Sợi thủy tinh và khả năng gia cường sợi thủy tinh trong bê tông Asphalt

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 53 SỢI THỦY TINH VÀ KHẢ NĂNG GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH TRONG BÊ TÔNG ASPHALT GLASS FIBER AND REINFORCED CAPACITY IN ASPHALT CONCRETE Vũ Phương Thảo1, Hồ Anh Cương2 1,2Trường Đại học GTVT, Hà Nội Tóm tắt: Sợi thủy tinh là một trong những loại sợi có cường độ chịu kéo lớn, ổn định trong điều kiện nước và nhiệt độ cao. Đây là yêu cầu cơ bản của vật liệu gia cường trong bê tông asphalt rải nóng. Nhiệt độ nóng chảy của sợi từ 800-900oC [1], đảm bảo sợi không bị phá hoại trong quá trình trộn nóng bê tông asphalt. Bài báo này tập trung nghiên cứu một số tính chất cơ lý của sợi thủy tinh loại C, khả năng gia cường trong bê tông asphalt chặt rải nóng. Từ khóa: Sợi thủy tinh, bê tông asphalt Abstract: Glassfiber is one of fibers has great tensile strength, stability at high temperature and water. This is a basic of reinforcing substances in hot mix asphalt. Softening temperature of glass fiber from 800 - 900oC[1], so that it is not distroyed during hot mixing of asphalt concrete. This paper presents to research several physical and mechanical properties of C - glass fiber, it’s reinforced stability in hot mix-asphalt. Keywords: Glass fiber, hot mix asphalt. 1. Giới thiệu Sợi thủy tinh là loại vật liệu vô cơ dẻo hơn sợi thực vật hoặc động vật, khó thắt nút, không đàn hồi hay dãn rộng, không cháy, không dẫn điện [1]. Sợi thủy tinh được chia làm hai loại chính: Sợi thủy tinh thông thường và sợi thủy tinh đặc biệt. Hơn 90% sợi thủy tinh được sử dụng là sợi thông thường, chủ yếu là loại E - Glass, C - Glass. Sợi thủy tinh đặc biệt được chia thành một số loại điển hình như S - Glass (độ bền cơ học cao), D - Glass (cách điện bền vững), sợi siêu tinh khiết silic, sợi rỗng và sợi trilobal. Sợi thủy tinh thông thường có giá thành thấp trong khi các loại sợi thủy tinh đặc biệt phải được lựa chọn sử dụng cho những mục đích khu biệt có xét đến hiệu quả kinh tế. Khi gia cường trong bê tông asphalt, vai trò của sợi thủy tinh bị ảnh hưởng do mức độ phân tán, tỷ lệ đường kính sợi trên chiều dài sợi. 2. Vai trò của sợi thủy tinh Theo những nghiên cứu trên thế giới, việc gia cường sợi thủy tinh vào bê tông asphalt chặt rải nóng (HMA) đã đem lại hiệu quả rõ rệt. Khi gia cường sợi có cường độ chịu kéo cao sẽ làm tăng cường độ của hỗn hợp bê tông asphalt. Về lý thuyết, ứng suất sẽ truyền sang sợi cường độ cao, làm giảm ứng suất lên phần có cường độ yếu hơn là chất liên kết asphalt [2]. Sợi có tác dụng làm tăng độ rỗng dư, tăng độ ổn định Marshall, cải thiện đặc tính lún vệt bánh xe và tăng tuổi thọ mỏi cho bê tông asphalt [3]. Đặc biệt khi dùng những loại sợi có cường độ chịu kéo lớn như sợi thủy tinh, sợi cacbon [2], khả năng cải thiện lún vệt bánh xe và tuổi thọ mỏi tăng mạnh. Vai trò của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt được chứng minh ở nghiên cứu của Jahran năm 1999 khi sợi thủy tinh có chiều dài 25mm được gia cường trong HMA Dmax 20mm [4]. Kết quả cho thấy bê tông asphalt gia cường sợi thủy tinh (G-FRAC) có khả năng kháng mỏi, chống hằn lún vệt bánh xe, khống chế nứt tốt hơn bê tông asphalt đối chứng không gia cường sợi. Tuổi thọ mỏi tăng thêm khi hàm lượng sợi thủy tinh gia cường tăng dần từ 0% - 0,5% (hình 1) [4]. Hình 1. Đặc tính mỏi của HMA ở các hàm lượng sợi thủy tinh (G-FRAC) khác nhau [4]. Sợi thủy tinh có khả năng giữ ổn định cho chất kết dính asphalt, đặc biệt trong điều kiện nhiệt 54 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 độ cao và lưu lượng giao thông lớn. Hơn nữa sợi có cấu trúc mạng lưới ba chiều trong hỗn hợp asphalt nên nó gia cường cho bộ khung giúp chống lại lực cắt và giảm khả năng bị chảy cho hỗn hợp asphalt [5]. 3. Kết quả thí nghiệm một số tính chất lý học và cơ học của sợi thủy tinh loại C - Tính chất lý học của sợi thủy tinh Đo đường kính sợi và đếm số sợi trong một tao sợi thủy tinh được tác giả thực hiện tại Viện Dệt may da giày và Trung tâm Thí nghiệm vật liệu Dệt may da giày Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (đo đường kính của sợi thủy tinh theo tiêu chuẩn ASTM D2130 [6]). Phân tích các thành phần nguyên tố có trong sợi thủy tinh được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Siêu cấu trúc công nghệ Nano y sinh thuộc Viện Vệ sinh Dịch tễ TW. Kết quả thể hiện trong bảng 1. Hình 2. Đo đường kính sợi thủy tinh. Bảng 1. Kết quả đo đường kính sợi thủy tinh. Mẫu sợi thủy tinh Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 TB Đường kính sợi (mm) 0.02 0.015 0.02 0.018 0.02 0.018 Thí nghiệm đếm số sợi trong tao sợi thủy tinh thể hiện ở bảng 2 Bảng 2. Kết quả thí nghiệm đếm số sợi thủy tinh trong một tao sợi. Mẫu sợi thủy tinh Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5 TB Số sợi trong tao sợi 340 355 375 368 350 357 - Tính chất cơ học của sợi thủy tinh Xác định lực kéo đứt, độ dãn đứt của sợi thủy tinh thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D 2256- 02 [7] tại Phòng Thí nghiệm Viện Dệt may, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả lực kéo đứt, độ giãn đứt và mô đun đàn hồi thể hiện trong bảng 3. Bảng 3. Kết quả đo lực kéo đứt, độ giãn đứt và mô đun đàn hồi của sợi thủy tinh Mẫu sợi thủy tinh Đơn vị Tổ mẫu 1 Tổ mẫu 2 Tổ mẫu 3 Trung bình Lực kéo đứt 1 tao sợi (F) N 21, 7 23, 6 18, 8 21,4 Độ giãn đứt (e) mm 2,00 2,23 1,95 2,06 Độ giãn tương đối % 0,80 0,89 0,78 0,83 Mô đun đàn hồi MPa 30431 29571 25349 28450 4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cố của sợi thủy tinh - Mức độ phân tán Yêu cầu sợi phân tán đều trong hỗn hợp thì hiệu quả phân tán áp lực và hiệu quả mạng lưới của sợi thủy tinh trong HMA càng cao. Sợi thủy tinh phân tán trong bê tông asphalt được cho là yếu tố phân tán áp lực xuống pha asphalt, ngăn chặn việc hình thành và lan truyền vết nứt. Hơn nữa các sợi đan xen nhau và hình thành mạng lưới dạng không gian trong asphalt bao bọc xung quanh cốt liệu có tác dụng lấp đầy và làm liền những vi vết nứt (micro-crack) xuất hiện giữa các hạt cốt liệu (cơ chế khâu vết nứt - bridging cracking effects). - Đường kính và chiều dài sợi Đường kính, tỷ lệ giữa đường kính và chiều dài sợi có ảnh hưởng đến vai trò của nó trong hỗn hợp vật liệu. Chiều dài sợi gia cường phụ thuộc vào đường kính lớn nhất của cốt liệu [2]. Chiều dài sợi sử dụng trong gia cường bê tông asphalt thay đổi trong một khoảng rất lớn từ cỡ 10-2 mm đến vài chục mm [4, 5]. Theo nhiều nghiên cứu trên thế giới, đường kính sợi càng nhỏ, khả năng cải thiện đặc tính của bê tông asphalt càng cao. Sợi càng mảnh, tỷ diện bề mặt của sợi với pha nền TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 55 asphalt càng lớn, khả năng chịu lực tăng lên trên một đơn vị chiều dày của asphalt. Tỷ lệ chiều dài/đường kính càng cao thì hiệu quả mạng lưới càng cao [8]. Trong nghiên cứu này, sợi thủy tinh được trộn thử theo phương pháp trộn khô với ba chiều dài sợi khác nhau là 10mm, 20mm, 30mm. Trộn khô là phương pháp trộn sợi với hỗn hợp cốt liệu trước, sau đó mới tiến hành đổ bitum vào. Quan sát bê tông asphalt bằng mắt cho thấy với sợi có chiều dài 10mm, 20mm, mức độ phân tán sợi trong HMA đều. Hỗn hợp vật liệu sử dụng sợi thủy tinh có chiều dài 30mm xuất hiện một số búi sợi (hình 3). Sợi 10mm Sợi 20mm Sợi 30mm Hình 3. Mức độ phân tán sợi thủy tinh ở các chiều dài khác nhau trong bê tông asphalt. Như đã phân tích, theo Fu đánh giá, tỷ lệ chiều dài sợi trên đường kính sợi lớn cho hiệu quả mạng lưới của sợi phân tán trong bê tông asphalt càng cao [8]. Tuy nhiên chiều dài sợi bị khống chế bởi khả năng được trộn đều trong hỗn hợp vật liệu. Do đó chiều dài sợi thủy tinh 20mm được lựa chọn để gia cường bê tông asphalt chặt nóng là hợp lý nhất. 5. Kết luận Sợi thủy tinh loại C có cường độ chịu kéo rất lớn. Vai trò của sợi thủy tinh trong bê tông asphalt có thể được tổng kết như sau: - Có vai trò như cốt của phần chất kết dính asphalt, tăng tính ma sát, giảm trơn trượt, giảm khả năng dãn nở dài. Hàm lượng sợi vừa đủ để tạo nên một cấu trúc xương vững chắc cho chất kết dính, nếu quá ít sẽ không đủ để có tác động đến tính chất cơ lý của asphalt. - Có tác dụng phân tán áp lực lên chất kết dính asphalt, chịu một phần ứng suất tác dụng lên hỗn hợp bê tông asphalt, hạn chế di chuyển của cốt liệu, làm chậm quá trình xuất hiện và phát triển của vết nứt; - Có cấu trúc mạng lưới ba chiều trong hỗn hợp asphalt nên nó gia cường cho bộ khung giúp chống lại lực cắt và giảm khả năng bị chảy của hỗn hợp asphalt. - Chiều dài sợi, đường kính sợi có ảnh hưởng đến quá trình tạo hình, nếu ngắn quá không có khả năng gia cường, nếu dài quá sẽ khó thi công, sợi khó phân tán đều trong HMA. - Chiều dài sợi mang lại hiệu quả cải thiện tốt và đảm bảo tính công tác là 20mm  Tài liệu tham khảo [1] American Society for Metals Handbook, Vol 21 : Composites, 2001 [2] National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) Synthesis 475, Fiber Additives in Asphalt Mixtures, Transportation research board Washington, D.C, 2015 [3] Najd A, Chao Z, Ying G, “Experiments of fracture behavior of glass fiber reinforced asphalt concrete”, J Chan Univ (Nat Sci Ed), 25(3): 28– 32, 2005 [4] Jahran and Fantani, Glass Fiber Reinforced Asphalt Paving Mixture:Feasibility Assessment, JKAU: Eng. Sci., vol. 11 no. 1, pp. 85-98, 1999 [5] Abdelaziz Mahrez et al, “Fatigue and deformation properties of glass fibe reinforced bituminous mixes”, Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies, Vol. 6, pp. 997 – 1007, 2005 [6] ASTM Standart, Standard Test Method for Diameter of Wool and Other Animal Fibers by Microprojection, 2002 [7] ASTM Standart, Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the Single-Strand Method, 2002 [8] Fu S et al, “Tensile properties of short–glass–fiber and short–carbon–fiber-reinforced polypropylene composites”, Composites Part A2000; 31:1117– 25, Octorber, 2000. Ngày nhận bài: 14/04/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 05/05/2016 Ngày chấp nhận đăng: 12/05/2016