Ứng dụng nhựa phế thải (PET) trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng ở TP. Hồ Chí Minh

TS. Nguyễn Mạnh Tuấn KS. Nguyễn Viết Huy Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Chu Công Minh TS. Lê Anh Thắng

Tóm tắt: Hiện nay, ở Việt Nam có nhiều nghiên cứu về bê tông nhựa sử dụng phụ gia polime để cải thiện tính chất hỗn hợp bê tông nhựa, nhưng những nghiên cứu ứng dụng nhựa phế thải, đặc biệt là Polyethylene terephthalate (PET) chưa được quan tâm nhiều. Trong khi đó, việc sử dụng nhựa PET trong hỗn hợp bê tông nhựa trên thế giới đã được chứng minh làm cải tiến tính chất hỗn hợp, nâng cao chất lượng làm việc của mặt đường bê tông nhựa. Nghiên cứu này sử dụng nhựa PET từ chai nhựa được cắt, nghiền mịn ở kích thước 1,5mm phối trộn với bê tông nhựa chặt 12,5mm. Kết quả thu được từ việc thiết kế cấp phối với các hàm lượng PET khác nhau 0,2, 0,4, 0,6 và 0,8% cho thấy, hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng phụ gia PET không những góp phần bảo vệ môi trường mà còn làm cải thiện đặc tính cơ học so với hỗn hợp bê tông nhựa thông thường không có PET.

Từ khóa: Polyethylene terephthalate, PET, bê tông nhựa, độ ổn định Marshall, môi trường.

Abstract: In Vietnam, there are many studies of asphalt concrete using polymer modifiers to improve properties of the mixture nowadays; nevertheless, studies of utilizing plastic waste, especially Polyethylene Terephthalate (PET), still have not been reasonablyconsidered. Meanwhile, using PET is demonstrated to enhancefeatures of the asphalt concrete as well as pavement performancesaround the world. The used PET in this study from discarded drinking bottle is cut and crushedinto particles withthe maximum size of 1,5mm. The results from laboratory investigation show that asphalt mixture reinforced by PET not only decrease environmental pollution but also enhance the physical and mechanical properties of asphalt mixuture in comparison with normal asphalt concrete mixture.

Keywords: Polyethylene terephthalate, PET, asphalt, Marshall stability, nvironment.

1. Giới thiệu chung

Ở nước ta, trước năm 2008 hầu như chưa có công trình nghiên cứu cụ thể nào về hằn lún vệt bánh xe (HLVBX) do HLVBX hầu như không đáng kể. Hiện nay, mặc dù HLVBX xuất hiện nhiều nhưng việc nghiên cứu về vấn đề này mới chỉ là bước đầu. Vì vậy, việc nghiên cứu sâu về bản chất, nguyên nhân dựa trên những những kết quả nghiên cứu HLVBX của thế giới cũng như những kết quả nghiên cứu, khảo sát trên các công trình đường trong nước có HLVBX để đưa ra các giải pháp khắc phục phù hợp [1]. Gần đây, một nghiên cứu sử dụng Styrene-Butadiene-Styrene (SBS) trong hỗn hợp bê tông nhựa được chứng minh là cải tiến các đặc tính kỹ thuật, giảm được hiện tượng lún trồi hiện nay hơn mẫu bê tông nhựa thông thường [2]. Công ty Cổ phần và Đầu tư xây dựng BMT cũng bước đầu ngiên cứu sử dụng ATR trong hỗn hợp bê tông nhựa và bước đầu cũng đã cho một số kết quả khả quan trong việc chống lại hiện tượng lún trồi mặt đường [3].

Trên thế giới, để cải tiến nhựa đường, các nhà nghiên cứu sử dụng rất nhiều loại phụ gia polime để giải quyết bài toán chống hằn lún vệt bánh xe như: SBS (Styrene-Butadiene-Styrene), SBR(Styrene-Butadiene-Rubber), epoxy, EVA(Ethylen-Vinyl-Acetate), EPDM (Ethylene-Propylene-Diene-Monomer)...[4,5,6]. Mỗi loại phụ gia đều có những ưu, khuyết điểm riêng khi xem xét bài toán tổng thể về tính năng kỹ thuật, hiệu quả kinh tế, hiệu quả môi trường, thực trạng xã hội. Việc tận dụng nhựa phế thải dạng chai lọ đã qua sử dụng không chỉ góp phần cải thiện môi trường mà còn mang lại những cải thiện chỉ số độ ổn định so với mẫu không sử dụng phụ gia. Ngoài ra, các chỉ số độ dẻo tăng, độ cứng giảm khi thêm một lượng nhiều phụ gia vào trong hỗn hợp [5]. Chi phí xây dựng khi thực hiện còn khá cao [7], vì thế cần đặt ra yêu cầu tìm một vật liệu thay thế cũng mang bản chất từ polime nhưng có thể cải thiện khả năng làm việc là một việc hết sức cần thiết.

Trên cơ sở mong muốn vừa sử dụng chai nhựa phế thải, vừa nâng cao tính chất của bê tông nhựa, đề tài nghiên cứu về sử dụng Polyethylene terephthalate (PET) trong bê tông nhựa. PET là một dạng nhựa nhiệt dẻo, thuộc loại họ nhựa với polyester được dùng trong công nghiệp tổng hợp xơ sợi, vật đựng đồ uống, thức ăn và các loại chất lỏng [7,8].

Trong một nghiên cứu năm 2010, Kalantar [9] sử dụng phụ gia PET trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng đã kết luận rằng, hỗn hợp bê tông nhựa thu được mang lại hiệu quả chống lại biến dạng đàn hồi và hiện tượng lún vệt hằn bánh xe bởi điểm hóa mềm cao của sợi PET được so sánh với nhựa đường thông thường. Năm 2012, trong một nghiên cứu của Moghaddam sử dụng sợi PET trong hỗn hợp bê tông nhựa nóng SMA với kích thước cạnh lớn nhất 2,36mm, hàm lượng sợi tối ưu 0,4% (so với tổng khối lượng hỗn hợp bê tông nhựa) cho kết quả độ ổn định cao nhất [5].

Hướng đi đầu tiên của đề tài là tìm ra được những biến đổi về độ ổn định Marshall, chỉ số dẻo Marshall, dung trọng, độ rỗng dư, độ rỗng cốt liệu khoáng vật [10,11,12] của hỗn hợp bê tông nhựa qua sự so sánh giữa hỗn hợp sử dụng phụ gia PET với hỗn hợp không sử dụng phụ gia PET, từ đó tìm được tổ hợp hàm lượng nhựa, hàm lượng sợi tối ưu theo chỉ dẫn bởi tiêu chuẩn TCVN 8820:2011 [13].

2. Vật liệu và thí nghiệm

2.1. vật liệu

Trong nghiên cứu sử dụng hỗn hợp bê tông nhựa nóng cấp phối chặt, cỡ hạt lớn nhất danh định 12,5mm với thành phần cấp phối có đường cong cỡ hạt như thể hiện trong Hình 2.1. Lựa chọn cấp phối đá, bột khoáng, nhựa đường theo tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 8819:2011 [14].

Hình 2.1: Biểu đồ cấp phối của hỗn hợp bê tông nhựa chặt 12,5

Cấp phối đá được lấy từ mỏ đá Tân Cang 7, thị trấn Long Thành, tỉnh Đồng Nai. Cốt liệu đá lớn được rửa sạch, sấy khô, sau đó đem cân xác định dung trọng của cốt liệu đá lớn theo AASHTO T85-2000, dung trọng đá nhỏ được xác định theo AASHTO T84-2000. Nhựa đường sử dụng trong nghiên cứu là nhựa 60/70 xuất xứ từ Singapore, được cung cấp bởi Tổng công ty Petrolimex, các thông số kỹ thuật của nhựa được thể hiện như Bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa đường 60/70

Vật liệu PET sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ chai nhựa đựng nước uống đã qua sử dụng, sau khi rửa sạch, lau khô chai nhựa được nghiền mịn ở kích thước 1,5x1,5mm, hình ảnh về nguồn gốc vật liệu và hình dạng vật liệu PET sau khi nghiền được thể hiện như trong Hình 2.2.

Hình 2.2: Phế thải chai nhựa PET (a);                        sản phẩm sau khi nghiền (b)

 

2.2. Thiết kế cấp phối theo TCVN 8820-2011 (Phương pháp Marshall)

Để tìm ra hàm lượng nhựa, hàm lượng PET tối ưu sử dụng trong nghiên cứu tiến hành đúc tổ hợp mẫu với hàm lượng nhựa 4%, 4,25%, 4,5%, 4,75%, 5%, hàm lượng PET 0,2%, 0,4%, 0,6%, 0,8% (tỷ lệ theo phần trăm khối lượng cấp phối đá) và tổ hợp mẫu không trộn PET với hàm lượng nhựa 5%, 5,25%, 5,5%, 5,75%, 6%. Tổng số lượng 75 mẫu được đúc, đầm ở 150ºC với 75 búa đầm mỗi mặt mẫu sau đó đem cân xác định dung trọng và thí nghiệm xác định các thông số độ ổn định còn lại Marshall, quy trình thí nghiệm theo Tiêu chuẩn TCVN 8860-1:2011 [10].

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Độ ổn định Marshall

Độ ổn định Marshall là giá trị lực nén lớn nhất đạt được khi thử nghiệm mẫu hình trụ đường kính 101,6mm, cao 63,5mm trên máy nén Marshall. Mẫu thử trước khi nén được ngâm trong bể ổn định nhiệt ở 60ºC trong vòng 40 phút. Kết quả thu được từ thí nghiệm được thể hiện như Hình 3.1 dưới đây:

a) - Theo hàm lượng nhựa;

 

b) - Theo hàm lượng PET Hình 3.1: Kết quả độ ổn định Marshall

 

Kết quả phân tích độ ổn định Marshall cho thấy, khi hàm lượng PET tăng độ ổn định Marshall tăng, độ ổn định đạt giá trị lớn nhất tương ứng với hàm lượng PET 0,54%. Độ ổn định giảm khi hàm lượng PET tăng hơn 0,54%. Kết quả độ ổn định lớn nhất khi hàm lượng PET 0,54% là 13,358kN tại hàm lượng nhựa 5%. So sánh với giá trị độ ổn định Marshall của hỗn hợp bê tông nhựa khi không sử dụng PET thì độ ổn định khi không sử dụng PET đạt lớn nhất là 11,688kN tại hàm lượng nhựa 5,58%.

3.2. Dung trọng mẫu

Dung trọng mẫu là khối lượng thể tích nước mà mẫu chiếm chỗ thông qua chênh lệch khối lượng giữa mẫu cân trong nước và cân trong không khí. Kết quả phân tích từ thí nghiệm được thể hiện ở Hình 3.2 cho thấy, dung trọng của mẫu bê tông nhựa tăng khi hàm lượng nhựa tăng, dung trọng đạt giá trị lớn nhất khi hàm lượng PET 0,2%, hàm lượng nhựa 4,96%, khi tăng hàm lượng nhựa hơn 4,96% thì dung trọng mẫu có xu hướng  giảm. Dung trọng lớn nhất với hàm lượng nhựa 4,96%, PET 0,2% là 2,485g/cm³.

Hình 3.2: Kết quả dung trọng mẫu theo hàm lượng nhựa

 

4. Kết luận

Nghiên cứu ứng dụng nhựa phế thải trong hỗn hợp bê tông nhựa không những tìm ra những biến đổi đặc tính cơ học của hỗn hợp bê tông nhựa mà còn góp phần giảm ô nhiễm đối với môi trường, tạo ra vật liệu áo đường mới với chi phí rẻ, thích hợp với điều kiện phát triển hiện nay khi nguồn nguyên liệu ngày càng cạn kiệt. Một vài đặc tính của hỗn hợp được cải tiến khi so sánh nó với những mẫu bê tông nhựa không trộn PET. Nghiên cứu chỉ ra rằng, hàm lượng PET 0,54% và hàm lượng nhựa 5% tạo ra hỗn hợp có độ ổn định cao nhất. Dung trọng mẫu giảm khi tăng hàm lượng PET, sau đó lại tăng khi tiếp tục tăng hàm lượng PET hơn nữa.

Những nghiên cứu sắp tới sẽ xem xét các chỉ tiêu làm việc thực tế của bê tông nhựa có PET như: Mô-đun đàn hồi, độ mài mòn Cantabro…

Tài liệu tham khảo

[1]. Bùi Ngọc Hưng (2013), Thực trạng hằn lún vệt bánh xe mặt đường bê tông nhựa và giải pháp khắc phục, Tạp chí Cầu đường Việt Nam.

[2]. Nguyễn Mạnh Tuấn, Trần Phong Thái, Trần Ngọc Huấn (2014), Ảnh hưởng Styrene - Butadiene-Styrene đến các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa đường 60/70, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải.

[3]. Võ Đại Tú, Bê tông nhựa cải tiến cao su - giải pháp đa năng, http://www.baomoi.com/ (truy cập ngày 15/09/2014).

[4]. Taher Baghaee Moghaddam, Mohamed Rehan Karim, and Mahrez Abdelaziz (2011), A  review  on fatigue  and  rutting  performance  of  asphalt  mixes, Scientific  Research and Essays.

[5]. Taher Baghaee Moghaddam and Mohamed Rehan Karim (2012), Properties of SMA mixtures containing waste polyethylene terephthalate, World Academy of Science, Engineering and Technology.

[6]. Apurva J Chavan (2013), Use of plastic waste in flexible pavements, International Journal of Application or Innovation in Engineering and Manager.

[7]. EsmaeilAhmadinia, Majid Zargar, Mohamed Rehan Karim, Mahrez Abdelaziz and Payam Shafigh (2011), Using waste plastic bottles as additive for stone mastic asphalt, Materials & Design.

[8]. Trịnh Việt Nam, Một số ứng dụng của PET và sợi Polyester thành phẩm, http://www.pvtex-dv.vn/ (truy cập ngày 20/09/2014).

[9]. Zahra Niloofar Kalantar, Abdelaziz Mahrez, and Mohamed Rehan Karim (2010), Properties of bituminous binder modified with waste polyrthylene terephthalate, In: Proceeding of Malaysian Universities Transportation Research Forum and Conferences.

[10]. 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 GTVT.

[11]. TCVN 8860-5 : 2011 (2011),  Bê tông nhựa - Phương pháp thử - Phần 5: Xác định tỷ trọng khối, khối lượng thể tích của bê tông nhựa đã đầm nén, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT.

[12]. TCVN 8860-9 : 2011 (2011), Bê tông nhựa - Phương pháp thử - Phần 9: Xác định độ rỗng dư, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT.

[13]. TCVN 8820 : 2011 (2011), Hỗn hợp bê tông nhựa nóng - Thiết kế theo phương pháp Marshall, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT.

[14]. TCVN 8819 : 2011 (2011), Mặt đường bê tông nhựa nóng - Yêu cầu thi công và nghiệm thu, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT.