پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

ارزیابی مقاومت شیارشدگی و درجه عملکردی بالای قیر اصلاح شده با گوگرد پلیمری و نانو رس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانش آموخنه کارشناسی ارشد، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهر، ایران
2 دانش آموخنه کارشناسی ارشد، دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران
3 دانشیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران
4 دانشجو دکترا، دانشکده مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اهر، اهر، ایران
10.22034/tri.2025.555059.3395
چکیده
در این پژوهش، با هدف ارتقای رفتار رئولوژیکی قیر در دماهای بالا و افزایش پایداری آن در برابر فرآیند پیرشدگی، از ترکیب گوگرد پلیمری و نانورس به‌عنوان روش اصلاح قیر استفاده شد. بدین منظور، قیر پایه با درجه نفوذ 100-85 ابتدا با 30 درصد وزنی گوگرد پلیمری (محصول تجاری گوگاس) اصلاح گردید و سپس نانو رس‌های مونت‌موریلونیت و بنتونیت در مقادیر 1، 2 و 3 درصد وزنی به قیر اصلاح‌شده اضافه شدند. ویژگی‌های فیزیکی و رئولوژیکی قیرها از طریق آزمایش‌های درجه نفوذ، نقطه نرمی و رئومتر برش دینامیکی در حالت‌های پیرنشده و پیرشده کوتاه‌مدت مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد افزودن گوگاس موجب افزایش قابل توجه سختی قیر پایه و بهبود چشمگیر مقاومت در برابر شیارشدگی (G*/sin δ) گردید به‌طوری که درجه عملکردی بالا (PG) از 58 به 70 ارتقاء یافت. هرچند افزودن نانورس‌ها تغییر قابل ملاحظه‌ای در مقدار PG ایجاد نکرد، اما باعث کاهش شاخص پیرشدگی (AI) و بهبود پایداری رئولوژیکی قیر گوگاسی در برابر اثرات اکسیداسیون کوتاه‌مدت شدند. مقادیر پایین‌تر AI در نمونه‌های حاوی نانورس به‌ویژه نانو مونت‌موریلونیت، نشان‌دهنده کاهش تمایل به سخت‌شدگی و حفظ بهتر ساختار قیر در فرآیند پیرشدگی است. در مجموع، استفاده هم‌زمان از گوگرد پلیمری و نانو رس‌ها می‌تواند رویکردی مؤثر برای بهبود رفتار دمای بالا و افزایش دوام قیر در برابر پیرشدگی کوتاه‌مدت در روسازی‌های آسفالتی محسوب شود
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Evaluation of Rutting Resistance and High-Temperature Performance Grade of Polymeric Sulfur and Nanoclay Modified Asphalt Binder

نویسندگان English

Ramin Sheikh Mohammadi 1
Saeid Sobhi 2
Babak Golchin 3
Fariba Karimian Khosroshahi 4
1 M.Sc., Grad., Islamic Azad University of Ahar Branch, Iran.
2 M.Sc., Grad., Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran.
3 Associate Professor, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran.
4 Ph.D., Stud., Islamic Azad University of Ahar Branch, Iran.
چکیده English

In this study, polymeric sulfur and nanoclay were used as an asphalt binder modification approach with the aim of improving the rheological behavior of asphalt binder at high temperatures and enhancing its stability against aging. For this purpose, a base binder with a penetration grade of 85–100 was first modified with 30 wt% polymeric sulfur (commercial product: Googas), and then montmorillonite and bentonite nanoclays were incorporated into the modified binder at contents of 1, 2, and 3 wt%. The physical and rheological properties of the binders were evaluated through penetration, softening point, and dynamic shear rheometer (DSR) tests under unaged and short-term aged conditions. The results showed that the addition of Googas significantly increased the stiffness of the base binder and markedly improved its rutting resistance (G*/sin δ), raising the high-temperature performance grade (PG) from 58 to 70. Although incorporating nanoclays did not lead to a considerable change in the PG value, it reduced the aging index (AI) and enhanced the rheological stability of the sulfur-modified binder against short-term oxidation. The lower AI values observed in the nanoclay containing samples particularly those with montmorillonite indicate a reduced tendency toward hardening and better preservation of the binder structure during aging. Overall, the simultaneous use of polymeric sulfur and nanoclays can be considered an effective approach for improving high-temperature performance and enhancing the short-term aging resistance of binder in asphalt pavements

کلیدواژه‌ها English

Polymeric sulfur (Googas)
Nano-montmorillonite (MMT)
Nano-bentonite (NB)
Dynamic Shear Rheometer (DSR) test
Short-term aging (RTFO aging)
- Albayati, A. H., Wang, Y., & Al-ani, A. F. (2024). Enhancing asphaltic mixtures with Calcined Nano Montmorillonite:A performance assessment. Case Studies in Construction Materials, 20, e02713.doi: 10.1016/j.cscm.2023.e02713
- Amini, A. (2025). Effect of Nanoclay on the Rheological Properties, Rutting, Fatigue, and Storage Stability of Polymer-Modified Binder. Journal of Materials in Civil Engineering, 37(6), 04025129.doi:10.1061/JMCEE7.MTENG-19376
- Cai, F., Feng, Z.-g., Song, W., Liu, J., Cui, Q., Wang, Z., & Zhang, L. (2024). Aging properties of ultraviolet absorber intercalated organo-montmorillonite–modified bitumen based on rheological and chemical analysis. Journal of Materials in Civil Engineering, 36(2), 04023554.doi: 10.1061/JMCEE7.MTENG-16735
- Chen, S., Pan, Y., Zhang, B., He, X., Su, Y., Liu, Q., Wang, Y., Wang, W., Chen, J., & Zhu, Y. (2023). Preparation and properties of pre-treated nano-bentonite incorporated styrene-butadiene-styrene (SBS) modified asphalt. Case Studies in Construction Materials, 19, e02505.doi: 10.1016/j.cscm.2023.e02505
- Cheng, P., Zhang, Z., Yang, Z., Xu, J., & Li, Y. (2021). Investigating the effectiveness of nano-montmorillonite on asphalt binder from rheological, thermodynamics, and chemical perspectives. Materials, 14(6), 1433.  doi: 10.3390/ma14061433
- Cheraghian, G., & Wistuba, M. P. (2020). Ultraviolet aging study on bitumen modified by a composite of clay and fumed silica nanoparticles. Scientific Reports, 10(1), 11216.  
doi: 10.1038/s41598-020-68007-0
- Ezzat, H., El-Badawy, S., Gabr, A., Zaki, S., & Breakah, T. (2020). Predicted performance of hot mix asphalt modified with nano-montmorillonite and nano-silicon dioxide based on Egyptian conditions. International Journal of Pavement Engineering, 21(5),­642-652.  doi: ­10.1080/10298436.2018.1502437
-­Filippi, S., Cappello, M., Merce, M., & Polacco, G. (2018). Effect of nanoadditives on bitumen aging resistance: a critical review. Journal of Nanomaterials, 2018(1), 2469307. DOI: 10.1155/2018/2469307
- Galooyak, S. S., Dabir, B., Nazarbeygi, A. E., & Moeini, A. (2010). Rheological properties and storage stability of bitumen/SBS/montmorillonite composites. Construction and Building Materials, 24(3), 300-307.doi: 10.1016/j.conbuildmat.2009.08.032
-­Hashami, M., Ongarbayev, Y., Tileuberdi, Y., Imanbayev, Y., Zhambolova, A., & Kanzharkan, Y. (2025). Technological Progress in Sulfur-Based Construction Materials: The Role of Modified Sulfur Cake in Concrete and Bitumen. Applied Sciences, 15(16), 8790.doi: 10.3390/app15168790
- Hesami, S., Mahzari, M., Sobhi, S., & Bay, M. A. (2025). Investigating the rheological properties and microstructural analysis of Nano-expanded Perlite modified asphalt binder. Case Studies in Construction Materials, 22, e04208.doi: ­10.1016/j.cscm.2025.e04208
- Lai, H., Xu, A., Zhai, J., Zong, Y., Deng, W., Guo, H., Guan, B., Chang, M., Xiong, R., & Wang, Z. (2025). A systematic review of montmorillonite-asphalt composite materials: Green clay mineral-reinforced asphalt for sustainable pavement solutions. Applied Clay Science, 278, 108007.doi: 10.1016/j.clay.2025.108007
- Li, X., Wang, Y.-M., Wu, S.-J., Wang, H.-R., Liu, X.-C., Sun, H.-D., & Fan, L. (2022). Effect of montmorillonite modification on resistance to thermal oxidation aging of asphalt binder. Case Studies in Construction Materials, 16, e00971.doi: 10.1016/j.cscm.2022.e00971
-­Liu, S., Zhou, S. B., & Xu, Y. (2018). Evaluation of cracking properties of SBS-modified binders containing organic montmorillonite. Construction and Building Materials, 175, 196-205.
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.04.185
- Lu, Y., Li, S., Jiang, Y., Yang, X., & Li, L. (2024). Rheological and aging properties of nano-clay/SBS composite-modified asphalt. Materials, 17(17), 4376.
doi: 10.3390/ma17174376
 -­Monteiro, L., Baghaee Moghaddam, T., Shafiee, M., & Hashemian, L. (2023). Investigating the addition of organomontmorillonite nanoclay and its effects on the performance of asphalt binder. Journal of Materials in Civil Engineering, 35(8), 04023267.doi: 10.1061/JMCEE7.MTENG-15035
- Paktin, H., Kumar, M., Vinayaka Ram, V., & Kar, S. S. (2024). Functional and rheological investigations on hydrophilic nanoclay blended bitumen. Discover Sustainability, 5(1), 337.
doi: 10.1007/s43621-024-00565-z
-­Patra, S. K., Panda, M., Das, A. K., & Bhuyan, P. K. (2023). Performance evaluation of surface-treated montmorillonite nanoclay-modified bitumen binder at high-and intermediate-temperature conditions. Road Materials and Pavement Design, 24(5),1330-1352.doi: 10.1080/14680629.2022.2072374
-­Qadir, F., & Hafeez, I. (2024). Effect of impregnated organophilic (hydrophobic) nano clay on asphalt binder properties and performance. Construction and Building Materials, 419, 135577.doi: 10.1016/j.conbuildmat.2024.135577
- Ren, Z., Zhu, Y., Wu, Q., Zhu, M., Guo, F., Yu, H., & Yu, J. (2020). Enhanced storage stability of different polymer modified asphalt binders through nano-montmorillonite modification. Nanomaterials, 10(4), 641.doi:  10.3390/nano10040641
-­Sakib, N., Bhasin, A., Islam, M. K., Khan, K., & Khan, M. I. (2021). A review of the evolution of technologies to use sulphur as a pavement construction material. International Journal of Pavement Engineering, 22(3),392-403.doi: ­10.1080/10298436.2019.1612064
- vivek, A. k., Sukhija, M., & Singh, K. L. (2021). Effect of montmorillonite nanoclay and sulphur-modified blends on the properties of bituminous mixes. Innovative Infrastructure Solutions, 6(2), 119.doi: 10.1007/s41062-021-00484-2
- Ye, F., Yin, W., Lu, H., & Dong, Y. (2020). Property improvement of Nano-Montmorillonite/SBS modified asphalt binder by naphthenic oil. Construction and Building Materials, 243, 118200.doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118200
- Zare-Shahabadi, A., Shokuhfar, A., & Ebrahimi-Nejad, S. (2010). Preparation and rheological characterization of asphalt binders reinforced with layered silicate nanoparticles. Construction and Building Materials, 24(7), 1239-1244.doi: 10.1016/j.conbuildmat.2009.12.013
- Zhang, H., Yu, J., & Wu, S. (2012). Effect of montmorillonite organic modification on ultraviolet aging properties of SBS modified bitumen. Construction and Building Materials, 27(1), 553-559.doi: 10.1016/j.conbuildmat.2011.07.008
-­Zhang, Z., Cheng, P., Li, Y., Yang, Z., & Chen, J. (2022). Effect of nanomontmorillonite on rheology and fatigue-healing performance of asphalt binder. Journal of Materials in Civil Engineering, 34(11), 04022311.doi:10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004448