Thử nghiệm Tafpack Super trong thiết kế cấp phối bê tông nhựa rỗng

TS. Nguyễn Mạnh Tuấn KS. Trương Nguyễn Thành Vương Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: PGS. TS. Chu Công Minh TS. Lê Anh Thắng

TÓM TẮT: Thoát nước mặt cũng như đảm bảo độ nhám cao trên bề mặt đường, đặc biệt là đường dành cho xe chạy tốc độ cao đã và đang là chủ đề quan trọng của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Để tạo được hỗn hợp bê tông nhựa đạt độ nhám cao hay thoát nước bề mặt tốt, cấp phối hở được sử dụng kết hợp nhựa polymer. Trong các phụ gia sử dụng tạo nhựa polymer, phụ gia Tafpack Super (TPS) có nguồn gốc từ Công ty Taiyu Kensetsu là một phụ gia cải thiện tính chất của nhựa đường sử dụng chế tạo được bê tông nhựa rỗng thoát nước được sử dụng nhiều ở các nước châu Á. Bài báo xem xét tính chất của bê tông nhựa rỗng sử dụng 16% TPS với cấp phối hở có xu hướng tạo độ rỗng còn dư lớn. Bài báo còn giới thiệu một số nghiên cứu về bê tông nhựa nhám cao cũng như bê tông nhựa rỗng trong thời gian gần đây.

TỪ KHÓA: Bê tông nhựa nhám cao, bê tông nhựa rỗng, Tafpack Super, bê tông nhựa.

ABSTRACT: Drainage and high friction on pavement surface of roads, especially in highway, are the main topics for domestic and foreign researchers. In order to create asphalt concrete which have high friction and drainage, the open gradation and polymer modified asphalt are used. Among polymers, Tafpack Super (TPS) produced by Taiyu Kensetsu are used around Asia. This paper considers the main properties of porous asphalt pavement using 16% of TPS applied open gradation which have high air void. This paper also introduces several recently studies about open graded friction course and porous asphalt pavement. 

Keywords: Open graded friction course, porous asphalt, Tafpack Super, asphalt concrete.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong công nghệ vật liệu sử dụng cho áo đường ngày nay, bê tông nhựa rỗng đã được các nước tiên tiến trên thế giới sử dụng nhiều, như ở Mỹ thì khoảng trên 50% mặt đường sử dụng bê tông nhựa cấp phối hở [1]. Ở Việt Nam, loại vật liệu này đã được đưa vào sử dụng trên các tuyến cao tốc như: Cao tốc Sài Gòn - Trung Lương, cao tốc TP. Hồ Chí Minh - Long Thành - Dầu Giây... Bê tông nhựa rỗng thoát nước có đặc điểm độ rỗng lớn, vì vậy lớp vật liệu này có khả năng thoát nước tốt, chống đọng nước mặt đường, giúp tăng diện tích tiếp xúc khô giữa bánh xe với mặt đường, nhờ đó giảm sự trơn trượt khi trời mưa và đảm bảo tầm nhìn xe chạy do hạn chế được bụi nước khi phương tiện di chuyển. Bên cạnh đó, lớp mặt đường tạo nhám với độ rỗng lớn nên giảm được tiếng ồn xe chạy. Tuy nhiên, vì có độ rỗng dư lớn, cấu trúc bị giảm yếu nên bê tông nhựa rỗng đòi hỏi phải sử dụng chất kết dính có chất lượng rất tốt để cải thiện khả năng chịu lực như dùng nhựa đường polymer hay sử dụng phụ gia tăng tính chất của nhựa đường đặc thông thường [1, 2, 3, 4].

Có nhiều cấp phối đã được sử dụng gần đây để thiết kế bê tông nhựa nhám cao (Open Graded Friction Course) cũng như bê tông nhựa rỗng (Porous Asphalt Pavement). Có thể kể ra các nghiên cứu của TS. Nguyễn Phước Minh ở Trường Đại học GTVT [2], ThS. Nguyễn Tấn Bá của Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh [3], cùng nhiều cấp phối của Novachip được sử dụng ở đường cao tốc Long Thành - Dầu Giây. TS. Nguyễn Phước Minh sử dụng cấp phối được thể hiện ở Bảng 1.1 có cỡ hạt lớn nhất danh định D_max = 9,5mm với nhựa sử dụng trong nghiên cứu là nhựa polymer PMB1 của Petrolimex để thiết kế bê tông nhựa nhám cao có độ rỗng còn dư 16,4%, hệ số thấm 0,22 cm/s và độ ổn định Marshall theo kết quả thí nghiệm là 6,9kN [2]. ThS. Nguyễn Tấn Bá cấp chọn cấp phối hở với xu thế tạo độ rỗng dư lớn, cấp phối có cỡ hạt lớn nhất danh định D_max = 12,5mm thể hiện ở Bảng 1.1 được chọn dựa trên nghiên cứu của bang California - Mỹ; bê tông nhựa nhám cao này sử dụng nhựa polymer PMB-I đạt độ rỗng còn dư rất cao 22,64%, hệ số thấm 0,29cm/s và độ ổn định Marshall là 6,48kN [3].

Bảng 1.1. Cấp phối bê tông nhựa nhám cao và bê tông nhựa rỗng

Cỡ sàng	Cấp phối của	Cấp phối của
(mm)	TS. Nguyễn Phước Minh 2]	ThS. Nguyễn Tấn Bá [3]
19	100	100
12,5	100	92,5
9,5	94	65,0
4,75	27	20,0
2,36	10	7,5
0,075	5	3

Bê tông nhựa rỗng được Công ty Taiyu Kensetsu (Nhật Bản) thực hiện tại phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, cấp phối đề xuất cho nghiên cứu được chọn theo kinh nghiệm thiết kế ở Nhật Bản được thể hiện ở Bảng 1.2 [4]. Phụ gia Tafpack Super được sử dụng và áp dụng thí điểm một đoạn ở dự án cao tốc Cầu Giẽ - Ninh Bình. Nghiên cứu sử dụng nhựa đường thông thường có độ kim lún 60/70 và phụ gia Tafpack Super (TPS) với hàm lượng 12%, hỗn hợp bê tông nhựa rỗng theo nghiên cứu đạt độ rỗng còn dư 20,4%, hệ số thấm 0,383cm/s và độ ổn dịnh Marshall là 4,17kN [4].

Bảng 1.2. Cấp phối nghiên cứu theo Công ty Taiyu Kensetsu [4]

Cỡ sàng	Cấp phối theo Công ty Taiyu Kensetsu
19	100
13,2	92,6
9,5	47,1
4,75	17,3
2,36	14,5
0,6	14,2
0,3	8,9
0,15	5,9
0,075	5

Trên cơ sở tiếp tục nghiên cứu ứng dụng phụ gia TPS vào nhựa đường thông thường ở Việt Nam, bài báo đề xuất một cấp phối khác cấp phối đề xuất bởi Taiyu Kensetsu để thiết kế cấp phối hay xác định hàm lượng nhựa tôi ưu của bê tông nhựa rỗng thoát nước sử dụng 16% hàm lượng TPS (theo khối lượng nhựa đường).

2. THIẾT KẾ CẤP PHỐI BÊ TÔNG NHỰA RỖNG

Cấp phối đề xuất của nghiên cứu được chọn dựa trên nghiên cứu của Đại học Clemson (Mỹ) [1], thể hiện trong Bảng 2.1 và Hình 2.1. Dựa trên hình vẽ so sánh đường cong cấp phối có thể thấy đường cong cấp phối đề xuất cho nghiên cứu này có xu hướng tạo độ rỗng dư lớn nhất vì lượng hạt mịn có xu thế nằm ngang và thấp nhất trong số các cấp phối đem so sánh, đồng thời trong vùng cốt liệu lớn đường cong lại có xu thế dốc nhất. Cốt liệu được lấy từ mỏ đá ở Hóa An, Đồng Nai có các tính chất như trong Bảng 2.2.

Bảng 2.1. Cấp phối nghiên cứu của tác giả

Cỡ sàng	Cấp phối nghiên cứu
19	100
12,5	91
9,5	47,5
4,75	15
2,36	7
0,075	3

Hình 2.1: So sánh các đường cong cấp phối

Bảng 2.2. Các chỉ tiêu cơ lý của cốt liệu sử dụng trong nghiên cứu

Các chỉ tiêu thí nghiệm	Đơn vị	Kết quả thí nghiệm
Tỷ trọng khối cốt liệu lớn	g/cm3	2,695
Tỷ trọng khối cốt liệu nhỏ	g/cm3	2,809
Giới hạn độ bền chịu nén của đá gốc	MPa	> 120
Độ hao mòn khi va đập trong máy Los Angeles	%	< 28
Hàm lượng hạt thoi dẹt	%	< 10
Hàm lượng bụi, bùn, sét (tính theo khối lượng cốt liệu)	%	< 2

Trong nghiên cứu, nhựa đường 60/70 sử dụng được cung cấp bởi Công ty Petrolimex và TPS thể hiện ở Hình 2.2 được cung cấp bởi Công ty Taiyu Kensetsu. TPS là phụ gia cải thiện có thành phần chính là SBS và một số thành phần khác để cải thiện tính chất của nhựa đường và các chỉ tiêu chủ yếu của nhựa đường trộn TPS được thể hiện ở Bảng 2.3. Hàm lượng TPS sử dụng là 16% vì hàm lượng thường được dùng ở nhiều nước châu Á trong khu vực dao động khoảng 12 đến 16% khối lượng nhựa đường.

Bảng 2.3. Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa TPS

Các chỉ tiêu thí nghiệm	Đơn vị	Kết quả thí nghiệm
Độ kim lún ở 25oC	0,1mm	42
Độ kéo dài ở 15oC	cm	86
Nhiệt độ hóa mềm	oC	83,5
Khối lượng riêng	g/cm3	1,03
Độ nhớt động lực học, tại 60oC	Pa.s	422

Hình 2.2: TPS và các mẫu bê tông nhựa rỗng được chế bị theo phương pháp Marshall

Hỗn hợp bê tông nhựa rỗng có phụ gia TPS được thiết kế theo phương pháp Marshall hay theo Tiêu chuẩn TCVN 8820-2011 [5]. Mẫu được chế bị theo phương pháp Marshall, mẫu có đường kính 101,6mm và chiều cao 63,5mm. Mỗi tổ mẫu gồm 15 mẫu với 5 hàm lượng nhựa là 4%, 4,5%, 5%, 5,5% và 6% được chế bị (Hình 2.2). Hỗn hợp bê tông nhựa được trộn theo trình tự như bê tông nhựa thông thường, chỉ khác là TPS được để ở nhiệt độ phòng và bỏ trực tiếp vào và trộn đều với hỗn hợp cốt liệu cùng nhựa đường trước khi đầm nén tạo mẫu. Thí nghiệm độ ổn định Marshall được thực hiện theo Tiêu chuẩn TCVN8820-2011, các mẫu được nén trên bàn nén Marshall sau khi đã ngâm trong nước ở 60^oC trong khoảng 40 phút. Dựa trên kết quả thí nghiệm ta vẽ được các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và các chỉ tiêu cơ lý của mẫu bê tông nhựa rỗng được thể hiện trong Hình 2.3, hàm lượng nhựa tối ưu được xác định là 5,3%. Tương ứng với hàm lượng tối ưu, độ ổn định Marshall là 3,7kN và độ rỗng còn dư là 21,6%.

Hình 2.3: Biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng nhựa và các đặc trưng cơ lý

Ngoài ra, mẫu bê tông nhựa rỗng được chế bị và đem đi thử nghiệm hệ số thấm và cho kết quả là 1,198cm/s (thí nghiệm được thực hiện theo Quyết định 431/QĐ-BGTVT [6]). Do đó, nếu đem so sánh với 3 loại vật liệu theo [2, 3, 4] trên thì bê tông nhựa rỗng trong nghiên cứu này cho độ ổn định Marshall thấp, chỉ gần giá trị của Công ty Taiyu nhưng lại có kết quả độ rỗng cao nên hệ số thấm cho giá trị tốt nhất.

3. KẾT LUẬN

Nghiên cứu đã sử dụng TPS làm phụ gia cùng với cốt liệu và nhựa đường 60/70 được sử dụng phổ biến ở miền Nam Việt Nam. Qua các thí nghiệm nghiên cứu xác định được hàm lượng nhựa tối ưu ứng với các hàm lượng TPS 16% là 5,3%. Độ ổn định Marshall tốt nhất ứng với hàm lượng TPS là 16% đạt 3,7kN và độ rỗng còn dư là 21,6%. Kết quả nghiên cứu này khi đem so với các nghiên cứu khác như của Trường Đại học GTVT và ở Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh cũng như của Công ty Taiyu thì về khả năng chịu lực là kém, tuy nhiên độ rỗng dư đạt được là rất cao, phù hợp để tạo hỗn hợp bê tông nhựa rỗng thoát nước tốt. Nghiên cứu cần thực hiện thêm nhiều thí nghiệm khác để có được đánh giá chính xác hơn về khả năng làm việc của bê tông nhựa rỗng với hàm lượng TPS thay đổi, cũng như hiệu quả sử dụng đối với cấp phối đề xuất của nghiên cứu.

Tài liệu tham khảo

[1]. B.J. Putman (2012), Evaluation of open-graded friction courses: construction, maintenance and performance, Report No. FHWA-SC-12-04, Clemson University.

[2]. Nguyễn Phước Minh (2013), Nghiên cứu xác định thành phần vật liệu hợp lý lớp bê tông nhựa tạo nhám mặt đường cấp cao ở Việt Nam, Luận án Tiến sĩ.

[3]. Nguyễn Tấn Bá (2015), Nghiên cứu cấp phối cho lớp phủ mỏng bê tông nhựa phù hợp điều kiện phía Nam, Luận văn Thạc sĩ.

[4]. H. Nakanishi (2013), Mix Design of Porous Asphalt Mixture for Cau Gie - Ninh Binh Expressway in Vietnam, Taiyu Kensetsu.

[5]. TCVN 8820-2011: Hỗn hợp bê tông nhựa nóng - Thiết kế theo phương pháp Marshall, Bộ Khoa học và Công nghệ, 2011.

[6]. Bộ GTVT (2016), Quyết định 431/QĐ-BGTVT: Ban hành chỉ dẫn tạm thời về thiết kế, thi công và nghiệm thu mặt đường bê tông nhựa rỗng thoát nước có sử dụng phụ gia TAFPACK-Super.