CÔNG TY TNHH TM-SX-DV TÍN THỊNH

Tổng quan về nhựa đường

TỔNG QUAN VỀ NHỰA ĐƯỜNG

Nông nghiệp

.............

3.        Các loại chất kết dính khác nhau

Như đã trình bày ở phần trước, vẫn có nhiều sự nhầm lẫn tồn tại khi phân loại các chất kết dính được sản xuất từ than đá (các loại hắc ín, nhựa đường than đá…) và các chất kết dính được sản xuất từ dầu thô.Puzinauskas và Corbett đã xem xét lại một cách chi tiết về sự khác nhau về mặt từ ngữ phát sinh từ sự khác nhau trong ý nghĩa của từ “asphalt” ở châu Âu và Bắc Mỹ. Ở châu Âu, asphalt luôn có ý nghĩa là một hỗn hợp giữa nhựa đường và các phụ gia khoáng, dùng để chỉ các hợp chất như asphalt đầm nén, vữa nhựa đường, gussasphalt… Tuy vậy, ở Bắc Mỹ “asphalt” chỉ có nghĩa là nhựa đường.

 Phần mô tả tóm tắt xuất xứ và cách sản xuất các loại nhựa đường sau đây sẽ làm rõ phần nào sự khác biệt giữa các loại vật liệu nêu trên.

3.1   Asphalt thiên nhiên khai thác từ hồ

Đây là một dạng asphalt thiên nhiên nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi nhất, được tìm thấy dưới dạng từng mỏ lộ thiên, mỏ quan trọng nhất nằm ở Trinidad. Người ta cho rằng mỏ này đã được ngài Walter Raleigh phát hiện ra vào năm 1595. Tuy nhiên ngày nay người ta đã biết rằng người Bồ Đầu Nha, có thể cả người Tây Ban Nha đã biết về sự tồn tại của mỏ này trước năm 1595. Dẫn chứng đầu tiên và rõ ràng nhất là trong một tài liệu đề cập đến Robert Dudley, cháu họ ngài Walter Raleigh, ngài đã đến Trinidad và khám phá ra mỏ asphalt này ba tháng trước khi Raleigh đến đất nước này. Thật đáng nghi ngờ nếu cả Raleigh và Dudley thấy “hồ hắc ín” ngay trong chuyến viếng thăm đầu tiên của họ, có thể họ chỉ thấy hắc ín tràn ra ở bờ biển cách phía bắc hồ khoảng 1 km vì khi đó đất nước này là những khu rừng rậm dày đặt và không thể lọt vào.

Có một số mỏ asphalt nhỏ nằm trên đảo Trinidad nhưng chung qui lại “hồ hắc ín” nằm ở phía Nam đảo này, cách bờ biển 1km là mỏ lớn nhất trên thế giới. Hồ này có diện tích khoản 35 hecta và ước tính sâu khoảng 90 met, chứa đến 15 triệu tấn nguyên liệu. Mặt hồ đủ cứng để xe xích và xe ben chuyên chở nhựa đường khai thác được từ mặt hồ đến các đường xe lửa chạy vòng quanh hồ.

Một số giả thuyết được đua ra để giải thích nguồn gốc của hồ hắc ín. Tuy nhiên người ta cho rằng hồ này được hình thành tự sự rò rỉ lộ thiên của nhựa đường ở cuối kỷ Miocene. Bề mặt trái đất ở vùng này bị hạ thấp xuống dần dẫn đến sự xâm lấn của biển, kết quả là phù sa và đất phủ lên bề mặt nhựa đường. Một phần phù sa, sét thâm nhập vào nhựa đường tạo nên hỗn hợp chất dẻo gồm phù sa đất sét, nước và nhựa đường. Sau đó mặt đất được nâng lên cao hơn mực nước biển, sức ép từ nhiều phía làm biến dạng nhựa đường, làm cho nó có dạng pseudo – lccolite như hiện nay. Sự xói mòn đã làm mất dần phù sa và đất sét bao phủ lên trên làm lộ ra bề mặt hồ hắc ín.

Khối lượng nhựa đường khổng lồ trong lòng hồ hầu như không thay đổi, nhựa đường chuyển động tuần hoàn rất chậm từ trung tâm ra bề mặt và trở lại trung tâm ở lòng hồ. Độ cao của lòng hồ sụt xuống ít hơn nhiều so với dự tính do một số nhựa đường bị lấy đi. Các hố khai thác trên mặt hồ từ từ được lấp đầy và thường biến mất trong vòng 24 giờ.

Nhựa đường khai thác được tinh lọc bằng nhiệt độ ở 160^oC để làm cho nước bay hơi. Vật liệu được nấu chảy cho đi qua lưới lọc để loại bỏ các tạp chất thực vật thô và các loại ngoại lai thô. Sản phẩm tinh lọc này được gọi là Trinidad Epure^’ và thường có các thành phần sau:

                                                                                % trọng lượng

                                                  Chất kết dính          54

                                                  Chất khoáng           36

                                                  Chất hữu cơ           10

Sản phẩm Epure này rất cứng, khó được sử dụng nếu không được pha chế thêm (có độ kim lún khoản 2 và điểm hóa mềm khoản 95^oC), thường được sử dụng dưới dạng hỗn hợp trộn với nhựa đường 200 pen với tỷ lệ 50/50. Loại hỗn hợp nhựa đường này có độ kim lún khoảng 50 pen, được sử dụng trong các công thức asphalt trộn nóng thông thường với các cốt liệu thông dụng, có tính đến các khoáng chất đã có sẵn trong asphalt thiên nhiên.

Trong những năm 1950 và 1960, các hỗn hợp Trinidad Epuré/bitum đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất asphalt để rải lớp mặt đường vì vật liệu Trinidad Epuré đã được nâng cao khả năng thích ứng với thời tiết của nhựa đường. Hỗn hợp nhựa đường này còn ngăn ngừa được tình trạng mặt đường bị biến dạng quá nhanh trong quá trình sử dụng. Tuy vậy sự thay đổi trong công nghệ sản xuất đã nâng cao đặc tính thích nghi với thời tiết của nhựa đường tinh lọc từ dầu thô. Việc pha trộn hỗn hợp Trinidad Epuré/bitum đòi hỏi phải mất vài giờ để làm nóng hỗn hợp trước khi sử dụng đẫn đến việc dùng Trinidad Epuré/bitum nhanh chống giảm sút vào giữa thập kỷ 70.

3.2   Asphalt thiên nhiên khai thác từ đá

Đá thấm nhựa đường được hình thành do các loại đá có chứa canxi như đá vôi hay sa thạch thấm đầy nhựa đường thiên nhiên rò rỉ ra. Loại đá này có thể chứa tới 12% nhựa đường. Nguồn quan trọng của loại mỏ này nằm ở quận Gard – Pháp, Nenchâtel ở vùng Van de Travers – Thụy Sĩ và ở Ragusa – Italia. Những sản phẩm như vậy là những vật liệu được sử dụng để rải mặt đường sớm nhất. Sau khi nghiền nhỏ, tại công trường chúng được làm nóng và đầm thành từng lớp.

Ngày nay, loại asphalt thiên nhiên này chỉ được sử dụng rất ít trong làm đường hay trong công nghiệp. Hầu như trong mọi trường hợp nó được sử dụng kết hợp với nhựa đường mềm hay nhựa đường lỏng pha dầu.

3.3   Hắc ín than đá

Nhựa đường được lấy từ dầu thô và hắc ín được lấy từ lò luyện than cốc hay nhiên liệu rắn không khói thường được xem là các vật liệu tương tự nhau. Có hai lý do: thứ nhất, nhìn bằng mắt thường cả hai loại vật liệu này đều có vẻ ngoài rất giống nhau: đen, dẻo do nhiệt và có độ nhớt tương đối cao khi nhiệt độ môi trường xung quanh cao; thứ hai, cả hai loại vật liệu này dều có những công dụng tương tự: làm đường, phủ mái, phủ bảo vệ cho một số công trình công nghiệp. Tuy vậy dù có mục đích sử dụng tương đối giống nhau nhưng chúng không chỉ khác nhau về nguồn gốc mà còn khác nhau ở thành phần và cấu tạo hóa học. Những khác nhau về thành phần, cấu tạo hóa học dẫn đến những khác nhau về trạng thái và các loại khí phát thải trong quá trình sử dụng cùng các đặc tính sau đó trong quá trình sử dụng trên mặt đường.

Hắc ín là từ chung dùng để chỉ chất lỏng thu được khi chưng cất phân hủy hay cacbon hóa những vật liệu hữu cơ thiên nhiên như than hay gỗ trong điều kiện yếm khí. Người ta thường có thói quen thêm vào từ hắc ín trên loại vật liệu mà từ đó loại hắc ín đó được lấy ra cùng các sản phẩm của quá trình cacbon hóa, ví dụ hắc ín than đá thô, hắc ín gỗ thô…

Có 2 loại hắc ín than đá thô là sản phẩm phụ được tạo ra qua quá trình cacbon hóa than đá:

         ·         Hắc ín lò luyện than cốc

Loại hắc ín này được hình thành ở nhiệt độ cao (khoảng 1200^oC) trong lò luyện than cốc trong quá trình sản xuất than cốc cho luyện kim hoặc tiêu thụ cho mục đích gia dụng. Các loại hắc ín này có hàm lượng cacbon thơm cao và chứa khoảng 50% chất kết dính.

         ·         Hắc ín nhiệt độ thấp

Loại vật liệu này được tạo ra ở nhiệt độ tương đối thấp (600^oC - 700^oC) trong quá trình sản xuất nhiên liệu rắn không khói. Loại hắc ín than đá này ít nhớt hơn hắc ín lò luyện than cốc nhiệt độ cao, về bản chất nó là các parafin và có thành phần chất kết dính khoảng 35%.

Các sản phẩm phụ lỏng này được tạo ra khi cacbon hóa than đá bằng cách làm lạnh khí nóng hay hơi bay ra từ lò luyện hoặc lò chưng cất. Các chất lỏng như nước và hắc ín được ngưng tụ lại, vì chúng không trộn lẫn được, chúng được gạn để tách ra, lọc khí lạnh bằng một dung môi thích hợp, chiết xuất được một hỗn hợp hydrocacbon nhẹ. Hắc ín thô được lọc bằng chưng cất phân đoạn để tách ra thành một số dầu chưng cất và một chất cặn dư lại sau quá trình chưng cất. Phần còn lại được gọi là “hắc ín”. “Hắc ín tinh lọc” được tạo ra bằng cách pha trộn hắc ín và phần dầu chưng cất. Theo tiêu chuẩn 76 của Anh có 8 cấp hắc ín làm đường từ 30^oC EVT đến 580^oC EVT, theo đó cứ 4^oC lại tăng thêm một cấp. EVT (nhiệt độ đồng nhớt) là nhiệt độ mà tại đó 50 ml hắc ín chảy qua một lỗ tiêu chuẩn là 10 mm trong một nhớt kế tron thời gian 50 giây, (xem hình 5.5 chương 5). Như vậy cấp EVT càng cao thì hắc ín càng nhớt. Hắc ín 54^oC EVT sẽ thích hợp cho các lớp nền bằng hỗn hợp đá đầm chặt của các con đường chịu tải nặng, trong khi hắc ín 38^oC EVT  được dùng làm hỗn hợp cấp phối hở của con đường chịu tải nhẹ.

Cuối những năm 1920 đã xuất hiện những thay đổi mạnh mẽ trong việc cung ứng hắc ín than đá thô ở Vương quốc Anh. Vào giữa thập kỷ 60, hàng năm người ta sản xuất trên 2 triệu tấn hắc ín han đá thô, trong đó 50% do các lò cacbon hóa sản xuất khí đốt cho các thành phố sản xuất ra. Tuy nhiên việc nhập khí đốt từ biển Bắc từ cuối thập kỷ sáu mươi đã nhanh chóng làm giảm sản lượng của các lò cacbon hóa và vào năm 1975 hắc ín từ nguồn ung ứng này hầu như đã biến mất.

Hiện nay, tỷ lệ lớn nhất là hắc ín than đá do các lò cacbon hóa trong công nghiệp than, sắt, thép sản xuất ra. Mặt dù nhu cầu về sản phẩm này rất khó dự đoán, nguồn hắc ín than đá này trong thập kỷ tới có thể sẽ là khoảng 0,3 – 0,4 triệu tấn hằng năm.

Hiện nay, khoảng 90% lượng hắc ín và nhựa đường gốc dầu thô được sử dụng vào bốn mục đích: làm đường, làm than bánh, gắn điện cực và quét phủ các đường ống. Sử dụng hắc ín tinh lọc trong xây dựng đường cơ bản bị hạn chế do:

         ·         Hỗn hợp nhựa đường/hắc ín để rải đường dược dùng phổ biến hơn là hắc ín không trộn nhiệt độ thấp. Người ta thường cho rằng cho thêm hắc ín than đá vào nhựa đường sẽ nâng cao khả năng làm ướt cốt liệu của nhựa đường và do vậy nâng cao khả năng dính bám cốt liệu. Như vậy hỗn hợp nhựa đường/hắc ín vẫn được ưa dùng với một số chuyên môn đặc biệt. Tuy nhiên xét về mặt y tế và tính an toàn thì việc phát triển các hóa chất tăng khả năng bám dính và sử dụng hắc ín trong tương lai sẽ bị hạn chế.

         ·         Hắc ín tinh lọc được sử dụng trong rải thảm hắc ín cấp phối chặt. Hắc ín tinh lọc ít mẫn cảm hơn với tác động của các loại dầu rơi vãi trên đường so với nhựa đường. Vì thế người ta thường sử dụng hỗn hợp đá nhựa hắc ín chặt với hắc ín tinh lọc chuyên dụng để rãi các bãi đỗ xe…

Hắc ín tinh lọc thường mẫn cảm với nhiệt độ hơn nhựa đường ở nhiệt độ cao. Ví dụ như ở 60^oC nó thường mềm hơn nhựa đường cùng cấp. Như vậy mặt đường nhựa đường có khả năng chống biến dạng cao hơn mặt đường hắc ín than đá. Ở nhiệt độ thấp hắc ín than đá cứng hơn nhựa đường và vì thế dễ bị gẫy, nứt hơn.

1.3.4    Nhựa đường

Nhựa đường được sản xuất từ dầu thô, phần còn lại của các sinh vật biển và các thực vật trầm tích cùng bùn và mảnh vỡ của đá ở đáy đại dương. Qua hàng triệu năm chất hữu cơ và bùn tích tụ thành từng lớp dày hàng trăm mét, sức nặng to lớn của lớp trên đã ép lớp dưới thành đá trầm tích. Sự biến đổi các sinh vật và vật liệu thực vật thành hydrocacbon của dầu mỏ được xem là kết quả của nhiều yếu tố như nhiệt từ vỏ trái đất, sức ép của lớp trầm tích phía trên và có tác cộng thêm tác động do hoạt động của vi khuẩn và sự bắn phá do các hoạt động phóng xạ. Ở lớp trầm tích sâu hơn tích tụ dưới dạng đá trầm tích nơi dầu được hình thành, cộng thêm sức nén dầu về một phía và đi lên phía trên qua lớp đá xốp. Tại những nơi đá xốp ăn lan lên mặt đất, dầu sẽ chảy ra gây hiện tượng rò rỉ bề mặt như đã nói ở phần đầu. May mắn là phần lớn dầu mỏ và khí đốt đã được giữ lại trong lớp đá xốp, được bao bọc bởi lớp đá không thấm tạo ra các bể chứa dầu và khí tự nhiên. Ở đây dầu được lưu trữ như vậy cho đến khi con người, qua các cuộc khảo sát địa chất và khoang thăm dò qua  tầng đá không thấm, phát hiện ra mỏ dầu và khai thác chúng.

Có 4 khu vực sản xuất dầu mỏ chủ yếu trên thế giới là: Hoa Kỳ, Trung Đông, các nước quanh khu vực Caribê và Liên Xô cũ. Dầu thô từ các nguồn này khác nhau cả về đặc tính lý học cũng như hóa học. Về mặt lý học chúng biến động từ chất lỏng nhớt màu đen đến chất lỏng hoàn toàn (không có tính nhớt). Về mặt hóa học chúng chủ yếu là hỗn hợp các chất parafin, naphten, hoặc các chất thơm nhưng chủ yếu là hỗn hợp của parafin và naphten.

Trên thế giới người ta sản xuất ra khoảng 1500 loại dầu thô khác nhau. Dựa vào sản lượng và chất lượng của các sản phẩm được sản xuất ra, chỉ một số ít trong các loại dầu thô đó được coi là phù hợp để sản xuất nhựa đường. Ở Vương quốc Anh, nhựa đường được sản xuất chủ yếu từ dâu thô gốc Trung Đông và Nam Mỹ. Tiêu chuẩn Anh BS 3690: Phần 1: 1989 định nghĩa nhựa đường là “hợp chất ở dạng lỏng nhớt hoặc rắn, chứa hydrocacbon và dẫn xuất của chúng, có thể hòa tan trong tricloroetylen, ổn định, hầu như không bay hơi và mềm ra khi bị nung nóng. Nhựa đường có màu nâu hoặc đen, có các đặc tính kết dính và không thấm nước. Nhựa đường thu được từ quá trình lọc dầu và cũng được tìm thấy trong thiên nhiên ở dạng kết hợp với các khoáng chất”.

• 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 bám dính cốt liệu của nhựa đường (11/11/2013)
• Độ bền của nhựa đường (30/10/2013)