Ứng dụng tái chế nóng cho bê tông nhựa đã khai thác trên 15 năm không sử dụng phụ gia ở tỉnh Trà Vinh

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

Tóm tắt: Công nghệ tái chế sử dụng vật liệu áo đường cũ là một vấn đề nổi bật hiện nay trong tình trạng các mỏ vật liệu tốt đang cạn kiệt, cũng như sự chiếm chỗ rất nhiều của các khối vật liệu bê tông nhựa (BTN) cũ bị hư hỏng. Công nghệ tái chế chủ yếu có hai dạng là tái chế nguội và nóng, trong đó tái chế nguội đã có tiêu chuẩn tạm thời và được áp dụng rất nhiều nơi ở Việt Nam. Nhằm mục tiêu xem xét sử dụng tái chế mặt đường BTN cũ đã sử dụng trên 15 năm bằng công nghệ tái chế nóng ở trạm trộn không sử dụng bất kỳ phụ gia, bài báo tập trung vào công việc thiết kế cấp phối BTN tái chế với hàm lượng BTN cũ là 10, 20 và 30%. Ngoài ra, bài báo còn so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của các loại BTN tái chế này với BTN mới thông thường.

Từ khóa: Bê tông nhựa tái chế, bê tông nhựa, bê tông nhựa nóng.

Abstract: Technology of reclaimed pavement is a main research topic these days in case of lacking of good aggregate mineral and needing of huge warehouse to contain many asphalt pavement garbages from damage asphalt pavement. Reclaimed asphalt pavement technology can be divided into two technologies (i.e. cold and hot reclaimation); cold reclaimed technology has temporarily construction specification and is applied in many region of Vietnam. In order to consider the performance of hot-in-place reclaimed asphalt pavement with using any agents, this paper focuses on mix design of reclaimed asphalt concrete with 10, 20, and 30% of reclaimed pavement. Moreover, this paper also shows many performance tests between reclaimed asphalt concrete and new conventional asphalt concrete.   

Keywords: Reclaimed asphalt pavement, asphalt concrete, hot mix asphalt.

1. Giới thiệu chung

Trong một vài thập niên gần đây, nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng trong các ngành Xây dựng công trình, đặc biệt trong ngành Xây dựng cầu đường tăng nhanh về số lượng cũng như về chất lượng vật liệu. Trong khi đó, nguồn cung cấp các loại vật liệu tự nhiên ngày càng cạn kiệt cùng những khó khăn trong khai thác, cự ly vận chuyển xa và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh mỏ vật liệu… Do đó, với mục tiêu sử dụng hiệu quả, tiết kiệm vật liệu xây dựng cầu đường thì việc áp dụng các thành tựu khoa học trên thế giới áp dụng vào thực tiễn tại Việt Nam là cấp thiết. Trong đó việc áp dụng các công nghệ tái chế là cần thiết.

Trước đây, việc duy tu, nâng cấp và sửa chữa mặt đường BTN chủ yếu là thảm thêm trên mặt đường cũ lớp kết cấu mới, đào bỏ kết cấu cũ và thay bằng kết cấu mới, chống thấm bằng một lớp nhựa lên mặt đường cũ. Các phương pháp này làm mặt đường bị tôn lên cao có thể ảnh hưởng đến thiết kế thoát nước của khu vực và gây lãng phí không tận dụng hết công năng của vật liệu của mặt đường cũ. Do đó, việc áp dụng công nghệ tái chế mặt đường BTN Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) là một trong những giải pháp cần thiết phục vụ hiện tại và tương lai. Công nghệ này chính là việc sử dụng lại các vật liệu xây dựng đường ban đầu nhằm sửa chữa, tái xây dựng hay đảm bảo giao thông. Khi thích hợp, có thể tái chế cốt liệu và vật liệu xây dựng mặt đường khác để xây dựng đường mới sẽ mang ý nghĩa kinh tế, bảo vệ môi trường cũng như kỹ thuật. Mặt đường tái chế đã được sử dụng trong nhiều năm như là một kỹ thuật phục hồi chức năng trong ngành công nghiệp đường cao tốc [1]. Ngoài ra, việc sử dụng thêm các vật liệu như chất làm trẻ hóa, mềm hóa nhựa đường và các tác nhân tái chế thương mại làm giảm lượng hàm lượng nhựa mới thêm vào hỗn hợp trộn, làm cho việc sử dụng RAP hiệu quả kinh tế hơn [2, 3].

Nhằm xem xét ảnh hưởng việc tái chế tới chất lượng BTN đã qua 15 năm sử dụng, BTN tái chế được lấy gần mố cầu Ba Si cũ tại Km56+370 trên Ql53, huyện Càng Long, tỉnh Trà Vinh. Bài báo chủ yếu tập trung khảo sát thành phần về nhựa, cốt liệu mới và cũ, từ đó đưa ra phương án thiết kế cấp phối có sử dụng BTN cũ với hàm lượng là 10%, 20% và 30%  không sử dụng bất kỳ phụ gia, từ đó dự đoán khả năng ứng dụng của BTN tái chế trong tình trạng hiện nay.

2. Thiết kế cấp phối BTN tái chế

2.1. Vật liệu

Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu này gồm vật liệu mới và vật liệu tái chế. Vật liệu mới gồm cốt liệu đá được lấy từ mỏ đá Tân Đông Hiệp, tỉnh Bình Dương và nhựa đường 60/70 cung cấp bởi Công ty Petrolimex. Vật liệu tái chế từ BTN cũ được đào ở dốc cầu Ba Si tại Km56+370 trên QL53 thuộc huyện Càng Long, tỉnh Trà Vinh (Hình 2.1). Nhựa đường cũ được chiết suất từ mẫu BTN cũ bằng máy quay ly tâm và thu hồi theo phương pháp Abson. Các chỉ tiêu cơ lý cơ bản của nhựa đường và đá mới được thể hiện trong Bảng 2.1 và 2.2.

Hình 2.1: Vị trí và mẫu BTN tái chế ở QL53, Càng Long, Trà Vinh

Bảng 2.1. Các chỉ tiêu cơ lý của nhựa cũ và mới

 

Bảng 2.2. Các chỉ tiêu cơ lý đá cũ và mới

 

2.2. Thiết kế cấp phối BTN tái chế

Công tác thiết kế cấp phối BTN tái chế dựa trên phương pháp Marshall hay TCVN 8820:2011 [4], ngoài ra, tham khảo thêm tài liệu MS-20 của Viện Asphalt Mỹ [5]. Cấp phối lựa chọn nằm trong đường bao cấp phối có yêu cầu kỹ thuật theo TCVN 8819-2011 [4].

Theo MS-20, không cần sử dụng tác nhân trẻ hóa nhựa đường cũ có hàm lượng BTN tái chế dưới 20%, với mục tiêu nghiên cứu đối với hàm lượng BTN tái chế 30% cũng không sử dụng tác nhân trẻ hóa nhằm so sánh với mẫu đối chứng và các hàm lượng BTN tái chế còn lại có các tỷ lệ phối hợp thể hiện trong Bảng 2.3. Cấp phối phối trộn cuối cùng (thể hiện ở cột (6)) đều giống nhau dù sử dụng hàm lượng BTN tái chế là 10, hay 20, hay 30%. Tương ứng với BTN tái chế 10% thì lượng phối hợp gồm 10% cấp phối BTN tái chế (ở cột (2)) và 90% cấp phối mới (ở cột (3)). Tương tự cho BTN tái chế 20% và BTN tái chế 30% sử dụng 80% cấp phối mới ở cột (4) và 70% cấp phối mới ở cột (5) tương ứng. Cấp phối trộn cuối cùng nằm trong giới hạn cận trên và cận dưới phù hợp TCVN 8819-2011. 

Việc thiết kế cấp phối hay xác định hàm lượng nhựa tối ưu của các cấp phối có hàm lượng BTN tái chế là 10%, 20% và 30% dựa trên TCVN 8820-2011. Mỗi cấp phối đều phải tạo 5 tổ mẫu (mỗi tổ 3 mẫu) tối thiểu có hàm lượng nhựa (P_b) thay đổi từ 5%, 5,25%, 5,5%, 5,75% và 6%. Ứng với mỗi hàm lượng nhựa này, lượng nhựa mới và nhựa cũ được xác định dựa theo MS-20. Lượng nhựa mới thêm vào hỗn hợp (P_nb theo % hỗn hợp) được xác định theo công thức (1) sau:

 

 (1)

 

Trong đó: r - % lượng cốt liệu mới trong hỗn hợp BTNTC;

P_sb - % nhựa trong hỗn hợp bê tông nhựa cũ dụng tái chế;

P_b - Hàm lượng nhựa của mới và cũ trong hỗn hợp BTNTC.

Hàm lượng nhựa tối ưu của mỗi cấp phối được xác định thông qua mối quan hệ của hàm lượng nhựa và khối lượng thể tích, độ rỗng còn dư, độ rỗng cốt liệu, độ ổn định Marshall và độ dẻo. Hình 2.2 chỉ thể hiện 3 chỉ tiêu của 3 loại cấp phối BTN tái chế. Cuối cùng, hàm lượng nhựa tối ưu (P_b) cho BTN tái chế 10%, BTN tái chế 20% và BTN tái chế 30% tương ứng tuần tự là 5,6%, 5,7% và 5,8%.  

Bảng 2.3. Tỷ lệ phối trộn giữa cấp phối BTNTC với hàm lượng 10, 20, và 30%

 

a) - BTNTC10%; b) - BTNTC20%; c) - BTNTC30%

Hình 2.2: Xác định hàm lượng nhựa tối ưu của 3 loại cấp phối

 

3. So sánh các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu giữa các hàm lượng BTN tái chế

Nhằm xem xét khả năng ứng dụng của BTN tái chế không sử dụng phụ gia, các thí nghiệm cơ bản sau được thực hiện để so sánh giữa BTN thông thường và 3 loại cấp phối BTNTC trên: Thí nghiêm Cantabro (EN 13108-7), thí nghiêm Marshall (TCVN 8860:2011), thí nghiệm mô-đun đàn hồi và thí nghiệm ép chẻ (TCVN 8862:2011). Kết quả được thể hiện trong Hình 3.1. Ngoài thí nghiệm độ hao mòn Cantabro, các loại BTN tái chế với 3 hàm lượng 10, 20, 30% đều cho giá trị tốt hơn BTN thông thường (BTN tái chế 0%) tuy nhiên kết quả các loại BTN tái chế không chỉ ra được loại hàm lượng nào tối ưu. Kết quả này cũng hợp lý do vấn đề ổn định trong sự làm việc của BTN tái chế đang là vấn đề đang nghiên cứu trên thế giới. 

Hình 3.1: So sánh sự làm việc theo các hàm lượng BTN tái chế

 

4. Kết luận

Công nghệ tái chế đường BTN có thể là một giải pháp tốt cho bảo trì đường bộ cũng như tiết kiệm vật liệu bảo tồn tài nguyên thiên nhiên ở Việt Nam. Bài báo đưa ra kết quả ban đầu khảo sát khả năng ứng dụng tái chế với hàm lượng 10, 20, 30% của BTN cũ từ Trà Vinh. So sánh các loại BTN tái chế và BTN chặt thông thường cho thấy các các chỉ tiêu thí nghiệm này cũng gần tương đương nhau mặc dù BTN cũ đã sử dụng trên 15 năm. Vấn đề nghiên cứu sắp tới là làm sao chất lượng các loại BTN tái chế ổn định hơn thông qua các thí nghiệm cũng như đưa vào thực nghiệm ở ngay tỉnh Trà Vinh.

Tài liệu tham khảo

[1]. Epps, J. A., Little, D.N., Holmgreen, R. J. and Rerrel, R.L (1980), Guidelines for Recycling Pavement Materials, NCHRP Report 224, TRB. National Research Council, Washington, DC.

[2]. Karlsson, R. and Isacsson, U. (2006), Material Related Aspects of Asphalt Recycling - State of the Art, Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, U.S., Vol 18, No 1.

[3]. Taylor, N. H. (1978), Life Expectancy of Recycled Asphalt Paving, Recycling of Bituminous Pavements, L.E. Wood, ed., ASTM STP 662, American Society of Testing and Materials, Philadelphia, Pennsylvania, pp.3-15.

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

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

[6]. Asphalt Institute (1986), Manual Series No. 20 (MS-20) - Asphalt Hot Mix Recycling,  , USA.