Độ bám dính cốt liệu của nhựa đường Phần 3
Cùng CÔNG TY CP XNK HÓA DẦU MIỀN NAM (nhuaduongmiennam.com) tìm hiểu Độ bám dính cốt liệu của nhựa đường
Ngày đăng: 10-09-2015
1,444 lượt xem
Phần 3
Cơ chế trong mối liên kết
Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm xác định cơ chế của quá trình phá vỡ mối liên kết nhựa đường trong hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu. Có hai kiểu hư hỏng trong hệ nhựa đường/cốt liệu, đó là nhựa đường bị mất tính chất kết dính nội tại và khả năng bám dính giữa nhựa đường và cốt liệu bị phá vỡ. Nếu cốt liệu sạch, khô và sau đó nhựa đường được chống thấm một cách hiệu quả, thì dạng hư hỏng là do nhựa đường mất khả năng kết dính nội tại. Tuy nhiên, khi có nước, dạng hư hỏng gần như chắc chắn là do nhựa đường và cốt liệu không kết dính với nhau. Một số cơ chế gây ra hiện tượng mất liên kết có thể được xác định là:
5.1 Sự chiếm chỗ
Lý thuyết về sự chiếm chỗ phát sinh từ việc xem xét cân bằng nhiệt động học của 3 pha trong hệ thống đó là nhựa đường/cốt liệu/nước. Nếu nước được đưa vào ở một giao diện nhựa đường/cốt liệu sau đó xem xét về năng lượng bề mặt cho thấy rằng nhựa đường sẽ co lại trên bề mặt cốt liệu. Một hạt cốt được lớp màng nhựa đường bám vào, ở điểm A cho thấy vị trí tiếp xúc cân bằng giữa nhựa đường và cốt liệu khi không có nước. Khi tiếp xúc với nước điểm cân bằng dịch chuyển hay co lại trên bề mặt tới điểm B. Đây là vị trí cân bằng mới có một góc tiếp xúc mới, góc đó sẽ phụ thuộc vào chủng loại và độ nhớt của nhựa đường được sử dụng.
5.2 Sự tách rời
Sự tách rời xảy ra khi nhựa đường và cốt liệu được tách ra bởi một lớp nước mỏng hoặc bụi cho dù không thấy rõ sự rạn nứt trên bề mặt lớp màng nhựa đường. Mặt dù lớp màng nhựa đường bao bọc hoàn toàn bề mặt hạt cốt liệu, nhưng mối liên kết bám dính không tồn tại nữa, do đó lớp màng nhựa đường có thể dễ dàng bị tróc ra khỏi bề mặt cốt liệu. tình trạng này là do nước thấm vào giữa nhựa đường và cốt liệu.
5.3 Đứt lớp màng nhựa đường bao quanh cốt liệu
Đứt màng nhựa đường xảy ra khi nhựa đường phủ hoàn toàn cốt liệu nhưng ở mép cốt liệu sắc cạnh hoặc gồ ghề, nơi lớp nhựa đường mỏng nhất, nước có thể thấm qua lớp nhựa đường vào bề mặt cốt liệu. Sự thâm nhập của nước có thể ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái hơi. Một khi quá trình này đã bắt đầu nước sẽ trải ra giữa nhựa đường và cốt liệu, làm cho lớp nhựa đường bị tách rời ra khỏi bề mặt cốt liệu. Tốc độ mà nước có thể thấm và tách lớp nhựa đường ra phụ thuộc vào độ nhớt của nhựa đường, bản chất của bề mặt cốt liệu, độ dày lớp nhựa đường, sự có mặt của bột khoáng chất cũng như các thành phần khác như các hoạt chất có hoạt tính bề mặt. Một khi lớp nhựa đường mỏng đã bị tách khỏi bề mặt cốt liệu thì áp suất do các phương tiện giao thông tác động lên mặt đường sẽ làm cho lớp nhựa đường bao bọc cốt liệu bị đứt và nhựa đường sẽ co lại, để lộ cốt liệu bị nước bao phủ ra,
5.4 Phồng rộp và rỗ
Nếu nhiệt độ của nhựa đường trên mặt đường tăng lên, độ nhớt của nhựa đường sẽ giảm đi. Nếu điều này xảy ra cùng với một cơn mưa vừa xảy ra trước đó, nhựa đường có thể nổi lên trên bề mặt các bọt nước tạo ra mọt vết rộp. Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng lên, vết rộp mở rộng để lại một vết rỗ lõm xuống trên mặt đường, qua các vết rỗ đó nước có thể tiếp cận bề mặt cốt liệu.
5.5 Sự xói mòn do thủy lực
Xói mòn do thủy lực xảy ra ở lớp mặt đường và do hoạt động của tải trọng lốp xe tạo ra mặt đường bị ngập nước. Nước tạo thành sóng khi xe chạy qua khu vực ngập nước, tác động một áp lực vào các phần rỗng trên mặt đường ở phía trước lốp xe khi đi qua, gây ra một chu kỳ căn – nén ở các kẽ hở của bề mặt đường, điều đó là cho nhựa đường bị bong khỏi bề mặt cốt liệu. Bụi lơ lững và bùn ở trong nước có thể hoạt động như là chất mài mòn và đẩy nhanh quá trình phá hủy sự liên kết giữa nhựa đường và cốt liệu.
5.6 Áp lực nước lỗ rỗng
Cơ chế bong mối liên kết rất quan trọng nhất là ở những nơi hỗn hợp hở và đầm lèn không đạt yêu cầu. Đối với các dạng hỗn hợp này, nước chui vào các khoảng trống, lưu lại tại đó và tạo ra áp lực khi các phương tiện giao thông đi lại trên mặt đường, gọi là áp lực tại các lỗ rỗng. Quá trình này tạo ra các dòng kênh bao quanh giao diện nhựa đường/cốt liệu đẫn đến mối liên kết giữa chúng bị phá hủy. Khi nhiệt độ gia tăng , nước bị kẹt trong các lỗ rỗng nở ra, gia tăng mức độ di chuyển phá hủy phá hủy sự liên kết giữa nhựa đường và cốt liệu. Nhiệt độ thấp dẫn đến hình thành băng trong các lỗ rỗng cũng có tính phá hoại tương tự.
5.7 Mất liên kết hóa học
Sự khuếch tán nước qua lớp nhựa đường mỏng có thể tạo ra lớp nước trên bề mặt cốt liệu. Sự có mặt của nước làm cho bề mặt cốt liệu chấp nhận một điện tích âm so với nhựa đường chỉ hơi tích điện âm. Điều này dẫn đến hai bề mặt tiếp xúc với nhau được tích điện âm và kết quả là chúng sẽ đẩy nhau. Như vậy, càng nhiều nước được hút vào bề mặt cốt liệu thì liên kết giữa cốt liệu và màng nhựa đường bao quanh cốt liệu càng bị tách ra.
6 Kiểm tra độ kết dính
Chúng ta mong muốn có một phương pháp đáng tin cậy để xác định, lượng hóa được chất lượng độ kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu khi có nước trong phòng thí nghiệm. Nhiều phương pháp thí nghiệm đã được xây dựng nhằm so sánh các mức độ kết dính giữa cốt liệu và nhựa đường. Tuy nhiên, đối với phần lớn các thí nghiệm này, chúng ta có rất ít thông tin có liên quan đến các đặc tính hoạt động trong thực tiễn của nhựa đường. Trong hầu hết các thí nghiệm về độ kết dính, hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu được ngâm trong nước trong các điều kiện được kiểm soát. Độ bong nhựa đường được xác định sau một khoảng thời gian thí nghiệm. Các thí nghiệm này khác nhau về yếu tố như chủng loại mẫu được sử dụng, các điều kiện thí nghiệm và phương pháp đánh giá mức độ bong. Trong tất cả các thí nghiệm đó, cốt liệu đã được phủ nhựa đường được ngâm trong nước. Các thí nghiệm phủ nhựa đường lên cốt liệu trong điều kiện có nước cũng được tiến hành, trong trường hợp này, mức độ nhựa đường phủ lên bề mặt cốt liệu được sử dụng như là một chỉ số về độ kết dính.
Các thí nghiệm về độ kết dính giảm xuống còn 6 loại sau:
· Các thí nghiệm ngâm nước tĩnh;
· Các thí nghiệm ngâm nước động;
· Các thí nghiệm ngâm trong dung dịch hóa học;
· Các thí nghiệm ngâm nước dưới tác động cơ học;
· Các thí nghiệm ngâm nước có sự tác động của bánh xe thí nghiệm;
· Các thí nghiệm phủ nhựa đường.
Trên đây là một số thí dụ về mỗi một loại thí nghiệm này, nhưng trong hầu hết các trường hợp từng thí nghiệm thuộc mỗi loại khác nhau về chi tiết, hơn là khác nhau về nguyên lý.
6.1 Các thí nghiệm ngâm nước tĩnh
Trong loại thí nghiệm này, cốt liệu được trộn nhựa đường sau đó ngâm trong nước và độ bong được ước tính bằng quan sát sau một thời gian hỗn hợp được ngâm trong nước. Thực chất, thí nghiệm này gồm đá dăm kích cỡ khoảng 14mm được trộn một loại nhựa đường cho trước. Cốt liệu được trọng nhựa đường này sau đó được ngâm trong nước cất ở 250C trong 24 giờ. Tỷ lệ phần trăm nhựa đường bị bong ra khỏi cốt liệu được tính bằng cách quan sát. Mặc dù độ hội tụ của thí nghiệm này không cao, nhưng nó cũng cho thấy rằng việc xếp hạng cốt liệu do các phòng thí nghiệm khác nhau thực hiện là giống nhau. Như vậy, có thể so sánh các kết quả thí nghiệm với đặc tính kỹ thuật biểu hiện trên đường. Tuy nhiên, có một số trường hợp rủi ro khi cốt liệu có kết quả thí nghiệm ngâm nước tĩnh kém lại có đặc tính biểu hiện trên đường tốt, và ngược lại cốt liệu khong bị bong trong thí nghiệm lại có biểu hiện kém trên đường.
6.2 Các thí nghiệm ngâm nước động
Loại thí nghiệm này rất giống với thí nghiệm ngâm nước tĩnh nhưng mẫu thí nghiệm được lắc cơ học bằng cách lắc hoặc đảo trộn. Đối với mức độ bong được ướt tính bằng quan sát cùng với sự điều chỉnh khi mà hỗn hợp đó vẫn giữ độ kết dính hay tách ra từng viên cốt liệu. Độ hội tụ của thí nghiệm này cũng rất kém.
6.3 Các thí nghiệm ngâm trong dung dịch hóa học
Trong thí nghiệm này cốt liệu đã được trộn nhựa đường được đun sôi trong các dung dịch có chứa cacbonat natri với các nồng độ khác nhau. Nồng độ của dung dịch cacbonat natri mà trong đó hiện tượng bong kết dính giữa nhựa đường – cốt liệu bắt đầu xuất hiện được sử dụng như là đơn vị đo độ kết dính. Tuy vậy, người ta vẫn chưa xác định được rõ liệu các điều kiện nhân tạo của thí nghiệm có cho giá trị tin cậy trong dự đoán các đặc tính của hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu trên mặt đường hay không.
6.4 Các thí nghiệm ngâm nước dưới tác động cơ học
Các thí nghiệm ngâm cơ học để xác định sự thây đổi của một đặc điểm cơ học của nhựa đường đã được đầm sau khi ngâm nước. Như vậy, tỷ số của đặc tính sau khi ngâm nước chia cho đặc tính ban đầu là cách gián tiếp xác định mức độ bong nhựa đường – cốt liệu.
Một số đặc tính cơ học có thể xác định được gồm : cường độ cắt, cường độ kéo uốn và cường độ nén. Có thể thông dụng nhất là thí nghiệm Marshall, tỷ số độ ổn định Marshall sau và trước khi ngâm được biết đến như là độ ổn định Marshall duy trì và thường được ghi lại dưới dạng tỷ lệ phần trăm.
Shell đã thực hiện một thí nghiệm Marshall duy trì như là một phần của các thử nghiệm QUALAGON của nhựa đường. Trong phiên bản của Shell về thí nghiệm này có ít nhát là 8 mẫu Marshall được sản xuất từ một chủng loại cốt liệu, cấp phối, hàm lượng nhựa đường và độ rỗng đã được quy định. Sau đó 4 mẫu sẽ được kiểm tra theo phương pháp Marshall tiêu chuẩn, bốn mẫu còn lại được xử lý chân không trong nước ở nhiệt độ từ 0 – 1oC để cho các lỗ hổng trong hỗn hợp được chứa đầy nước. Sau đó mẫu được giữ trong bồn nước 60oC trong 48 giờ, cuối cùng độ ổn định Marshall của chúng được xác định. Tỷ lệ của độ ổn định Marshall được giữ này chia cho độ ổn định Marshall tiêu chuẩn được gọi bằng một thuật ngữ là độ ổn định Marshall duy trì.
Giá trị độ ổn định Marshall tuyệt đối nằm trong phạm vi tương đối rộng và không hội tụ, ít lặp lại là một đặc điểm gắn liền với thí nghiệm Marshall. Tuy nhiên, người ta đã tìm ra rằng xem xét tỷ lệ phần trăm so với kết quả thu được từ quy trình tiêu chuẩn đã làm giảm sự khác nhau giữa các phòng thí nghiệm khác nhau.
6.5 Các thí nghiệm ngâm nước có sự tác động của bánh xe
Hầu như tất cả các thí nghiệm được mô tả trên đây không đề cập đến tác động của các loại phương tiện giao thông đến hiện tượng bong nhựa, trong khi thực tế hoạt động giao thông đóng một vai trò quan trọng trong việc làm bong nhựa đường. Một thí nghiệm mô phỏng tác động của giao thông là thí nghiệm ngâm – vệt lún bánh xe. Thí nghiệm này gồm có 3 bánh xe bọc lốp đặc, 3 bánh xe đó được để nằm ngang qua 3 mẫu hỗn hợp đá nhựa đường có cấu trúc hở. Các bánh xe chạy và chuyển động qua lại với một tầng số là 25 vòng 1 phút. Mỗi bánh xe được bố trí có tổng tải trọng là 20 kg lên mẫu. Các mẫu thí nghiệm được để nằm ngang và hơi ngập một chút trong bồn nước.
Hỗn hợp đá nhựa đường được đầm lèn trong khuôn ở các điều kiện tiêu chuẩn và được để đông đặc trong một thời gian ngắn trước khi nhúng. Nhiệt độ bồn nước bình thường là 400C. Các tiêu chuẩn đã được chấp nhận để xác định độ bong nhựa là thời gian cần để tạo ra hư hỏng, thời gian bắt đầu xảy ra hư hỏng và thời gian cuối cùng mà hư hỏng xảy ra. Người ta đã chứng minh là có một mối tương quan chặt chẽ giữa sự hư hỏng, bong nhựa đường trên các con đường giao thông chịu tải trọng nặng và các biểu hiện của vật liệu tương tự như trong thí nghiệm ngâm – vệt lún bánh xe. Các thí nghiệm trên 17 loại cốt liệu khác nhau đã cho thấy một sự biến động rộng về thời gian gây hỏng với độ trùng lặp khoảng 30% giá trị thời gian gây hỏng trung bình. Một nghiên cứu về ảnh hưởng của độ nhớt của nhựa đường đến thời gian hư hỏng đã cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa logarit của độ nhớt và thời gian hư hỏng trung bình. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian mà hư hỏng xảy ra gồm:
· Hình dạng cốt liệu;
· Mức độ chèn móc giữa các hạt cốt liệu với nhau trong hỗn hợp;
· Độ nhớt của nhựa đường;
· Chuẩn bị mẫu thí nghiệm.
6.6 Các thí nghiệm trộn
Các thí nghiệm trộn là một cố gắng nhằm thu được độ kết dính giữa một cốt liệu và nhựa đường trong điều kiện có nước can thiệp. Ví dụ thí nghiệm khay ngâm gồm một khay chứa nhựa đường ngâm vào nước và sau đó rải đá dăm vào bề mặt nhựa đường qua nước. Thí nghiệm này cực kỳ có ích cho việc kiểm tra các chất hoạt động bề mặt nâng cao độ kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu như thế nào nhằm sử dụng trong kỹ thuật thi công lớp mặt đường trong các điều kiện ẩm ướt.
7 Nâng cao độ kết dính nhựa đường/cốt liệu
Vôi tôi thường được sử dụng như một phụ gia chống bong trong các hỗn hợp nhựa đường nóng. Nó thường được kết hợp như một thành phần bột khoáng với tỷ lệ từ 1 – 3 % tính theo trọng lượng. Người ta cho rằng vôi tôi phản ứng với axit cacboxylic có mặt trong nhựa đường và tạo điều kiện cho các nhóm cacbony khác như etone tự gắn vào bề mặt cốt liệu. Các thành phần này không dễ bị nước loại bỏ như axit, vì vậy các vật liệu này ít mẫn cảm với sự bong tách hơn. Để thay thế, người ta đã đề xuất rằng trong các hỗn hợp có chứa vôi tôi, nếu nước có mặt trong giao diện nhựa đường/cốt liệu, một dung dịch vôi tôi sẽ có kết quả tốt. Ion canxi trong dung dịch làm cho bề mặt cốt liệu trở nên có tính bazơ hơn và cân bằng điện hóa học buộc nước tránh xa giao diện nhựa đường/cốt liệu và trở thành một nhũ tương trong nhựa đường. Cân bằng này sau đó sẽ tác động để gắn vào bề mặt kỵ nước của khoáng chất. Vôi tôi trong trường hợp này vẫn được phân tán trong nhựa đường hay hòa tan trong nước. Hình 1 minh họa rõ ràng lợi ích của việc cho thêm 2 % tính theo trọng lượng vôi tôi cho vào hỗn hợp.
Đối với một số loại cốt liệu, độ kết dính có thể được cải thiện bằng cách cho thêm một chất phụ gia nhất định. Nhìn chung các chất phụ gia đóng vai trò :
· Thay đổi điều kiện giao diện giữa nhựa đường và cốt liệu để nhựa đường được ưu tiên làm ướt cốt liệu
· Tăng cường mối kết dính giữa cốt liệu và nhựa đường do đó nâng cao tính chống bong tách của nhựa đường do thấm nước trong thời gian dài.
Chuỗi dài amin cơ bản tạo cơ sở cho một số chất tăng độ bám dính thương mại sẵn có cho các hỗn hợp nhựa đường. Các amin về bản chất là các cation và được hút vào bề mặt cốt liệu khoáng. Phần còn lại của phân tử amin là một chuỗi dài hydrocacbon có thể tương thích với nhựa đường, kết quả cuối cùng là hình thành mối liên kết ion giữa nhựa đường và cốt liệu.
Số lượng chất làm tăng độ kết dính được cho thêm vào nhựa đường khoảng 0,1 – 1% (theo trọng lượng nhựa đường). Nó có thể được cho thêm vào nhựa đường trước khi trộn với cốt liệu hoặc trộn với cốt liệu trước khi cốt liệu trộn với nhựa đường. Mặc dù việc làm ướt cốt liệu ban đầu bằng nhựa đường được tăng lên, hiệu quả của một số phụ gia bám dính trong việc nâng cao kết quả dính khi phải liên tục tiếp xúc với nước trong thời gian dài có thể là một vấn đề cần được nghiên cứu thêm.
Bởi vì chức năng của chất phụ gia này là tương tác với các nhóm phân cực trên bề mặt cốt liệu, chúng cũng sẽ tương tác với các nhóm phân cực ở nhựa đường, do đó phải đạt được nồng độ tới hạn của chất phụ gia nếu muốn chất này làm tăng độ kết dính của nhựa đường. Hơn nữa, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và cả trong kinh nghiệm thực tiễn đều cho thấy rằng các kết hợp nhựa đường/cốt liệu khác nhau có thể cần các loại phụ gia khác nhau hoặc nồng độ sử dụng phụ gia khác nhau để đạt được đặc tính kỹ thuật tối ưu.
Việc sử dụng các chất phụ gia không phải xuất phát từ bất kỳ khiếm khuyết nào về đặc tính kỹ thuật của nhựa đường, mà đây là một cơ hội để phát huy tốt các đặc tính kỹ thuật của nhựa đường theo các yêu cầu của một dự án nào đó hoặc cho phép sử dụng được các loại cốt liệu nào đó mà trong trường hợp khác lẽ ra đã phải loại bỏ.
