تأثیر الیاف کربن بر مقاومت شکست مخلوط‏های آسفالتی با استفاده از اصول مکانیک شکست الاستیک خطی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد اهر، دانشگاه آزاد اسلامی، اهر، ایران

2 دانشجوی کارشناس ارشد عمران، گروه مهندسی عمران، واحد اهر، دانشگاه آزاد اسلامی، اهر، ایران

چکیده

برای بررسی رفتار مخلوط‏های آسفالتی در دماهای کم، روش‏های مختلفی وجود دارد. یکی از این روش‏ها، استفاده از اصول مکانیک شکست الاستیک خطی است. در این پژوهش، با استفاده از اصول مکانیک شکست الاستیک خطی به بررسی اثر مودهای مختلف بارگذاری و دما بر مقاومت شکست مخلوط آسفالت گرم حاوی الیاف کربن در دماهای زیر صفر درجه پرداخته شده است. از نمونه نیم­دایره­ای با ترک لبه­ای، تحت بارگذاری خمش سه نقطه‏ای برای ایجاد مودهای مختلف بارگذاری شامل مود خالص I (کشش خالص)، مود خالص II (برش خالص) و مود ترکیبی I/II (کشش- برش) در آزمایش مقاومت شکست استفاده شده است. ضرایب شدت تنش بحرانی با استفاده از بار بحرانی به­دست آمده از آزمایش شکست، محاسبه و ضرایب شکل از تجزیه و تحلیل المان محدود تعیین شد. نتایجنشانمی‏دهدکهمخلوطآسفالتگرمحاوی الیافکربندردماهایکم ازمقاومتشکستقابلملاحظه‏ای نسبتبهمخلوطآسفالتی بدونالیافدرتماممودهایبارگذاریبرخوردار است. همچنین، در مود کشش خالص 30 الی 43 درصد، در مود ترکیبی (Me=0.5)، 2/13 تا 41 درصد، در مود ترکیبی (Me=0.2)، 5/10 تا 40 درصد و در مود برش خالص 2 الی 5/12 درصد بهبود در مقاومت شکست مخلوط‏های آسفالتی مشاهده ‏گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Carbon Fibers on Fracture Toughness of Asphalt Mixtures Using Linear Elastic Fracture Mechanics

نویسندگان [English]

  • Babak Golchin 1
  • Ruhollah Safayi 2
1 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Ahar Branch, Islamic Azad University, Ahar, I. R. Iran.
2 MSc. Student, Department of Civil Engineering, Ahar Branch, Islamic Azad University, Ahar, I. R. Iran.
چکیده [English]

There are several methods to investigate the behavior of hot mix asphalt (HMA) at low temperatures. One of these methods is the use of principles of linear elastic fracture mechanics (LEFM). In this paper, the LEFM principles is used to investigate the effects of different loading modes and temperatures on the fracture resistance of HMA incorporating carbon fibers at subzero temperatures. Three-point fracture tests were successfully performed on the semi-circular bend (SCB) specimen containing an asymmetric vertical edge crack under different modes of loading including pure mode I (pure tensile), pure mode II (pure shear) and mixed-mode I/II (tensile-shear). Critical stress intensity factors were then computed using the critical load obtained from the fracture experiments and the geometry factors were determined from the finite element analyses. Results revealed that at all loading modes, modified HMA has higher resistance against crack growth than the unmodified HMA, particularly at low temperatures. Also, fracture resistance of tested HMA was improved by 30-43 percent in the pure tensile mode, 13.2-41 percent in the mixed mode (Me=0.5), 10.5-40 percent in the mixed mode (Me=0.2) and 2-12.5 percent in the pure shear mode.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hot mix asphalt (HMA)
  • Fracture resistance
  • Carbon fibers
Ayatollahi, M. R. and Pirmohammad, S. 2013. “Temperature effects on brittle fracture in cracked asphalt concretes”. Struct Eng Mech., 45, 19-32.
Abtahi, S. M., Sheikhzadeh, M. and Hejazi, S. M. 2010. “Fiber-reinforced asphalt-concrete- A review”. Constr. Build. Mater., 24: 871-877.
Ameri, M., Mansourian, A., Heidary Khavas, M., Aliha, M. R. M. and Ayatollahi, M. R. 2011. “Cracked asphalt pavement under traffic loading- A 3D finite element analysis”. Eng. Fract. Mech., 78: 1817-1826.
Ameri, M., Mansourian, A., Pirmohammad, S., Aliha, M. R. M. and Ayatollahi, M. R. 2012. “Mixed mode fracture resistance of asphalt concrete mixtures”. Eng. Fract. Mech., 93: 153-167.
Anderson, T. 2005. “Fracture mechanics: Fundamentals and applications”. CRC Press.
Ayatollahi, M. R. and Aliha, M. R. M. 2007. “Wide range data for crack tip parameters in two disc-type specimens under mixed mode loading”. Comput. Mater. Sci., 38: 660-670.
Braham, A., Buttlar, W. and Ni, F. 2010. “Laboratory mixed-mode cracking of asphalt concrete using the single-edge notch beam”. Road Mater. Pavement Design, 11: 947-968.
De Bondt, A. H. 1999. “Anti-reflective cracking design of (reinforced) asphaltic overlays”. PhD Dissertation, Delft University of Technology.
Fazaeli, H., Samin, Y., Pirnoun, A. and Dabiri, A. S. 2016. “Laboratory and field evaluation of the warm fiber reinforced high performance asphalt mixtures (case study Karaj- Chaloos Road)”. Constr. Build. Mater., 122: 273-283.
Fakhri, M., Haghighat Kharrazi, E., Aliha, M. R. M. and Berto, F. 2018. “The effect of loading rate on fracture energy of asphalt mixture at intermediate temperatures and under different loading modes”. Frattura ed Integrità Strutturale, 43: 113-132. 
Jahromi, S. and Khodaii, A. 2008. “Carbon fiber reinforced asphalt concrete”. Arab. J. Sci. Eng., 33: 355-364.
Lee, S. J., Rust, J. P., Hamouda, H., Kim, Y. R. and Borden, R. H. 2005. “Fatigue cracking resistance of fiber-reinforced asphalt concrete”. Text. Res., 2: 123-128.
Li, X. J. and Marasteanu, M. O. 2010. “Using semi circular bending test to evaluate low temperature fracture resistance for asphalt concrete”. Exp. Mech., 50: 867-876.
Li, X., Marasteanu, M. O., Kvasnak, A., Bausano, J., Williams, R. C. and Worel, B. 2010. “Factors study in low-temperature fracture resistance of asphalt concrete”. J. Mater. Civ. Eng., 22(2): 145-152.
Lytton, R. L. 1989. “Use of geotextile for reinforcement and strain relief in asphalt concrete”. Geotext. Geomembranes, 8: 217-237.
Molenaar, J. M. M. and Molenaar, A. A. A. 2000. “Fracture toughness of asphalt in the semi-circular bend test”. Eurasphalt and Eurobitume Congress, Barcelona, Spain, pp. 509-518.
Pirmohammad, S. and Ayatollahi, M. R. 2015. “Asphalt concrete resistance against fracture at low temperatures under different modes of loading”. Cold Reg Sci Technol., 110: 149–159.
Razmi, A. and Mirsayar, M. M. 2018. “Fracture resistance of asphalt concrete modified with crumb rubber at low temperatures”. Int. J. Pavement Res. Tech., 11: 265-273.
Serfass, J. P. and Samanos, J. 1996. “Fiber modified asphalt concrete characteristics, applications and behavior”. Assoc. Asphalt Paving Technol., 65: 193-230.
Williams, M. L. 1956. “On the stress distribution at the base of a stationary crack”. J. Appl. Mech., 24: 109-114.