شماره ركورد
34873
پديد آورنده
فهيم فاريابي
عنوان
بررسي آزمايشگاهي مقاومت تركخوردگي مبتني بر خصوصيات مكانيك شكست مخلوط آسفالتي داغ حاوي الياف پلياستر بازيافتي و خرده لاستيك
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي عمران
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1405/01/22
استاد راهنما
دكتر محمود عامري- دكتر حسن زياري
استاد مشاور
ندارد
دانشكده
مهندسي عمران
چكيده
چكيده
روسازيهاي آسفالتي در طول دوره سرويسدهي خود تحت اثر مجموعهاي از تنشهاي حرارتي، بارگذاريهاي تكراري و تغييرات محيطي قرار ميگيرند كه اين عوامل بهطور مستقيم فرآيند شروع و گسترش ترك را تشديد كرده و در نهايت موجب كاهش عمر مفيد و افزايش هزينههاي چرخهعمر روسازي ميشوند. از سوي ديگر انباشت فزاينده ضايعات پليمري نظير بطريهاي PET و لاستيكهاي فرسوده، چالشهاي جدي در حوزه مديريت پسماند و محيطزيست ايجاد كرده است. از اين رو، توسعه رويكردهاي نوين در جهت بهبود عملكرد مكانيكي مخلوطهاي آسفالتي با تكيه بر بازيافت مواد پليمري، ضرورتي همراستا با اهداف پايداري و بهبود دوام روسازيها به شمار ميآيد. بر اين مبنا، پژوهش حاضر با هدف ارزيابي مقاومت تركخوردگي مخلوط آسفالتي داغ حاوي دو افزودني بازيافتي، شامل الياف پلياتيلن ترفتالات (PET) و خردهلاستيك (CR)، انجام شده است.
در اين مطالعه، مصالح پايه شامل قير با درجه عملكردي 22-64PG، فيلر و سنگدانه آهكي با حداكثر اندازه اسمي 5/12 ميليمتر مورد استفاده قرار گرفتند. تعيين درصد بهينه الياف بر اساس آزمون مارشال و از ميان مقادير 15/0، 30/0 و 45/0 درصد وزني مخلوط انجام شد كه مقدار 30/0 درصد بهعنوان مقدار بهينه حاصل گرديد. همچنين به منظور تهيه قير لاستيكي، خرده لاستيك در 10 و 15 درصد وزني قير به روش اختلاط مرطوب به وسيلهي دستگاه همزن برش بالا (High Shear) با سرعت 6000 دور بر دقيقه به مدت 60 دقيقه با قير مخلوط شد. نمونههاي ژيراتوري با استفاده از قيرهاي لاستيكي حاوي10و 15 خرده لاستيك و مقدار بهينه 30/0 درصد الياف PET (كه به روش خشك به سنگدانهها اضافه شد) ساخته شدند. ارزيابي رفتار شكست با استفاده از آزمون خمش سهنقطهاي بر روي نمونههاي نيمدايرهاي شياردار (SCB) به قطر 10 سانتيمتر و در سه دماي 18-، 0 و 20+ درجه سانتيگراد، تحت مودهاي مختلف بارگذاري (مود I، مود II و مودهاي تركيبي I/II) صورت پذيرفت. اندازهگيري پارامترهاي شكست نيز با دستگاه جك بارگذاري بتن پلاستيك تحت بارگذاري استاتيكي با نرخ ثابت 5 ميليمتر بر دقيقه انجام شد. همچنين به منظور تحليل رفتار شكست، انرژي شكست (Gf) بهعنوان شاخص مقاومت در برابر گسترش ترك و ضريب شدت تنش مؤثر (Keff) بهعنوان معياري براي مقاومت در برابر آغاز تركخوردگي محاسبه گرديد. در دماي 20 درجه سانتيگراد با توجه به عدم پيروي رفتار مخلوط از مكانيك شكست الاستيك خطي به منظور تحليل نتايج بجاي استفاده از ضريب شدت تنش مؤثر (Keff) از شاخص انعطافپذيري (FI) در اين دما اين استفاده شد.
نتايج نشان داد كه رفتار شكست مخلوطهاي مورد بررسي بهطور همزمان تابعي از دما، مود بارگذاري و درصد افزودنيها است. در دماي 18- درجه سانتيگراد، مخلوطها رفتاري سخت و شكننده از خود بروز داده و مقادير بالاتري از Keff ثبت شد، در حاليكه افزايش دما كاهش سختي و تغيير مكانيزم گسيختگي را در پي داشت. خردهلاستيك بيشترين تأثير را در بهبود انرژي شكست بهويژه در مودهاي برشي و تركيبي نشان داد، در حاليكه الياف PET عمدتاً از طريق ايجاد سازوكار پلزني، موجب ارتقاي مقاومت برابر شروع و گسترش ترك شد. در ميان تركيبهاي مختلف، مخلوط CR10F0.3 پايدارترين و متعادلترين رفتار را در تمامي دماها و مودهاي بارگذاري ارائه داد و ضمن افزايش همزمان Gf و Keff از افت عملكرد در دماهاي بالا و مودهاي تركيبي جلوگيري كرد. در مقابل، افزايش خردهلاستيك به 15 درصد باعث كاهش انرژي شكست و افت پايداري در دماهاي مياني و بالا شد كه اين امر به افزايش ويسكوزيته قير و ايجاد ناپيوستگيهاي ريزساختاري نسبت داده ميشود. ارزيابي عملكردي و اقتصادي نيز نشان داد كه تركيب CR10F0.3، با ايجاد تعادل مناسب ميان سختي و چقرمگي و نيز با ثبت كمترين هزينه چرخهعمر، بهعنوان گزينه بهينه عملكردي و اقتصادي قابل معرفي است. بهطور كلي، يافتههاي اين پژوهش بيانگر آن است كه استفاده كنترلشده و همزمان از الياف PET و خردهلاستيك ميتواند رويكردي كارآمد، اقتصادي و سازگار با محيطزيست را براي افزايش مقاومت تركخوردگي و بهبود دوام مخلوطهاي آسفالتي در شرايط بارگذاري و دمايي مختلف فراهم آورد.
واژههاي كليدي: مخلوط آسفالتي داغ، مقاومت تركخوردگي، مكانيك شكست، انرژي شكست، چقرمگي شكست، الياف پلياتيلن ترفتالات، خرده لاستيك، مود بارگذاري تركيبي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/04
عنوان به انگليسي
Laboratory Investigation of Crack Resistance Based on Fracture Mechanics Properties of Hot Mix (HMA) Asphalt Containing Recycled Polyester Fibers and Crumb Rubber
تاريخ بهره برداري
5/22/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
فهيم فاريابي
چكيده به لاتين
Abstract:
Asphalt pavements are subjected throughout their service life to a combination of thermal stresses, repeated traffic loading, and environmental variations. These factors directly intensify the initiation and propagation of cracks, ultimately reducing pavement service life and increasing life-cycle costs. Meanwhile, the growing accumulation of polymeric wastes such as PET bottles and scrap tires has created serious challenges in waste management and environmental protection. Therefore, developing innovative approaches to improve the mechanical performance of asphalt mixtures through the recycling of polymeric materials is considered a necessity aligned with sustainability goals and the enhancement of pavement durability. On this basis, the present study was conducted to evaluate the cracking resistance of hot mix asphalt containing two recycled additives, namely polyethylene terephthalate (PET) fibers and crumb rubber (CR).
In this study, the base materials included a PG 64-22 asphalt binder, filler, and limestone aggregates with a nominal maximum aggregate size of 12.5 mm. The optimum fiber content was determined based on the Marshall test from among 0.15%, 0.30%, and 0.45% by total weight of the mixture, and 0.30% was identified as the optimum value. In addition, rubberized asphalt binder was prepared by blending crumb rubber at 10% and 15% by weight of binder using the wet process with a high-shear mixer at 6000 rpm for 60 minutes. Gyratory-compacted specimens were produced using rubberized binders containing 10% and 15% crumb rubber together with the optimum PET fiber content of 0.30%, which was added to the aggregates through the dry process. Fracture behavior was evaluated using the three-point bending test on notched semi-circular bend (SCB) specimens with a diameter of 100 mm at three temperatures of -18, 0, and +20 °C under different loading modes, including Mode I, Mode II, and mixed-mode I/II. Fracture parameters were measured using a concrete plastic loading jack under static loading at a constant rate of 5 mm/min. To analyze fracture behavior, fracture energy (Gf) was calculated as an indicator of resistance to crack propagation, and the effective stress intensity factor (Keff) was determined as a measure of resistance to crack initiation. At 20 °C, due to the deviation of mixture behavior from linear elastic fracture mechanics, the flexibility index (FI) was used instead of the effective stress intensity factor (Keff) for result interpretation.
The results showed that the fracture behavior of the investigated mixtures was simultaneously influenced by temperature, loading mode, and additive content. At -18°C, the mixtures exhibited stiff and brittle behavior, resulting in higher values Keff, whereas increasing temperature led to reduced stiffness and a change in the failure mechanism. Crumb rubber had the greatest effect on improving fracture energy, especially under shear and mixed-mode loading conditions, while PET fibers mainly enhanced resistance to crack initiation and propagation through a bridging mechanism. Among the different combinations, the CR10F0.3 mixture demonstrated the most stable and balanced performance under all temperatures and loading modes, simultaneously increasing both Gf and Keff while preventing performance loss at higher temperatures and under mixed-mode loading. In contrast, increasing crumb rubber content to 15% reduced fracture energy and decreased stability at intermediate and high temperatures, which may be attributed to increased binder viscosity and the formation of microstructural discontinuities. Performance and economic evaluations also indicated that the CR10F0.3 mixture, by providing an appropriate balance between stiffness and toughness and yielding the lowest life-cycle cost, can be introduced as the optimum functional and economic alternative. Overall, the findings of this study indicate that the controlled and simultaneous use of PET fibers and crumb rubber can provide an efficient, economical, and environmentally friendly approach to enhance cracking resistance and improve the durability of asphalt mixtures under various thermal and loading conditions.
Keywords: hot mix asphalt, fracture resistance, fracture mechanics, fracture energy, fracture toughness, PET Fiber, crumb rubber, mixed-mode loading
كليدواژه هاي فارسي
مخلوط آسفالتي داغ , مقاومت تركخوردگي , مكانيك شكست , انرژي شكست , چقرمگي شكست , الياف پلياتيلن ترفتالات , خرده لاستيك , مود بارگذاري تركيبي
كليدواژه هاي لاتين
hot mix asphalt , fracture resistance , fracture mechanics , fracture energy , fracture toughness , PET Fiber , crumb rubber , mixed-mode loading
Author
Fahim Faryabi
SuperVisor
Dr. Mahmoud Ameri – Dr. Hasan Ziari