بررسی رفتار شکست و گسترش ترک مخلوط های آسفالتی اصلاح شده با پلی‌‌فسفریک اسید (PPA) بر اساس آزمایش خمش دیسک نیم استوانه (SCB)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران)، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد قزوین

3 استاد، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران)، تهران، ایران

چکیده

یکی از روش­های رایج جهت بهبود عملکرد قیر و متعاقب آن مخلوط‌های آسفالتی، استفاده از افزودنی­های پلیمری و معدنی می­باشد. پلی‌فسفریک اسید یکی از افزودنی­های اصلاح­کننده ویژگی­های قیر است که کاربرد آن طی دو دهه اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است. به منظور بررسی تأثیر این ماده بر رفتار شکست و گسترش ترک مخلوط‌های آسفالتی، نمونه‌های مخلوط آسفالتی با قیرهای اصلاح شده با سه درصد مختلف (5/0، 0/1 و 5/1 درصد) پلی‌فسفریک اسید تهیه و در پنج دما (10-، صفر، 10، 25 و 40 درجه ‌سلسیوس) تحت آزمایش خمش دیسک نیم­استوانه قرار گرفتند. مهمترین خروجی این آزمایش، نمودار نیرو ـ تغییر‌مکان بود که به کمک آن بیشینه نیروی قابل تحمل، شکل‌پذیری، انرژی شکست و چقرمگی برای نمونه­ها به­دست آمد. در هنگام آزمایش، به صورت همزمان و به وسیله عکس‌برداری، میزان بازشدگی دهانه ترک اندازه‌گیری شد. در انتها، به‌منظور مقایسه مخلوط‌های آسفالتی، حاصل تقسیم انرژی شکست بر بازشدگی دهانه ترک بررسی شد. به این صورت که در دمای ثابت هرچه میزان این پارامتر بزرگ‌تر باشد، نشان­دهنده عملکرد بهتر مخلوط آسفالتی در برابر بارگذاری می‌باشد: انرژی جذب شده بیشتر با بازشدگی دهانه کمتر. نتایج نشان داد که افزودن پلی‌فسفریک اسید در دمای کم برای بهبود رفتار شکست مخلوط آسفالتی سودمند نمی‎‌باشد. اما با افزایش دما، تأثیر این افزودنی بر بهبود عملکرد مخلوط آسفالتی بهتر بود. میزان بهینه استفاده از افزودنی پلی‌فسفریک اسید در دماهای میانی و زیاد، 5/0 تا 0/1 درصد برآورد گردیده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Fracture and Crack Propagation Characteristics of Asphalt Mixtures Modified with Polyphosphoric Acid Based on Semi-Circular Bending (SCB) Test

نویسندگان [English]

  • Mohammad Ali Ziari 1
  • Pouria Hajikarimi 2
  • Afarin Kheirati Kazerooni 1
  • Fereidoon Moghadas Nejad 3
1 Department of Civil & Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran
2 Department of Civil Engineering, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran
3 Department of Civil & Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran
چکیده [English]

One of the most common methods to enhance performance of asphalt binder and mixtures is using polymeric and mineral additives. The polyphosphoric acid (PPA) is one of additives used to modify asphalt binder's characteristics during last two decades. In this research, to investigate the effect of this additive on fracture and crack propagation characteristics of asphalt mixtures, asphalt mixture specimens were fabricated by implementing with asphalt binder modified with three different dosages of PPA: 0.5, 1 and 1.5% by weight of asphalt binder. The semi-circular bending (SCB) test was performed on these specimens at five different test temperatures including -10, 0, 10, 25 and 40 degree of centigrade. The major output of this test was force-displacement curve. The Maximum force, fragility, fracture energy and toughness were determined for all specimens based on force-displacement curve. Also, notch mouth opening displacement was measured by using pictures captured during the SCB test. To compare asphalt mixture behavior, an index was presented in this research as fracture energy divided by noth mouth opening displacement. At a constant temperature, the greater index shows better performance of asphalt mixture. The results have shown that adding PPA at low temperatures is not useful but at moderate temperatures it can increase fracture properties of asphalt mixture. The optimum content of PPA at the moderate temperatures is determined between 0.5 to 1%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Polyphosphoric Acid
  • Fracture Energy
  • Crack Opening Displacement
  • Semi-Circular Bending (SCB) Test
Aflaki, S. and Hajikarimi, P. 2012. “Implementing viscoelastic rheological methods to evaluate low temperature performance of modified asphalt binders”. Constr. Build. Mater., 36: 110-118.

Aflaki, S. and Tabatabaee, N. 2009. “Proposals for modification of Iranian bitumen to meet the climatic requirements of Iran”. Constr. Build. Mater., 23(6): 2141-2150.

Alexander, S. H. 1973. “Method of treating asphalt”. US Patent.

ASTM D8044-16. 2016. “Standard test method for evaluation of asphalt mixture cracking resistance using the semi-circular bend test (SCB) at intermediate temperatures”. ASTM International, West Conshohocken, PA.

AASHTO TP105-13. 2019. “Standard method of test for determining the fracture energy of asphalt mixtures using the semicircular bend geometry (SCB)”.

Du, G. 2010. “Implementation of the SuperPave IDT analysis procedure’. Master of Science Thesis, KTH Architecture and the Built Environment, Stockholm, Sweden.

Elseifi, M. A., Mohammad, L. N., Ying, H. and Cooper III, S. 2012. “Modeling and evaluation of the cracking resistance of asphalt mixtures using the semi-circular bending test at intermediate temperatures. Road Mater. Pavement Design, 13(S1): 124-139.

Hajikarimi, P. 2018. “Numerical modeling of crack propagation of modified asphalt mixtures based on viscoelasticity theorem”. PhD Dissertation, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran. (In Persian)

Hajikarimi, P., Fakhari Tehrani, F., Moghadas Nejad, F., Abasi, J., Rahi, M., Khodaii, A. and Petit, C. 2018. “Generalized fractional viscoelastic modeling of low temperature characteristics of asphalt binders modified with polyphosphoric acid and distillate aromatic extracts oil”. J. Mater. Civ. Eng., 30(7): 04018147.

Hajikarimi, P., Rahi, M. and Moghadas Nejad, F. 2015. “Comparing different rutting specification parameters using high temperature characteristics of rubber-modified asphalt binders. Road Mater. Pavement Design, 16(4): 751-766.

Haslett, K. E. 2018. “Evaluation of cracking indices for asphalt mixtures using SCB tests at different temperatures and loading rates”. Master Thesis, University of New Hampshire, Durham.

Hoare, T.  R. and Hesp, S. A. 2000. “Low-temperature fracture testing of asphalt binders: regular and modified systems”. Transport. Res. Record, 1728(1): 36-42.

Jiang, J., Ni, F., Dong, Q., Wu, F. and Dai, Y. 2018. “Research on the fatigue equation of asphalt mixtures based on actual stress ratio using semi-circular bending test. Constr. Build. Mater., 158: 996-1002.

Kim, Y. R. 2008. “Modeling of asphalt concrete”. McGraw-Hill, N. Y.

Kuruppu, M. D. and Chong, K. P. 2012. “Fracture toughness testing of brittle materials using semi-circular bend (SCB) specimen”. Eng. Fract. Mech., 91: 133-150.

Li, X. and Marasteanu, M. 2004. “Evaluation of the low temperature fracture resistance of asphalt mixtures using the semi circular bend test (with discussion)”. J. Assoc. Asphalt Paving Technol., 73: 401-426.

Moghadas Nejad, F., Shahabi, M., Rahi, M., Hajikarimi, P. and Kazemifard, S. 2017. “An investigation on the effect of SBS+ vacuum bottoms residue modification on rheological characteristics of asphalt binder”. Petrol. Sci. Technol., 35(22): 2115-2120.

Saha, G. and Biligiri, K. P. 2017. “Stato-dynamic response analyses through semi-circular bending test: Fatigue life prediction of asphalt mixtures”. Constr. Build. Mater., 150: 664-672.

Seo, Y. 2003. “A comprehensive study of crack growth in asphalt concrete using fracture mechanics”. PhD Dissertation, North Carolina State University, USA.

Wagnoner, M. P., Buttlar, W. and Paulino, G. H. 2005. “Disk-shaped compact tension test for asphalt concrete fracture”. Exp. Mech., 45(3): 270-277.

Zegeye, E. T., Moon, K. H., Turos, M., Clyne, T. R. and Marasteanu, M. O. 2012. “Low temperature fracture properties of polyphosphoric acid modified asphalt mixtures”. J. Mater. Civ. Eng., 24(8): 1089-1096.