Độ bám dính cốt liệu của nhựa đường Phần 2

Cùng CÔNG TY CP XNK HÓA DẦU MIỀN NAM (nhuaduongmiennam.com) tìm hiểu Độ bám dính cốt liệu của nhựa đường Phần 2

Ngày đăng: 09-09-2015

1,581 lượt xem

Phần 2

Kết dính khi có nước

Thực tế sẽ không có vấn đề khó khăn gì khi thi công đường bằng hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu ở Vương quốc Anh, trừ khi thời tiết ẩm ướt hoặc mưa. Hàng năm bất kỳ con đường nào ở Vương quốc Anh cũng đều bị ướt theo thời gian rải rác trong năm, tương đương với 100 trận mưa, với lượng nước 1 insơ mỗi trận. Điều này có nghĩa là mỗi năm mọi con đường đều bị ướt từ 3 tháng đến nữa năm, tùy theo địa phương.

Khi có mưa sẽ nãy sinh ra hai vấn đề có liên quan đến công tác thi công đường bằng hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu: thứ nhất cốt liệu bị ướt trước khi đem trộn với nhựa đường, thứ hai nước mưa làm ướt lớp nền đường sẽ phải rải thảm lên đó. Do không thể trộn nhựa đường với cốt liệu ướt, lạnh, ta phải loại bỏ lớp nước bám trên cốt liệu bằng cách nung nóng cốt liệu. Bằng cách đó ta vẫn giữ được độ nhớt thích hợp của nhựa đường trong quá trình trộn và tạo điều kiện cho nhựa đường lan ra khắp bề mặt cốt liệu một cách đồng đều.

2.1   Hiện tượng không kết dính khi có nước

Tình trạng nhựa đường bị tách khỏi cốt liệu (hay là bong nhựa) thường liên quan đến việc hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu bị thấm nước. Đối với các hỗn hợp đá nhựa như asphalt chặt có độ rỗng thấp, khả năng bị bong nhựa ít khi xảy ra. Đối với các loại vật liệu có thể thấm nước, thậm chí ngay cả khi các vật liệu đó tương đối chặt thì vẫn tồn tai nguy cơ bong nhựa, dẫn đến tình trạng mất sự cố kết ở bên trong và mặt đường có khả năng bị rã ra. Nguy cơ xảy ra bong nhựa , như đã được đề cập ở trên, phụ thuộc vào vai trò và ái lực giữa cốt liệu và nhựa đường, sau đó là khả năng của nhựa đường và cốt liệu chống lại sự chiếm chỗ của nước. Đa số cốt liệu có tính kháng nước tốt, nhưng không may một số lại không có tính kháng nước. Điều này không có nghĩa là chắc chắn thời tiết ẩm ướt sẽ gây ra những vấn đề cho một số loại cốt liệu nào đó, nó chỉ có nghĩa là thời tiết ẩm ướt là một nguy cơ đối với công tác thi công đường mà thôi. Kinh nghiệm thực tiễn qua nhiều năm cho thấy rằng mặt đường được rải bằng vật liệu sản xuất bằng cốt liệu có ái lực bình thường đối với nhựa đường thì thường đạt được các đặc tính kỹ thuật thỏa đáng trong điều kiện bình thường, phần lớn thất bại của những vật liệu đó là do thời tiết bất thường hoặc tải trọng giao thông quá lớn.

Một cuộc khảo sát toàn quốc về vấn đề mặt đường làm bằng hỗn hợp đá nhựa đường hư hỏng sớm, đã cho thấy một số trường hợp hư hỏng là do vấn đề bong nhựa và tính năng kết dính với cốt liệu của nhựa đường. Kết quả từ cuộc khảo sát này là các quan sát từ một số hiện trường cho thấy có hai loại hư hỏng đường phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu được công nhận là:

·        Hư hỏng do loại cốt liệu thô trong hỗn hợp, tức là cốt liệu không đạt độ cứng tiêu chuẩn, khi mà cốt liệu có chất liệu không đồng đều (dù đạt các tiêu chuẩn qua kiểm tra) thì các vết rổ trên đường được hình thành, cuối cùng chúng kết hợp lại với nhau để tạo thành các ổ gà lớn;

·        Sự hư hỏng mối liên kết nhựa đường/ cốt liệu dẫn đến thiếu sự cố kết và bong nhựa làm cho mặt đường bị bong cốt liệu, bị bào mòn nhanh hơn. Tình trạng này xảy ra với cả cốt liệu mềm và cốt liệu cứng có ái lực kém với nhựa đường.

Bản chất của cốt liệu khoáng, đặc biệt là bột khoáng, là yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kết dính với cốt liệu của nhựa đường. Sự khác nhau giữa các loại nhựa đường đã được ghi nhận chủ yếu là do sự khác biệt về đặc tính lưu biến.

Điều này có thể được minh họa bằng cách so sánh các đặc tính Marshall của bêtông asphalt trước và sau khi ngâm trong nước 4 ngày ở nhiệt độ 60⁰C. Thí nghiệm này cho thấy sự khác nhau giữa các nhựa đường chủ yếu là do sự khác nhau về độ rỗng của các mẫu trong thí nghiệm đó. Sự biến động về độ rỗng do các mẫu được đầm lèn ở cùng một nhiệt độ, nhưng không cùng một nhiệt độ đồng nhớt. Sự khác nhau giữa các nhựa đường được loại bỏ khi các mẫu thí nghiệm được đầm ở nhiệt độ đồng nhớt.

Sự ổn định Marshall còn lại sau khi thí nghiệm được biểu hiện để so sánh với lượng nước được hấp thụ sau bốn ngày ngâm mẫu thí nghiệm ở nhiệt độ 60⁰C. Tầm quan trọng của mức độ hấp thụ nước của cốt liệu và đặc tính nổi trội của các loại cốt liệu và bột khoáng khác nhau. Lượng nước được hấp thụ phụ thuộc vào độ rỗng của hỗn hợp, và với một độ rỗng cụ thể thì lượng nước được hấp thụ thấp hơn đáng kể nếu bột khoáng là bột đá vôi và thậm chí còn thấp hơn nữa nếu có mặt vôi tôi. Nếu chỉ số ổn định Marshall thấp hơn 30%, lượng nước được hấp thụ lớn hơn độ rỗng của hỗn hợp cho thấy rằng chắc chắn đã có hiện tượng mẫu thí nghiệm nở ra đáng kể. Điều này đã gợi ra rằng một số hư hỏng xảy ra được cho là do mất sự kết dính giữa cốt liêụ và nhựa đường, nhưng trong thực tế có thể do một số hư hỏng trong cấu trúc của hỗn hợp.

3   Các đặc tính cơ bản của nhựa đường/cốt liệu/nước

Sự thế chỗ của một chất lỏng trên bề mặt rắn bằng một chất lỏng khác sinh ra từ các lực lý hóa hoạt động trong hệ thống đó. Bề mặt của hầu hết cốt liệu được tích điện, ví dụ: silic là một thành phần cơ bản của đá Igneous, có đặc điểm là tích điện âm yếu do sự có mặt của các nguyên tử ôxy trên bề mặt, các nguyên tử đó không hoàn toàn bảo hòa về điện. Liên kết hóa học giữa nhựa đường và cốt liệu cơ bản là do lực phân tán tương đối yếu trong khi nước thường bị phân cực rất mạnh, bị hút mạnh vào bề mặt cốt liệu được tích điện âm bởi các lực định hướng.

Bề mặt cốt liệu do đó hoặc là có độ ưa nước lớn hay nhỏ, hoặc kỵ dầu. Các cốt liệu có tính axit ưa nước hơn các cốt liệu bazơ. Nếu bề mặt của một cốt liệu ướt, nó hầu như không thể phân tán nước vào nhựa đường, do đó nhựa đường rất khó bám vào bề mặt cốt liệu. Tuy nhiên, nước lại có khả năng xâm nhập vào giữa lớp màng nhựa đường và bề mặt cốt liệu, tách nhựa đường ra khỏi cốt liệu.

Các điều kiện tồn tại khi một vật rắn hoàn toàn bị ướt nước và nhựa đường được đưa vào một hệ thống. Nếu gốc tiếp xúc giữa 3 pha Ø và năng lượng bề mặt của hệ vật rắn/nhựa đường, vật rắn/nước và nhựa đường/nước theo thứ tự là ^_sb  , ^_sw  , ^_bw  thì việc thế chỗ nước thêm một đơn vị diện tích đá sẽ bằng:

W  =  ^_sb  +  ^_bw  -  ^_sw

Bây giờ để đạt đến sự cân bằng phương trình Young và Dubré được thỏa mãn:

^_sb    =  ^_sw  +  ^_bw  cosØ

Từ đó ta có:

W  =  ^_bw  (1  +  cosØ)

Như vậy Wα^_bw   (năng lượng giao diện nhựa đường/nước)

Và  W =  f(Ø)  (góc tiếp xúc)

Vì vậy nếu giảm ^_bw  và tăng Ø lên ta có thể nâng cao khả năng kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu.

Trong trường hợp với một nhựa đường, Ø luôn luôn <90⁰C và như vậy yếu tố (1+cos Ø) luôn luôn >1, có nghĩa cần một công đáng kể để làm cho nhựa đường chiếm chỗ nước và do đó nhựa đường có xu hướng tập trung lại thành giọt trên bề mặt rắn (tuy nhiên, có thể làm ướt cốt liệu bằng nhựa đường nếu sử dụng một áp lực ao).

Giá trị và có thể thay đổi cả hai bằng cách cho thêm các hóa chất nhất định vào hệ thống. Khi một chất hoạt động bề mặt cation được hòa tan vào nhựa đường nó sẽ được hấp thụ mạnh vào bề mặt cốt liệu và góc tiếp xúc được tăng lên (cũng có nghĩa là năng lượng giao diện giữa nhựa đường và nước sẽ được giảm đi), tức là nhựa đường chiếm chỗ của nước có thể xảy ra. Có một tác hại cố hữu khi sử dụng chất phụ gia hóa học để làm giảm năng lượng bề mặt nước/nhựa đường đó là xu hướng nhựa đường tạo ra nhũ tương trong nước tăng lên.

4   Các yếu tố tác động đến sự kết dính nhựa đường/cốt liệu

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ kết dính nhựa đường trên cốt liệu nhiều và phức tạp. Một số trong các ảnh hưởng đó trong đó xấp xỉ 80% được xem là có thể kiểm soát được trong quá trình sản xuất và thi công đường. Dưới đây là một số yếu tố đặc biệt quan trọng cần lưu tâm để có thể đạt được là duy trì một độ kết dính tốt.

Tầm quan trọng của thành phần khoáng học của cốt liệu đã được thừa nhận từ nhiều năm. Đặc điểm hóa lý của cốt liệu là quan trọng, với khả năng kết dính là một hàm số của thành phần hóa học, hình dạng và cấu trúc, hóa trị còn lại và diện tích bề mặt của cốt liệu. Tổng quát hóa về ảnh hưởng của khoáng học là khó vì các tác động của kích thước hạt, hình dạng và cấu trúc của hạt cũng rất quan trọng. Tuy vậy, phần lớn những trường hợp không kết dính thường là có liên quan đến cốt liệu silic như granxit, rhiolit, thạch anh, đá phiến silic… Việc đạt được các đặc tính kỹ thuật thỏa mãn với các cốt liệu này và các thất bại xảy ra khi sử dụng các cốt liệu có tính chống bong tốt như đá vôi nói lên sự phức tạp của quá trình kết dính nhựa đường/cốt liệu.

Hóa trị dư hoặc diện tích bề mặt trên một cốt liệu cũng là những yếu tố quan trọng. Các cốt liệu có điện tích bề mặt dao động thì có năng lượng bề mặt. Nếu bề mặt cốt liệu bị phủ một chất lỏng có tính phân cực đối nghịch thì nhu cầu về năng lượng bề mặt có thể được đáp ứng, một mối liên kết bám dính được hình thành. Trong khi đó có hai loại chất lỏng cùng có mặt, ví dụ như nhựa đường và nước, thì chất lỏng nào có thể đáp ứng tốt nhất năng lượng bề mặt sẽ hầu như bám chặt lấy cốt liệu. Do đó, hiện tượng bong nhựa đường khi có nước có thể liên quan đến điện tích bề mặt. Trong khi nước làm cân bằng điện tích bề mặt tốt hơn nhựa đường thì nhựa đường có thể sẽ bị tách rời khỏi bề mặt cốt liệu nhường chỗ cho nước.

Bảng 1 – Các đặc tính của vật liệu và các tác động của ngoại cảnh ảnh hưởng đến liên kết nhựa đường/cốt liệu

Sự hút bám cơ lý nhựa đường vào bề mặt cốt liệu phụ thuộc vào một số nhân tố gồm tổng thể tích các khoảng rỗng có thể thấm được, kích thích các lỗ hổng, đồng thời cũng phụ thuộc vào độ nhớt  và sức căng bề mặt của nhựa đường. Các lỗ vi cấu trúc mịn, lỗ rỗng và các vết nứt nhỏ có thể làm tăng đáng kể sự hút bám bề mặt sẵn có đối với nhựa đường. Điều đó chứng tỏ rằng các phần tử nhựa đường được hút bám mạnh vào bề mặt tới một độ sâu xấp xỉ 180 A⁰. (đơn vị đo độ dài, một A⁰ = 10^-8 cm)

Các nhân tố khác tác động đến độ kết dính ban đầu và sau đó là mối liên kết giữa nhựa đường – cốt liệu là cấu trúc bề mặt của cốt liệu, sự hiện diện của bụi trên mặt các hạt cốt liệu và với một mức độ ít hơn là độ pH của nước  giữa các bề mặt nhựa đường - cốt liệu. Nói chung bề mặt cốt liệu càng xù xì thì tính bám dính càng tốt. Tuy nhiên cần có một sự cân bằng để đạt được khả năng nhựa đường làm ướt cốt liệu (bề mặt nhẵn dễ bị làm ướt hơn). Điều này cho thấy mối liên kết  cơ học tốt trên bề mặt cốt liệu xù xì có thể quan trọng hơn tính chất khoáng học của cốt liệu để duy trì được sự kết dính nhựa đường/cốt liệu.

Như đã được trình bày ở bảng 1, các đặc tính của nhựa đường cũng đóng một vai trò quan trọng trong sự kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu. Đặc biệt là độ nhớt của nhựa đường trong quá trình phủ cốt liệu và trong thời gian con đường đang được sử dụng, tính phân cực, thành phần cấu tạo, tất cả đều ảnh hưởng đến tính chất kết dính. Tuy nhiên, bản chất của cốt liệu là nhân tố ảnh hưởng nhiều nhất đến sự kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu.

(xem tiếp phần 3)