بررسی تأثیر زایکوترم بر رفتار شکست مخلوط آسفالتی تحت تأثیر رطوبت و مواد یخ‌زدا

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران)، تهران، ایران
چکیده
تعمیر و نگهداری مناسب راه‌ها، از جمله مهمترین وظایف دولت‌ها برای حفظ سرمایه‌های ملی است. نگهداری زمستانی راه‌ها و بررسی تأثیر اثرات یخ‌زداها بر روسازی آسفالتی، همواره مورد توجه پژوهشگران حوزه راه و حمل و نقل بوده است. پژوهش حاضر به منظور ارزیابی تأثیر زایکوترم بر رفتار شکست مخلوط آسفالتی تحت تأثیر رطوبت و مواد یخ‌زدا انجام گرفته است. به منظور دست­یابی به اهداف پژوهش، از قیر PG58-22 و مصالح سیلیسی برای تهیه‌ی مخلوط آسفالتی و همچنین از زایکوترم برای اصلاح چسباننده‌ی قیری استفاده شد. جمع آوری داده‌ها از طریق انجام آزمون روی نمونه‌های آزمایشگاهی انجام گرفت. نمونه‌های مخلوط آسفالتی در مجاورت آب مقطر و محلول‌های آب نمک، کلسیم منیزیم استات و پتاسیم استات در غلظت نرمال به مدت 96 ساعت در دمای 60 درجه سانتیگراد شبیه‌سازی رطوبتی شدند. سپس چقرمگی شکست نمونه‌ها در دمای پایین (K1c) و نرخ آزادسازی انرژی کرنشی بحرانی (Jc) در دمای میانه به کمک انجام آزمایش خمش روی نمونه‌های نیم دیسک (SCB) اندازه‌گیری شد. نتایج نشان داد که شبیه‌سازی شرایط محیطی در دمای پایین در مجاورت آب مقطر و تمامی یخ‌زداها باعث کاهش چقرمگی شکست مخلوط‌های آسفالتی‌ نسبت به نمونه‌ی خشک می‌شود. در بین تمام یخ‌زداها محلول آب نمک بیشترین اثر منفی را دارد و باعث کاهش 30 درصدی پارامتر K1c می‌شود. از طرفی، زایکوترم چقرمگی شکست مخلوط آسفالتی در دمای پایین را در مجاورت آب مقطر و یخ‌زداها تقریباً به میزان ثابتی حفظ می‌کند و حدود 70 درصد از مقاومت شکست از دست رفته‌ی نمونه‌ی فرآوری شده در محلول آب نمک را بازیابی می‌کند. تأثیر زایکوترم در دمای میانه متفاوت بوده و باعث نرم‌شدگی چسباننده‌ی قیری و همچنین کاهش نیروی بحرانی شکست و کاهش پارامتر Jc می‌شود. این کاهش برای نمونه‌ی خشک و در مجاورت آب نمک به ترتیب 34 و 32 درصد و برای نمونه‌های در مجاورت محلول کلسیم منیزیم استات و پتاسیم استات به ترتیب 23 و 12 درصد نسبت به نمونه‌ی ساخته شده با قیر خالص می‌باشد. همچنین قرار گرفتن نمونه‌ها در مجاورت آب مقطر و محلول پتاسیم استات، تقریباً تاثیری روی Jc آن‌ها نسبت به نمونه‌های در شرایط خشک ندارد. بررسی شکل ظاهری نمونه‌ها نیز نشان داد کلسیم منیزیم استات باعث ایجاد تنش اضافی و ترک خوردگی در نمونه‌های آسفالتی می‌شود. در یک جمع‌بندی کلی و بر اساس نتایج به دست آمده، زایکوترم بر مقاومت شکست مخلوط آسفالتی در دمای پایین تأثیر مثبت دارد ولی در دمای میانه باعث کاهش پارامتر Jc می‌شود. تمامی نمونه‌ها، حداقل مقاومت شکست توصیه شده توسط استاندارد ASTM D-8044 در دمای میانه را دارا می‌باشند. پتاسیم استات تاثیری روی مقاومت شکست مخلوط آسفالتی در دمای پایین و میانه ندارد و می‌تواند جایگزین خوبی برای سایر یخ‌زداها در نگهداری زمستانی راه‌ها باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation on the effect of Zycotherm on fracture behavior of asphalt mixtures in the presence of moisture and deicers

نویسندگان English

Peyman Mirzababaei
Fereidoon Moghadas Nejad
Pouria Hajikarimi
Department of Civil and Environmental Engineering, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic), Tehran, Iran
چکیده English

Road pavements are one of the most important assets of any country, and tremendous amounts of budgets are allocated for their maintenance every year. Unexpected distresses in asphalt pavement cause many financial losses. Winter maintenance of roads and infrastructures and the study of the effects of anti-icers and deicers on the asphalt pavements have always been of interest to researchers, departments, and agencies in the field of roads and transportation. As a contribution to this task, the present study was conducted to evaluate the effect of Zycotherm on the fracture behavior of asphalt mixtures in the presence of moisture and deicers. In order to achieve the research objectives, PG58-22 bitumen and siliceous materials were used to prepare the asphalt mixture and also Zycotherm was used to modify the asphalt binder. Data were collected by testing on laboratory samples. The asphalt mixture samples were conditioned in the presence of distilled water and solutions of brine, calcium magnesium acetate, and potassium acetate in their normal concentration for 96 hours at 60°C. Then, the fracture toughness of the specimens at low temperatures (K1c) and the critical strain energy release rate (Jc) at intermediate temperatures were measured by performing a semi-circular bending test (SCB). The results showed that simulation of low-temperature environmental conditions in the vicinity of distilled water and all deicers reduces the fracture toughness of asphalt mixtures compared to the dry sample. Brine solution has the most negative effect among all the deicers and reduces the K1c parameter by approximately 30%. On the other hand, Zycotherm maintains the fracture toughness of the asphalt mixture at low temperatures in the vicinity of distilled water and deicers at an almost constant level and recovers about 70% of the lost fracture strength of the sample conditioned in the brine solution. The effect of Zycotherm at intermediate temperature is different and causes the softening of bitumen and the reduction of the critical fracture force and the reduction of the critical strain energy release rate. This reduction is 34% and 32% for the dry sample and the specimen in the presence of brine solution, and 23% and 12% for the samples in the presence of calcium magnesium acetate and potassium acetate, respectively, compared to the sample made of neat bitumen. Also, samples in the vicinity of distilled water and potassium acetate solution showed no significant change in their critical strain energy release rate compared to samples in dry conditions. Visual inspection also revealed that calcium magnesium acetate causes additional stress and cracking in the samples. In a general summary and based on the obtained results, Zycotherm has a positive effect on the fracture toughness of the asphalt mixture at low temperatures but reduces the Jc parameter at intermediate temperatures. All specimens have the minimum critical strain energy release rate recommended by ASTM D-8044 at intermediate temperatures. Potassium acetate has no effect on the fracture toughness of asphalt mixtures at low and medium temperatures and can be an appropriate alternative in comparison with other deicers in winter road maintenance.

کلیدواژه‌ها English

Deicer
SCB
Fracture toughness
Critical strain energy release rate
Zycotherm
[1] F. Shahi, B. Kazemi, and H. Afrand, “Investigating the effects of salt and sand use on the surface of roads, highways and road safety factors,” Reinf. Rehabil. Ind., vol. 2, no. 6, pp. 51–57, 1392.(In Persian)
[2] B. Amini and R. Hazrati, “Functional comparison of Calcium Magnesium Acetate with sand and salt as a deicer in winter,” 1388.(In Persian)
[3] Y. Hassan, A. O. Abd El Halim, and A. G. Razaqpur, “Laboratory Evaluation and Assessment of the Effect of Runway Deicers on the Mechanical Properties of Asphalt Concrete Mixes Subjected to Freeze-Thaw Cycles,” Saf. Secur. Civ. Aviat. Aerodr. Safety, Tech. Eval. Eng. Div. Transp. Canada, Ontario, ON, Canada, 2000.
[4] S. W. Goh, M. Akin, Z. You, X. %J C. Shi, and B. Materials, “Effect of deicing solutions on the tensile strength of micro-or nano-modified asphalt mixture,” vol. 25, no. 1, pp. 195–200, 2011.
[5] STANDARD by American Association of State and Highway Transportation Officials, Standard Method of Test for Resistance of Compacted Asphalt Mixtures to Moisture-Induced Damage. 2021.
[6] Z. Yang, Y. Zhang, and X. Shi, “Impact of nanoclay and carbon microfiber in combating the deterioration of asphalt concrete by non-chloride deicers,” Constr. Build. Mater., vol. 160, pp. 514–525, 2018, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.11.059.
[7] A. Rahimi Pardanjani, “Effect of anti-icers and deicers on asphalt pavement,” Shahid Chamran Ahvaz, 1394.(In Persian)
[8] M. A. Azadgoleh, A. Modarres, and P. Ayar, “Effect of polymer modified bitumen emulsion production method on the durability of recycled asphalt mixture in the presence of deicing agents,” Constr. Build. Mater., vol. 307, p. 124958, 2021.
[9] M. Mansourian, Ahmad. Ghadim, Aghil. Ghadim, Reza. Rouhani, “Investigation on the effect of deicers on moisture susceptibility and fracture resistance of asphalt mixtures at low temperature,” J. Transp. Res., vol. 15, no. 57, pp. 285–297, 1397.(In Persian)
[10] J. A. DiVito and G. R. Morris, Silane pretreatment of mineral aggregate to prevent stripping in flexible pavements, no. 843. 1982.
[11] H. Ziari, P. Mirzababaei, and R. Babagoli, “Properties of bituminous mixtures modified with a nano-organosilane additive,” Pet. Sci. Technol., vol. 34, no. 4, 2016, doi: 10.1080/10916466.2015.1136948.
[12] P. Mirzababaei, F. Moghadas Nejad, and K. Naderi, “Effect of liquid silane-based anti-stripping additives on rheological properties of asphalt binder and hot mix asphalt moisture sensitivity,” Road Mater. Pavement Des., 2018, doi: 10.1080/14680629.2018.1507920.
[13] P. Mirzababaei, “Effect of zycotherm on moisture susceptibility of Warm Mix Asphalt mixtures prepared with different aggregate types and gradations,” Constr. Build. Mater., vol. 116, pp. 403–412, 2016, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.143.
[14] F. M. Nejad, A. R. Azarhoosh, G. H. Hamedi, and M. J. Azarhoosh, “Influence of using nonmaterial to reduce the moisture susceptibility of hot mix asphalt,” Constr. Build. Mater., vol. 31, pp. 384–388, 2012.
[15] I. Ibrahim, H. Nur, and A. Mehan, “The Effect of Nano-Materials on Hot Mixture,” Open J. Civ. Eng., vol. 5, no. December, pp. 419–427, 2015.
[16] M. Ameri, M. Vamegh, S. F. Chavoshian Naeni, and M. Molayem, “Moisture susceptibility evaluation of asphalt mixtures containing Evonik, Zycotherm and hydrated lime,” Constr. Build. Mater., vol. 165, pp. 958–965, 2018, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.113.
[17] A. A. Kordani, S. H. Seifi, H. G. Tehrani, and B. Shirini, “The effect of different deicing solutions on the moisture susceptibility of asphalt mixture,” SN Appl. Sci., vol. 3, no. 6, pp. 1–14, 2021.
[18] P. Mirzababaei, “Effect of zycotherm on moisture susceptibility of Warm Mix Asphalt mixtures prepared with different aggregate types and gradations,” Constr. Build. Mater., vol. 116, 2016, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.143.
[19] A. institue, MS-2 Asphalt Mix Design Methods. .
[20] “BS EN 12697-44 : 2010 BSI Standards Publication Bituminous mixtures — Test methods for hot mix asphalt Part 44 : Crack propagation by semi-circular bending test,” 2010.
[21] ASTM D8044, “Standard Test Method for Evaluation of Asphalt Mixture Cracking Resistance using the Semi-Circular Bend Test (SCB) at Intermediate Temperatures.” .
[22] V. Alatyppö and J. Valtonen, “Experiences on the effects of de-icing chemicals on bituminous airfield runways in Finland,” 2007.
[23] C. L. M. Qing Lu, John T. Harvey, “Investigation of Conditions for Moisture Damage in Asphalt Concrete and Appropriate Laboratory Test Methods: Summary Report,” 2007. doi: 10.1525/curh.2007.106.702.352.
[24] D. Christensen, J. Mallela, D. Hein, E. Kalberer, M. Farrar, and R. Bonaquist, “Effect of deicing and anti-icing chemicals on HMA airfield runways,” 2010.
[25] F. Nilsson, “Durability problems on Nordic airfields-the influence of deicing agents on asphalt concrete,” 2003.
[26] T. Pan, X. He, and X. Shi, “Laboratory investigation of acetate-based deicing/anti-icing agents deteriorating airfield asphalt concrete,” Asph. Paving Technol., vol. 77, p. 773, 2008.