Nghiên cứu này đưa ra kết quả thiết kế thành phần và thực nghiệm đánh giá một số tính năng của hỗn hợp bê tông asphalt tái chế nguội sử dụng nhũ tương và xi măng trong phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, hỗn hợp tái chế nguội đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật để làm lớp lớp mónghoặc lớp mặt đường ô tô. Ngoài ra, các hiệu quả về mặt môi trường đạt được của công nghệ CCPR tốt hơn so với công nghệ bê tông asphalt tái chế nóng và tái chế ấm.

1. Đặt vấn đề

Tái chế vật liệu cào bóc mặt đường bê tông asphalt cũ RAP (Reclaimed Asphalt Pavement) là một trong những giải pháp công nghệ đem lại hiệu quả để cải tạo mặt đường. Tái chế RAP ngày càng được sử dụng nhiều hơn vì những ưu điểm như: giảm chi phí xây dựng, bảo tồn nguồn cốt liệu và chất kết dính, bảo tồn cao độ mặt đường hiện có, bảo vệ môi trường, bảo tồn năng lượng. Bốn phương pháp tái chế chính được sử dụng phổ biến nhất theo hiệp hội tái chế asphalt (ARRA) là tái chế nóng tại trạm, tái chế nóng tại chỗ, tái chế nguội tại trạm và tái chế nguội tại chỗ. Việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật cụ thể phụ thuộc vào các vấn đề về kỹ thuật (như tình trạng hư hỏng của mặt đường và sức chịu tải còn lại), tính chủ động của các thiết thiết bị cần thiết, kinh nghiệm của nhà thầu, chi phí ban đầu, tác động của việc thi công đến giao thông và chi phí bảo trì dài hạn.

Trong các phương pháp tái chế, tái chế nguội là một giải pháp công nghệ tái chế đem lại hiệu quả về kinh tế do không phải gia nhiệt vật liệu cào bóc mặt đường bê tông asphalt cũ RAP (ReclaimedAsphalt Pavement) trong quá trình sản xuất. Các nghiên cứu ứng dụng được thực hiện ở Mỹ cho thấy, giải pháp công nghệ này không chỉ đem lại hiệu quả trong việc hạn chế biến dạng hằn lún vệt bánh xe và nứt mỏi của mặt đường asphalt mà còn tăng hiệu quả và giảm chi phí vòng đời sử dụng của kết cấu mặt đường, bảo tồn nguồn tài nguyên không tái tạo và năng lượng [1-6]. Do có những giá trị hiệu quả về kinh tế và tính bền vững, nên công nghệ tái chế nguội vật liệu RAP hiện đang được ứng dụng ngàycàng nhiều ở Mỹ cho những kết cấu mặt đường ô tô cấp cao. Hiện nay, hai công nghệ tái chế nguộivật liệu RAP đang được sử dụng phổ biến đó là: (i) công nghệ tái chế nguội tại chỗ (Cold In-placeRecycling - CIR) và (ii) công nghệ tái chế nguội tại trạm trộn cố định (Cold Central Plant Recycling -CCPR). Các vật liệu được sử dụng cho công nghệ asphalt tái chế nguội bao gồm chất kết dính bitum bọt hoặc nhũ tương, các chất phụ gia hóa học (ví dụ: vôi thuỷ hoá, xi măng hoặc tro bay) và nước.

Với nhiều kinh nghiệm thực tế trong lĩnh vực tái chế nguội, Hiệp hội tái chế RAP (ARRA, 2015) đã phát triển các phương pháp thiết kế hỗn hợp mới cho hỗn hợp asphalt tái chế nguội sử dụng chất kết dính asphalt dạng bọt và nhũ tương kết hợp với phụ gia để làm lớp móng mặt đường. Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá môn đun đàn hồi động |E*| của các hỗn hợp tái chế nguội sử dụng nhũ tương, bitum bọt và xi măng cho thấy, hỗn hợp tái chế nguội ít phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số hơn so với hỗn hợp asphalt nóng [7–11]. Ngoài ra, nghiên cứu của Niazi và Jalili, Khosravifar và các cộng sự đã chứng minh được hiệu quả cải thiện sức kháng hằn lún vệt bánh xe của hỗn hợp tái chế nguội bằng nhũ tương và xi măng [8, 12]. Nghiên cứu đánh giá sức kháng mỏi của hỗn hợp tái chế nguội [13, 14] đã chỉ ra rằng, đặc tính mỏi của hỗn hợp dùng bitum bọt và nhũ tương đạt được tương tự như đối với hỗn hợp bê tông asphalt nóng. Diefenderfer và cộng sự (2012, 2016) đã đánh giá các dự án sử dụng công nghệ CCPR ở đường cao tốc I-81 thuộc Bang Virginia và đoạn đường thử nghiệm ở Trung tâm Công nghệ asphalt Quốc gia Hoa Kỳ (NCAT). Kết quả cho thấy, tất cả các đoạn đường thử nghiệm có lớp móng là hỗn hợp CCPR có độ lún khoảng 7,35 mm và trên bề mặt đường vẫn chưa xuất hiện vết nứt tại thời điểm 2 năm khai thác sau khi thi công xong. Vào tháng 6 năm 2021, Hội thảo báo cáo các kết quả thử nghiệm ở NCAT (NCAT Test Track Conference 7th) với nhiều báo cáo đánh giá về tính năng dài hạn các đoạn đường thử nghiệm công nghệ CCPR sau 9 năm thi công và khai thác [15]. Nhìn chung những đoạn đoạn kết cấu thử nghiệm công nghệ CCPR từ năm 2012 đến thời điểm khảo sát đánh giá là cuối năm 2020, các chỉ tiêu tính năng khai thác vẫn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật sau 29,9 triệu trục xe tiêu chuẩn tác dụng. Các kết quả quan trắc ở những đoạn kết cấu thử nghiệm bằng công nghệ CCPR vẫn sẽ được tiếp tục đánh giá ở những chu kỳ tiếp theo.

Như vậy, các nghiên cứu đã cho thấy được hiệu quả về mặt kỹ thuật của hỗn hợp bê tông asphalttái chế nguội theo công nghệ CIR và công nghệ CCPR trên thế giới. Với công nghệ CIR, Việt Nam đã ban hành tiêu chuẩn TCVN 13150 để hướng dẫn việc thiết kế thành phần, thi công và nghiệm thu vào năm 2020 [16, 17]. Nhược điểm lớn nhất của công nghệ asphalt tái chế nguội tại chỗ CIR là việc kiểm soát chất lượng hỗn hợp còn nhiều hạn chế, số lượng máy móc thiết bị huy động cho công nghệ nhiều vì toàn bộ quá trình sản xuất và thi công hỗn hợp được thực hiện ngay tại chỗ, do vậy, trong một số trường hợp việc sử dụng công nghệ này sẽ kém hiệu quả cả về mặt kinh tế và kỹ thuật [18]. Trong khi đó với công nghệ CCPR sẽ giúp cho việc kiểm soát và đảm bảo chất lượng hỗn hợp được tốt hơn và chủ động hơn cho các ứng dụng, thiết bị thi công hoàn toàn giống như công nghệ asphalt truyền thống [18]. Tác giả Tuấn và cs., [19] đã có những nghiên cứu bước đầu về hỗn hợp bê tông asphalt tái chế nguội sử dụng 70% cốt liệu mới phối trộn với 30% cốt liệu RAP và nhũ tương CSS-1h. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra được tỷ lệ nhũ tương tối ưu của hỗn hợp bê tông asphalt tái chế nguội được thiết kế theo hướng dẫn của MS-21 là 8,6% theo khối lượng hỗn hợp. Có thể thấy rằng, hiện nay công nghệ asphalt tái chế nguội được coi là một giải pháp công nghệ phục hồi bền vững và hiệu quả về chi phí. Tuy nhiên, những nghiên cứu so sánh hiệu quả của công nghệ tái chế nguội tại chỗ và tái chế nguội tại trạm trộn về tính năng kỹ thuật, chi phí vòng đời và lợi ích môi trường vẫn còn hạn chế. Những so sánh này sẽ có lợi cho những cơ quan quản lý, nhà đầu tư,nhà thầu lựa chọn công nghệ tái chế nguội phù hợp cho lưu lượng giao thông, môi trường và kết cấu mặt đường nhất định. Xuất phát từ yêu cầu thực tế này, báo cáo trình bày kết quả nghiên cứu bước đầu đánh giá tính năng của hỗn hợp bê tông asphalt tái chế nguội theo công nghệ CCPR trong phòng thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu đã thiết kế được thành phần hỗn hợp bê tông asphalt tái chế nguội có các chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng được theo yêu cầu của tiêu chuẩn AASHTO MP 31. Ngoài ra, kết quả thí nghiệm cho thấy, các tính năng của hỗn hợp bê tông asphalt tái chế nguội đều đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật cho lớp móng hoặc lớp mặt đường ô tô.
 (Còn nữa)

Tài liệu tham khảo

[1] Gu, F., Ma, W., West, R. C., Taylor, A. J., Zhang, Y. (2019). Structural performance and sustainability as-sessment of cold central-plant and in-place recycled asphalt pavements: A case study.Journal of CleanerProduction, 208:1513–1523.

[2] Diefenderfer, B. K., Diaz-Sanchez, M., Timm, D. H., Bowers, B. F. (2016). Structural study of cold centralplant recycling sections at the National Center for Asphalt Technology (NCAT) test track.  Technicalreport, VTRC 17-R9, Virginia Department of Transportation

[3] Stimilli, A., Ferrotti, G., Graziani, A., Canestrari, F. (2013). Performance evaluation of a cold-recycledmixture containing high percentage of reclaimed asphalt. Road Materials and Pavement Design, 14(sup1):149–161.

[4] Diefenderfer, B. K., Apeagyei, A. K., Gallo, A. A., Dougald, L. E., Weaver, C. B. (2012). In-PlacePavement Recycling on I-81 in Virginia.Transportation Research Record: Journal of the TransportationResearch Board, 2306(1):21–27.

[5] Apeagyei, A. K., Diefenderfer, B. K. (2013). Evaluation of Cold In-Place and Cold Central-Plant Recy-cling Methods Using Laboratory Testing of Field-Cored Specimens. 25(11):1712–1720.

[6] Salomon, A., Newcomb, D. (2000). Cold In-Place Recycling Literature Review. Technical report, No.MN/RC 2000-21, Minnesota Department of Transportation, Saint Paul, MN.

[7] Kim, Y., Lee, H. D., Heitzman, M. (2009). Dynamic Modulus and Repeated Load Tests of Cold In-PlaceRecycling Mixtures Using Foamed Asphalt.Journal of Materials in Civil Engineering, 21(6):279–285.

[8] Khosravifar, S., Schwartz, C. W., Goulias, D. G. (2014). Mechanistic structural properties of foamedasphalt stabilised base materials.International Journal of Pavement Engineering, 16(1):27–38.

[9] Diefenderfer, B. K., Apeagyei, A. K., Gallo, A. A., Dougald, L. E., Weaver, C. B. (2012).  In-PlacePavement Recycling on I-81 in Virginia. Transportation Research Record: Journal of the TransportationResearch Board, 2306(1):21–27.

[10] Diefenderfer, B. K., Bowers, B. F., Schwartz, C. W., Farzaneh, A., Zhang, Z. (2016). Dynamic Modulus ofRecycled Pavement Mixtures. Transportation Research Record: Journal of the Transportation ResearchBoard, 2575(1):19–26.

[11] Lin, J., Hong, J., Xiao, Y. (2017). Dynamic characteristics of 100% cold recycled asphalt mixture usingasphalt emulsion and cement.Journal of Cleaner Production, 156:337–344.

[12] Niazi, Y., Jalili, M. (2009). Effect of Portland cement and lime additives on properties of cold in-placerecycled mixtures with asphalt emulsion.Construction and Building Materials, 23(3):1338–1343.

[13] Yan, J., Ni, F., Yang, M., Li, J. (2010). An experimental study on fatigue properties of emulsion and foamcold recycled mixes.Construction and Building Materials, 24(11):2151–2156.

[14] Cheng, H., Sun, L., Liu, L., Li, H. (2018). Fatigue characteristics of in-service cold recycling mixturewith asphalt emulsion and HMA mixture.Journal of Construction and Building Materials, 192:704–714.

[15] West, R., Timm, D., Powell, B., Tran, N., Yin, F., Bowers, B., Rodezno, C., Leiva, F., Vargas, A., Gu,F., Moraes, R., Nakhaei, M. (2021).NCAT Report PHASE VII (2018-2021) NCAT Test Track Findings. National Center for Asphalt Technology at Auburn University, Alabama, US.

[16] TCVN 13150-1:2020.Lớp vật liệu tái chế nguội tại chỗ dùng cho kết cấu áo đường ô tô - Thi công vànghiệm thu - Phần 1 "Tái chế sâu sử dụng xi măng hoặc xi măng và nhũ tương nhựa đường". Bộ Khoahọc và Công nghệ.

[17] TCVN 13150-2:2020.Lớp vật liệu tái chế nguội tại chỗ dùng cho kết cấu áo đường ô tô - Thi công vànghiệm thu - Phần 2 "Tái chế sâu sử dụng nhựa đường bọt và xi măng". Bộ Khoa học và Công nghệ.

[18] Christopher J. Hedges, Lori L. Sundstrom, T. Z. S. L. C. E. P. D. N. B. (2021).Practice and Performanceof Cold In-Place Recycling and Cold Central Plant Recycling. NCHRP 569, The National AcademiesPress, Washington, DC.

[19] Tuấn, N. M., Tha, N. N. (2016). Bước đầu thiết kế cấp phối bê tông nhựa tái chế bằng phương pháp trộnnguội tại trạm trộn theo MS-21.Tạp Chí Giao Thông Vận Tải, 11:67–69.

[20] AASHTO (2019).Standard Specification for Materials for Cold Recycled Mixtures with Emulsified As-phalt. MP31-17, Washington, DC.

[21] AASHTO (2019).Standard Practice for Emulsified Asphalt Content of Cold Recycled Mixture Designs.PP86-17, Washington, DC.

[22] Asphalt Recycling & Reclaiming Association (ARRA) (2016).Recommended Mix Design Guidelines ForCold Recycling Using Emulsified Asphalt Recycling Agent CR 201. Asphalt Recycling and ReclaimingAssociation, Glen Ellyn, IL.

[23] 22 TCN 211:2006.Áo đường mềm -Yêu cầu thiết kế. Bộ Giao thông vận tải.

[24] EN 12697-26.Bituminous mixtures-Test methods Stiffness.

[25] AASHTO (1993).Guide for Design of Pavement Structures. Washington, DC.

[26] Apeagyei, A. K., Diefenderfer, B. K. (2013). Evaluation of Cold In-Place and Cold Central-Plant Re-cycling Methods Using Laboratory Testing of Field-Cored Specimens.Journal of Materials in CivilEngineering, 25(11):1712–1720.

[27] AASHTO (2007). Standard Method of Test for Determining Dynamic Modulus of Hot Mix Asphalt. TP-62, Washington, DC.

[28] Widyatmoko, I. (2008). Mechanistic-empirical mixture design for hot mix asphalt pavement recycling. Construction and Building Materials, 22(2):77–87.

[29] Dougan, C. E., Stephens, J. E., Mahoney, J., Hansen, G. (2003).E*-Dynamic modulus - Test protocol -Problems and Solutions. Connecticut Transportation Institute, University of Connecticut, USA.

[30] Yusoff, N. I. M. (2012).Modelling the Linear Viscoelastic Rheological Properties of Bituminous Binders.The Nottingham University.

[31] TCVN ISO 14040:2009.Quản lý môi trường - Đánh giá vòng đời sản phẩm - Nguyên tắc và khuôn khổ.

[32] IPCC (2006). Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. Institute for Global EnvironmentalStrategies (IGES), Hayama, Japan.

[33] Nghiên cứu, xây dựng hệ số phát thải (EF) của lưới điện Việt Nam.

[34] Thông tư số 20/2016/TT-BCT.Quy định mức tiêu hao năng lượng trong ngành công nghiệp thép. BộCông Thương, Hà Nội.

[35] Stripple, H. (2001).Life Cycle Assessment of Road: a Pilot Study for Inventory Analysis. IVL SwedishEnvironmental Research Institute.

VLXD.org (TH/ Tạp chí KHCNXD)