بررسی آزمایشگاهی تاثیر استفاده از نانو کامپوزیت SBR بر خرابی رطوبتی مخلوط‌های آسفالتی با استفاده از تئوری انرژی آزاد سطحی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه بجنورد، دانشکده فنی و مهندسی، گروه عمران

2 دانشگاه غیر دولتی غیرانتفاعی شمال، دانشکده فنی و مهندسی، فارغ‌التحصیل کارشناسی‌ارشد راه و ترابری

چکیده

یکی از خرابی‌های متداول در مخلوط‌های آسفالتی، ناشی از تاثیر مخرب رطوبت بر پیوستگی قیر و چسبندگی قیر-سنگدانه می‌باشد که خرابی رطوبتی نام دارد. به منظور بهبود مقاومت مخلوط‌های آسفالتی در برابر این خرابی از افزودنی‌های ضد عریان شدگی به منظور افزایش چسبندگی قیر-سنگدانه و پیوستگی قیر استفاده می‌شود. در این پژوهش سعی شده است تا با استفاده از روش‌های ترمودینامیک و مکانیکی تاثیر استفاده از نانو کامپوزیت استایرن بوتادین الستیک (SBR )به عنوان اصلاح کننده قیر بر حساسیت رطوبتی مخلوط‌های آسفالتی بررسی شود. برای شبیه‌سازی شرایط محیطی، نمونه‌های آسفالتی تحت 1 ،3 و 5 سیکل یخ-ذوب قرار گرفته‌اند. نتایج به دست آمده در این پژوهش نشان می‌دهد که استفاده از نانو کامپوزیت SBR باعث شده است تا مقاومت مخلوط‌های آسفالتی در برابر خرابی رطوبتی به ویژه در نمونه‌های ساخته شده با سنگدانه‌های گرانیتی بهبود یابد. همچنین، نتایج روش انرژی آزاد سطحی نشان می‌دهد که اصلاح قیر با نانو کامپوزیت SBR باعث افزایش در مولفه بازی و کاهش در مولفه اسیدی قیر پایه می‌شود. این رخداد باعث بهبود چسبندگی بین قیر و سنگدانه‌های اسیدی که مستعد خرابی رطوبتی هستند، می‌شود. همچنین، استفاده از نانو کامپوزیت SBR باعث افزایش انرژی آزاد پیوستگی شده که سبب افزایش مقاومت غشای قیر در برابر گسیختگی از نوع پیوستگی می‌شود. به علاوه، محاسبات بر اساس مفاهیم ترمودینامیک نشان می‌دهد که اصلاح قیر سبب شده است تا میزان انرژی جداشدگی در رخداد عریانشدگی کاهش یابد که این رخداد از دید ترمودینامیک بیانگر کاهش تمایل سیستم به عریان‌شدگی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of using SBR nanocomposite on moisture damage of HMA using surface free energy theory

نویسندگان [English]

  • Ali Reza Azarhoosh 1
  • GHafar Rezvani 2
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Bojnord
2 Department of Civil Engineering, Facility of Engineering, Shomal University
چکیده [English]

Moisture damage is one of the common damages of asphalt mixtures due to the deteriorating effect of moisture on asphalt cement cohesion and asphalt cement-aggregate adhesion. Anti-stripping additives are used to enhance the strength of asphalt mixtures against this damage in order to increase the asphalt cement-aggregate adhesion and asphalt cement cohesion. In the present study, it has been tried to examine the effect of the nano clay/styrene-butadiene rubber (SBR) nanocomposite as asphalt cement modifier on the moisture susceptibility of asphalt mixtures using thermodynamic and mechanical technics. The asphalt specimens were placed under 1, 3, and 5 freeze-thaw cycles in order to simulate environmental conditions. The findings of this study indicated that the application of SBR nanocomposite has led to the improvement of the strength of the asphalt mixtures to moisture damage, particularly in specimens made using granite aggregates. In addition, the results of the surface free energy theory showed that asphalt cement modification using SBR nanocomposite increased and decreased the basic and acidic components of the base asphalt cement, respectively. This improved the adhesion between asphalt cement and acidic aggregates, which are prone to moisture damage. Moreover, the SBR nanocomposite use increased the cohesion free energy, hence increasing the resistance of asphalt film against the cohesion-type rupture. Furthermore, calculations based on thermodynamic concepts revealed that the asphalt cement modification has led to a reduction in the de-bonding energy in the stripping event; this event indicates a decrease in the tendency of the system to stripping from the thermodynamics view.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Asphalt mixtures
  • moisture damage
  • Surface free energy theory
  • freeze-thaw cycle
  • SBR nanocomposite
[1]H. Ibrahim, A.-A. Wahhab, J. Hasnain, Laboratory study of asphalt concrete durability in Jeddah, Building and environment, 33(4) (1998) 219-230.
[2]R.B. McGennis, T.W. Kennedy, R.B. Machemehl, Stripping and moisture damage in asphalt mixtures, 1984.
[3]E.J. Yoder, M.W. Witczak, Principles of pavement design, John Wiley & Sons, 1975.
[4]F.M. Nejad, A. Azarhoosh, G.H. Hamedi, M. Azarhoosh, Influence of using nonmaterial to reduce the moisture susceptibility of hot mix asphalt, Construction and Building Materials, 31 (2012) 384-388.
[5]F. Moghadas Nejad, G.H. Hamedi, A. Azarhoosh, Use of surface free energy method to evaluate effect of hydrate lime on moisture damage in hot-mix asphalt, Journal of Materials in Civil Engineering, 25(8) (2012) 1119-1126.
[6]A. Khodaii, V. Khalifeh, M. Dehnad, G.H. Hamedi, Evaluating the effect of zycosoil on moisture damage of hot-mix asphalt using the surface energy method, Journal of Materials in Civil Engineering, 26(2) (2013) 259-266.
[7]F.M. Nejad, M. Arabani, G.H. Hamedi, A. Azarhoosh, Influence of using polymeric aggregate treatment on moisture damage in hot mix asphalt, Construction and Building Materials, 47 (2013) 1523-1527.
[8]M. Arabani, G.H. Hamedi, Using the surface free energy method to evaluate the effects of polymeric aggregate treatment on moisture damage in hot-mix asphalt, Journal of Materials in Civil Engineering, 23(6) (2010) 802-811.
[9]M. Solaimanian, J. Harvey, M. Tahmoressi, V. Tandon, Test methods to predict moisture sensitivity of hot-mix asphalt pavements, in:  Moisture Sensitivity of Asphalt Pavements-A National SeminarCalifornia Department of Transportation; Federal Highway Administration; National Asphalt Pavement Association; California Asphalt Pavement Alliance; and Transportation Research Board., 2003.
[10]R.P. Lottman, D.L. Johnson, Pressure-induced stripping in asphaltic concrete, Highway Research Record, (340) (1970).
[11]C. Gorkem, B. Sengoz, Predicting stripping and moisture induced damage of asphalt concrete prepared with polymer modified bitumen and hydrated lime, Construction and Building Materials, 23(6) (2009) 2227-2236.
[12]G. Elphingstone, Adhesion and cohesion in asphaltaggregate systems, (1998).
[13]D. Cheng, Surface free energy of asphalt-aggregate system and performance analysis of asphalt concrete based on surface free energy, (2003).
[14]A. Bhasin, Development of methods to quantify bitumenaggregate adhesion and loss of adhesion due to water, Texas A&M University, 2007.
[15]J.E. Howson, Relationship between surface free energy and total work of fracture of asphalt binder and asphalt binder-aggregate interfaces, 2011.
[16]G.H. Hamedi, F. Moghadas Nejad, Using energy parameters based on the surface free energy concept to evaluate the moisture susceptibility of hot mix asphalt, Road Materials and Pavement Design, 16(2) (2015) 239-255.
[17]G.H. Hamedi, F. Moghadas Nejad, Evaluating the effect of mix design and thermodynamic parameters on moisture sensitivity of hot mix asphalt, Journal of Materials in Civil Engineering, 29(2) (2016) 04016207.
[18]Y. Yildirim, Polymer modified asphalt binders, Construction and Building Materials, 21(1) (2007) 66-72.
[19]Gh. H. Hamedi, Evaluating the Effect of SBR Polymer Modified Bitumen on the Moisture Susceptibility of HMA, Amirkabir Journal of Civil Engineering, 50(5) (2018) 275278.
[20]B. Amini, M. Rajab Bolookat, Improvement of Moisture Sensitivity of Asphalt Concrete Mixtures Using Nano- Composites. IQBQ. 2013; 13 (3) :123-133
[21]H.F. Abandansari, A. Modarres, Investigating effects of using nanomaterial on moisture susceptibility of hot-mix asphalt using mechanical and thermodynamic methods, Construction and Building Materials, 131 (2017) 667-675.
[22]G.H. Hamedi, Evaluating the effect of asphalt binder modification using nanomaterials on the moisture damage of hot mix asphalt, Road Materials and Pavement Design, 18(6) (2017) 1375-1394.
[23]G.H. Hamedi, F.M. Nejad, K. Oveisi, Estimating the moisture damage of asphalt mixture modified with nano zinc oxide, Materials and Structures, 49(4) (2016) 11651174.
[24]Gh. H. Hamedi, A. Ali Pour, Evaluation of Moisture sensitivity of asphalt mixtures modified with nanomaterials (ZnO and SiO2), Amirkabir Journal of Civil Engineering,
DOI: 10.22060/ceej.2019.15294.5875
[25]C.J. Van Oss, M.K. Chaudhury, R.J. Good, Interfacial Lifshitz-van der Waals and polar interactions in macroscopic systems, Chemical Reviews, 88(6) (1988) 927-941.
[26]D. Cheng, D. Little, R. Lytton, J. Holste, Surface energy measurement of asphalt and its application to predicting fatigue and healing in asphalt mixtures, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, (1810) (2002) 44-53.
[27]F.K.M. Hamed, Evaluation of fatigue resistance for modified asphalt concrete mixtures based on dissipated energy concept, Technische University Darmstadt, (2010).
[28]B. Sengoz, A. Topal, G. Isikyakar, Morphology and image analysis of polymer modified bitumens, Construction and Building Materials, 23(5) (2009) 1986-1992.
[29]ASTM D6927–15, Standard test method for Marshall stability and flow ofasphalt mixtures, in, West Conshohocken, 2015.
[30]ASTM D1074, Annual book of ASTM standards. Road and paving materials, 2000.
[31]F. Moghadas Nejad, A. Azarhoosh, G.H. Hamedi, Laboratory evaluation of using recycled marble aggregates on the mechanical properties of hot mix asphalt, Journal of Materials in Civil Engineering, 25(6) (2012) 741-746.
[32]B. Huang, G. Li, L.N. Mohammad, Analytical modeling and experimental study of tensile strength of asphalt concrete composite at low temperatures, Composites Part B: Engineering, 34(8) (2003) 705-714.
[33]D.R. Jones IV, T.W. Kennedy, The asphalt model: results of the SHRP asphalt research program, Transportation Research Board VTI Rapport A, 372 (1991) 83-90.