Chương 8. Chất kết dính hữu cơ và vật liệu chế tạo từ chất kết dính hữu cơ , CÔNG TY CỔ PHẦN ĐÀO TẠO VÀ TƯ VẤN ĐẦU TƯ HÀ NỘI

Chương 8. Chất kết dính hữu cơ và vật liệu chế tạo từ chất kết dính hữu cơ

Chương 8

CHẤT KẾT DÍNH HỮU CƠ VÀ VẬT LIỆU

CHẾ TẠO TỪ CHẤT KẾT DÍNH HỮU CƠ

8.1. Giới thiệu chung

Loại chất kết dính hữu cơ được sử dụng rộng rãi là bitum dầu mỏ. Tính chất của

bitum dầu mỏ được quyết định bởi thành phần và cấu trúc của nó. Ba chỉ tiêu cơ bản để

đánh giá chất lượng của bitum dầu mỏ là: nhiệt độ hoá mềm, tính quánh (độ lún của kim),

tính dẻo (độ giãn dài). Trước đây chúng ta chủ yếu dùng bitum dầu mỏ của Liên Xô (cũ)

hiện nay có cả bitum Singapore. Các chỉ tiêu kỹ thuật của bitum được giới thiệu ở phụ

lục 6-1.

Những vật liệu phổ biến dùng bi tum là vật liệu lợp, vật liệu ngăn nước, mattit và bê

tông atphan.

Giấy lợp, vật liệu ngăn nước, chống thấm thường ở dạng cuộn, được sản xuất bằng

cách tẩm bitum vào lớp cốt dạng tấm như cáctông, amiăng .v.v…

Mattit là hỗn hợp của bitum và chất độn dạng bột, dạng sợi , … dùng để hàn gắn,

chèn khe các công trình xây dựng.

Nhũ tương: Nhũ tương là 1 hệ thống keo phức tạp gồm 2 chất lỏng không hoà tan

lẫn nhau. Trong đó 1 chất lỏng phân tán trong chất lỏng kia dưới dạng những giọt nhỏ

liti, gọi là pha phân tán, còn chất lỏng kia gọi là môi trường phân tán.

Nếu pha phân tán là bitum hay guđrông, còn môi trường phân tán là nước thì gọi là

nhũ tương dầu-nước (DN), hay gọi là nhũ tương thuận.

Nếu pha phân tán là những giọt nuớc, còn CKD là môi trường phân tán, thì gọi là

nhũ tương nước-dầu (ND), hay còn gọi là nhũ tương nghịch.

Chất kết dính asfalt (CKDA) là vật liệu đựơc chế tạo bằng cách trộn bitum với chất

độn khoáng nghiền mịn (đá vôi, đá đôlomit, đá phấn, xỉ). Chất độn khoáng không những

làm giảm lượng dùng bitum, mà còn làm tăng nhiệt độ hoá mềm của bê tông. Cường độ

của CKDA quyết định bởi tỷ lệ bitum – chất độn và độ rỗng sau khi lèn chặt và rắn chắc.

Với tỷ lệ bitum – chất độn tối ưu, toàn bộ bitum sẽ được dính bám trên bề mặt hạt khoáng

ở dạng màng mỏng liên tục. Vì vậy mà CKDA có cường độ cao nhất.

Hỗn hợp của cát với chất kết dính asfalt gọi là vữa asfalt. Thành phần của vữa asfalt

là thành phần mà toàn bộ lỗ rỗng trong cát được chèn đầy bằng CKDA với 1 lượng dư

thừa 10%-15% để bọc xung quanh các hạt cát.

Hỗn hợp của vữa asfalt với cốt liệu lớn (đá dăm) gọi là bê tông asfalt. Nếu CKDHC

là guđrông ta có bê tông guđrông. Hàm lượng vữa asfalt sẽ được tính toán sao cho nó

chèn đầy lỗ rỗng của đá với 1 lượng dư thừa 10%-15% để cho bê tông được đặc chắc.

8.2 Vật liệu để chế tạo bê tông asfalt

8.2.1 Đá dăm hay sỏi:

Chất lượng của đá dăm hay sỏi (cường độ, tính đồng nhất, hình dạng, trạng thái bề

mặt, thành phần khoáng vật....) có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của bê tông asfalt.

Các chỉ tiêu chất lượng của đá dăm hay sỏi để chế tạo bê tông asfalt cũng được xác

định như khi chế tạo bê tông xi măng nặng.

8-1

Chương 8. Chất kết dính hữu cơ và vật liệu chế tạo từ chất kết dính hữu cơ

Đá dăm dùng để chế tạo bê tông asfalt có thể là đá dăm sản xuất từ đá thiên nhiên,

đá dăm chế tạo từ cuội, từ xỉ lò cao, nhưng phải phù hợp với yêu cầu của quy phạm.

Không cho phép đá dăm chế tạo từ đá vôi sét, sa thạch, sét và phiến thạch sét.

Thành phần hạt của đá dăm hay sỏi được phân ra 3 nhóm 20-40, 12-20, 5-10mm.

Đá dăm cần phải liên kết tốt với bi tum. Về mặt này, thì các loại đá vôi, đôlômit,

điaba tốt hơn các loại đá axit. Nếu dùng các loại đá liên kết kém với bitum phải gia công

đá bằng chất phụ gia hoạt tính như vôi, xi măng, hoặc cho thêm chất phụ gia hoạt động

bề mặt vào bitum.

Đá cần phải, lượng ngậm chất bần không lớn hơn 1% theo khối lượng.

8.2.2 Cát

Có thể dùng cát thiên nhiên hay cát nhân tạo với các chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với

quy phạm như khi dùng cho bê tông xi măng.

Đối với cát thiên nhiên chỉ dùng cát lớn (Mđl ≥ 2,5) và cát vừa (Mđl = 2 – 2,5). Nếu

không có cát lớn có thể dùng cát hạt nhỏ theo nguyên tắc cấp phối không liên tục. Cát cần

sạch, hạm lượng bụi, sét không được lớn hơn 3%.

Cát nhân tạo có thể nghiền từ các loại đá (không phải là đá vôi) có cường độ, không

thấp hơn 1000 kG/cm2 hay xỉ kết tinh của các xí nghiệp luyện kim. Thành phần hạt thích

hợp của cát được giới thiệu ở bảng sau:

Bảng 8.1 Thành phần thích hợp của cát

8.2.3 Bột khoáng:

Bột khoáng do có bề mặt riêng lớn, có khả năng dàn mỏng màng bitum trên bề mặt,

làm tăng lực tương tác giữa chúng, cùng với bitum nhét đầy lỗ rỗng giữa các hạt cốt liệu

nên cường độ của bê tông afalt tăng lên.

Bột khoáng dùng để chế tạo bê tông asfalt thường sử dụng các loại bột từ đá vôi và

đá đôlômit. Cường độ chịu nén của đá không nhỏ hơn 200 daN/cm2. Vật liệu chế tạo bột

khoáng cần sạch, không chứa các chất bẩn và sét quá 5%. Bột khoáng cần phải khô, xốp

khi trộn với bitum không được vón cục, có khả năng hút bitum tốt và phải thoả mãn các

yêu cầu sau:

Độ nhỏ : lượng lọt qua sàng có kích thước lỗ sàng:

Lượng bột khoáng hút hết 15g bitum mác 60/70 không nhỏ hơn 10g

Độ rỗng khi lèn chặt dưới tải trọng 400daN/cm2 đối với tro, bụi xi măng, xỉ, không

được lớn hơn 45%, còn đối với loại bột đá đặc chắc thì không lớn hơn 40%.

Tác dụng hoá lý của bột khoáng với bitum được xác định một cách gần đúng bằng

hệ số ưa nước (Ku) của các hạt khoáng kích thước nhỏ hơn 1,25 mm: tỷ số giữa độ trương

nở của bột khoáng trong nước (có cực) và độ trương nở trong kêrôxin đã khử nước

(không có cực)

8-2

Cát

Cát	Kích thước lỗ sàng (mm)
	2,5	1,25	0,63	0,315	0,14	<1,14
	Lượng lọt trên sàng (%)
Thiên nhiên nghiền	5 - 10 >5	20 – 30 15 – 30	20 – 30 20 – 25	10 – 25 10 – 25	10 – 25 10 – 20	< 15 < 15

Chương 8. Chất kết dính hữu cơ và vật liệu chế tạo từ chất kết dính hữu cơ

8.2.4 Nhũ tương

Nhũ tương là một hệ thống keo phức tạp gồm 2 chất lỏng không hoà tan lẫn nhau.

Trong đó một chất lỏng phân tán trong chất lỏng kia dưới dạng những hạt nhỏ li ti gọi là

pha phân tán, còn chất lỏng kia gọi là môi trường phân tán. Nếu pha phân tán là bitum

hay guđrông, còn môi trường phân tán là nước thì gọi là nhũ tương dầu – nước, hay còn

gọi là nhũ tương thuận. Nếu pha phân tán là những giọt nước, còn chất kết dính là môi

trường phân tán thì gọi là nhũ tương nước dầu, hay còn gọi là nhũ tương nghịch.

Để cho nhũ tương đựơc ổn định người ta thêm vào chất nhũ hoá - chất phụ gia hoạt

tính bề mặt. Chất nhũ hoá sẽ hấp phụ trên bề mặt các giọt CKD làm giảm sức căng bề

mặt ở mặt phân chia của CKD với nước. Đồng thời nó tạo ra trên bề mặt các giọt bitum

một màng mỏng kết cấu bền vững, có tác dụng ngăn cản sự kết tụ của chúng, làm cho

nhũ tương ổn định.

Ngoài những loại chất nhũ hoá dạng hữu cơ trên, khi chế tạo nhũ tương còn dùng

chất nhũ hoá dạng bột vô cơ. Những chất nhũ hoá dạng bột vô cơ hay dùng là vôi bột, vôi

tôi, đất sét, đất hoàng thổ.

Chú ý: để xác định tính ổn định của nhũ tương khi vận chuyển, người ta thường lấy

nhũ tương đã được bảo quản sau 7 ngày và 30 ngày cho chảy qua sàng có kích thước lỗ

sàng 0,14mm. Yêu cầu là lượng còn lại trên sàng không quá 0,1% theo trọng lượng và

đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của quy phạm.

8.3 Thiết kế thành phần bê tông asfalt

* Mục đích của việc thiết kế thành phần bê tông asfalt là lựa chọn được một dạng

(nóng, ẩm, nguội) bê tông tương ứng với điều kiện làm việc (vùng khí hậu, đặc tính chịu

tải) với loại vật liệu khoáng, loại và hướng bitum tối ưu, với tỷ lệ giữa các thành phần

thoả mãn các yêu cầu quy định.

Có nhiều phương pháp thiết kế thành phần bê tông asfalt. Song phổ biến nhất, cho

kết quả tin cậy nhất là phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết về đường cong độ đặc hợp lí

của hỗn hợp vật liệu khoáng. Đó là phương pháp kết hợp giữa tính toán với thực nghiệm.

Trình tự thiết kế thành phần bê tông asfalt như sau:

Lựa chọn và kiểm tra vật liệu, xác định tỷ lệ của các vật liệu theo thành phần cấp

phối hạt, lựa chọn thành phần bitum tối ưu và thí nghiệm kiểm tra các chỉ tiêu kỹ thuật

trên các mẫu thử.

- Lượng lọt sàng của hỗn hợp vật liệu khoáng Lx, đựợc xác định như sau:

Lx = (Đx.Đ + Mx.M + Cx.C + Bx.B)/100 (8- 1)

Trong đó

- Xác định lượng bột khoáng: tỷ lệ % của bột khoáng (có cỡ hạt < 0,071mm) được

xác định theo công thức

B = (Y0,071.100%)/B0,071 (8- 3)

- Xác định lượng cát và đá mạt

Tổng tỷ lệ phần trăm của cát và đá mạt được tính như sau:

C + M = 100 – B - Đ (8- 4)

C = 100 – B – Đ (8- 5)

Từ kết quả tính toán và thành phần vật liệu thực tế, tiến hành tính toán lại trị số Lx

với tất cả các cỡ hạt. So sánh đường biểu diễn Lx với thành phần hạt khoáng vật hợp lí.

Yêu cầu Lx phải phù hợp với giới hạn thành phần của hỗn hợp hợp lí theo quy phạm. Nếu

thành phần chọn được không hợp quy phạm thì có thể điều chỉnh lại các lượng vật liệu để

có Lx hợp quy phạm.

* Xác định lượng bitum tối ưu

Lượng bitum tối ưu được xác định theo chỉ tiêu độ rỗng của hỗn hợp vật liệu

khoáng của các mẫu thí nghiệm bê tông asfalt và độ rỗng còn dư của bê tông asfalt theo

quy định ở quy phạm. Chuẩn bị các mẫu thí nghiệm từ hỗn hợp bê tông asfalt, trong đó

lượng bitum dùng giảm đi 0,3-0,5% so với giới hạn dưới của các trị số trong bảng. Lượng

bitum tối ưu được xác định theo công thức:

Trong đó: Vok - độ rỗng vật liệu khoáng của mẫu thí nghiệm, %.

ñk - Khối lượng riêng của vật liệu khoáng, g/cm3

Vk - độ rỗng của bê tông asfalt theo quy phạm ở 200C, %

ñB - Khối lượng riêng của bitum ở 200C, g/cm3

* Kiểm tra trên các mẫu thí nghiệm

Kết quả tính toán của lượng bitum sẽ dùng để chế tạo ba mẫu thử và kiểm tra lại các

tính năng cần thiểt của bê tông asfalt. Nếu chỉ tiêu độ rỗng không đảm bảo các chỉ tiêu

khác (ví dụ: cường độ, độ ổn định nước) thì điều chỉnh lại thành phần vật liệu khoáng chủ

yếu là lượng bột khoáng. Sau đó tính lại lượng B và làm lại theo trình tự trên cho đến lúc

đạt mọi yêu cầu quy định.

8.4 Công nghệ chế tạo bê tông asfalt

Công nghệ chế tạo bê tông asfalt hoàn toàn phù hợp với các nguyên tắc của công

nghệ vật liệu nhân tạo. Tuy nhiên công nghệ này có một số điểm khác nhau khi chế tạo

các dạng bê tông asfalt khác nhau.

Nguyên tắc chung: Trong giai đoạn chuẩn bị, nguyên liệu đá dăm sỏi, cát cần được

sấy khô và nung đến nhiệt độ phù hợp với độ nhớt của bitum. Bitum cần đun đến nhiệt độ

8-4

Chương 8. Chất kết dính hữu cơ và vật liệu chế tạo từ chất kết dính hữu cơ

thi công. Nhiệt độ nung bitum từ 140oC-200oC tuỳ theo độ quánh của bitum và loại bê

tông asfalt (nóng, ấm...).

Trộn vật liệu khoáng với bitum có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng bê tông. Việc

trộn bê tông asfalt được tiến hành theo 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: (trộn khô). đá dăm nóng, cát nóng được trộn với bột khoáng (không

nung nóng). Các hạt bột khoáng sẽ bọc bề mặt cát, đá để tăng độ hoạt tính bề mặt cho cốt

liệu.

Giai đoạn 2: Trộn hỗn hợp khoáng với bitum đến nhiệt độ thi công trong thời gian

quy định, với máy trộn tự do- khoảng 450-500gy; máy trộn cưỡng bức-khoảng 50-150gy

tuỳ theo loại bê tông asfalt.

Vận chuyển và rải bê tông asfalt tại nơi công tác. Yêu cầu nhiệt độ bê tông asfalt

phải đảm bảo đạt nhiệt độ thi công khi bắt đầu rải và đầm chắc. Để đảm bảo chất lượng

lớp phủ mặt đường cần chế tạo bê tông ở những xưởng bê tông asfalt cố định.

Xưởng chế tạo bê tông asfalt (Sinh viên tham khảo SGK)