Nhựa đường

Nhựa đường (UK: /ˈbɪtjʊmɪn/, US: /bɪˈtjuːmən, baɪ-/)^[1] là một chất lỏng hay chất bán rắn có độ nhớt cao và có màu đen, nó có mặt trong phần lớn các loại dầu thô và trong một số trầm tích tự nhiên. Thành phần chủ yếu của nhựa đường là bitum. Vẫn tồn tại một số bất đồng trong số các nhà hóa học liên quan đến cấu trúc của nhựa đường, tuy nhiên phổ biến nhất là nó được giả lập mô hình như là một chất keo.

Nhựa đường đôi khi bị nhầm lẫn với hắc ín do nó cũng là sản phẩm chứa bitum, nhưng hắc ín là loại vật liệu nhân tạo được sản xuất bằng phương pháp chưng cất phá hủy các chất hữu cơ. Tuy cùng là sản phẩm chứa bitum nhưng thông thường hàm lượng bitum trong hắc ín thấp hơn của nhựa đường. Hắc ín và nhựa đường có các thuộc tính cơ lý rất khác nhau.

Nhựa đường có thể được tách ra từ các thành phần khác của dầu thô (chẳng hạn naphtha, xăng và dầu điêzen) bằng quy trình chưng cất phân đoạn, thông thường dưới các điều kiện chân không. Việc chia tách tốt hơn nữa có thể đạt được bằng cách xử lý tiếp các phần nặng nhất của dầu mỏ trong các khối khử nhựa đường sử dụng prôpan hoặc butan trong pha siêu tới hạn để hòa tan các phân tử nhẹ hơn và sau đó được tách ra. Có thể xử lý tiếp bằng cách "thổi" sản phẩm: cụ thể là bằng cách cho nó phản ứng với oxy. Phương pháp này làm cho sản phẩm cứng và nhớt hơn.

Các trầm tích tự nhiên chứa nhựa đường bao gồm các hồ nhựa đường (chủ yếu khai thác từ hồ Trinidad ở Trinidad, hồ Bermudez ở Venezuela), gilsonit, biển Chết ở Israel và các loại cát hắc ín.

Nhựa đường là đủ cứng để vận chuyển theo các đống rời (nó chỉ mềm đi khi bị nóng quá) vì thế đôi khi nó được trộn lẫn với dầu điêzenl hay dầu lửa cho dễ vận chuyển. Vào lúc giao hàng, các chất nhẹ hơn này sẽ được tách ra khỏi hỗn hợp. Hỗn hợp này thông thường được gọi là bitum nguyên liệu (BFS).

Ứng dụng lớn nhất của nhựa đường là sản xuất bê tông atphan để rải đường, nó chiếm khoảng 80% toàn bộ lượng nhựa đường thương phẩm được tiêu thụ ở Hoa Kỳ. Việc gắn kết các ván ốp chiếm chủ yếu phần còn lại. Các ứng dụng khác còn có: làm thuốc xịt cho động vật, xử lý cột hàng rào và chống thấm nước cho công trình xây dựng.

Ở Trung Đông cổ đại các trầm tích tự nhiên chứa nhựa đường đã được sử dụng để làm vữa để gắn kết gạch và đá, xảm tàu và chống thấm nước. Từ để chỉ nhựa đường trong tiếng Ba Tư là mumiya, có lẽ là nguồn gốc cho từ "mummy" (xác ướp) trong tiếng Anh.

Phần lớn lượng nhựa đường có nguồn gốc từ dầu mỏ.^[2] Tuy nhiên, một lượng lớn nhựa đường cũng tồn tại ở dạng tập trung trong tự nhiên. Các mỏ nhựa đường tự nhiên được hình thành từ tàn tích của các loài tảo siêu nhỏ cổ đại (tảo silic) và các sinh vật đã từng tồn tại. Quá trình hình thành diễn ra trong Kỷ Than đá, khi những cánh rừng đầm lầy khổng lồ bao phủ nhiều khu vực trên Trái đất.^[3] Lúc này, các sinh vật chết đi và bị chôn vùi dưới lớp bùn dưới đáy đại dương hoặc hồ nước. Dưới tác động của nhiệt độ (trên 50 °C) và áp suất khi bị chôn vùi sâu trong lòng đất, phần còn lại của sinh vật được chuyển hóa thành các vật chất như nhựa đường, kerogen hoặc dầu mỏ.

Các mỏ nhựa đường tự nhiên tồn tại dưới dạng các hồ nhựa đường như Pitch Lake ở Trinidad và Tobago, hồ Bermudez ở Venezuela.^[4][5] Ngoài ra, còn có các mạch nhựa đường tự nhiên xuất hiện ở La Brea Tar Pits và McKittrick Tar Pits tại California và ở Biển Chết.

Nhựa đường cũng xuất hiện trong các loại đá sa thạch không kết dính được gọi là "cát dầu" ở Alberta, Canada,^[6][7] và "cát hắc ín" tương tự ở Utah, Hoa Kỳ^[8]. Tỉnh Alberta của Canada sở hữu phần lớn trữ lượng dầu mỏ thế giới, tập trung trong ba mỏ khổng lồ với diện tích lên đến 142.000 km vuông (55.000 dặm vuông Anh), rộng lớn hơn cả nước Anh hay tiểu bang New York.^[9]

Miền Bắc Alberta, Canada sở hữu mỏ nhựa đường tự nhiên lớn nhất thế giới.^[10] Nằm trong Hệ tầng McMurray, mỏ Athabasca hình thành từ đầu kỷ Phấn trắng, với cấu tạo độc đáo gồm nhiều thấu kính cát chứa dầu, có hàm lượng lên đến 20%.^[11] Các nghiên cứu đồng vị cho thấy mỏ dầu này có niên đại khoảng 110 triệu năm.^[12][13]

Utah, Hoa Kỳ cũng sở hữu những mỏ dầu nặng hoặc nhựa đường với quy mô nhỏ hơn, điển hình là mỏ Tar Sand Triangle, nơi trữ lượng nhựa đường chiếm khoảng 6%.^[11]

Nhựa đường có thể xuất hiện trong các mạch nhiệt dịch.^[14] Lưu vực Uinta tại Utah, Hoa Kỳ là một ví dụ điển hình với sự hiện diện của mạng lưới các mạch trải rộng theo cả chiều ngang và chiều dọc. Nổi bật trong cấu tạo của các mạch này là Gilsonite - một loại hydrocarbon rắn.^[15]

Nhựa đường được sử dụng từ rất sớm, ước tính khoảng 40.000 năm trước, vào thời kỳ đồ đá cũ.^[16] Vào thời điểm này, con người đã sử dụng nhựa đường để gắn kết các dụng cụ đá sơ khai với phần cán cầm.^[17]

Việc kiểm tra lại các hiện vật khai quật năm 1908 tại di chỉ Le Moustier (Pháp) xác định các công cụ đá thời kỳ Mousterian được gắn vào tay cầm làm từ hỗn hợp đất son và nhựa đường.^[18] Hỗn hợp này gồm 55% bột goethit và 45% nhựa đường dạng lỏng nấu chín, tạo thành chất dẻo để đúc cán cầm và cứng lại sau đó. Do các cuộc khai quật trước đây tại Le Moustier chưa xác định chính xác văn hóa khảo cổ và niên đại, nhưng phong cách đồ đá Mousterian cho thấy những công cụ này có liên quan đến người Neanderthals vào cuối thời kỳ Đồ đá cũ Giữa, khoảng từ 60.000 đến 35.000 năm trước. Đây là bằng chứng sớm nhất về việc sử dụng chất kết dính hỗn hợp ở châu Âu.

Việc sử dụng nhựa đường tự nhiên để chống thấm và làm chất kết dính có từ ít nhất thiên niên kỷ thứ 5 trước Công nguyên. Tại Mehrgarh, thuộc nền văn minh Thung lũng Indus, người ta đã tìm thấy một chiếc giỏ lưu trữ lương thực được lót bằng nhựa đường.^[19] Đến thiên niên kỷ thứ 3 trước Công nguyên, nhựa đường tinh chế đã được sử dụng phổ biến trong khu vực.^[20]

Người Sumer ở vùng Cận Đông cổ đại đã sử dụng nhựa đường tự nhiên cho nhiều mục đích khác nhau.^[21] Nhà sử học Hy Lạp, Herodotus từng ghi nhận việc sử dụng nhựa đường nóng làm vữa xây dựng tường thành Babylon.^[22]

Theo ghi chép, đường hầm Euphrates dài 1 kilômét (0,62 dặm) nằm bên dưới sông Euphrates tại Babylon, được xây dựng vào thời Nữ hoàng Semiramis (khoảng năm 800 TCN) sử dụng gạch nung phủ nhựa đường làm chất chống thấm.^[21][23]

Tại Bắc Mỹ, các cuộc khai quật khảo cổ đã phát hiện ra việc sử dụng nhựa đường để gắn mũi tên đá vào trục gỗ.^[24][25] Nhựa đường rỉ ra từ bờ sông Athabasca và các con sông khác được người thổ dân Canada sử dụng để chống thấm cho những chiếc ca nô bằng vỏ cây bạch dương. Họ cũng đun nóng nhựa đường trong những chiếc chậu bẩn để xua đuổi muỗi vào mùa hè.^[13] Trước thời thuộc địa, các dân tộc bản địa ở miền nam California cũng sử dụng nhựa đường để chống thấm cho xuồng gỗ ván.^[26][27]

Nhựa đường tuy chỉ chiếm khoảng 4 đến 5% (theo trọng lượng) trong hỗn hợp lát đường. Tuy nhiên, với vai trò là chất kết dính, nhựa đường lại là thành phần đắt đỏ nhất trong chi phí vật liệu xây đường.^[28][29]

Vào giai đoạn đầu ứng dụng nhựa đường cho việc lát đường hiện đại, các nhà máy lọc dầu thường cung cấp miễn phí loại vật liệu này. Tuy nhiên, ngày nay, nhựa đường đã trở thành một mặt hàng được giao dịch rộng rãi. Giá thành của nó tăng đáng kể vào đầu thế kỷ 21. Theo một báo cáo của chính phủ Mỹ:

"Năm 2002, giá nhựa đường chỉ xấp xỉ 160 USD/tấn. Đến cuối năm 2006, giá đã tăng gấp đôi, lên khoảng 320 USD/tấn. Tiếp theo, vào năm 2012, giá lại gần như tăng gấp đôi một lần nữa, đạt mức xấp xỉ 610 USD/tấn."

Theo báo cáo, một đoạn đường cao tốc "trung bình" dài 1 dặm (1,6 km) với bốn làn xe sẽ sử dụng khoảng 300 tấn nhựa đường. Năm 2002, chi phí cho lượng nhựa đường này ước tính khoảng $48,000. Đến năm 2006, chi phí tăng lên $96,000 và đến năm 2012 lên tới $183,000. Như vậy, chỉ trong 10 năm, chi phí cho nhựa đường tăng khoảng $135,000 cho mỗi dặm đường cao tốc.

Nhựa đường là vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng và thường được tái chế để tiết kiệm tài nguyên và bảo vệ môi trường.^[30] Hai loại vật liệu tái chế phổ biến nhất có chứa nhựa đường là mặt đường nhựa tái chế (RAP) và tấm lợp nhựa đường tái chế (RAS). Mặt đường nhựa tái chế (RAP) được tái sử dụng với tỷ lệ cao hơn bất kỳ vật liệu nào khác tại Hoa Kỳ do tính linh hoạt và hiệu quả.^[31] Loại vật liệu này thường chứa khoảng 5-6% chất kết dính nhựa đường, giúp đảm bảo độ bền và khả năng kết dính cho mặt đường.^[32]

Nhựa đường theo thời gian sẽ tự nhiên trở nên cứng hơn do các yếu tố như oxy hóa, bay hơi, rỉ nhựa và thay đổi cấu trúc.^[33] Do đó, để phục hồi các đặc tính vật lý và hóa học của nhựa đường tái chế, người ta thường kết hợp nó với nhựa đường nguyên chất, các chất làm mềm và/hoặc phụ gia trẻ hóa.^[34]

Nhựa đường có thể xâm nhập vào cơ thể con người trong môi trường làm việc. Con người có thể hít phải hơi nhựa đường hoặc tiếp xúc trực tiếp qua da. Viện An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp Quốc gia Hoa Kỳ (NIOSH) khuyến nghị giới hạn phơi nhiễm nhựa đường là 5 mg/m3 trong khoảng thời gian 15 phút.^[35]

Nhựa đường vốn dĩ là một vật liệu trơ.^[36][37] Do đó, để sử dụng cho việc sản xuất vật liệu lát đường, lợp mái và nhiều ứng dụng khác, người ta cần làm nóng hoặc pha loãng nhựa đường đến độ mềm dẻo nhất định. Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) đã tiến hành đánh giá các nguy cơ sức khỏe tiềm ẩn liên quan đến nhựa đường. Qua đó, IARC xác định rằng các thông số ứng dụng, chủ yếu là nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phơi nhiễm trong công việc và nguy cơ gây ung thư của lượng nhựa đường thải ra môi trường.^[38] Nhiệt độ càng cao, nguy cơ phơi nhiễm với nhựa đường càng lớn. Điều này đã được chứng minh qua việc so sánh mức độ phơi nhiễm khi đun nóng nhựa đường ở nhiệt độ trên 199 °C (390 °F) và nhiệt độ thấp hơn, thường được sử dụng trong sản xuất và thi công hỗn hợp nhựa đường.^[39] Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) đã phân loại khói nhựa đường lát đường là chất gây ung thư loại 2B.^[40][41] Điều này có nghĩa là hiện nay vẫn chưa có đủ bằng chứng để khẳng định khói nhựa đường gây ung thư ở người, nhưng cũng không thể loại trừ khả năng này.^[38]

Năm 2020, các nhà khoa học đã đưa ra báo cáo về vấn đề ô nhiễm không khí. Theo báo cáo này, nhựa đường hiện đang là một nguồn gây ô nhiễm đáng kể và thường bị bỏ qua tại các khu vực đô thị, đặc biệt là trong những giai đoạn thời tiết nắng nóng.^[42][43]

Shilajit là một chất tương tự nhựa đường được tìm thấy ở dãy Himalaya. Chất này đôi khi được sử dụng trong Y học Cổ truyền Ấn Độ (Ayurveda). Tuy nhiên, Shilajit thực tế không phải là hắc ín, nhựa cây hay nhựa đường.^[44]

• Bitum
• Hắc ín

Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Nhựa đường.

• Vật liệu đen Lưu trữ 2005-12-10 tại Wayback Machine
• Pavement Interactive - Asphalt
• Asphalt Magazine
• CSU Sacramento, The World Famous Asphalt Museum! Lưu trữ 2007-05-29 tại Wayback Machine
• National Institute for Occupational Safety and Health - Asphalt Fumes