بررسی اثر نانوسیلیس بر مورفولوژی و خواص فیزیکی قیر و تغییرات رفتار رطوبتی و مکانیکی مخلوط آسفالتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران

2 کارشناس ارشد، گروه مهندسی عمران، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران

3 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

4 دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه محقق اردبیلی

چکیده

اگرچه وزن قیر در مخلوط‌های آسفالتی مقدار ناچیزی است، لیکن، اثر مهمی بر عملکرد مخلوط‌های آسفالتی دارد. در دهه‌های گذشته، جهت بهبود عملکرد مخلوط‌های آسفالتی از افزودنی‌های اصلاح‌کننده قیر استفاده شده است. یکی از این افزودنی‌ها در اصلاح رفتار قیرها، افزودنی نانوسیلیس ‌می‏باشد. هدف از انجام این پژوهش، بررسی تأثیر نانوسیلیس بر خصوصیات مکانیکی مخلوط‌های آسفالتی و قیر است. بدین منظور از مصالح سنگی شکسته با دانه‌بندی شماره 4 آیین‌نامه روسازی راه‌های ایران، قیر 60-70 خالص و نانوسیلیس با مقادیر 2، 4 و 6 درصد وزنی قیر استفاده گردید. برای ارزیابی خصوصیات مکانیکی مخلوط‌های آسفالتی، از آزمایش‌های استقامت و روانی مارشال و مدول برجهندگی و به منظور ارزیابی حساسیت رطوبتی مخلوط‌های آسفالتی، از آزمایش نسبت مقاومت مارشال استفاده شد. برای ارزیابی تأثیر نانوسیلیس بر مشخصات قیر از آزمایش‌های درجه نفوذ، نقطه نرمی و کشش‌پذیری (خاصیت انگمی) استفاده گردید. اصلاح قیر با نانوسیلیس موجب کاهش درجه نفوذ، افزایش نقطه نرمی و کاهش شکل‌پذیری (خاصیت انگمی) قیر شد. نتایج تأثیر آزمایش‌ها بر مخلوط‌های آسفالتی نشان داد که استفاده از نانوسیلیس برای اصلاح قیر موجب افزایش استقامت ‌مارشال و کاهش روانی ‌مارشال می‌شود؛ به‌طوری که افزودن 6 درصد نانوسیلیس به قیر باعث افزایش 41 درصدی استقامت نسبت به نمونه شاهد می‌شود. همچنین، افزودن نانوسیلیس باعث کاهش روانی مخلوط‌های آسفالتی می‌گردد. علاوه بر این، استفاده از نانوسیلیس، حساسیت رطوبتی مخلوط‌ها را به طور قابل‌ ملاحظه‌ای بهبود می‌دهد. افزودن 6 درصد نانوسیلیس به قیر باعث افزایش 95 درصدی مدول برجهندگی نسبت به نمونه‌های آسفالتی شاهد می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigating the Effect of Nanosilica on the Morphology and Physical Properties of Asphalt Binder, the Changes in Moisture Damage and Mechanical Performance of Asphalt Mixture

نویسندگان [English]

  • Mahmoud Malakouti Oloun Abadi 1
  • Mohammad Dehghani 2
  • Abdoreza Fazeli 1
  • Babak Golchin 3
  • Ramin Meshkabadi 4
1 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran
2 MSc, Department of Civil Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, Iran
3 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
4 Department of Advenced Technologies, University of Mohaghegh Ardabili
چکیده [English]

Although bitumen makes up only a small portion of asphalt mixtures, it significantly impacts their performance. Over the past few decades, bitumen modifier additives, such as nano-silica, have been utilized to enhance asphalt performance. This research aims to investigate the influence of nano-silica on the mechanical properties of asphalt and bitumen mixtures. The study utilized crushed stone materials with grading No. 4 of the Iran Road Pavement code, 70-60 pure bitumen, and nano-silica in varying amounts (2%, 4%, and 6% by weight of bitumen). Marshall and resilient modulus tests were employed to evaluate the mechanical properties of asphalt mixtures, while Marshall's resistance ratio was used to assess moisture sensitivity. Additionally, tests on penetration degree, softening point, and elasticity were conducted to evaluate the effect of nanosilica on bitumen properties. The findings revealed that modification of bitumen with nanosilica led to decreased penetration, increased softening point, and reduced plasticity. Furthermore, the use of nano-silica improved Marshall strength and reduced Marshall's flow in asphalt mixtures, with a 6% addition of nano-silica increasing strength by 41% compared to the control sample. The addition of nano-silica also enhanced the moisture sensitivity of the mixtures and increased the resilient modulus by 95% compared to control asphalt samples.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mechanical properties
  • Asphalt mixture
  • Nano-silica
  • Moisture damage

مراجع

Ahadi, M. R., Shafipour, A. and Saberi, P. 2015. “The effect of nanomaterials on the performance of hot asphalt mixtures”. Third National Conference on New Materials and Structures in Civil Engineering, Semnan, February 23. [In Persian]
Ameri, M., Vamegh, M., Rohoolamini, H. and Bemana, K. 2015a. “Evaluation of nanoclay effects on the permanent deformation of hot mix asphalt”. Modares Civ. Eng. J., 15(3): 149-158. [In Persian]
Ameri, M., Vamegh, M., Rouholamini, H. and Bemana, K. 2015b. “Evaluation of moisture susceptibility in hot mix asphalt (HMA) containing nanoclay”. Quart. J. Transport. Eng., 6(4): 613-626. [In Persian]
Ameri, M., Nobakht, S., Bemana, K., Vamegh, M. and Rooholamini, H. 2016a. “Effects of nanoclay on hot mix asphalt performance”. Petrol. Sci. Tech., 34(8): 747-753.
Ameri, M., Nobakht, S., Bemana, K., Rooholamini, H. and Vamegh, M. 2016b. “Effect of nanoclay on fatigue life of hot mix asphalt”. Petrol. Sci. Tech., 34(11-12): 1021-1025.
Capco, D. G. and Chen, Y. 2014. “Nanomaterial”. Adv. Exp. Med. Biol., 811.
Debbarma, K., Debnath, B. and Sarkar, P. P. 2022. “A comprehensive review on the usage of nanomaterials in asphalt mixes”. Constr. Build. Mater., 361: 129634.
Ezzat, H., El-Badawy, S., Gabr, A., Zaki, E. S. I. and Breakah, T. 2016. “Evaluation of asphalt binders modified with nanoclay and nanosilica”. Proc. Eng., 143: 1260-1267.
Fang, C., Yu, R., Liu, S. and Li, Y. 2013. “Nanomaterials applied in asphalt modification: A review”. J. Mater. Sci. Tech., 29(7): 589-594.
Fusco, R., Moretti, L., Fiore, N. and D’Andrea, A. 2020. “Behavior evaluation of bituminous mixtures reinforced with nano-sized additives: A review”. Sustain., 12(19): 8044.
Ghasemi, M., Marandi, S. M., Tahmooresi, M., Kamali, J. and Taherzade, R. 2012. “Modification of stone matrix asphalt with nano-SiO2”. J. Basic Appl. Sci. Res., 2(2): 1338-1344.
Golchin, B., Hekmat, A. and Hamedi, G. H. 2022. “Effects of metallic nano materials on the cohesion and adhesion properties of asphalt binders and aggregates using surface free energy method”. J. Civ. Environ. Eng., 52(108): 117-126.
Hamedi, G. H., Pakenari, M. M., Tabrizi, M. T. and Pirbasti, Z. R. 2023. “Effect of nano‐cobalt oxide on the rheological behavior of asphalt binder and mechanical characteristics of hot mix asphalt”. Adv. Civ. Eng., 2023(1): 7353949.
Hamedi, G. H., Moghadasnejad, F. and Azarhoosh, A. 2024. “Assessing the influence of nano graphene oxide application in mitigating the adverse effects of runoff pH on the moisture susceptibility of asphalt concretes”. Constr. Build. Mater., 438: 137182.
Haroon, W. and Ahmad, N. 2024. “Effect of nano silica on the performance of modified crumb rubber bitumen and asphalt mixtures”. Innov. Infrastruct. Solut., 9(7): 280.
Jalili Majdi, A. 2017. “Fatigue behavior analysis of hot mix asphalt modified by the combination of nanosilica and polystyrene butadiene styrene”. 2nd International Conference of Civil Engineering, Architecture and Crisis Management, July 7. [In Persian]
Khattak, M. J., Khattab, A., Rizvi, H. R. and Zhang, P. 2012. “The impact of carbon nano-fiber modification on asphalt binder rheology”. Constr. Build. Mater., 30: 257-264.
Li, R., Xiao, F., Amirkhanian, S., You, Z. and Huang, J. 2017. “Developments of nano materials and technologies on asphalt materials-A review”. Constr. Build. Mater., 143: 633-648.
Moghadasnezhad, F., Azarhoush, A. and Hamedi, G. 2015. “Evaluation of rutting in asphalt mixtures modified with calcium carbonate nanoparticles”. 7th Iranian Bitumen and Asphalt Conference, December 15.
Patel, J. K., Patel, A. and Bhatia, D. 2021. “Introduction to nanomaterials and nanotechnology”. In: Emerging technologies for nanoparticle manufacturing (pp. 3-23). Springer.
Sengupta, A. and Sarkar, C. K. 2015. “Introduction to nano: Basics to nanoscience and nanotechnology”. Springer.
Standard, A. 2012. “Standard test method for indirect tensile (IDT) strength of bituminous mixtures”. ASTM International, West Conshohocken, PA.
Sun, L., Xin, X. and Ren, J. 2017. “Asphalt modification using nano-materials and polymers composite considering high and low temperature performance”. Constr. Build. Mater., 133: 358-366.
Tantra, R. 2016. “Nanomaterial characterization: An introduction”. John Wiley & Sons.
Xiao, F., Amirkhanian, A. N. and Amirkhanian, S. N. 2011. “Influence of carbon nanoparticles on the rheological characteristics of short-term aged asphalt binders”. J. Mater. Civ. Eng., 23(4): 423-431.
Yang, J. and Tighe, S. 2013. “A review of advances of nanotechnology in asphalt mixtures”. Proc.-Soc. Behav. Sci., 96: 1269-1276.
Yao, H., You, Z., Li, L., Shi, X., Goh, S. W., Mills-Beale, J. and Wingard, D. 2012. “Performance of asphalt binder blended with non-modified and polymer-modified nanoclay”. Constr. Build. Mater., 35: 159-170.
You, Z., Mills-Beale, J., Foley, J. M., Roy, S., Odegard, G. M., Dai, Q. and Goh, S. W. 2011. “Nanoclay-modified asphalt materials: Preparation and characterization”. Constr. Build. Mater., 25(2): 1072-1078.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 23 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری: 10 شهریور 1403
  • تاریخ پذیرش: 10 شهریور 1403

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار