Nhựa đường và các chất kết dính từ nhựa đường
1. Nhựa đường
1.1 Khái niệm
– Nhựa đường (Bitumen, Asphalt): theo hệ tiêu chuẩn của Châu Âu, thuật ngữ tiếng Anh “Bitumen” được hiểu như thuật ngữ “Asphalt” của Hoa Kỳ; thuật ngữ tiếng Việt thường dùng “Nhựa đường”.
– Nhựa đường là sản phẩm cuối cùng thu được từ công nghệ lọc dầu mỏ (Hình 1.1), là hỗn hợp phức tạp gồm các hợp chất Hydrocabua cao phân tử: CnH2n+2, CnH2n, Hydrocacbua thơm mạch vòng (CnH2n-6) và một số dị vòng có chứa O, S, N; ở trạng thái tự nhiên, có dạng đặc quánh.
Hàm lượng các nguyên tố trong nhựa đường: 80% ÷ 87% Cacbon (C), 10% ÷ 15% Hydro (H), 2% ÷ 8% Lưu huỳnh (S), 0.5% ÷ 2% Nitơ (N), 1% ÷ 5% Oxy (O).
[Giải thích: các nguyên tố không phải là Cacbon có các nguyên tử trong bộ khung phân tử chất hữu cơ được gọi chung là dị tố (oxi, lưu huỳnh hay nitơ,…). Thông thường người ta gọi các hợp chất dị vòng (có tính bền tương đối) là các hợp chất hữu cơ mà phân tử của chúng có cấu tạo vòng kín và trong vòng có chứa một hay nhiều dị tố.]
Hình 1.1 Sơ đồ minh họa chưng cất phân đoạn dầu thô
– Thành phần nhựa đường (bitum):
+ Các chất asphanten quyết định tính rắn của bitum, muốn bitum càng rắn thì phải có hàm lượng asphanten càng cao.
+ Các chất nhựa quyết định tính dẻo và khả năng gắn kết (tính xi măng hóa) của bitum.
+ Các chất dầu làm tăng khả năng chịu đựng sương gió, nắng mưa của bitum.
Một loại bitum tốt, chịu thời tiết tốt, có độ bền cao thì phải có thành phần như sau: 25% nhựa, 15-18% asphanten, 52-54% dầu. Tỷ lệ asphanten và nhựa 0.5-0.6; tỷ lệ nhựa và asphanten so với dầu từ 0.8-0.9.
Cặn của dầu mỏ chứa nhiều parafin rắn là nguyên liệu xấu trong sản xuất bitum. Bitum sẽ có độ bền thấp, tính gắn kết kém do có nhiều hydrocacbon không phân cực. Ngược lại, cặn dầu mỏ loại aromatic hoặc naphten – aromatic là nguyên liệu rất tốt để sản xuất bitum.
Các bitum có chất lượng chưa tốt có thể được biến tính để thu được chất lượng cao hơn bằng cách oxy hóa với O2 trong không khí ở 170oC đến 260oC. Trong quá trình oxy hóa, một số phần dầu sẽ chuyển sang nhựa, nhựa sẽ chuyển thành asphanten, do đó có thể thay đổi được thành phần của loại bitum không tốt.
1.2 Một số tính chất đặc trưng của nhựa đường
– Độ xuyên kim: đại lượng đặc trưng cho độ quánh của bitum, độ lún càng nhỏ bitum càng quánh
– Độ giãn dài: đại lượng đặc trưng tính dẻo của bitum, độ kéo dài càng lớn thì tính dẻo của bitum càng cao.
– Tính ổn định nhiệt: khi nhiệt độ thay đổi, tính cứng, tính dẻo của bitum cũng thay đổi theo. Nếu sự thay đổi này càng nhỏ thì tính ổn định nhiệt của bitum càng cao.
Tính ổn định nhiệt của bitum phủ thuộc vào thành phần hóa học của nó. Hàm lượng asphanten trong bitum tăng thì tính ổn định nhiệt của bitum cũng tăng; ngược lại hàm lượng parafin tăng thì tính ổn định nhiệt giảm.
– Tính ổn định với thời gian: là khả năng của bitum chống lại tác động của môi trường xung quanh. Do ảnh hưởng của thời gian mà tính chất và thành phần của bitum thay đổi. Sự thay đổi đó gọi là sự hóa già của bitum.
Sở dĩ bitum hóa già là do sự bay hơi của các chất nhóm dầu, làm cho tính quánh của bitum tăng lên, tính dẻo giảm xuống, bitum trở nên giòn.
– Ngoài ra còn có cá tính chất khác như: nhiệt độ bốc cháy, sức căng về mặt, trọng lượng riêng,…
2. Phân loại nhựa đường
2.1 Nhựa đường đặc (Bitum)
a) Phân loại nhựa đường theo độ kim lún
b) Phân loại (cấp) nhựa đường theo PG (Performance-Graded: theo đặc tính làm việc) (TCVN 13049:2020)
2.2 Nhựa đường Polyme
2.3 Nhựa đường lỏng (nhựa lỏng) TCVN 8818
2.4 Nhũ tương nhựa đường
2.5 Bitum bọt
– Bitum bọt là bitum được đun nóng đến 160°C ÷ 180°C, sau đó trộn với một lượng nước nguội trong buồng giãn nở chuyên dụng. Kết quả là bitum được tạo bọt, tăng thể tích bitum lên khoảng 10-20 lần thể tích ban đầu, dẫn tới bitum phân bố dễ dàng trong hỗn hợp tái sinh.
– Các loại bitum với độ kim lún trong khoảng 60÷200 đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật quy định Thông tư số 27/2014/TT-BGTVT ngày 28/7/2014 của Bộ Giao thông vận tải được dùng để tạo bọt.
– Bitum bọt phải được kiểm tra trong phòng thí nghiệm để xác định các đặc tính tạo bọt thông qua tỷ lệ giãn nở (ER) và chu kỳ bán hủy (τ1/2); các chỉ tiêu kiểm tra phải phù hợp với yêu cầu tối thiểu ở Bảng 1.
Bảng 1. Giới hạn đặc tính tạo bọt
|
Nhiệt độ hỗn hợp tái sinh |
10°C tới 25°C |
Lớn hơn 25°C |
Phương pháp thử |
| Tỷ lệ giãn nở nhỏ nhất, ER (lần) |
10 |
8 |
Phụ lục A |
| Chu kỳ bán hủy ngắn nhất, τ1/2 (giây) |
8 |
6 |
Tài liệu tham khảo:
[1]. PGS.TS Đinh Thị Ngọ, Hóa học dầu mỏ và khí, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội 2006;
[2]. Quyết định số 1086/QĐ-BGTVT ngày 29/5/2018 Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tải. Ban hành “Quy định kỹ thuật về thiết kế, thi công và nghiệm thu lớp tái sinh nguội bê tông nhựa tại chỗ bằng bitum bọt và xi măng trong kết cấu áo đường ô tô” để áp dụng trong cải tạo, sửa chữa và nâng cấp kết cấu áo đường ô tô;
(Đang cập nhật)