بررسی اثر افزودنی نانورس‌ بر رفتار خستگی مخلوطهای آسفالتی از طریق تحلیل ضریب آسیب معادل

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دانشگاه علم و صنعت ایران - دانشکده مهندسی عمران

چکیده

خستگی ناشی از بارگذاری تکراری ترافیک، به عنوان یکی از حالتهای اصلی خرابی در روسازیهای آسفالتی در نظر گرفته می‌شود. افزودن نانو رس به قیر، به دلیل سطح تماس فوق‌العاده بالای مواد نانو، باعث افزایش ویسکوزیته قیر و کاهش شیار شدگی آسفالت می‌گردد، از این رو در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از دو نوع نانو رس مونت موریلونیت اثر نانو رس بر رفتار خستگی مخلوط‌های آسفالتی در دماهای میانی و پائین بررسی شود. بدین منظور نمونه ‌هائی با درصد افزودنی 6،4،2 درصد با استفاده از دستگاه آلتراسونیک به قیر 70-60 مصرفی اضافه گردید و آزمایش‌های مدول برجهندگی و تیرچه خمشی چهار نقطه‌ای در دو دمای 5 و 25 درجه ‌سانتیگراد بر روی مخلوط‌های ساخته شده صورت پذیرفت. نتایج حاکی از افزایش مدول برجهندگی به ازای افزایش درصد نانورس در قیر در هر دو دمای انجام آزمایش است. عمر خستگی و انرژی تلف شده‌ی آزمایش تیرچه خمشی در دمای 25 درجه ‌سانتیگراد افزایش می‌یابد درحالی که در دمای پائین کاهش پیدا کرده است. با توجه به ضریب آسیب محاسبه شده در آزمایش تیر خستگی، استفاده از افزودنی نانورس به طور متوسط سبب کاهش 15% ضریب آسیب در دماهای متوسط گردیده و برای بیش از 2% افزودنی تغییرات محسوسی در ضریب آسیب مشاهده نگردیده است. در دمای پائین، عملکرد ضعیف این افزودنی باعث افزایش 30% ضریب آسیب می‌گردد بنابراین، استفاده از این افزودنی در مناطق سردسیر به هیچ عنوان توصیه نمی‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of Nanoclay Effect on Fatigue Behavior of Hot Mix Asphalt (HMA) by damage ratio method

نویسندگان [English]

  • Mahmoud Ameri 1
  • Mostafa Vamegh 2
  • Hamed Rooholamini 1
  • keyvan bemana 1
چکیده [English]

Damage of flexible pavement due to cracking and rutting occurs. among these mechanisms, a lot of fatigue crack can be seen in asphalt surface, so many research has been done to improve the fatigue life of asphalt mixtures. The use of different materials in improving the behavior of bitumen characteristics is able to increase the life of asphalt pavement. Today, polymeric nanocomposites are one of the most popular of materials discovered recently and it can successfully improve properties if polymer is modified with small amount of nanomaterial on condition that the nanoparticle is dispersed at nanoscopic level. The tests on asphalt mixture modified by cloisite indicates that nanoclay modification can improve mechanical behavior properties of mixture, such as creep, indirect tensile strength. However, it has not mitigated the fatigue problem and hence, more research is required before it can be utilized on a large scale. In this paper, two types of montmorillonite nanoclay were used: Cloisite 15-A and Cloisite 30-B. For this purpose, control, 2, 4 and 6% of nanoclay mixtures were prepared. Then the fatigue behavior and resilient modulus test at medium and low temperature were evaluated. Four-point bending beam fatigue testing has been used for beam specimens under 10Hz loading frequency and test temperaturesbased on AASHTO T321 standard. Fatigue life, bending stiffness, dissipated energy and damage ratio were calculated using beam fatigue test results. At the end, it is concluded that both additive have great influence on improving fatigue behavior of asphalt mixtures at 25°C. In contrast, nanoclays don’t seem to have a beneficial effect on fatigue behavior at low temperature. Due to extremely high specific surface of nanomaterials, bitumen viscosity goes up and fatigue life will significantly improve. While at low temperatures, because of bitumen plastomer properties, we encounter with cracks problem and reduce in fatigue life.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hot Mix Asphalt
  • Nanoclay
  • Fatigue life
  • Dissipated energy
  • Resilient Modulus
- خدادادی، احمد، کوکبی، مهرداد و صالحی، سعید (1386)"اثر افزودنی نانورس بر عملکرد درازمدت روسازی های آسفالتی"، دومین همایش دانشجویی فناوری نانو، دانشگاه کاشان.
- غفارپور جهرمی، سعید (1390) "تأثیر نانورس و کربنات کلسیم رسوبی بر رفتار مهندسی مخلوط های آسفالتی"، ششمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، ایران.
- AASHTO ( 2008) "Standard method of test for determining the fatigue life of compacted hot-mix asphalt (hma) subjected to repeated flexural bending", AASHTO T321, Washington D.C.
- ASTM (2013) "Road and paving materials; Vehiclepavement systems", Vol. 04-03.
- ASTM (1994) "Standard test method for resistance to plastic flow of bituminous mixtures using marshall apparatus", American Society for Testing and Materials, D1559-89.
- ASTM (1995) "Standard test method for indirect tension test for resilient modulus of bituminous mixtures", American Society for Testing and Materials, D4123-82.
- Colorado Department of Transportation (CDOT) (2009) "Standard method of test for linear kneading compaction of bituminous mixture", Colorado Procedure Laboratory 5116.
- Di Benedetto, H., Ashayer Soltani, A. and Chaverot, P. (1996) "Fatigue damage for bituminous mixtures: a pertinent approach". Journal of Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 65, pp.142 - 158.
- El-Shafie, M., Ibrahim, I. M. and Abd El Rahman, A. M. M. (2012) "The addition effects of macro and Nanoclay on the performance of asphalt binder", Egyptian Journal of Petroleum, Vol. 21, No 2, pp. 149-154.
- Ghaffarpour, S., Andalibizade, B. and Vossough, S. (2010) "Engineering properties of Nanoclay modified asphalt concrete mixture”,. Arabian Journal for Science and Engineering, Vol, 102 35, No 1B.
- Ghile, D. B. (2005) "Effects of nanoclay modification on rheology of bitumen and on performance of asphalt mixtures", Delft University of Technology.
- Hui, Y., Zhanping, Y., Liang, L. and Xianming, S. (2012) "Performance of asphalt binder blended with non-modified and polymer-modified nanoclay", Construction and Building Materials, Vol. 35, pp. 159–170.
- Kaloush, K., Zborowski, A., Abojaradeh, M., Way, G. B. and Sousa, J. (2003) "Cracking characteristic of asphalt rubber mixture", Fifth International Rilem Conference, Vol. 7 , pp. 485-492.
- Lan, T., Kaviratna, P. D, and Pinnavaia, T.J (1995) "Mechanism of clay Tactoid exfoliation in epoxy– clay nanocomposites", Chem Mater, pp. 2144–2150.
- Loulizi, A., Al-Qadi, I. L., Bhutta, S. A. and Flintsch, G. W. (1999) "Evaluation of geosynthetics used as separators" , Transportation Research Record, Vol. 1687, pp. 99-1316.
- NCHRP (2010) "Validating the fatigue endurance limit for hot mix asphalt", Report 646.
- Nguyen, Q. T. and Baird, D. G. (2007) "Process for increasing the exfoliation and dispersion of nanoclay particles into polymer matrices using supercritical carbon dioxide", Ph.D. Dissertation, Virginia Polytechnic Institute and State University.
- Pinnavaia, T. J. and Beall, G. W. (2000) “Polymer–  clay nanocomposites", England: John Wiley and Sons Ltd.
- Pronk, A. C. and Hopman, P .C. (1991) "Energy dissipation: the leading factor of fatigue", Proceedings of the conference the United States Strategic Highway Research Program, London, pp. 255-267.
- Roberts, F. L. (1996) "Hot mix asphalt materials, mixture design and construction,. Lanham, MD: National Asphalt Pavement Association Education Foundation, pp.173−181.
- Rowe, G. M. (1993) "Performance of asphalt mixtures in the trapezoidal fatigue test", Proceedings of Associations of Asphalt Paving Technologists, Vol. 62, pp. 344-384.
- Shen, S., Airey, G. D., Carpenter S. H. and Huang, H. (2011) "A dissipated energy approach to fatigue evaluation", Road Materials and Pavement Design, 7:1, pp.47-69.
- Shu, W., Akin, M., Zhanping, Y. and Xianming, S. (2011) "Effect of deicing solutions on the tensile strength of micro- or nano-modified asphalt mixture", Construction and Building Materials , Vol. 25, pp. 195–200.
- Van Dijk, W. and Wiser, W. (1977) "The energy approach to fatigue for pavement design", In Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 46, 1977, pp. 1-40.