm v t li u l p, cách nư c, ch ng th m và b o v các ñ p nư c, các công trình ki n trúc, làm n n, gia c n n ñư ng s t, sân th thao, ñư ng ñua ôtô và mô tô. Ch t dính k t trong bê tông asphalt thư ng s d ng bitum d u m quánh ho c l ng, nhũ tương bitum ho c bitum polyme. 2.1.2. PHÂN LO I Bitum có các lo i sau: Bitum d u m –s n ph m cu i cùng c a quá trình chưng c t d u m , có nhi u M , Nga và Trung ðông. Bitum ñá d u–s n ph m khi chưng ñá d u. ðá d u có th ch a ñ n 12% bitum. Bitum ñá d u ñư c s n xu t Pháp và Thu S . Bitum thiên nhiên–lo i bitum thư ng g p trong thiên nhiên d ng tinh khi t hay l n v i các lo i ñá. ðư c khai thác t i các m ñ u tiên Tây Ban Nha. Nhũ tương bitum: là m t lo i bitum l ng bao g m các h t bitum phân tán trong môi trư ng nư c và ch t nhũ hoá. Bitum polyme c i ti n: là lo i bitum c i ti n có thêm thành ph n polyme h u cơ ho c các ch t polyme t o màu. Bitum polyme có tính n ñ nh nhi t ho c t o màu s c cho công trình. Giá thành c a bitum polyme cao nên ñư c s d ng trong các công trình ñư ng cao c p, có các yêu c u ñ c bi t. Bitum r n và bitum oxi hoá: nhi t ñ 20–25oC là m t ch t r n có tính giòn và tính ñàn h i, nhi t ñ 180–200oC thì có tính ch t c a m t ch t l ng. Bitum quánh: nhi t ñ 20–25oC là m t ch t m m, có tính d o cao và ñ ñàn h i không l n l m. Bitum l ng: nhi t ñ 20–25oC là ch t l ng và có ch a thành ph n hyñrôcacbon d bay hơi, có kh năng ñông ñ c l i sau khi thành ph n nh bay hơi, và sau ñó có tính ch t g n v i tính ch t c a bitum quánh.
2.2. THÀNH PH N VÀ C U TRÚC C A BITUM 2.2.1. THÀNH PH N C U T O C A BITUM Bitum d u m là m t h n h p ph c t p c a các h p ch t hyñrôcacbon cao phân t (metan, naftalen, các lo i m ch vòng). Bitum có màu ñen, hoà tan ñư c trong benzen (C6H6), cloruafooc (CHCl3), disunfuacacbon (CS2) và m t s dung môi h u cơ khác, các nhóm ch c năng có ch a lưu huỳnh, nitơ và nguyên t ô xy. Bitum cũng ch a m t s lư ng nh kim lo i như niken, s t, magiê, canxy dư i d ng mu i h u cơ. Thành ph n hoá h c c a bitum d u m như sau: C = 82–88%; S = 0–6%; N = 0,5–1%; H = 8–11%; O = 0–1,5%. D a trên cơ s lý thuy t v nhóm hoá h c ngư i ta chia bitum d u m thành 3 nhóm chính (nhóm ch t d u, nhóm ch t nh a, nhóm asphalt) và các nhóm ph . Nhìn chung, có th tách thành ph n hoá h c c a bitum thành hai nhóm asphalt và maltel. Nhóm các maltel có th chia ra thành các ch t bão hoà, các ch t nh a, các ch t thơm (phân lo i theo tiêu chu n Anh). Nhóm ch t d u(thơm) g m nh ng h p ch t có phân t lư ng th p (300–600), không màu, kh i lư ng riêng nh (0,91–0,925). Nhóm ch t d u làm cho bitum có tính l ng. N u hàm lư ng c a nhóm này tăng lên, tính quánh c a bitum gi m. Trong bitum nhóm ch t d u chi m kho ng 45–60%. Nhóm ch t nh a g m nh ng h p ch t có phân t lư ng cao hơn (600–900), kh i lư ng riêng x p x b ng 1, màu nâu s m. Nó có th hoà tan trong benzen, etxăng, clorofooc. Nhóm ch t nh a trung tính (t l H/C = 1,6–1,8) làm cho bitum có tính d o. Hàm lư ng c a nó tăng, ñ d o c a bitum cũng tăng lên. Nh a axit (H/C = 1,3–1,4) làm tăng tính dính bám c a bitum vào ñá. Hàm lư ng c a nhóm ch t nh a trong bitum d u m vào kho ng 15–30%. Nhóm asphalt r n, giòn g m nh ng h p ch t có phân t lư ng l n (1000–30000), kh i lư ng riêng 1,10–1,15, có màu nâu s m ho c ñen, không b phân gi i khi ñ t. Khi nhi t ñ l n hơn 300oC thì b phân gi i ra khí và c c, t l H/C = 1,1. Asphalt có th hoà tan trong clorofooc, têtraclorua cacbon (CCl4), không hoà tan trong ête, d u ho và axêtôn (C3H5OH). Tính quánh và s bi n ñ i tính ch t theo nhi t ñ c a bitum ph thu c ch y u vào nhóm này. Hàm lư ng nhóm asphalt tăng lên thì tính quánh, nhi t ñ hoá m m c a bitum cũng tăng lên. Hàm lư ng c a nhóm asphalt trong bitum vào kho ng 10–25%. Nhóm cacben và cacbôit. Tính ch t c a cacben g n gi ng như ch t asphalt, ch khác là không hoà tan trong benzen và trong CCl4, hoà tan ñư c trong ñisunfuacacbon, kh i lư ng riêng l n hơn 1. Cacbôit là m t ch t r n d ng mu i, không hoà tan trong b t c dung môi nào. Hàm lư ng c a các ch t này trong bitum nh hơn 1,5%, làm bitum kém d o.
Nhóm axit asphalt và anhyñrit. Nhóm này là nh ng ch t nh a hoá (nh a axit) mang c c tính (g m nh ng phân t có ch a g c cacbôxyn–COOH), nó là thành ph n ho t tính b m t l n nh t c a bitum, d hoà tan trong rư u c n, benzen, clorofooc và khó hoà tan trong etxăng. Axit asphalt có kh i lư ng riêng nh hơn 1, màu nâu s m, hàm lư ng trong bitum nh hơn 1%. Khi hàm lư ng tăng lên, kh năng th m ư t và cư ng ñ liên k t c a bitum v i b m t v t li u khoáng d ng cácbonat tăng lên. Nhóm parafin (các ch t no) là nh ng hyñrô cacbua béo d ng chu i th ng ho c phân nhánh có phân t lư ng trung bình, bao g m các ch t parafin và không thu c d ng parafin. Papafin có th làm gi m kh nămg phân tán và hoà tan c a asphalt vào trong các nhóm khác, có th làm gi m tính ñ ng nh t c a bitum. N u t l parafin tăng lên, nhi t ñ hoá m m, tính giòn c a bitum nhi t ñ th p s tăng lên, bitum hoá l ng nhi t ñ th p hơn so v i bitum không ch a parafin. T l c a parafin trong bitum d u m ñ n 5%. Tính ch t c a bitum ph thu c vào thành ph n và tính ch t c a h n h p các nhóm c u t o hoá h c. D a vào nhóm c u t o hoá h c có th chia bitum d u m thành 3 lo i: lo i 1, lo i 2 và lo i 3. Bitum lo i 1 có nhóm asphalt > 25%, nh a < 24% và dung d ch cácbon > 50%. Bitum lo i 2 có hàm lư ng nhóm c u t o hoá h c tương ng là > 18%; > 36% và < 48%. Bitum lo i 3 có các nhóm c u t o hoá h c tương ng là 21–23%; 30–34% và 45–49%. Ba lo i bitum trên có ñ bi n d ng khác nhau. Thành ph n hoá h c c a chúng thay ñ i theo th i gian s d ng k t c u m t ñư ng. Hình 2.1 mô t quan h tương ñ i gi a hàm lư ng các nhóm ch t hoá h c ch y u trong bitum v i ch s ñ kim lún. 90 80 Nhãm chÊt b o ho 70 60 Nhãm chÊt th¬m 50 PhÇn tr¨m 40 30 Nhãm chÊt nhùa 20 10 Nhãm asphalt Hình 2.1. Quan h 0 gi a các nhóm ch t -2 -1 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 hoá h c ch y u v i ch s ñ kim lún 2.2.2. C U TRÚC C A BITUM
T nh ch t c a bitum ph thu c vào c u trỳc c a nú. Bitum là m t h th ng keo ph c t p có c u trúc cơ b n là c u trúc mixen asphalt. Trong lý thuy t mixen ñ i v i nh ng ch t cao phân t , Menep và Mark coi c u trúc c a chúng như m t h th ng tinh th (mixen). Trong h th ng này các mixen b bao quanh b i m t s lư ng l n các phân t có phân t lư ng nh b ng nh ng l c tương h . Khi l c tương h l n th m i m t mixen là m t nỳt c a m ng. Mixen ñư c coi là pha phân tán, các ph n t có phân t lư ng nh hơn ñóng vai trũ là m i trư ng phân tán. V i bitum, pha phân tán là nhóm asphalt, xung quanh chúng là nh ng ch t nh a và môi trư ng phân tán là ch t d u. Trong bitum qu nh và c ng, mixen chi m t l l n. Cũn trong bitum l ng chỳng chi m m t t l nh ñ n n i không có tương tác g v i nhau n n cú th chuy n ñ ng t do trong ch t d u. Quan h gi a hàm lư ng và c u t o c a các nhóm trong bitum (d u, nh a, asphalt) có th t o nên các c u trúc phân tán khác nhau (sol, gel, sol–gel) có nh ng tính ch t cơ–lý nh t ñ nh (H nh 2.2). C u trỳc sol ñ c trưng cho bitum có hàm lư ng ch t d u và ch t nh a l n. Khi ñó các mixen asphalt không t o ra ñư c tác d ng tương h l n nhau và chuy n ñ ng t do trong môi trư ng d u. C u trúc sol cú trong bitum l ng và bitum qu nh n u núng ch y. Khi t l asphalt trong bitum l n và không ñ ch t d u và thơm s t o nên c u trúc gel. Trong c u trỳc gel các h t nhân asphalt m r ng ra, các mixen asphalt xích l i g n nhau và có tác d ng tương h l n nhau, t o nên m ng c u trúc không gian. C u trúc ñó t o ra tính ñàn h i cho ch t k t dính và là ñ c trưng cho c u trúc c a bitum c ng nhi t ñ th p. C u trúc sol–gel ñ c trưng cho bitum quánh nhi t ñ thư ng. nhi t ñ này v t li u s có tính ñàn h i d o và tính nh t.
b C u truc vòng thơm b Cu truc vòng thơm e–Sơ ñ c u trúc bitum d ng “gel” Hình 2.2. Các nhóm c u t o c a bitum (a, b, c,d, e) a–C u t o hoá h c c a nhóm atsphatl b–C u trúc vòng thơm(Nhóm ch t d u); c–Nhóm hydrocacbon no d–Nhóm c u trúc bitum d ng “sol”; e–C u trúc bitum “ gel” 2.3. CÁC TÍNH CH T C A BITUM QUÁNH XÂY D NG ðƯ NG 2.3.1. TÍNH QUÁNH (TCVN 7495–2004, AASHTO T49–89, ASTM D5, BS 2000)
Tính quánh c a bitum quánh và bitum oxi hoá ñư c ño b ng ñ kim lún. Tính quánh bi u th s c b n n i t i và ñư c phân c p theo ñ kim lún, ñ kim lún bi n ñ i t 20–300 ñ . Nó nh hư ng nhi u ñ n các tính ch t cơ h c c a h n h p v t li u khoáng v i bitum, ñ ng th i quy t ñ nh công ngh ch t o và thi công lo i v t li u có s d ng bitum. ð quánh c a bitum ph thu c vào hàm lư ng các nhóm c u t o và nhi t ñ c a môi trư ng. Khi hàm lư ng nhóm asphalt tăng lên và hàm lư ng nhóm ch t d u gi m, ñ quánh c a bitum tăng lên. Khi nhi t ñ c a môi trư ng tăng cao, nhóm ch t nh a s b ch y l ng, ñ quánh c a bitum gi m xu ng. ð ñánh giá ñ quánh c a bitum ngư i ta dùng ch tiêu ñ c m sâu c a kim (tr ng lư ng 100g, ñư ng kính 1mm) c a d ng c tiêu chu n (H nh 2.3) vào bitum nhi t ñ 25oC trong 5 giây. ð kim lún kí hi u là P, ño b ng ñ (1 ñ b ng 0,1mm). Tr s P càng nh ñ quánh c a bitum càng cao. Theo ñ kim lún có th chia bitum làm 5 lo i:1, 2, 3, 4, và 5 v i ñ kim lún 0 25 C bi n ñ i t 300–40 ñ . Hình 2.3. D ng c ño ñ quánh 2.3.2. ð KÉO DÀI (TCVN 7496–2005, ASTM 113–89) Tính d o ñ c trưng cho kh năng k t dính n i t i c a bitum dư i tác d ng c a ngo i l c. Tính d o c a bitum cũng như tính quánh, ph thu c vào nhi t ñ và thành ph n nhóm ch t. Khi nhi t ñ tăng, tính d o cũng tăng. Ngư c l i khi nhi t ñ gi m tính d o cũng gi m, nghĩa là bitum tr n n giũn. Trong trư ng h p ñó, bitum dùng làm m t ñư ng hay trong các k t c u khác có th t o thành các v t n t. Tính d o c a bitum ñư c ñánh giá b ng ñ kéo dài, kí hi u là L (cm), c a m u tiêu chu n và ñư c xác ñ nh b ng d ng c ño h nh 2.4 (ASTM D113).
ð kéo dài bi u th tính k t dính n i t i c a bitum. S c b n n i t i c a các lo i bitum khác nhau th bi u th b ng ñ kéo dài khác nhau. Trong thí nghi m này ba s i m u bitum ñ ơc ñ nh h nh gi ng nhau, ñ trong môi trư ng nư c và ñư c kéo ra v i t c ñ ñ u là 50 mm/phút cho ñ n khi b ñ t. Nhi t ñ thí nghi m ñư c ñi u ch nh theo ñ kim lún c a bitum, ví d 100C cho bitum 80 ñ n 100; 130C cho bitum 60 ñ n 70; 170C cho bitum 40 ñ n 50. Kho ng cách mà các s i m u bitum ñư c kéo dài ñ n ñ t so v i m u ban ñ u ñư c coi là ñ b n n i t i ho c kh năng ch u kéo dài c a m u bitum. Trong trư ng h p c n xác ñ nh ñ ñàn h i d o (ñ ñàn h i 250C) th th nghi m ñ n m t ñ dài nào ñó sau ñó c t m u th ñ m u co l i b ng chi u dài ban ñ u. Tr s t l gi a bi n d ng ñàn h i và ñ kéo dài (ñ t) theo qui ñ nh là t 55–70%. Nhi t ñ thí nghi m tính d o là 25oC, t c ñ kéo là 5cm/phút. ð kéo dài t i thi u cho các lo i bitum quánh làm ñư ng là 100 mm. Hình 2.4. D ng c ño ñ kéo dài 2.3.3. NHI T ð HOÁ M M VÀ NHI T ð HOÁ C NG (TCVN 7497–2005) Khi nhi t ñ thay ñ i, tính quánh, tính d o c a bitum thay ñ i. S thay ñ i ñó càng nh , bitum có ñ n ñ nh nhi t ñ càng cao. Tính n ñ nh nhi t c a bitum ph thu c vào thành ph n hoá h c c a nó. Khi hàm lư ng nhóm asphalt tăng, tính n ñ nh nhi t c a bitum tăng, hàm lư ng nhóm asphalt gi m tính ch t này gi m xu ng. Bư c chuy n c a bitum t tr ng thái r n sang tr ng thái quánh r i hoá l ng, và ngư c l i, t tr ng thái l ng sang tr ng thái quánh, r i hoá r n x y ra trong kho ng nhi t ñ nh t ñ nh. Do ñó tính n ñ nh nhi t c a bitum có th bi u th b ng kho ng nhi t ñ ñó. Kho ng bi n ñ i nhi t ñ , kí hi u là T, ñư c xác ñ nh b ng công th c sau: T = Tm–Tc, trong ñó: Tm – nhi t ñ hoá m m c a bitum, là nhi t ñ chuy n bitum t tr ng th i qu nh sang tr ng th i l ng; Tc– nhi t ñ hoá c ng c a bitum là nhi t ñ chuy n bitum t tr ng thái l ng sang tr ng thái r n. N u T càng l n tính n nhi t ñ nh nhi t c a bitum càng cao.
Tr s nhi t ñ hoá m m c a bitum ngoài vi c dùng ñ xác ñ nh kho ng bi n ñ i nhi t ñ T, nó cũn cú ý nghĩa th c ti n r t quan tr ng. Trong xây d ng ñư ng, ngư i ta thư ng dùng bitum ñ r i m t ñư ng, do ñó khi g p nhi t ñ cao, n u Tm không thích h p, bitum có th b ch y làm cho m t ñư ng có d ng lư n sóng, d n ñ ng... tr ng i cho xe c ñi l i và d n ñ n hư h ng m t ñư ng. Nhi t ñ hoá m m là m t ch tiêu k thu t ñ ñánh giá ch t lư ng c a bitum. Nhi t ñ hoá m m c a bitum ñư c xác ñ nh b ng d ng c ″vũng và bi″ (Hình 2.5). Kh i lư ng c a viên bi b ng 3,5g, ñư ng kính 9,53 mm. Hình 2.5. Thí nghi m vòng và bi Hình 2.6. D ng c Fraxa 1. Nhi t k ; 2. Cu n thanh thép; 3. M u th (thanh thép); 4. M ñuara; 5. ng nghi m.
ð xác ñ nh nhi t ñ hoá m m ngư i ta ñun nóng bình ch a ch t l ng (thư ng là nư c) v i t c ñ 5oC/phút. Dư i tác d ng c a nhi t ñ tăng d n, ñ n m t lúc nào ñó bitum b nóng ch y l ng ra, viên bi cùng bitum rơi xu ng. Nhi t ñ ch t l ng trong bình ng v i lúc viên bi ti p xúc v i b ng dư i c a giá ñ ñư c xem là nhi t ñ hoá m m c a bitum. Nhi t ñ hoá c ng c a bitum có th xác ñ nh b ng d ng c ño ñ kim lún. Nhi t ñ hoá c ng là nhi t ñ ng v i ñ kim lún b ng 1 ñ n 1,25. Nhi t ñ hoá c ng cũng có th ño b ng d ng c Fraxa (Hình 2.6). T t c bitum ñ u th hi n ñ c tính ch u tác ñ ng c a nhi t: nhi t ñ cao–m m, nhi t ñ th p–c ng, và ñư c bi u th b ng công th c Pfeiffer và Van Doormaal: LogP = AT+K (2.1) trong ñó: A–ñ linh ñ ng v i nhi t theo log c a ñ kim lún, và b ng 0,015–0,06 K–h s th c nghi m Pfeiffer và Van Doormaal ñã xây d ng m t khái ni m trong ñó gi ñ nh r ng ñ m n c m v i nhi t ñ c a các lo i bitum dùng cho xây d ng ñư ng có giá tr b ng 0. T ñó các tác gi ñưa ra công th c tính ch s ñ kim lún (PI) như sau: 20(1 − 25A) PI = (2.2) 1 + 50A Giá tr PI thay ñ i t –3 ñ i v i bitum có ñ m n c m v i nhi t ñ cao cho ñ n +7 ñ i v i các lo i bitum có ñ m n c m v i nhi t ñ th p. 2.3.4. ð B N C A BITUM Hình 2.7. Hóa già c a bitum khi tr n, lưu kho, v n chuy n, thi công và khai thác. (Lưu ý: Ch s hoá già thư ng là t l c a 2 giá tr như ñ nh t, ñ c ng hay ñ kim lún).
Do nh hư ng c a th i ti t mà tính ch t và thành ph n hoá h c c a bitum b thay ñ i. Ngư i ta g i s thay ñ i ñó là s hóa già c a bitum. Nguyên nhân c a hi n tư ng ñó là vì t l c a nhóm asphalt trong bitum tăng lên. ð b n c a bitum có th ñ nh nghĩa như kh năng duy trì t t các ñ c tính lưu bi n, k t dính n i t i, k t dính v i c t li u trong quá trình s d ng lâu dài v i m t ñư ng. Các y u t cơ b n có tác ñ ng ñ n quá trình trên là: s hoá c ng do bay hơi; s hoá c ng do ô xy hoá; và s hoá c ng do c t li u. S bay hơi c a nhóm ch t d u làm tính quánh và tính giòn c a bitum tăng lên, làm thay ñ i c u t o phân t , t o nên các h p ch t m i. Quá trình hoá già c a bitum s d n ñ n quá trình hoá già c a bêtông asphalt. ð giòn c a bitum làm xu t hi n các v t n t trong l p ph m t ñư ng, tăng quá trình phá ho i do ăn mòn. Quá trình hoá già c a l p ph m t ñư ng có th chia làm 2 giai ño n. Giai ño n 1 cư ng ñ và tính n ñ nh bi n d ng tăng. Giai ño n 2 bitum b t ñ u già, c u trúc thay ñ i, làm l p ph b phá ho i. Tuy v y, s hoá già c a bitum phát tri n ch m, thư ng sau 10 năm s d ng s hoá già m i m c ñ cao. S hoá c ng do ô xy hoá là nguyên nhân chính làm cho bitum tr nên lão hoá. Ngoài ra các thành ph n d bay hơi c a bitum cũng có ñóng góp ñáng k . Th nghi m màng m ng bitum quay trong lò (ASTM D 2872) xác ñ nh s hoá c ng do nguyên nhân ô xy hoá và bay hơi. Th nghi m màng m ng bitum quay trong lò ñư c mô t hình 2.8. Hình 2.8. Th nghi m màng m ng bitum quay trong lò (The rolling thin film oven test) 2.3.5. NHI T ð B C CHÁY (TCVN 7498–2005) Trong khi ñun bitum ñ n m t nhi t ñ nh t ñ nh thì các ch t d u nh trong bitum b c hơi hoà l n vào môi trư ng xung quanh t o nên m t h n h p d cháy. ð xác ñ nh nhi t ñ b c cháy, ngư i ta dùng d ng c riêng. Trong thí nghi m, n u ng n l a lan kh p m t bitum thì nhi t ñ lúc ñó ñư c xem là nhi t ñ b c cháy. Nhi t ñ b c cháy c a bitum thư ng l n hơn 2200C. Nhi t ñ này là m t ch tiêu quan tr ng v an toàn khi gia công bitum.
2.3.6. TÍNH DÍNH BÁM (LIÊN K T) C A BITUM V I B M T V T LI U KHOÁNG (TCVN 7504–2005) M t trong nh ng ch c năng quan tr ng nh t c a bitum là dính bám v i b m t các h t c t li u và liên k t chúng l i v i nhau, ho c liên k t v i b m t k t c u có s n. S liên k t c a bitum v i b m t v t li u khoáng có liên quan ñ n quá trình thay ñ i hoá–lý khi hai ch t ti p xúc và tương tác v i nhau. Ch t lư ng c a m i liên k t này ñóng vai trò quan tr ng trong vi c t o nên cư ng ñ , tính n ñ nh nư c và n ñ nh nhi t ñ h n h p bitum và v t li u khoáng. Có r t nhi u các y u t nh hư ng ñ n ch t lư ng dính bám gi a bitum và v t li u khoáng. Các y u t ñó ph thu c c vào ñ c tính c a v t li u cũng như các y u t bên ngoài. B ng 2.1. li t kê các y u t cơ b n nh hư ng ñ n ch t lư ng dính bám c a bitum v i v t li u khoáng. B ng 2.1. Các tính ch t v t li u và các tác ñ ng bên ngoài nh hư ng ñ n dính bám gi a bitum v i c t li u Các tính ch t Các tính ch t Các tính ch t Các tác ñ ng v t li u c a bitum c ah nh p bên ngoài Khoáng v t Lưu bi n ð r ng Lư ng mưa ð c trưng b m t Phân c c Th m nư c ðm ð r ng Thành ph n hoá Hàm lư ng bitum ð pH c a nư c hc Bi Chi u dày màn S có m t c a bitum mu i ð bn Lo i ch t làm ñ y Nhi t ñ Di n tích b m t C p ph i c t li u Chu kỳ nhi t ñ ð hút nư c Lo i h n h p Giao thông Hàm lư ng m Thi t k Hình d ng Tay ngh thi công Tính ch u th i ti t Thoát nư c 2.3.6.1. ð dính bám khi không có nư c Khi nhào tr n bitum v i v t li u khoáng, bitum s th m ư t b m t các h t v t li u khoáng và t o thành m t l p h p ph . Khi ñó các phân t bitum trong l p h p ph s tương tác v i các phân t c a v t li u khoáng l p b m t. Tương tác ñó có th là tương tác lý h c hay hoá h c. Liên k t c a bitum v i v t li u khoáng trư c h t ph thu c vào tính ch t c a bitum. Trong ñó ñ nh t và tính phân c c c a bitum là khá quan tr ng. ð bitum dính bám t t v i các h t c t li u và qua ñó có th liên k t các h t c t li u v i nhau thì bitum c n ph i làm ”ư t” t t ñư c b m t t ng h t c t li u, t c là b c ph t t b m t các h t c t li u v i ñ dày thích h p. Quá trình này ph thu c r t nhi u b i ñ nh t c a bitum. ð nh t càng cao thì th i gian c n thi t ñ làm ”ư t” b m t các h t c t li u càng lâu. Trong th c t nhào tr n, vi c làm ”ư t” và b c kín b m t c t li u ph i di n ra t c thì.