SUPERVISOR
Seyed Mehdi Abtahi Forooshani,Seyedmadi Hejazi
سیدمهدی ابطحی فروشانی (استاد راهنما) سیدمهدی حجازی (استاد راهنما)
STUDENT
Ahmadreza Kazerooni
احمدرضا کازرونی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Investigating the effect of vinasse biopolymer on physical and mechanical properties of bitumen
Asphalt pavements are the most popular type of pavements used in roads. Nowadays, asphalt pavement is used in road construction more than 90 percent. Bituminous materials obtained from oil sources are the main determinant factor of the quality and cost for building asphalt pavement. Due to the limited resources of oil and price increase in crude oil and bitumen, the construction cost of asphalt pavements has been increased, so using alternative materials instead of bitumen is logical. In recent years, reusing waste materials produced in industrial processes as the primary raw material in other manufacturing processes has became one of the major environmental goals in scientific and technological research. Vinasse biopolymer is considered as a waste industrial material during ethanol production from sugarcane. The huge volume of vinasse waste has turned it into one of the main concerns. Vinasse is a natural biopolymer, biocompatible which has a cohesive property. Due to the low cost of vinasse compared to bitumen and its similarity in terms of chemical structure to the bitumen, it can be considered as an alternative for bitumen. Mixing of vinasse with bitumen is carried out easily since it is liquid in ambient temperature. Using natural and renewable vinasse in bitumen is an efficient and sustainable way in order to reducing costs for constructing asphalt pavement and positive step towards protecting the environment by disposing this waste. In this study, physical and mechanical properties of bitumen have been investigated by addition of vinasse biopolymer to bitumen. Basic tests such as penetration degree, softening point, ductility, flash point, kinematic viscosity at 135°C and weight loss (oven 163°C) were conducted on bitumen samples containing vinasse (0, 2, 5 and 8 wt.%). The results of basic tests showed an increase in penetration degree, kinematic viscosity and weight loss in sample reinforced 8% vinasse compared to the neat bitumen, and a decrease in ductility and flash point of all reinforced samples compared to neat bitumen, and at the same time the required quantities of standards were kept safetly. Also, the temperature sensitivity of bitumen was decreased by addition of 8% vinasse. Performance tests (SHRP) such as dynamic shear rheometer (DSR), elastic recovery and multiple stress creep recovery (MSCR) were conducted on base bitumen and samples containing 5% and 8% vinasse biopolymer. According to the DSR test results the ability of bitumen to maintain fatigue and rutting resistance, as well as performance grade of reinforced bitumen has not changed and high operating temperature for neat bitumen and samples containing biopolymer has been estimated between 63°C to 65°C. The results of MSCR test indicate the possibility of using high traffic levels, reducing the sensitivity to applied stress compared to the neat bitumen, as well as maintaining the required values of standards based on MSCR test in samples containing 5% and 8% vinasse biopolymer. The addition of biopolymer has increased the rate of elastic recovery by more than four times and increased bituminous elastic domain. Bituminous chemical structure was investigated by performing Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) experiments on bitumen and bitumen samples containing 8% vinasse. The results of this experiment show that adding 8% of biopolymer to bitumen did not change chemical structure of bitumen but reduces oxidation indices. Alcohol contained in biopolymer also has no effect on chemical structure of bitumen. Investigation of samples containing 0, 2, 5 and 8% of vinasse with polarizing microscopy with a magnification of 100 degree indicated homogeneous and uniform mixing of biopolymer with bitumen. Key Words bitumen, vinasse biopolymer, alternative additive, rheological properties of bitumen, physical and mechanical properties of bitumen.
روسازیهای آسفالتی، پر کاربردترین نوع روسازی مورد استفاده در راهها میباشند، بهطوریکه امروزه در ساخت بیش از نود درصد جادهها از روسازی آسفالتی استفاده شده است. مواد قیری که از منابع نفتی بهدست میآیند، عامل اصلی تعیین کنندهی کیفیت و هزینهی ساخت روسازی آسفالتی میباشند. با توجه به محدودیت منابع نفتی و افزایش قیمت نفت خام و قیر، هزینههای ساخت روسازیهای آسفالتی افزایش یافته است، به همین سبب لزوم استفاده از افزودنیهای جایگزین شونده در قیر احساس میگردد. در سالهای اخیر استفادهی مجدد از مواد زاید تولید شده در فرآیندهای صنعتی به عنوان مواد خام اولیه در سایر فرآیندهای تولیدی به یکی از اهداف مهم زیست محیطی در تحقیقات علمی و تکنولوژی تبدیل شده است. بیوپلیمر ویناس از جمله پسماندهای اصلی در کارخانههای تولید کنندهی اتانول از نیشکر میباشد. حجم بالای تولید این پسماند دفع آن را به یکی از دغدغههای اصلی این کارخانهها تبدیل کرده است. ویناس بیوپلیمری طبیعی، زیست سازگار و دارای خاصیت چسبانندگی است که با توجه به قیمت ارزان نسبت به قیر و مشابهت به لحاظ ساختار شیمیایی با قیر، میتواند به عنوان یک مادهی جایگزین شونده در قیر مطرح گردد. اختلاط این بیوپلیمر با قیر به دلیل روان بودن در دمای محیط با سهولت انجام میپذیرد. استفاده از ویناس با منشأ طبیعی و تجدید پذیر در قیر، یک راه کارآمد و پایدار به منظور کاهش هزینهها در ساخت روسازی آسفالتی و گامی مثبت در راستای حفظ محیط زیست با کمک به دفع این پسماند میباشد. در این پژوهش به بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی قیر در اثر افزودن بیوپلیمر ویناس به قیر پرداخته شده است. آزمایشهای پایه (سنتی) از قبیل درجهی نفوذ، نقطهی نرمی، شکل پذیری، نقطهی اشتعال، کندروانی کینماتیکی در 135 درجهی سانتیگراد و افت وزنی (آون 163 درجهی سانتیگراد) به منظور بررسی خواص فیزیکی قیر بر روی نمونههای حاوی بیوپلیمر ویناس به میزان 2، 5 و 8 درصد وزنی قیر در نظر گرفته شده است. نتایج حاصل از آزمایشهای پایه نشان دهنده افزایش درجهی نفوذ، کندروانی کینماتیکی و افت وزنی نمونهی 8% نسبت به قیر پایه، کاهش شکل پذیری و نقطهی اشتعال تمامی نمونهها نسبت به قیر پایه و در عین حال حفظ مقادیر مورد نیاز استانداردها در این دو آزمون بوده است. همچنین حساسیت دمایی قیر در اثر افزودن 8% بیوپلیمر به قیر کاهش یافته است. آزمایشهای عملکردی (شارپ) نظیر رئومتر برش دینامیکی (DSR)، بازگشت الاستیک و بازگشت خزشی (MSCR) بر روی قیر پایه و نمونههای حاوی 5 و 8 درصد بیوپلیمر ویناس به منظور بررسی خواص مکانیکی-دینامیکی قیر انجام گرفته است. با توجه به نتایج آزمایش DSR در شرایط اولیه (اورجینال) و پس از پیرشدگی اولیه در نمونههای 5 و 8 درصد حاوی بیوپلیمر، توانایی قیر در مقاومت خستگی و مقاومت در برابر شیار شدگی حفظ شده است و درجه بندی عملکردی نسبت به قیر پایه تغییر نداشته و دمای بالای عملکردی برای قیر پایه و نمونههای حاوی بیوپلیمر بین 63 تا 65 درجهی سانتیگراد برآورد شده است. نتایج آزمون بازگشت خزشی نشان دهندهی امکان کاربری در سطح ترافیک بالا، کاهش حساسیت نسبت به تنش اعمالی در مقایسه با قیر پایه و همچنین حفظ مقادیر مورد نیاز استانداردها بر اساس آزمون بازگشت خزشی در نمونههای 5 و 8 درصد حاوی بیوپلیمر ویناس میباشد. افزودن بیوپلیمر موجب افزایش بیش از چهار برابری در میزان بازگشت الاستیک و افزایش دامنهی الاستیک قیر شده است. ساختار شیمیایی قیر با انجام آزمایش طیف سنجی تبدیل فوریهی مادون قرمز (FTIR) بر روی بیوپلیمر ویناس، قیر پایه و نمونهی قیری حاوی 8% ویناس بررسی شده است. نتایج این آزمایش نشان میدهد افزودن 8% بیوپلیمر به قیر بدون آنکه ساختار شیمیایی قیر را تغییر دهد شاخصهای اکسیداسیون را کاهش داده است. همچنین الکل موجود در بیوپلیمر تأثیری بر ساختار شیمیایی قیر نداشته است. بررسی نمونههای قیری حاوی 0، 2، 5 و 8 درصد ویناس به وسیله میکروسکوپ پولاریزان با بزرگنمایی 100 برابری نشان دهندهی اختلاط همگن و یکنواخت بیوپلیمر با قیر میباشد. کلمات کلیدی: قیر، بیوپلیمر ویناس، افزودنی جایگزین شونده، خواص رئولوژیکی قیر، خواص فیزیکی و مکانیکی قیر.