Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Ảnh hưởng của lưu huỳnh làm phụ gia bê tông nhựa - Trường Đại học Giao thông Vận tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THU TRANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG NHỰA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN THU TRANG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI SỬ DỤNG LÀM PHỤ GIA CHO BÊ TÔNG NHỰA Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 9580205 Chuyên ngành: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS Phạm Huy Khang 2.TS Bùi Xuân Cậy HÀ NỘI – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Phạm Huy Khang và GS. Bùi Xuân Cậy. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa ai công bố.

Tác giả luận án Nguyễn Thu Trang LỜI CẢM ƠN Trước hết, với lòng biết ơn sâu sắc nhất, NCS xin gửi lời cảm ơn đến hai Thầy đã trực tiếp hướng dẫn là GS. Phạm Huy Khang và GS. Bùi Xuân Cậy. Hai Thầy đã luôn tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hỗ trợ NCS ngay từ định hướng nghiên cứu ban đầu và trong suốt quá trình nghiên cứu.

NCS xin chân thành cảm ơn PGS. Nguyễn Quang Phúc và các thầy cô Bộ môn Đường bộ - Trường Đại học GTVT đã luôn nhiệt tình hỗ trợ NCS, cung cấp những tài liệu khoa học hết sức quý giá để thực hiện đề tài nghiên cứu này. NCS vô cùng cảm ơn TS. Trần Ngọc Hưng và các cán bộ Trung tâm thí nghiệm Đường bộ cao tốc – Trường Đại học Công nghệ GTVT, Phòng thí nghiệm LAS-XD72 đã tận tình giúp đỡ NCS thực hiện thí nghiệm trong luận án này.

Ngoài ra, TS. Trần Ngọc Hưng cũng đã cung cấp cho NCS nhiều tài liệu có giá trị cho đề tài nghiên cứu. NCS cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng thí nghiệm XD-LAS1721 – Công ty Kinh doanh nhựa đường ICT; Trung tâm phân tích, thí nghiệm công nghệ cao Trường Đại học Mỏ địa chất; Phòng hóa phân tích – Viện hóa học thuộc Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng – Bộ môn Vật liệu xây dựng - Trường Đại học GTVT đã giúp NCS hoàn thành một số thí nghiệm trong phạm vi nghiên cứu của luận án. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học GTVT, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn, tạo điều kiện của Ban Giám hiệu Trường, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa công trình.

NCS xin trân trọng cảm ơn. NCS xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Bộ môn Đường bộ, Khoa công trình - Trường Đại học Công nghệ GTVT đã quan tâm, ủng hộ, tạo điều kiện thuận lợi cho NCS hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, NCS xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới người thân trong gia đình của NCS đã luôn động viên, ủng hộ, giúp đỡ về tinh thần và vật chất cho NCS trong suốt thời gian thực hiện luận án. Trân trọng cảm ơn! Nghiên cứu sinh Nguyễn Thu Trang i MỤC LỤC MỞ ĐẦU.

TỔNG QUAN VỀ LƯU HUỲNH VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG ASPHALT. Tổng quan về lưu huỳnh. Khái niệm, nguồn gốc và ứng dụng của lưu huỳnh. Hình thái của lưu huỳnh.

Hệ thống tinh thể. Các dạng thù hình của lưu huỳnh. Sự chuyển đổi của các thù hình. Đặc tính của lưu huỳnh.

Điểm nóng chảy và kết tinh. Khối lượng riêng. Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum trong bê tông asphalt. Cơ chế tương tác giữa lưu huỳnh và bitum.

Liên kết hóa học bitum – lưu huỳnh. Lưu huỳnh hòa tan trong bitum. Lưu huỳnh tinh thể trong bitum và bê tông asphalt. Các loại bitum, lưu huỳnh dùng trong bê tông asphalt – lưu huỳnh (BTAS).

Các loại bitum sử dụng trong sản xuất bê tông asphalt – lưu huỳnh. Các loại lưu huỳnh dùng làm phụ gia cho bê tông asphalt. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới và ở Việt Nam. Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt trên thế giới.

Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt của Tập đoàn Shell ở một số nước trên Thế giới. Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong bê tông asphalt tại Liên bang Nga [75], [76], [77], [78]. Một số kết quả nghiên cứu của FHWA [40], [41]. Tổng quan về vật liệu lưu huỳnh và các nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam.

Vật liệu lưu huỳnh tại Việt Nam. Nghiên cứu ứng dụng lưu huỳnh trong xây dựng mặt đường bê tông asphalt tại Việt Nam. Xác định mục tiêu, phương pháp nghiên cứu của luận án. Mục tiêu nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, HÌNH THÁI, THÀNH PHẦN HÓA HỌC, ĐẶC TÍNH CỦA CHẤT KẾT DÍNH BITUM – LƯU HUỲNH (SBB). Chế tạo mẫu SBB. Lựa chọn vật liệu trong nghiên cứu.

Chế bị mẫu SBB. Lựa chọn hàm lượng lưu huỳnh, nhiệt độ trộn, thời gian trộn mẫu và tuổi mẫu thí nghiệm. Quy trình chế bị mẫu SBB. Nghiên cứu cấu trúc, hình thái, thành phần hóa học của SBB.

Các phương pháp phân tích xác định cấu trúc, thành phần và các đặc trưng của vật liệu [17]. Phương pháp nhiễu xạ tia X phân tích cấu trúc tinh thể (Xray Powder Diffraction - XRD). Phương pháp quang phổ hồng ngoại xác định thành phần hóa học của chất kết dính bitum và SBB [17]. Phương pháp nghiên cứu hình thái vật chất bằng kính hiển vi điện tử quét SEM (Scanning Electron Microscop) [17].

Kế hoạch thí nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, bitum, SBB. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hình thái, cấu trúc, thành phần hóa học của lưu huỳnh, chất kết dính bitum, SBB. Cấu trúc lưu huỳnh Dung Quất. Kết quả thí nghiệm phân tích thành phần hóa học của chất kết dính SBB.

Kết quả phân tích hình thái học của chất kết dính SBB. Nghiên cứu một số chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính SBB. Lựa chọn các chỉ tiêu thí nghiệm, kế hoạch thí nghiệm. Lựa chọn các chỉ tiêu thí nghiệm.

Kế hoạch thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính. Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của chất kết dính. Kết quả thí nghiệm độ kim lún (0,1mm). Kết quả thí nghiệm nhiệt độ hóa mềm (°C).

Kết quả thí nghiệm cắt động lưu biến trên máy DSR. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định độ nhớt của chất kết dính SBB. Một số kết quả thí nghiệm chỉ tiêu kỹ thuật khác của chất kết dính SBB. Kết luận chương 2.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRONG PHÒNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU HUỲNH KHI LÀM PHỤ GIA CHO BÊTÔNG ASPHALT. Thiết kế thành phần hỗn hợp BTAS và BTA đối chứng. Lựa chọn phương pháp thiết kế thành phần BTAS và BTA đối chứng. Lựa chọn loại BTA, loại chất kết dính SBB cho BTAS trong nghiên cứu.

Lựa chọn loại BTA trong nghiên cứu. Lựa chọn hàm lượng lưu huỳnh sử dụng trong BTAS. Tính toán hàm lượng chất kết dính SBB trong hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phụ gia lưu huỳnh. Lựa chọn nhiệt độ trộn và đầm nén hỗn hợp BTA và BTAS.

Lựa chọn cốt liệu và bột khoáng trong nghiên cứu. Thiết kế thành phần cấp phối bê tông asphalt chặt 12,5. Xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu cho hỗn hợp BTA và BTAS theo phương pháp Marshall. Trình tự thiết kế hỗn hợp bê tông asphalt sử dụng phụ gia lưu huỳnh.

Trình tự xác định hàm lượng bitum tối ưu theo phương pháp Marshall. Kế hoạch thí nghiệm. Chế bị mẫu BTAS. Kết quả xác định hàm lượng chất kết dính tối ưu.

Lựa chọn các thí nghiệm thực hiện trong phòng. Nghiên cứu cấu trúc vi mô của BTAS. Phương pháp nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu.

Độ ổn định, độ dẻo Marshall, độ ổn định còn lại. Kế hoạch thí nghiệm Marshall. Kết quả thí nghiệm và phân tích. Các chỉ tiêu về thể tích.

Kết quả phân tích độ ổn định Marshall. Kết quả phân tích độ dẻo Marshall. Độ ổn định còn lại. Khả năng kháng lún vệt bánh xe.

Phương pháp và kế hoạch thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm. Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp C. Khả năng kháng lún vệt bánh xe của BTAS theo phương pháp A.

Mô đun đàn hồi tĩnh của BTAS. Phương pháp thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh. Kế hoạch thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh. Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi tĩnh.

Cường độ kéo uốn của BTAS và BTA. Kế hoạch thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn của BTAS và BTA. Phương pháp thí nghiệm xác định cường độ kéo uốn. Kết quả thí nghiệm cường độ kéo uốn.

Khả năng kháng nứt của BTAS và BTA. Kế hoạch thí nghiệm xác định khả năng kháng nứt của BTAS và BTA. Phương pháp thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm xác định khả năng kháng nứt và phân tích.

Mô đun động của BTAS và BTA. Những vấn đề chung về mô đun đàn hồi động của BTA. Kế hoạch thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm mô đun động. Kế hoạch thí nghiệm mô đun động.

Phương pháp thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm và đánh giá mô đun động. Xây dựng đường cong chủ mô đun động của BTAS và BTA. Mô hình hóa mô đun động của BTAS và BTA.

Lựa chọn mô hình. Đánh giá sự phù hợp của mô hình 2S2P1D với kết quả thí nghiệm. Kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG ASPHALT – LƯU HUỲNH TRONG XÂY DỰNG MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ.

Kết cấu áo đường mềm điển hình trên tuyến quốc lộ ở Việt Nam. KCAĐ trên các tuyến đường quốc lộ huyết mạch Eyc ≥(160–180) MPa. KCAĐ trên các tuyến đường quốc lộ khác Eyc ≥(140–155)MPa. KCAĐ trên các tuyến đường đô thị Eyc ≥(140–190)MPa.

Đề xuất cấu tạo kết cấu áo đường mềm ứng dụng BTAS làm lớp mặt trong kết cấu áo đường ô tô ở Việt Nam. Kiểm toán các lớp kết cấu mặt đường mềm theo 22TCN 211-06.