Độ bền của nhựa đường (phần 3)

Cùng CÔNG TY CP XNK HÓA DẦU MIỀN NAM (nhuaduongmiennam.com) tìm hiểu Độ bền của nhựa đường

Ngày đăng: 13-09-2015

1,182 lượt xem

2.4   Sự hóa cứng  của bitum trên đường

Phần lớn sự hóa cứng của nhựa đường xuất hiện trong quá trình trộn và tiếp tục hóa cứng nhưng ở quy mô nhỏ hơn trong quá trình bảo quản và vận chuyển nóng. Tuy nhiên, với các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, sự hóa cứng của nhựa đường có thể xảy ra trên mặt đường. Mô tả chỉ số lão hóa của nhựa đường sau khi trộn với cốt liệu, trong quá trình bảo quản trong silô, trên đường vận chuyển, khi thi công mặt đường và cuối cùng là trên đường khi con đường đã được sử dụng.

Yếu tố cơ bản tác động đến sự hóa cứng của nhựa đường trên mặt đường là độ rỗng của hỗn hợp thảm sau khi đầm nén. Các mẫu nhựa đường được phục hồi từ 3 hỗn hợp bêtông asphalt sau 15 năm hoạt động. Mẫu nhựa đường được phục hồi từ hỗn hợp có độ rỗng thấp nhất thì bị hóa cứng ít nhất. Tuy nhiên, khi độ rỗng cao, cho phép không khí thấm qua đều, sự hóa cứng liên tục xảy ra. Chỉ số kim lún (PI) của vật liệu có độ rỗng cao nhất tăng lên đáng kể, giới hạn về tổng số ứng suất sẽ giảm đi, có thể làm cho các vật liệu được đầm lèn bị nứt. Các đặc điểm của nhựa đường ở hiện trường của bêtông asphalt 5 năm tuổi có độ rỗng từ 3-12%. Với độ rỗng nhỏ hơn 5% thì nhựa đường rất ít bị hóa cứng trên đường. Tuy vậy, với độ rỗng lớn hơn 9% thì độ kim lún ở hiện trường giảm đi từ 70 xuống dưới 25.

Bảng 1 – Sự hóa cứng của nhựa đường trên đường

Vào  năm 1982, Shell Bitumen Vương Quốc Anh đã thực hiện một công trình nghiên cứu sâu rộng trên các mẫu nhựa đường từ lớp mặt đường rải bằng  asphalt lu nóng tại khu vực đã sử dụng nhựa đường có chỉ số kim lún cao. Các mẫu bêtông asphalt được khoan từ các khu vực có các đặc tính rất khác nhau,tuổi rất khác nhau, có đặc tính quan trọng tác động đến các đặc tính của asphalt  trong thực tế đã được xác định thông qua:

Mức độ đầm lèn;

Thành phần của hỗn hợp asphalt;

Các đặc tính của nhựa đường ở hiện trường.

Nói chung, việc phân tích mẫu đã cho thấy rằng không có sự khác biệt lớn từ các mẫu nhựa đường thu hồi, cả về hàm lượng nhựa đường và các cấp phối đã được sử dụng. Tuy nhiên, có xu hướng tác động qua lại giữa hỗn hợp trên mặt đường và sự thay đổi đặc tính của nhựa đường (có cả sự hóa cứng trong quá trình trộn và vận chuyển).

Ở những nơi được cơ quan địa phương báo cáo là đường đạt các đặc tính kỹ thuật tốt,thì mức độ đầm lèn nhìn chung là tốt, mức độ hóa cứng của nhựa đường trên mặt đường thấp hơn 5 %, và không tìm thấy sự hóa cứng bất thường ở hiện trường. Tuy nhiên, tại những nơi có xuất hiện các biểu hiện đường bị xuống cấp, chất lượng đầm lèn mặt đường không đồng đều, thậm chí độ rỗng có mơi tới 12%, thường kèm theo sự hóa cứng nhựa đường nghiêm trọng. Tỷ lệ phần trăm thay đổi của độ kim lún và điểm hóa mềm của nhựa đường. Trong cả hai trường hợp nêu trên, xu hướng rõ rệt là sự hóa cứng lớn nhất ở các hỗn hợp không được đầm lèn tốt. Còn ở những nơi được đầm lèn tốt tức là độ rỗng nhỏ hơn 5% lượng hóa cứng thường ở mức chấp nhận được.

Các số liệu về lớp mặt đường rải asphalt lu nóng, được sản xuất từ nhựa đường 50 pen thí nghiệm ở đường vòng Colnborook. Kết quả này cho thấy sau 8 năm hoạt động hỗn hợp asphalt trên đường bị lún thêm và độ rỗng vẫn giữ  nguyên là 5%. Trong trường hợp này vật liệu được đầm lèn tốt không xảy ra sự hóa cứng đáng kể nào đối với nhựa đường.

Nhựa đường trên mặt đường bị hóa cứng nhanh hơn so với được tồn chứa trong bồn. Có 3 lý do:

·        Nhựa đường trên mặt đường thường xuyên tiếp xúc với oxy trong không khí;

·        Nhiệt độ cao trên mặt đường;

·        Quang oxy hóa nhựa đường do bức xạ tia cực tím.

Quang ôxy hóa là nguyên nhân làm cho một lớp bì dày cỡ 4-5 micron nhanh chóng được tạo ra trên bề mặt lớp màng nhựa đường. Điều này gây ra do bức xạ tia cực tím của thiên nhiên, người ta cho rằng được hấp thụ vào lớp nhựa đường 10 micrôn phía trên của màng nhựa đường. Điều đó đã chứng tỏ rằng sự hình thành lớp bì có thể cản trở sự hấp thụ ôxy và giảm thiểu tốt nhất các thành phần dầu do bay hơi. Tuy vậy, lớp bì ôxy hóa này có khả năng hòa tan cao trong nước mưa và dễ bị rửa trôi, vì thế nhựa đường mới lại lộ ra sau mỗi trận mưa.

Mặc dù cả hai hỗn hợp cấp phối liên tục và cấp phối gián đoạn được đánh giá là chặt, vật liệu cấp phối gián đoạn được xem là bền hơn. Chúng ít thấm khí hơn hỗn hợp cấp phối liên tục có cùng một độ rỗng. Điều này là do các khe rỗng ở hỗn hợp cấp phối gián đoạn rời rạt không nối kết với nhau ở trường hợp cấp phối liên tục.

Tốc độ ôxy hóa bề mặt trong đó bao gồm các thông số về độ kim lún, điểm hóa mềm và chỉ số PI của nhựa đường được phục hồi từ bề mặt đường và từ trong lòng hỗn hợp bêtông asphalt qua một số năm. Sau 7 năm, độ kim lún ở bề mặt là 25 trong khi nhựa đường ở phần sâu hơn độ kim lún là 45. Có một sự khác nhau rõ rệt về chỉ số PI. Ở phần sâu hơn của hỗn hợp PI, thây đổi rất ít, trong khi PI ở bề mặt đã tăng lên tới hơn 4. Sự ôxy hóa bề mặt trong thực tế là cần thiết. Nó làm cho  nhựa đường trên mặt đường bị rửa trôi tương đối nhanh, làm lộ ra bề mặt cốt liệu mới và do đó nâng cao độ chống trơn trượt của mặt đường.

Hàm lượng nhựa đường (độ dày lớp màng nhựa đường) cũng đóng một vai trò quan trọng đối với tốc độ hóa cứng của nhựa đường trên mặt đường. Các thí nghiệm đã được tiến hành trong phòng thí nghiệm chứng minh rằng sự ôxy hóa lớp nhựa đường mỏng khi môi trường xung quanh cao, tức là từ 40⁰C đến 60⁰C, bị giới hạn ở chiều sâu khoảng 4 micrôn. Tầm quan trọng của vấn đề này sẽ phụ thuộc vào độ dày trung bình của lớp màng nhựa đường mà độ dày đó có thể được ấn định trước, có thể nằm trong phạm vi từ 5-14 micrôn.

Người ta đã cho rằng một lớp nhựa đường dày trong khoảng 6-8 micrôn là cần thiết để thỏa mãn các đặc điểm để cấp phối liên tục và cấp phối gián đoạn. Nói chung là hàm lượng nhựa đường càng thấp thì lớp nhựa đường phủ trên bề mặt cốt liệu càng mỏng và sự hóa cứng sẽ xuất hiện càng nhanh. Độ dày lớp màng nhựa đường điển hình như sau:

Hỗn hợp đá nhựa nhựa đường            >5 micrôn

Hỗn hợp asphalt lu nóng                       >7 micrôn

Hỗn hợp đá nhựa thoát nước                > 12 micrôn.

Phương pháp tính độ dày lớp màng nhựa đường cho phép xác định các yếu tố diện tích bề mặt của cốt liệu nhỏ tới 75 micrôn. Rõ ràng một số hạt vật liệu chui lọt qua mắt sang cốt liệu sẽ nhỏ hơn 75 micrôn đặc biệt là các vật liệu được bổ sung thêm các loại bột khoáng đá vôi vào hỗn hợp. Do đó, với vật liệu có thành phần bột khoáng cao ở asphalt lu nóng thì độ dày thực tế của lớp màng nhựa đường sẽ thấp hơn con số trên. Tuy nhiên nếu xem nhựa đường và chất độn (chất liên kết) phủ cốt liệu mịn và thô, thì con số trên sẽ thấp hơn độ dày màng chất liên kết thực tế.

3   Các thí nghiệm về sự lão hóa nhựa đường

Chúng ta mong muốn thực hiện được các thí nghiệm định lượng được sự chống hóa cứng của nhựa đường ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình sản xuất. Thực tế một số thí nghiệm đã được tiến hành để xác định ảnh hưởng của không thí và nhiệt độ đến nhựa đường. Mục đích cơ bản của quá trình này là nhằm xác định các loại nhựa đường bay hơi quá nhiều hay qua mẫn cảm với sự oxy hóa, để có thể chọn được các loại nhựa đường có những đặc tính kỹ thuật tốt khi sử dụng trên mặt đường.

Thí nghiệm xác định lượng hao hụt nhựa đường sau khi gia nhiệt (BS 2000: Phần 45, ASTM D6,IP45) là một trong nhiều thí nghiệm nhằm xác định một trong nhiều chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa đường. Thí nghiệm này phù hợp với việc xếp hạng nhựa đường theo xu hướng hóa cứng của chúng và nhằm xác định xem nhựa đường có bị lẫn các tạp chất như các loại dầu nhẹ hay không. Các điều kiện lão hóa trong thí nghiệm này là giống trong quá trình bảo quản nhựa đường với số lượng lớn nhưng khác xa với các điều kiện trong quá trình phối trộn. Các bất lợi chủ yếu của quá trình này là tỷ lệ giữa diện tích bề mặt – thể tích của mẫu là quá thấp, lớp bì bị oxy hóa có chiều hướng hình thành nhanh chóng trên bề mặt nhựa đường. lớp bì này sẽ ngăn cản sự oxy hóa và sự bay hơi xảy ra sau đó, trong khi đó ở điều kiện thực tế xảy ra sự hóa cứng đồng nhất lớp màng nhựa đường mỏng trên cốt liệu.

Trong thí nghiệm lò thử màng mỏng nhựa đường (TFOT – ASTM D 1754), các điều kiện trong thí nghiệm được mô phỏng sát hơn với các điều kiện trong thực tế. Trong thí nghiệm này nhựa đường được giữ ở nhiệt độ163⁰C trong 5 giờ ở dưới dạng một lớp mỏng có độ dày là 3,2 mm. Người ta cho rằng trong thí nghiệm này, lượng hóa cứng xuất hiện xấp xỉ bằng lượng thu được trong thực tế. Tuy nhiên, trong thí nghiệm đó sự khuyết tán trong lớp nhựa đường cũng bị hạn chế và không thể có được sự hóa cứng hay lão hóa đồng nhất, do đó thí nghiệm còn lâu mới đạt được sự hoàn hảo.

Vào năm 1963, Cục công trình công cộng bang California, Phòng đường cao tốc đã xây dựng một thí nghiệm mô phỏng tốt hơn những điều kiện đã xảy ra với nhựa đường trong quá trịnh trộn thảm, đó là thí nghiệm màng mỏng lò quay (RFTOT). Trong thí nghiệm này 8 lọ thủy tinh hình trụ có chứa 35g nhựa đường được cố định trên một giá hay dựng theo phương pháp thẳng đứng. Trong quá trình thí nghiệm nhựa đường chảy liên tục quanh mặt trong của lọ thủy tinh dưới dạng một lớp màng tương đối mỏng cùng với không khí nóng được thổi định kỳ vào từng lọ. Nhiệt độ của thí nghiệm này là 163⁰C trong thời gian 75 phút. Phương pháp này đảm bảo rằng tất cả các mẫu nhựa đường đều được tiếp xúc với nhiệt và không khí và tiếp tục chuyển động đảm bảo không hình thành lớp nhựa đường bảo vệ. Vật liệu bị lão hóa đồng nhất thu được tương tự như vật liệu được sản xuất trong quá trình trộn trong thực tế. Rõ ràng là thí nghiệm này không giống với các thí nghiệm khác, mà qua thí nghiệm này đã chứng tỏ rằng lượng hóa cứng trong thí nghiệm RTFOT đã được hiệp hội kiểm nghiệm vật liệu Hoa Kỳ chấp nhận từ năm 1970 như là một phương pháp ASTM D2872.