ارزیابی آزمایشگاهی و عددی مشخصات شکست اساس تثبیت شده سیمانی حاوی خرده مصالح آسفالتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، پژوهشکده حمل و نقل، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران

چکیده

تثبیت لایه اساس با سیمان منجر به ایجاد یک لایه مقاوم جهت کمک به لایه رویه روسازی می­گردد. با این وجود، جهت دستیابی به مشخصات دقیق این مخلوط در شرایط مختلف بارگذاری، نیاز به یک روش مطمئن و در دسترس جهت ارزیابی مشخصات شکست است. از اینرو، تحقیق صورت پذیرفته با پیشنهاد یک هندسه بارگذاری تحت عنوان دیسک خمشی شیار­دار (ENDB) اقدام به تحلیل و بکارگیری آن در زمینه مکانیک شکست لایه­های اساس سیمانی تثبیت شده نموده است. در این تحقیق، از تئوری مکانیک شکست الاستیک خطی بصورت تحلیل سه بعدی و با استفاده از نرم افزار ABAQUS در شرایط مختلف بارگذاری و ابعاد مختلف هندسی، ضرایب شدت تنش استخراج گردید. همچنین به منظور دستیابی به ضرایب شدت تنش بدون نیاز به استفاده از تحلیل عددی، نتایج حاصله در مرحله قبلی با استفاده از روش یادگیری ماشین (بکارگیری شبکه عصبی مصنوعی) بصورت یک مدل جامع ساخته شد. مخلوط اساس سیمانی مد نظر جهت آزمایش از نوع سیمان پرتلند بوده که از افزودنی ماده پلیمری معدنی جهت بهبود عملکرد استفاده شد. به جهت ارزیابی چقرمگی شکست سه حالت مختلف شکست شامل مود خالص I، مود خالص II و مود خالص III با چهار بار تکرار آزمایش شد. مطابق با نتایج بدست آمده هندسهENDB  پیشنهادی در این تحقیق می­تواند به عنوان یک روش اطمینان بخش در جهت ارزیابی مشخصات شکست مخلوط­های اساس تثبیت شده سیمانی استفاده گردد. استفاده از پلیمر معدنی باعث افزایش مقاومت شکست در مودهای مختلف به میزان 8% می­گردد.  تحلیل آماری عمر باقی مانده نشان می­دهد که تغییر مود بارگذاری از حالت بازشدگی کششی (مود I) به برش درون صفحه (مود II) منجر به کاهش قابل توجه احتمال خرابی می­شود. این در حالی است که احتمال شکست در مود برش برون صفحه (مود III) به مراتب نسبت به بازشدگی کششی (مود I ) بیشتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental and Numerical Evaluation of Fracture Characteristics of Stabilized Cement Base Containing Reclaimed Asphalt Pavement

نویسندگان [English]

  • Amir Mahjoob 1
  • seyed mohamad mansoorzadeh 1
  • Hamed Rooholamini 2
1 Assistant Professor, Transportation Research Institute, Road, Housing and Urban Development Research Center, Tehran, I.R. Iran.
2 Assistant Professor, Civil and Environmental Engineering Department, University of Hormozgan, Bandar Abbas, I.R. Iran
چکیده [English]

The stabilization of the foundational layer utilizing cement facilitates the formation of a robust stratum that supports the upper layer of the pavement. Nevertheless, to accurately ascertain the precise properties of this composite material under various loading scenarios, it is imperative to establish a dependable and accessible methodology for assessing the failure characteristics. Consequently, the investigation undertaken in this study has introduced a loading configuration referred to as the grooved bending disc (ENDB), which has been scrutinized and implemented within the domain of fracture mechanics pertaining to cement-stabilized base layers. In this inquiry, stress intensity factors were derived from the principles of linear elastic fracture mechanics, employing three-dimensional analysis and the ABAQUS software across diverse loading conditions and geometric parameters. Furthermore, to derive stress intensity factors without resorting to numerical methodologies, the outcomes procured in the preceding phase were integrated into a comprehensive model utilizing machine learning techniques, specifically through the application of artificial neural networks. The cement base formulation utilized for experimental purposes is of the Portland cement variety, augmented with an inorganic polymer additive to enhance performance characteristics. To assess the fracture toughness, three distinct failure modes were examined, including pure mode I, pure mode II, and pure mode III, each subjected to four repetitions. Based on the findings, the ENDB configuration proposed in this study has been demonstrated to serve as a credible method for evaluating the fracture characteristics of cement-stabilized base mixtures. The incorporation of inorganic polymer enhances fracture resistance across various modes by 8%. The statistical evaluation of residual life indicates that a transition in the loading mode from tensile opening (mode I) to in-plane shear (mode II) results in a substantial decrease in the likelihood of failure. In contrast, the probability of failure in the out-of-plane shear mode (mode III) is considerably elevated relative to the tensile opening (mode I).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cement treated base
  • Fracture mechanic
  • Edge notched disk beam
  • Statistical analysis

مراجع

Adresi, M., khishdari, A., Ahmadi, A., & Rooholamini, H. (2019). Influence of high content of reclaimed asphalt on the mechanical properties of cement-treated base under critical environmental conditions. International Journal of Pavement Engineering, 20(9), 1098–1105. https://doi.org/10.1080/10298436.2017.1388508
Aliha, M. R. M., Bahmani, A., & Akhondi, S. (2015). Numerical analysis of a new mixed mode I/III fracture test specimen. Engineering Fracture Mechanics, 134, 95–110. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2014.12.010
Aliha, M. R. M., Bahmani, A., & Akhondi, S. (2016a). A novel test specimen for investigating the mixed mode I+ III fracture toughness of hot mix asphalt composites--Experimental and theoretical study. International Journal of Solids and Structures, 90, 167–177.
Aliha, M. R. M., Bahmani, A., & Akhondi, S. (2016b). Mixed mode fracture toughness testing of PMMA with different three-point bend type specimens. European Journal of Mechanics, A/Solids, 58, 148–162. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2016.01.012
Aliha, M. R. M., & Fattahi Amirdehi, H. R. (2017). Fracture toughness prediction using Weibull statistical method for asphalt mixtures containing different air void contents. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, 40(1), 55–68. https://doi.org/10.1111/ffe.12474
Aliha, M. R. M., & Saghafi, H. (2013). The effects of thickness and Poisson’s ratio on 3D mixed-mode fracture. Engineering Fracture Mechanics, 98(1), 15–28. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2012.11.003
Ayatollahi, M. R., Aliha, M. R. M., & Saghafi, H. (2011). An improved semi-circular bend specimen for investigating mixed mode brittle fracture. Engineering Fracture Mechanics, 78(1), 110–123.
Bahmani, A., Aliha, M. R. M., Jebalbarezi Sarbijan, M., & Mousavi, S. S. (2020). An extended edge-notched disc bend (ENDB) specimen for mixed-mode I+II fracture assessments. International Journal of Solids and Structures, 193–194, 239–250. https://doi.org/10.1016/J.IJSOLSTR.2020.02.017
Behnood, A., & Golafshani, E. M. (2018). Predicting the compressive strength of silica fume concrete using hybrid artificial neural network with multi-objective grey wolves. Journal of Cleaner Production, 202, 54–64. https://doi.org/10.1016/J.JCLEPRO.2018.08.065
Chhabra, R. S., & Ransinchung Rongmei Naga, G. (2023). Stabilization of cement-treated base mixes incorporating high reclaimed asphalt pavement materials using stabilizer rich in SiO2 and Al2O3. Construction and Building Materials, 365, 130089. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2022.130089
Chiranjeevi, K., Hemanth Kumar, D., Yathish, R. G., & Ravi Shankar, A. U. (2023). Laboratory investigation on cement-treated recycled concrete aggregate bases for flexible pavements. Materials Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2023.03.509
Fakhri, M., Amoosoltani, E., & Aliha, M. R. M. (2017). Crack behavior analysis of roller compacted concrete mixtures containing reclaimed asphalt pavement and crumb rubber. Engineering Fracture Mechanics, 180, 43–59. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.05.011
Ghanizadeh, A. R., Rahrovan, M., & Bafghi, K. B. (2018). The effect of cement and reclaimed asphalt pavement on the mechanical properties of stabilized base via full-depth reclamation. Construction and Building Materials, 161, 165–174. https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2017.11.124
Li, D., Armaghani, D. J., Zhou, J., Lai, S. H., & Hasanipanah, M. (2020). A GMDH Predictive Model to Predict Rock Material Strength Using Three Non-destructive Tests. Journal of Nondestructive Evaluation, 39(4), 1–14. https://doi.org/10.1007/S10921-020-00725-X/METRICS
Liu, Z., Ma, C., & Wei, X. (2024). Assessment of mode I/III fracture toughness of bi-material rock-like ENDB and ENDC specimens. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 129, 104235. https://doi.org/10.1016/J.TAFMEC.2023.104235
Taha, R., Al-Harthy, A., Al-Shamsi, K., & Al-Zubeidi, M. (2002). Cement Stabilization of Reclaimed Asphalt Pavement Aggregate for Road Bases and Subbases. Journal of Materials in Civil Engineering, 14(3), 239–245. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0899-1561(2002)14:3(239)
Trzebiatowski, B. D., & Benson, C. H. (2005). Saturated Hydraulic Conductivity of Compacted Recycled Asphalt Pavement. Geotechnical Testing Journal, 28(5), 514–519. https://doi.org/10.1520/GTJ12698
Vishnu, B. S., Simon, K. M., & Raj, B. (2022). Fatigue Life Prediction of Reinforced Concrete Using Artificial Neural Network. Lecture Notes in Civil Engineering, 171, 265–271. https://doi.org/10.1007/978-3-030-80312-4_22
Wang, C., Zhu, Z. M., & Liu, H. J. (2016). On the I–II mixed mode fracture of granite using four-point bend specimen. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 39(10), 1193–1203. https://doi.org/10.1111/FFE.12422 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 28 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری: 27 شهریور 1403
  • تاریخ پذیرش: 31 شهریور 1403

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار