Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano carbon để giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe, tăng cường tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa

Các nguyên liệu gốc thực vật như cây dó bầu, tầm vông, bã cà phê, vỏ trấu, bã mía, củ rau dền… có thể dùng để chế tạo nano carbon. Đây là nguồn nguyên liệu có rất nhiều trong sinh học nhiệt đới Việt Nam. Sản lượng cà phê Việt Nam luôn tăng trưởng trong nhiều năm qua và đang đứng thứ hai thế giới về xuất khẩu.

Sản lượng cà phê mùa vụ 2013/14 gần 30.000 ngàn bao (mỗi bao 60 kg), tương đương 1,7 triệu tấn (BĐ 1); Sản lượng mía ở Việt Nam hàng năm đạt khoảng 60 tấn/ha trên khoảng 220 ngàn ha. Bã cà phê và bã mía là phần xác còn lại thu được sau khi chế biến (lọc, ép lấy nước). Bã cà phê và bã mía được tận dụng làm chất khử mùi, mỹ phẩm, chất đốt trong sinh hoạt, sản xuất giấy, làm phân bón... Tuy nhiên, do khối lượng bã cà phê và bã mía phát sinh nhiều, với cách tận dụng như trên thì lượng bã cà phê và bã mía chỉ được tiêu thụ với số lượng nhỏ.

Bã cà phê và bã mía thải ra từ các nhà máy chế biến không nơi tiêu thụ, không kho bãi chứa chỉ còn cách đốt bỏ hoặc đổ xuống kênh rạch, sông ngòi. Hậu quả làm ô nhiễm môi trường không khí nước và mùi hôi, khói làm ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân. Do vậy, phải tính đầu ra cho bã cà phê và bã mía. Đã có hàng loạt công trình nghiên cứu tận dụng nguồn bã cà phê và bã mía khổng lồ làm nguyên liệu để phục vụ cho sản xuất và đời sống được triển khai thực tế. Nhiều doanh nghiệp, cơ sở sản xuất, người dân đã làm giàu từ nguồn phế phẩm này song vẫn không tiêu thụ hết được vì khối lượng quá lớn. Vì vậy, bã cà phê và bã mía thải ra vẫn cứ tồn tại và đe dọa từng ngày cuộc sống và môi trường. Tuy nhiên, bã cà phê và bã mía bỏ đi chính là nguyên liệu để chế tạo nano carbon rất dồi dào. Nhờ vậy sẽ giảm nhập khẩu các phụ gia cho bê tông và vấn đề ô nhiễm môi trường do bã cà phê và bã mía cũng được giải quyết triệt để, đồng thời tận dụng được nguồn nguyên liệu sẵn có.

Ngành công nghiệp xây dựng là một ngành tiêu thụ chính nguồn nguyên liệu và năng lượng trên thế giới. Trong số tất cả các vật liệu được sử dụng trong xây dựng, bê tông nhựa được sử dụng rộng rãi và có một tác động lớn trong ngành xây dựng đường ô tô. Nó có mặt ở hầu hết các tầng phủ của các mặt đường mềm cấp cao. Trong khi đó, công nghệ nano là một trong những ngành công nghệ có ảnh hưởng lớn trong thế kỷ này và nó cũng có ảnh hưởng đáng kể trong lĩnh vực xây dựng. Có một sự hiểu biết tốt và kỹ thuật cao trong chế tạo bê tông nhựa có sử dụng phụ gia nano có thể cải tiến vật 2 liệu xây dựng mới tốt hơn và bền hơn so với vật liệu thông thường. Kỹ thuật chế tạo bê tông nhựa có sử dụng phụ gia nano bao gồm sự kết hợp của các hạt có kích thước nano vào bê tông nhựa với tỷ lệ và phương pháp phù hợp.

Hiện nay, nhu cầu sử dụng các sản phẩm bê tông tính năng cao trong xây dựng ngày càng tăng, vì vậy việc sử dụng nano carbon để cải thiện một số tính chất của bê tông nhựa mang lại hiệu quả rất lớn cả về kinh tế, kỹ thuật và bảo vệ môi trường. Và định hướng nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa để đáp ứng nhu cầu sử dụng và khai thác mạng lưới đường bộ Việt Nam an toàn và hiệu quả hơn so với sử dụng bê tông nhựa truyền thống.

Xuất phát từ thực tiễn trên, PGS.TS Lê Văn Bách và nhóm nghiên cứu tại Trường Cao đẳng Giao thông Vận tải thực hiện “Nghiên cứu sử dụng vật liệu nano carbon để giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe, tăng cường tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa” với mục tiêu nghiên cứu sử dụng vật liệu nano carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa để giảm thiểu hằn lún vệt bánh xe, tăng cường tuổi thọ của mặt đường bê tông nhựa.

Trên thế giới, để giải quyết bài toán chống hằn lún vệt bánh xe, các nhà nghiên cứu sử dụng rất nhiều loại phụ gia polime như: SBS (Styrene-Butadiene-Styrene), 13 SBR (Styrene-Butadiene-Rubber), epoxy, EVA (Ethylen-Vinyl-Acetate), EPDM (Ethylene-Propylene-Diene-Monomer)... nhưng sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa vẫn chưa đề cập đến. Tuy nhiên, đã có một số nghiên cứu sử dụng nano carbon tăng cường đặc tính cơ lý trong bê tông nhựa, nhựa đường để làm cơ sở nghiên cứu sử dụng nano carbon làm phụ gia tăng cường khả năng chống lún vệt bánh xe của bê tông nhựa.

Ở Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu về sử dụng các loại phụ gia để cải thiện cường độ của bê tông xi măng. Nhưng vấn đề nghiên cứu sử dụng vật liệu nano để cải 14 thiện một số tính chất của bê tông nhựa chưa được quan tâm nhiều. Gần đây đã có một số nghiên cứu về lĩnh vực này:

Năm 2014, một nhóm sinh viên của trường Đại học Giao thông Vận tải Cơ sở II đã có nghiên cứu và cho được kết quả bước đầu: khi thêm vào bê tông nhựa 0,5% nano thì cường độ ép chẻ của bê tông nhựa tăng thêm 12%, còn khi thêm vào bê tông nhựa 1% nano thì cường độ ép chẻ của bê tông nhựa tăng thêm 18%.

Về công nghệ nano cho bitum đã có đề tài cấp Bộ GTVT “Nghiên cứu thử nghiệm trong phòng để cải tiến bitum bằng các phân tử nano dùng trong xây dựng công trình giao thông”. Mã số DT 154051 do PGS.TS Nguyễn Thị Bích Thủy thực hiện năm 2015.

Năm 2016, PGS.TS Lê Văn Bách đã nghiên cứu và cho kết quả: Việc thay thế bột khoáng trong bê tông nhựa bởi nano silica điều chế từ tro trấu với hàm lượng từ 0,5% đến 1% sẽ làm tăng độ ổn định marshall cũng như làm giảm được hằn lún vệt bánh xe cho bê tông nhựa.

Năm 2018, PGS.TS Lê Văn Bách, Ths. Võ Hồng Lầm, TS. Lê Văn Phúc, Ks. Bùi Trọng Quân đã nghiên cứu và cho kết quả: Bước đầu nghiên cứu cho thấy việc trộn thêm các ống nano carbon (CNTs) vào nhựa đường chế tạo bê tông nhựa với một hàm lượng hợp lý (từ 0,05-0,25%) sẽ làm tăng độ ổn định Marshall của bê tông nhựa, đồng thời sẽ cải thiện đáng kể tuổi thọ của kết cấu áo đường nếu sử dụng loại BTN này trong môi trường ẩm ướt.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

- Kết quả thí nghiệm trên cho thấy độ ổn định Marshall của bê tông nhựa tăng theo hàm lượng CNTs trộn vào nhựa đường. Cụ thể khi thêm 0,1% CNTs thì độ ổn định tăng 14,7%; thêm 0,25% CNTs thì độ ổn định tăng 29,9%. Điều này cho thấy CNTs cải thiện được độ bền của bê tông nhự. Đồng thời độ dẻo marshall ở tỷ lệ nano CNTs 0,1% cho kết quả cao nhất.

- Thông qua kết quả thí nghiệm độ ổn định nước của BTN theo TCVN8919-2011 cho thấy khi tăng hàm lượng CNTs vào nhựa đường từ 0% đến 0,25%, thì độ ổn định còn lại tăng rõ rệt từ 78% đến 96%. Với kết quả này cho thấy nếu sử dụng loại BTN này trong môi trường ẩm ướt thì tuổi thọ của kết cấu áo đường sẽ cải thiện đáng kể.

- Khi sử dụng CNTs từ 0,1% đến 0,15% làm phụ gia cho bê tông nhựa giảm đáng kể hằn lún vệt bánh xe cho bê tông nhựa (giảm từ 59% đến 80% so với mẫu thử không có CNTs).

- Khi sử dụng nano carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa với hàm lượng của 0,05% CNTs thì mức độ hao tán năng lượng biến dạng tới hạn là lớn nhất (tăng 49,39 % so với mẫu thử không có CNTs). Đồng nghĩa với khả năng kháng lún là tốt nhất.

- Khi nhiệt độ lớn hơn 20 ^oC (nhiệt độ phản ảnh khả năng kháng lún) thì mô đun đàn hồi động của BTN sử dụng CNTs cao hơn so với BTN không sử dụng CNTs. Như vậy BTN có sử dụng CNTs cho khả năng kháng lún tốt hơn so BTN không sử dụng CNTs. Khi nhiệt độ nhỏ hơn 20 ^oC (nhiệt độ phản ảnh khả năng kháng nứt) thì mô đun đàn hồi động của BTN sử dụng CNTs thấp hơn so BTN không sử dụng CNTs.

Do vậy, trong điều kiện khu vực ngập nước và nắng nóng như ở TP. Hồ Chí Minh hiện nay nếu sử dụng loại phụ gia này để chế tạo BTN làm lớp mặt cho kết cấu áo đường mềm sẽ là một giải pháp hết sức hữu hiệu trong việc gia cường khả năng kháng lún cũng như giảm phá hoại của kết cấu mặt đường dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và môi trường ẩm ướt.

Sử dụng vật liệu nano carbon làm phụ gia cho bê tông nhựa sẽ làm tăng giá thành của bê tông nhựa. Tuy nhiên, việc sử dụng CNTs đã làm thay đổi cường độ của bê tông nhựa theo xu hướng tích cực, với một lượng nhỏ CNTs được thêm vào thì cường 84 độ tăng lên rõ rệt, do đó kết cấu mặt đường sử dụng bê tông nhựa có phụ gia CNTs sẽ có chiều dày mỏng hơn nên giá thành về kết cấu có thể chênh lệch không nhiều. Khuyến cáo nên sử dụng hàm lượng CNTs từ 0,05-0,1% để đạt được sự hợp lý về kinh tế - kỹ thuật.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 19690/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Vista.gov.vn