مدلسازي تأثير دما و ضخامت آسفالت بر چقرمگي شكست تحت مُد 1 خالص

Developing a Model for the Effect of Temperature and Thickness of Asphalt Mixture on Fracture Toughness under Pure Mode I

با توجّه به افزايش تراكم وسايل نقليه و به دنبال آن نياز به احداث راه­هاي جديد، سالانه هزينه هنگفتي صرف طراحي و اجراي روسازي ­هاي آسفالتي مي­گردد. همچنين عوامل متعدّدي از قبيل شرايط اقليمي و وضعيت ترافيكي گوناگون جاده­ها، به‌مرورزمان باعث ايجاد ترك­هايي در سطح جاده مي­گردند كه هزينه­هايي نيز صرف تعمير و نگهداري آن مي­شود. ترك حرارتي يكي از حالت­هاي شديد خرابي در مناطق سرد است. انتشار و رشد بيشتر در چنين ترك­هايي ممكن است به دليل تنش­هاي كششي حرارتي ناشي از نوسانات دما رخ دهد كه مي­تواند منجر به بروز شكست در روسازي آسفالتي تحت مود I خالص گردد. در اين تحقيق سعي شده است كه با تعيين چقرمگي شكست ( ) به‌عنوان يك عامل اصلي جهت تخمين ظرفيت باربري روسازي­هاي ترك‌خورده در برابر رشد ترك به بررسي مقاومت مخلوط­هاي آسفالتي تحت مود I در دماهاي پايين پرداخته شود. بدين منظور پس از ساخت مخلوط­هاي آسفالتي با قير 70-60، نمونه ­هاي نيم ­ديسك با ترك مؤثر به عمق 23 ميلي‌متر در سه ضخامت 35، 50 و 65 ميلي‌متر تهيّه گرديد. سپس با انجام آزمايش شكست در سه دماي زير صفر (5- 15- و 25- درجۀ سانتي‌گراد) و محاسبه ميزان چقرمگي شكست با استفاده از بار بحراني شكست، اطلاعات به ­دست ­آمده مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج كلّي بيانگر آن بود كه افزايش ضخامت نمونه ­ها و همچنين كاهش دما باعث افزايش در ميزان چقرمگي شكست مي­گردد. درنهايت با استفاده از نرم ­افزار متلب، مدلي جهت تخمين مقدار چقرمگي شكست آسفالت بر اساس دو پارامتر دما و ضخامت نمونه ارائه گرديد. مشخص شد كه مدل ارائه ­شده مي­تواند مقدار چقرمگي شكست در مخلوط آسفالتي تهيّه ­شده در تحقيق حاضر را در محدودۀ دمايي و ضخامت­هاي مورد مطالعه، به ­خوبي پيش ­بيني نمايد.

A huge amount of money is spent every year on designing and constructing of asphalt pavements due to an increase in the number of vehicles and, consequently, a higher demand for constructions of new roads. In addition, overtime, different factors such as severe climates and roads traffic conditions create cracks on the road surface that also require spending money on roads maintenance. Thermal cracking is one of the major distress types in the cold regions. Further propagation of such cracks may occur because of tensile thermal stresses induced by temperature fluctuations which can result in pure mode I fracture mechanism in the asphalt pavement. This study aims to determine fracture toughness (𝐾𝐼𝐶) as a fundamental parameter for estimating the load bearing capacity of cracked pavements against crack propagation under mode I cracking in low temperatures. To this end, the asphalt mixtures were manufactured with AC 60/70 bitumen. Semi-circular bending (SCB) specimens with effective crack length (a=23 mm) have been prepared in three thickness (35, 50 and 65 mm). We collected data with conducting the fracture tests at three subzero temperatures (-5°C, -15°C and -25°C) and calculating the fracture toughness values using fracture loads. The results indicated that, in general, increasing speciments thickness and decreasing temperature increase fracture toughness. Finally, using MATLAB software, a model was developed to estimate the asphalt fracture toughness according to the two parameters of temperature and specimens thickness. It was determined that the proposed model can predict the values of fracture toughness in asphalt mixtures prepared on present study at the temperature and thickness range of the research.