Đánh giá khả năng dính bám của nhựa đường và cốt liệu bằng thí nghiệm va đập Vialit

ª TS. Nguyễn Mạnh Tuấn ª KS. Nguyễn Đình Hào Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Lê Bá Khánh TS. Lê Anh Thắng

Tóm tắt: Hư hỏng mặt đường nhựa hiện nay là một trong những vấn đề cấp thiết ở Việt Nam. Có nhiều nguyên nhân gây ra hư hỏng nhiều loại mặt đường, trong đó hư hỏng do sự bám dính giữa cốt liệu và nhựa đường là một trong những nguyên nhân chủ yếu. Ở Việt Nam, TCVN 7504:2005 được sử dụng để đánh giá sự dính bám của nhựa đường và cốt liệu. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ chủ yếu đánh giá chất lượng bằng trực quan. Trong khi đó, trên thế giới có nhiều phương pháp xác định tính dính bám nhựa đường và cốt liệu, có thể tạm chia thành phương pháp kiểm tra chất lượng và phương pháp định lượng. Bài báo tập trung giới thiệu phương pháp định lượng, xác định tính dính bám cơ học của nhựa đường và cốt liệu bằng thí nghiệm va đập Vialit. Bài báo còn so sánh hiệu quả thí nghiệm bằng Vialit và thí nghiệm theo TCVN 7504:2005.

Từ khóa: Bê tông nhựa, láng nhựa, hư hỏng mặt đường, dính bám, va đập Vialit.

Abstract: Distresses in pavement surface used asphalt binder are main problems to researchers and engineers in Vietnam. Among many distress causes, the adhesivity between asphalt binder and aggregate is the main cause. In Vietnam, specification TCVN 7504:2005 is used for checking adhesivity but this method is not good because the vision is used to check the quality. Around the world, there are many checking methods that can be divided into two types of methods such as quality checking and quantity checking. This paper shows the quantity method which is Vialit plate shock test method for evaluation of binder aggregate adhesivity. This paper also shows experiment results in comparison between Vialit method and TCVN 7504:2005.

Keywords: Asphalt concrete, chip seal, pavement distress, adhesion, Vialit test.

1. Đặt vấn đề

Láng nhựa là một loại kết cấu áo đường được kết hợp bởi một/nhiều lớp kết dính nhựa đường và một/nhiều lớp cốt liệu [1] đã và đang được sử dụng nhiều ở các tỉnh phía Nam và trong một số khu hạ tầng kỹ thuật ở phía Nam do chi phí ban đầu thấp cũng như thi công nhanh chóng và dễ dàng. Nó có tác dụng cải thiện khả năng chống thấm của mặt đường hiện có, làm chậm thời gian lão hóa của chất kết dính, kéo dài tuổi thọ mặt đường, cung cấp một bề mặt đường trơn có độ bám cao và bảo vệ bề mặt áo đường từ tác dụng mài mòn gây ra bởi giao thông và khí hậu [2]. Các hư hỏng chủ yếu trong mặt đường láng nhựa là sự bong tróc cốt liệu, sự chảy nhựa và sự đùn nhựa. Nguyên nhân chủ yếu các hư hỏng trên chủ yếu là chưa đánh giá chính xác độ dính bám của đá dăm và nhựa đường. Hiện nay, chỉ có Tiêu chuẩn TCVN 7504:2005 [3] dùng để đánh giá khả năng bám dính của cốt liệu và nhựa đường và phương pháp này là phương pháp trực quan, không phải là phương pháp định tính, định lượng cụ thể.

Trên thế giới có nhiều phương pháp đã được phát triển và áp dụng để dự đoán tính nhạy cảm của độ ẩm trong hỗn hợp bê tông nhựa hay các loại mặt đường sử dụng nhựa đường. Những phương pháp này có thể được phân loại thành hai loại gồm kiểm tra chất lượng bằng quan sát và định lượng [4].

Phương pháp kiểm tra chất lượng bằng quan sát gồm có ASTM D3625 - 96 (2005) [5] và EN 12697-11:2005 [6]. ASTM D3625 - 96 (2005) sử dụng 250g cốt liệu được bao phủ bởi nhựa đường vào nước đang sôi, tiếp tục đun nước sôi khoảng 10 phút, lấy cốt liệu ra để ở nhiệt độ phòng, đặt cốt liệu vào giấy thấm, hút hết nước, tiến hành đánh giá độ dính bám của cốt liệu và nhựa đường bằng phương pháp quan sát trực quan. EN 12697-11:2005 [6] sử dụng cốt liệu có kích thước cụ thể và được bọc bằng nhựa đường nóng, sau khi làm lạnh, mẫu được ngâm trong nước một thời gian xác định và một nhiệt độ nước cụ thể, nên khi cường độ bám dính là không tốt, nước xâm nhập vào giữa các lớp nhựa đường mỏng và bề mặt cốt liệu dẫn đến một sự suy yếu hoặc thậm chí loại bỏ một phần của lớp nhựa bề mặt cốt liệu, điều này có thể được đánh giá bằng cách quan sát mức độ phủ cho từng loại cốt liệu với từng loại nhựa khác nhau và có thể được gọi là độ dính bám bề mặt.

Phương pháp kiểm tra chất lượng bằng định lượng gồm có AASHTO T283 [7], EN 12272-3 [8], ASTM D700 [9]. AASHTO T283 [7] bao gồm việc chuẩn bị mẫu và kiểm tra sự thay đổi kết quả độ bền kéo xuyên tâm từ những ảnh hưởng của sự bão hòa và tăng hàm lượng nước của hỗn hợp bê tông nhựa đầm chặt trong phòng thí nghiệm, kết quả có thể được sử dụng để dự đoán sự mất kết dính của hỗn hợp bê tông nhựa và để đánh giá tác dụng của phụ gia chống bong tróc được thêm vào hỗn hợp như xi măng hoặc vôi. EN 12272-3 [8] là phương pháp lực bám dính cơ học của các chất kết dính với bề mặt của cốt liệu. ASTM D700 [9] là thí nghiệm quét phù hợp để xác định giai đoạn hình thành màng phủ của nhựa đường bằng cách dùng một bàn chải nylon để tạo một lực tác dụng lên bề mặt cốt liệu đã ghim vào một đĩa nhựa đường ở một nhiệt độ và khoảng thời gian quy định trước khi tiến hành thí nghiệm. Sau một phút quét, thí nghiệm dừng lại, bất kỳ cốt liệu không liên kết chặt với đĩa bị lấy ra khỏi đĩa và sự mất mát khối lượng là kết quả tính toán.

Từ yêu cầu thực tế nêu trên và kế thừa các kết quả nghiên cứu của các tác giả trên thế giới đã trình bày, bài báo tập trung giới thiệu khả năng bám dính của cốt liệu và chất kết dính bằng thí nghiệm va đập Vialit thuộc nhóm xác định chất lượng dính bám theo định lượng. Bài báo đưa ra kết quả thử nghiệm độ dính cốt liệu và nhựa đường 60/70 bằng thiết bị Vialit, cũng như bằng thí nghiệm dựa trên TCVN 7504:2005.

2. Xác định độ dính bám bằng thí nghiệm va đập Vialit

Thí nghiệm va đập Vialit (có tên tiếng Anh là Vialit Plate Shock Test) [8] là phương pháp dùng để xác định được các chỉ tiêu sau: Lực bám dính cơ học của các chất kết dính với bề mặt của cốt liệu; lực bám dính chủ động của chất kết dính đến đá dăm mặt đường; nhiệt độ dính kết của chất kết dính và cốt liệu, sự biến đổi của độ dính bám dưới nhiệt độ gây vật liệu gãy (tạm gọi là nhiệt độ gãy). Thí nghiệm này còn thích hợp cho tất cả các chất kết dính có gốc axit và các loại cốt liệu sử dụng làm láng bề mặt.

Các bộ phận cần có để thực hiện thí nghiệm thể hiện trong Hình 2.1 gồm: Tấm thép có kích thước 200 x 200mm, bàn thí nghiệm, bi thép có khối lượng 500g, con lăn bằng cao su có khối lượng 25kg, dụng cụ quét nhựa, cân, tủ sấy.          

a) - Tấm thép; b) - Con lăn; c) - Bàn thí nghiệm; d) - Bi thép đặt trên tấm thép

Hình 2.1: Các bộ phận chủ yếu trong thí nghiệm Vialit

Các bước chuẩn bị và tiến hành thí nghiệm:

Chất kết dính: Nung nóng nhựa 60/70 đến nhiệt độ thi công với số lượng cho mỗi mẫu như sau: 1,0kg/m² nếu sử dụng đá có kích cỡ 5/8mm hoặc 8/11mm; 1.3kg/m² nếu sử dụng cho đá có kích thước 11/16mm.

Đá: Sử dụng đá cho mỗi mẫu với số lượng hạt như sau: 100 nếu cỡ đá là 5/8mm hoặc 8/11mm; 50 nếu cỡ đá là 11/16mm. Chú ý khi chọn đá dăm cho mẫu cần loại bỏ những hạt có cỡ hạt quá khổ hoặc bề mặt hạt bị bong tróc.

Chuẩn bị tấm thép:Làm sạch và làm khô các tấm trước mỗi thử nghiệm. Cân một lượng chất kết dính theo yêu cầu (đã được nung đến nhiệt độ thi công) và đặt nó lên tấm thí nghiệm bằng dụng cụ thích hợp. Để có một lớp màng chất kết dính đồng đều, các tấm có thể được nung nóng đến nhiệt độ tối đa 50ºC trong thời gian 5 phút. Đặt các tấm với chất kết dính vào tủ bảo dưỡng ở nhiệt độ 5±1ºC trong thời gian 20±2 phút.

Rải đá và đầm mặt:Lấy các mảnh đá dăm từ tủ bảo dưỡng và rải đều chúng lên lớp màng chất kết dính. Thực hiện thao tác lăn con lăn cao su 3 lượt trên một phương và 3 lượt theo phương vuông góc.

Bảo dưỡng mẫu:Đặt tấm với chất kết dính và đá dăm vừa thao tác ở trên vào tủ bảo dưỡng ở 25±1ºC trong 3 giờ.

Thực hiện thí nghiệm: Đặt mẫu vừa bảo dưỡng trên vào ba thanh chống đứng, chú ý đảm bảo 3 thanh chống đứng phải cân bằng. Mỗi thí nghiệm sẽ được thực hiện trong vòng 1 phút trong cùng điều kiện, liên tục, với ba tấm khác nhau để có được ba giá trị đo. Dụng cụ phải được đặt ở chế độ làm việc liên tục. Tiến hành rơi tự do viên bi có trọng lượng 500g ba lần. Sau ba lần rơi, kiểm tra tấm mẫu và đếm các mảnh đá dăm như sau:

Số lượng đá dăm văng ra khỏi tấm và không nhuộm nhựa đường: a;

Số lượng đá dăm văng ra khỏi tấm nhuộm nhựa đường: b;

Số lượng đá dăm còn dính trên tấm: c;

Tổng số lượng: a + b + c = 100 hoặc a + b+ c = 50 theo cỡ hạt đá dăm;

Trong đó a, b và c là các giá trị trung bình của ba phép đo cho mỗi số.

Giá trị độ dính bám được thể hiện như sau: b + c nếu 100 mảnh đá dăm được sử dụng; 2×(b + c), nếu 50 mảnh đá dăm được sử dụng.

a) - Phủ nhựa; b) - Đặt mẫu vào tủ bảo dưỡng; c) - Rải đá; d) - Đầm mặt; e) - Thả viên bi rơi ba lần

Hình 2.2: Các bước tiến hành thí nghiệm Vialit

3. Thí nghiệm đánh giá độ dính bám theo TCVN 7504:2005 và Vialit

Để đánh giá độ dính bám cốt liệu và nhựa đường theo TCVN 7504:2005 và Vialit, nhựa đường 60/70 và cốt liệu được sử dụng có các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu thể hiện tuần tự trong Bảng 3.1 và Bảng 3.2.

Bảng 3.1. Các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của nhựa đường 60/70

Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cơ lý chủ yếu của cốt liệu

3.1. Theo TCVN 7504:2005

Buộc chỉ vào 10 viên đá cỡ 30÷40mm, sau đó đưa vào tủ sấy ở nhiệt độ 105÷110^oC đến khối lượng không đổi. Đun nhựa đường 60/70 đến nhiệt độ làm việc rồi nhúng 10 viên đá vào trong nhựa trong vòng 15 phút. Lấy ra ngoài để đá đã nhúng nhựa ở nhiệt độ phòng 15 phút và sau đó nhúng vào nước sôi khoảng 10 phút. Lấy khỏi nước, đánh giá kết quả bằng cách quan sát trực quan.

Kết quả quan sát bằng mắt cho thấy, 10 viên đá đều được bao phủ bởi màng phủ nhựa, điều đó chứng tỏ rằng độ bám dính của nhựa đường và cốt liệu là rất tốt theo cách thí nghiệm của TCVN 7504:2005. Độ dính bám này có thể xem đạt ở mức độ tốt nhất là cấp 5.

Hình 3.1: Mẫu đá trước và sau thí nghiệm

 

3.2. Theo thí nghiệm va đập Vialit

Nhựa đường 60/70 và cốt liệu được tiến hành thí nghiệm theo các bước đã trình bày ở trên và kết quả được thể hiện trong Bảng 3.3. Mẫu sau khi thí nghiệm được chụp và thể hiện trong Hình 3.2. Thông qua kết quả thí nghiệm, độ dính bám của cốt liệu và nhựa đường không thực sự tốt được gần 100% như cách thực hiện thí nghiệm theo TCVN 7504:2005. Độ dính bám tùy thuộc vào kích cỡ đá 5/8mm, 8/11mm và 11/16mm là 83%, 84%, và 86%. Do đó, độ dính bám trung bình là 84,3%.

Bảng 3.3. Kết quả dính bám bằng phương pháp Vialit Shock Test

 

Hình 3.2: Mẫu sau khi tiến hành thí nghiệm Vialit

4. Kết luận

Bài báo sơ bộ giới thiệu nhiều phương pháp đánh giá dính bám trên thế giới hiện nay chủ yếu thông qua hai loại là kiểm tra chất lượng bằng quan sát và bằng định lượng. Phương pháp bằng định lượng được giới thiệu trong bài báo là phương pháp va đập Vialit với nhiều ưu điểm là đơn giản, nhanh, dễ thực hiện nên phương pháp Vialit là một phương pháp khá tối ưu có thể áp dụng bên cạnh TCVN 7504:2005 hiện nay.

Từ các thí nghiệm ban đầu thông qua TCVN 7504:2005 và thí nghiệm va đập Vialit, có sự khác nhau về kết quả của độ dính bám của nhựa đường và cốt liệu rõ ràng. Theo TCVN 7504:2005 thì độ dím bám nhựa đường và cốt liệu rất tốt, có thể xem ở mức độ cấp 5 hay xem như độ dính bám đạt 100%, tuy nhiên thông qua thí nghiệm Vialit thì độ dính bám đạt ở giá trị tốt là 84,3%.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bekir Aktas, Mustafa Karasahin, Mehmet Saltan, Cahit Grer and Volkan Emre U (03/2013), Effect of aggregate surface properties on chip seal retention performance, Construction and Building Materials, 44.

[2]. Bekir Aktas, Mustafa Karasahin and Mesut Tigdemir (12/2012),Developing a macrotexture prediction model for chip seal, Contruction and Buiding Materials, 41.

[3]. TCVN 7054:2005: Bitum - “Phương pháp xác định độ dính bm với đá”, 2005.

[4]. Daučík Pavol, Hadvinová Marcela and Višňovský Jozef (6/2011), Methods for determination of affinity between aggregate and bitumen, International Petroleum Conference, 45.

[5]. ASTM D3625-96 (2005), Standard Practice for Effect of Water on Bituminous-Coated Aggregate Using Boiling Water.

[6]. EN 12697-11 (2005), Bituminous mixtures - Test methods for hot mix asphalt - Part 11: Determination of the affinity between aggregate and bitumen.

[7]. AASHTO T 283 (2007),Standard Method of Test for Resistance of Compacted Hot Mix Asphalt (HMA) to Moisture-Induced Damage.

[8]. EN 12272-3 (2003), Determination of binder aggregate adhesivity by the Vialit plate shock test method.

[9]. ASTM D700-11 (2011), Standard test method for Sweep test of bituminous emulsion surface treatment sample.