- KS.Mai Triệu Quang -
Năm 2000 khi Quang tham gia Dự án Cải tạo Quốc lộ 1A đoạn Quảng Ngãi Nha trang (ADB3), làm Trợ lý Giám đốc Dự án Tư vấn Wilbur Smith Associates (WSA) của Hoa Kỳ, cũng đã có thời gian xảy ra hư hỏng mặt đường Quốc lộ 1A trên diện rộng khi Nhà thầu mới chỉ thảm BTN lớp 1(ATB). Tư vấn quốc tế đã có nghiên cứu và chỉ ra một trong các nguyên nhân là tính dính bám với nhựa đường kém của nhiều mỏ đá ở miền Trung. Sau đây xin giới thiệu báo cáo tóm tắt của Tư vấn WSA về chủ đề này.
General Overview
Water plays a critical role in causing damage to asphalt pavements, and one of the consequences of this is the peeling of aggregates and binders. Aggregates have a greater affinity for water than bitumen, as bitumen has lower surface tension and hence, lower wetting power. When water enters under the plastic film, it can weaken the adhesion between the aggregate and the asphalt, causing the resin film to peel off the surface. Soft bitumen and acid-based rock aggregates, or rocks with high silica content, are more prone to flaking. In Central Vietnam, all rocks are acid-based, which increases the risk of flaking. Therefore, it is necessary to consider adding anti-flaking additives to the asphalt mix to ensure the longevity of the pavement on the ADB3 Project.
Anti-Stripping Additives
To enhance the adhesion between bitumen and aggregates, several additives can be utilized, such as Wetfix and Megamine. Hydrated lime powder or PC cement powder can also improve adhesion.
Experiments
Adhesion tests have low accuracy and unreliable results. These tests are performed to assess the ability of the plastic film to interact with or separate from the aggregate. There are various static and mechanical dip tests available to evaluate the adhesion of resins to rocks.
A. Static Embedding Experiments:
Coating and Striping in Stone-Bitumen Blends
Boiling Water Immersion Test (ASTM D3625), also known as the Texas Boiling Water Immersion Test.
Note: These two test methods should not be used to determine the actual performance of a material as there is no established relationship between the results and actual performance.
Swedish Static Embedding Experiment
Compatibility Determination between Aggregates and Binders (Bottle Shaking Test)
B. Mechanical Immersion Tests:
Effect of Water on Adhesion of Compacted Asphalt Mixtures (AASHTO T 165)
Wheel Track Test under Saturation Conditions measures changes in the mechanical and physical properties of the compacted concrete specimen after immersion in water.
4. ADB1 project:
The Texas flask shaking and boiling water immersion experiment was used in the National Highway 1A Nha Trang–Ho Chi Minh City (ADB1) Rehabilitation Project. These experiments were carried out in the Swedish Road Research Institute laboratory. Reports from these experiments concluded that some of the aggregates on this project had poor adhesion properties. This report also shows that the two experiments are compatible, in which the shaker experiment gives more reliable results.
In addition, the experiment to improve adhesion with lime powder was also carried out in Vietnam by the Texas boiling water immersion method. The experimental results showed that adding lime powder increased the adhesion of the bitumen to the aggregate.
5. Liquid additives
At the beginning of the Project, it was decided to determine the adhesion to the bitumen of all aggregates expected to be used to produce the upper and lower asphalt concrete layer for the Project.
On November 18, 2000, aggregate samples and 5 asphalt samples were sent to Diethelm Co., Ltd. in Hanoi, the distributor of AKZO NOBEL anti-stripping additive manufacturer. Samples of the above materials were sent to the AKZO NOBEL Laboratory in Sweden to determine the local aggregate and resin adhesion parameters. Sources of materials are listed in the table below. On January 5, 2001, some additional samples were shipped to Hanoi and sent to Sweden for testing.
These samples were used to conduct static immersion tests to determine the adhesion between aggregates and binders. Sample groups using variable additive content (from 0.4% to 0.6% bitumen content) were conducted in parallel with the control sample (without additives). Sample combinations with the expected concentration using 0.2% were also considered. Adhesion improvement effects are considered at 3 levels:
· Preliminary effects in the first time
· Storage of asphalt mixed with adhesive additives for 3 days at 180oC
· Storage of asphalt mixed with adhesive additives for 7 days at 180oC
The adhesion of the bitumen to the aggregate is evaluated based on the remaining coating area of the aggregate particles after soaking in boiling water. The result is satisfactory when the covered area is more than 80%.
Detailed results are presented in Appendix A&B of this report. The summary of the results is as follows:
Km1266-Sample No. 1
All samples mixed with additives with 0.4% bitumen content gave satisfactory preliminary results (maintained for 3 days). However, it is necessary to use Wetfix BE with a dosage of 0.6% bitumen to ensure thermal stability after 7 days.
Km1318-Sample No. 2
All samples mixed with additives with 0.4% bitumen content gave satisfactory preliminary results (maintained for 3 days). However, it is necessary to use Wetfix BE with a dosage of 0.6% resin to ensure thermal stability after 7 days.
Km1320-Sample No. 3
The control sample without additives showed that the stone-bitumen adhesion was still satisfactory. However, to ensure the long-term working of asphalt concrete pavement, it is recommended to use an additive to increase adhesion with a content of 0.2% bitumen.
Km1397+500-Sample No. 4
It is expected that this mixture of rock and asphalt will be difficult to coat and to ensure better coating, an additive of at least 0.6% Wetfix BE or Megamine BA is required.
Km1445-Sample 5
All samples mixed with additives gave satisfactory preliminary results, maintained for 3 days, 7 days with 0.4% resin content, but to a lesser extent 0.2% can also be accepted.
Km1045+650-Sample B1
All samples mixed with additives with 0.4% bitumen content gave satisfactory preliminary results, but they did not maintain for 3 days.
Km1086+350-Sample B2
All samples mixed with additives with 0.4% bitumen content gave satisfactory preliminary results, but they did not maintain for 3 days.
Km1104+950-Sample B3
All samples mixed with additives with 0.4% resin content gave satisfactory preliminary results, but they did not maintain for 3 days.
Km1125+050-Sample B4
All samples mixed with additives with 0.4% resin content gave satisfactory preliminary results, but they did not maintain for 3 days.
Km1125+050-Sample B5
All samples mixed with additives with 0.4% resin content gave satisfactory preliminary results and:
- Coverage is still satisfactory when maintained for 3 days with 0.4% resin and 0.6% Wetfix BE content.
- Coverage will no longer be satisfactory when maintained for 3 days with the content of 0.4 resin and 0.6% Megamine BA.
- All samples mixed with additives with any bitumen content maintained for 7 days did not give good results.
Km1421+100-Sample B6
All samples mixed with additives with 0.4% bitumen content gave satisfactory preliminary results and:
- Coverage is still satisfactory when maintained for 3 days with 0.4% resin and 0.6% Wetfix BE content.
- Coverage will no longer be satisfactory when maintained for 3 days with the content of 0.4 resin and 0.6% Megamine BA.
- All samples mixed with additives with any bitumen content maintained for 7 days did not give good results.
Km1454+000-Sample B7
All samples mixed with additives with 0.4% bitumen content gave satisfactory preliminary results, but when maintained after 3 days, the coating will no longer be suitable.
6. Uses of hydrated lime and PC cement powder in improving adhesion:
Hydrated lime and PC Cement powder can increase bitumen adhesion to aggregates.
Although the “Bottle Shaking Experiment” is said to be more reliable than the “Texas Boiling Dip Experiment” and there is no conversion factor between the two experiments, the experimental results from the ADB1 project show that while the “Bottle Shaking Test” showed an improvement in the tack properties with the use of anti-flaking additives, the “Texas Boiling Water Dip Test” could do the same and vice versa. While the “Bottle Shake Test” did not show an improvement in the adhesion parameters with the use of anti-flaking additives, the “Texas Boiling Water Dip Test” also did not show an improvement in adhesion.
It can be safely argued that the Texas boiling water immersion test can be used alone to determine the adhesion properties of materials on Project ADB3. While the “Bottle Shaking Test” has permissible limits, the “Texas Boiling Water Dip Test” has no standard allowable limits. However, according to the experimental results, the aggregates in the Ru Ri quarry have quite good adhesion to the bitumen, so they can be used as reference aggregates for the experiment.
According to the experience gained from the ADB1 project, if it is necessary to use hydrated lime or PC cement powder as an anti-flaking additive, the following actions can be carried out:
1. Conduct adhesion tests on aggregate samples at each quarry according to the procedure “Texas ASTM D3625 Boiling Water Dip Test) and the procedure “Test to determine coating and peeling of rock-resin mixtures.” AASHTO T182) and “Static immersion test” as of AKZO NOBEL.
2. Aggregates taken from the Ru Ri mine were used as samples for comparison.
3. Experiment with lime powder content of 0.5%, 1.0%, and 1.5% (According to the total weight of the mixture)
4. With PC cement powder, test with 70%, 75%, and 80% of mineral powder content.
5. Marshall test to determine Marshall criteria
6. Remaining Marshall stability will be determined after 24, 48, 72, and 96 hours of immersion in water.
7. From the above experimental results, the optimal lime and cement powder content will be determined.
1. Giới thiệu chung
Nước là một tác nhân quan trọng gây nên hư hỏng mặt đường nhựa. Một trong các dạng hư hỏng mặt đường nhựa do nước gây nên là sự bong tróc cốt liệu và chất kết dính. Đa số các loại cốt liệu đều có ái lực đối với nước lớn hơn là đối với nhựa đường do nhựa đường có sức căng bề mặt kém hơn và do đó sức thấm ướt cũng thấp hơn. Độ dính bám giữa bề mặt cốt liệu và nhựa đường có thể bị phá vỡ do nước chen vào dưới màng nhựa và làm cho màng nhựa này bong khỏi bề mặt cốt liệu. Thông thường đối với loại nhựa đường mềm hơn hoặc đối với cốt liệu đá gốc a xít hoặc có đá có hàm lượng silica cao thì nguy cơ xảy ra hiện tượng bong tróc sẽ nhiều hơn. Chúng ta đều biết rằng đá ở Miền Trung Việt Nam đều có gốc a xít. Sự dính kết của nhựa với cốt liệu trong hỗn hợp bê tông nhựa là điều kiện cần thiết để đảm bảo tuổi thọ lâu dài của mặt đường, do vậy trên Dự án ADB3 cần phải xem xét việc đưa thêm phụ gia chống bong tróc vào hỗn hợp bê tông nhựa.
2. Các loại phụ gia chống bong tróc
Để cải thiện tính dính bám của nhựa đường và cốt liệu, có thể sử dụng nhiều loại phụ gia khác nhau. Trong số này có thể kể đến Wetfix và Megamine. Việc bổ sung bột vôi thuỷ hoá hoặc bột ximăng PC cũng có thể cải thiện được tính dính bám.
3. Các thí nghiệm
Các thí nghiệm xác định độ dính bám vốn được xem là có độ chính xác rất thấp và ít được tin cậy. Các thí nghiệm này được dung để cố gắng đánh giá khả năng của màng nhựa phản ứng hoặc tách khỏi cốt liệu. Hiện có nhiều thí nghiệm nhúng tĩnh học và cơ học khác nhau để đánh giá độ dính bám của nhựa với đá.
A. Các thí nghiệm nhúng tĩnh học bao gồm:
1. Sự bọc phủ và bong tróc trong hỗn hợp cấp phối đá-nhựa
2. Tác động của nước lên cốt liệu được bọc nhựa trong thí nghiệm ngâm nước sôi (ASTM D3625) còn gọi là Thí nghiệm nhúng nước sôi Texas
Cần lưu ý rằng không nên sử dụng 2 phương pháp thí nghiệm trên để đánh giá sự làm việc thực tế của vật liệu bởi vì chưa có thực nghiệm nào xác định được mối quan hệ này.
3. Thí nghiệm nhúng tĩnh Thuỵ Điển
4. Xác định độ tương thích giữa cốt liệu và chất dính bám (Còn được gọi là thí nghiệm lắc chai)
B. Các thí nghiệm nhúng cơ học bao gồm việc xác định sự thay đổi về các chỉ tiêu cơ lý của mẫu BTN được đầm chặt sau một thời gian ngâm trong nước. Các thí nghiệm này bao gồm:
1. Tác động của nước lên sự dính bám của hỗn hợp bê tong nhựa đã đầm chặt (AASHTO T 165)
2. Thí nghiệm vệt bánh xe trong điều kiện bão hoà
4. Dự án ADB1:
Thí nghiệm lắc bình và ngâm nước sôi Texas đã được sử dụng trong Dự án Cải tạo Quốc lộ 1A Nha Trang–Tp Hồ Chí Minh (ADB1). Các thí nghiệm này đã được tiến hành ở phòng thí nghiệm của Viện nghiên cứu đường bộ Thuỵ Điển. Báo cáo từ các thí nghiệm này kết luận rằng một vài loại cốt liệu trên dự án này có chỉ tiêu dính bám kém. Báo cáo này cũng chỉ ra rằng 2 thí nghiệm có tính tương hỗ với nhau trong đó thí nghiệm lắc bình cho kết quả tin cậy hơn.
Ngoài ra thí nghiệm cải thiện độ dính bám bằng bột vôi cũng đã được thực hiện ở Việt Nam theo phương pháp ngâm nước sôi Texas. Các kết quả thí nghiệm cho thấy việc thêm bột vôi vào đã làm tăng tính dính bám của nhựa với cốt liệu.
5. Các loại phụ gia dạng lỏng
Ở thời gian đầu của Dự án, đã có quyết định phải xác định độ dính bám với nhựa của tất cả các loại cốt liệu dự kiến dùng để sản xuất bê tông nhựa lớp trên và lớp dưới cho Dự án.
Vào ngày 18 tháng 11 năm 2000, các mẫu cốt liệu và 5 mẫu nhựa đường đã được gởi đến Công ty TNHH Diethelm ở Hà nội, là đại lý phân phối của Nhà sản xuất phụ gia chống bong tróc AKZO NOBEL. Các mẫu vật liệu nêu trên đã được gởi đến Phòng thí nghiệm của AKZO NOBEL ở Thuỵ Điển để xác định các chỉ tiêu dính bám của nhựa và cốt liệu địa phương. Nguồn vật liệu được thống kê theo bảng dưới đây. Ngày 5 tháng 1 năm 2001, một số mẫu bổ sung cũng đã được chuyển đến Hà Nội và gởi sang Thuỵ Điển để thí nghiệm.
Các mẫu này đã được dung để tiến hành các thí nghiệm ngâm tĩnh để xác định độ dính bám giữa cốt liệu và chất kết dính. Các tổ mẫu sử dụng hàm lượng phụ gia thay đổi (từ 0.4% đến 0.6% hàm lượng nhựa) đã được tiến hành song song với mẫu đối chứng (không dùng phụ gia). Tổ hợp mẫu với hàm lượng mong đợi dùng 0.2% cũng đã được xem xét. Tác dụng cải thiện dính bám được xem xét ở 3 cấp độ:
· Tác dụng sơ bộ trong thời gian đầu
· Tồn chứa nhựa đường trộn phụ gia dính bám trong thời gian 3 ngày ở 180oC
· Tồn chứa nhựa đường trộn phụ gia dính bám trong thời gian 7 ngày ở 180oC
Độ dính bám của nhựa với cốt liệu được đánh giá dựa vào diện tích bọc phủ còn lại của các hạt cốt liệu sau khi ngâm nước sôi. Kết quả được đánh giá là đạt yêu cầu khi diện tích bọc phủ này lớn hơn 80%.
Các kết quả chi tiết được giới thiệu trong phần phụ lục A&B kèm theo báo cáo này. Tóm tắt kết quả như sau:
Km1266-Mẫu số 1
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu (duy trì trong 3 ngày). Tuy nhiên cần phải dùng Wetfix BE với liều lượng 0.6% nhựa để đảm bảo độ ổn định nhiệt sau 7 ngày.
Km1318-Mẫu số 2
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu (duy trì trong 3 ngày). Tuy nhiên cần phải dùng Wetfix BE với liều lượng 0.6% nhựa để đảm bảo độ ổn định nhiệt sau 7 ngày.
Km1320-Mẫu số 3
Mẫu đối chứng không dùng phụ gia cho thấy độ dính bám đá-nhựa vẫn đạt yêu cầu. Tuy nhiên để đảm bảo sự làm việc lâu dài của mặt đường bê tông nhựa, kiến nghị nên dùng thêm phụ gia tăng dính bám với hàm lượng 0.2% nhựa.
Km1397+500-Mẫu số 4
Người ta cho rằng loại hỗn hợp đá và nhựa đường này sẽ khó bọc phủ, và để đảm bảo cho việc bọc phủ được tốt hơn, yêu cầu dùng phụ gia ít nhất là hàm lượng 0.6% Wetfix BE hoặc Megamine BA.
Km1445-Mẫu số 5
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu, duy trì trong 3 ngày, 7 ngày với hàm lượng 0.4% nhựa, nhưng ở mức độ thấp hơn là 0.2% cũng có thể được chấp nhận.
Km1045+650-Mẫu B1
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu nhưng chúng đều không duy trì được trong 3 ngày.
Km1086+350-Mẫu B2
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu nhưng chúng đều không duy trì được trong 3 ngày.
Km1104+950-Mẫu B3
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu nhưng chúng đều không duy trì được trong 3 ngày.
Km1125+050-Mẫu B4
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu nhưng chúng đều không duy trì được trong 3 ngày.
Km1125+050-Mẫu B5
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu, và:
- Độ bọc phủ vẫn đạt yêu cầu khi duy trì trong 3 ngày với hàm lượng 0.4% nhựa và 0.6% Wetfix BE.
- Độ bọc phủ sẽ không còn đạt yêu cầu khi duy trì trong 3 ngày với hàm lượng 0.4 nhựa và 0.6% Megamine BA.
- Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với bất kỳ hàm lượng nhựa nào duy trì trong 7 ngày cũng đều không cho kết quả tốt.
Km1421+100-Mẫu B6
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu, và:
- Độ bọc phủ vẫn đạt yêu cầu khi duy trì trong 3 ngày với hàm lượng 0.4% nhựa và 0.6% Wetfix BE.
- Độ bọc phủ sẽ không còn đạt yêu cầu khi duy trì trong 3 ngày với hàm lượng 0.4 nhựa và 0.6% Megamine BA.
- Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với bất kỳ hàm lượng nhựa nào duy trì trong 7 ngày cũng đều không cho kết quả tốt
Km1454+000-Mẫu B7
Tất cả các mẫu có trộn phụ gia với hàm lượng 0.4% nhựa đều cho kết quả sơ bộ đạt yêu cầu nhưng khi duy trì sau 3 ngày thì độ bọc phủ sẽ không còn tốt nữa.
6. Công dụng của vôi thuỷ hoá và bột xi măng PC trong việc cải thiện tính dính kết:
Vôi thuỷ hoá và bột Xi măng PC đều có thể làm tăng độ dính kết của nhựa đường với cốt liệu.
Mặc dù “Thí nghiệm lắc chai” được cho là có độ tin cậy cao hơn “Thí nghiệm nhúng nước sôi Texas” và không có hệ số chuyển đổi nào giữa 2 thí nghiệm trên, nhưng kết quả thí nghiệm từ dự án ADB1 cho thấy rằng khi “Thí nghiệm lắc chai” thể hiện sự cải thiện các chỉ tiêu tính dính kết khi dùng phụ gia chống bong thì “Thí nghiệm nhúng nước sôi Texas” cũng có thể thể hiện được như vậy và ngược lại. Khi “Thí nghiệm lắc chai” không thể hiện sự cải thiện các chỉ tiêu dính kết khi dùng phụ gia chống bong thì “Thí nghiệm nhúng nước sôi Texas” cũng không cho thấy sự cải thiện về tính dính kết
Có thể lập luận một cách an toàn rằng thí nghiệm nhúng nước sôi Texas có thể được sử dụng một cách đơn lẻ để xác định các chỉ tiêu dính kết của vật liệu trên Dự án ADB3. Trong khi “Thí nghiệm lắc chai” có các giới hạn cho phép thì “Thí nghiệm nhúng nước sôi Texas” không có giới hạn tiêu chuẩn cho phép nào. Tuy nhiên, bởi vì theo các kết quả thí nghiệm đã làm, cốt liệu ở mỏ Rù Rì có độ dính bám với nhựa khá tốt, chúng có thể được sử dụng như cốt liệu tham khảo cho việc thí nghiệm.
Theo kinh nghiệm thu được từ dự án ADB1, nếu nhất thiết phải sử dụng vôi thuỷ hoá hoặc bột xi măng PC để làm phụ gia chống bong tróc, có thể tiến hành các động tác sau:
1. Làm các thí nghiệm dính bám trên các mẫu cốt liệu ở mỗi mỏ đá theo quy trình “Thí nghiệm nhúng nước sôi Texas ÁTM D3625) và quy trình “Thí nghiệm xác định sự bọc phủ và bong tróc của hỗn hợp đá-nhựa AASHTO T182) và “Thí nghiệm nhúng tĩnh” như của hãng AKZO NOBEL.
2. Cốt liệu lấy từ mỏ Rù Rì được sử dụng như mẫu để đối chiếu.
3. Thí nghiệm với hàm lượng vôi bột 0.5%, 1.0%, 1.5% (Theo tổng trọng lượng hỗn hợp)
4. Với bột xi măng PC, thử với các hàm lượng 70%, 75% và 80% của hàm lượng bột khoáng.
5. Thí nghiệm Marshall để xác định các chỉ tiêu Marshall
6. Độ ổn định Marshall còn lại sẽ được xác định sau 24, 48, 72 và 96 giờ ngâm trong nước.
7. Từ các kết quả thí nghiệm trên sẽ xác định được hàm lượng bột vôi và bột ximăng tối ưu.