ارزیابی مقایسه‌ای پارامتر‌های مکانیکی قیر اصلاح شده با پلیمر‌های SBR و LDPE تولید ایران و پلیمر وارداتی SBS

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 استاد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

افزایش روزافزون حجم ترافیک راه‌ها به همراه افزایش بار محوری وسایل نقلیه منجر به اعمال تنش‌های بیشتری بر سازه روسازی راه‌ها می‌شود. بنابراین خرابی‌های زودرس در اثر تکرار بارگذاری در قشر رویه آسفالتی روسازی‌‌ها، بیشتر مشاهده می‌شود. اصلاح قیر با افزودنی‌های پلیمری یکی از متداول‌ترین روش‌های اصلاح قیر و بهبود مشخصات آن در مواجهه با انواع خرابی‌های ناشی از بارگذاری است. در این پژوهش از افزودنی‌های پلیمری استایرن بوتادین استایرن (SBS)، استایرن بوتادین رابر (SBR) و پلی‌اتیلن سبک (LDPE) به همراه روان‌کننده ساسوبیت به منظور ارزیابی مکانیزم‌های شیارشدگی، خستگی ناشی از بارگذاری و ترک‌های برودتی قیر‌های اصلاح شده پلیمری استفاده شده است. ضمن این‌‌که علاوه بر آزمایش‌های رایج شارپ، از آزمایش تکمیلی جاروب دامنه خطی ‌که برای ارزیابی عملکرد خستگی قیرهای اصلاح شده توصیه شده نیز استفاده شده است. نتایج حاصل از آزمایش‌ رئومتر برش دینامیکی نشان می‌دهند که استفاده از افزودنی‌های پلیمری ضمن بهبود شاخص شیارشدگی قیر پایه، درجه عملکردی بالای قیر را سه رده افزایش می‌دهند. همچنین ساسوبیت علاوه بر کاهش ویسکوزیته چرخشی قیرهای پلیمری، دمای عملکردی بالای قیر پلیمری حاوی استایرن بوتادین استایرن را یک رده افزایش می‌دهد. با این وجود، بر اساس نتایج آزمایش تیرچه خمشی، افزودنی‌های پلیمری و ساسوبیت تأثیر مثبتی بر عملکرد قیر پایه در دمای پایین ندارند. مقایسه عملکرد خستگی قیرهای پلیمری بر اساس نتایج آزمایش جاروب دامنه خطی نیز نشان می‌دهد که پلیمر استایرن بوتادین رابر بیشترین تأثیر را در افزایش عمر خستگی قیر پایه داشته است. ضمن این‌که ساسوبیت در سطوح کرنش بالا عمر خستگی قیرهای پلیمری را افزایش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Comparative Evaluation of Mechanical Parameters of Bitumen Modified with SBR and LDPE Polymers Produced in Iran and Imported SBS Polymer

نویسندگان [English]

  • amirhossain ameri 1
  • mahmoud ameri 2
  • esmat riahi 1
  • Abolfazl Afshin 1
1 M.Sc. graduate, School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Professor, School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

An increase in traffic volume accompanied by an increase in axle load will induce higher stresses in pavement structures as a result early failure of the asphalt surface layer of pavement structures is observed. In the past two decades, modification of bitumen with polymeric materials has become a common practice to improve bitumen resistance against rutting and fatigue cracking. In this study, SBS, SBR, and LDPE are used with sasobit as a catalyst substance to evaluate fatigue characteristics of bitumen modified with these polymeric materials. Common tests recommended by SHRP researchers for evaluation and classification of neat bitumen as well as the linear amplitude sweep (LAS) test suggested for modified binders are conducted in this study. Dynamic shear rheometer (DSR) test results indicated that modification of neat bitumen with SBS, SBR, and LDPE polymers improved rutting index and increases high performance temperature of binders by three levels. Also, Sasobit reduced the rotational viscosity of polymer-modified binders and increased the high performance temperature of SBS-modified binders by one level. In addition, results of the BBR test showed that these additives did not have a positive effect upon the low-performance temperature of the modified binders. A comparison of fatigue performance of polymer modified binders based on the LAS test results also showed that SBR polymer had the most effect on increasing the fatigue life of the base binder. Besides, Sasobit increased the fatigue life of polymer-modified binders at high strain levels.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • binder
  • polymer additives
  • performance graded
  • binder fatigue
  • Linear Amplitude Sweep test
[1] M. Porto, P. Caputo, V. Loise, S. Eskandarsefat, B. Teltayev, C.O. Rossi, Bitumen and bitumen modification: A review on latest advances, Appl. Sci., 9 (2019) 1–35.
[2] M. Vamegh, Evaluation of the effect thermoplastic - elastomeric polymer blends on Hot Mix Asphalt performance PhD dissertation, Iran University of Science and Technology, 2019.
[3] J. Zhu, B. Birgisson, N. Kringos, Polymer modification of bitumen: Advances and challenges, Eur. Polym. J., 54 (2014) 18–38.
[4] S. Pyshyev, V. Gunka, Y. Grytsenko, M. Bratychak, Polymer modified bitumen: Review, chemistry and chemical technology, Chem. Chem. Technol., (2016) 631–636.
[5] B.B. Teltayev, C.O. Rossi, G.G. Izmailova, E.D. Amirbayev, A.O. Elshibayev, Evaluating the effect of asphalt binder modification on the low-temperature cracking resistance of hot mix asphalt, Case Stud. Constr. Mater., 11 (2019) e00238.
[6] C. Zhuang, N. Li, W. Zhao, C. Cai, Effects of SBS content on the performance of modified asphalt, in: IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., IOP Publishing, 2017: p. 12028.
[7] J. Yuan, H. Lu, W. Yin, Y. Wu, Influences of Naphthenic Oil on SBS-Modified Asphalt Binder, J. Mater. Civ. Eng., 31 (2019) 4019162.
[8] P. Lin, C. Yan, W. Huang, Y. Li, L. Zhou, N. Tang, F. Xiao, Y. Zhang, Q. Lv, Rheological, chemical and aging characteristics of high content polymer modified asphalt, Constr. Build. Mater., 207 (2019) 616–629.
[9] F. Zhang, C. Hu, The Composition and Ageing of High-Viscosity and Elasticity Asphalts, Polym. Compos., (2015).
[10] G. Cuciniello, P. Leandri, S. Filippi, D. Lo, M. Losa, G. Airey, Effect of ageing on the morphology and creep and recovery of polymer-modified bitumens, Mater. Struct., 3 (2018) 1–12.
[11] M. Ameri, M. Vamegh, R. Imaninasab, H. Rooholamini, Effect of nanoclay on performance of neat and SBS-modified bitumen and HMA, Pet. Sci. Technol., 34 (2016) 1091–1097.
[12] R. Salehfard, A. Abdi, B. Amini, Effect of SBR/NC on the rheological properties of bitumen and fatigue resistance of hot mix asphalt, J. Mater. Civ. Eng., 29 (2017) 4016282.
[13] M. Ameri, M. Vamegh, H. Rooholamini, F. Haddadi, Investigating effects of nano/SBR polymer on rutting performance of binder and asphalt mixture, Adv. Mater. Sci. Eng., 2018 (2018).
[14] K.K. Syrmanova, E.T. Botashev, D.B. Tleuov, M.T. Suleimenova, A.A. Eshankulov, Z.B. Kaldybekova, Research of Oil Road Bitumen Modification with Low Density Polyethylene, Orient. J. Chem., 33 (2017) 470–477.
[15] D.B. Eme, C. Nwaobakata, Effect of low density polyethylene as bitumen modifier on some properties of hot mix asphalt, Niger. J. Technol., 38 (2019) 1–7.
[16] M.C. Rubio, G. Martínez, L. Baena, F. Moreno, Warm mix asphalt: an overview, J. Clean. Prod., 24 (2012) 76–84.
[17] G. Zhao, P. Guo, Workability of Sasobit Warm Mixture Asphalt, Energy Procedia, 16 (2012) 1230–1236.
[18] A. Jamshidi, M.O. Hamzah, Z. You, Performance of warm mix asphalt containing Sasobit: State of the art, Constr. Build. Mater., 38 (2013) 530–553.
[19] J. Habbouche, E.Y. Hajj, P.E. Sebaaly, M. Piratheepan, A critical review of high polymer-modified asphalt binders and mixtures, Int. J. Pavement Eng., 0 (2018) 1–17.
[20] C. Yan, W. Huang, P. Lin, Y. Zhang, Q. Lv, Chemical and rheological evaluation of aging properties of high content SBS polymer modified asphalt, Fuel, 252 (2019) 417–426.
[21] A.H. Fawcett, T. McNally, Blends of bitumen with various polyolefins, Polymer (Guildf)., 41 (2000) 5315–5326.
[22] Mostafa Vamegh, Evaluation of the Effect of thermoplastic - elastomeric polymer blends on Hot Mix Asphalt Performance, PhD dissetation, Iran University of Science and Technology, 2018
[23] J. Gao, K. Yan, W. He, S. Yang, L. You, High temperature performance of asphalt modified with Sasobit and Deurex, Constr. Build. Mater., 164 (2018) 783–791.
[24] AASHTO T240, Standard Method of Test for Effect of Heat and and Air on a Moving Film of Asphalt Binder (Rolling Thin-Film Oven Test), American Assiciation of State and Highway Transportation Officials, (2013).
[25] AASHTO R28, Standard Practice for Accelerated Aging of Asphalt Binder Using a Pressurized Aging Vessel (PAV), American Assiciation of State and Highway Transportation Officials, (2012).
[26] AASHTO Standard T316, Standard Method of Test for Viscosity Determination of Asphalt Binder Using Rotational Viscometer, American Assiciation of State and Highway Transportation Officials, (2010).
[27] G.D. Airey, B. Rahimzadeh, Combined bituminous binder and mixture linear rheological properties, Constr. Build. Mater., 18 (2004) 535–548.
[28] AASHTO T315, Standard Method of Test for Determining the Rheological Properties of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR), American Assiciation of State and Highway Transportation Officials, (2012).
[29] C. Zhang, H. Wang, Z. You, J. Gao, M. Irfan, Performance test on Styrene-Butadiene-Styrene (SBS) modified asphalt based on the different evaluation methods, Appl. Sci., 9 (2019) 467.
[30] D.A. Anderson, Y.M. Le Hir, M.O. Marasteanu, J.-P. Planche, D. Martin, G. Gauthier, Evaluation of fatigue criteria for asphalt binders, Transp. Res. Rec., 1766 (2001) 48–56.
[31] F. Zhou, W. Mogawer, H. Li, A. Andriescu, A. Copeland, Evaluation of fatigue tests for characterizing asphalt binders, J. Mater. Civ. Eng., 25 (2013) 610–617.
[32] C. Hintz, R. Velasquez, C. Johnson, H. Bahia, Modification and validation of linear amplitude sweep test for binder fatigue specification, Transp. Res. Rec., 2207 (2011) 99–106.
[33] AASHTO TP101, Standard Method of Test for Estimating Damage Tolerance of Asphalt Binders Using the Linear Amplitude Sweep, Am. Assoc. State Highw. Transp. Off. Washingt. D.C., (2012).
[34] M. Ameri, D. Mirzaiyan, A. Amini, Rutting resistance and fatigue behavior of gilsonite-modified asphalt binders, J. Mater. Civ. Eng., 30 (2018) 1–9.
[35] S. Yang, K. Yan, W. He, Z. Wang, Effects of Sasobit and Deurex additives on asphalt binders at midrange and high temperatures, Int. J. Pavement Eng., 20 (2019) 1400–1407.
[36] Y.H. Huang, Pavement Analysis and Design, Pearson, (2003) 792.
[37] M.R. Keymanesh, S. Shaker, Pavement Technology and Materials, Payam Noor University, 1394. (in persian)
[38] N.W. McLeod, Using Paving Asphalt Rheology to Impair or Improve Asphalt Pavement Design and Performance Asphalt Rheology: Relationship to Mixture, A Symp. Spons. by ASTM STP 941 Oliver E. Briscoe, Philadelphia, (1987).
[39] X. Zheng, S.M. Easa, T. Ji, Z. Jiang, A.O.A. El Halim, Influence of warm-mix additives on physical, rheological, and morphological properties of high-viscosity asphalt, J. Mater. Civ. Eng., 31 (2019) 1–11.
[40] R. Roque, B. Birgisson, M. Tia, B. Kim, Z. Cui, Guidelines for Use of Modifiers in Superpave Mixtures: Executive Summary and Volume 1 of 3 Volumes: Evaluation of SBS Modifier, Final Report, 2004.
[41] E. Masad, N. Somadevan, H.U. Bahia, S. Kose, Modeling and experimental measurements of strain distribution in asphalt mixes, J. Transp. Eng., 127 (2001) 477–485.
[42] A. Kumar, R. Choudhary, P.S. Kandhal, A. Julaganti, O.P. Behera, A. Singh, R. Kumar, Fatigue characterisation of modified asphalt binders containing warm mix asphalt additives, Road Mater. Pavement Des., 21 (2020) 519–541.