پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

بررسی تاثیر درصد‌های مختلف پلی‌اتیلن سنگین بر خواص مکانیکی قیر و پتانسیل شیارشدگی مخلوط آسفالتی گرم(HMA)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محسن زاهدی 1
یاسین حسنوند 2
1 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
2 دانش‌آموخته کارشناسی ارشد، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
10.22034/tri.2026.553066.3389
چکیده
قیر، علی‌رغم سهم نسبتاً اندک خود در مخلوط آسفالتی گرم، نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد و دوام روسازی‌های آسفالتی ایفا می‌کند و ضعف در ویژگی‌های آن می‌تواند منجر به بروز خرابی‌هایی نظیر شیارشدگی، ترک‌خوردگی و خستگی شود. هدف از این پژوهش، بررسی تأثیر پلی‌اتیلن سنگین گرید 5218 بر خواص فیزیکی و رئولوژیکی قیر و همچنین عملکرد مخلوط آسفالتی گرم در برابر شیارشدگی بود. بدین منظور، پلی‌اتیلن سنگین در مقادیر 3، 5، 6 و 7 درصد وزنی به قیر پایه افزوده شد و ویژگی‌های قیر اصلاح‌شده و مخلوط‌های آسفالتی حاصل مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش درصد پلی‌اتیلن سنگین موجب کاهش درجه نفوذ و افزایش نقطه نرمی و ویسکوزیته قیر شد؛ به‌طوری‌که در نمونه حاوی 7 درصد پلی‌اتیلن سنگین، درجه نفوذ از 64 به 38 دسی‌میلی‌متر کاهش و نقطه نرمی از 4/51 به 5/69 درجه سلسیوس افزایش یافت. همچنین ویسکوزیته چرخشی از 374/0 به 517/1 پاسکال‌ثانیه افزایش یافت که نشان‌دهنده افزایش سختی و مقاومت قیر در برابر تغییرشکل است. نتایج آزمایش مارشال بیانگر افزایش پایداری از 1056 به 1828 کیلوگرم بود، در حالی که روانی تغییر معنی‌داری نشان نداد. نتایج آزمون خزش دینامیکی نیز نشان داد که کرنش دائمی مخلوط حاوی 7 درصد پلی‌اتیلن سنگین نسبت به مخلوط شاهد در دماهای 40 و 50 درجه سلسیوس به‌ترتیب 3/46 و 46 درصد کاهش یافته است که بیانگر بهبود قابل توجه مقاومت در برابر شیارشدگی و تغییرشکل دائمی است. نتایج تحلیل واریانس یک‌طرفه نشان داد که درصد پلی‌اتیلن سنگین تأثیر معنی‌داری بر درجه نفوذ، نقطه نرمی، ویسکوزیته، پایداری مارشال و تغییرشکل دائمی دارد (P<0.001). بر اساس نتایج حاصل، استفاده از 7 درصد پلی‌اتیلن سنگین به‌عنوان مقدار بهینه برای بهبود خواص قیر و افزایش مقاومت مخلوط آسفالتی در برابر شیارشدگی پیشنهاد می‌شود.
کلیدواژه‌ها
قیر اصلاح‌شده
پلی‌اتیلن سنگین
مخلوط آسفالتی گرم
شیارشدگی
خزش دینامیکی
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of the effect of different percentages of high density polyethylene on the mechanical properties of bitumen and the rutting potential of hot mix asphalt (HMA)

نویسندگان English

Mohsen Zahedi 1
Yasin Hasanvand 2
1 Assistant Professor, Civil Engineering, Road and Transportation Department, Faculty of Civil Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran.
2 M.Sc., Grad., Civil Engineering, Road and Transportation Department, Faculty of Civil Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran.
چکیده English

Although bitumen constitutes only a small proportion of hot mix asphalt (HMA), it plays a critical role in determining pavement performance and durability. Deficiencies in bitumen properties can lead to various pavement distresses, including rutting, cracking, and fatigue failure. This study investigates the effect of high-density polyethylene (HDPE, Grade 5218) on the physical, rheological, and performance characteristics of bitumen and its influence on the rutting resistance of HMA. HDPE was incorporated into the base bitumen at concentrations of 3%, 5%, 6%, and 7% by weight of binder. The modified binders were evaluated through penetration, softening point, ductility, and rotational viscosity tests, while the performance of the corresponding asphalt mixtures was assessed using Marshall stability and dynamic creep tests. The results demonstrated that increasing HDPE content significantly enhanced the stiffness and deformation resistance of the binder. The penetration value decreased from 64 to 38 dmm, whereas the softening point increased from 51.4°C to 69.5°C for the mixture containing 7% HDPE. In addition, the rotational viscosity increased from 0.374 to 1.517 Pa·s, indicating improved resistance to flow and permanent deformation at elevated temperatures. Marshall test results revealed a substantial increase in stability from 1056 kg to 1828 kg, while flow values remained nearly unchanged. Dynamic creep testing showed that the cumulative permanent strain of the mixture containing 7% HDPE decreased by 46.3% and 46.0% at 40°C and 50°C, respectively, compared with the control mixture, demonstrating a significant improvement in rutting resistance. One-way analysis of variance (ANOVA) confirmed that HDPE content had a statistically significant effect on penetration, softening point, rotational viscosity, Marshall stability, and permanent deformation characteristics (P < 0.001). Based on the experimental findings, the incorporation of 7% HDPE was identified as the optimum dosage for enhancing binder properties and improving the rutting resistance of asphalt mixtures.

کلیدواژه‌ها English

: High-Density Polyethylene (HDPE)
Hot Mix Asphalt
Rutting Resistance
Dynamic Creep
Permanent Deformation
-AASHTO. (2007). Standard method of test for resistance of compacted hot mix asphalt (HMA) to moisture-induced damage (T283). American Association of State Highway and Transportation Officials.
-Akbari, M., Shahryari, E., Hamedipour, A., & Shafabakhsh, G. (2023). Laboratory investigation on the rutting and fracture resistance of hot-mix asphalt containing nanographene oxide. Journal of Materials in Civil Engineering, 35(3), 04022483.
-Al-Hadidy, A. I., & Yi-Qiu, T. (2009). Effect of polyethylene on life of flexible pavements. Construction and Building Materials, 23(3), 1456–1464.
-Al-Mistarehi, B. W., Ghuzlan, K. A., & Lafi, S. O. (2024). Investigating the dynamic creep and indirect tensile performance of modified warm asphalt mixtures. Case Studies in Construction Materials, 21, e03652.
-Awwad, M. T., & Shbeeb, L. (2007). The use of polyethylene in hot asphalt mixtures. American Journal of Applied Sciences, 4(6), 390–396.
Azari, H., & Mohseni, A. (2013). Effect of short-term conditioning and long-term ageing on permanent deformation characteristics of asphalt mixtures. Road Materials and Pavement Design, 14(1), 79–91.
-Cardone, F., Ferrotti, G., Frigio, F., & Canestrari, F. (2014). Influence of polymer modification on asphalt binder dynamic and steady flow viscosities. Construction and Building Materials, 71, 435–443.
-Goh, S. W., & You, Z. (2009). A simple stepwise method to determine and evaluate the initiation of tertiary flow for asphalt mixtures under dynamic creep test. Construction and Building Materials, 23(11), 3398–3405.
-Gokhale, S., Choubane, B., Byron, T., & Tia, M. (2005). Rut initiation mechanisms in asphalt mixtures as generated under accelerated pavement testing. Transportation Research Record, 1940(1), 136–145.
-Hınıslıoğlu, S., & Ağar, E. (2004). Use of waste high-density polyethylene as bitumen modifier in asphalt concrete mix. Materials Letters, 58(3–4), 267–271.
-Jeong, K. D., Lee, S. J., & Kim, K. W. (2011). Laboratory evaluation of flexible pavement materials containing waste polyethylene film. Construction and Building Materials, 25(4), 1890–1894.
-Kebritchi, A., Jalali-Arani, A., & Roghanizad, A. A. (2011). Rheological behavior and properties of bitumen modified with polymeric coated precipitated calcium carbonate. Construction and Building Materials, 25(6), 2875–2882.
-Kumar, A., Singh, D., & Sharma, V. (2023). Recent advances in polymer-modified asphalt binders: A review. Journal of Materials in Civil Engineering, 35(9), 03123002.
-Kumar, R., Saboo, N., Kumar, P., & Chandra, S. (2017). Effect of warm mix additives on creep and recovery response of conventional and polymer modified asphalt binders. Construction and Building Materials, 138, 352–362.
-Liu, Y., Zhao, P., Wang, T., & Xu, J. (2023). Rutting resistance of asphalt mixtures modified with recycled high-density polyethylene. Road Materials and Pavement Design, 24(6), 1452–1468.
-Moatasim, A., Cheng, P. F., & Al-Hadidy, A. I. (2011). Laboratory evaluation of hot mix asphalt with high-density polyethylene as a modifier. Construction and Building Materials, 25(6), 2764–2770.
-Moghadas Nejad, F., Azarhoosh, A., & Hamedi, H. (2014). Effect of high-density polyethylene on the fatigue and rutting performance of hot mix asphalt: A laboratory study. Road Materials and Pavement Design, 15(3), 746–756.
-Punith, V. S., & Veeraragavan, A. (2007). Behavior of asphalt concrete mixtures with reclaimed polyethylene as additive. Journal of Materials in Civil Engineering, 19(6), 500–507.
-Rahman, M. M., Islam, M. S., & Hossain, M. (2025). Sustainable utilization of waste plastics in asphalt pavements: Performance and environmental assessment. Sustainability, 17(2), 811.
-Saboo, N., & Kumar, P. (2016). Analysis of different test methods for quantifying rutting susceptibility of asphalt binders. Journal of Materials in Civil Engineering, 28(7), 04016024.
-Santagata, E., Baglieri, O., Dalmazzo, D., & Tsantilis, L. (2013). Evaluation of the anti-rutting potential of polymer-modified binders by means of creep-recovery shear tests. Materials and Structures, 46(10), 1673–1682.
-Subhy, A., Lo Presti, D., & Airey, G. (2015). An investigation on using pre-treated tyre rubber as a replacement of synthetic polymers for bitumen modification. Road Materials and Pavement Design, 16(2), 245–264.
-Wang, H., Zhang, Y., Li, X., & Chen, M. (2022). Performance evaluation of high-density polyethylene modified asphalt binders under high-temperature conditions. Construction and Building Materials, 347, 128512.
-Willis, J. R., Taylor, A., Tran, N. H., Kluttz, B., & Timm, D. H. (2012). Laboratory evaluation of high polymer plant-produced mixtures. Road Materials and Pavement Design, 13(2), 260–280.
-Xie, J., Wu, S., Pang, L., Lin, J., & Zhu, Z. (2012). Influence of surface-treated fly ash with coupling agent on asphalt mixture moisture damage. Construction and Building Materials, 42, 340–346.
-Zhang, R., Wang, H., Gao, J., You, Z., & Yang, X. (2017). High-temperature performance of SBS modified bio-asphalt. Construction and Building Materials, 144, 99–105.
-Zhou, L., Chen, X., Li, J., & Wang, Q. (2024). Effect of HDPE on permanent deformation behavior of asphalt mixtures under cyclic loading. Materials, 17(3), 685.
پژوهشنامه حمل و نقل
دوره 23، شماره 3
پاییز 1405
صفحه 483-504