ارزیابی عملکرد شکست مخلوط‌های آسفالتی مسلح شده با الیاف بازالت بر پایه آزمون خمش نیم دایره‌ای

مطیع, علیرضا; ساجد, یوسف; صالح اهری, رضا

doi:10.22075/jtie.2026.40599.1754

ارزیابی عملکرد شکست مخلوط‌های آسفالتی مسلح شده با الیاف بازالت بر پایه آزمون خمش نیم دایره‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

علیرضا مطیع ¹

یوسف ساجد ²

رضا صالح اهری ¹

¹ گروه مهندسی عمران، واحد تبریز، دانشگاه آزاد اسلامی، تبریز، ایران.

² گروه مهندسی عمران، واحد اردبیل، دانشگاه آزاد اسلامی، اردبیل، ایران.

10.22075/jtie.2026.40599.1754

چکیده

ترک‌خوردگی یکی از اصلی‌ترین مکانیزم‌های خرابی در روسازی‌های آسفالتی است که کاهش عمر سرویس‌دهی و افزایش هزینه‌های نگهداری را به دنبال دارد. هدف از این تحقیق، ارزیابی جامع رفتار شکست مخلوط‌های آسفالتی تقویت‌شده با الیاف بازالت با استفاده از آزمایش خمشی نیم‌دایره‌ای (SCB) است. نوآوری اصلی این پژوهش در تحلیل هم‌زمان پارامترهای مکانیک شکست در مُدهای مختلف و تعیین محدوده بهینه درصد الیاف بازالت برای بهبود رفتار شکست می‌باشد. نمونه‌های آسفالتی با درصدهای مختلف الیاف بازالت (0.2، 0.3، 0.4 و 0.5 درصد وزنی) تهیه شدند و پارامترهای کلیدی شکست شامل بار بحرانی (Pcr)، انرژی شکست (Gf)، چقرمگی شکست (KIC) و شاخص مقاومت در برابر ترک‌خوردگی (CRI) در دماهای پایین (10- و صفر درجه سلسیوس) و دمای متوسط (10 درجه سلسیوس) مورد تحلیل قرار گرفتند. نتایج نشان داد که الیاف بازالت با ایجاد شبکه تقویتی در مخلوط، مسیر انتشار ترک را طولانی‌تر کرده و ظرفیت جذب انرژی را افزایش می‌دهد. در دماهای پایین، بیشترین اثر مثبت الیاف در مد کششی (Mode I) مشاهده شد، در حالی که مد برشی (Mode II) حساسیت کمتری به افزایش درصد الیاف داشت. انرژی شکست و چقرمگی شکست با افزایش درصد الیاف تا محدوده بهینه (0.3–0.4 درصد) افزایش یافت و فراتر از آن، تثبیت یا کاهش جزئی مشاهده شد. شاخص CRI در دمای 10 درجه سلسیوس اثر ترکیبی بار بحرانی و انرژی شکست را منعکس کرده و با افزایش درصد الیاف، بهبود محسوسی نشان داد. نتایج تحلیل مدهای مختلف شکست نشان داد که الیاف بازالت نقش مؤثری در کاهش تمرکز تنش و افزایش پایداری سازه‌ای مخلوط آسفالتی دارند.

کلیدواژه‌ها

مخلوط آسفالتی

الیاف بازالت

آزمون خمش نیم دایره

ترک خوردگی

موضوعات

روسازی

عنوان مقاله English

Evaluation of the Fracture Performance of Basalt Fiber-Reinforced Asphalt Mixtures Based on the Semi-Circular Bending Test

نویسندگان English

Alireza Motie ¹

Yousef Sajed ²

Reza Saleh Ahari ¹

¹ Department of Civil Engineering, Ta. C., Islamic Azad University, Tabriz, Iran.

² Department of Civil Engineering, Ard. C., Islamic Azad University, Ardebil, Iran.

چکیده English

Cracking is one of the main failure mechanisms in asphalt pavements, leading to reduced service life and increased maintenance costs. The objective of this research is to comprehensively evaluate the fracture behavior of basalt fiber-reinforced asphalt mixtures using the Semi-Circular Bending (SCB) test. The main innovation of this study lies in the simultaneous analysis of fracture mechanics parameters in different modes and determination of the optimal range of basalt fiber content to improve fracture behavior. Asphalt samples with different percentages of basalt fibers (0.2%, 0.3%, 0.4%, and 0.5% by weight) were prepared, and key fracture parameters including critical load (Pcr), fracture energy (Gf), fracture toughness (KIC), and Crack Resistance Index (CRI) were analyzed at low temperatures (-10 and 0 °C) and intermediate temperature (10 °C). Results showed that basalt fibers, by creating a reinforcing network in the mixture, prolong the crack propagation path and increase energy absorption capacity. At low temperatures, the most positive effect of fibers was observed in tensile mode (Mode I), while shear mode (Mode II) showed less sensitivity to increasing fiber content. Fracture energy and fracture toughness increased with increasing fiber content up to an optimal range (0.3%-0.4%) and stabilized or slightly decreased beyond that. The CRI index at 10 °C reflected the combined effect of critical load and fracture energy and showed a significant improvement with increasing fiber content. The results of analyzing different fracture modes indicated that basalt fibers play an effective role in reducing stress concentration and increasing the structural stability of asphalt mixtures.

کلیدواژه‌ها English

Hot mix Asphalt

Basalt fibers

SCB

Cracking

Akram, H., Hozayen, H. A., Akmal, A., and Khodary, F. (2024a). “Fiber showdown: A comparative analysis of glass vs. polypropylene fibers in hot-mix asphalt fracture resistance”. Build., 14(9): 2732. doi:https://doi.org/10.3390/buildings14092732.

Akram, H., Hozayen, H. A., Abdellah, M. Y., & Khodary, F. (2024b). “Unraveling the strength secrets: How polypropylene fiber-reinforced asphalt mixtures defy fracture”. J. Fail. Anal. Prevent., 24(6): 2649–2668. doi:https://doi.org/10.1007/s11668-024-02020-7.

Aliha, M. R. M., Ziari, H., Mojaradi, B., & Jebalbarezi Sarbijan, M. (2019). “Modes I and II stress intensity factors of semi-circular bend specimen computed for two-phase aggregate/mastic asphalt mixtures”. Theor. Appl. Fract. Mech., 106, 102437. doi:https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2019.102437.

Alizadeh, S., Shafabakhsh, Gh., & Sadeghnejad, M. (2023). “Sustainable asphalt mixtures: Enhancing environmental impact by partial fine aggregate substitution with rubber powder and bitumen modification using nano-SiO2”. Int. J. Pavement Eng., 24(2). doi:https://doi.org/10.1080/10298436.2023.2257851.

Alnadish, A. M., Singh, N. S. S., & Alawag, A. M. (2023). “Applications of synthetic, natural, and waste fibers in asphalt mixtures: A citation-based review”. Polym., [online] 15(4): 1004. https://doi.org/10.3390/polym15041004.

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. doi:https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2012.06.015.

Baradaran, S., & Ziaee, S. A. (2025). “Comprehensive evaluation of cracking performance in modified HMA and WMA asphalt mixtures using the SCB test”. Alexandria Eng. J., 133: 349–369. doi:https://doi.org/10.1016/j.aej.2025.11.029.

Ceitllari, A. (2025). “Exploring cracking resistance in modified asphalt mixtures through a comparative assessment of mechanical behavior and performance screening indicators”. Constr. Build. Mater., 464: 140187. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.140187

Esmaeili, N., Alavi, M. Z., & Samadzad, M. (2025). “Evaluation of the impacts of polymeric fibers and modifiers on the fracture properties of asphalt mixtures”. Results Eng., 103862. doi:https://doi.org/1 0.1016/j.rineng.2024.103862.

Fan, Y., Chen, H., Yi, X., Xu, G., Cai, X., Zhou, Y., Huang, S., Wu, Y., Wang, H., Yang, J., & Huang, W. (2023). “Cracking resistance evaluation of epoxy asphalt mixtures with 100% reclaimed asphalt pavement (RAP)”. Constr. Build. Mater., 395: 132320. doi:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.1 32320.

Geckil, T., & Ahmedzade, P. (2020). “Effects of carbon fibre on performance properties of asphalt mixtures”. Baltic J. Road Bridge Eng., 15(2): 49–65. doi:https://doi.org/10.7250/bjrbe.2020-15.472.

Hamedipour, A. M., Shafabakhsh, G., & Sadeghnejad, M. (2023). “The impact of nano-TiO2 particles on the moisture susceptibility and fracture toughness of HMA under mixed-mode I/II loading and various crack geometry and temperatures”. J. Mater. Civ. Eng., 35(3).

Hui, Y., Men, G., Xiao, P., Tang, Q., Han, F., Kang, A., & Wu, Z. (2022). “Recent advances in basalt fiber reinforced asphalt mixture for pavement applications”. Mater., 15(19): 6826. https://doi.org/10.3390/m a15196826.

Li, C., Liu, H., Xiao, Y., Li, J., Wang, T., & Peng, L. (2023). “Modification and enhancing contribution of fiber to asphalt binders and their corresponding mixtures: A study of viscoelastic properties”. Mater., 16(16): 5727. doi:https://doi.org/10.3390/ma16165727.

Li, A., Song, W., & Zhou, L. (2024). “Investigation of the fracture performance of reclaimed asphalt mixture at the intermediate temperature using multi-parameters”. Constr. Build. Mater., 412: 134872. doi:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.134872.

Modi, S. H., Orešković, M., Dave, E. V., & Sias, J. E. (2024). “Application of time-temperature superposition principle for cracking characterization of asphalt mixtures using semi-circular bend test”. Constr. Build. Mater., 443: 137647. doi:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.137647.

Mohammadi, M., Shafabakhsh, G. A., & Sadeghnejad, M. (2023). “Application of nano CaO and nano CaCO3 in HMA in order to improve the strength against cracking and moisture susceptibility- an experimental study”. J. Transport. Infrastruct. Eng., 9(1): 43–56.

Ren, D., Luo, W., Su, S., Wang, Z., Kong, L., & Ai, C. (2024a). “Study on crack resistance of basalt fiber reinforced asphalt mixture modified by titanate coupling agent based on digital image correlation”. Constr. Build. Mater., 437: 136934. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.136934.

Ren, H., Qian, Z., Huang, W., Bo, W., Chen, T., & Cao, H. (2024b). “Evaluation of fracture behavior in asphalt concrete through the combination of semi-circular bending test and digital image correlation technology”. Constr. Build. Mater., 451: 138854. doi:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.138854.

Riccardi, C., Indacoechea, I., Wang, D., Lastra-González, P., Cannone Falchetto, A., & Castro-Fresno, D. (2023). “Low temperature performances of fiber-reinforced asphalt mixtures for surface, binder, and base layers”. Cold Reg. Sci. Technol., 206. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103738.

Sadeghnejad, M., & Shafabakhsh, Gh. (2017). “Estimation the fatigue number of stone mastic asphalt mixtures modified with nano SiO2 and nano TiO2”. J. Rehab. Civ. Eng., 5(1): 17–32.

Shafabakhsh, Gh., Sadeghnejad, M., & Ebrahimnia, R. (2021). “Fracture resistance of asphalt mixtures under mixed-mode I/II loading at low-temperature: Without and with nano SiO2”. Constr. Build. Mater., 266: 120954. doi:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120954.

Shafabakhsh, Gh., Sadeghnejad, M., Hejazi, S. K., & Shirazi, A. (2024). “Evaluation of the rheological behavior of asphalt binder, fracture resistance and moisture susceptibility of asphalt mixtures: before and after adding nano Fe2O3”, Int. J. Pavement Res. Technol. https://doi.org/10.1007/s42947-024-00437-9.

Song, W., Deng, Z., Wu, H., & Zhan, Y. (2022). “Extended finite element modeling of hot mix asphalt based on the semi-circular bending test”. Constr. Build. Mater., 340: pp.127462–127462. doi:https://doi.org/1 0.1016/j.conbuildmat.2022.127462.

Song, W., Deng, Z., Wu, H., & Xu, Z. (2023). “Cohesive zone modeling of I–II mixed mode fracture behaviors of hot mix asphalt based on the semi-circular bending test”. Theor. Appl. Fract. Mech., 124: 103781. doi:https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2023.103781.

Song, W., Yan, W., Cui, Z., Chen, X., & Wu, H. (2025). “Investigating the fracture behaviors of asphalt mixtures at the intermediate temperature considering the detection of crack initiation”. Eng. Fract. Mech., 316: 110892. doi:https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2025.110892.

Teba Tariq, K., Kareem, A. I., Mohamad, S. A., Rwayda, Kh., Al-Hamd, S., & Minto, A. (2024). “The performance of modified asphalt mixtures with different lengths of glass fiber”. Int. J. Pavement Res. Technol. doi:https://doi.org/10.1007/s42947-024-00443-x.

Yuan, F., Cheng, L., Shao, X., Dong, Z., Zhang, L., Wu, G., & He, X. (2020). “Full-field measurement and fracture and fatigue characterizations of asphalt concrete based on the SCB test and stereo-DIC. 235: 107127. doi:https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2020.107127.

Zhao, H., Guan, B., Xiong, R., & Zhang, A. (2020). “Investigation of the performance of basalt fiber reinforced asphalt mixture”. Appl. Sci., 10(5): 1561. https://doi.org/10.3390/app10051561.