25476

ارائه مدل پيش بيني اثر ساختار قير بر خصوصيات آن در حالت ويسكوالاستيك خطي و غير خطي و تاثير اين ساختار برعملكردآسفالت FAM

دكتري

عمران-راه و ترابري

1395

1400/6/27

حميد بهبهاني

مهندسي عمران

در زمان ساخت و در طول عمر سرويس دهي روسازي راه، قير كه اصلي ترين ماده به كار رفته شده در آن است، به دليل واكنش با عوامل مختلف محيطي دچار تغيير در ساختار شيميايي مي شود كه اين موضوع باعث تغيير در خصوصيات آن مي گردد. اين پروسه كه پيرشدگي ناميده مي شود باعث كاهش شكل پذيري و افزايش تردشكني قير مي شود كه اين موضوع سبب مي گردد كه در برابر خرابي هاي مختلف مانند ترك خوردگي و تغيير شكل حساسيت بيش تري نشان دهد. سازوكار پيرشدگي قير هنوز به طور كامل شناخته شده نيست و اجماع نظر بين محققان وجود ندارد. پژوهش پيش رو به بررسي اثر ساختار شيميايي و خصوصيات ريزساختاري قير بر عملكرد قير و مخلوط آسفالتي FAM مي پردازد. به طور كلي اين پژوهش به دو قسمت اصلي تقسيم مي شود. بخش اول شامل بررسي اثر اجزاي قير بر رفتار آن در محدوده هاي ويسكو الاستيك خطي، غير خطي و خرابي و ارائه مدل با استفاده از روش هاي MVRو GMDH است. بخش دوم شامل بررسي اثر ساختار قير بر عملكرد مخلوط آسفالتي FAM مي شود كه بررسي عملكرد شامل آزمايش هاي مدول ديناميكي و خستگي است. براي اين منظور دو نوع قير با درجه نفوذ مختلف انتخاب گرديدند و براي تغيير در ساختار آن ها تحت پيرشدگي در شدت هاي مختلف قرار گرفتند (پيرشدگي كوتاه مدت با استفاده از روش لعاب نازك چرخشي به مدت 85، 170 و 340 دقيقه و پيرشدگي بلند مدت با استفاده از روش محفظه تسريع پيري). به منظور بررسي اجزاي تشكيل دهنده ي هر يك از نمونه ها آناليز SARA با استفاده از تكنيك كروماتوگرافي لايه نازك، آزمايش طيف سنج مادون قرمز و آناليز كروماتوگرافي ژل تراوايي انجام گرفتند. همچنين براي آناليز خصوصيات زير ساختاري قيرهاي موجود آزمايش AFM در دو مد تماسي و غير تماسي انجام گرفت. آزمايش جاروب فركانس به منظور ارزيابي رفتار قير در حالت ويسكوالاستيك خطي و به دست آوردن پارامترهاي رئولوژيكي در اين محدوده انجام گرفت. به منظور بررسي رفتار قير در محدوده هاي ويسكوالاستيك غير خطي و خرابي آزمايش هاي بازگشت خزشي در چند سطح تنش و جاروب دامنه خطي انجام گرفتند. لازم به ذكر است آزمايش ويسكوزيته چرخشي به منظور تعيين خصوصيات رواني نمونه ها و همچنين تخمين دماي اختلاط و تراكم مخلوط هاي آسفالتي انجام گرفت. براي ارزيابي عملكرد مخلوط هاي آسفالتي از مواد FAM استفاده گرديد و آزمايش هاي مدول ديناميكي و خستگي به روش كشش مستقيم بر روي نمونه ها انجام گرفتند. نتايج آزمايش هاي رو نمونه هاي قير نشان دادند كه رابطه خوبي بين پارامترهاي شيميايي با پارامترهاي رئولوژيكي قير در محدوده ويسكوالاستيك خطي وجود دارد. رابطه بين شاخص هاي شيميايي با پارامتر درصد بازگشت، برخلاف خزش غير قابل بازگشت، كاملا تحت تاثير محدوده ي رفتاري قير (ويسكوالاستيك خطي، غير خطي و خرابي) است. نتايج آزمايش و جاروب دامنه خطي نشان داد همبستگي بين ساختار شيمايي قير و مقاومت آن در برابر خستگي بستگي به نوع قير و ساختار كلوييدي آن دارد. مدل غير خطي ارائه شده به روش GMDH مقادير درصد بازگشت و خزش غير قابل بازگشت را با دقت بالاتري نسبت به مدل ارائه شده به روش MVR پيش بيني مي كند. نتايج بررسي عملكرد مخلوط آسفالتي FAM نشان داد كه مقاومت نمونه ها در برابر خرابي كاملا تحت تاثير ساختار كلوييدي و خصوصيات ريزساختاري قيرهاي به كار رفته در آن ها هستند.

1400/08/15

Providing a model for predicting the effect of asphalt binder structure on its properties in linear and nonlinear viscoelastic domains and the effect of this structure on the performance of asphalt FAM

9/18/2022 12:00:00 AM

During the construction and service life of pavements, asphalt binder undergoes chemical changes due to reaction with various environmental factors leading to changes in its properties. This process, called aging, reduces the ductility and increases the brittleness of the asphalt binder, which makes it more sensitive to various distresses such as cracking and permanent deformation. The aging mechanism of asphalt binder is not fully understood and there is not a clear consensus among researchers. The present study investigates the effect of the chemical structure and microstructural properties of asphalt binder on its performance and properties of asphalt FAM. In general, this research is divided into two main parts. The first part includes the study of the effect of chemical structure on the rheological properties of asphalt binder in linear, nonlinear viscoelastic, and damage domains and presenting a model from obtained results using multivariate regression (MVR) and Group Method of Data Handling (GMDH) methods. The second part comprises the study of the effect of asphalt binder structure on the performance of asphalt FAM, which includes the study of dynamic modulus and fatigue properties. In order to address such an issue, two asphalt binders of different penetration grade were subjected to four aging treatments of increasing severity, with the consequent change of their chemical composition. The chemical characteristics of asphalt binders were measured using thin layer chromatography (TLC), Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR), and gel permeation chromatography (GPC). Also, AFM test was performed in both contact and tapping modes to analyze the microstructural properties of asphalt binders. Frequency sweep tests were performed to assess the LVE behavior of asphalt binders. The samples were also tested for their NLVE properties using the multiple stress creep recovery (MSCR) tests. It should be noted that the rotational viscosity (RV) test was performed to determine the flow properties of the samples as well as to estimate the mixing and compaction temperature of asphalt mixtures. FAM materials were used to evaluate the performance of asphalt mixtures and dynamic modulus and fatigue tests were carried out on the samples. Regarding the LVE properties, it was found that the rheological index (R) and zero shear viscosity (ZSV) obtained from Christensen-Anderson-Marasteanu (CAM) model correlate well with FTIR and molecular weight distribution (MWD) parameters. Moreover, the polydispersity index (PDI) showed a better correlation with LVE- based parameters. Results from MSCR tests demonstrated that contrary to non-recoverable creep compliance (Jnr), the sensitivity of percentage recovery (%R) to chemical composition is highly attributed to the degree of nonlinearity. Results from linear amplitude sweep (LAS) tests demonstrated that damage endurance is also affected by the degree of instability. However, it was found that correlations exist only when the degree of colloidal instability is below a certain threshold. The nonlinear model proposed by GMDH method predicts recovery and creep compliance with higher accuracy than the model presented by MVR method. The results from the tests conducted on FAM mixtures showed that is strongly affected by the colloidal structure and microstructural properties of asphalt binders.

قير , ساختار شيميايي , ويسكوالاستيك خطي و غير خطي , مخلوط آسفالتي FAM

Asphalt binder , Chemical structure , Linear and Nonlinear viscoelasticity , Asphalt FAM