ارزیابی و مدل‌سازی خستگی مخلوط‌های آسفالتی حاوی دانه‌های رس منبسط‌شده (لیکا) و قیر اصلاح‌شده با نانو اکسید آلومینیوم بر اساس پارامتر خستگی قیر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، واحد آیت الله آملی، دانشگاه آزاد اسلامی، آمل، ایران

2 گروه عمران، واحد سوادکوه، دانشگاه آزاد اسلامی، سوادکوه، ایران

3 گروه مهندسی عمران، واحدتهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

چکیده

استفاده از نانواکسید آلومینیوم برای افزایش دوام مخلوط‌های آسفالتی حاوی دانه‌های رس منبسط‌شونده (لیکا)، رویکردی پایدار و نوین در مهندسی روسازی محسوب می‌شود. در این پژوهش، قیر 85-100 با افزودن 0، 1%، 2% و 3٪ وزنی نانواکسید آلومینیوم با میکسر دور بالا، ترکیب شد و آزمون‌های فیزیکی و رئولوژیکی قیر شامل درجه نفوذ، نقطه نرمی، کشش‌پذیری، ویسکوزیته سیستماتیک، RTFO،PVو DSR انجام گرفت. همچنین، مخلوط‌های آسفالتی با جایگزینی 0، 25 و 50 درصد دانه‌های رس منبسط‌شونده (لیکا)، تحت آزمون‌های مارشال، خزش دینامیکی و عمر خستگی قرار گرفتند تا اثر ترکیبی این افزودنی‌ها بر خواص مکانیکی، رفتار خزشی و مقاومت خستگی ارزیابی شود. نتایج آزمون‌های فیزیکی قیر نشان داد که افزودن نانواکسید آلومینیوم موجب بهبود نقطه نرمی، سختی کنترل‌شده، کشش‌پذیری و ویسکوزیته قیر شد. براساس نتایج آزمون‌های رئولوژیکی قیر، با افزودن نانو مواد، افت وزنی کاهش یافته و شاخص‌های شیارشدگی و خستگی بهبود یافته، که بیانگر تأخیر در ترک‌خوردگی و افزایش دوام روسازی است. خزش دینامیکی نشان داد که افزودن نانو و جایگزینی بهینه دانه‌های رس منبسط‌شونده (لیکا)، کرنش تجمعی را کاهش داده و نرخ رشد شتابی فاز نهایی خزش را کند می‌کند. آزمون عمر خستگی نیز بهترین عملکرد را برای ترکیب 25%LECA+2%AL2O3 نشان داد که گرچه افزایش دما و سطح تنش‌ موجب تسریع آسیب‌پذیری خستگی می‌شوند، اما این ترکیب توانست اثرات ناشی از آن را تا حد زیادی کنترل کند. مدلسازی رگرسیونی نشان داد که درصد نانو و دانه‌های رس منبسط‌شونده (لیکا)، تأثیر معناداری (p < 0.05) بر عمر خستگی دارند. مدل‌ها با ضریب تعیین بالا برابر 928/0 ، 947/0 و937/0 به ترتیب برای 0، 25% و 50% دانه‌های رس منبسط‌شونده توانستند رفتار خستگی مخلوط‌ها را با دقت قابل‌قبول پیش‌بینی کنند. این نتایج نشان‌دهنده برازش مناسب و قابلیت تعمیم مدل‌ها در طراحی روسازی‌های آسفالتی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation and Modeling of Fatigue in Asphalt Mixtures Containing Expanded Clay Aggregates (LECA) and Nano-Alumina Modified Bitumen Based on Bitumen Fatigue Parameters

نویسندگان [English]

  • Ghasem Tahmouresi 1
  • Mohsen Amouzadeh Omrani 2
  • Hassan Divandari 3
  • Ali Seyedkazemi 1
1 Department of Civil Engineering, Am.C., Islamic Azad University, Amol, Iran
2 Faculty member, Islamic azad university, savadkouh branch, civil engineering department, Amol, Iran
3 Department of Civil Engineering, CT.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran,
چکیده [English]

The use of Nano-Al₂O₃ to enhance durability of asphalt mixtures containing expanded clay aggregates (LECA) represents a sustainable and innovative approach in pavement engineering. In this study, 85–100 penetration-grade bitumen was modified with 0%, 1%, 2%, and 3% Nano-Al₂O₃ using a high-shear mixer, and the binder was evaluated through physical and rheological tests, including penetration, softening point, ductility, and kinematic viscosity. The RTFO and PAV aging processes were subsequently applied, and the aged binders were examined using DSR test to assess their rheological behavior. Moreover, asphalt mixtures incorporating 0%, 25%, and 50% LECA were subjected to Marshall stability, dynamic creep, and fatigue life tests to investigate the combined effects of these additives on mechanical performance, creep behavior, and fatigue resistance. The physical tests of bitumen indicated that Nano-Al₂O₃ addition improved the softening point, provided controlled stiffness, enhanced ductility, and increased viscosity. Rheological results showed that Nano-Al₂O₃ reduced mass loss and improved rutting and fatigue indices, indicating delayed cracking and increased pavement durability. Dynamic creep tests revealed that the incorporation of Nano-Al₂O₃ and optimal LECA replacement reduced cumulative strain and slowed the accelerated growth rate in the tertiary creep phase. Fatigue life tests demonstrated that the 25% LECA + 2%Al₂O₃ mixture exhibited the best performance, confirming that although elevated temperature and high stress levels accelerate fatigue damage, this mixture effectively mitigated these adverse effects and delayed deterioration. Regression modeling indicated that percentages of Nano-Al₂O₃ and LECA aggregates had a significant impact (p < 0.05) on fatigue life. The models achieved high coefficients of determination (R² = 0.928, 0.947, and 0.937 for 0%, 25%, and 50% LECA, respectively), accurately predicting the fatigue behavior of the mixtures. These results demonstrate the suitability and generalizability of the models for design of durable asphalt pavements.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nano-Al₂O₃
  • Expanded clay aggregates (LECA)
  • Dynamic creep
  • Fatigue life
  • Regression modeling

مراجع

Adnan, A. M., & Wang, J. 2024. “Investigation of the effects of nano-Al₂O₃ addition on compatibility, rutting and fatigue properties of styrene-butadiene-rubber modified asphalt”. Constr. Build. Mater., 416: 135267. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.135267
Agostinacchio, M., & Olita, S. 2004. “Use of expanded clay for the mix design of high-grip bituminous wearing courses”. In Proceedings of SIIV 2004, 2nd International Congress: New Technologies and Modeling Tools for Roads—Applications to Design and Management. Retrieved from https://www.siiv.net
Albayati, A. H., Oukaili, N. K., Moudhafar, M. M., Allawi, A. A., Said, A. I., & Ibrahim, T. H. 2024. “Experimental study to investigate the performance-related properties of modified asphalt concrete using nanomaterials Al₂O₃, SiO₂, and TiO₂”. Mater., 17(17): 4279.  https://doi.org/10.3390/ma17174279
Al-Hamdou, Y. M., & Albayati, A. H. 2025. “The influence of nanomaterials on the permanent deformation of hot mix asphalt”. Eng., Technol. Appl. Sci. Res., 15(4): 25538–25544. https://doi.org/10.48084/etasr.12 244
Amouzadeh Omrani, M. 2023. “Laboratory comparison of mechanical properties of emulsified cold recycled asphalt containing cement kiln dust and steel slag with recycled asphalt containing cement”. J. Transport. Infrastruct. Eng., 9(3): 57-79.
Amouzadeh Omrani, M., Babagoli, R., & Soleimanpour, M. 2025. “Experimental study of the fatigue behavior of asphalt binder and mixture containing nanoclay through Time-Sweep, Strain-Sweep and bending beam methods”. Quart. J. Transport. Eng., 16(3): 4685-4717.  
Amouzadeh Omrani, M., & Modarres, A. 2019. “Stiffness and fatigue behavior of emulsified cold recycled mixture containing waste powder additives: Mechanical and microstructural analysis”. J. Mater. Civ. Eng., 31(6): 04019061. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002704
Amoozadeh, O. M., & Babagoli, R. 2023. “Evaluation of the effect of nano-calcium carbonate mechanical performance of asphalt binder and mixture”. Transport. Res. J., 25(2): 123-135.
Arabani, M., & Hamedi, H. 2015. “Evaluation of the effects of lightweight expanded clay aggregates on the mechanical properties of porous asphalt”. J. Civ. Urban Eng., 5(1): 23–30.
Bhat, F. S., & Mir, M. A. 2024. “Nano-Al₂O₃ composite on intermediate and high-temperature properties of neat and modified asphalt binders and their effect on hot mix asphalt mixtures”. J. Clean. Prod., 380: 132456. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.132456
 De Sousa Campelo, T., Zimmer, A., & Bragança, S. R. 2024. “Evaluation and improvement of a nonexpansive clay for the production of lightweight aggregates using glass waste and silicon carbide”. Constr. Build. Mater., 439: 137428. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.137428
Hastie, T., Tibshirani, R., & Friedman, J. 2009. “The elements of statistical learning: Data mining, inference, and prediction”. 2nd ed., Springer. https://doi.org/10.1007/978-0-387-84858-7
James, G., Witten, D., Hastie, T., & Tibshirani, R. 2013. “An introduction to statistical learning: with applications in R (Vol. 103)”. New York: Springer. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-7138-7
Ji, Z., Wu, X., Zhang, Y., & Milani, G. 2023. “Aging behavior and mechanism evolution of nano-Al₂O₃/Styrene-Butadiene-Styrene-modified asphalt under thermal-oxidative aging”. Mater., 16(17): 5866. https://doi.org/10.3390/ma16175866
Khan, A., & Mrawira, D. 2010. “Investigation of the use of lightweight aggregate hot-mixed asphalt in flexible pavements in frost susceptible areas”. J. Mater. Civ. Eng., 22(2): 171–178. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(2010)22:2(171)
Li, R., Karki, P., Hao, P., & Bhasin, A. 2015. “Rheological and low temperature properties of asphalt composites containing rock asphalts”. Constr. Build. Mater., 96: 47–54. https://doi.org/10.1016/j.conbui ldmat.2015.07.150
Losa, M., Leandri, P., & Bacci, R. 2008. “Mechanical and performance-related properties of asphalt mixes containing expanded clay aggregate”. Transport. Res. Record, 2051(1): 23–30. https://doi.org/10.3141/20 51-04
Moghimi, S., Shafabakhsh, G., & Divandari, H. 2023. “Evaluation of rutting, fatigue, and moisture resistance of low‐energy Asphalt mixtures modified by crumb rubber”. Adv. Civ. Eng., 2023(1): 6668963. https://doi.org/10.1155/2023/6668963
Newcomb, D. E., & Quintus, H. V. 2002. “Hot Mix Asphalt Technology”. CRC Press.‏
Shen, D. H., Wu, C. M., & Du, J. C. 2008. “Performance evaluation of porous asphalt with granulated synthetic lightweight aggregate”. Constr. Build. Mater., 22(5): 902–910. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2006.12.008
Sun, L., Zhang, Y., & Zhang, Y. 2023. “Influence of nano-Al₂O₃ on the evolution of molecular characteristics and rheological properties of SBS-modified asphalt”. J. Mater. Civ. Eng., 35(3): 04023029. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.00016088
Tahmouresi, G., Amouzadeh Omrani, M., Divandari, H., & Seyedkazemi, A. 2025. “Experimental investigation of the mechanical properties of asphalt mixtures containing lightweight expanded clay aggregate replacing coarse aggregates and modified with nano-Al₂O₃”. Int. J. Pavement Eng., 26(1): 2532690. https://doi.org/10.1080/10298436.2025.2532690
Uzarowski, L. 2007. “The development of asphalt mix creep parameters and finite element modeling of asphalt rutting”. Doctoral dissertation, University of Nottingham.
Witczak, M. W. 2007. “Specification criteria for simple performance tests for rutting (Vol. 580)”. Transportation Research Board.
Ziari, H., Divandari, H., Hajiloo, M., & Amini, A. 2019. “Investigating the effect of amorphous carbon powder on the moisture sensitivity, fatigue performance and rutting resistance of rubberized asphalt concrete mixtures”. Constr. Build. Mater., 217: 62-72.‏ https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.05.039

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 08 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری: 14 آذر 1404
  • تاریخ پذیرش: 25 آذر 1404

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار