يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة بحثية

توصيف تلف الكلال عبر مقاييس متعددة في الأسفلت الدافئ بناءً على اختبارات المسح السعوي الخطي واختبارات الانحناء رباعي النقاط

73 مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/72348

⸱

أغسطس 14, 2026

 ,  ,  ,  , 
1RoadMainT Co., Ltd., 2Science and Technology Information Department, Zhejiang Communications Investment Group Expressway Construction and Management Co., Ltd.

في هذه المقالة

ملخص

تؤسس هذه الدراسة لإطار عمل قوي عابر للمقاييس يربط بين ميكانيكا تلف الرابط وأداء الكلال للخليط، مما يثبت أن معاملات مسح السعة الخطي - نموذج الضرر المستمر اللزوجي المرن المبسط (LAS–S-VECD) توفر أساساً موثوقاً ومبنياً على الآليات الميكانيكية للتنبؤ بأنظمة الأسفلت الدافئ المستدامة وتصميمها.

الملخص

يعد تشقق الكلال عاملاً حاسماً يحكم المتانة طويلة الأمد لرصفات الأسفلت، بينما تظل العلاقة عبر المقاييس بين سلوك كلال الرابط وأداء كلال الخليط غير مفهومة بشكل كافٍ بالنسبة للأسفلت الدافئ (WMA). في هذه الدراسة، تم استقصاء خصائص الكلال للأسفلت الدافئ بشكل منهجي على كل من مقياسي الرابط والخليط لإنشاء ارتباطات كمية عبر المقاييس. استُخدمت اختبارات مقياس الريومتر للقص الديناميكي (DSR) واختبارات مسح السعة الخطي (LAS) المفسرة باستخدام إطار ضرر الاستمرارية اللزوجي المرن المبسط (S-VECD) لتوصيف الخصائص الريولوجية وتطور الضرر لروابط أسفلتية من أصول نفط خام مختلفة. كما تم تقييم أداء الكلال على مقياس الخليط باستخدام اختبارات كلال الانحناء رباعي النقاط المتحكم في الانفعال. وتشير النتائج إلى أن التقادم يزيد بشكل كبير من صلابة الرابط ويسرع من تدهور الكلال، حيث ارتفع عامل الكلال G*·sin δ بنسبة تتراوح تقريباً بين 150–250% بعد التقادم طويل الأمد. وكانت فعالية التعديل بالخلط الدافئ على مقياس الرابط تعتمد بقوة على نوع الرابط، وهو ما انعكس في انخفاض بنسبة 8–13% في معامل معدل الضرر للرابطين A وB، بينما حدثت زيادة بنسبة 11% تقريباً للرابط C. وأظهرت المؤشرات الريولوجية التقليدية مثل sin δ قدرة محدودة ومعتمدة على المادة في التنبؤ بعمر كلال الخليط، بينما أظهرت معاملات الضرر المستمدة من LAS–S-VECD ارتباطات قوية ومتسقة مع أداء الكلال على مقياس الخليط. وبشكل عام، تثبت هذه الدراسة أن توصيف ضرر الرابط القائم على LAS–S-VECD يوفر أساساً متيناً للتنبؤ بمقاومة كلال الخليط ويدعم تطبيقه في تصميم الخلائط القائم على الأداء لرصفات الأسفلت الدافئ المتينة والمستدامة.

المقدمة

تعتمد عملية إنشاء رصف الأسفلت التقليدية على المعالجة بدرجات حرارة مرتفعة، تتراوح عادةً بين 160 °C و 180 °C، وتتجاوز 190 °C في حالة الروابط المعدلة مثل الأسفلت المطاطي والبتومين المعدل بالبوليمرات عالي الأداء. وفي التطبيقات المتخصصة، بما في ذلك رصف أسطح الجسور الفولاذية، قد تتجاوز درجات حرارة وضع الخليط في الموقع 200 °C1. وتؤدي هذه الظروف الحرارية القاسية إلى استهلاك كبير للوقود الأحفوري وتوليد انبعاثات جوية جسيمة، بما في ذلك غازات الاحتباس الحراري وأبخرة الأسفلت الخطرة الغنية بالمركبات القابلة للذوبان في البنزين والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات المسرطنة (مثل benzo[a]pyrene)2,3. وقد أظهرت الدراسات السابقة باستمرار أن خفض درجات حرارة إنتاج الأسفلت ودكه يمكن أن يقلل من استهلاك الوقود، وانبعاثات CO₂، والتعرض المهني لأبخرة الأسفلت، على الرغم من أن حجم هذه الفوائد يعتمد على نوع الخليط، وتكوين المحطة، وجرعة المضافات، وظروف الإنشاء الميدانية. كما ساهمت الدراسات الحديثة في إثراء الفهم حول أداء الأسفلت تحت تعديلات وظروف خدمة مختلفة؛ حيث أفادت التقارير أن إدخال ليجنوسلفونات الكالسيوم في خلطات الأسفلت يمكن أن يؤخر بفعالية التقادم التأكسدي الحراري عن طريق تثبيط تفاعلات الأكسدة وتثبيت البنية الغروية لروابط الأسفلت.

فيما يتعلق بسلوك الكسر، فقد أظهرت الاستقصاءات حول الخلطات الأسفلتية الساخنة (HMA) والخلطات الأسفلتية الدافئة (WMA) تحت ظروف تحميل من النمط الأول (Mode I) والنمط الثاني (Mode II) الخالصين، أن نمط التحميل يلعب دوراً حاسماً في التحكم في متانة الكسر عند درجات الحرارة المنخفضة وتبدد الطاقة. كما تمت دراسة القابلية للتأثر بالرطوبة على نطاق واسع في أنظمة الأسفلت المعدلة بالمطاط، حيث تعمل مواد المطاط المعاد تدويرها على تحسين المقاومة للتلف الناجم عن الرطوبة، ويمكن تحديد المحتوى الأمثل للمطاط من خلال مناهج تقييم ميكانيكية واقتصادية مشتركة. وفيما يخص الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة، تم تقييم الأسفلت ذو المصفوفة الحجرية (SMA) المعدل باستخدام اختبارات الزحف الديناميكي وجهاز تتبع عجلات هامبورغ، مما أكد أن تعديل الخلطة يعزز بشكل كبير من مقاومة التخدد. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسات القائمة على اختبار الانحناء نصف الدائري (SCB) للخلطات الأسفلتية التي تشتمل على إضافات معاد تدويرها تحسينات ملحوظة في مقاومة الكسر من النمط الأول (Mode I) ومقاومة التلف الرطوبي، مما يسلط الضوء على التأثيرات التآزرية للمواد المعاد تدويرها على أداء الكلال والمتانة. وبناءً على ذلك، برز تطوير تقنيات الأسفلت المخصصة لدرجات الحرارة المنخفضة كمسار حيوي نحو إنشاء رصف مستدام وأنظمة بنية تحتية مسؤولة بيئياً.

تتيح تقنية الأسفلت الدافئ (WMA)، التي يتم تحقيقها من خلال دمج المضافات الكيميائية، أو الشموع العضوية، أو تقنيات الرغوة، إنتاج خلطات فعالة في درجات حرارة تتراوح عادةً بين 90 °C و 130 °C—وهو ما يمثل انخفاضاً بمقدار 30–50 °C مقارنة بالأسفلت الساخن التقليدي (HMA)4. وإلى جانب فوائده الموثقة في تقليل الطلب على الطاقة وانبعاثات الملوثات، يلعب الأسفلت الدافئ دوراً محورياً في التخفيف من التقادم الحراري التأكسدي للروابط الأسفلتية أثناء الإنتاج والفرش. ويخضع تقادم الأسفلت لحركية كيميائية تعتمد على درجة الحرارة، حيث تتضاعف معدلات الأكسدة تقريباً مقابل كل زيادة قدرها 10 °C في درجة الحرارة5,6. وتعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع تفاعلات التطاير والأكسدة والبلمرة، مما يؤدي تدريجياً إلى تحويل المالتينات (maltenes) إلى أسفلتينات (asphaltenes) صلبة، وبالتالي زيادة صلابة الرابط وتقليل مطيليته7. ومن خلال خفض درجات حرارة الإنتاج، يثبط الأسفلت الدافئ هذه التفاعلات الضارة، مما يحافظ على اللزوجة المرنة للرابط ويعزز احتمالية مقاومة الكلل على المدى الطويل8.

على الرغم من أن المزايا البيئية والإنشائية لخلطات الأسفلت الدافئة (WMA) قد تم توثيقها بشكل مكثف، إلا أن الاستقصاءات المنهجية حول أداء الكلال الخاص بها تحت ظروف التقادم لا تزال محدودة نسبياً. وبشكل خاص، تظهر الرابطات الأسفلتية المشتقة من مصادر مختلفة من النفط الخام — مثل المواد الخام من Karamay، وCNOOC البحرية، وCNPC — تباينات ملحوظة في التركيب الكيميائي، بما في ذلك محتوى الأسفلتين، وتوزيع الراتنج، والكسور العطرية، ومستويات المشبعات9. ويُعترف على نطاق واسع بأن هذه الاختلافات التركيبية هي محددات أساسية للسلوك الريولوجي، والقابلية للتقادم، ومتانة الكلال10. ومع ذلك، نادراً ما تميز دراسات الكلال الحالية بين الرابطات بناءً على أصل النفط الخام، مما يؤدي إلى فهم غير مكتمل لكيفية تحكم الكيمياء المعتمدة على المصدر في أداء الكلال، خاصة تحت التقادم التراكمي الذي يمثل ظروف الخدمة الفعلية11,12. من منظور هندسي، ستكون طريقة تقييم الكلال الموثوقة على مستوى الرابطة مفيدة بشكل خاص للفحص الأولي للمواد، واختيار مضافات الخلط الدافئ، وتقييم الحساسية للتقادم، ومراقبة الجودة قبل التحقق على مستوى الخليط. ومع ذلك، لا ينبغي اعتبار LAS–S-VECD بديلاً كاملاً لاختبارات كلال الخليط لأن تدرج الركام، والفراغات الهوائية، والتفاعل بين الرابطة والركام، وجودة الدمك، والتقادم الميداني قد تتحكم أيضاً في أداء كلال الرصيف. علاوة على ذلك، لم يتم تثبيت العلاقة بين مؤشرات الكلال على مستوى الرابطة وسلوك الكلال على مستوى الخليط بشكل حاسم عبر مصادر الأسفلت المتنوعة13. وبينما أظهرت الاختبارات الريولوجية مثل مسح السعة الخطي (LAS) واعداً في توصيف ضرر الكلال في الرابطة، فإن موثوقيتها التنبؤية لعمر كلال الخليط — لا سيما بالنسبة للرابطات ذات الأصول الكيميائية المتميزة — لا تزال غير مثبتة بشكل كافٍ14. هذا الانفصال يحد من دقة تنبؤات الأداء المختبرية ويقيد الاختيار العقلاني للمواد في الممارسة الهندسية15.

لسد هذه الفجوات الحرجة، تُجري هذه الدراسة استقصاءً شاملاً متعدد المقاييس لسلوك الكلال في روابط الأسفلت المعدلة بالخلط الدافئ والمستمدة من ثلاثة مصادر مختلفة من الزيت الخام16. ومن خلال دمج تحليل مقياس الريومتر للقص الديناميكي (DSR)، واختبار المسح الخطي للسعة (LAS) ضمن إطار ضرر الاستمرارية اللزوجي المرن المبسط (S-VECD)، واختبارات كلال الانحناء رباعي النقاط على مستوى الخلطة، يقيم هذا العمل بشكل منهجي تأثير مصدر الزيت الخام، والتعديل بالخلط الدافئ، والتقادم على مقاومة الكلال17,18,19. وتهدف النتائج إلى إرساء ارتباطات قوية عابرة للمقاييس بين ريولوجيا الرابط وأداء الخلطة، مما يوفر أساساً ميكانيكياً للتنبؤ بعمر الكلال ويقدم توجيهات عملية لتصميم واختيار مواد أسفلتية مستدامة.

تقدم هذه الدراسة إطار عمل لتوصيف الكلال عابر المقاييس للأسفلت الدافئ من خلال دمج تحليل LAS–S-VECD على مقياس الرابط مع اختبارات كلال الانحناء رباعي النقاط على مقياس الخلطة. ومقارنة بالدراسات السابقة التي ركزت بشكل أساسي على التقييم الريولوجي لمستوى الرابط أو تقييم أداء مستوى الخلطة بشكل منعزل، فإن العمل الحالي يؤسس لرابط ميكانيكي مباشر بين كيمياء الرابط المعتمدة على الزيت الخام، وتعديلات الخلط الدافئ، وسلوك كلال الخلطة تحت ظروف التقادم. تكمن جدة هذه الدراسة في ثلاثة جوانب: (1) الإدراج الصريح لأصل الزيت الخام كمتغير حاكم لأداء الكلال؛ (2) الارتباط المنهجي عابر المقاييس بين تطور التلف في LAS–S-VECD وعمر كلال الخلطة؛ (3) التقييم الموحد لتأثيرات تعديل الخلط الدافئ عبر مقياسي الرابط والخلطة. وتظهر النتائج أن معاملات التلف المشتقة من LAS–S-VECD توفر مؤشرات قوية للتنبؤ بأداء كلال الخلطة، مما يقدم بديلاً أكثر تأصيلاً من الناحية الميكانيكية مقارنة بالمؤشرات الريولوجية التقليدية. وتضع هذه النتائج أساساً علمياً للتقييم والتصميم الموجه بالأداء لأنظمة الأسفلت الدافئ المستدامة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

المواد
تعتبر الرابطات الأسفلتية الثلاث المختارة في هذه الدراسة، والملخصة في الجدول 1، رابطات رصف ممثلة مشتقة من مصادر نفط خام مختلفة، وقد استُخدمت على نطاق واسع في هندسة الطرق العملية في الصين. يختلف أسفلت Karamay، وأسفلت CNOOC 36-1، وأسفلت PetroChina بشكل ملحوظ من حيث أصل الخام، والتركيب الكيميائي، والقابلية للتقادم، والخصائص الريولوجية، مما يوفر أساساً مادياً مناسباً لاستقصاء سلوك الكلال المعتمد على مصدر النفط. ويتيح اختيارها إجراء تقييم مقارن لكيفية تأثير تركيب الرابط الجوهري على فعالية تعديل الخلط الدافئ وأداء الكلال على مستوى الخلطة، مما يعزز من الأهمية الهندسية لإطار توصيف الكلال متعدد المقاييس المقترح. وفيما يلي الأصول الجيولوجية والخصائص الكيميائية التفصيلية لكل رابط:

الرابط A: مشتق من تغذية الزيت الثقيل للمنطقة التاسعة، ويتم إنتاجه عبر عملية خلط للمخلفات الفراغية والأسفلت منزوع الزيت. وتُظهر مادته الأساسية خصائص مميزة، تشمل انخفاض محتوى البارافين (<2%)، وأدنى تركيز للكبريت، وتكوينًا راتنجيًا عاليًا. والجدير بالذكر أن أسفلت Karamay هو الرابط الرصيفي الوحيد الذي تقل كثافته النوعية عن 1 g/cm3 في التطبيقات الهندسية الحالية، كما يتميز بلزوجة ديناميكية فائقة وقدرة ممتازة على الاحتفاظ بالمطيلية بعد التقادم. تجعل هذه الخصائص هذا الرابط مناسبًا بشكل خاص للمناطق المعرضة لتباينات درجات الحرارة اليومية الكبيرة والتعرض المكثف للأشعة فوق البنفسجية.

الرابط B: يُستخلص من الزيت الخام الثقيل النادر المستخرج من حقل Suizhong 36-1 النفطي البحري، مع إنتاجية عالية من البيتومين تصل إلى 56% من خلال التكرير. تُصنف المادة الخام على أنها زيت خام ثقيل ذو قاعدة نافثينية ونقص في الكبريت وقيمة حمضية عالية، مما ينتج عنه رابط معالج يتميز بكثافة عالية (1.012 g/cm3)، ومحتوى منخفض من البارافين (1.8%)، ونسب مرتفعة من الراتنجات. تمنح هذه الخصائص الرابط مرونة ممتازة في درجات الحرارة المنخفضة، مما يجعله مفيداً للتطبيقات في البيئات الباردة.

الرابط C: تم تحضيره بشكل أساسي باستخدام الخام الثقيل الفنزويلي "بوسكان" كمادة خام أساسية، مع تحقيق عائد إنتاج بنسبة 60% عبر عمليات تكرير متخصصة. يظهر هذا الزيت الخام سمات جيوكيميائية فريدة، بما في ذلك محتوى حمضي مرتفع، وتركيزات كبيرة من المعادن الثقيلة، وإمكانية قوية لتكوين بقايا كربونية. كما يُظهر الرابط تركيباً هيدروكربونياً غير نمطي، يتميز بانخفاض أجزاء الهيدروكربونات المشبعة، ومعقدات الراتنج والأسفلتين الغنية، ومحتوى بارافيني منخفض للغاية (1.3%).

في هذا الاستقصاء، تم تحديد ثلاثة روابط إسفلتية أساسية وهي AO (Karamay)، وBO (CNOOC 36-1)، وCO (PetroChina). وقد تم تحضير الروابط المقابلة لخلطات الإسفلت الدافئة (WMA) عن طريق دمج المادة المضافة Evotherm M1، والتي رُمز لها بـ AP وBP وCP على التوالي20. تم اختبار مؤشرات الأداء الشاملة، بما في ذلك الاختراق، ونقطة التليين، والمطيلية، وفقاً لمواصفات JTG E20-201121، مع عرض البيانات المقارنة المفصلة في الجدول 1. وقد اتبعت جميع الإجراءات التجريبية بدقة البروتوكولات الموحدة الموضحة في المواصفات الفنية لخلطات الإسفلت والمواد البيتومينية لهندسة الطرق السريعة.

مشروعوحدةكرمايشركة CNOOCشركة الصين الوطنية لنفط (CNPC)
الاختراق0.1 مم (15 °C)222224
٠.١ مم (25 °C)726871
٠.١ مم (30 °C)112110116
الباحث الرئيسي－-1.14-1.2-0.81
TR&B°C4646.547.5
اللزوجة الديناميكية (60 °C)با·ثانية223.5230256.9
المطيلية (10 °C،5 سم/دقيقة)سم>100>10052
محتوى الشمع%1.91.81.3
نقطة الوميض (كأس مفتوح كليكس)℃278287312
الذوبانية%99.599.799.8
الكثافة (15 °C)جم/سم³0.9771.0121.049
التقطير المقطري لدرجة الحرارة المرجعية (RTFOT)التغير في الجودة (%)0.050.06-0.07
نسبة الاختراق المتبقية (%)66.267.464.8
المطيلية المتبقية (10 °C،سم)13129

الجدول 1: المعلمات التقنية الرئيسية للروابط البيتومينية. يلخص الجدول 1 المعلمات التقنية الرئيسية للروابط البيتومينية، بما في ذلك الخصائص الفيزيائية، والحساسية لدرجة الحرارة، والخصائص الريولوجية، وأداء التقادم قصير المدى، لتقييم خصائصها الأساسية ومتانتها.

تضمنت عملية تحضير الخلطات الأسفلتية الدافئة (WMA) بروتوكولاً متعدد المراحل خضع لرقابة صارمة لضمان تكرارية تعديل الرابط الأسفلتي. تم أولاً تسخين الرابط الأسفلتي الأساسي في فرن بالحمل القسري عند درجة حرارة 135 ± 2 °C لمدة 60 min للوصول إلى حالة صهر مستقرة، تلا ذلك فترة موازنة لمدة 30 min للتخلص من التدرجات الحرارية. أجريت جميع عمليات التسخين داخل حاويات محكمة الإغلاق مع حماية بالنيتروجين (معدل التدفق: 0.5 L/min) لتقليل التقادم التأكسدي أثناء التكييف الحراري.

تم بعد ذلك دمج المادة المضافة Evotherm M1 عند درجة حرارة 135 ± 2 °C مع التقليب الميكانيكي المستمر بسرعة 300 rpm لمدة 5 min قبل المعالجة ذات القص العالي، وذلك لضمان التشتت الأولي لمرحلة المادة الخافضة للتوتر السطحي. تلا ذلك إجراء خلط عالي القص باستخدام مجانس دوار-ساكن (rotor–stator homogenizer) بسرعة 3000 rpm لمدة 25 min، مع الحفاظ على درجة حرارة الرابط ضمن نطاق 135–140 °C باستخدام نظام خارجي للتحكم في درجة حرارة الحمام الزيتي (بدقة ±1 °C). وخلال عملية الخلط بأكملها، تمت مراقبة درجة الحرارة باستمرار باستخدام مزدوجة حرارية من النوع K (K-type thermocouple) معايرة ومدرجة في مصفوفة الرابط، وكانت أي تقلبات تتجاوز ±2 °C تؤدي إلى ضبط التسخين تلقائياً. ثم خضع الرابط المعدل لإجراء تبريد متحكم به حتى 25 °C بمعدل 5 °C/min قبل الاختبارات اللاحقة أو التخزين قصير المدى. وقد اتبع تصميم بروتوكول القص علاقة اللزوجة-درجة الحرارة للروابط الأسفلتية، مما يضمن تحضير جميع العينات تحت ظروف تاريخ قص مماثلة. ويضمن هذا التحكم الحراري-الميكانيكي الصارم إمكانية تكرار عالية ويقلل من التباين في تحضير رابط الأسفلت الدافئ (WMA).

اختبار مقياس الريومتر القص الديناميكي (DSR)
لتوصيف الاستجابة الريولوجية والخصائص المتعلقة بالكلال للروابط الأسفلتية المعدلة بإضافات الخلط الدافئ، أُجريت اختبارات مقياس الريومتر القص الديناميكي (DSR) باستخدام ريومتر دوراني يتم التحكم في درجة حرارته وفقاً للمعيار ASTM D717522. وقد ركز التقييم الريولوجي على سلوك الكلال عند درجة الحرارة المتوسطة، وهو الأمر المرتبط ارتباطاً وثيقاً ببداية نشوء الشقوق وانتشارها في الرصفات الأسفلتية.

تم اعتماد عامل الكلال G*sin δ23، والمعترف به على نطاق واسع كمؤشر لقابلية الكلال على مستوى الرابط، لقياس التغيرات في سلوك التبديد اللزوجي المرن الناتجة عن تعديل الخلط الدافئ والتقادم. أُجريت اختبارات المسح الحراري عبر نطاق يتراوح بين 58–82 °C، بزيادات حرارية قدرها 6 °C. وعند كل درجة حرارة مستهدفة، تُرِكت العينات لتصل إلى حالة التوازن لمدة 10 min قبل جمع البيانات لضمان الاستقرار الحراري. وللتحقق من تأثير التقادم على الخصائص الريولوجية، خضعت عينات الرابط لثلاث حالات من التقادم: غير متقادمة، والتقادم باختبار فرن الغشاء الرقيق الدوار (RTFOT)، والتقادم المشترك باستخدام RTFOT ووعاء تعتيق الضغط (PAV) 24. وقد صُممت بروتوكولات التقادم هذه لمحاكاة التقادم قصير المدى أثناء الإنتاج والوضع، وكذلك التقادم طويل المدى أثناء تشغيل الرصف في الخدمة. كما تم تحليل تطور G*sin δ مع درجة الحرارة وحالة التقادم لتقييم مقاومة الكلال لمختلف الروابط.

قبل كل اختبار جهاز ريومتر القص الديناميكي (DSR)، تم تشذيب عينة الرابط بعناية بعد تحميلها بين الأطباق المتوازية لضمان الحصول على شكل حافة موحد. تم تهيئة العينة عند درجة الحرارة المستهدفة لمدة 10 min قبل القياس. أُجري الاختبار في نطاق يتراوح بين 58–82 °C بزيادات قدرها 6 °C. وتم التأكد من صحة الاختبار عندما ظل عزم الدوران والإزاحة المقاسين ضمن نطاق التشغيل الموصى به للجهاز، مع عدم حدوث أي انزلاق مرئي للعينة.

اختبار مسح السعة الخطي (LAS)
تم إجراء توصيف للسلوك اللزوجي المرن وفقاً لمواصفات ASTM D7175 الخاصة بالتحليل الميكانيكي الديناميكي25. وشملت المنهجية التجريبية عمليات مسح لسعة الانفعال لتحديد حدود اللزوجة المرنة الخطية، تلاها اختبار متحكم في التردد عند 10 rad/s26. وغطت التقييمات المعتمدة على درجة الحرارة نطاق درجة حرارة التشغيل لرصفات الأسفلت (58–82°C)، والتي نُفذت بزيادات قدرها 6°C مع السماح بـ 10 دقائق لتحقيق التوازن الحراري عند كل جزء متساوي الحرارة. كما استُخدم بروتوكول AASHTO T391 لتقدير تراكم التلف في الرابط من خلال تطور الطاقة المتبددة، وتحديداً بمراقبة عامل التبديد اللزوجي المرن (|G*|sin δ) أثناء التحميل الدوري 27,28. وتم اعتماد إطار نموذج الضرر المستمر اللزوجي المرن المبسط (S-VECD) للتنبؤ بأنماط التدهور في المركبات البيتومينية29. وينفذ بروتوكول LAS مسحاً للسعة التذبذبية عند تردد ثابت قدره 10 Hz، مع تطبيق تدرج متحكم فيه للانفعال من 0.1% إلى 30% بزيادات دقيقة قدرها 0.1%.

تم اشتقاق المعلمات اللزوجية المرنة الأساسية باستخدام المعادلات التالية:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

معادلة الاتزان الساكن، a = 1/m، صيغة؛ للاستخدام التعليمي في دراسات الفيزياء والرياضيات. (3)

حيث يمثل G''(ω) معامل الفقد، و ω التردد الزاوي، و m و b معاملي الملاءمة، و G'(ω) معامل التخزين، و G*(ω) المعامل المركب، و δ(ω) زاوية الطور، وهو مؤشر اللزوجة المرنة.

استُخدمت العلاقة الأساسية الموضحة في المعادلة (4) لتقدير كمية الضرر:

معادلة شروط التوازن الساكن؛ صيغة المجموع؛ المتغيرات N و r و C؛ مخطط رياضي.(4)

في الصيغة: C(t)—معلمة السلامة، C(t)=G^* (t)/G^* (Initial)، G^*- المعامل المركب (MPa)؛

γ_0—تطبيق الانفعال (%);
t—مدة الاختبار (s)

يتم تحديد التطور الزمني لمقياس التلف D(t) ومعامل السلامة الهيكلية C(t) رياضيًا من خلال علاقة تكوينية وفق قانون القوة (Yuan 2024):

C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)

في الصيغة: تمثل C0​ معامل السلامة الأولي (يساوي 1 عادةً)، و C1 و C2—معاملات الملاءمة.

احسب قيمة ضرر الكلال باستخدام مفهوم نقطة ذروة إجهاد القص:

معادلة عمر الكلل Df=(C0-Cpeak stress/C1)^1/C2 لتحليل إجهاد المواد. (6)

تُمثل Cpeak معامل السلامة المقابل لنقطة أقصى إجهاد قص.

صيغة حساب عمر الكلال هي:

Nf = A(γmax)-B (7)

في الصيغة: A، B—معامل مرتبط بالتعب،

A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)

B=2a، تردد التحميل f؛
γmax — مستوى الانفعال الأقصى المتوقع (%)

لضمان موثوقية النتائج التجريبية وقابليتها للتكرار، أُجريت جميع الاختبارات على مستوى الرابط ومستوى الخليط باستخدام 3 مكررات مستقلة على الأقل (n = 3) لكل حالة. وتمثل النتائج المذكورة القيم المتوسطة للقياسات المكررة. كما جرى تقييم تباين البيانات التجريبية باستخدام الانحراف المعياري (SD)، وتم وضع أشرطة الخطأ في جميع الأشكال ذات الصلة لتعكس التشتت الإحصائي. وبالنسبة لمعاملات LAS–S-VECD، ومؤشرات الريولوجيا الخاصة بـ DSR، وعمر الكلال الناتج عن اختبارات الانحناء رباعي النقاط، فقد تم حساب معامل الاختلاف (COV) بشكل إضافي لتقييم اتساق البيانات.

في جميع الحالات، تم فحص الفروق الإحصائية بين الروابط المعدلة وغير المعدلة للتأكد من أن الاتجاهات الملحوظة ليست ناتجة عن التشتت التجريبي، بل تمثل فروقاً ذات دلالة إحصائية في سلوك الكلال والخصائص الريولوجية.

اختبار كلال الانحناء رباعي النقاط
للتحقق من مؤشرات الكلال على مستوى الرابط الإسفلتي وتحديد الارتباطات عبر المقاييس المختلفة، أُجريت اختبارات كلال الانحناء رباعي النقاط على خلطات أسفلتية تم تحضيرها باستخدام تدرج AC-16C30,31. وقد لُخص تدرج الركام، والكثافة الظاهرية، والوزن النوعي الكلي، وامتصاص الماء لكل حجم من أحجام الركام، جنباً إلى جنب مع خصائص المادة المالئة المعدنية، في الجدول 2. كما تم تثبيت محتوى الأسفلت في جميع الخلطات عند 4.8% لضمان الاتساق بين تركيبات الخلطات الأسفلتية الدافئة (WMA) المختلفة.

حجم المنخل (مم)الفئة المجمعةالتدرج الاصطناعي (%)
1# (10~20 ملم، 29%)2# (5~10 مم. 29.2%)3# (3~5 ملم، 17%)4# (0~3 مم. 19%)مسحوق معدني (5.8%)
0.07500.100.990.85.5
0.150.10.104.995.36.5
0.30.10.201398.78.3
0.60.10.2025.299.710.6
1.180.10.2047.810015
2.360.10.5010010025
4.750.815.598.910010046.4
9.515.299.510010010075.2
13.268.499.810010010090.8
1694.810010010010098.5
19100100100100100100
الكثافة النسبية الظاهرية2.8992.9182.8452.7542.8722.865
الكثافة النسبية في حالة التشبع السطحي والجفاف (SSD)2.8542.8472.8162.691－2.814
الوزن النوعي الظاهري2.8292.812.82.655－2.787
معدل امتصاص الركام للمياه (%)0.851.320.561.36－－

الجدول 2: تدرج الركام في خليط الأسفلت الدافئ. يوضح الجدول 2 التدرج الركامي لخليط الأسفلت الدافئ، بما في ذلك نسب الأجزاء الركامية المختلفة، ومحتوى المسحوق المعدني، ومنحنى التدرج الاصطناعي، والخصائص الفيزيائية للركام. كما يعرض الجدول توزيع حجم الجسيمات المصمم والخصائص الأساسية للركام المستخدم في الخليط الأسفلتي.

أُجريت اختبارات كلال الانحناء رباعية النقاط باستخدام جهاز اختبار كوبر تحت ظروف تحميل متحكم في الانفعال لتقييم متانة الكلال لخلطات الأسفلت الدافئ (WMA)32. وقد تم تحديد معيار الفشل بأنه عدد دورات التحميل المطلوبة لانخفاض الصلابة الانحنائية إلى 50% من قيمتها الأولية. ووفقاً لبروتوكول الاختبار المعتمد33، طُبق التحميل الدوري على شكل موجة جيبية مستمرة بتردد 10 Hz تحت ظروف درجة حرارة ثابتة تبلغ 15 °C. وقد أُجريت جميع الاختبارات دون فترات راحة لضمان مدخلات طاقة غير منقطعة أثناء تحميل الكلال34,35.

تم تصنيع عينات العوارض وفقاً لمتطلبات الأبعاد القياسية، بطول 381 ± 6.35 mm، وعرض 63.5 ± 6.35 mm، وارتفاع 50.8 ± 6.35 mm3637. وتحت ظروف التحكم في الانفعال، تم توصيف أداء الكلال عن طريق رسم منحنيات خصائص الكلال للعينات ذات تركيبات WMA المختلفة في نظام إحداثيات لوغاريتمي مزدوج38. وبناءً على ذلك، تم وضع علاقة تأسيسية وفق قانون القوة، واستُخدم تحليل الانحدار غير الخطي لمطابقة بيانات الكلال لمختلف الخلطات الأسفلتية، مما وفر الأساس لنمذجة عمر الكلال والتحليل المقارن اللاحق39,40,41. ثُبتت عينة العارضة بشكل متماثل في تجهيزة الانحناء رباعي النقاط، وتم التحقق من التلامس بين مشابك التحميل وسطح العينة قبل البدء في التحميل. أُجري الاختبار عند درجة حرارة 15 °C تحت تحميل جيبي متحكم في انفعاله بتردد 10 Hz دون فترات راحة. وحُددت نقطة نهاية الاختبار بأنها عدد الدورات التي تنخفض عندها الصلابة الانحنائية إلى 50% من قيمتها الأولية. واعتُبرت الاختبارات صالحة عندما حدث الفشل ضمن مقطع القياس، ولم يُلاحظ أي انزلاق غير طبيعي للمشابك أو كسر مفاجئ غير ناتج عن الكلال. تم عرض جميع البيانات الكمية في شكل المتوسط ± الانحراف المعياري (mean ± SD)، مع حجم عينة n = 3 لجميع المجموعات التجريبية ما لم ينص على خلاف ذلك.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

الخصائص الريولوجية لخلطات الأسفلت الدافئة (WMA)
يُعرف النطاق البيني بين الأسفلت والركام على نطاق واسع بأنه الموقع الرئيسي لبدء تشقق الكلال. وبناءً على ذلك، فإن المعلم الريولوجي المرتبط بالكلال ج*sin δوتم استخدام [القيمة]، التي قيست عند درجات حرارة تشغيل متوسطة، لتقييم أداء الكلال لروابط الأسفلت الدافئ (WMA). الشكل 1 يوضح تباين جيجيب الزاوية δ للمواد الرابطة الأصلية والمعدلة بالخلط الدافئ لكل من الإسفلت A والإسفلت B وال...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

تقترح هذه الدراسة إطاراً لتقييم الكلال عبر المقاييس يدمج بين اختبار مسح السعة الخطي (LAS) على مستوى الرابط الأسفلتي، ونموذج الضرر المستمر اللزوجي المرن المبسط (S-VECD)، واختبار كلال الانحناء رباعي النقاط على مستوى الخلطة، وذلك لإيجاد رابط ميكانيكي بين تطور الضرر في الرابط الأسفلتي وأداء الكلال في الخلطة. وبخلاف مناهج تقييم الكلال التقليدية التي تعتمد بشكل أساسي على المؤشرات الريولوجية التجريبية، مثل G*·sin δ، يستخدم الإطار المقترح معاملات مرتبطة بالضرر مشتقة من ميكانيكا الضرر المستمر لتوصيف سلوك التدهور الجوهري للروابط ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

يصرح المؤلفون بعدم وجود أي تضارب في المصالح.

شكر وتقدير

نحن ممتنون لإدارة النقل بمقاطعة Zhejiang على الدعم المقدم من خلال مشروع R الرئيسي&؛ مشروع بحث وتطوير. تم تمويل هذا البحث من قبل مؤسسة R رئيسية&مشروع إدارة النقل بمقاطعة Zhejiang (ZJXL-SJT-202316A).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
الرابط A / AO، أسفلت Karamayمصدر نفط خام Karamay، الصينغير متاحرابط أسفلتي أساسي
الرابط B / BO، أسفلت CNOOC 36-1مصدر نفط خام بحري CNOOC 36-1، الصينغير متاحرابط أسفلتي أساسي
الرابط C / CO، أسفلت PetroChinaمصدر PetroChina / يعتمد على نفط Boscan الفنزويليغير متاحرابط أسفلتي أساسي
إضافة Evotherm M1 للخلطات الدافئةIngevity / MeadWestvacoEvotherm M1إضافة للخلطات الدافئة لتحضير رابط WMA
مقياس الريومتر للقص الديناميكيMalvernKinexus DSR+يُستخدم لاختبارات مسح درجة الحرارة واختبارات LAS بواسطة DSR
جهاز اختبار فرن الغشاء الرقيق المتدحرجShanghai ChangjiSYD-0610يُستخدم للتقادم قصير المدى
وعاء التقادم بالضغطInstroTekPAV-9300يُستخدم للتقادم طويل المدى
نظام اختبار كلال الانحناء رباعي النقاطCooper Research TechnologySA4PTيُستخدم لاختبارات كلال الخليط المحكومة بالانفعال
إطار تحليل S-VECDتحليل البياناتغير متاحيُستخدم لحساب معاملات التلف المستمدة من LAS
برنامج تحليل البياناتOriginOriginPro 2024يُستخدم لمطابقة الانحدار، وتحليل الارتباط، والرسم البياني

المراجع

  1. Autelitano F, Bianchi F, Giuliani F. Airborne emissions of asphalt/wax blends for warm mix asphalt production. J Clean Prod. 2017;164:749-756.
  2. Bairgi BK, Mannan UA, Tarefder RA. Influence of foaming on tribological and rheological characteristics of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2019;205:186-195.
  3. Chen H, Bahia HU. Modeling effects of aging on asphalt binder fatigue using complex modulus and the Linear Amplitude Sweep test. Int J Fatigue. 2021;146:106150.
  4. Cui B, Gu X, Hu D, et al. A multiphysics evaluation of the rejuvenator effects on aged asphalt using molecular dynamics simulations. J Clean Prod. 2020;259:120629.
  5. Diab A, You Z. Rheological characteristics of nano-sized hydrated lime-modified foamed warm mix asphalt. Pavement Materials, Structures, and Performance. 2014:79-89.
  6. Dong F, Yu X, Wang T, et al. Influence of base asphalt aging levels on the foaming characteristics and rheological properties of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2018;177:43-50.
  7. Fang Y, Zhang Z, Zhang H, et al. Analysis of wetting behavior and its influencing factors of rejuvenator/old asphalt interface based on surface wetting theory. Constr Build Mater. 2022;314:125674.
  8. Ferrotti G, Mancinelli E, Passerini G, et al. Comparison of energy and environmental performance between warm and hot mix asphalt concrete production: A case study. Constr Build Mater. 2024;418:135453.
  9. Gao Z, Fu H, Chen Q, et al. Rheological properties and viscosity reduction mechanism of SBS warm-mix modified asphalt. Pet Sci Technol. 2020;38(6):556-564.
  10. Ge J, Yu H, Qian G, et al. Enhancement mechanism of aggregate surface roughness structure on interfacial properties of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;449:138388.
  11. Guo M, Tan Y, Wang L, et al. A state-of-the-art review on interfacial behavior between asphalt binder and mineral aggregate. Front Struct Civ Eng. 2018;12:248-259.
  12. Hu J, Ma T, Yin T, et al. Foamed warm mix asphalt mixture containing crumb rubber: Foaming optimization and performance evaluation. J Clean Prod. 2022;333:130085.
  13. Huang W, Guo Y, Zheng Y, et al. Chemical and rheological characteristics of rejuvenated bitumen with typical rejuvenators. Constr Build Mater. 2021;273:121525.
  14. Wang C, Chen Y, Xie W. A comparative study for fatigue characterization of asphalt binder using the linear amplitude sweep test. Mater Struct. 2020;53:101.
  15. Jiang Q, Li N, Yang F, et al. Rheology and volatile organic compounds characteristics of warm-mix flame retardant asphalt. Constr Build Mater. 2021;298:123691.
  16. Kheradmand B, Muniandy R, Hua LT, et al. An overview of the emerging warm mix asphalt technology. Int J Pavement Eng. 2014;15(1):79-94.
  17. Li B, Li N, Yu X, et al. Evaluation of the field-aged performance of foamed warm mix asphalt: Comparisons with hot mix asphalt. Case Stud Constr Mater. 2023;18:e01750.
  18. Doković K, Tošović S, Janković K, Šušić N. Physical-mechanical properties of cement stabilized RAP/crushed stone aggregate mixtures. Teh Vjesn. 2019;26(2):385-390.
  19. Liu H, Zhang Z, Li N, et al. Effect of organic montmorillonite on rheological properties of sasobit warm-mix asphalt and analysis of its ultraviolet aging behaviors. J Mater Civ Eng. 2022;34(12):04022339.
  20. Liu N, Liu L, Li M, et al. A comprehensive review of warm-mix asphalt mixtures: Mix design, construction temperatures determination, performance, and life-cycle assessment. Road Mater Pavement Des. 2024;25(7):1381-1425.
  21. Madeira NC, Ferreira PDS, Allochio Filho JOF, et al. Study of thermal aging of model compounds present in asphalt cement by GC/MS, ESI-MS, NMR, and FTIR. Energy Fuels. 2021;35(18):14553-14568.
  22. Menapace I, Cucalon LG, Kaseer F, et al. Application of low-field nuclear magnetic resonance to evaluate asphalt binder viscosity in recycled mixes. Constr Build Mater. 2018;170:725-736.
  23. Pouranian MR, Notani MA, Tabesh MT, et al. Rheological and environmental characteristics of crumb rubber asphalt binders containing non-foaming warm mix asphalt additives. Constr Build Mater. 2020;238:117707.
  24. Qu X, Wang D, Wang L, et al. The State-of-the-Art Review on Molecular Dynamics Simulation of Asphalt Binder. Adv Civ Eng. 2018;1:4546191.
  25. Sabouri M, Mirzaiyan D, Moniri A. Effectiveness of Linear Amplitude Sweep (LAS) asphalt binder test in predicting asphalt mixtures fatigue performance. Constr Build Mater. 2018;171:281-290.
  26. Shi C, Ge J, Yu H, et al. Interfacial adhesion properties and debonding mechanisms in rejuvenated asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;425:135973.
  27. Sukhija M, Saboo N, Pani A. Effect of warm mix asphalt (WMA) technologies on the moisture resistance of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2023;369:130589.
  28. Sun X, Guo D, Li J, et al. Compaction Characteristics of a Foam Asphalt Hot In-Place Recycling Asphalt Mixture. Buildings. 2023;14(1):58.
  29. Tang N, Yang K-K, Alrefaei Y, et al. Reduce VOCs and PM emissions of warm-mix asphalt using geopolymer additives. Constr Build Mater. 2020;244:118338.
  30. Wang W, Cheng H, Sun L, et al. Multi-performance evaluation of recycled warm-mix asphalt mixtures with high reclaimed asphalt pavement contents. J Clean Prod. 2022;377:134209.
  31. Xia W, Dong M, Xu T. Synergistic suppressions of porous warm mix agent and composite flame retardant on combustion and fume release of asphalt pavement. J Clean Prod. 2024;443:141003.
  32. Xiu M, Wang X, Morawska L, et al. Emissions of particulate matters, volatile organic compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons from warm and hot asphalt mixes. J Clean Prod. 2020;275:123094.
  33. Zhang M, Li W, Li Y, Ma Q, Zhao G. Preparation of low rolling resistance modified asphalt and analysis of its rolling resistance and viscoelasticity. Teh Vjesn. 2021;28(4):1297-1305.
  34. Yao Y, Chen H, Li G, et al. Effect of asphalt surface properties and genetic components on ice-asphalt interface adhesion behaviors. Constr Build Mater. 2025;471:140635.
  35. Yu S, Shen S, Steger R, et al. Effect of warm mix asphalt additive on the workability of asphalt mixture: From particle perspective. Constr Build Mater. 2022;360:129548.
  36. Yuan H, Liu J, Ding H, et al. Evaluation of physical hardening of wax-based warm mix asphalt binders from low-temperature rheological properties. Constr Build Mater. 2024;419:135496.
  37. Zhang S, Wang D, Guo F, et al. Properties investigation of the SBS modified asphalt with a compound warm mix asphalt (WMA) fashion using the chemical additive and foaming procedure. J Clean Prod. 2021;319:128789.
  38. Medjdoub A, Abdessemed M. Tests on the influence of cyclic loading and temperature on the behavior of flexible pavement reinforced by geogrids with numerical simulation. Teh Vjesn. 2023;30(2):521-529.
  39. Milad A, Babalghaith AM, Al-Sabaeei AM, et al. A comparative review of hot and warm mix asphalt technologies from environmental and economic perspectives: towards a sustainable asphalt pavement. Int J Environ Res Public Health. 2022;19(22):14863.
  40. Zhang F, Zhu J, Sun Y, et al. Effect analysis of using tall oil pitch (TOP) to partially extend bitumen in asphalt pavements: Comparison of different TOPs. Road Mater Pavement Des. 2025:1-20.
  41. Zhang F, Cannone Falchetto A, Wang D, et al. Prediction of asphalt rheological properties for paving and maintenance assistance using explainable machine learning. Fuel. 2025;396:135319.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.