Tác động của chất trẻ hóa lên tính chất lão hóa của nhựa đường

Khả năng giảm chi phí xây dựng và phát thải môi trường đã khiến việc sử dụng mặt đường nhựa tái chế (RAP) làm cốt liệu trong hỗn hợp nhựa đường nóng trở thành một giải pháp thay thế hấp dẫn cho các cơ quan quản lý đường bộ. Hiện nay, xu hướng tăng hàm lượng RAP trong mặt đường nhựa và tái chế 100% RAP trong hỗn hợp nhựa đường đang gia tăng. Tuy nhiên, chất kết dính RAP đã bị lão hóa và cứng hóa, khiến hỗn hợp chứa RAP dễ bị mỏi và nứt nhiệt. Việc bổ sung chất phục hồi có thể làm giảm độ nhớt của chất kết dính RAP 100%, cho phép khôi phục một số đặc tính ban đầu của chất kết dính đã lão hóa để đạt được hiệu suất phù hợp của hỗn hợp. Bài báo này nhằm mục đích xác định đặc tính lão hóa của chất kết dính RAP 100% trẻ hóa và so sánh với nhựa đường nguyên sinh. Ba loại chất phục hồi đã được đánh giá trong nghiên cứu này. Các thử nghiệm lưu biến được thực hiện trên nhựa đường bao gồm điểm mềm hóa, độ xuyên kim và mô đun cắt phức tạp. Các thử nghiệm được thực hiện ở 3 giai đoạn lão hóa: không lão hóa, lão hóa RTFOT (Thử nghiệm Lò Màng Mỏng Lăn), và lão hóa kết hợp RTFOT và PAV (Thử nghiệm Lò Màng Mỏng Lăn). Quá trình lão hóa của nhựa đường được mô tả bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). Kết quả cho thấy quá trình lão hóa của nhựa đường nguyên sinh chậm hơn so với nhựa đường tái sinh. Tuy nhiên, không có sự khác biệt đáng kể giữa quá trình lão hóa của nhựa đường trộn với các loại chất tái sinh khác nhau.

Giới thiệu

Tính bền vững môi trường hướng đến mục tiêu kéo dài tuổi thọ của hàng hóa và dịch vụ, đồng thời giảm thiểu tác động của chúng đến hệ sinh thái trong suốt vòng đời. Một cách để giải quyết vấn đề bền vững trong ngành công nghiệp mặt đường là sử dụng vật liệu tái chế để thay thế một tỷ lệ nhất định vật liệu nguyên sinh được sử dụng trong quá trình sản xuất nhựa đường nóng (HMA), chẳng hạn như cốt liệu và chất kết dính nhựa đường. Việc sử dụng mặt đường nhựa tái chế (RAP) là một giải pháp thay thế khả thi cho các cơ quan giao thông vận tải và nhà sản xuất nhựa đường để sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn. Vật liệu RAP là hỗn hợp bitum và cốt liệu tái sử dụng được tạo ra từ quá trình nghiền và/hoặc nghiền nát mặt đường cũ và bị hư hỏng để bổ sung vào hỗn hợp nhựa đường mới.

Có xu hướng tăng hàm lượng RAP trong HMA không chỉ vì nó giúp bảo tồn các nguồn tài nguyên không tái tạo mà còn loại bỏ các vấn đề xử lý vì nó làm giảm nhu cầu về bãi chôn lấp và giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí vòng đời bằng cách giảm nhu cầu về vật liệu và nhiên liệu nguyên sinh để xử lý và vận chuyển vật liệu. Tuy nhiên, việc đưa RAP vào hỗn hợp nhựa đường làm dấy lên mối lo ngại về chất kết dính nhựa đường vốn có mà hỗn hợp nhận được từ RAP. Nhựa đường từ RAP bị cứng lại do lão hóa do quá trình oxy hóa trong quá trình sản xuất và sử dụng. Việc trộn chất kết dính nhựa đường cũ, bị oxy hóa và do đó đã cứng lại từ RAP với chất kết dính nhựa đường nguyên sinh tạo ra chất kết dính nhựa đường cứng hơn chất kết dính nhựa đường nguyên sinh. Để chống lại quá trình cứng lại của chất kết dính và làm mềm hỗn hợp nhựa đường tái chế, cần phải sử dụng chất làm trẻ hóa. Chất làm trẻ hóa giúp thay thế lượng dầu bị mất trong quá trình cứng lại do lão hóa và cân bằng lại thành phần của hỗn hợp nhựa đường tái chế.

Độ cứng của hỗn hợp RAP phụ thuộc vào loại cốt liệu và cấp phối của nó, độ cứng và lượng chất kết dính già hóa trong RAP, là những yếu tố chính [1], [2]. Do đó, do chất kết dính RAP bị oxy hóa cứng lại trong quá trình già hóa, chúng có thể có hiệu suất thấp hơn về khả năng bong tróc, tuổi thọ chịu mỏi và độ bền. Việc xây dựng các nhà máy bê tông nhựa đường mới với các trống đặc biệt để bổ sung tỷ lệ phần trăm RAP cao giúp về mặt kỹ thuật có thể tái chế nhựa đường lên đến 100% khi bổ sung chất làm trẻ hóa vào hỗn hợp. Tuy nhiên, những lo ngại về hiệu suất của hỗn hợp RAP đã áp đặt những hạn chế về tỷ lệ phần trăm RAP tối đa ở hầu hết các quốc gia. Hiện nay, các hoạt động nghiên cứu mở rộng đã bắt đầu trên toàn thế giới để khắc phục những hạn chế về hàm lượng RAP trong hỗn hợp nhựa đường.

Nhiều nghiên cứu đã đánh giá tác động của các chất trẻ hóa khác nhau lên các đặc tính kỹ thuật và hiệu suất của nhựa đường. Người ta đã chứng minh rằng các chất trẻ hóa làm giảm đáng kể độ cứng và cải thiện khả năng chống nứt [3], [4], [5]. Do đó, có thể thu được các đặc tính lưu biến giống nhau của chất kết dính nguyên bản mục tiêu bằng cách trộn chất kết dính đã già hóa với chất trẻ hóa, tuy nhiên, thành phần hóa học, tỷ lệ asphalten so với malten của chất kết dính đã trẻ hóa khác đáng kể so với nhựa đường nguyên bản [6], [7], [8] có thể ảnh hưởng đến hiệu suất lâu dài của hỗn hợp RAP. Hiệu suất của chất kết dính đã trẻ hóa cũng phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng chất trẻ hóa, do đó, cần xác định lượng chất trẻ hóa tối ưu cho các loại chất kết dính khác nhau [3], [6], [7].

Một nghiên cứu đã được khởi xướng tại EMPA – Phòng thí nghiệm khoa học và công nghệ vật liệu liên bang Thụy Sĩ nhằm đánh giá tác động của chất làm trẻ hóa lên các đặc tính lão hóa của 100% RAP và so sánh chúng với đặc tính của nhựa đường nguyên chất. Ba loại chất làm trẻ hóa khác nhau đã được đánh giá trong nghiên cứu này. Là chất kết dính nguyên chất mục tiêu, nhựa đường có cấp độ thâm nhập tiêu chuẩn 70/100, được sử dụng rộng rãi ở Thụy Sĩ, đã được chọn. Lượng chất làm trẻ hóa được thêm vào chất kết dính đã lão hóa được xác định để đạt được độ thâm nhập của chất kết dính nguyên chất mục tiêu, nhựa đường 70/100. Thay vì chiết xuất chất kết dính đã lão hóa từ RAP, nhựa đường có cấp độ thâm nhập tương tự như chất kết dính RAP, nhựa đường 40/50, đã được sử dụng trong nghiên cứu. Các thử nghiệm lưu biến được thực hiện trên nhựa đường bao gồm điểm làm mềm, độ thâm nhập và mô đun cắt phức tạp. Các thử nghiệm được thực hiện ở ba giai đoạn lão hóa: không lão hóa, lão hóa bằng lò màng mỏng lăn (RTFOT), và lão hóa kết hợp RTFOT và bình lão hóa áp suất (PAV). Quá trình lão hóa của nhựa đường được xác định bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). Các đặc tính lão hóa của chất kết dính nguyên sinh mục tiêu và nhựa đường 40/50 với các chất trẻ hóa khác nhau đã được so sánh.

Đặc tính của chất làm trẻ hóa

Ba loại chất làm trẻ hóa được sử dụng trong nghiên cứu này được ký hiệu là RJ1, RJ2 và RJ3. Độ nhớt động lực học, điểm chớp cháy và các đặc tính của chất làm trẻ hóa. RJ1 và RJ2 có cùng nguồn sản xuất và độ nhớt tương tự nhau. RJ3 có độ nhớt thấp hơn và điểm chớp cháy cao hơn RJ1 và RJ2.

Do sự khác biệt về tỷ trọng giữa nhựa đường nguyên chất 40/50 và chất làm trẻ hóa, việc trộn đồng đều chất làm trẻ hóa với nhựa đường không đạt được bằng cách sử dụng

Xác định hàm lượng chất làm trẻ hóa

Lượng chất làm trẻ hóa cần thêm vào nhựa đường 40/50 được xác định để đạt được độ xuyên kim tương tự của nhựa đường nguyên chất có độ xuyên kim 70/100. Các lượng chất làm trẻ hóa khác nhau, từ 2 đến 6% khối lượng chất kết dính, được thêm vào nhựa đường 40/50 và các giá trị độ xuyên kim đã được đo. Độ xuyên kim, điểm hóa mềm và mô đun phức hợp ở tần số 1,25 Hz.

Nghiên cứu này đã xác định hành vi lão hóa của nhựa đường với ba loại chất trẻ hóa RJ1, RJ2 và RJ3, và so sánh với nhựa đường nguyên sinh. Nhựa đường có cấp độ thâm nhập 40/50 đã được sử dụng để mô phỏng các đặc tính của chất kết dính RAP. Hàm lượng chất trẻ hóa được xác định để đạt được các đặc tính lưu biến tương tự của nhựa đường nguyên sinh mục tiêu 70/100, khi được trộn với nhựa đường 40/50. Hiệu suất của nhựa đường được đánh giá thông qua điểm hóa mềm, và độ thâm nhập.