Sự biến đổi tính chất của Bitum theo thời gian

Ngày đăng: 30-05-2013

Tuy đã được sử dụng ồ ạt làm chất nền liên kết trong hỗn hợp bê tông nhựa từ những năm 1920 nhưng sự biến đổi tính chất của Bitum theo thời gian ít được quan tâm theo dõi. Mãi đến tận những năm đầu thế kỷ 21, khi Chính Phủ Anh đưa ra định hướng tái sử dụng bê tông nhựa cũ, đề tài này mới bắt đầu nhận được nhiều sự đầu tư nghiên cứu trên diện rộng. Trước đòi hỏi ngày càng cao của vấn đề phát triển bền vững, hướng đi này trở nên cấp thiết và là điều kiện sống còn của một doanh nghiệp sản xuất và phân phối bê tông nhựa như Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng BMT.

Đứng trên cái nhìn Vật Liệu Học, bê tông nhựa là một loại composit nền bitum cốt khoáng liệu. Trong đó, cốt liệu thể hiện khả năng chịu cường lực còn bitum chịu trách nhiệm về đặc tính đàn hồi-dẻo của bê tông nhựa. Từ đó, sự biến đổi của bitum quyết định sự biến đổi về tính chất đàn hồi-dẻo tương ứng của bê tông nhựa trong thời gian sử dụng.

Quá trình biến đổi theo thời gian của Bitum xảy ra theo 2 chiều hướng trái ngược nhau: tăng cường hoặc giảm cấp. Tùy thành phần của hệ bitum và điều kiện sử dụng bê tông nhựa sẽ quyết định chiều hướng nào chiếm ưu thế trong từng giai đoạn. Chiều hướng tăng cường xảy ra khi trong hệ bitum diễn ra phản ứng khâu mạng. Các phần tử có khối lượng phân tử nhỏ hơn sẽ kết nối với nhau và trở thành phần tử có khối lượng phân tử lớn hơn (chất bão hòa/aromatic à nhựa à asphaltene) và/hoặc tạo thành mạng lưới không gian giúp chống lại biến dạng trượt. Kết quả là cơ tính của Bitum được tăng cường, khả năng truyền lực giữa các phần tử trong bê tông nhựa tăng lên rõ rệt. Mặt khác, khi các thành phần thấp phân tử trong bitum bị thất thoát do bay bơi hoặc bị hấp phụ vào bên trong các hạt khoáng liệu trong khi lượng asphaltene không thay đổi cũng làm cho tỷ lệ hàm lượng asphaltene trong bitum tăng lên. Hàm lượng Asphaltene càng lớn thì độ cứng của bitum càng cao. Những biến đổi tích cực như thế này sẽ giúp hạn chế hiện tượng trồi lún của mặt đường.

Hình 1: Khi phản ứng khâu mạch xảy ra, các mạch đại phân tử gắn với nhau bằng liên kết hóa học bền vững, tạo thành mạng lướt không gian giúp chống lại biến dạng trượt theo phương tiếp tuyến.

Ngược lại với chiều hướng tăng cường là chiều hướng giảm cấp vật liệu, có thể xảy ra theo 2 cơ chế: giảm cấp vật lý hoặc giảm cấp hóa học.  Hiện tượng giảm cấp vật lý thường xảy ra ở biên giới hạt do sự chênh lệch hệ số co giãn nhiệt giữa bitum và cốt liệu, lâu ngày hình thành các lỗ rỗng tại bề mặt tiếp xúc giữa hạt cốt liệu và bitum. Lỗ rỗng cũng có thể được tạo thành thông qua cơ chế hóa học. Khi hội đủ các điều kiện xúc tác, giữa các thành phần trong bitum xảy ra phản ứng hóa học và thải ra các hợp chất thấp phân tử (ví dụ như H2O hoặc khí H2S). Các hợp chất thấp phân tử này dễ dàng thoát ly ra khỏi hệ bitum nhờ bay hơi hoặc tan vào nước mưa, tạo thành các lỗ rỗng bên trong hệ bitum. Khi các lỗ rỗng đạt đến một mật độ nhất định sẽ tự kết nối với nhau tạo thành các vết nứt tế vi bên trong khối bê tông nhựa, là điều kiện cần cho hiện tượng phá hủy mỏi xảy ra.

Để cải thiện chất lượng con đường và chống lại các hư hỏng như trồi, lún, nứt mai rùa,… , ngoài việc thiết kế một cấp phối phù hợp, chúng ta còn có thể can thiệp vào quá trình biến đổi của bitum khi con đường được đưa vào sử dụng. Bằng cách thêm vào bitum các chất khơi mào,  tác nhân khâu mạch để đẩy nhanh các phản ứng tạo mạng không gian trong bitum; hoặc thêm vào bitum các loại polymer nhiệt rắn để làm tăng sự ổn định nhiệt và khả năng kháng lại biến dạng trượt của bitum, cơ tính của mặt đường bê tông nhựa cũng theo đó mà được nâng cao. Bên cạnh đó, việc hạn chế chiều hướng giảm cấp của bitum cũng là một vấn đề phải giải quyết song song. Việc sử dụng phương pháp hạn chế nào là tùy thuộc vào điều kiện môi trường và tải trọng mà con đường phục vụ.  Có thể làm nhám bề mặt cốt liệu để tăng diện tích tiếp xúc bề mặt giữa cốt liệu và bitum, đồng thời, tăng khả năng hấp phụ dầu trong bitum để tăng tỷ lệ hàm lượng Asphaltene; hoặc cũng có thể sử dụng chất kết dính để giúp liên kết bề mặt bitum – cốt liệu bền vững hơn,… Để tìm ra một giải pháp thích hợp chuyên biệt dành cho điều kiện khí hậu và giao thông ở Việt Nam, việc lựa chọn phương pháp nào là một đề tài cần được đầu tư nghiên cứu bài bản và nghiêm túc.

Tài liệu tham khảo:

Investigating the Effects of Curing Methods on the Compressive Strength of Bitublock, J.P.Forth, J. Mater. Civ. Eng. 2010.22:207-213, 2010.

Vật Liệu Kỹ Thuật, Đặng Vũ Ngoạn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2006.

Materials Science and Engineering 6th Edition-An Introduction, William D. Callister, Jr., John Wiley & Sons, Inc., 2004.

Shell Bitumen Handbook 5th Edition, 2003.

Tác giả: Thạc sỹ Nguyễn Thị Thuỳ Dương

Bộ phận R&D

Công nghệ khác