1. Giới thiệu
Hiệu suất lâu dài của vật liệu bitum chịu ảnh hưởng đáng kể bởi quá trình lão hóa oxy hóa, tác động đến đặc tính lưu biến và cấu trúc phân tử của chất kết dính. Do tiếp xúc với các tác nhân gây căng thẳng môi trường như nhiệt, tia cực tím và oxy, các thành phần maltene của vật liệu bitum bị mất dần, dẫn đến độ cứng quá mức, độ đàn hồi giảm và độ giòn tăng. Những biến đổi này làm giảm khả năng chống mỏi và nứt của mặt đường. Các tác nhân trẻ hóa để phục hồi các đặc tính ban đầu của bitum đã được các nhà khoa học quan tâm đáng kể trong khoảng mười năm trở lại đây. Trong số đó, cặn dầu, một sản phẩm thải từ quá trình lọc dầu, là một lựa chọn mới và có thể tái tạo do tính chất hóa học tương tự như vật liệu hydrocarbon của bitum và khả năng giảm thiểu chất thải công nghiệp.
2. Bối cảnh và Mục đích Nghiên cứu
Mục tiêu chung của nghiên cứu này là tìm hiểu xem liệu bùn dầu, sau khi được tinh chế và xử lý, có thể là một chất trẻ hóa hiệu quả, có khả năng phục hồi cân bằng lý hóa, cấu trúc và nhiệt của bitum lão hóa hay không. Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát tác động của liều lượng bùn lên hiệu suất vật lý, cấu trúc vi mô và thành phần hóa học của bitum lão hóa nhân tạo. Bên cạnh việc cải thiện các đặc tính vật lý vốn có, nghiên cứu còn tìm hiểu quá trình lão hóa ở cấp độ phân tử và keo.
3. Vật liệu và Chuẩn bị Mẫu
Hoạt động thử nghiệm bắt đầu với bitum tiêu chuẩn dùng cho mặt đường, được ủ tăng tốc trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát. Để mô phỏng quá trình lão hóa thường gặp trong quá trình sản xuất và tuổi thọ sử dụng, một thử nghiệm lò màng mỏng quay đã được sử dụng. Bùn dầu mỏ, một sản phẩm phụ của hoạt động dầu mỏ, được đặc trưng bởi hàm lượng hydrocarbon cao ở dạng hỗn hợp với nước và tạp chất rắn. Trước khi sử dụng, bùn đã trải qua các quá trình tinh chế bao gồm lọc, tách và chiết dung môi để loại bỏ phần giàu hydrocarbon.
Sau đó, ba chất kết dính thử nghiệm đã được chuẩn bị bằng cách trộn 1%, 3% và 5% (theo trọng lượng) bùn đã xử lý vào bitum đã ủ. Trộn ở nhiệt độ cao và trộn cắt cao được sử dụng để đảm bảo chất làm trẻ hóa được phân tán đồng đều trong nền chất kết dính.
4. Phương pháp Đặc tính và Thử nghiệm
Các thử nghiệm vật lý, lưu biến, hóa học và vi mô đã được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của cặn dầu lên bitum già. Thử nghiệm điểm hóa mềm và thử nghiệm độ cứng đã được sử dụng để đo độ đồng nhất và độ nhạy nhiệt. Thử nghiệm lưu biến kế cắt động (DSR) đã được sử dụng để hiểu rõ hành vi nhớt đàn hồi, tức là về mô đun phức tạp và góc pha. Sự tiến hóa hóa học đã được thăm dò bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), chú ý đến các nhóm chức năng báo hiệu quá trình oxy hóa. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp bằng chứng về sự tiến hóa cấu trúc vi mô, và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) định lượng độ ổn định nhiệt và các mô hình phân hủy. Phân đoạn SARA (Chất bão hòa, Chất thơm, Nhựa, Asphalten) cũng được sử dụng để thu thập các gợi ý về sự thay đổi cân bằng keo thông qua sự thay đổi tỷ lệ asphaltene/maltene.
5. Tính chất Vật lý và Lưu biến
Việc bổ sung bùn dầu đã làm thay đổi đáng kể các tính chất vật lý cơ bản của chất kết dính đã trưởng thành. Khi tăng lượng bùn, giá trị độ thấm tăng lên, cho thấy độ dẻo dai được cải thiện và độ cứng giảm. Ngược lại, điểm hóa mềm cũng trở nên tốt hơn, điều này phản ánh rằng chất kết dính đã được xử lý không bị mất tính toàn vẹn ở nhiệt độ cao, đồng thời giảm độ giòn. Các thử nghiệm lưu biến cho thấy mô đun phức tạp giảm, cho thấy chất kết dính mềm hơn, dễ gia công, và góc pha cho thấy xu hướng phản ứng nhớt ở mức độ vừa phải. Thông số khả năng chống lún sụt giảm nhưng vẫn ở mức chấp nhận được đối với mặt đường, chứng tỏ chất kết dính đã được phục hồi có cấu trúc ổn định trước tải trọng lặp lại.
6. Đặc tính hóa học
Phân tích FTIR cung cấp bằng chứng quan trọng về sự trẻ hóa hóa học. Sự giảm cường độ của dải hấp thụ sulfoxide ngụ ý sự đảo ngược quá trình lão hóa oxy hóa ở một mức độ nào đó, trong khi sự xuất hiện của các nhóm aliphatic và thơm mới từ bùn đã cân bằng lại hàm lượng hóa học. Mặc dù cường độ của nhóm carbonyl thay đổi ít, nhưng sự giảm tổng thể của các chỉ số oxy hóa ngụ ý một tác động trẻ hóa bù đắp cho những ảnh hưởng mạnh mẽ của quá trình lão hóa mạnh.
7. Quan sát vi cấu trúc
Hình ảnh hiển vi của bitum già cho thấy bề mặt thô và không đều, được phân biệt bằng các vết nứt và sự phân tách pha rõ ràng. Hình thái bề mặt của bitum thay đổi đáng kể sau khi bổ sung bùn dầu. Chất kết dính đã qua xử lý mịn hơn, kết dính hơn và đồng nhất hơn, đặc biệt là ở nồng độ bùn cao. Sự biến đổi này chứng minh rằng các thành phần hydrocarbon của bùn tương tác tốt với bitum già, lấp đầy các lỗ rỗng siêu nhỏ và đạt được sự đồng nhất về cấu trúc.
8. Hiệu suất Nhiệt
Phân tích nhiệt trọng lượng cho thấy việc bổ sung bùn dầu đã làm thay đổi đặc tính phân hủy của chất kết dính. Sự mất khối lượng ở nhiệt độ thấp vẫn được hạn chế, nhưng bước phân hủy chính diễn ra chậm hơn, cho thấy khả năng điều chỉnh nhiệt độ tăng lên. Khối lượng dư ở trạng thái cuối cùng giảm khi nồng độ bùn tăng, phản ánh ít cấu trúc asphaltene trơ về nhiệt hơn. Sự giảm cặn này phản ánh hệ thống chất kết dính phản ứng nhanh và cân bằng hơn, có khả năng chịu được các biến động nhiệt mà không tạo thành các sản phẩm phụ phân hủy cứng.
9. Cấu trúc keo và diễn giải cơ chế
Phân tích SARA cho thấy tỷ lệ asphaltene/maltene giảm đồng đều khi bổ sung bùn dầu. Phát hiện này thể hiện sự tái phân bố trong mạng lưới keo, nơi các thành phần giống maltene trong bùn giúp phân tán các cục asphaltene lớn và tái tạo cấu trúc micellar ổn định. Bằng cách tăng cường khả năng solvat hóa các hạt asphaltene, bùn hỗ trợ sự phân tán đồng đều hơn và giảm độ giòn tổng thể của chất kết dính. Do đó, chất kết dính được trẻ hóa cho thấy độ dẻo và độ đàn hồi tăng lên, gần giống với xu hướng của bitum tươi.
10. Kết luận và Ý nghĩa
Nghiên cứu này chứng minh rằng bùn dầu, khi được xử lý và trộn theo tỷ lệ phù hợp, là một chất phụ gia trẻ hóa tốt cho bitum già cỗi. Nó không chỉ phục hồi các đặc tính vật lý và lưu biến mà còn cải thiện cân bằng hóa học, độ kết dính vi cấu trúc và độ ổn định nhiệt. Bùn dầu hỗ trợ tích cực cho quá trình trẻ hóa bằng cách khôi phục khả năng tương thích phân tử và cân bằng keo thay vì chỉ đóng vai trò là chất pha loãng cho vật liệu già cỗi.
Xét về mặt bền vững, việc sử dụng bùn dầu đồng thời giải quyết hai vấn đề lớn: nâng cao hiệu suất mặt đường và giảm thiểu ô nhiễm môi trường liên quan đến việc xử lý chất thải công nghiệp. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu dài hạn để chứng minh hiệu suất của nó trong điều kiện thực tế và tiếp tục làm sáng tỏ cơ chế trẻ hóa ở cấp độ phân tử.
11. Lời kết
Những phát hiện này xác định một hướng đi đúng đắn cho công nghệ đường bộ bền vững, trong đó các sản phẩm phụ thải từ công nghiệp như bùn dầu có thể được tái chế thành các chất phục hồi chức năng. Xét về mặt đóng góp về mặt kết cấu và nhiệt, bùn dầu có giá trị cả về mặt môi trường và kỹ thuật, khiến nó trở thành một thành phần khả thi trong hỗn hợp nhựa đường xanh của tương lai. Nghiên cứu này cũng thúc đẩy việc sử dụng chất thải để chuyển đổi ngành công nghiệp bitum theo hướng tuần hoàn và bền vững.
Bài viết của Bitumenmag
Nhựa đường, Khoa học, Công nghệ
71 Hàm Nghi, Phường Sài Gòn, TP. HCM
info@nhutuongnhuaduong.com.vn
