ارزیابی عملکرد قیر حاوی میکرو الیاف سلولزی و پلیمر اس بی اس و اس بی آر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، دانشگاه پیام نور، ص.پ. 4697-19395، تهران، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، دانشگاه پیام نور، ص.پ. 4697-19395، تهران، ایران

3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی عمران، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

چکیده

یکی از مشکات استفاده از قیرهای اصلاح‌شده، هزینه بالای افزودنی‌ها از جمله انواع الیاف است که به نوبه خود می‌تواند هزینه قیر و مخلوط‌های آسفالتی اصلاح شده را افزایش دهد؛ بنابراین در این تحقیق از مواد ضایعاتی ارزان‌قیمت کارخانه‌های تولید کاغذ شامل لیکور و میکرو الیاف سلولزی (حاصل از آسیاب خمیرکاغذ ضایعاتی) استفاده شده است تا برخلاف سایر تحقیقات انجام‌شده، علاوه بر بهبود خصوصیات قیر و مزایای زیست‌محیطی استفاده از مواد ضایعاتی، هزینه تولید قیر اصلاح‌شده نیز کاهش یابد. همچنین در این تحقیق، خصوصیات قیرهای پلیمری شامل استایرن بوتادین استایرن و استایرن بوتادین رابر به دلیل کاربرد بیشتر در روسازی‌های آسفالتی مورد بررسی قرار گرفته است تا امکان مقایسه و ارزیابی عملکرد قیرهای اصلاح شده با لیکور و میکرو الیاف سلولزی فراهم گردد. بدین منظور، آزمایش‌های شارپ از جمله آزمایش رئومتر برش دینامیکی و رئومتر تیرچه خمشی بر روی نمونه‌های اصلاح‌شده با پلیمر و الیاف انجام شده است. نتایج این تحقیق نشان‌دهنده افزایش سختی قیر در تمامی نمونه‌های اصلاح‌شده است. بااین‌حال مطابق با نتایج آزمایش‌های کلاسیک قیر و همچنین آزمایش ویسکوزیته دورانی، پلیمرهای استایرن بوتادین استایرن و استایرن بوتادین رابر تأثیر بیشتری بر روی افزایش سختی و افزایش ویسکوزیته قیر داشته‌اند. به طوری که دمای اختلاط و تراکم نمونه‌های اصلاح‌شده با این دو افزودنی افزایش چشم‌گیری داشته است. باتوجه‌به نتایج به‌دست‌آمده، علی‌رغم بهبود دمای عملکردی بالای قیر حاوی لیکور، این افزودنی تأثیر منفی بر روی دمای عملکردی پایین قیر داشته است. همچنین میکرو الیاف سلولزی در مقایسه با پلیمرهای استایرن بوتادین استایرن و استایرن بوتادین رابر تأثیر کمتری بر روی بهبود خصوصیات قیر داشته است، بااین‌حال، مزایای استفاده از میکرو الیاف سلولزی در اصلاح خصوصیات قیر از جمله کاهش دمای اختلاط و تراکم مخلوط آسفالتی در مقایسه با قیرهای پلیمری و کاهش هزینه‌های ساخت و اجرای روسازی‌های آسفالتی به دلیل استفاده مواد ضایعاتی ارزان‌قیمت را نمی‌توان نادیده گرفت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

performance evaluation of bitumen containing cellulose microfibers and SBS and SBR polymers

نویسندگان [English]

  • Shahin shabani 1
  • Somayyeh Mohammadian Gezaz 2
  • Hamed Saify 3
1 Civil Engineering Department, Payam e Noor University, P.O.Box. 19395-4697, Tehran, Iran
2 Chemistry Engineering Department, Payam Noor University (PNU), Tehran, Iran.
3 Department of Civil Engineering‌, Payam Noor University (PNU), Tehran, Iran.
چکیده [English]

A key issue to the development of using modified bitumen is the high price of additives, including fibers, which in turn, can increase the cost of bitumen and modified asphalt mixtures. In contrast to other research, in this study, cheap waste materials obtained from paper-making manufacture, including Liquor and cellulose microfibers (obtained from waste pulp mills) are used to improve the properties of modified bitumen while reducing the cost of producing modified bitumen. Further, bitumen modified by styrene-butadiene-styrene (SBS) and styrene-butadiene rubber (SBR) were examined in this study in order to compare with bitumens modified by cellulose microfibers. For this purpose, SHRP tests, including dynamic shear rheometers and bending beam rheometers, were performed on polymer and fiber modified specimens. Based on the results of this study, all modified samples displayed a significant increase in bitumen hardness. Tests of classical bitumen and rotational viscosity demonstrated that polymers of butadiene-styrene-styrene and styrene-butadiene rubber significantly enhanced the viscosity and hardness of bitumen in comparison with other polymers. Consequently, the mix and compaction temperature of the modified samples with these additives have significantly increased. Results revealed that Liquor-containing bitumen improved its high-temperature performance, but it had a negative effect on the bitumen's low-temperature performance. Furthermore, cellulose microfibers had less effect on improving bitumen's properties than polymers such as styrene-butadiene-styrene and styrene-butadiene-rubber. However, cellulose microfibers' capabilities to modify the properties of bitumen, including a lower mixing and compaction temperature of asphalt mixtures than polymers and cheaper production and implementation of asphalt pavements due to the use of cheap waste materials, cannot be overlooked.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cellulose Microfibers
  • Liquor
  • Modified Polymer Bitumen
  • Sharp Tests
  • Temperature Performance
-Andrés-Valeri, V. C., Rodriguez-Torres, J., Calzada-Perez, M. A., and Rodriguez Hernandez, J., (2018), "Exploratory study of porous asphalt mixtures with additions of reclaimed tetra pak material", Construction and Building Materials, 160, pp.233–239.
-Arafat, S., Kumar, N., Wasiuddin, N. M., Owhe, E. O., and Lynam, J. G., (2019), "Use of Sustainable Lignin to Enhance Asphalt Binder and Mix Properties".
-Bishara, S. W., Robertson, R. E., and Mohoney, D., (2005), "Lignin as an antioxidant: A Limited study on asphalts frequency used on Kansas roads", 42nd Annual Peterson Asphalt Research Conference, Cheyenne, WY.
-Bitumen, S., (1995), "The shell bitumen industrial handbook. Thomas Telford".
-Boerjan, W., and Ralph, J., (2003), "Baucher, M. Lignin Biosynthesis. Annu. Rev. Plant Biol, 54, pp.519–546.
-Chen, J.-S., Liao, M.-C., and Shiah, M.-S. (2002), "Asphalt modified by
styrene-butadiene-styrene triblock copolymer: Morphology and model", Journal of Materials in Civil Engineering, 14(3), pp.224–229.
Chen, J. S., and Lin, K. Y., (2005), "Mechanism and behavior of bitumen strength reinforcement using fibers", Journal of Materials Science, 40(1), pp.87–95.
-Cleven, M. A., (2000), "Investigation of the properties of carbon fiber modified asphalt mixtures", (master’s thesis), Michigan Technological University Houghton, MI.
-Gupta, A., Rodriguez-Hernandez, J., and Castro-Fresno, D., (2019), "Incorporation of additives and fibers in porous asphalt mixtures: A review, Materials, 12(19), 3156.
-Hanyu, A., Ueno, S., Kasahara, A., and Saito, K., (2005), "Effect of the morphology of SBS modified asphalt on mechanical properties of binder and mixture", Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies, 6, pp.1153–1167.
-Hongu, T., and Philips, G., (1990), "New Fibers ellis hor wood series in polymercience and technology", Fibers and Polymers, 3, pp.1–7.
-Jenq, Y.-S., Liaw, C. J., and Lieu, P., (1993), "Analysis of crack resistance of asphalt concrete overlays a fracture mechanics approach", Transportation Research Record, 1388.
-Li, A., Danladi, A. A., Vallabh, R., Yakubu, M. K., Ishiaku, U., Theyson, T., and Seyam, A. F. M., (2021), "Cellulose Microfibril and Micronized Rubber Modified Asphalt Binder", Fibers, 9(4), pp.25.
-Lynam, J., Wasiuddin, N., Arafat, S., Kumar, N., and Owhe, E., (2018), "Evaluating Using Louisiana-Sourced Lignin as Partial Replacement in Asphalt Binder and as an Antioxidant (Issue 3)".
-Mahrez, A., and Karim, M. R., (2007), "Rutting characteristics of bituminous mixes reinforced with glass fiber", Proceedings of the Eastern Asia Society for Transportation Studies Vol. 6, (The 7th International Conference of Eastern Asia Society for Transportation Studies, 2007), pp.282.
-Mahrez, A., Karim, M. R., and Katman, H. Y., (2003), "Prospect of using glass fiber reinforced bituminous mixes, Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies, 5.
-Mandlekar, N., Cayla, A., Rault, F., Giraud, S., Salaün, F., Malucelli, G., and Guan, J.-P. (2018), "An overview on the use of lignin and its derivatives in fire retardant polymer systems", Lignin-Trends Appl, 207, pp.231.
-McCready, N. S., and Williams, R. C., (2008), "Utilization of biofuel coproducts as performance enhancers in asphalt binder', Transportation Research Record, 2051(1), pp.8–14.
-Mohammed, M., Parry, T., and Grenfell, J. J. R. A., (2018), "Influence of fibres on rheological properties and toughness of bituminous binder", Construction and Building Materials, 163, pp.901–911.
-Pamplona, T. F., Amoni, B. de C., Alencar, A. E. V. de, Lima, A. P. D., Ricardo, N. M. P. S., Soares, J. B., and Soares, S. de A., (2012), "Asphalt binders modified by SBS and SBS/nanoclays: effect on rheological properties", Journal of the Brazilian Chemical Society, 23(4), pp.639–647.
-Read, J., and Whiteoak, D., (2003), "The shell bitumen handbook‏, In 2003‏, "Thomas Telford. https://books.google.com.
-Shaopeng, W., Zheng, C., Qunshan, Y., and Weidong, L., (2006), "Effects of fibre additive on the high temperature property of asphalt binder", Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 21(1),
pp.118–120.
-Simpson, A. L., and Mahboub, K. C., (1994), "Case study of modified bituminous mixtures: Somerset, Kentucky, Infrastructure: New Materials and Methods of Repair", pp.88–96.
-Siriwardane, H., Gondle, R., and Kutuk, B. (2010), "Analysis of flexible pavements reinforced with geogrids", Geotechnical and Geological Engineering, 28(3), pp.287–297.
-Sundstrom, D. W., Klei, H. E., and Daubenspeck, T. H., (1983), "Use of byproduct lignins as extenders in asphalt", Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development, 22(3),
pp.496–500.
-Terrel, R. L., and Rimsritong, S., (1979), "Wood Lignins Used as Extenders for Asphalt in Bituminous Pavements (with Discussion)", Association of Asphalt Paving Technologists Proceedings, 48.
-Wang, H., and Derewecki, K., (2013), "Rheological properties of asphalt binder partially substituted with wood lignin", In Airfield and Highway Pavement 2013, Sustainable and Efficient Pavements,
pp. 977–986.
-Wu, J., Liu, Q., Wang, C., Wu, W., and Han, W., (2021), "Investigation of lignin as an alternative extender of bitumen for asphalt pavements", Journal of Cleaner Production, 283, 124663.
-Wu, M.-M. M., Li, R., Zhang, Y.-Z. Z., Fan, L., Lv, Y.-C. C., and Wei, J.-M. M., (2015), "Stabilizing and reinforcing effects of different fibers on asphalt mortar performance", Petroleum Science, 12(1), pp.189–196. https://doi.org/10.1007/s12182-014-0011-8.
-Wu, S., Ye, Q., Li, N., and Yue, H., (2007), "Effects of fibers on the dynamic properties of asphalt mixtures", Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 22(4), pp.733–736.
-Xu, G., Wang, H., and Zhu, H., (2017), Rheological properties and anti-aging performance of asphalt binder modified with wood lignin. Construction and Building Materials, 151, pp.801–808.
-Zahedi, M., Zarei, A., Zarei, M., and Janmohammadi, O., (2020), "Experimental determination of the optimum percentage of asphalt mixtures reinforced with Lignin", SN Applied Sciences, 2(2), pp.1–13.
-Zarei, A., Seyed Alikhani, S. S., and Ahmadnia Falak Dehi, P., (2017), "Performance evaluation of modified bitumen using black Liquor obtained from waste paper industry", 6th International Conference on Sustainable Development & Urban Construction, in Persian.