22629

اراﺋﻪ مدل رياضي براي انتخاب تركيب بهينه مواد ضد يخ بومي با كمترين اثر خرابي بر مخلوط هاي آسفالتي در مناطق سردسير و سازگار با محيط زيست

دكتري تخصصي

راه و ترابري

1395

1399/7/29

دكتر حميد بهبهاني

دكتر غلامحسين حامدي

عمران

يكي از روشهاي كنترل يخزدگي و بازگشايي سريعتر راهها در مسيرهاي برفگير در فصل زمستان استفاده از مواد ضديخ است. عليرغم گستردگي استفاده از اين مواد ميتوان گفت استفاده از آن¬ها باعث ضعف مقاومت ماستيك و چسبندگي قير-سنگدانه مي شود كه باعث شكلگيري و رشد خرابي رطوبتي و تركخوردگي خستگي ميشود. عليرغم مطالعات انجام گرفته در مورد اثر مواد ضديخ بر روي خصوصيات مخلوط آسفالتي مشاهده ميشود تاكنون به مكانيسم اثر مواد ضد يخ با استفاده از روش هاي ترموديناميكي كه با رخداد خرابي رطوبتي و ترك خوردگي خستگي در ارتباط است، توجهي نشده است. بر اين اساس، در اين پژوهش به بررسي تاثير دو نوع ضديخ جديد به نامهاي كلسيم منيزيم استات (CMA) و پتاسيم استات (PA) به همراه ضديخ سنتي سديم كلريد (NaCl) بر روي خرابي رطوبتي و تركخوردگي خستگي مخلوطهاي آسفالتي با استفاده از روشهاي مكانيكي و ترموديناميكي در شرايط شبيه¬سازي محيطي، شامل 1، 3 و 5 سيكل يخ-ذوب، پرداخته شده است. از همين رو آزمايشات مقاومت كششي غيرمستقيم (ITS)، آزمايش خستگي به روش كشش غيرمستقيم (ITFT) و انرژي آزاد سطحي (SFE) بر روي 52 تركيب مختلف در شرايط خشك و تر انجام شد. همچنين به منظور افزايش مقاومت مخلوط¬هاي آسفالتي از نانوآهك هيدراته به عنوان اصلاح¬كننده قير استفاده شد. در ادامه با استفاده از نتايج به دست آمده، مدل پيش¬بيني نسبت مقاومت كششي غيرمستقيم (TSR) و نسبت طول عمرخستگي (NfR) با روش¬هاي رگرسيون چندمتغيره (MVR)، روش گروهي مدلسازي داده¬ها (GMDH) و برنامه نويسي ژنتيك (GP) بر اساس متغيرهاي انرژي آزاد سطحي و ساير خصوصيات مخلوط آسفالتي ارائه شده است. نتايج اين پژوهش نشان مي¬دهد كه تاثيرگذاري مواد ضديخ بر نسبت طول عمر خستگي (NfR) مخلوط¬هاي آسفالتي بسيار بيشتر از نسبت مقاومت كششي (TSR) آن¬ها مي¬باشد. در بين مواد ضديخ، مخلوط¬هاي آسفالتي اشباع در CMA داراي بالاترين نسبت مقاومت كششي غيرمستقيم و ضديخ PA، پايين¬ترين نسبت مقاومت كششي و طول عمرخستگي را نتيجه مي¬دهد. محلول¬هاي حاوي ضديخ با كاهش مقاومت قير در برابر ترك خوردگي، سبب گسيخته شدن هر چه سريعتر غشاي قير مي¬شوند و اين درحالي مي¬باشد ¬كه اين مواد داراي مقادير انرژي جداشدگي منفي¬تري در مقايسه با آب مي¬باشند. در بين مواد ضد يخ، محلول PA داراي منفي¬ترين انرژي جداشدگي و محلول¬هاي NaCl و CMA به ترتيب انرژي جداشدگي مطلوب¬تري را دارا مي¬باشند. استفاده از نانوآهك هيدراته (NHL) به عنوان اصلاح¬كننده قير سبب افزايش مقاومت مخلوط¬هاي آسفالتي در برابر رطوبت و خستگي خواهد شد و بيشترين تاثير را در بين مواد ضديخ، بر روي چسبندگي نمونه¬هاي تحت شرايط با CMA گذاشته است. در بين روش¬هاي مختلف جهت ارايه مدل¬پيش¬بيني، روش GP داراي بالاترين ضريب تعيين و كمترين خطا مي¬باشد. با بهينه¬سازي درصد مقادير ورودي به مدل GP، 17/1، 87/0، 21/1 و 34/1 درصد نانوآهك¬هيدراته به عنوان مقادير بهينه مصرفي جهت افزايش همزمان مقاومت رطوبتي و طول عمرخستگي به ترتيب در كل نمونه¬ها، نمونه¬هاي اشباع در CMA، PA و NaCl در پيشنهاد مي¬گردد.

1399/08/20

Providing a mathematical model for selecting the optimal combination of de-icing materials with the least impact on asphalt mixtures in cold areas and environmentally friendly

10/21/2021 12:00:00 AM

One way to control freezing and reopening snow-covered roads in winter is the use of deicers. Despite the widespread use of these materials, their use weakens the mastic resistance and bitumen-aggregate adhesion, which leads to the formation and growth of moisture damage and fatigue cracks. Despite studies on the effect of deicers on the asphalt mixture properties, the mechanism of the deicers’ impacts by using thermodynamic methods, which is related to the occurrence of moisture damage and fatigue cracking, has not been considered. According to this issue, in this study, the effects of two new deicers calcium magnesium acetate (CMA) and potassium acetate (PA), along with the traditional deicer sodium chloride (NaCl) on moisture damage and fatigue cracking have been investigated by utilizing mechanical and thermodynamic methods in environmental simulation conditions, including 1, 3 and 5 freeze-thaw cycles. Therefore, indirect tensile strength tests (ITS), indirect tensile fatigue tests (ITFT), and surface free energy (SFE) were performed on 52 different compounds in dry and wet conditions. Also, to increase the resistance of asphalt mixtures, Nano hydrated lime was used as a bitumen modifier. After that, by using the obtained results, the predictive model of the tensile strength ratio (TSR) and the number of fatigue ratio (NFR) with multivariate regression (MVR), Group Method of Data Handling (GMDH) and genetic programming (GP) base on surface free energy variables and other asphalt mix properties have been provided. The results of this study show that the amount of indirect tensile strength and fatigue life of asphalt mixtures decreases with the increasing number of freeze-thaw cycles, and the effectiveness of deicers on the number of fatigue ratio (NFR) of asphalt mixtures is much higher than the tensile strength ratio (TSR). Among deicer materials, the asphalt mixtures, which are saturated in CMA, had the highest indirect tensile strength, and PA deicer resulted in the lowest fatigue life. Solutions containing deicers reduce the bitumen resistance to cracking. This causes the bitumen membrane to rupture as quickly as possible, while these materials have more negative separation energy values than water. Among the deicer materials, PA solution has the most negative separation energy, NaCl and CMA solutions have the most desirable separation energy. The use of Nano hydrated lime (NHL) as a bitumen modifier leads to an increase in the resistance of asphalt mixtures against moisture and fatigue. It has the most significant impact among the deicer materials on the adhesion of specimens under the condition of CMA. Among the various methods for providing a predictive model, the GP method has the highest determination coefficient and the lowest error. By optimizing the percentage of input values to the GP model, 1.17%, 0.87%, 1.21% and 1.34% of the Nano hydrated lime are recommended as the best optimal amount to increase the moisture resistance and fatigue life of all samples, CMA, NaCl, PA condition sample, respectively.