CÔNG TY TNHH TM-SX-DV TÍN THỊNH

Độ bám dính cốt liệu của nhựa đường

Ngày đăng: 11/11/2013 22:13

Một trong những chức năng quan trọng của nhựa đường là hoạt động như một chất kết dính để liên kết các hạt cốt liệu lại với nhau.

Chính đặc tính này làm cho Vương quốc Anh thành công rực rỡ trong việc sử dụng nhựa đường trong xây dựng hệ thống đường bộ trong hơn 70 năm qua, với tỷ lệ các trường hợp thất bại là rất hãn hữu. Tuy nhiên, cũng có một số trường hợp xảy ra tình trạng nhựa đường  kết dính kém với cốt liệu hoặc độ bền của cốt liệu kém đưa đến tuổi thọ của mặt đường bị giảm sút nghiêm trọng.

Tuy nhiên nếu không có các tác động của nước, người ta có thể loại bỏ hầu hết mọi vấn đề có liên quan đến khả năng kết dính của nhựa đường đối với các đại đa số các loại cốt liệu (mặc dù nếu cốt liệu chứa quá nhiều bụi, nhựa đường sẽ bị bụi hấp thụ bớt, làm cho lớp nhựa đường phủ bề mặt cốt liệu bị mỏng hơn, và ảnh hưởng đến độ bền của mặt đường). Tuy nhiên, vì cốt liệu dễ bị ướt vì nước hơn là nhựa đường, nên ban đầu sự có mặt của nước trên bề mặt cốt liệu sẽ gây khó khăn cho nhựa đường phủ kín bề mặt cốt liệu, sau đó ảnh hưởng đến khả năng dính bám với từng hạt cốt liệu và liên kết các hạt cốt liệu với nhau. Một mối liên kết yếu giữa các hạt cốt liệu sẽ dẫn đến tình trạng mặt đường bị bong cốt liệu, và nước sẽ chiếm chỗ và đọng lại tại các vị trí bị bong cốt liệu.

Tính chất của các loại cốt liệu khác nhau cũng tác động rất lớn đến độ kết dính của nhựa đường do ái lực của các cốt liệu khác nhau tạo ra với nhựa đường. Phần lớn cốt liệu được phân thành hai nhóm “ưa nước” hay ‘kỵ dầu”. Các cốt liệu có hàm lượng oxyt silic cao như thạch anh, granit tức là những cốt liệu axit thường khó phủ nhựa đường hơn nhũng cốt liệu bazơ như đá bazan hay diabase.

1    Độ kết dính khi không có nước

Nhựa đường kết dính tốt với hầu hết các loại cốt liệu làm đường với điều kiện là các cốt liệu phải sạch, khô, không có bụi bám. Để nhựa đường có thể bám dính tốt với từng hạt cốt liệu, và qua đó có thể liên kết mọi hạt cốt liệu với nhau, nhựa đường cần phải làm ướt được từng hạt cốt liệu, tức là bao phủ hoàn toàn các hạt cốt liệu với độ dày thích hợp. quá trình này bị chi phối phần lớn bởi độ nhớt của nhựa đường. Độ nhớt càng cao thì thời gian làm ướt cốt liệu bằng nhựa đường càng cao. Trong thực tế, điều cần thiết là làm sao để quá trình nhựa đường phủ kín một lượng các hạt cốt liệu nhất định phải thực hiện gần như đồng thời, do đó độ nhớt quá cao sẽ dẫn đến tình trạng nhựa đường không phủ được toàn bộ bề mặt cốt liệu. Điều này đặc biệt quan trọng nếu cốt liệu có nhiều bụi bám, vì lớp bụi trên cốt liệu sẽ được phủ nhựa đường trước, nên nó làm tăng độ nhớt của nhựa đường trên bề mặt cốt liệu và có thể làm cho nhựa đường không phủ hết được bề mặt các hạt cốt liệu lớn. Một khi nhựa đường đã kết dính tốt với toàn bộ các hạt cốt liệu, sự kết dính đó rất hiếm khi bị chi phối, ngoại trừ có sự can thiệp của nước.

2   Kết dính khi có nước

Thực tế sẽ không có vấn đề khó khăn gì khi thi công đường bằng hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu ở Vương quốc Anh, trừ khi thời tiết ẩm ướt hoặc mưa. Hàng năm bất kỳ con đường nào ở Vương quốc Anh cũng đều bị ướt theo thời gian rải rác trong năm, tương đương với 100 trận mưa, với lượng nước 1 insơ mỗi trận. Điều này có nghĩa là mỗi năm mọi con đường đều bị ướt từ 3 tháng đến nữa năm, tùy theo địa phương.

Khi có mưa sẽ nãy sinh ra hai vấn đề có liên quan đến công tác thi công đường bằng hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu: thứ nhất cốt liệu bị ướt trước khi đem trộn với nhựa đường, thứ hai nước mưa làm ướt lớp nền đường sẽ phải rải thảm lên đó. Do không thể trộn nhựa đường với cốt liệu ướt, lạnh, ta phải loại bỏ lớp nước bám trên cốt liệu bằng cách nung nóng cốt liệu. Bằng cách đó ta vẫn giữ được độ nhớt thích hợp của nhựa đường trong quá trình trộn và tạo điều kiện cho nhựa đường lan ra khắp bề mặt cốt liệu một cách đồng đều.

2.1   Hiện tượng không kết dính khi có nước

Tình trạng nhựa đường bị tách khỏi cốt liệu (hay là bong nhựa) thường liên quan đến việc hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu bị thấm nước. Đối với các hỗn hợp đá nhựa như asphalt chặt có độ rỗng thấp, khả năng bị bong nhựa ít khi xảy ra. Đối với các loại vật liệu có thể thấm nước, thậm chí ngay cả khi các vật liệu đó tương đối chặt thì vẫn tồn tai nguy cơ bong nhựa, dẫn đến tình trạng mất sự cố kết ở bên trong và mặt đường có khả năng bị rã ra. Nguy cơ xảy ra bong nhựa , như đã được đề cập ở trên, phụ thuộc vào vai trò và ái lực giữa cốt liệu và nhựa đường, sau đó là khả năng của nhựa đường và cốt liệu chống lại sự chiếm chỗ của nước. Đa số cốt liệu có tính kháng nước tốt, nhưng không may một số lại không có tính kháng nước. Điều này không có nghĩa là chắc chắn thời tiết ẩm ướt sẽ gây ra những vấn đề cho một số loại cốt liệu nào đó, nó chỉ có nghĩa là thời tiết ẩm ướt là một nguy cơ đối với công tác thi công đường mà thôi. Kinh nghiệm thực tiễn qua nhiều năm cho thấy rằng mặt đường được rải bằng vật liệu sản xuất bằng cốt liệu có ái lực bình thường đối với nhựa đường thì thường đạt được các đặc tính kỹ thuật thỏa đáng trong điều kiện bình thường, phần lớn thất bại của những vật liệu đó là do thời tiết bất thường hoặc tải trọng giao thông quá lớn.

Một cuộc khảo sát toàn quốc về vấn đề mặt đường làm bằng hỗn hợp đá nhựa đường hư hỏng sớm, đã cho thấy một số trường hợp hư hỏng là do vấn đề bong nhựa và tính năng kết dính với cốt liệu của nhựa đường. Kết quả từ cuộc khảo sát này là các quan sát từ một số hiện trường cho thấy có hai loại hư hỏng đường phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu được công nhận là:

·        Hư hỏng do loại cốt liệu thô trong hỗn hợp, tức là cốt liệu không đạt độ cứng tiêu chuẩn, khi mà cốt liệu có chất liệu không đồng đều (dù đạt các tiêu chuẩn qua kiểm tra) thì các vết rổ trên đường được hình thành, cuối cùng chúng kết hợp lại với nhau để tạo thành các ổ gà lớn;

·        Sự hư hỏng mối liên kết nhựa đường/ cốt liệu dẫn đến thiếu sự cố kết và bong nhựa làm cho mặt đường bị bong cốt liệu, bị bào mòn nhanh hơn. Tình trạng này xảy ra với cả cốt liệu mềm và cốt liệu cứng có ái lực kém với nhựa đường.

Bản chất của cốt liệu khoáng, đặc biệt là bột khoáng, là yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kết dính với cốt liệu của nhựa đường. Sự khác nhau giữa các loại nhựa đường đã được ghi nhận chủ yếu là do sự khác biệt về đặc tính lưu biến.

Điều này có thể được minh họa bằng cách so sánh các đặc tính Marshall của bêtông asphalt trước và sau khi ngâm trong nước 4 ngày ở nhiệt độ 60⁰C. Thí nghiệm này cho thấy sự khác nhau giữa các nhựa đường chủ yếu là do sự khác nhau về độ rỗng của các mẫu trong thí nghiệm đó. Sự biến động về độ rỗng do các mẫu được đầm lèn ở cùng một nhiệt độ, nhưng không cùng một nhiệt độ đồng nhớt. Sự khác nhau giữa các nhựa đường được loại bỏ khi các mẫu thí nghiệm được đầm ở nhiệt độ đồng nhớt.

Sự ổn định Marshall còn lại sau khi thí nghiệm được biểu hiện để so sánh với lượng nước được hấp thụ sau bốn ngày ngâm mẫu thí nghiệm ở nhiệt độ 60⁰C. Tầm quan trọng của mức độ hấp thụ nước của cốt liệu và đặc tính nổi trội của các loại cốt liệu và bột khoáng khác nhau. Lượng nước được hấp thụ phụ thuộc vào độ rỗng của hỗn hợp, và với một độ rỗng cụ thể thì lượng nước được hấp thụ thấp hơn đáng kể nếu bột khoáng là bột đá vôi và thậm chí còn thấp hơn nữa nếu có mặt vôi tôi. Nếu chỉ số ổn định Marshall thấp hơn 30%, lượng nước được hấp thụ lớn hơn độ rỗng của hỗn hợp cho thấy rằng chắc chắn đã có hiện tượng mẫu thí nghiệm nở ra đáng kể. Điều này đã gợi ra rằng một số hư hỏng xảy ra được cho là do mất sự kết dính giữa cốt liêụ và nhựa đường, nhưng trong thực tế có thể do một số hư hỏng trong cấu trúc của hỗn hợp.

3   Các đặc tính cơ bản của nhựa đường/cốt liệu/nước

Sự thế chỗ của một chất lỏng trên bề mặt rắn bằng một chất lỏng khác sinh ra từ các lực lý hóa hoạt động trong hệ thống đó. Bề mặt của hầu hết cốt liệu được tích điện, ví dụ: silic là một thành phần cơ bản của đá Igneous, có đặc điểm là tích điện âm yếu do sự có mặt của các nguyên tử ôxy trên bề mặt, các nguyên tử đó không hoàn toàn bảo hòa về điện. Liên kết hóa học giữa nhựa đường và cốt liệu cơ bản là do lực phân tán tương đối yếu trong khi nước thường bị phân cực rất mạnh, bị hút mạnh vào bề mặt cốt liệu được tích điện âm bởi các lực định hướng.

Bề mặt cốt liệu do đó hoặc là có độ ưa nước lớn hay nhỏ, hoặc kỵ dầu. Các cốt liệu có tính axit ưa nước hơn các cốt liệu bazơ. Nếu bề mặt của một cốt liệu ướt, nó hầu như không thể phân tán nước vào nhựa đường, do đó nhựa đường rất khó bám vào bề mặt cốt liệu. Tuy nhiên, nước lại có khả năng xâm nhập vào giữa lớp màng nhựa đường và bề mặt cốt liệu, tách nhựa đường ra khỏi cốt liệu.

Các điều kiện tồn tại khi một vật rắn hoàn toàn bị ướt nước và nhựa đường được đưa vào một hệ thống. Nếu gốc tiếp xúc giữa 3 pha Ø và năng lượng bề mặt của hệ vật rắn/nhựa đường, vật rắn/nước và nhựa đường/nước theo thứ tự là ^_sb  , ^_sw  , ^_bw  thì việc thế chỗ nước thêm một đơn vị diện tích đá sẽ bằng:

W  =  ^_sb  +  ^_bw  -  ^_sw

Bây giờ để đạt đến sự cân bằng phương trình Young và Dubré được thỏa mãn:

^_sb    =  ^_sw  +  ^_bw  cosØ

Từ đó ta có:

W  =  ^_bw  (1  +  cosØ)

Như vậy Wα^_bw   (năng lượng giao diện nhựa đường/nước)

Và  W =  f(Ø)  (góc tiếp xúc)

Vì vậy nếu giảm ^_bw  và tăng Ø lên ta có thể nâng cao khả năng kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu.

Trong trường hợp với một nhựa đường, Ø luôn luôn <90⁰C và như vậy yếu tố (1+cos Ø) luôn luôn >1, có nghĩa cần một công đáng kể để làm cho nhựa đường chiếm chỗ nước và do đó nhựa đường có xu hướng tập trung lại thành giọt trên bề mặt rắn (tuy nhiên, có thể làm ướt cốt liệu bằng nhựa đường nếu sử dụng một áp lực ao).

Giá trị và có thể thay đổi cả hai bằng cách cho thêm các hóa chất nhất định vào hệ thống. Khi một chất hoạt động bề mặt cation được hòa tan vào nhựa đường nó sẽ được hấp thụ mạnh vào bề mặt cốt liệu và góc tiếp xúc được tăng lên (cũng có nghĩa là năng lượng giao diện giữa nhựa đường và nước sẽ được giảm đi), tức là nhựa đường chiếm chỗ của nước có thể xảy ra. Có một tác hại cố hữu khi sử dụng chất phụ gia hóa học để làm giảm năng lượng bề mặt nước/nhựa đường đó là xu hướng nhựa đường tạo ra nhũ tương trong nước tăng lên.

4   Các yếu tố tác động đến sự kết dính nhựa đường/cốt liệu

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ kết dính nhựa đường trên cốt liệu nhiều và phức tạp. Một số trong các ảnh hưởng đó trong đó xấp xỉ 80% được xem là có thể kiểm soát được trong quá trình sản xuất và thi công đường. Dưới đây là một số yếu tố đặc biệt quan trọng cần lưu tâm để có thể đạt được là duy trì một độ kết dính tốt.

Tầm quan trọng của thành phần khoáng học của cốt liệu đã được thừa nhận từ nhiều năm. Đặc điểm hóa lý của cốt liệu là quan trọng, với khả năng kết dính là một hàm số của thành phần hóa học, hình dạng và cấu trúc, hóa trị còn lại và diện tích bề mặt của cốt liệu. Tổng quát hóa về ảnh hưởng của khoáng học là khó vì các tác động của kích thước hạt, hình dạng và cấu trúc của hạt cũng rất quan trọng. Tuy vậy, phần lớn những trường hợp không kết dính thường là có liên quan đến cốt liệu silic như granxit, rhiolit, thạch anh, đá phiến silic… Việc đạt được các đặc tính kỹ thuật thỏa mãn với các cốt liệu này và các thất bại xảy ra khi sử dụng các cốt liệu có tính chống bong tốt như đá vôi nói lên sự phức tạp của quá trình kết dính nhựa đường/cốt liệu.

Hóa trị dư hoặc diện tích bề mặt trên một cốt liệu cũng là những yếu tố quan trọng. Các cốt liệu có điện tích bề mặt dao động thì có năng lượng bề mặt. Nếu bề mặt cốt liệu bị phủ một chất lỏng có tính phân cực đối nghịch thì nhu cầu về năng lượng bề mặt có thể được đáp ứng, một mối liên kết bám dính được hình thành. Trong khi đó có hai loại chất lỏng cùng có mặt, ví dụ như nhựa đường và nước, thì chất lỏng nào có thể đáp ứng tốt nhất năng lượng bề mặt sẽ hầu như bám chặt lấy cốt liệu. Do đó, hiện tượng bong nhựa đường khi có nước có thể liên quan đến điện tích bề mặt. Trong khi nước làm cân bằng điện tích bề mặt tốt hơn nhựa đường thì nhựa đường có thể sẽ bị tách rời khỏi bề mặt cốt liệu nhường chỗ cho nước.

Bảng 1 – Các đặc tính của vật liệu và các tác động của ngoại cảnh ảnh hưởng đến liên kết nhựa đường/cốt liệu

Các đặc tính của cốt liệu	Các đặc tính của nhựa đường	Các đặc tính của hỗn hợp	Các tác động của bên ngoài
Khoáng học Cấu trúc bề mặt Độ xốp Bụi Độ bền Hấp thu Độ ẩm Hình dạng Tính chống chịu thời tiết	Lưu biến học Phân cực về điện Thành phần cấu tạo	Độ rỗng Khả năng thấm Hàm lượng nhựa đường Độ dày màng nhựa đường Loại khoáng chất Cấp phối Loại hỗn hợp trộn	Lượng mưa Độ ẩm Độ pH nước Sự có mặt của muối Nhiệt độ Chu kỳ nhiệt độ Giao thông Thiết kế Tay nghề thi công Thoát nước

 

Sự hút bám cơ lý nhựa đường vào bề mặt cốt liệu phụ thuộc vào một số nhân tố gồm tổng thể tích các khoảng rỗng có thể thấm được, kích thích các lỗ hổng, đồng thời cũng phụ thuộc vào độ nhớt  và sức căng bề mặt của nhựa đường. Các lỗ vi cấu trúc mịn, lỗ rỗng và các vết nứt nhỏ có thể làm tăng đáng kể sự hút bám bề mặt sẵn có đối với nhựa đường. Điều đó chứng tỏ rằng các phần tử nhựa đường được hút bám mạnh vào bề mặt tới một độ sâu xấp xỉ 180 A⁰. (đơn vị đo độ dài, một A⁰ = 10^-8 cm)

Các nhân tố khác tác động đến độ kết dính ban đầu và sau đó là mối liên kết giữa nhựa đường – cốt liệu là cấu trúc bề mặt của cốt liệu, sự hiện diện của bụi trên mặt các hạt cốt liệu và với một mức độ ít hơn là độ pH của nước  giữa các bề mặt nhựa đường - cốt liệu. Nói chung bề mặt cốt liệu càng xù xì thì tính bám dính càng tốt. Tuy nhiên cần có một sự cân bằng để đạt được khả năng nhựa đường làm ướt cốt liệu (bề mặt nhẵn dễ bị làm ướt hơn). Điều này cho thấy mối liên kết  cơ học tốt trên bề mặt cốt liệu xù xì có thể quan trọng hơn tính chất khoáng học của cốt liệu để duy trì được sự kết dính nhựa đường/cốt liệu.

Như đã được trình bày ở bảng 1, các đặc tính của nhựa đường cũng đóng một vai trò quan trọng trong sự kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu. Đặc biệt là độ nhớt của nhựa đường trong quá trình phủ cốt liệu và trong thời gian con đường đang được sử dụng, tính phân cực, thành phần cấu tạo, tất cả đều ảnh hưởng đến tính chất kết dính. Tuy nhiên, bản chất của cốt liệu là nhân tố ảnh hưởng nhiều nhất đến sự kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu.

5   Cơ chế trong mối liên kết

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm xác định cơ chế của quá trình phá vỡ mối liên kết nhựa đường trong hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu. Có hai kiểu hư hỏng trong hệ nhựa đường/cốt liệu, đó là nhựa đường bị mất tính chất kết dính nội tại và khả năng bám dính giữa nhựa đường và cốt liệu bị phá vỡ. Nếu cốt liệu sạch, khô và sau đó nhựa đường được chống thấm một cách hiệu quả, thì dạng hư hỏng là do nhựa đường mất khả năng kết dính nội tại. Tuy nhiên, khi có nước, dạng hư hỏng gần như chắc chắn là do nhựa đường và cốt liệu không kết dính với nhau. Một số cơ chế gây ra hiện tượng mất liên kết có thể được xác định là:

5.1   Sự chiếm chỗ

Lý thuyết về sự chiếm chỗ phát sinh từ việc xem xét cân bằng nhiệt động học của 3 pha trong hệ thống đó là nhựa đường/cốt liệu/nước. Nếu nước được đưa vào ở một giao diện nhựa đường/cốt liệu sau đó xem xét về năng lượng bề mặt cho thấy rằng nhựa đường sẽ co lại trên bề mặt cốt liệu. Một hạt cốt được lớp màng nhựa đường bám vào, ở điểm A cho thấy vị trí tiếp xúc cân bằng giữa nhựa đường và cốt liệu khi không có nước. Khi tiếp xúc với nước điểm cân bằng dịch chuyển hay co lại trên bề mặt tới điểm B. Đây là vị trí cân bằng mới có một góc tiếp xúc mới, góc đó sẽ phụ thuộc vào chủng loại và độ nhớt của nhựa đường được sử dụng.

5.2   Sự tách rời

Sự tách rời xảy ra khi nhựa đường và cốt liệu được tách ra bởi một lớp nước mỏng hoặc bụi cho dù không thấy rõ sự rạn nứt trên bề mặt lớp màng nhựa đường. Mặt dù lớp màng nhựa đường bao bọc hoàn toàn bề mặt hạt cốt liệu, nhưng mối liên kết bám dính không tồn tại nữa, do đó lớp màng nhựa đường có thể dễ dàng bị tróc ra khỏi bề mặt cốt liệu. tình trạng này là do nước thấm vào giữa nhựa đường và cốt liệu.

5.3   Đứt lớp màng nhựa đường bao quanh cốt liệu

Đứt màng nhựa đường xảy ra khi nhựa đường phủ hoàn toàn cốt liệu nhưng ở mép cốt liệu sắc cạnh hoặc gồ ghề, nơi lớp nhựa đường mỏng nhất, nước có thể thấm qua lớp nhựa đường vào bề mặt cốt liệu. Sự thâm nhập của nước có thể ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái hơi. Một khi quá trình này đã bắt đầu nước sẽ trải ra giữa nhựa đường và cốt liệu, làm cho lớp nhựa đường bị tách rời ra khỏi bề mặt cốt liệu. Tốc độ mà nước có thể thấm và tách lớp nhựa đường ra phụ thuộc vào độ nhớt của nhựa đường, bản chất của bề mặt cốt liệu, độ dày lớp nhựa đường, sự có mặt của bột khoáng chất cũng như các thành phần khác như các hoạt chất có hoạt tính bề mặt. Một khi lớp nhựa đường mỏng đã bị tách khỏi bề mặt cốt liệu thì áp suất do các phương tiện giao thông tác động lên mặt đường sẽ làm cho lớp nhựa đường bao bọc cốt liệu bị đứt và nhựa đường sẽ co lại, để lộ cốt liệu bị nước bao phủ ra,

5.4   Phồng rộp và rỗ

Nếu nhiệt độ của nhựa đường trên mặt đường tăng lên, độ nhớt của nhựa đường sẽ giảm đi. Nếu điều này xảy ra cùng với một cơn mưa vừa xảy ra trước đó, nhựa đường có thể nổi lên trên bề mặt các bọt nước tạo ra mọt vết rộp. Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng lên, vết rộp mở rộng để lại một vết rỗ lõm xuống trên mặt đường, qua các vết rỗ đó nước có thể tiếp cận bề mặt cốt liệu.

5.5   Sự xói mòn do thủy lực

Xói mòn do thủy lực xảy ra ở lớp mặt đường và do hoạt động của tải trọng lốp xe tạo ra mặt đường bị ngập nước. Nước tạo thành sóng khi xe chạy qua khu vực ngập nước, tác động một áp lực vào các phần rỗng trên mặt đường ở phía trước lốp xe khi đi qua, gây ra một chu kỳ căn – nén ở các kẽ hở của bề mặt đường, điều đó là cho nhựa đường bị bong khỏi bề mặt cốt liệu. Bụi lơ lững và bùn ở trong nước có thể hoạt động như là chất mài mòn và đẩy nhanh quá trình phá hủy sự liên kết giữa nhựa đường và cốt liệu.

5.6   Áp lực nước lỗ rỗng

Cơ chế bong mối liên kết rất quan trọng nhất là ở những nơi hỗn hợp hở và đầm lèn không đạt yêu cầu. Đối với các dạng hỗn hợp này, nước chui vào các khoảng trống, lưu lại tại đó và tạo ra áp lực khi các phương tiện giao thông đi lại trên mặt đường, gọi là áp lực tại các lỗ rỗng. Quá trình này tạo ra các dòng kênh bao quanh giao diện nhựa đường/cốt liệu đẫn đến mối liên kết giữa chúng bị phá hủy. Khi nhiệt độ gia tăng , nước bị kẹt trong các lỗ rỗng nở ra, gia tăng mức độ di chuyển phá hủy phá hủy sự liên kết giữa nhựa đường và cốt liệu. Nhiệt độ thấp dẫn đến hình thành băng trong các lỗ rỗng cũng có tính phá hoại tương tự.

5.7   Mất liên kết hóa học

Sự khuếch tán nước qua lớp nhựa đường mỏng có thể tạo ra lớp nước trên bề mặt cốt liệu. Sự có mặt của nước làm cho bề mặt cốt liệu chấp nhận một điện tích âm so với nhựa đường chỉ hơi tích điện âm. Điều này dẫn đến hai bề mặt tiếp xúc với nhau được tích điện âm và kết quả là chúng sẽ đẩy nhau. Như vậy, càng nhiều nước được hút vào bề mặt cốt liệu thì liên kết giữa cốt liệu và màng nhựa đường bao quanh cốt liệu càng bị tách ra.

6   Kiểm tra độ kết dính

Chúng ta mong muốn có một phương pháp đáng tin cậy để xác định, lượng hóa được chất lượng độ kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu khi có nước trong phòng thí nghiệm. Nhiều phương pháp thí nghiệm đã được xây dựng nhằm so sánh các mức độ kết dính giữa cốt liệu và nhựa đường. Tuy nhiên, đối với phần lớn các thí nghiệm này, chúng ta có rất ít thông tin có liên quan đến các đặc tính hoạt động trong thực tiễn của nhựa đường. Trong hầu hết các thí nghiệm về độ kết dính, hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu được ngâm trong nước trong các điều kiện được kiểm soát. Độ bong nhựa đường được xác định sau một khoảng thời gian thí nghiệm. Các thí nghiệm này khác nhau về yếu tố như chủng loại mẫu được sử dụng, các điều kiện thí nghiệm và phương pháp đánh giá mức độ bong. Trong tất cả các thí nghiệm đó, cốt liệu đã được phủ nhựa đường được ngâm trong nước. Các thí nghiệm phủ nhựa đường lên cốt liệu trong điều kiện có nước cũng được tiến hành, trong trường hợp này, mức độ nhựa đường phủ lên bề mặt cốt liệu được sử dụng như là một chỉ số về độ kết dính.

Các thí nghiệm về độ kết dính giảm xuống còn 6 loại sau:

·        Các thí nghiệm ngâm nước tĩnh;

·        Các thí nghiệm ngâm nước động;

·        Các thí nghiệm ngâm trong dung dịch hóa học;

·        Các thí nghiệm ngâm nước dưới tác động cơ học;

·        Các thí nghiệm ngâm nước có sự tác động của bánh xe thí nghiệm;

·        Các thí nghiệm phủ nhựa đường.

Trên đây là một số thí dụ về mỗi một loại thí nghiệm này, nhưng trong hầu hết các trường hợp từng thí nghiệm thuộc mỗi loại khác nhau về chi tiết, hơn là khác nhau về nguyên lý.

6.1   Các thí nghiệm ngâm nước tĩnh

Trong loại thí nghiệm này, cốt liệu được trộn nhựa đường sau đó ngâm trong nước và độ bong được ước tính bằng quan sát sau một thời gian hỗn hợp được ngâm trong nước. Thực chất, thí nghiệm này gồm đá dăm kích cỡ khoảng 14mm được trộn một loại nhựa đường cho trước. Cốt liệu được trọng nhựa đường này sau đó được ngâm trong nước cất ở 25⁰C trong 24 giờ. Tỷ lệ phần trăm nhựa đường bị bong ra khỏi cốt liệu được tính bằng cách quan sát. Mặc dù độ hội tụ của thí nghiệm này không cao, nhưng nó cũng cho thấy rằng việc xếp hạng cốt liệu do các phòng thí nghiệm khác nhau thực hiện là giống nhau. Như vậy, có thể so sánh các kết quả thí nghiệm với đặc tính kỹ thuật biểu hiện trên đường. Tuy nhiên, có một số trường hợp rủi ro khi cốt liệu có kết quả thí nghiệm ngâm nước tĩnh kém lại có đặc tính biểu hiện trên đường tốt, và ngược lại cốt liệu khong bị bong trong thí nghiệm lại có biểu hiện kém trên đường.

6.2   Các thí nghiệm ngâm nước động

Loại thí nghiệm này rất giống với thí nghiệm ngâm nước tĩnh nhưng mẫu thí nghiệm được lắc cơ học bằng cách lắc hoặc đảo trộn. Đối với mức độ bong được ướt tính bằng quan sát cùng với sự điều chỉnh khi mà hỗn hợp đó vẫn giữ độ kết dính hay tách ra từng viên cốt liệu. Độ hội tụ của thí nghiệm này cũng rất kém.

6.3   Các thí nghiệm ngâm trong dung dịch hóa học

Trong thí nghiệm này cốt liệu đã được trộn nhựa đường được đun sôi trong các dung dịch có chứa cacbonat natri với các nồng độ khác nhau. Nồng độ của dung dịch cacbonat natri mà trong đó hiện tượng bong kết dính giữa nhựa đường – cốt liệu bắt đầu xuất hiện được sử dụng như là đơn vị đo độ kết dính. Tuy vậy, người ta vẫn chưa xác định được rõ liệu các điều kiện nhân tạo của thí nghiệm có cho giá trị tin cậy trong dự đoán các đặc tính của hỗn hợp nhựa đường – cốt liệu trên mặt đường hay không.

6.4   Các thí nghiệm ngâm nước dưới tác động cơ học

Các thí nghiệm ngâm cơ học để xác định sự thây đổi của một đặc điểm cơ học của nhựa đường đã được đầm sau khi ngâm nước. Như vậy, tỷ số của đặc tính sau khi ngâm nước chia cho đặc tính ban đầu là cách gián tiếp xác định mức độ bong nhựa đường – cốt liệu.

Một số đặc tính cơ học có thể xác định được gồm : cường độ cắt, cường độ kéo uốn và cường độ nén. Có thể thông dụng nhất là thí nghiệm Marshall, tỷ số độ ổn định Marshall sau và trước khi ngâm được biết đến như là độ ổn định Marshall duy trì và thường được ghi lại dưới dạng tỷ lệ phần trăm.

Shell đã thực hiện một thí nghiệm Marshall duy trì như là một phần của các thử nghiệm QUALAGON của nhựa đường. Trong phiên bản của Shell về thí nghiệm này có ít nhát là 8 mẫu Marshall được sản xuất từ một chủng loại cốt liệu, cấp phối, hàm lượng nhựa đường và độ rỗng đã được quy định. Sau đó 4 mẫu sẽ được kiểm tra theo phương pháp Marshall tiêu chuẩn, bốn mẫu còn lại được xử lý chân không trong nước ở nhiệt độ từ 0 – 1^oC để cho các lỗ hổng trong hỗn hợp được chứa đầy nước. Sau đó mẫu được giữ trong bồn nước 60^oC trong 48 giờ, cuối cùng độ ổn định Marshall của chúng được xác định. Tỷ lệ của độ ổn định Marshall được giữ này chia cho độ ổn định Marshall tiêu chuẩn được gọi bằng một thuật ngữ là độ ổn định Marshall duy trì.

Giá trị độ ổn định Marshall tuyệt đối nằm trong phạm vi tương đối rộng và không hội tụ, ít lặp lại là một đặc điểm gắn liền với thí nghiệm Marshall. Tuy nhiên, người ta đã tìm ra rằng xem xét tỷ lệ phần trăm so với kết quả thu được từ quy trình tiêu chuẩn đã làm giảm sự khác nhau giữa các phòng thí nghiệm khác nhau.

6.5   Các thí nghiệm ngâm nước có sự tác động của bánh xe

Hầu như tất cả các thí nghiệm được mô tả trên đây không đề cập đến tác động của các loại phương tiện giao thông đến hiện tượng bong nhựa, trong khi thực tế hoạt động giao thông đóng một vai trò quan trọng trong việc làm bong nhựa đường. Một thí nghiệm mô phỏng tác động của giao thông là thí nghiệm ngâm – vệt lún bánh xe. Thí nghiệm này gồm có 3 bánh xe bọc lốp đặc, 3 bánh xe đó được để nằm ngang qua 3 mẫu hỗn hợp đá nhựa đường có cấu trúc hở. Các bánh xe chạy và chuyển động qua lại với một tầng số là 25 vòng 1 phút. Mỗi bánh xe được bố trí có tổng tải trọng là 20 kg lên mẫu. Các mẫu thí nghiệm được để nằm ngang và hơi ngập một chút trong bồn nước.

Hỗn hợp đá nhựa đường được đầm lèn trong khuôn ở các điều kiện tiêu chuẩn và được để đông đặc trong một thời gian ngắn trước khi nhúng. Nhiệt độ bồn nước bình thường là 40⁰C. Các tiêu chuẩn đã được chấp nhận để xác định độ bong nhựa là thời gian cần để tạo ra hư hỏng, thời gian bắt đầu xảy ra hư hỏng và thời gian cuối cùng mà hư hỏng xảy ra. Người ta đã chứng minh là có một mối tương quan chặt chẽ giữa sự hư hỏng, bong nhựa đường trên các con đường giao thông chịu tải trọng nặng và các biểu hiện của vật liệu tương tự như trong thí nghiệm ngâm – vệt lún bánh xe. Các thí nghiệm trên 17 loại cốt liệu khác nhau đã cho thấy một sự biến động rộng về thời gian gây hỏng với độ trùng lặp khoảng 30% giá trị thời gian gây hỏng trung bình. Một nghiên cứu về ảnh hưởng của độ nhớt của nhựa đường đến thời gian hư hỏng đã cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa logarit của độ nhớt và thời gian hư hỏng trung bình. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian mà hư hỏng xảy ra gồm:

·        Hình dạng cốt liệu;

·        Mức độ chèn móc giữa các hạt cốt liệu với nhau trong hỗn hợp;

·        Độ nhớt của nhựa đường;

·        Chuẩn bị mẫu thí nghiệm.

6.6   Các thí nghiệm trộn

Các thí nghiệm trộn là một cố gắng nhằm thu được độ kết dính giữa một cốt liệu và nhựa đường trong điều kiện có nước can thiệp. Ví dụ thí nghiệm khay ngâm gồm một khay chứa nhựa đường ngâm vào nước và sau đó rải đá dăm vào bề mặt nhựa đường qua nước. Thí nghiệm này cực kỳ có ích cho việc kiểm tra các chất hoạt động bề mặt nâng cao độ kết dính giữa nhựa đường và cốt liệu như thế nào nhằm sử dụng trong kỹ thuật thi công lớp mặt đường trong các điều kiện ẩm ướt.

7   Nâng cao độ kết dính nhựa đường/cốt liệu

Vôi tôi thường được sử dụng như một phụ gia chống bong trong các hỗn hợp nhựa đường nóng. Nó thường được kết hợp như một thành phần bột khoáng với tỷ lệ từ 1 – 3 % tính theo trọng lượng. Người ta cho rằng vôi tôi phản ứng với axit cacboxylic có mặt trong nhựa đường và tạo điều kiện cho các nhóm cacbony khác như etone tự gắn vào bề mặt cốt liệu. Các thành phần này không dễ bị nước loại bỏ như axit, vì vậy các vật liệu này ít mẫn cảm với sự bong tách hơn. Để thay thế, người ta đã đề xuất rằng trong các hỗn hợp có chứa vôi tôi, nếu nước có mặt trong giao diện nhựa đường/cốt liệu, một dung dịch vôi tôi sẽ có kết quả tốt. Ion canxi trong dung dịch làm cho bề mặt cốt liệu trở nên có tính bazơ hơn và cân bằng điện hóa học buộc nước tránh xa giao diện nhựa đường/cốt liệu và trở thành một nhũ tương trong nhựa đường. Cân bằng này sau đó sẽ tác động để gắn vào bề mặt kỵ nước của khoáng chất. Vôi tôi trong trường hợp này vẫn được phân tán trong nhựa đường hay hòa tan trong nước. Hình 1 minh họa rõ ràng lợi ích của việc cho thêm 2 % tính theo trọng lượng vôi tôi cho vào hỗn hợp.

Đối với một số loại cốt liệu, độ kết dính có thể được cải thiện bằng cách cho thêm một chất phụ gia nhất định. Nhìn chung các chất phụ gia đóng vai trò :

·        Thay đổi điều kiện giao diện giữa nhựa đường và cốt liệu để nhựa đường được ưu tiên làm ướt cốt liệu

·        Tăng cường mối kết dính giữa cốt liệu và nhựa đường do đó nâng cao tính chống bong tách của nhựa đường do thấm nước trong thời gian dài.

Chuỗi dài amin cơ bản tạo cơ sở cho một số chất tăng độ bám dính thương mại sẵn có cho các hỗn hợp nhựa đường. Các amin về bản chất là các cation và được hút vào bề mặt cốt liệu khoáng. Phần còn lại của phân tử amin là một chuỗi dài hydrocacbon có thể tương thích với nhựa đường, kết quả cuối cùng là hình thành mối liên kết ion giữa nhựa đường và cốt liệu.

Số lượng chất làm tăng độ kết dính được cho thêm vào nhựa đường  khoảng 0,1 – 1% (theo trọng lượng nhựa đường). Nó có thể được cho thêm vào nhựa đường trước khi trộn với cốt liệu hoặc trộn với cốt liệu trước khi cốt liệu trộn với nhựa đường. Mặc dù việc làm ướt cốt liệu ban đầu bằng nhựa đường được tăng lên, hiệu quả của một số phụ gia bám dính trong việc nâng cao kết quả dính khi phải liên tục tiếp xúc với nước trong thời gian dài có thể là một vấn đề cần được nghiên cứu thêm.

Bởi vì chức năng của chất phụ gia này là tương tác với các nhóm phân cực trên bề mặt cốt liệu, chúng cũng sẽ tương tác với các nhóm phân cực ở nhựa đường, do đó phải đạt được nồng độ tới hạn của chất phụ gia nếu muốn chất này làm tăng độ kết dính của nhựa đường. Hơn nữa, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và cả trong kinh nghiệm thực tiễn đều cho thấy rằng các kết hợp nhựa đường/cốt liệu khác nhau có thể cần các loại phụ gia khác nhau hoặc nồng độ sử dụng phụ gia khác nhau để đạt được đặc tính kỹ thuật tối ưu.

Việc sử dụng các chất phụ gia không phải xuất phát từ bất kỳ khiếm khuyết nào về đặc tính kỹ thuật của nhựa đường, mà đây là một cơ hội để phát huy tốt các đặc tính kỹ thuật của nhựa đường theo các yêu cầu của một dự án nào đó hoặc cho phép sử dụng được các loại cốt liệu nào đó mà trong trường hợp khác lẽ ra đã phải loại bỏ.

Theo “Tài liệu kỹ thuật Nhựa đường Shell  Singapore”

• Ảnh hưởng Styrene-Butadiene-Styrene đến các chỉ tiêu kỹ thuật của nhựa đường 60/70 (16/10/2015)
• Sách (07/09/2015)
• Các dạng hỗn hợp vật liệu nhựa đường và ứng dụng của chúng (13/12/2013)
• Các loại nhựa đường cải tiến (09/12/2013)
• Độ bền của nhựa đường (30/10/2013)
• Ảnh hưởng của các đặc tính nhựa đường trong thi công (27/10/2013)