Bước đầu thiết kế cấp phối bê tông nhựa tái chế bằng phương pháp trộn nguội tại trạm trộn theo MS-21

TS. Nguyễn Mạnh Tuấn KS. Nguyễn Ngọc Tha Trường Ðại học Bách Khoa (Ðại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh) Người phản biện: TS. Lê Anh Thắng TS. Phạm Đức Hùng

TÓM TẮT: Nghiên cứu công nghệ tái chế bê tông nhựa (BTN) phù hợp cho Việt Nam là rất cần thiết trong xu hướng hiện nay. Nhiều bài báo trong nước đang tập trung vào rất nhiều công nghệ, đặc biệt công nghệ tái chế nhưng công nghệ tái chế nguội tại nhà máy chưa được nghiên cứu. Do đó, bài báo tập trung giới thiệu phương pháp thiết kế cấp phối BTN nguội trộn tại trạm theo hướng dẫn kỹ thuật MS-21 của Viện Nhựa đường của Mỹ. Bài báo còn đưa ra một ví dụ thực nghiệm thiết kế cấp phối BTN tái chế nguội với đường cong cấp phối phù hợp TCVN 8819:2011 và MS-21. BTN thu hồi sử dụng trong BTN tái chế chiếm 30% và được lấy tại một vị trí sử dụng khoảng 15 năm.

TỪ KHÓA: Bê tông nhựa, bê tông nhựa tái chế, thiết kế cấp phối, đường cong cấp phối, nhũ tương.

ABSTRACT: Researches on recycling methods in Vietnam are in necessary these days. Many local papers focus on many technologies, especially in pavement recycling except for cold central plant recycling method. As a result, this paper shows the mix design of asphalt concrete containing reclaimed asphalt pavement with process of cold central plant recycling based on MS-21 guidelines published by Asphalt Institute, USA. This paper also shows an example about mix design of reclaimed asphalt concrete which gradation satisfima5n4TCVN8819:2011 and MS-21. The reclaimed asphalt pavement has 30% of asphalt concrete in terms of weight and is from a site for 15 years. 

Keywords: Asphalt concrete, reclaimed asphalt concrete, mix design, gradation, emulsion.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Mạng lưới đường bộ nước ta hiện nay cần hàng triệu khối vật liệu để duy tu, bảo dưỡng mặt đường hàng năm. Trong khi các nguồn vật liệu này phân bố không đều, điều kiện khai thác khó khăn, và cự ly vận chuyển ngày càng xa nên tạo ra giá thành cao. Ngoài ra, nhựa đường phải nhập ngoại rất tốn kém trong khi nhựa chứa trong đường cũ là một nguồn giá trị bổ sung, việc tái sử dụng lượng vật liệu hiện có không những tiết kiệm thời gian, chi phí mà còn giảm thiểu tác động môi trường. Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ tái chế BTN phù hợp cho Việt Nam là rất cần thiết. Hiện nay, trên thế giới có 4 công nghệ tái chế gồm: Tái chế nóng tại trạm trộn và hiện trường, tái chế nguội tạm trạm trộn và hiện trường [1]. Ở Việt Nam, công nghệ tái chế nguội tại hiện trường (sử dụng nhũ tương hay bitum bọt kết hợp xi măng) và công nghệ tái chế nóng ở nhà máy (cho phép sử dụng dưới 25% BTN thu hồi) đã thực hiện ở nhiều công trình.

Công nghệ tái chế nguội mặt đường nhựa tại trạm trộn (Cold Central Plant Recycling) là công nghệ tái sử dụng vật liệu mặt đường nhựa cũ thu hồi - RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) sau khi cào bóc, kết hợp với vật liệu mới tại trạm trộn để tạo nên hỗn hợp BTN tái chế nguội (BTNTCN).  Kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy, sử dụng công nghệ nhựa tái chế nguội mặt đường nhựa tại trạm trộn có nhiều ưu điểm như tiết kiệm chi phí do sử dụng lại vật liệu mặt đường nhựa cũ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, BTN tái chế nguội có tính kinh tế hơn vì vật liệu không phải làm nóng, hỗn hợp BTN tại trạm có thể dễ dàng vận chuyển từ trạm trộn đến công trường thi công [1, 2].

Công nghệ BTNTCN tại trạm trộn được thi công theo những bước cơ bản sau [2]:

- Vận chuyển vật liệu về trạm trộn bê tông nhựa hoặc tồn chứa trong kho; - Cào bóc lớp mặt đường nhựa cũ hiện hữu từ mặt đường;

- Nghiền và sàng vật liệu RAP theo kích thước mắt sàng phù hợp để khi phối trộn với cốt liệu mới (đá dăm, cát, bột khoáng) sẽ tạo nên cấp phối cốt liệu phù hợp;

- Đưa RAP vào phễu chứa và vận chuyển đến buồng trộn để trộn chung với vật liệu mới theo cấp phối đã được thiết kế từ phòng thí nghiệm;

- Vận chuyển hỗn hợp BTNTCN ra công trường và thi công (rải, lu lèn) như đối với lớp BTN thông thường.

Theo xu hướng cần thiết phải sử dụng BTN tái chế, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu BTN nguội tái chế tại trạm trộn và vật liệu BTN thu hồi có thời gian sử dụng khoảng 15 năm được sử dụng để nghiên cứu trong bài báo này. Bài báo chủ yếu giới thiệu cách thiết kế BTN nguội tái chế theo hướng dẫn kỹ thuật của Viện Nhựa đường (Asphalt Institute) của Mỹ [2] kết hợp sử dụng phương pháp Marshall hay tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành TCVN 8820:2011 [3].

2. THIẾT KẾ CẤP PHỐI BTNTCN THEO MS-21

Trên thế giới, có nhiều phương pháp để thiết kế BTN tái chế nguội BTNTCN, trong đó phương pháp thiết kế theo Viện Nhựa đường (Asphalt Institute) của Mỹ được nhiều đơn vị tư vấn cũng như các nhà nghiên cứu sử dụng. Theo hướng dẫn kỹ thuật số 21 (MS-21) của Viện Nhựa đường Mỹ [2], các bước để thiết kế cấp phối BTNTCN được thực hiện theo sơ đồ sau:

Cấp phối sử dụng cho BTNTCN theo MS-21 có bảy cấp phối được phân thành hai loại chủ yếu là cấp phối rỗng và cấp phối chặt được thể hiện trong Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các cấp phối sử dụng cho BTNTCN theo MS-21 [2]

Theo MS-21, nhựa mới sử dụng có thể là nhựa đường đặc hay nhũ tương. Công thức xác định hàm lượng nhựa/nhũ tương có thể xác định phụ thuộc vào tổng lượng nhựa yêu cầu trong hỗn hợp cốt liệu theo công thức thực nghiệm:

 

 

Trong đó:

P_c - Tổng gần đúng lượng nhựa yêu cầu của hỗn hợp tái chế, tính bằng phần trăm trọng lượng hỗn hợp;

a - Phần trăm cốt liệu đọng lại trên sàng 2,36mm;

b - Phần trăm cốt liệu lọt qua sàng 2,36mm và bị giữ lại trên sàng 0,075mm;

c - Phần trăm cốt liệu lọt qua sàng 0,075mm;

K - 0,15 khi lượng lọt sàng 0,075mm (No.200) từ 11÷15%;

0,18 khi lượng lọt sàng 0,075mm (No.200) từ 6 ÷ 10%

0,20 khi lượng lọt sàng 0,075mm (No.200) nhỏ hơn 5%;

F - 0 ÷ 2% dựa vào mức độ hấp thụ nhựa đường của đá. Nếu không biết chính xác có thể sử dụng F = 0,7 ÷ 1;

R - 1,0 đối với nhựa đường đặc

      0,6 ÷ 0,65 đối với nhũ tương.

3. THÍ DỤ THIẾT KẾ CẤP PHỐI BTNTCN

3.1. Vật liệu

BTN thu hồi được lấy từ dốc cầu Ba Si cũ tại KM56+370 trên QL53, huyện Càng Long, tỉnh Trà Vinh. Mẫu BTN thu hồi tại vị trí mặt đường này do đã sử dụng trong nhiều năm (trên 15 năm) và đường này đã được xây dựng cùng thời gian nên các tính chất về vật liệu cũng như hàm lượng và tính chất kết dính có thể gần tương đồng nhau.

Nhựa cũ được chiết xuất từ BTN thu hồi theo phương pháp Abson, sau đó được tiến hành thí nghiệm theo các chỉ tiêu chủ yếu thể hiện ở Bảng 3.1. Bên cạnh nhữa cũ, cốt liệu sau khi tách hết nhựa cũng được tiến hành rây sàng để tìm được đường cong cấp phối (thể hiện trong Bảng 3.3). Chất kết dính mới thêm vào sử dụng là nhũ tương CSS-1h (thể hiện trong Bảng 3.2) đang được sử dụng thông dụng ở Việt Nam. Cốt liệu mới được lấy từ mỏ đá ở Tân Cang, Đồng Nai.

Bảng 3.1. Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa cũ

 Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cơ lý của nhũ tương CSS-1h

3.2. Thiết kế cấp phối

Trong bài báo này, phương pháp thiết kế theo TCVN 8820:2011 [3] hay phương pháp Marshall được sử dụng kết hợp MS-21 [2]. Cấp phối sử dụng trong nghiên cứu đáp ứng được BTN chặt 9,5mm theo quy trình TCVN 8819 - 2011 [4] cũng như cấp phối F theo MS-21. Cấp phối nghiên cứu sử dụng 30% BTN thu hồi thể hiện đậm nét trong Bảng 3.3.

Bảng 3.3. Các cấp phối sử dụng trong bài báo

Công thức (1) được sử dụng để tính toán gần đúng tổng lượng nhựa theo yêu cầu của MS-21 và các hệ số được thể hiện trong Bảng 3.4. Từ lượng nhựa theo yêu cầu là 8,6%, bốn hàm lượng nhựa khác được chọn gồm 7,6, 8,1, 9,1, 9,6% để tính toán vẽ ra được 5 biểu đồ trong Hình 3.1 thể hiện mối quan hệ 5 hàm lượng nhựa với độ ổn định Marshall, độ dẻo (hay chỉ số dẻo), khối lượng thể tích và độ rỗng dư. Thông qua Hình 3.1, hàm lượng nhựa tối ưu có thể lựa chọn là 8,6% tương ứng với tính toán theo công thức (1) của MS-21. Hàm lượng nhựa tối ưu 8,6% cho độ ổn định Marshall cũng như khối lượng thể tích tốt nhất.

Bảng 3.4. Tổng hàm lượng nhựa và các hệ số trong công thức (1)

 

Hình 3.1: Các biểu đồ mối quan hệ hàm lượng nhựa với khối lượng thể tích, độ rỗng cốt liệu, độ ổn định Marshall, độ rỗng còn dư và độ dẻo

 

4. KẾT LUẬN

Bên cạnh công nghệ tái chế nguội tại hiện trường và tái chế nóng tại nhà máy đã được ứng dụng ở Việt Nam, công nghệ tái chế nguội tài nhà máy cũng có thể coi là một giải pháp tốt để giảm bớt rác thải công trình hư hỏng BTN và giảm tải bớt việc khai thác đá hiện nay. Bài báo đã giới thiệu các vấn đề cơ bản của thiết kế BTN nguội tái chế tại trạm trộn thông qua đường cong cấp phối, cách tính hàm lượng nhựa (nhựa đặc hay nhũ tương nhựa) dựa theo hướng dẫn kỹ thuật MS-21. Bài báo đã thực hiện thiết kế cấp phối BTN thu hồi sử dụng khoảng 15 năm ở thực tế với hàm lượng 30% theo MS-21 kết hợp phương pháp Marshall để xác định được hàm lượng nhựa tối ưu. Hàm lượng nhựa tối ưu xác định được có giá trị gần chính xác công thức do MS-21 đưa ra.

Tài liệu tham khảo

[1]. Le, A.T and Nguyen (2014), M.T, The Bituminous Pavement Rehabilitation Using A Recycling Process From Deteriorated Pavement Initially Applied In The Mekong Delta Of Vietnam, The 2nd International Conference on GreenTechnology and Sustainable Development, Ho Chi Minh city.

[2]. MS.21 (1986)- Asphalt Cold-Mix Recycling Manual, The Asphalt Institute Manual Series, No. 21.

[3]. TCVN 8820:2011 (2011), Hỗn hợp BTN nóng - Thiết kế theo phương pháp Marshall, Viện Khoa học và Công nghệ.

[4]. TCVN 8819:2011 (2011), Mặt đường BTN nóng - Yêu cầu thi công và nghiệm thu, Viện Khoa học và Công nghệ.

[5]. TCVN 8860-1:2011 (2011), Bê tông nhựa - Phương pháp thử - Phần 1: Xác định độ ổn định, độ dẻo Marshall, Viện Khoa học và Công nghệ.