Investigating the fracture behavior of hot mix asphalt concretes reinforced with Nanomaterials under mixed mode I/II loading

Majd Shokorlou, Yousef and Pirmohammad, Sadjad and Amirzadeh, Ali (2019) Investigating the fracture behavior of hot mix asphalt concretes reinforced with Nanomaterials under mixed mode I/II loading. Masters thesis, University of Mohaghegh Ardabili.

[img] Text
Thesis pdf.pdf

Download (728kB)
Official URL: http://uma.ac.ir/

Abstract

هدف:ترک در دمای پایین یکی از خرابی¬های اصلی روسازی¬های آسفالتی است که طول¬عمر و ایمنی روسازی¬های آسفالتی را پایین می¬آورد. از این رو کاستن و به تاخیر انداختن ترک در دماهای پایین امری ضروری می¬باشد. امروزه استفاده از نانومواد بعنوان اصلاح¬کننده¬ی مواد (مثلا قیر) به خاطر خواص ممتازش به صورت گسترده¬ای افزایش پیدا کرده است.از این روهدف از انجام این تحقیق بررسی رفتار شکست بتن¬¬های آسفالتی گرم(HMA) تقویت¬شده با نانو¬موادهای مختلف، تحت شرایط بارگذاری مود ترکیبی I/II(کششی-برشی) می¬باشد. روش‌شناسی پژوهش:در این پژوهش از 4 نوعنانو¬ماده¬ی مختلف به نام¬های نانو Al2O3، نانو Fe2O3، نانو لوله¬ی کربن(CNTs) و نانو رس برای تقویت مخلوط¬های آسفالتی گرم استفاده شد. به این منظور نانو Al2O3، نانو Fe2O3 و CNTsبا 4 درصد مختلف (یعنی 1/0%، 4/0%، 8/0% و 2/1% وزنی قیر پایه) و همچنین نانو رس با 5 درصد مختلف (یعنی 2%، 5/2%، 3%، 5/3% و 4% وزنی قیر پایه)استفاده شد. به منظورتهیه¬یمخلوط¬های آسفالتی گرم تقویت¬شده با نانو¬مواد، ابتدا نانو¬مواد به قیر پایه اضافه شد و سپس به منظور دستیابی به یک مخلوط همگن با استفاده از همزن مکانیکی با سرعت دورانی 1800 دور بر دقیقه و به مدت 1 ساعت با هم ترکیب شدند.در طول مدت زمان همزدن، دمای مخلوط با استفاده از یک گرمکن در ℃120 ثابت نگه داشته می¬شود. برای انجام تست¬های شکست تحت چهار حالت بارگذاری مود I خالص (1M^e=)، مود IIخالص (0M^e=) و مودهای ترکیبی I/II(32/0 و 66/0M^e=)نمونه¬ی نیم¬دیسک خمشی(SCB)استفاده شده است. به این منظور نمونه¬های SCB ترکدار از جنس بتن آسفالتی گرم تقویت¬شده با نانومواد فوق الذکر تهیه شده و سپس در دستگاه فریزر با دمای ℃ 15- به مدت 6 ساعت قرار گرفتند. در ادامه این نمونه¬ها در داخل دستگاه آزمایش یونیورسال تحت بارگذاری¬های مختلف مذکور با استفاده از فیکسچر خمش سه نقطه¬ای قرار گرفتند و بار شکست این نمونه¬ها محاسبه شدند.جهت بدست آوردن مقاومت شکست این نمونه¬ها لازم بود ضرایب شکل نمونه¬های SCBمحاسبه شوند که به این منظور مدل¬سازی¬های سه¬بعدی در نرم افزار آباکوس (ABAQUS)انجام شدند. یافته‌ها:یافته¬های این پژوهش نشان دادند که استفاده از نانو¬مواد در مخلوط¬های آسفالتی گرم، می¬تواند مقاومت شکست را تحت بارگذاری مود ترکیبی I/IIبه طور قابل ملاحظه¬ای بهبود بخشد.همچنین نمونه¬های آسفالتی تقویت¬شده با نانو¬مواد الاستیک¬تر از نمونه¬های آسفالتی پایه بودند. میزان بهبود مقاومت شکست مخلوط¬های آسفالتی گرم در مودهای مختلف وابسته به جنس نانو¬ماده¬ی استفاده شده بود. به طوری که بهبود مقاومت شکست نمونه¬ی آسفالتی گرم تقویت¬شده با نانو¬مواد Fe2O3 و CNTsهنگامی که سهم مود کششی (مود I) در نوک ترکSCB غالب بود، محسوس¬تر بود.از طرف دیگر، بهبود مقاومت شکست مخلوط¬های آسفالتی گرم تقویت¬شده با نانو Al2O3 و نانو رس با افزایش سهم مود برشی (مود II) در نوک ترکSCBبیش¬تر شد.از میان 4 مخلوط آسفالتی گرم تقویت¬شده با نانومواد بیش¬ترین بهبود در مقاومت شکست برای مود خالصIبه میزان46% و با افزودن 2/1% CNTs، برای مود ترکیبی I/IIبا 66/0M^e= (مود غالب I) به میزان 38% و با افزودن 2/1% CNTs، برای مود ترکیبی I/IIبا 32/0M^e= (مود غالب II) به میزان 38% و با افزودن 4% نانو رس و برای مود خالص II نیز به میزان 35% و با افزودن 4% نانو رس حاصل گردید. نتیجه‌گیری:با توجه به بهبود قابل توجه مقاومت شکست مخلوط¬هایHMA تقویت¬شده با نانومواد، می¬توان در ساخت آسفالت جاده¬ها مخصوصا در نواحی سردسیر از نانومواد استفاده کرد.

Item Type: Thesis (Masters)
Persian Title: بررسی رفتار شکست بتن آسفالتی گرم تقویت شده با نانومواد تحت بارگذاری مود ترکیبیI/II
Persian Abstract: Research Aim:Low temperature cracking is one of the major distresses of asphalt pavements that decreases the life and safety of asphalt pavements.Therefore, It is essential to reduce and delay low temperature cracking. Nowadays, the use of Nanomaterials as a material modifier (like binder) due to their unique properties widely increases. Hence, The aim of this study is to investigate the fracture behavior of hot mix asphalt (HMA) cocretes reinforced with Nanomaterials under mixed mode / (tensile-shear) loading condition. Research method:In this research four various types ofNanomaterials namely Nano Al2O3, Nano Fe2O3, CNTs and Nanocaly were used for modification of HMA mixtures. For this purpose, Nano Al2O3, Nano Fe2O3 and CNTs with fourdifferent percentages (i.e. 0.1%, 0.4%, 0.8% and 1.2% by weight of the base binder) and Nanoclaywith five different percentages (i.e. 2%, 2.5%, 3%, 3.5% and 4% by weight of the base binder) were used. In order to prepare nanomodified HMA mixtures, Nanomaterials were initially added to the base binder, and the blend of them was then mixed together by a mechanical mixer at speed of 1800 rpm for 1 hours to achieve a suitable homogeneity. During the mixing process, the temperature of blend was set to 120℃ using a hot plate device. SCB specimen used for conduct the fracture tests under four different loading modes (i.e. pure mode I (Me = 1), pure mode II (Me = 0) and mixed modes I/II (Me = 0.66 and 0.32)). For this purpose, cracked SCB specimens produced from above mentionenig Nanomodified HMA concretes were prepared and then were conditioned at a constant temperature of -15°C in a freezer for 6 hours. Then, Fracture loads of these specimens were calculatedusing by Univerasal testing mashine and a three point bend fixture under different above mentionening loading modes. In order to obtain the fracture resistance of these specimens it was necessary to calculate the geometry factors of SCB specimens. Therefore, three dimentional modelings were carried out using ABAQUS software. Findings: Findings of this research showed that using of Nanomaterials as a HMA modifier can increase the fracture resistance of HMA mixtures under different mixed mode / loading, significantly. Also, Elasticity of Nano modifiesd HMA mixtures were much higher than the base HMA mixtures. Improvement rate in fracture resistance of HMA mixtureswas highly depended on type of selelcted Nanomaterial. So that, improvement of NanoFe2O3andCNTsmodified HMA were more pronounced when the portion of tensile mode (mode I) was domonant in crack front of SCB. In the other hand, Nano Al2O3 and Nanoclay modified HMA mixtures improvement in fracture resistannce increased with increases portion of shear mode (mode II) at the crack front of SCB. It is worthmentioning thatamong four Nano modified HMA mixtures the highest improvement in fracture resistancefor pure mode I was 46% achieved by adding 1.2% of CNTs in HMA mixtures, for mixed mode I/II with Me = 0.66 (dominant mode I) was 38% achieved by adding 1.2% of CNTs in HMA mixtures, for mixed mode I/II with Me = 0.32 (dominant mode II) was 38% achieved by adding 4% of Nanoclay in HMA mixtures and for pure mode II was 35% achieved by adding 4% of Nanoclay in HMA mixtures. Conclusion:Based on the significant improvement on fracture resistance of Nano modified HMA mixtures, Nanomaterials can usedfor producing asphalt of roads specially in cold regions.
Supervisor:
SupervisorE-mail
Pirmohammad, SadjadUNSPECIFIED
Advisor:
AdvisorE-mail
Amirzadeh, AliUNSPECIFIED
Subjects: Faculty of Engineering > Department of Mechanical Engineering
Divisions > Faculty of Engineering > Department of Mechanical Engineering
Divisions: Subjects > Faculty of Engineering > Department of Mechanical Engineering
Faculty of Engineering > Department of Mechanical Engineering
Date Deposited: 24 Jun 2019 07:36
Last Modified: 24 Jun 2019 07:36
URI: http://repository.uma.ac.ir/id/eprint/6979

Actions (login required)

View Item View Item