Các loại nhựa đường cải tiến

Trên phần lớn các con đường của chúng ta, các đặc tính kỹ thuật của các vật liệu nhựa đường truyền thống thỏa mãn mọi yêu cầu kỹ thuật. Tuy vậy yêu cầu về làm đường ngày càng tăng lên, qua từng năm cả về chất lượng cũng như số lượng. Số lượng xe lưu hành liên tục tăng lên cùng với sự tăng lên của tải trọng trục xe đã trở thành một xu hướng phổ biến. Dự kiến xu hướng này tiếp tục phát triển vào những năm từ năm 2000 trở về sau. Để tạo điều kiện cho những kỹ sư cầu đường đáp ứng được những thách thức ngày càng lớn, hiện nay có nhiều loại nhựa đường cải tiến đã được kiểm chứng qua thực tế trên các con đường.

Thiết kế cơ bản tốt, tổ chức xây dựng, bảo dưỡng định kỳ làm cho đường rải bằng bê tông asphalt không chỉ vượt qua mọi yêu cầu phải thực hiện mà còn mang lại một tiêu chuẩn cao về độ an toàn và tiện dụng, điều đó đã trở nên đồng nghĩa với việc rải thảm liên kết nhựa đường. Tuy vậy, tại một số khu vực nhất định trên đường chúng ta có thể dự đoán trước là sẽ phải chịu âp suất cao hơn ở các vùng khác. Do đó, nếu muốn toàn bộ chiều dài con đường thực hiện một cách thỏa đáng mọi chức năng trong suốt tuổi thọ thiết kế, chúng ta phải quan tâm đặc biệt đến những vùng chịu tải trọng lớn của con đường. Tất cả chúng ta đều biết là cần có các vật liệu đặc biệt trên các bề mặt cầu, nhưng nhu cầu về các khu vực tiêu chuẩn khác lại thường bị bỏ qua trong quá trình xây dựng hoặc bão dưỡng. Một điều rõ ràng là làm tốt công tác bảo dưỡng định kỳ hoặc củng cố cần thiết theo suốt chiều dài con đường nhất định sẽ tốt hơn là phải làm mới lại một đoạn đường nào đó chỉ sau một thời gian ngắn được đưa vào sử dụng. Sự cản trở giao thông trong thời gian bảo dưỡng là một chi phí đáng kể đối với xã hội. Ngừng hoạt động một làn xe trên một đường cao tốc ở Vương quốc Anh vào năm 1987 được ước tính là tiêu tốn của cộng đồng 20.000 bản Anh trong một ngày, đây có thể là một tính toán chưa sát thực tế.

Việc sử dụng nhựa đường cải tiến đưa ra một giải pháp nhằm làm giảm số lần bảo dưỡng ở các điểm đen giao thông, cho một tuổi thọ phục vụ dài hơn nhiều, nhằm xử lý bảo dưỡng ở các công trường khó khăn. Để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế của nhựa đường cải tiến thì tốt nhất là sử dụng chúng kết hợp chúng với các cốt liệu có chất lượng cao trong các hỗn hợp đá nhựa thoát nước hoặc ở các khu vực có yêu cầu về tính chống rão và các biến dạng đặc biệt.

Mức độ cải tiến theo yêu cầu, do đó kéo theo chi phí, phụ thuộc vào các yêu cầu của công trường cần được xử lý. Cải tiến dơn giản nhất về tính chống biến dạng có thể đạt được bằng cách sử dụng mảnh vụn cao su của lốp tái chế. Nhằm hướng tới việc đưa ra thị trường, các hợp chất mangan hữu cơ, lưu huỳnh và các chất polyme dẻo nhiệt có thể nâng cao tính dễ thi công của asphalt trong thời gian đầm lèn và tính chống biến dạng của nó trên đường. Nhằm đáp ứng tốt nhu cầu của giao thông, các loại cao su dẻo nhiệt được sử dụng nhằm nâng cao cả tính chống biến dạng và tính chống rão. Các hệ thồng chịu nhiệt cho các đặc tính kỹ thuật cốt yếu nhất là tính chống biến dạng tuyệt vời cùng với tính dẻo nổi bật.

1   Vai trò của các nhựa đường cải tiến trong hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu

Nhựa đường là nguyên nhân làm cho tất cả các vật liệu có chứa nhựa đường có tính đàn hồi – nhớt, nó đóng góp một phần lớn trong việc quyết định nhiều về các đặc tính kỹ thuật biểu hiện trên con đường. Các ví dụ điển hình là tình chống biến dạng dư và nứt. Nhìn chung, bất kỳ yếu tố nào gây ra biến dạng ở một vật liệu nhựa đường, đều tăng lên theo cả thời gian chịu tải và nhiệt độ.

Sự biến dạng do tác động của một tải trọng cho thấy một phản ứng đàn hồi tức thời xảy ra sau đó do sự tăng lên dẫn đến sự biến dạng theo thời gian gây ra bởi tính nhớt của vật liệu, khi tải trọng bị loại bỏ, sự biến dạng đàn hồi được phục hồi ngay, sự phục hồi tiếp theo sẽ xảy ra theo thời gian. Sự phục hồi dần dần theo thời gian của vật liệu được xem như là “tính đàn hồi chậm”. Cuối cùng một sự biến dạng vĩnh viễn còn lại vẫn giữ nguyên mà không thể phục hồi được, do tính nhớt trực tiếp gây ra.

Phản ứng với một tải trọng kéo gây ra đối với một thành phần trong vật liệu nhựa đường do tải trọng di động của giao thông gây ra. Ở đây không thể phân biệt được hai thành phần của phản ứng đàn hồi, nhưng đã cho thấy một sự biến dạng dư đối với một tải trọng kéo đơn. Khi nhiều triệu tải trọng kéo tác động lên mặt đường sẽ hình thành sự tích lũy lớn, điều này là phần gây nên sự biến dạng dư trên bề mặt đường. Từ những điều trên cho thấy rõ ràng là tại sao sự biến dạng xảy ra nhiều hơn khi nhiệt độ xung quanh cao, ở những nơi tốc độ giao thông thấp hoặc ở những khu vực giao thông tĩnh, ở các nút giao thông nơi phương tiện dừng đỗ.

Một trong những vai trò cơ bản của chất cải tiến nhựa đường là tăng tính kháng của asphalt với sự biến dạng dư khi nhiệt độ đường cao, mà không tác động xấu đến các đặc tính kỹ thuật của nhựa đường hoặc asphalt ở các nhiệt độ khác. Có thể đạt được điều này bằng cách làm cứng hóa nhựa đường để tổng phản ứng đàn hồi – nhớt của asphalt bị giảm đi với mức độ giảm tương ứng của độ biến dạng dư, hoặc bằng cách tăng độ đàn hồi của nhựa đường, do đó giảm thành phần nhớt mà từ đó có được kết quả là làm giảm mức độ biến dạng dư.

Tăng độ cứng của nhựa đường cũng giống như tăng độ ứng động học của hỗn hợp bê tông nhựa asphalt, do đó cải tiến khả năng phân tán lực của vật liệu và tăng độ bền kết cấu và tuổi thọ thiết kế của con đường; hoặc là tạo ra kết cấu có tuổi thọ và độ bền tương tự nhưng dối với độ dày các lớp mỏng hơn. Tăng thành phần dẻo của nhựa đường sẽ góp phần cải tiến độ đàn hồi của bê tông asphalt, tính chất quan trọng cần có do phải chịu sức căng lớn.

2   Cải tiến nhựa đường

Trong nhiều năm các nhà nghiên cứu và các nhà hóa học nghiên cứu phát triển đã làm thí nghiệm với các nhựa đường được cải tiến, chủ yếu là để sử dụng trong công nghiệp, bằng cách cho thêm vào nhựa đường các chất như amiăng, các khoán chất đặc biệt, các sợi khoáng và cao su. Trong 20 năm vừa qua, các nhà nghiên cứu đã xem xét rất nhiều loại vật liệu cải biến cho nhựa đường được sử dụng trong xây dựng đường bộ.

Đối với các chất cải biến, để có hiệu quả và để sử dụng có hai yếu tố là tính khả thi và tính kinh tế, chúng phải đáp ứng được các yêu cầu:

·        Sẵn có;

·        Không biến chất ở nhiệt độ trộn thảm;

·        Có thể trộn được vào nhựa đường;

·        Không làm cho nhựa đường quá nhớt ở nhiệt độ trộn thảm, ở nhiệt độ đầm nén trên mặt đường, không làm nhựa đường bị cứng hoặc giòn khi phải làm việc ở nhiệt độ thấp;

·        Có hiệu quả kinh tế;

Các chất cải biến khi được trộn với nhựa đường phải có các đặc tính sau:

·        Giữ được các đặc tính kỹ thuật trong thời gian bảo quản, thi công trên mặt đường  và khi con đường được đưa vào sử dụng;

·        Có thể được chế biến bằng các thiết bị thông thường;

·        Ổn định về lý – hóa trong thời gian bảo quản, sử dụng và trên đường;

·        Đạt độ nhớt trộn và phun ở nhiệt độ sử dụng bình thường.

2.1   Cải tiến nhựa đường bằng cách cho thêm lưu huỳnh

một thời gian dài. Tăng hàm lượng lưu huỳnh vượt quá ngưỡng này, một lượng lưu huỳnh lơ lững tạm thời dư ra trong thời gian trộn thảm. Khi bê tông asphalt nóng, lượng lưu huỳnh dư ra làm cho hỗn hợp bê tông rất dễ thi công vì lưu huỳnh là chất lỏng có độ nhớt thấp ở trong khoảng từ nhiệt độ sôi của nó cho tới 1600C. Khi asphalt nguội đi thì lưu huỳnh dư ra một phần sẽ lấp đầy và theo hình dạng của các lỗ rỗng, khe hở trong vật liệu đã đầm lèn, chèn móc các viên cốt liệu lại với nhau, do đó làm tăng ma sát giữa các viên cốt liệu riêng rẽ trong asphalt và đem lại một độ bền cơ học cao cho mặt đường.

Lưu huỳnh được sử dụng trong hai loại asphalt để rải thảm đường bộ và một số sản phẩm độc quyền. Asphalt được cho thêm một lượng tương đối nhỏ lưu huỳnh dưới dạng một chất hòa tan trong nhựa đường. Cách gia công thứ hai, đươc biết đến với tên gọi là THERMOPAVE, sử dụng hàm lượng lưu huỳnh cao, lượng lưu huỳnh dư ra đóng vai trò như một chất khoáng đúc, khi được trộn với cốt liệu sẽ tạo ra một hỗn hợp rất dễ thi công, có thể rải bằng máy mà không cần đầm bằng xe lu và khi nguội đi có khả năng chống biến dạng cao.

Shell cũng đã phát triển một sản phẩm có tên gọi là THERMOPATCH đây là một loại asphalt có hàm lượng lưu huỳnh cao để sữa chữa ổ gà, sử dụng để phục hồi đường… có thể sử dụng cho cả đường bê tông asphalt hoặc mặt đường bê tông xi măng. Nhựa đường ở thể lỏng chảy tự do được rót vào lỗ, khe nứt trên mặt đường đến bằng mức mặt đường và khi nhựa đường nguội đi có thể sẵn sàng cho xe lưu thông.

Lượng lưu huỳnh sẽ phản ứng với nhựa đường phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần hóa học của nhựa đường. Người ta đã chứng minh rằng, lưu huỳnh chủ yếu là phản ứng với thành phần naphthen thơm của nhựa đường, bằng cách cộng thêm vào phân tử, hoặc bằng cách oxy hóa nhựa đường thông qua việc lấy hydro để tạo ra hydro sunfua. Ở khoảng nhiệt độ từ 119,30C là nhiệt độ điểm sôi của lưu huỳnh đơn nguyên chất và 1500C thì phản ứng chủ yếu là cộng thêm lưu huỳnh vào làm tăng thêm ở vùng chất thơm phân cực và một thay đổi rất nhỏ trong đặc tính lưu biến của nhựa đường. Trên 1500C phản ứng oxy hóa cạnh tranh tăng lên rõ rệt làm cho asphalt tăng lên và tác động đến các đặc tính của nhựa đường tương tự như tác động của quá trình sục khí.

Sự tiến triển của hydro sunfua ở nhiệt độ cao trên 1500C rõ ràng là không thể chấp nhận được, tuy vậy người ta đã chứng minh rằng nếu ta kiểm soát được nhiệt độ một cách kỹ lưỡng và bằng cách sử dụng các thiết bị chuyên dùng, vấn đề phát thải hơi có thể được khắc phục.

Phụ thuộc vào thành phần hóa học của nhựa đường, xấp xỉ 15 – 18% lượng lưu huỳnh có thể bị phân tán trong nhựa đường và ổn định trong Trong thực tế, cơ chế làm cứng của lưu huỳnh không hoàn toàn đơn giản  như thế và những thay đổi trong các đặc tính và biểu hiện của asphalt được cải tiến cũng phụ thuộc vào thời gian. Ban đầu độ ổn định Marshall của hỗn hợp asphalt được trộn với lưu huỳnh, thường là thấp hơn một chút so với nhựa đường thông thường. Tuy nhiên, sau 7 đến 21 ngày, độ ổn định Marshall tăng lên gần gấp đôi so với vật liệu không được cải tiến. Lời giải thích hợp lý nhất cho vấn đề này là quá trình hóa tinh thể của lưu huỳnh bị chậm lại bởi một số phản ứng với nhựa đường.

2.2   Cải tiến nhựa đường bằng cách cho thêm cao su

Polybutadien, polyisopren, cao su thiên nhiên, cao su butyl, chloropren, styrene-butadien-caosu… tất cả đã được sử dụng cùng với nhựa đường nhưng tác dụng chủ yếu của chúng là làm tăng độ nhớt của nhựa đường. Trong một số trường hợp cao su được sử dụng ở dạng lưu hóa , ví dụ như những mảnh lốp tái chế, nhưng dạng này khó phân tán trong nhựa đường, cần một nhiệt độ cao và thời gian biến đổi chuyển hóa dài và có thể tạo ra chất liên kết không đồng nhất, trong đó cao su hoạt động chủ yếu như một chất dẻo.

2.3   Cải tiến nhựa đường bằng cách cho thêm các hợp chất mangan hữu cơ

Việc sử dụng hợp chất mangan hữu cơ trong nhựa đường là một phát minh của cả Hoa Kỳ (bằng sáng chế số 4234346) và của Vương quốc Anh (bằng sáng chế số 1600879); có thể nâng cao được độ bền của vật liệu rải đường bằng cách cho thêm vào nhựa đường một hợp chất mangan hữu cơ, hoặc kết hợp giữa mangan hữu cơ  với coban hữu cơ, hay hợp chất đồng hữu cơ. Sản phẩm này được biết đến nhiều hơn dưới tên là CHEMCRETE. Sử dụng nhựa đường cải tiến bằng mangan hữu cơ trong asphalt và hỗn hợp đá nhựa được giải thích là cải thiện tính mẩn cảm với nhiệt độ của hỗn hợp và qua đó nâng cao các đặc tính hóa ký của chúng như độ ổn định Marshall, chống biến dạng dư và độ cứng động học.

Để thúc đẩy hợp chất mangan hữu cơ phân tán nhanh trong nhựa đường, vật liệu được trộn với một chất mang. Các chất cải biến khác nhau thường liên quan đến chủng loại và nồng độ hợp chất hữu cơ kim loại và độ nhớt của dầu làm chất mang được sử dụng, cả hai khía cạnh cần phải xem xét để đảm bảo là đã sử dụng các chất cải biến phù hợp cho từng ứng dụng riêng biệt.

Cơ chế được đề xuất trong bằng sáng chế CHEMCRETE là sử dụng các hợp chất có cấu trúc vòng nhất định trong nhựa đường ví dụ như tetrahydronaphthalen và các cấu trúc tương tự, những chất có thể tự oxy hóa. Người ta cho rằng mangan xúc tiến việc tạo thành một hợp chất dicetone mà sau đó tạo thành phức chất ổn định. Các phức chất này liên kết chặt chẽ với phân tử nhựa đường, nâng cao tính mẩn cảm với nhiệt độ của nhựa đường và tăng độ bền của hỗn hợp nhựa đường.

Phản ứng lưu hóa phụ thuộc vào sự có mặt của oxy trong nhựa đường, độ dày của lớp nhựa đường và nhiệt độ. Các thí nghiệm bảo quản thực hiện bằng CHEMCRETE đã cho thấy rằng một nhựa đường 100 pen chứa 2% theo trọng lượng chất cải biến mangan (U1-49) bảo quản ở nhiệt độ 1600C trong 28 ngày bị hóa cứng từ 127 pen xuống còn 100 pen.

Độ ổn định Marshall và thương số được đo trên hai loại bê tông asphalt mịn, một được sản xuất từ nhựa đường 100 pen chứa CHEMCRETE, còn lại được sản xuất từ nhựa đường 50 pen thông thường. Đặc tính ban đầu của hai hỗn hợp này  là rất giống nhau, tuy nhiên sau 12 tháng thì độ ổn định Marshall của bê tông asphalt mịn  đã tăng lên 400%. Trong một thời gian 12 tháng độ chảy Marshall đã tăng lên khoảng 75% dẫn đến một sự tăng lên toàn bộ của thương số Marshall hơn 200%. Người ta tin rằng sự gia tăng độ chảy Marshall là biểu hiện của kết quả đạt được độ bền trong thời gian lưu hóa. Những cải tiến tương tự đã được xác định bằng cách sử dụng thí nghiệm hình thành vệt lún bánh xe  trong phòng thí nghiệm trên các mẫu bê tông asphalt lấy từ các đoạn đường thí nghiệm. Độ biến dạng ở 450C, ngay sau khi rải bê tông đối với asphalt được cải tiến và asphalt thông thường rất giống nhau – 5mm/h, tuy nhiên sau 6 tháng độ biến dạng ở asphalt cải tiến đã giảm xuống dưới 1mm/h.

Người ta đã tiến hành một số thí nghiệm trên mặt đường cao tốc với nhiều loại hình bảo dưỡng khác nhau trong 5 năm qua. Việc sử dụng các chất cải tiến mangan hữu cơ trong asphalt lu nóng gần đây được TRRL đánh giá và dưa vào tài liệu Quy phạm cảu cục vận tải vào năm 1990.

2.4   Cải tiến nhựa đường bằng cách cho thêm các polyme dẻo nhiệt

Polyethylen, polypropylen, polyvinyl chorid, polystryren và ethylen vinyl acetate (EVA) là các polyme dẻo nhiệt  chủ yếu đã được kiểm chứng qua các thí nghiệm về các chất liên kết được cải tiến dùng cho đường bộ. Bởi vì là các chất dẻo dưới tác động của nhiệt, chúng có đặc tính là mềm đi khi nóng lên và cứng lại khi nguội đi.

Các polyme dẻo nhiệt khi được trộn với nhựa đường, khi ở nhiệt độ môi trường bình thường chúng liên kết với nhựa đường và làm tăng độ nhớt của nhựa đường. Tuy nhiên, các chất polyme dẻo nhiệt không làm tăng đáng kể độ đàn hồi của nhựa đường, khi bị nung nóng chúng bị tách ra khỏi nhựa đường, mà điều này có thể dẫn đến phân tán thô khi nguội đi. Tuy vậy, chấp nhận những hạn chế này  việc sử dụng EVA với nồng độ 5 % trong nhựa đường 70 pen đã trở nên rất thông dụng.

Chất đồng trùng hợp (co-polymer) EVA là các vật liệu dẻo nhiệt có cấu trúc ngẫu nhiên được sản xuất bằng cách đồng trùng hợp ethylen và vinyl acetate. Các chất đồng trùng hợp có hàm lượng vinyl acetat thấp có đặc tính giống như một polyethylen tỷ trọng thấp. Thành phần vinyl acetat tăng lên thì các đặc tính của chất đồng trùng hợp thay đổi. Các đặc tính của chất đồng trùng hợp EVA được kiểm soát bởi trọng lượng phân tử và hàm lượng vinyl acetat:

Trọng lượng phân tử: trọng lượng phân tử của nhiều polyme được xác định theo các đặc tính khác nhau, tiêu chuẩn thực hiện đối với EVA nhằm xác định chỉ số nóng chảy (Melt Flow Index – MFI), thí nghiệm về độ nhớt ngược lại có liên quan đến trọng lượng phân tử, MFI càng cao, trọng lượng phân tử và độ nhớt càng thấp và điều này tương tự như thí nghiệm kim lún đối với nhựa đường – kim lún càng cao thì trọng lượng phân tử trung bình và độ nhớt của nhựa đường càng thấp.

Hàm lượng vinyl acetat: để xác định các tác động chính của vinyl acetat đến các đặc tính của chất liên kết được cải biến, qua đó ta thấy phần polyethylen thông thường của chuỗi có thể xếp rất sát nhau và tạo ra vùng kết tinh, nó cũng cho thấy các nhóm vinyl acetat lớn phá vỡ sự sắp xếp sát nhau này như thế nào để tạo ra các vùng cao su thơm không kết dính, vùng tinh thể tương đối cứng, trong khi vùng vòng thơm lại mềm dẻo, càng nhiều nhóm vinyl acetat (hoặc hàm lượng vinyl acetat càng cao), tỷ lệ vùng mềm dẻo càng cao, và ngược lại tỷ lệ vùng tinh thể càng thấp.

Người ta phân loại các chất đồng trùng hợp EVA sẵn có bằng  MFI và hàm lượng vinyl acetat. Ví dụ EVA cơ MEI là 150 và hàm lượng vinyl acetat là 19 thì phẩm cấp nhựa đường ghi là 150/19. Từ các loại chất trùng hợp EVA đa dạng sẵn có, phẩm cấp 150/19 và với quy mô nhỏ hơn các phẩm cấp 45/33 là thông dụng nhất, chúng thường được trộn với nhựa đường 70 pen. Các chất đồng trùng hợp EVA dễ bị phân tán trong nhựa đường và rất thích hợp với nhựa đường. Chúng ổn định với nhiệt độ ở nhiệt trộn asphalt thông thường. Tuy vậy, trong quá trình bảo quản có thể xảy ra sự phân ly, do đó người ta đề xuất các sản phẩm hỗn hợp được cho lưu thông tuần hoàn trước khi sử dụng.

Bảng 1  cho thấy những thay đổi phổ biến về độ kim lún và điểm hóa mềm khi cho thêm 5% hai loại phẩm cấp EVA và nhựa đường 70 pen, các đặc tính Marshall và vệt lún bánh xe của asphalt lu nóng được sản xuất từ các chất liên kết đã được cải tiến.

Bảng 1 – Tác động của các phẩm cấp EVA 150/19 và 45/33 đến các đặc tính của nhựa đường và asphalt lu nóng rải lớp mặt đường

Chất liên kết	Các đặc tín cảu chất liên kết		Các đặc tính của Marshall			Độ lún bánh xe ở 450C, mm/h
	Kim lún ở 250C, dmm	Điểm mềm (IP),0C	Độ ổn định, kN	Độ chảy, mm	Tỷ số, kN/mm
70 pen 70 pen + 5% EVA 150/19 70 pen + 5% EVA 45/33	68 50 57	49,0 65,5 58,0	6,3 7,6 8,0	3,3 3,2 2,7	1,9 2,4 3,0	4,4 0,8 1,0

Các kết quả thí nghiệm lún bánh xe cho thấy độ lún giảm đi 4 lần khi cho thêm EVA của từng phẩm cấp nói trên vào nhựa đường 70 pen. Mức độ chống lại sự biến dạng cũng ít nhạy cảm đáng kể đối với sự thay đổi nhiệt độ. Sự tăng lên của độ ổn định Marshall là không đúng như một dự đoán dựa tren các kết quả thí nghiệm vệt lún bánh xe. Đây là sự thật về phần lớn các hổn hợp polyme cải tiến được kiểm tra trong thí nghiệm Marshall, các kết quả của thí nghiệm Marshall về các vật liệu cải biến bằng cách cho thêm polyme cần được giải thích một cách cẩn thận.

Mặc dù đạt được những cải thiện về đặc tính kỹ thuật của nhựa đường bằng cách sử dụng EVA, hiện nay một trọng lượng lớn EVA được sử dụng để “chống chịu thời tiết lạnh”. EVA có xu hướng nâng cao tính dễ thi công của asphalt vì tính mẫn cảm với lực cắt và bởi vì sử dụng với loại nhựa dường hơi mềm hơn. Tuy vậy, cần cẩn thận khi sử dụng EVA khi rải asphalt lu nóng làm lớp mặt đường trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp, đặc biệt khi công trường để hở cho gió thổi ngang. Nhựa đường cải tiến bằng EVA bị hóa cứng nhanh chóng do EVA là polyme tinh thể (quá trình này xãy ra khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ lu tối thiểu). Cần lưu ý với điều này vì tính dễ thi công của asphalt giảm sút nhanh chóng cùng với quá trình giảm nhiệt. Một công trường đang thi công trong điều kiện giá lạnh sẽ làm cho mặt đường khô cứng nhanh chóng. Nếu điều này xảy ra thì vật liệu được đầm vào asphalt sẽ đâm vào bề mặt khô cứng và găm vào lỗ thủng chứ không phải được gắn chặt vào asphalt với bề mặt vữa đông kết bao quanh.

Để có thể đạt được các đặc tính kỹ thuật tối ưu của nhựa đường EVA cải tiến trong thực tế thì điều chắc chắn là chúng phải sử dụng với tỷ lệ hợp lý, song cũng phải chấp nhận là chúng có những hạn chế nhất định. Nếu nhận biết những điều này thì nhựa đường EVA cải biến sẽ đóng góp quan trọng vào việc nâng cao hiệu quả kinh tế của đường bộ Anh quốc.

2.5   Cải tiến nhựa đường bằng cách cho thêm cao su dẻo nhiệt

Trong 4 chất đàn hồi dẻo nóng chínhpolyurethane, chất đồng trùng hợp polyether-polyester, các chất alken (olefinic) đồng trùng hợp và chất đồng trùng hợp có đoạn styren, các chất đồng trùng hợp có đoạn styren đã được chứng minh là có tiềm năng lớn nhất khi được trộn với nhựa đường

Chất đồng trùng hợp có đoạn styren thường được gọi là cao su nhiệt dẻo (TR). Cao su nhiệt dẻo có thể được tạo ra bằng cơ chế tạo chuỗi của phản ứng polyme hóa liên tục styren-butadien-styren (SBS) hoặc styren-isopren-styren (SIS). Để tạo ra các polyme nêu trên cần có chất xúc tác trong phản ứng ghép nối. Đối với các polyme không chỉ có các chất đồng trùng hợp thẳng mà còn có các chất đồng trùng hợp có nhiều nhánh có thể được tạo ra; những chất này thường được gọi là các chất đồng trùng hợp phân nhánh hoặc hình rẻ quạt, hình sao.

Cao su nhiệt dẻo có sức bền và tính đàn hồi do liên kết ngang vật lý của phân tử trong mạng lưới khong gian ba chiều. Điều này có được do liên kết của đoạn styren cuối với các khối riêng rẽ, tạo ra liên kết ngang lý học đối với các khối cao su polyisopren hoặc polybutadien ba chiều. Đoạn cuối polystyren sẽ tạo cho polyme có sức bền và đoạn giữa sẽ làm cho vật liệu này có tính đàn hồi đặc biệt.

Ở nhiệt độ trên điểm nhiệt độ hóa thủy tinh của polystyren (1000C), polystyren mềm đi vì khối yếu đi và thậm chí sẽ bị tách ra dưới tác động của mọt ứng suất, đến mức đó cho phép chế biến dễ dàng. Khi nguội đi các khối sẽ lại liên kết lại, sức bền và tính đàn hồi sẽ được phục hồi, điều này có nghĩa là vật liệu này là một chất nhiệt dẻo.

2.5.1   Ảnh hưởng của thành phần cấu tạo của nhựa đường đến các hỗn hợp cao su nhiệt dẻo/nhựa đường

Nhựa đường là những hỗn hợp phức tạp có thể chia ra các nhóm phân tử có cấu trúc tương tự:

Các chất no;

Các chất thơm;

Các chất nhựa;

Các asphalt.

Các chất no và các chất thơm có thể được xem như là các chất mang đối với các chất thơm phân cực như các chất nhựa và các asphalt. Các chất thơm phân cực tạo ra tính đàn hồi – nhớt của nhựa đường. Điều này là do liên kết của các phân tử phân cực mà liên kết đó đẫn đến tạo ra cấu trúc lớn, trong một số trường hợp là cấu trúc mạng lưới có cấu trúc ba chiều như loại nhựa đường “keo”. Mức độ xuất hiện liên kết này phụ thuộc vào nhiệt độ, trọng lượng phân tử của các thành phần, nồng độ của các chất thơm phân cực và lực hòa tan của các chất no và chất thơm trong pha malten. Nếu nồng độ và trọng lượng phân tử của các asphalten là tương đối thấp, thì sẽ tạo ra một loại nhựa đường “sol”.

Cho thêm cao su nhiệt dẻo, với trọng lượng phân tử bằng hoặc cao hơn các asphalten sẽ làm xáo trộn sự cân bằng pha. Polyme và asphalten “cạnh tranh nhau” về lực hòa ta của malten, nếu không có đủ malten, có thể xảy ra hiện tượng tách pha. Cấu trúc của các hệ thống nhựa đường/polyme “thích hợp” và “không thích hợp” được quan sát bằng kính hiểm vi. Hệ thống tương thích có cấu trúc “như bọt biển” đồng nhất trong khi hệ thống không tương thích có cấu trúc thô đứt quãng.

Sự tách pha hay tính không tương thích có thể được kiểm tra bằng một thí nghiệm bảo quản nóng đơn giản. Thiết bị bảo quản được sử dụng cho thí nghiệm này, nó có ba vòi tháo dọc theo chiều dài, phía trên, một phần ba giữa thân và một phần ba ở đáy để có thể thu được mẫu ở ba phần tách biệt. Các thí nghiệm được thực hiện với các mẫu nhựa đường lấy từ đỉnh, một phần ba giữa thân và một phần ba ở đáy bình đựng mẫu. Một số điểm khác biệt về điểm hóa mềm của hai mẫu ở phía trên và đáy của hai loại nhựa đường chứa 7% cao su nhiệt dẻo SBS sau 1,3,5 và 7 ngày bảo quản ở 1400C. Kết quả này đã chứng minh một cách rõ ràng bằng hệ tương thích là cực kỳ ổn định trong khi hệ không tương thích bị phân ly một cách đáng kể với kết quả thực tế là mẫu ở phần đáy sau 7 ngày bảo quản đã không còn chứa polyme nữa

Các nhân tố ảnh hưởng đến độ ổn định các đặc tính kỹ thuật của nhựa đường trong quá trình bảo quản là :

Số lượng và trọng lượng phân tử của các asphalten;

Độ thơm của pha malten;

Lượng polyme có mặt;

Trọng lượng phân tử và cấu trúc của polyme;

Nhiệt độ bảo quản.

2.5.2   Sản xuất các hỗn hợp nhựa đường/cao su nhiệt dẻo

Chất lượng của sự phân tán polyme đạt được bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, nhưng cơ bản là phụ thuộc vào cường độ xé tác động bởi máy trộn. Khi polyme được cho thêm vào nhựa đường nóng, nhựa đường sẽ ngay lập tức bắt đầu thâm nhập vào các hạt polyme làm cho các chuỗi styren của polyme phòng trương lên và dễ hòa tan hơn. Một khi điều đó xảy ra, lực xé đủ lớn sẽ tác động vào các hạt bị trương là yếu tố quyết định có thể đạt được để sự phân tán hoàn toàn cảu các hạt polyme trong thời gian trộn thực tế. Như vậy cần sử dụng các máy trộn có lực xé cao hoặc trung bình đẻ phân tán hoàn toàn cao su dẻo nhiệt vào nhựa đường.

2.5.3   Các đặc tính của hỗn hợp nhựa đường/cao su dẻo nhiệt

Shell Bitumen Vương quốc Anh đã sản xuất hai loại chất liên kết polyme SBS cải tiến là:

·        CARIPHALTE DM

·        CARIPHALTE DA

Bảng 2 – Các đặc tính kỹ thuật đối với CARIPHALTE DM và CARIPHALTE DA

Thí nghiệm/chất liên kết		CARIPHALTE DM	CARIPHALTE DA
Độ kim lún ở 250C	dmm	90±20	130±20
Điểm mềm (IP)	0C	85±10	80±10
Độ nhớt Brookfield, 1500C, mức độ xé 3,36 giây-1	poise	10±4	9±4
Độ kéo dài ở 50C	cm	>5	-
Modun  độ cứng tối thiểu 400C, thời gian chịu tải 1000 giây, mức độ xé 2,5 x 10-4 s-1	kN/m2	>3	-
Độ ổn định bảo quản. Sự khác nhau về điểm mềm đỉnh-xuống đáy sau 7 ngày bảo quản trong một thiết bị hình trụ ở 1600C	0C	<5	<5
Hàm lượng polyme		7,0±1,0	6,0±1,0

CARIPHALTE DM đã được phát triển để sử dụng trong asphalt lu nóng chặt và hỗn hợp bê tông asphalt để rải trên lớp nền làm bằng bê tông nghèo và mặt đường bê tông củ đã bị nhiệt độ gây ra một sự dịch chuyển của lớp bê tông dẫn đến hiện tượng nứt “phản hồi” tới bề mặt đường.

CARIPHALTE DA được phát triển để sử dụng trong hỗn hợp đá nhựa thoát nước và hỗn hợp để rải lớp tạo ma sát.

Các đặc điểm về độ nhớt/nhiệt độ của CARIPHALTE DM và một nhựa đường 50 pen được trình bày trên đồ thị dữ liệu thí nghiệm Heukelom. Hình này cho thấy rõ là ở nhiệt độ cao của con đường, ví dụ 600C, CARIPHALTE DM cứng hơn đáng kể so với nhựa đường 50 pen và do đó chống biến dạng tốt hơn, ở nhiệt độ đường thấp, <00C, CARIPHALTE DM dẻo hơn nhựa đường 50 pen và do đó chống nứt tốt hơn.

Mức độ cải thiện khả năng chóng biến dạng được kiểm tra bằng các thí nghiệm vệt lún bánh xe do cả phòng thí nghiệm đường bộ và vận tải (TRRL) và Shell Research Limited thực hiện. Rõ ràng là có một sự tăng lên đáng kể về khả năng chống biến dạng, tương tự với khả năng chống biến dạng của nhựa đường chịu tải nặng (HD) được phát triển chuyên dụng để chống biến dạng. Những ưu điểm này đã được khẳng định qua các cuộc kiểm nghiệm toàn diện trên thực địa.

Độ dẻo của hỗn hợp đã được định lượng bằng thí nghiệm rão – biến dạng không đổi do TRRL và Shell Research Limited tiến hành. Thí nghiệm mỏi đã được Shell Research Limited thực hiện trên hỗn hợp asphalt lu nóng thi công ở 50C với tần số là 50Hz cho thấy với một phạm vi rộng về tải trọng tác động lên mẫu thí nghiệm CARIPHALTE DM, tuổi thọ rão của hỗn hợp đường nâng lên ít nhất là 3 lần. Như vậy vật liệu này rất phù hợp với những vị trí mặt đường phải chịu tác động của một sức căng cao được lặp đi lặp lại.

Bảng 3 – So sánh mức độ vệt lún bánh xe của mặt đường được rải bằng asphalt lu nóng làm từ nhựa đường 100 pen, HD40 và CARIPHALTE DM

Chất liên kết	Các đặc tính của chất liên kết		Độ lún vệt bánh xe ở 400C,  mm/h
	Kim lún ở 250C, dmm	Điểm mềm (IP), 0C
50 pen	56	52,0	3,2
HD40	42	68,0	0,7
CARIPHALTE DM	84	90,0	0,7

2.6   Các chất liên kết chịu nhiệt

Các chất polyme chịu nhiệt được sản xuất bằng cách trộn hai thành phần lỏng, thành phần dầu là chất nhựa và phần còn lại chứa chất làm cứng. Hai thành phần này kết hợp với nhau về mặt hóa học để tạo ra một cấu trúc 3 chiều vững chắc. Polyme hai thành phần là nhựa epoxy được trộn với nhựa đường biểu hiện các đặc tính trội của nhựa chịu nhiệt cải biến nhiều hơn là đặc tính của nhựa đường. Thế hệ nhựa chịu nhiệt hai thành phần này với những ưu điểm nổi bật đã được phát triển từ 30 năm trước và hiện đang được sử dụng để phủ bề mặt và làm các chất kết dính.

Những sự khác nhau cơ bản giữa nhựa đường (một chất dẻo nhiệt) và các chất liên kết chịu nhiệt là như sau:

·        Khi hai thành phần trong chất liên kết chịu nhiệt được trộn thì thời gian sử dụng sản phẩm này sẽ bị giới hạn, thời hạn này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì thời gian sử dụng càng ngắn;

·        Sau khi một sản phẩm chịu nhiệt được sử dụng nó tiếp tục lưu hóa và tăng sức bền khi có các hợp chất mangang hữu cơ, tốc độ lưu hóa trên mặt đường phụ thuộc vào nhiệt độ trên mặt đường;

·        Khi nhiệt độ tăng lên nhựa đường bị mềm ra và chảy, các chất liên kết chịu nhiệt ít mẫn cảm với nhiệt độ hơn và trong thực tế khong bị tác động của sự thay đổi nhiệt độ trên đường;

·        Chất liên kết chịu nhiệt là một vật liệu đàn hồi, không thể hiện đặc tính nhớt chảy;

·        Chất liên kết chịu nhiệt chống chịu với sự tấn công của hóa chất kể cả các dung môi, nhiên liệu và dầu.

Có ba hệ thống chịu nhiệt đã chứng tỏ tính ưu việt qua các thử nghiệm toàn diện trên mặt đường:

·        SHELLGRIP / SPRAYGRRIP

·        EROPHALT

·        SHELIEPOXY ASPHALT.

Riêng về SHELIEPOXY ASPHALT chứng tỏ rỏ ràng về sự kết hợp giữa sức bền và tính dẻo có thể đạt được bằng cách sử dụng các chất liên kết chịu nhiệt. So sánh các đặc tính của hai loại hỗn hợp asphalt lu nóng, một được làm từ nhựa đường và hỗn hợp còn lại chứa chất liên kết epoxy asphalt. Độ ổn định Marshall của epoxy asphalt có thể lớn hơn 10 lần asphalt thông thường, kết quả vệt lún bánh xe nhỏ đến mức không đo được ở vât liệu epoxy này, chứng tỏ khả năng chống biến dạng dư tuyệt vời. Độ cứng động lực của epoxy asphalt cao hơn đáng kể so với vật liệu truyền thống, đặc biệt là khi nhiệt độ xung quanh cao.

Tuy vậy, các thí nghiệm rão uốn sử dụng asphalt dược liên kết với đĩa thép (mô phỏng sự uốn cong của mặt cầu truyền thống) cho thấy rằng trong thí nghiệm này thời gian rão (tuổi thọ rão) của epoxy asphalt ít nhất lớn hơn một trị số so với asphalt truyền thống.

Kể từ khi được biết đến vào những năm 1960, SHELIEPOXY ASPHALT đã được sử dụng trong nhiều tình huống, điều kiện khác nhau trên toàn thế gới. Vào năm 1986, một cuộc kiểm nghiệm toàn diện trên mặt đường sử dụng chất liên kết epoxy trong hỗn hợp asphalt lu nóng đã được rải trên đường M6 ở Keele, Staffordshire. Cho đến nay người ta vẫn đang tiếp tục đánh giá về cuộc kiểm nghiệm này và hiện tại vật liệu này vẫn đang hoạt động tốt.

Bảng 4 – So sánh các đặc tính chủ yếu của SHELIEPOXY ASPHALT và asphalt truyền thống

Thí nghiệm		SHELIEPOXY ASPHALT	Asphalt truyền thống
Độ ổn định Marshalt	kN	45	7,5
Độ chảy Marshall	mm	4,0	4,0
Thương số Marshall	kN/mm	11,2	1,9
Độ lún vệt bánh xe	mm/h	0	3,2
Mô đun độ cứng (3 điểm trộn, tần số 10Hz, biến dạng 1,8x10-4) 00C 200C 400C 600C	N/m2	2,0x1010 1,2x1010 3,3x109 9,5x108	1,5x1010 3,0x109 4,0x108 -
Chống rão uốn, các chu kỳ dối với sự hư hỏng (mẫu phức hợp: 50mm asphalt trên tấm thép 10mm, độ oằn không đổi 1,0mm, 250C, 5Hz haversine loading) 6% chất liên kết 7% chất liên kết		1,0x106 > 2,0x106	3,0x104 2,0x105

3   Các mối quan hệ giữa chi phí – đặc tính kỹ thuật đối với các chất liên kết cải biến

Đối với bất kỳ sản phẩm cao cấp nào để lấy được niềm tin của các nhà kỹ thuật xây dựng công trình đường cao tốc, nó phải chứng tỏ được hiệu quả kinh tế. Tính vòng dời hay toàn bộ tuổi thọ của một sản phẩm là một phương pháp đánh giá kinh tế mà càng ngày càng được sử dụng nhiều, để quyết định xem chỉ nên bảo dưỡng, sửa chữa hay làm mới một con đường. Trong phương pháp này tất cả các chi phí được được xem xét theo chiết khấu lợi ích – chi phí qua từng thời gian mà con đường yêu cầu. (khái niệm chi phí ròng hiện tại)

Downes và các cộng sự đã xem xét nó để áp dụng riêng cho các nguyên tắc lượng giá vòng đời để xem xét hiệu quả kinh tế của nhựa đường polyme cải tiến trong việc so sánh với các nhựa đường truyền thống. CARIPHALTE DM là một trong các vật liệu cải biến được đánh giá, cho thấy rằng ở một mức chiết khấu 7%, tiết kiệm ròng do sử dụng CARIPHALTE DM đã vượt quá 20% lợi ích cận biên. Nếu các chi phí người sử dụng đường và các khoản tiết kiệm được do giảm thiểu tai nạn giao thông được tính vào thì tiết kiệm sẽ tăng lên tới 45%.

Mặc dù đã làm được nhiều nhưng chúng ta vẫn còn phải làm nhiều hơn nữa. Thực tế, phần lớn các nhựa đường polyme cải biến đã cung cấp các giải pháp vững chắc về mặt kỹ thuật cho việc xây dựng đường bộ. Hầu hết các nhựa đường cải biến đạt được những ưu điểm về đặc tính kỹ thuật với những thay đổi tối thiểu, để được xác minh qua thực tiễn thì càng chắc chắn. Bước tiếp theo là tất cả các thành phần trong công nghiệp sản xuất nhựa đường cùng hợp tác để biết rõ hơn về tiềm năng của các vật liệu này để có thể làm ra những con đường tốt hơn, hiệu quả kinh tế hơn cho lợi ích của cả nền công nghiệp và cộng đồng nói chung.