Nghiên cứu sử dụng phế thải nhựa làm phụ gia theo phương pháp trộn khô tăng cường độ ổn định Marshall của bê tông asphalt

PGS. TS. NGUYỄN QUANG PHÚC ThS. NGUYỄN HỒNG QUÂN KS. LÊ TUẤN ANH Trường Đại học Giao thông vận tải

TÓM TẮT: Bài báo trình bày các kết quả bước đầu nghiên cứu thực nghiệm trong phòng đánh giá khả năng sử dụng chất thải nhựa làm phụ gia theo phương pháp trộn khô cải thiện cường độ ổn định Marshall của bê tông asphalt nóng.

TỪ KHÓA: Nhựa phế thải, phụ gia, phương pháp trộn khô, độ ổn định Marshall, bê tông asphalt.

ABSTRACT: This article presents the results of experimental research in the laboratory of the capacity using waste plastic as additives by dry mixing method to improve the Marshall stability of hot mix asphalt.

Keywords: Plastic waste, additives, dry mixing method, Marshall stability, hot mix asphalt

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Nhựa có trong rác thải và rác thải có ở khắp mọi nơi, từ thành phố đến nông thôn gây những tác hại nghiêm trọng đến môi trường sinh thái. Có 6 loại nhựa sử dụng trong cuộc sống hàng ngày là: LDPE-Polyethylene mật độ thấp (Low Density Polyethylene) làm túi nylon, bao gói; HDPE - Polyethylene mật độ cao (High Density Polyethylene) dùng làm túi bao gói, chai đựng; PET (Polyethylene Teryphthalate) làm chai đựng nước; PP (Polypropylene) làm nắp đậy; PS (Polystyrene); PVC (Polyvinyl Chloride) làm đồ gia dụng. Những sản phẩm làm từ nhựa này sau khi sử dụng sẽ thải ra môi trường mà phải rất lâu, đến vài trăm năm mới phân hủy hết và phát tán vào môi trường đất và nước.

Hình 1.1: Rác chứa phế thải nhựa

Số liệu thống kê của Tổng cục Môi trường - Bộ Tài nguyên và Môi trường, trong những năm gần đây, trung bình mỗi ngày cả nước phát sinh khoảng 12 triện tấn rác thải, lượng rác thải tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh. Tại Hà Nội, tổng lượng rác thải ra ngoài môi trường khoảng 5.000 tấn/ngày, trong đó có rác thải y tế thông thường và rác thải y tế nguy hại. Nếu tính trung bình lượng nhựa có trong rác thải là 5% thì hàng ngày Hà Nội thải ra môi trường khoảng 100 tấn nhựa mà chỉ một phần nhỏ được tái chế thành bao gói hoặc đồ gia dụng. Khi tái chế nhựa làm đồ gia dụng, bao gói thì trong quá trình gia công lần thứ 2, nhựa được gia công nhiệt lần thứ 2 các polymer ở nhựa nguyên khai trước kia lại tách thành monome cực kỳ độc hại gây các bệnh nguy hiểm với con người.

Nghiên cứu sử dụng các loại phế thải nhựa làm phụ gia tăng cường độ và độ ổn định của bê tông asphalt đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới cho kết quả tốt. Ấn Độ là nước đi đầu trong nghiên cứu sử dụng các loại phế thải nhựa từ nylon, chai nước, bao gói đồ thực phẩm, đồ gia dụng dùng một lần trong bê tông asphalt, đã thi công hàng trăm km đường đảm bảo khai thác tốt trong điều kiện nóng ẩm. Các nước đang phát triển như Iran, Sudan, Pakistan, Malaysia… cũng đã có những nghiên cứu để tái sử dụng chất thải rắn nói chung, nhựa nói riêng trong bê tông asphalt.

Nghiên cứu sử dụng nhựa phế thải làm phụ gia cho bê tông asphalt là cần thiết, có ý nghĩa thực tế, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm tài nguyên. Bài báo trình bày các kết quả bước đầu trong phòng thí nghiệm đánh giá khả năng sử dụng chất thải nhựa làm phụ gia theo phương pháp trộn khô cải thiện cường độ ổn định Marshall của bê tông asphalt nóng.

2. CÁC LOẠI PHẾ THẢI NHỰA NGHIÊN CỨU

Có 2 nhóm nghiên cứu. Nhóm 1 là các loại phế thải nhựa là túi nylon LDPE, chai nhựa PET, nắp chai PP, dây dịch truyền y tế, được cắt nhỏ lọt qua sàng 2.36mm. Nhóm 2 là các loại hạt nhựa được đùn cắt từ cơ sở tái chế nhựa LDPE, HDPE khu vực Hà Nội kích cỡ từ 02 - 3cm.

Hình 2.1: Một số loại phế thải nhựa nghiên cứu

Hàm lượng phế thải nhựa là 8% theo khối lượng nhựa, được trộn theo phương pháp khô như chỉ dẫn kỹ thuật tạm thời bê tông asphalt sử dụng phụ gia SBS.

3. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM

Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm trọng điểm UTC-Cienco 4, Trường Đại học GTVT. Thiết kế thực nghiệm và phân tích thống kê với phần mềm Minitab 18 ở mức tin cậy 95%, mức ý nghĩa α=5%, độ mạnh Power=0.8, β=0.2. Số mẫu thí nghiệm 3 mẫu/tổ mẫu đảm bảo phát hiện sai khác trong phạm vi ±3σ. Sau khi có kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý, đánh giá loại bỏ số liệu ngoại lai (outlier) theo ASTM E178-2015, đánh giá độ chụm theo ASTM C670-2015 với giới hạn chấp nhận được quy định của Tiêu chuẩn ASTM D6927 - 15. Tiêu chuẩn Grubbs được sử dụng để đánh giá, loại bỏ số liệu ngoại lai của các kết quả thí nghiệm. Phân tích phương sai ANOVA và phân tích hậu định phát hiện sai khác theo Tukey.

3.1. Quy trình trộn phụ gia phế thải với nhựa đường và tạo mẫu bê tông nhựa

Hỗn hợp BTNC12.5 theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT được nghiên cứu. Thiết kế cấp phối và xác định và hàm lượng nhựa tối ưu theo TCVN8819-2011 và TCVN8820-2011. Tiến hành đúc mẫu Marshall sử dụng nhựa thường 60/70 và mẫu Marshall sử dụng một số loại phụ gia nhằm so sánh mức độ cải thiện độ ổn định Marshall của bê tông asphalt.

Bước 1: Tiến hành chia cốt liệu với cấp phối đã có.

Bước 2: Nung nóng cốt liệu ở nhiệt độ 170oC - 180oC.

Bước 3: Sấy nóng nhựa đường 60/70 ở nhiệt độ 150oC -160oC.

Bước 4: Tiến hành trộn khô cốt liệu với phụ gia trong thời gian 30s (hàm lượng phụ gia sử dụng là 8% so với khối lượng nhựa sử dụng), sau đó tiến hành trộn hỗn hợp cốt liệu và phụ gia với nhựa trong khoảng thời gian là 3 phút.

Bước 5: Sau khi đã có hỗn hợp bê tông nhựa, tiến hành ủ mẫu trong thời gian 60 phút.

Bước 6: Tiến hành đúc mẫu Marshall với nhiệt độ từ 140oC - 145oC.

3.2. Thí nghiệm vật liệu

Cốt liệu thô và cốt liệu mịn lấy từ mỏ đá vôi Công ty Transmeco - Hà Nam.

Bột khoáng từ Công ty Bảo Minh - Kiện Khê - Hà Nam.

Thí nghiệm các chỉ tiêu của cốt liệu, bột khoáng theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT.

Nhựa đường 60/70 Shell - Singapore thỏa mãn các yêu cầu của Thông tư 27/2014/TT-BGTVT.

Thí nghiệm độ kim lún, điểm hóa mềm, độ kéo dài theo TCVN7493 đến TCVN7504-2005 và Thông tư 27. Thí nghiệm cắt động lưu biến xác định G*/sinδ theo AASHTO T315 ở nhiệt độ 64oC, tốc độ 10rad/s.

3.3. Thí nghiệm bê tông asphalt

Bước 1: Thiết kế cấp phối cốt liệu, xác định hàm lượng nhựa tối ưu theo phương pháp Marshall không sử dụng phụ gia.

Bước 2: Từ hàm lượng nhựa tối ưu đúc các mẫu Marshall với các tỷ lệ phụ gia 0% (đối chứng) và 8% (khi sử dụng phụ gia không thay đổi hàm lượng nhựa). Thí nghiệm độ ổn định và độ dẻo Marhall ngâm nước nhiệt độ 60oC trong 40 phút theo TCVN 8860-2011.

Bước 3: Đánh giá độ chụm, phân tích thống kê kết quả thí nghiệm.

4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

4.1. Kết quả thí nghiệm vật liệu và nhựa đường

Các kết quả thí nghiệm cốt liệu thô, cốt liệu mịn, bột khoáng đều thỏa mãn Quyết định 858/QĐ-BGTVT.

Các kết quả thí nghiệm nhựa đường đều thỏa mãn các yêu cầu của Thông tư 27/2014/TT-BGTVT độ kim lún trung bình 62.67pen, nhiệt độ hóa mềm trung bình 47.87oC. Thí nghiệm DSR với nhựa gốc ở nhiệt độ 64oC, tốc độ 10rad/s G*/sinδ = 1820.43Pa.

4.2. Kết quả thiết kế hỗn hợp và hàm lượng nhựa tối ưu

Thiết kế hỗn hợp BTN12.5 theo Quyết định 858/QĐ-BGTVT, hàm lượng nhựa tối ưu 4.3% theo khối lượng hỗn hợp. Độ rỗng cốt liệu VMA=14.68%, độ rỗng lấp đầy nhựa VFA=67.45%.

Thành phần cấp phối cốt liệu như Bảng 4.1.

Bảng 4.1. Thành phần cấp phối hỗn hợp BTN12.5

4.3. Kết quả thí nghiệm Marshall với nhóm các mảnh nhựa phế thải

Từ Hình 4.1 đến Hình 4.3 là kết quả thí nghiệm Marshall với các mảnh nhựa phế thải. Nhận thấy đối với phụ gia mảnh nylon, nắp chai PP thì độ ổn định Marshall tăng đáng kể, có ý nghĩa thống kê so với mẫu đối chứng sử dụng nhựa 60/70. Độ dẻo Marshall đều đảm bảo trong giới hạn 02 - 4mm. Độ rỗng dư Va nằm trong giới hạn 3 - 6%. Tuy nhiên, khi có phụ gia độ rỗng dư tăng nhẹ, điều này có thể giải thích phụ gia không hoàn toàn tan hết vào trong nhựa, hoặc dính bám chặt với đá nên làm thay đổi một phần cấp phối dẫn đến tăng độ rỗng.

Các loại nhựa như PET, dây dịch truyền y tế hoặc do nhiệt độ trộn với cốt liệu không đủ để tan, hoặc kích cỡ còn lớn nên độ ổn định không tăng (thậm chí còn giảm) so với mẫu đối chứng. Tuy nhiên, không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê, chứng tỏ ít nhất cho phụ gia này không làm thay đổi nhiều tính chất BTN. Có thể sử dụng dạng phụ gia này thay thế một phần cốt liệu cho bê tông asphalt mà không làm giảm nhiều độ ổn định Marshall.

4.4. Kết quả thí nghiệm Marshall với nhóm hạt nhựa đùn

Nghiên cứu với 5 loại hạt nhựa đùn từ các lò tái chế nhựa phế thải thủ công khu vực Văn Lâm (Hưng Yên) và các làng Triều Khúc (Trung Văn, Hà Nội). Có 2 loại hạt nhựa: HDPE (HDPE1, HDPE2) và LDPE (LDPE1, LDPE2, LDPE3).

Từ Hình 4.4 đến Hình 4.6 là kết quả thí nghiệm Marshall với các hạt nhựa đùn. Nhận thấy đối với loại bê tông asphalt sử dụng nhựa có phụ gia LDPE thì độ ổn định Marshall tăng lên đáng kể so với mẫu đối chứng chỉ sử dụng nhựa 60/70. Tuy nhiên, chỉ có mẫu sử dụng phụ gia LDPE1 sự khác biệt có ý nghĩa thống kê. Loại phụ gia HDPE hầu như không có tác dụng tăng độ ổn định Marshall, tuy nhiên không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê, chứng tỏ ít nhất cho phụ gia này không làm thay đổi nhiều tính chất bê tông asphalt. Có thể sử dụng dạng phụ gia này thay thế một phần cốt liệu cho bê tông asphalt mà không làm thay đổi nhiều độ ổn định Marshall.

Độ dẻo Marshall đều đảm bảo trong giới hạn 02 - 4mm nhưng kết quả phân tán hơn sử dụng mảnh nhựa cắt. Độ rỗng dư Va nằm trong giới hạn 3 - 6%.

Kết quả phân tích ANOVA có ý nghĩa thống kê với hệ số p<

Từ kết quả thí nghiệm Marshall của 2 nhóm nhận thấy sử dụng mảnh nylon cho độ ổn định Marshall của bê tông asphalt cao hơn sử dụng nhóm hạt nhựa đùn. Điều này có thể giải thích mảnh nylon khi nóng chảy dễ dính bám với cốt liệu và tan trong nhựa hơn so với hạt nhựa bị cứng, giảm chất lượng vì đã qua 1 lần nóng chảy.

5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ

Trên cơ sở các kết quả thí nghiệm được phân tích thống kê đảm bảo mức độ tin cậy 95% đưa ra các kết luận, kiến nghị

5.1. Kết luận

- Có thể sử dụng phế thải nhựa làm phụ gia làm tăng độ ổn định Marshall cho bê tông asphalt. Chất lượng phụ gia phụ thuộc vào loại, nguồn gốc nhựa phế thải;

- Trong các loại nhựa phế thải thì sử dụng mảnh nylon cho độ ổn định Marshall cao nhất, độ dẻo Marshall thay đổi không đáng kể;

- Có thể sử dụng nhựa phế thải thay thế một phần cốt liệu bê tông asphalt mà không làm giảm nhiều độ ổn định Marshall.

5.2. Kiến nghị

- Nghiên cứu các thí nghiệm khác đối với nhiều hỗn hợp bê tông nhựa sử dụng phụ gia mảnh nylon và hạt nhựa đùn LDPE;

- Nghiên cứu đối với nhiều loại/gốc đá khác nhau;

- Nghiên cứu dây chuyền sản xuất phụ gia, công nghệ chế tạo bê tông asphalt sử dụng phụ gia nhựa phế thải tại trạm trộn;

- Triển khai nghiên cứu thực nghiệm hiện trường.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ Khoa học và Công nghệ (2011), Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8860 : 2011, Bê tông nhựa - phương pháp thử, xuất bản lần 1.

[2]. ASTM D6927 - 15 (2015), Standard Test Method for Marshall Stability and Flow of Asphalt Mixtures.

[3]. AASHTO T245-13 (2013), Standard Method of Test for Resistance to Plastic Flow of Asphalt Mixtures Using Marshall Apparatus.

[4]. ASTM E178 - 15 (2015), Standard Practice for Dealing With Outlying Observations.

[5]. ASTM C670 - 15 (2015), Standard Practice for Preparing Precision and Bias Statements for Test Methods for Construction Materials.