Skalenübergreifende Charakterisierung von Ermüdungsschäden in Warmmischasphalt auf Basis von Linear Amplitude Sweep- und Vier-Punkt-Biegeversuchen

Zusammenfassung

Diese Studie etabliert einen robusten, über verschiedene Skalen reichenden Rahmen, der die Schädigungsmechanik des Bindemittels mit dem Ermüdungsverhalten des Gemischs verknüpft, und zeigt, dass die Parameter aus der linearen Amplitudenabtastung – vereinfachte viskoelastische Kontinuumsschädigung (LAS–S-VECD) eine zuverlässige, mechanistisch begründete Grundlage zur Vorhersage und Auslegung langlebiger Warmmischasphaltsysteme bieten.

Zusammenfassung

Ermüdungsrisse sind ein entscheidender Faktor für die Langzeitdauerhaftigkeit von Asphaltdeckschichten, während der übergeordnete Zusammenhang zwischen dem Ermüdungsverhalten des Bitumens und der Ermüdungsleistung des Gemischs für Warmmischasphalt (WMA) bisher unzureichend verstanden ist. In dieser Studie wurden die Ermüdungseigenschaften von WMA systematisch auf Ebene des Bitumens und des Gemischs untersucht, um quantitative übergeordnete Korrelationen herzustellen. Dynamische Scherrheometer-(DSR-)Tests und Linear-Amplitude-Sweep-(LAS-)Tests, die mithilfe des vereinfachten viskoelastischen Kontinuumschadensmodells (S-VECD) ausgewertet wurden, kamen zum Einsatz, um die rheologischen Eigenschaften und die Schädigungsfortschreitung von Bitumen unterschiedlicher Herkunft zu charakterisieren. Die Ermüdungsleistung auf Gemischsebene wurde mittels dehnungsgeführten Vierpunkt-Biegeermüdungstests bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass Alterung die Steifigkeit des Bitumens signifikant erhöht und die Ermüdungsdegradation beschleunigt, wobei der Ermüdungsfaktor G*·sin δ nach Langzeitalterung um etwa 150–250 % ansteigt. Die Wirksamkeit der Warmmischmodifizierung auf Bitumenebene war stark abhängig vom jeweiligen Bitumen, was sich in einer Verringerung des Schädigungsgeschwindigkeitskoeffizienten um 8–13 % bei Bitumen A und B, jedoch einer Zunahme um etwa 11 % bei Bitumen C widerspiegelte. Herkömmliche rheologische Kenngrößen wie sin δ erwiesen sich als wenig zuverlässig und materialabhängig bei der Vorhersage der Ermüdungslebensdauer des Gemischs, während aus LAS–S-VECD abgeleitete Schädigungsparameter durchgängig starke Korrelationen mit der Ermüdungsleistung auf Gemischsebene aufwiesen. Insgesamt zeigt diese Studie, dass die auf LAS–S-VECD basierende Schädigungscharakterisierung des Bitumens eine solide Grundlage für die Vorhersage des Ermüdungswiderstands des Gemischs bietet und deren Anwendung im leistungsbasierten Mischungsdesign für dauerhafte und nachhaltige WMA-Deckschichten unterstützt.

Einleitung

Die konventionelle Asphaltstraßenbauweise beruht auf Hochtemperaturverarbeitung, die typischerweise zwischen 160 °C und 180 °C liegt und bei modifizierten Bindemitteln wie gummierter Asphalt oder leistungsfähigem polymermodifiziertem Bitumen über 190 °C steigt. Bei speziellen Anwendungen, beispielsweise bei Fahrbahndecken auf Stahlbrücken, können die Einbauteperaturen der Mischung vor Ort sogar 200 °C überschreiten¹. Diese extremen thermischen Bedingungen führen zu erheblichem Verbrauch fossiler Brennstoffe und verursachen bedeutende atmosphärische Emissionen, darunter Treibhausgase sowie schädliche Asphaltgase, die reich an benzollöslichen Verbindungen und karzinogenen polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (z. B. Benzo[a]pyren) sind^2,3. Frühere Studien haben durchgängig gezeigt, dass eine Senkung der Temperaturen bei der Asphaltproduktion und -verdichtung den Brennstoffverbrauch, die CO₂-Emissionen sowie die berufsbedingte Exposition gegenüber Asphaltgasen verringern kann, wobei das Ausmaß dieser Vorteile von der Mischungsart, der Anlagenkonfiguration, der Additivdosierung und den baulichen Bedingungen vor Ort abhängt. Neuere Untersuchungen haben das Verständnis des Asphaltverhaltens unter verschiedenen Modifikationen und Einsatzbedingungen weiter vertieft. Es wurde berichtet, dass der Zusatz von Calciumlignosulfonat in Asphaltmischungen die thermo-oxidative Alterung wirksam verzögern kann, indem Oxidationsreaktionen gehemmt und die kolloidale Struktur der Asphaltbindemittel stabilisiert werden.

Hinsichtlich des Bruchverhaltens haben Untersuchungen von Heißmischasphalt (HMA) und Warmmischasphalt (WMA) unter reinen Beanspruchungsbedingungen der Mode-I- und Mode-II-Ladung gezeigt, dass die Art der Beanspruchung eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Bruchzähigkeit und Energieabsorption bei niedrigen Temperaturen spielt. Die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit wurde ebenfalls ausführlich in gummi-modifizierten Asphaltsystemen untersucht, wobei recycelte Gummimaterialien die Beständigkeit gegenüber feuchtigkeitsbedingten Schäden verbessern, und der optimale Gummigehalt kann durch kombinierte mechanische und wirtschaftliche Bewertungsansätze ermittelt werden. Bezüglich des Hochtemperaturverhaltens wurde modifizierter Steinosphalt (SMA) mittels dynamischer Kriechversuche und des Hamburg-Rolltestgeräts bewertet, wobei sich bestätigte, dass die Mischungsmodifikation die Widerstandsfähigkeit gegen Spurrinnenbildung deutlich verbessert. Darüber hinaus haben Studien basierend auf semikreisförmigem Biegen (SCB) an Asphaltmischgut mit recycelten Zusatzstoffen bemerkenswerte Verbesserungen der Bruchfestigkeit in Mode I sowie der Beständigkeit gegen Feuchteschäden gezeigt, was die synergistischen Effekte recycelter Materialien auf die Ermüdungs- und Dauerhaftigkeitsleistung unterstreicht. Folglich hat sich die Entwicklung von Asphalttechnologien für niedrige Temperaturen als entscheidender Weg hin zu nachhaltigem Straßenbau und umweltverträglichen Infrastruktursystemen herauskristallisiert.

Die Technologie des warmen Mischasphalts (WMA), die durch die Zugabe von chemischen Additiven, organischen Wachsen oder Schäumverfahren erreicht wird, ermöglicht eine effektive Mischungsherstellung bei Temperaturen im Bereich von typischerweise 90 °C bis 130 °C – eine Senkung um 30–50 °C im Vergleich zum herkömmlichen Heißmischasphalt (HMA)⁴. Neben den gut dokumentierten Vorteilen bei der Verringerung des Energiebedarfs und der Schadstoffemissionen spielt WMA eine entscheidende Rolle bei der Minderung der thermo-oxidativen Alterung von Asphaltbindemitteln während der Herstellung und Verarbeitung. Die Alterung von Asphalt wird durch temperaturabhängige chemische Kinetik bestimmt, wobei die Oxidationsraten sich etwa verdoppeln, wenn die Temperatur um jeweils 10 °C ansteigt^5,6. Höhere Temperaturen beschleunigen Verdampfung, Oxidation und Polymerisationsreaktionen, wodurch Malten kontinuierlich in starre Asphalten umgewandelt werden, was zu einer erhöhten Steifigkeit des Bindemittels und einer verminderten Duktilität führt⁷. Durch die Absenkung der Herstellungstemperaturen unterdrückt WMA diese schädlichen Reaktionen, erhält die viskoelastischen Eigenschaften des Bindemittels und kann die Langzeit-Ermüdungsbeständigkeit verbessern⁸.

Obwohl die umweltbedingten und baulichen Vorteile von WMA ausführlich beschrieben wurden, bleiben systematische Untersuchungen zu ihrem Ermüdungsverhalten unter Alterungsbedingungen vergleichsweise begrenzt. Insbesondere Asphaltbindemittel, die aus verschiedenen Erdölsorten stammen – wie beispielsweise aus Karamay, Offshore-CNOOC und CNPC-Rohstoffen – weisen deutliche Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung auf, einschließlich Gehalt an Asphaltinen, Verteilung der Harze, aromatischen Anteilen und Sättigungsgrad⁹. Diese Unterschiede in der Zusammensetzung gelten weithin als grundlegende Bestimmungsfaktoren für das rheologische Verhalten, die Alterungsanfälligkeit und die Ermüdungsfestigkeit¹⁰. Dennoch unterscheiden bestehende Ermüdungsstudien selten zwischen Bindemitteln unterschiedlicher Herkunft, was zu einem unvollständigen Verständnis darüber führt, wie die quellabhängige Chemie das Ermüdungsverhalten beeinflusst, insbesondere unter kumulativer Alterung, wie sie in Betriebsbedingungen auftritt^11,12. Aus ingenieurtechnischer Sicht wäre eine zuverlässige Bewertungsmethode für die Ermüdung auf Bindemittelskala besonders nützlich für die vorläufige Materialauswahl, die Auswahl von Warmmisch-Zusätzen, die Beurteilung der Alterungsanfälligkeit sowie die Qualitätskontrolle vor der Verifikation auf Mischungsebene. Dennoch sollte LAS–S-VECD nicht als vollständiger Ersatz für Ermüdungstests auf Mischungsebene betrachtet werden, da auch die Gesteinskornabstufung, Luftgehalte, Bindemittel-Gesteins-Wechselwirkungen, Verdichtungsqualität und Feldalterung das Ermüdungsverhalten von Fahrbahnen beeinflussen können. Außerdem ist der Zusammenhang zwischen Ermüdungskennwerten auf Bindemittelskala und dem Ermüdungsverhalten auf Mischungsebene für unterschiedliche Asphaltquellen bisher nicht abschließend belegt¹³. Obwohl rheologische Tests wie die Linear Amplitude Sweep (LAS) vielversprechend für die Charakterisierung von Ermüdungsschäden im Bindemittel sind, bleibt ihre Vorhersagegenauigkeit hinsichtlich der Ermüdungsdauer der Mischung – insbesondere für Bindemittel unterschiedlicher chemischer Herkunft – unzureichend validiert¹⁴. Diese Diskrepanz beeinträchtigt die Genauigkeit laborbasierter Leistungsvorhersagen und erschwert eine rationale Materialauswahl in der Ingenieurpraxis¹⁵.

Um diese kritischen Wissenslücken zu schließen, führt diese Studie eine umfassende, mehrskalige Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Warmmisch-Modifikationsasphaltbindemitteln durch, die aus drei unterschiedlichen Erdölkörpern stammen¹⁶. Durch die Integration von Analysen am dynamischen Scherrheometer (DSR), Linear Amplitude Sweep (LAS)-Prüfungen im Rahmen des Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD)-Modells sowie vierpunktigen Biegeermüdungsprüfungen auf Mischungsebene wird systematisch der Einfluss der Herkunft des Erdöls, der Warmmisch-Modifizierung und der Alterung auf die Ermüdungsbeständigkeit bewertet^17,18,19. Die Ergebnisse zielen darauf ab, belastbare korrelative Zusammenhänge zwischen Bindemittelrheologie und Mischungsverhalten über verschiedene Skalen hinweg zu etablieren, eine mechanistische Grundlage für die Vorhersage der Ermüdungslebensdauer zu schaffen und praktische Hinweise für die Entwicklung und Auswahl nachhaltiger Asphaltmaterialien zu geben.

Diese Studie stellt einen übergeordneten Ansatz zur Ermüdungskennwertermittlung für warme Asphaltmischungen vor, der die Analyse des Bindemittels auf mikroskopischer Ebene mittels LAS–S-VECD mit Ermüdungsversuchen an der Mischung im Vierpunktbiegeversuch auf makroskopischer Ebene verbindet. Im Vergleich zu früheren Arbeiten, die sich hauptsächlich entweder auf die rheologische Bewertung des Bindemittels oder die Leistungsbeurteilung der Mischung beschränkten, schafft die vorliegende Arbeit einen direkten mechanistischen Zusammenhang zwischen der vom Rohöl abhängigen Bindemittelchemie, der Modifizierung für warme Mischverfahren und dem Ermüdungsverhalten der Mischung unter Alterungsbedingungen. Die Neuheit dieser Studie zeigt sich in drei Aspekten: (i) die explizite Einbeziehung des Rohölherkunftslandes als bestimmende Variable für das Ermüdungsverhalten; (ii) die systematische korrelative Verknüpfung der Schädigungsentwicklung im LAS–S-VECD-Verfahren mit der Ermüdungsdauer der Mischung; und (iii) die einheitliche Bewertung der Wirkung von Modifikationen für warme Mischverfahren auf sowohl Bindemittel- als auch Mischungsebene. Die Ergebnisse zeigen, dass aus dem LAS–S-VECD-Verfahren abgeleitete Schädigungsparameter zuverlässige Vorhersagegrößen für das Ermüdungsverhalten der Mischung darstellen und eine mechanistisch fundiertere Alternative zu herkömmlichen rheologischen Kennzahlen bieten. Diese Erkenntnisse schaffen eine wissenschaftliche Grundlage für die leistungsorientierte Bewertung und Entwicklung nachhaltiger Asphaltmischsysteme im Warmmischverfahren.

Protokoll

Materialien
Die drei in dieser Studie ausgewählten Asphaltbindemittel, wie in Tabelle 1 zusammengefasst, sind repräsentative Straßenbau-Bindemittel, die aus unterschiedlichen Rohölsorten stammen und in der praktischen Straßenbau-Technik in China weit verbreitet sind. Karamay-Asphalt, CNOOC-36-1-Asphalt und PetroChina-Asphalt unterscheiden sich deutlich in ihrer Herkunft, chemischen Zusammensetzung, Alterungsanfälligkeit und rheologischen Eigenschaften und bieten somit eine geeignete Materialgrundlage zur Untersuchung der rohölabhängigen Ermüdungsverhalten. Ihre Auswahl ermöglicht eine vergleichende Bewertung, wie die intrinsische Zusammensetzung des Bindemittels die Wirksamkeit der Warmmisch-Modifizierung sowie das ermüdungsmechanische Verhalten auf Mischungsebene beeinflusst, wodurch die ingenieurtechnische Relevanz des vorgeschlagenen übergeordneten Ermüdungskennwert-Frameworks erhöht wird. Detaillierte geologische Herkunft und chemische Eigenschaften jedes Bindemittels sind wie folgt:

Bindemittel A: Gewonnen aus Schweröl-Rohstoffen der 9. Zone, hergestellt durch einen Mischprozess aus Vakuumrückstand und entöltem Asphalt. Das Ausgangsmaterial weist besondere Eigenschaften auf, darunter einen geringen Paraffingehalt (<2 %), eine minimale Schwefelkonzentration und einen hohen Harzanteil. Bemerkenswert ist, dass Karamay-Asphalt das einzige Straßenbaubindemittel mit einer Dichte unter 1 g/cm³ in aktuellen technischen Anwendungen ist und über eine hervorragende dynamische Viskosität sowie eine ausgezeichnete Dehnbarkeitsbeständigkeit nach Alterung verfügt. Diese Eigenschaften machen ihn besonders geeignet für Regionen mit starken täglichen Temperaturschwankungen und intensiver UV-Belastung.

Binder B: Stammt aus dem seltenen schweren Rohöl, das aus dem Offshore-Ölfeld Suizhong 36-1 gewonnen wird, und weist durch die Raffination eine hohe Bitumenausbeute von 56 % auf. Der Einsatzstoff wird als schwefelarmes, naphthenisches Schweröl mit hohem Säurewert klassifiziert, was zu einem aufbereiteten Bindemittel mit hoher Dichte (1,012 g/cm³), geringem Paraffingehalt (1,8 %) und erhöhtem Harzanteil führt. Diese Eigenschaften verleihen dem Bindemittel eine ausgezeichnete Kälteflexibilität, wodurch es sich für Anwendungen in kalten Umgebungen besonders eignet.

Bindemittel C: Wird hauptsächlich unter Verwendung von venezolanischem Boscan-Schweröl als Basisrohstoff formuliert und erreicht über spezialisierte Raffinationsverfahren eine Produktionsausbeute von 60 %. Dieses Rohöl weist einzigartige geochemische Merkmale auf, darunter einen hohen Säuregehalt, signifikante Konzentrationen von Schwermetallen und ein starkes Potenzial zur Bildung von Kohlenstoffrückständen. Das Bindemittel zeigt eine atypische Kohlenwasserstoffzusammensetzung, gekennzeichnet durch geringe Anteile an gesättigten Kohlenwasserstoffen, angereicherte Harz-Asphaltene-Komplexe und einen bemerkenswert niedrigen Paraffingehalt (1,3 %).

In dieser Untersuchung wurden die drei Basisasphaltbindemittel als AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) und CO (PetroChina) bezeichnet. Entsprechende WMA-Bindemittel wurden durch Zugabe des Additivs Evotherm M1 hergestellt und als AP, BP bzw. CP codiert²⁰. Umfassende Leistungsindizes, einschließlich Penetration, Erweichungspunkt und Duktilität, wurden gemäß den Vorgaben der Norm JTG E20-2011²¹ geprüft, wobei detaillierte vergleichende Daten in Tabelle 1 dargestellt sind. Alle experimentellen Verfahren wurden streng nach den standardisierten Protokollen durchgeführt, die in den Technischen Vorschriften für Asphalt und bituminöse Mischungen im Straßenbau festgelegt sind.

Projekt	Einheit	Karamay	CNOOC	CNPC
Eindringtiefe	0,1 mm (15 °C)	22	22	24
	0,1 mm (25 °C)	72	68	71
	0,1 mm (30 °C)	112	110	116
PI	－	-1,14	-1,2	-0,81
TR&B	°C	46	46,5	47,5
Dynamische Viskosität (60 °C)	Pa·s	223,5	230	256,9
Duktilität (10 °C, 5 cm/min)	cm	>100	>100	52
Wachsgehalt	%	1,9	1,8	1,3
Flammpunkt (COC)	℃	278	287	312
Löslichkeit	%	99,5	99,7	99,8
Dichte (15 °C)	g/cm³	0,977	1,012	1,049
RTFOT	Massenänderung (%)	0,05	0,06	-0,07
	Resteindringtiefe-Verhältnis (%)	66,2	67,4	64,8
	Restduktilität (10 °C, cm)	13	12	9

Tabelle 1: Wichtige technische Parameter von bituminösen Bindemitteln. Tabelle 1 fasst die wichtigsten technischen Parameter von bituminösen Bindemitteln zusammen, einschließlich physikalischer Eigenschaften, Temperaturempfindlichkeit, rheologischer Kenngrößen und Leistung bei kurzzeitiger Alterung, um ihre grundlegenden Eigenschaften und Haltbarkeit zu bewerten.

Der WMA-Herstellungsprozess umfasste ein streng kontrolliertes mehrstufiges Protokoll, das darauf ausgelegt war, die Reproduzierbarkeit der Bindemodifizierung sicherzustellen. Das Basisasphaltbindemittel wurde zunächst 60 min lang in einem Umluftofen bei 135 ± 2 °C erhitzt, um einen stabilen geschmolzenen Zustand zu erreichen, gefolgt von einer 30-minütigen Gleichgewichtseinstellung, um thermische Gradienten auszugleichen. Alle Erhitzungsvorgänge wurden in verschlossenen Behältern unter Stickstoffschutz (Durchflussrate: 0,5 L/min) durchgeführt, um eine oxidative Alterung während der Temperaturbehandlung zu minimieren.

Das Additiv Evotherm M1 wurde anschließend bei 135 ± 2 °C unter kontinuierlichem mechanischem Rühren mit 300 U/min für 5 Minuten vor der Hochscherverarbeitung zugegeben, um eine initiale Dispersion der Tensidphase sicherzustellen. Danach erfolgte das Hochscherrühren mittels eines Rotor-Stator-Homogenisators bei 3000 U/min über einen Zeitraum von 25 Minuten, wobei die Bindertemperatur mithilfe einer externen Ölbadtemperierungsanlage (±1 °C Genauigkeit) im Bereich von 135–140 °C gehalten wurde. Während des gesamten Mischvorgangs wurde die Temperatur kontinuierlich mit einem kalibrierten Thermoelement vom Typ K überwacht, das in die Bindermatrix eingeführt war; Temperaturschwankungen von mehr als ±2 °C lösten eine automatische Heizregelung aus. Der modifizierte Binder wurde danach einem kontrollierten Abkühlverfahren auf 25 °C mit einer Abkühlrate von 5 °C/min unterzogen, bevor anschließende Prüfungen oder kurzfristige Lagerung erfolgten. Das Scherprotokoll orientierte sich an der Viskositäts-Temperatur-Beziehung von Asphaltbindemitteln und gewährleistete, dass alle Proben unter vergleichbaren Schergeschichtsbedingungen hergestellt wurden. Diese strenge thermomechanische Kontrolle garantiert eine hohe Reproduzierbarkeit und minimiert die Variabilität bei der Herstellung von WMA-Bindemitteln.

Prüfung mit dynamischem Scherrheometer (DSR)
Zur Charakterisierung des rheologischen Verhaltens und der ermüdungsbedingten Eigenschaften von Asphaltbindemitteln, die mit Zusätzen für warme Mischungen modifiziert wurden, wurden Prüfungen mit einem dynamischen Scherrheometer (DSR) unter Verwendung eines temperaturgeregelten Rotationsrheometers gemäß ASTM D7175²² durchgeführt. Die rheologische Bewertung konzentrierte sich auf das Ermüdungsverhalten bei mittleren Temperaturen, das eng mit der Rissbildung und -ausbreitung in Asphaltdeckschichten verbunden ist.

Der Ermüdungsfaktor G*sin δ²³, der weithin als Indikator für die Ermüdungsanfälligkeit auf Bindemittelsebene anerkannt ist, wurde verwendet, um Veränderungen im viskoelastischen Dissipationsverhalten infolge der Warmmischmodifizierung und Alterung zu quantifizieren. Temperaturscan-Tests wurden im Bereich von 58–82 °C mit Temperaturschritten von 6 °C durchgeführt. Bei jeder Zieltemperatur wurden die Proben 10 Minuten lang zur Erzielung thermischer Stabilität akklimatisiert, bevor die Datenaufnahme erfolgte. Um den Einfluss der Alterung auf die rheologischen Eigenschaften zu untersuchen, wurden die Bindemittelproben drei Alterungsbedingungen unterzogen: unbealtert, Alterung im Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) sowie kombinierte RTFOT- und Pressure Aging Vessel (PAV)-Alterung ²⁴. Diese Alterungsprotokolle dienten der Simulation der kurzzeitigen Alterung während der Herstellung und Verlegung sowie der langzeitigen Alterung während des betrieblichen Einsatzes der Fahrbahn. Die Entwicklung von G*sin δ in Abhängigkeit von Temperatur und Alterungsbedingung wurde analysiert, um die Ermüdungsbeständigkeit verschiedener Bindemittel zu bewerten.

Vor jedem DSR-Test wurde die Bindemittelprobe nach dem Einlegen zwischen die parallelen Platten sorgfältig beschnitten, um ein gleichmäßiges Kantenprofil sicherzustellen. Die Probe wurde vor der Messung für 10 min auf die Zieltemperatur temperiert. Die Prüfung erfolgte im Bereich von 58–82 °C in Schritten von 6 °C. Ein gültiger Test wurde bestätigt, wenn das gemessene Drehmoment und die Verformung innerhalb des vom Hersteller empfohlenen Arbeitsbereichs des Instruments lagen und kein sichtbares Verrutschen der Probe auftrat.

Lineare Amplitudenscan-(LAS-)Prüfung
Die Charakterisierung des viskoelastischen Verhaltens erfolgte gemäß den ASTM D7175-Vorgaben für die dynamisch-mechanische Analyse²⁵. Die experimentelle Methodik umfasste Amplitudenscans über die Dehnung, um die Grenzen des linearen viskoelastischen Bereichs zu bestimmen, gefolgt von frequenzgesteuerten Messungen bei 10 rad/s²⁶. Temperaturabhängige Untersuchungen deckten das Betriebstemperaturspektrum von Asphaltdeckschichten (58–82 °C) ab und wurden in 6 °C-Schritten durchgeführt, wobei an jedem isothermen Abschnitt 10 Minuten zur Erreichung des thermischen Gleichgewichts eingeplant wurden. Das AASHTO T391-Protokoll wurde angewandt, um die Schädigungsakkumulation des Bindemittels anhand der Entwicklung der dissipierten Energie zu quantifizieren, insbesondere durch Überwachung des viskoelastischen Dissipationsfaktors (|G*|sinδ) während zyklischer Belastung^27,28. Der vereinfachte viskoelastische Kontinuumsschädigungsansatz (S-VECD) wurde übernommen, um die Abbaumuster bituminöser Verbundwerkstoffe vorherzusagen²⁹. Das LAS-Protokoll führt einen oszillierenden Amplitudenscan bei einer festen Frequenz von 10 Hz durch und appliziert eine gesteuerte Dehnungssteigerung von 0,1 % bis 30 % mit Inkrementen von 0,1 % Auflösung.

Wichtige viskoelastische Parameter wurden mithilfe der folgenden Gleichungen ermittelt:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

wo G''ω) ist das Verlustmodul, ω ist die Winkelgeschwindigkeit, m und b sind Anpassungskoeffizienten, G'ω) ist das Speichermodul, G*ω) ist das komplexe Modul, δ(ω) ist der Phasenwinkel und ist der viskoelastische Index.

Zur Quantifizierung der Schäden wurde die in Gleichung (4) ausgedrückte grundlegende Beziehung verwendet:

(4)

In der Formel: C(t)—der Integritätsparameter, C(t)=G^* (t)/G^* (Anfang), G^* – komplexer Modul (MPa);

γ_0—Angelegte Dehnung (%);
t—Prüfdauer (s)

Die zeitliche Entwicklung der Schadensmetrik D(t) und des Strukturintegritätskoeffizienten C(t) wird mathematisch durch eine Potenzgesetz-konstitutive Beziehung (Yuan 2024) parametrisiert:

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

In der Formel: C0​ steht für den anfänglichen Integritätsparameter (normalerweise gleich 1), C1, C2 — Anpassungsparameter.

Berechnen Sie den Ermüdungsschadenswert unter Verwendung des Konzepts des Schubspannungs-Höchstwerts:

(6)

Cpeak ist der Integritätsparameter, der dem Punkt der maximalen Scherspannung entspricht.

Die Formel zur Berechnung der Ermüdungslaufzeit lautet:

N_f = A(γ_max)^-B (7)

In der Formel: A, B—koeffizientenbezogen zur Ermüdung,

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

B=2a, Frequenz der Kraftaufbringung;
γ_max — erwartete maximale Dehnungsstufe (%)

Um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse sicherzustellen, wurden alle Versuche auf Binderskala und Mischungsskala mit mindestens drei unabhängigen Wiederholungen (n = 3) pro Bedingung durchgeführt. Die angegebenen Ergebnisse stellen die Mittelwerte der wiederholten Messungen dar. Die Variabilität der experimentellen Daten wurde anhand der Standardabweichung (SD) bewertet, und Fehlerbalken sind in allen relevanten Abbildungen angegeben, um die statistische Streuung widerzuspiegeln. Für die Parameter der LAS–S-VECD, die rheologischen Indizes der DSR sowie die Ermüdungslebensdauer aus Vierpunkt-Biegeversuchen wurde zusätzlich der Variationskoeffizient (COV) berechnet, um die Datenkonsistenz zu beurteilen.

In allen Fällen wurden statistische Unterschiede zwischen modifizierten und nicht modifizierten Bindemitteln untersucht, um sicherzustellen, dass die beobachteten Trends nicht auf experimentelle Streuung zurückzuführen sind, sondern statistisch signifikante Unterschiede im Ermüdungs- und rheologischen Verhalten darstellen.

Vierpunkt-Biege-Ermüdungsprüfung
Zur Validierung von Ermüdungskennwerten auf Bindemittelniveau und zur Herstellung von korrelativen Aussagen über verschiedene Skalen hinweg wurden Vierpunkt-Biegeermüdungsversuche an Asphaltmischungen durchgeführt, die auf Basis einer AC-16C-Korngrößenverteilung hergestellt wurden^30,31. Die Korngrößenverteilung, die scheinbare Dichte, die volumetrische spezifische Schwerkraft und die Wasseraufnahme jeder Gesteinskornfraktion sowie die Eigenschaften des mineralischen Füllstoffs sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Der Bitumengehalt aller Mischungen wurde konstant bei 4,8 % festgelegt, um eine Vergleichbarkeit zwischen den verschiedenen WMA-Formulierungen zu gewährleisten.

Siebgröße (mm)	Aggregatkategorie					Synthetische Kornverteilung (%)
	1# (10~20 mm, 29 %)	2# (5~10 mm, 29,2 %)	3# (3~5 mm, 17 %)	4# (0~3 mm, 19 %)	Mineralisches Pulver (5,8 %)
0,075	0	0,1	0	0,9	90,8	5,5
0,15	0,1	0,1	0	4,9	95,3	6,5
0,3	0,1	0,2	0	13	98,7	8,3
0,6	0,1	0,2	0	25,2	99,7	10,6
1,18	0,1	0,2	0	47,8	100	15
2,36	0,1	0,5	0	100	100	25
4,75	0,8	15,5	98,9	100	100	46,4
9,5	15,2	99,5	100	100	100	75,2
13,2	68,4	99,8	100	100	100	90,8
16	94,8	100	100	100	100	98,5
19	100	100	100	100	100	100
Scheinbare relative Dichte	2,899	2,918	2,845	2,754	2,872	2,865
SSD-relative Dichte	2,854	2,847	2,816	2,691	－	2,814
Losgewichtspezifisches Gewicht	2,829	2,81	2,8	2,655	－	2,787
Wasseraufnahmerate des Aggregats (%)	0,85	1,32	0,56	1,36	－	－

Tabelle 2: Klassifizierung der Gesteinskörnungen in einer Warmmischasphaltmasse. Tabelle 2 zeigt die Korngrößenverteilung der Gesteinskörnungen in der Warmmischasphaltmasse, einschließlich der Anteile verschiedener Gesteinskörnungsfraktionen, des Gehalts an mineralischem Puder, der synthetischen Korngrößenkurve und der physikalischen Eigenschaften der Gesteinskörnungen. Die Tabelle enthält die geplante Korngrößenverteilung sowie die grundlegenden Eigenschaften der in der Asphaltmasse verwendeten Gesteinskörnungen.

Vierpunkt-Biegeermüdungsversuche wurden mit einem Cooper-Prüfgerät unter dehnungs­gesteuerten Belastungsbedingungen durchgeführt, um die Ermüdungsbeständigkeit von Warmmischasphalt (WMA) zu bewerten³². Als Versagenskriterium wurde die Anzahl der Belastungszyklen definiert, die erforderlich war, damit die Biegesteifigkeit auf 50 % ihres Anfangswerts abfiel. Gemäß dem etablierten Prüfprotokoll³³ wurde eine zyklische Belastung in Form einer kontinuierlichen sinusförmigen Welle mit einer Frequenz von 10 Hz unter isothermen Bedingungen von 15 °C aufgebracht. Alle Versuche wurden ohne Ruhephasen durchgeführt, um eine unterbrechungsfreie Energiezufuhr während der Ermüdungsbelastung sicherzustellen^34,35.

Balkenproben wurden gemäß den standardmäßigen Maßanforderungen hergestellt, mit einer Länge von 381 ± 6,35 mm, einer Breite von 63,5 ± 6,35 mm und einer Höhe von 50,8 ± 6,35 mm³⁶³⁷. Unter dehnungs­gesteuerten Bedingungen wurde die Ermüdungsleistung durch Auftragen von Ermüdungskennlinien für Proben mit unterschiedlichen WMA-Formulierungen in einem doppeltlogarithmischen Koordinatensystem charakterisiert³⁸. Anschließend wurde ein Potenzgesetz-Modell aufgestellt, und eine nichtlineare Regressionsanalyse wurde verwendet, um die Ermüdungsdaten der verschiedenen Asphaltmischungen anzupassen, was die Grundlage für die anschließende Modellierung der Ermüdungsdauer und den vergleichenden Analysen bildete^39,40,41. Die Balkenprobe wurde symmetrisch in der Vierpunkt-Biegevorrichtung befestigt, und vor der Belastung wurde der Kontakt zwischen den Ladeklammern und der Probenoberfläche überprüft. Der Versuch wurde bei 15 °C unter dehnungs­gesteuerter sinusförmiger Belastung mit 10 Hz ohne Ruhephasen durchgeführt. Als Versuchsende wurde die Anzahl der Zyklen definiert, bei der die Biegesteifigkeit auf 50 % ihres Anfangswerts abfiel. Versuche galten als gültig, wenn der Bruch innerhalb des Messabschnitts auftrat und kein ungewöhnliches Abrutschen der Klammern oder ein plötzlicher, nicht ermüdungsbedingter Bruch beobachtet wurde. Alle quantitativen Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung (Mittelwert ± SD) angegeben, wobei die Stichprobengröße n = 3 für alle Versuchsgruppen betrug, sofern nicht anders angegeben.

Ergebnisse

Rheologische Eigenschaften von WMA
Die Asphalt-Zuschlagstoff-Grenzfläche wird weithin als primärer Ursprungsort von Ermüdungsrissen anerkannt. Demzufolge ist der ermüdungsbezogene rheologische Parameter Gsin δ, gemessen bei mittleren Betriebstemperaturen, wurde zur Bewertung der Ermüdungsleistung von Warmmischasphalt (WMA) Bindemitteln herangezogen. Abbildung 1 zeigt die Variation von Gsin δ für die ursprünglichen und warmgemischten modifizierten Bindemittel von Asphalt A, Asphalt B und Asphalt C. Alle quantitativen Ergebnisse werden als Mittelwert angegeben ± SD basierend auf drei Wiederholungsmessungen (n = 3). Statistische Vergleiche zwischen den ursprünglichen und den warmgemischten modifizierten Bindemitteln bei gleicher Temperatur wurden mittels eines t-Tests für unabhängige Stichproben durchgeführt, und Unterschiede wurden als signifikant angesehen bei p < 0,05. Wie in gezeigt Abbildung 1, Gsin δ nimmt für alle Asphaltbindemittel kontinuierlich mit steigender Temperatur ab, was auf eine verminderte Ermüdungssteifigkeit bei höheren mittleren Temperaturen hinweist. Bei Asphalt A weist AP deutlich höhere Gsin δ höhere Werte als AO im getesteten Temperaturbereich von 16–25 ˚ Cp = 0,025 (Bereich: 0,018–0,032), abnehmend von 7685 ± 126 bis 2480 ± 84 kPa, während AO von 5580 abnimmt ± 112 bis 1535 ± 76 kPa. Ebenso weist BP signifikant höhere Werte auf Gsin δ höhere Werte als BO von 22 bis 28 (p = 0,021 (Spannweite: 0,011–0,027), wobei der BP von 7980 abnahm ± 138 bis 3985 ± 105 kPa und BO abnehmend von 6120 ± 120 bis 1725 ± 82 kPa. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Warmmisch-Zusatzmittel den Ermüdungsfaktor der Asphalte A und B erhöht, was zu einer größeren viskosen Energie-Dissipation und möglicherweise zu einer höheren Ermüdungsanfälligkeit auf Bindemittelsebene führt. Im Gegensatz dazu zeigt Asphalt C nur einen geringen Unterschied zwischen CO und CP; obwohl CP bei derselben Temperatur leicht höher liegt als CO, ist der Unterschied bei den meisten Temperaturen nicht statistisch signifikantp = 0,086–0,214). Insbesondere nimmt CP von 13,420 ab ± 185 bis 4420 ± 96 kPa, während CO von 13.080 abnimmt ± 172 bis 4350 ± 91 kPa, was darauf hinweist, dass der Warmmisch-Zusatz einen begrenzten Einfluss auf das ermüdungsbedingte rheologische Verhalten von Asphalt C hat. Insgesamt zeigen die drei Bindemittel unterschiedliche Reaktionen auf die Warmmisch-Modifizierung, was den Einfluss der Asphaltherkunft auf die Ermüdungsleistung widerspiegelt. Die Asphalte A und B reagieren empfindlicher auf den Warmmisch-Zusatz, während Asphalt C nach der Modifizierung eine relativ stabile Ermüdungswiderstandsfähigkeit beibehält.

Im Gegensatz dazu zeigt Asphalt C keine signifikante Änderung von G*sin δ nach der Warmmischmodifizierung, was darauf hindeutet, dass das Warmmischadditiv nur einen geringen Einfluss auf die ermüdungsbezogenen rheologischen Eigenschaften ausübt. Diese Beobachtung legt nahe, dass die intrinsische chemische Zusammensetzung von Asphalt C die viskoelastische Antwort dominiert und dadurch die Empfindlichkeit der ermüdungsbezogenen Parameter gegenüber Additivmodifikation verringert wird. Diese Ergebnisse verdeutlichen die vom Ölquelle-abhängige Natur des Warmmischmodifikationseffekts. Temperaturscan-Ergebnisse zeigen konsistente rheologische Trends für alle getesteten Bindemittel. Mit steigender Temperatur nimmt der Spurrillenfaktor G*/sin δ kontinuierlich ab, während der Phasenwinkel δ allmählich ansteigt, was auf einen fortschreitenden Übergang zu einer viskositätsdominierten Verformung hindeutet. Höhere Temperaturen verstärken die molekulare Bewegung innerhalb des Bindemittels, schwächen elastische Strukturen und verringern den Widerstand gegen Verformung. Umgekehrt führt eine zunehmende Alterungsintensität zu höheren G*/sin δ-Werten und niedrigeren Phasenwinkeln, was auf eine erhöhte Steifigkeit und elastische Antwort infolge der alterungsbedingten Verhärtung zurückzuführen ist.

Abbildung 1. Ermüdungsfaktor (G*sin δ) verschiedener Asphaltbindemittel in Abhängigkeit von der Temperatur. (A) Asphalt A (Karamay); (B) Asphalt B (CNOOC 36-1); (C) Asphalt C (PetroChina/Venezuelan Boscan). AO, BO und CO bezeichnen die ursprünglichen Asphaltbindemittel, während AP, BP und CP die entsprechenden Warmmisch-Asphaltbindemittel bezeichnen. G*sin δ nimmt mit steigender Temperatur für alle Bindemittel ab, während der Einfluss der Warmmisch-Modifizierung je nach Herkunft des Bindemittels variiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Diese rheologischen Veränderungen können auf die Zusammensetzungsumwandlungen von Asphaltbindemitteln während der thermisch-oxidativen Alterung zurückgeführt werden. Niedrigmolekulare Bestandteile werden schrittweise durch Oxidations- und Polymerisationsreaktionen in hochmolekulare Strukturen umgewandelt, wodurch der komplexe Modul G* ansteigt. Gleichzeitig verstärkt sich die Anreicherung polarer Oxidationsprodukte, was die elastische Energiespeicherung erhöht und sich als Verringerung des Phasenwinkels äußert. Mit fortschreitender Alterung wird das Bindemittel zunehmend empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, und die Temperaturabhängigkeit rheologischer Parameter im Zusammenhang mit Ermüdung wird ausgeprägter.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass der Einfluss der Warmmischmodifizierung auf rheologische Eigenschaften des Bindemittels im Hinblick auf Ermüdung stark von der Herkunft des Rohöls abhängt. Während das Warmmischadditiv das viskoelastische Dissipationsverhalten bestimmter Bindemittel verändert, wird seine Wirksamkeit durch die intrinsische Zusammensetzung und Alterungseigenschaften des Basisasphalts begrenzt. Diese Befunde unterstreichen die Notwendigkeit, quellenspezifische Eigenschaften des Öls bei der Interpretation der auf DSR-Daten basierenden Ermüdungsfaktoren und bei der Beurteilung der Ermüdungsleistung von Warmmischasphalt-Bindemitteln zu berücksichtigen. Der altersbedingte Anstieg von G·sin δ wurde anhand der rohen DSR-Daten quantifiziert, die in Abbildung 1. zusammengefasst sind. Die prozentualen Veränderungen wurden im Vergleich zum entsprechenden ungealterten Bindemittelzustand berechnet.

Linearer Amplitudenscan
Die wichtigsten Parameter, die aus dem S-VECD-Modell abgeleitet werden, sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Der Integritätsindex C charakterisiert quantitativ die fortschreitende Degradation von Asphaltbindemitteln unter zyklischer mechanischer Belastung, wobei C = 1 den ursprünglichen, unbeschädigten Zustand und C = 0 den vollständigen strukturellen Versagen repräsentiert. Zusätzlich beschreiben die Regressionskoeffizienten C₁ und C₂ die Entwicklung der Materialintegrität mit zunehmendem Schadensgrad. Niedrigere Werte von C₁ und C₂ deuten auf eine verbesserte strukturelle Stabilität bei gleichem Schadensniveau hin, was direkt mit einer höheren Ermüdungsbeständigkeit auf Bindemittelskala verknüpft ist. Wie in Tabelle 3 gezeigt, erhöht sich C₁ und verringert sich C₂ im Allgemeinen durch Alterung, was auf eine Verschlechterung der Integritätsevolution und der Ermüdungsbeständigkeit des Bindemittels hindeutet. Karamay-Asphalt weist den höchsten Widerstand gegen Schadensakkumulation mit den niedrigsten C₁- und relativ hohen C₂-Werten auf, während CNPC-Asphalt den entgegengesetzten Trend zeigt und somit eine geringere Ermüdungsleistungsfähigkeit anzeigt.

Asphalttyp	α	C₀	C₁	C₂	A	B
Karamay	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
Gealterter Karamay	1434103	1	0.0132	0.7412	3.00 × 10⁵	2.87 × 10⁶
CNOOC	1415228	1	0.0178	0.7112	2.25 × 10⁵	2.83 × 10⁶
Gealtertes CNOOC	1400364	1	0.0155	0.7349	2.28 × 10⁵	2.80 × 10⁶
CNPC	1537043	1	0.0335	0.6077	4.38 × 10⁵	3.07 × 10⁶
Gealtertes CNPC	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

Tabelle 3: VECD-verfahrensbezogene Parameter. Tabelle 3 fasst die angepassten Modellparameter für drei Asphaltbindemittel unter nicht gealterten und gealterten Bedingungen zusammen. Die Parametervariationen spiegeln die Auswirkungen der Asphaltart und Alterung auf die Modelleigenschaften wider.

Abbildung 2 veranschaulicht die Schädigungsentwicklungsverläufe verschiedener Asphaltbindemittel unter konventionellen und warmgemischten modifizierten Bedingungen. Bei identischen Spannungsniveaus weisen Warmmischasphalt-(WMA-)Systeme eine deutlich geringere Schädigungsakkumulationsrate auf als ihre konventionellen Pendants, was auf eine günstigere Schädigungsentwicklung hinweist. Dieses Verhalten legt nahe, dass die Warmmischmodifizierung den Mechanismus der inneren Energieverteilung während zyklischer Belastung optimiert und dadurch die Ermüdungsbeständigkeit verbessert. Die prozentualen Änderungen der Schädigungsratekoeffizienten wurden aus den in Tabelle 3 aufgeführten angepassten S-VECD-Parametern unter Verwendung des unmodifizierten Bindemittels als Referenzbedingung berechnet.

Abbildung 2: Ermüdungsfestigkeitsverhalten verschiedener Asphaltbinder-Zusammensetzungen. (A) Asphalt A; (B) Asphalt B; (C) Asphalt C. AO, BO und CO stellen die ursprünglichen Asphaltproben dar, während AP, BP und CP die entsprechenden Warmmischasphaltproben bezeichnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Eine detaillierte Untersuchung der Schädigungsentwicklungsprofile zeigt deutliche, vom Bindemittel abhängige Unterschiede. Das warmgemischte modifizierte Asphalt A weist eine überlegene Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zum unmodifizierten Bindemittel auf, wie die günstigere Lage seiner Schädigungsentwicklungs-Kurve belegt. Dieses Ergebnis bestätigt, dass das Warmmischadditiv die Haltbarkeit von Asphalt A unter wiederholter Belastung wirksam verbessert. Im Gegensatz dazu zeigt Asphalt B kaum eine Reaktion auf die Warmmisch-Modifizierung, wobei sowohl das modifizierte als auch das unmodifizierte Bindemittel nahezu identische Schädigungsverläufe aufweisen. Bei Asphalt C ist eine schwellenwertabhängige Verbesserung zu beobachten: Das warmgemischte modifizierte Bindemittel übertrifft das Basisasphalt erst dann, wenn die Schädigungsvariable 100 Einheiten überschreitet, was darauf hinweist, dass die Wirksamkeit des Additivs hauptsächlich in fortgeschrittenen Schädigungsstadien aktiviert wird.

Quantitative Vergleiche der Ermüdungslebensdauer, abgeleitet aus dem LAS-Test, sind in Abbildung 3 dargestellt. Die beobachteten Unterschiede im Ermüdungsverhalten unterstreichen weiterhin den materialspezifischen Charakter der Wechselwirkung zwischen Warmmischadditiv und Bindemittel, deren Wirksamkeit stark von den intrinsischen Zusammensetzungseigenschaften des Basisasphalts abhängt. Unter den untersuchten Materialien weist der Qinhuangdao PetroChina-Asphalt die höchste Ermüdungsbeständigkeit auf, was auf inhärente Vorteile aufgrund seiner Basisrohstoffzusammensetzung hinweist. Umgekehrt zeigt der Karamay-Asphalt nach der Warmmischmodifizierung die deutlichste Verbesserung, was die entscheidende Rolle der Eigenschaften des Basisasphalts bei der Bestimmung des Leistungssteigerungspotenzials von Warmmischadditiven verdeutlicht.

Abbildung 3. Vergleich der Ermüdungslebensdauer zwischen Heißmischasphalt (HMA) und Warmmischasphalt (WMA) für die drei Asphaltbindemittel. Die Ermüdungslebensdauer unterscheidet sich bei allen drei Bindemitteltypen nur geringfügig zwischen WMA und HMA. Asphalt C weist die höchste Ermüdungslebensdauer auf, gefolgt von Asphalt A und Asphalt B. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Warmmischmodifizierung lediglich einen geringen Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer hat, wobei Ausmaß und Richtung der Veränderung vom Bindemitteltyp abhängen. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Obwohl die Warmmischmodifizierung im Allgemeinen die Ermüdungsleistung verbesserte, war das Ausmaß der Verbesserung bei einigen Bindemitteln relativ gering. Dieses Verhalten lässt sich auf den Wirkmechanismus von Evotherm M1 zurückführen, der hauptsächlich die Herstellungstemperatur senkt und die kurzfristige oxidative Alterung abschwächt, anstatt die Bindemittelstruktur chemisch zu verstärken. Daher ist eine nur moderate Verbesserung der Ermüdungsleistung zu erwarten, die stark von den intrinsischen Eigenschaften des Basisasphalts abhängt. Die Übereinstimmung zwischen den Wiederholungsmessungen zeigt, dass die beobachteten Trends reproduzierbar sind, trotz des begrenzten Verbesserungsausmaßes. Um das beobachtete, bindemittelabhängige Ermüdungsverhalten weiter aus chemischer Sicht zu interpretieren, wurde der Einfluss der Rohölzusammensetzung auf die S-VECD-Parameter und die Ermüdungsleistung analysiert. Die drei Bindemittel weisen unterschiedliche Zusammensetzungseigenschaften auf: Höhere Aromaten-zu-Saturate-Verhältnisse sind im Allgemeinen mit einer verbesserten Spannungsverlagerung und einer verzögerten Schadensakkumulation verbunden, während asphaltenreiche Systeme tendenziell das Steifigkeitswachstum beschleunigen und die Ermüdungsfestigkeit verringern.

In dieser Studie weist das auf Karamay basierende Bitumen einen relativ höheren Anteil an aromatischen Verbindungen und einen niedrigeren Gehalt an Sättigungsverbindungen auf, was mit geringeren Schädigungsentwicklungsraten (verringerte C₁-Werte) und verbesserter Ermüdungslebensdauer in beiden LAS- und gemischbasierenden Prüfungen korreliert. Im Gegensatz dazu zeigt das von PetroChina stammende Bindemittel eine ausgeglichenere, aber relativ höhere Proportion an Sättigungsverbindungen, was zu einem intermediären S-VECD-Schädigungsverhalten führt. Das von CNOOC stammende Bitumen, das aufgrund der Eigenschaften der Rohölquelle höhere Anteile polarer Fraktionen aufweist, zeigt ein schnelleres Ansteigen der Steifigkeit unter zyklischer Belastung, was sich in höheren C₁-Werten und verkürzter Ermüdungslebensdauer widerspiegelt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Verhältnis von aromatischen zu saturierten Bestandteilen die viskoelastischen Energie-Dissipationspfade und die mikrostrukturelle Schädigungsentwicklung bestimmt und somit direkt die S-VECD-Parameter und die Ermüdungsbeständigkeit beeinflusst. Insgesamt sollten die vorliegenden Ergebnisse als ein mechanistisch begründeter, jedoch durch Randbedingungen eingeschränkter Rahmen betrachtet werden, nicht jedoch als ein vollständig universelles Vorhersagemodell für alle Bitumensysteme.

Ermüdungswiderstand auf Mischungsebene
Der Ermüdungswiderstand von Asphaltmischungen, die verschiedene Warmmischasphalt-(WMA-)Technologien enthalten, wurde systematisch bewertet, und die entsprechenden Ergebnisse der Ermüdungsprüfungen sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Diese Daten quantifizieren die Beständigkeit von Asphaltmischungen unter zyklischer Belastung und zeigen deutliche Unterschiede in der Ermüdungslebensdauer zwischen den untersuchten WMA-Formulierungen auf. Die beobachtete Variabilität weist darauf hin, dass das Ermüdungsverhalten auf Mischungsebene stark von der Materialzusammensetzung und der verwendeten Warmmischtechnologie abhängt.

Asphalttyp	Proben-ID	Porosität (%)	Dehnungsgrad (με)	Ermüdungslebensdauer (Zyklen)
Karamay	1	4.5	100	22,36,902
	2	4.3	100	18,30,625
	3	3.7	100	19,49,138
	4	4.5	150	3,06,655
	5	5.3	150	3,97,762
	6	4.9	150	2,98,042
CNOOC	1	4.2	200	52,315
	2	5.1	200	58,828
	3	5.3	200	67,762
	4	3.8	75	6,47,145
	5	4.3	75	5,63,675
	6	4.5	75	6,91,698
CNPC	1	3.6	100	47,343
	2	4.1	100	24,149
	3	4.7	100	18,495
	4	3.5	200	4,412
	5	4.1	200	2,269
	6	4.7	200	3,299

Tabelle 4: Ergebnisse der Ermüdungstests von Asphaltmischungen mit verschiedenen WMA-Technologien. Tabelle 4 fasst die Ergebnisse der Ermüdungstests von Asphaltmischungen mit unterschiedlichen Warmmischtechnologien zusammen, einschließlich der Ermüdungsdauer und verwandter Leistungsparameter unter verschiedenen Prüfbedingungen. Die Ergebnisse zeigen die Unterschiede im Ermüdungswiderstand zwischen den Warmmischasphalten auf und liefern eine Grundlage zur Bewertung ihrer Ermüdungsleistung.

Die Ermüdungsleistung von bituminösen Verbundwerkstoffen wird mathematisch durch Gleichung (9) modelliert, die den zyklischen Spannungsabbau in Fahrbahnmaterialien quantifiziert. Diese Beziehung formalisiert die Ermüdungsantwort von Asphaltformulierungen unter wiederholten Belastungsbedingungen und dient als rechnerischer Rahmen für die Dauerhaftigkeitsanalyse:

(9)

In der Formel: N_f——Ermüdungslebensdauer der Asphaltmischung;
ε——Dehnung;
k, n——Koeffizient.

Basierend auf Gleichung (9) wurde für jede Asphaltmischung eine Regressionsanalyse durchgeführt, um die entsprechenden Parameter des Ermüdungsmodells zu kalibrieren. Die resultierenden Koeffizienten k und n stellen eine quantitative Beschreibung der gemischtspezifischen Ermüdungsabbau-Eigenschaften dar und ermöglichen einen direkten Vergleich des Ermüdungsverhaltens verschiedener WMA-Formulierungen. Die kalibrierten Parameter der Ermüdungsgleichung sind in Tabelle 5 zusammengefasst.

Asphalttypen	Ermüdungsgleichung	k	n	R2
A	y = 2.463 × 1016x−5.029​	2.463 × 1016	5.029	0.993
B	y = 1.713 × 1015x−5.120​	1.713 × 1015	5.12	0.965
C	y = 1.233 × 1019x−5.975​	1.233 × 1019	5.975	0.964

Tabelle 5: Parameter der Ermüdungsgleichung von Asphaltmischgut mit verschiedenen WMA-Technologien. Tabelle 5 fasst die Parameter der Ermüdungsgleichung von Asphaltmischgut mit unterschiedlichen Warmmischtechnologien zusammen, einschließlich der Regressionskoeffizienten und Modellparameter, die zur Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Ermüdungslebensdauer und Belastungsbedingungen verwendet werden. Diese Parameter liefern eine quantitative Grundlage zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens und zum Vergleich der Ermüdungsfestigkeit verschiedener Warmmischasphalte.

Abbildung 4 zeigt die Beziehungen zwischen Ermüdungslebensdauer und Dehnung für Asphaltmischungen mit verschiedenen WMA-Typen, basierend auf den angepassten Ermüdungsmodellen. Wie erwartet nimmt die Ermüdungslebensdauer aller Mischungen systematisch mit steigender Dehnungsamplitude ab, was mit dem klassischen Ermüdungsverhalten bituminöser Verbundwerkstoffe übereinstimmt. Ein vergleichende Analyse der Ermüdungskurven zeigt eine klare Rangfolge hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit der Mischungen, wobei die Gesamtleistung wie folgt eingestuft wird: Material C > Material A > Material B. Diese Rangfolge spiegelt die relative Fähigkeit jeder Mischung wider, wiederholte Belastungszyklen vor dem Versagen zu überstehen, und stimmt mit den in Tabelle 5 zusammengefassten Regressionsparametern überein.

Abbildung 4: Ermüdungsmuster von Asphaltmischungen mit verschiedenen Warmmischtypen. Wie Abbildung 4 zeigt, nahm die Ermüdungslebensdauer aller Asphaltmischungen mit steigendem Dehnungsgrad ab. Unter den drei warmgemischten Asphaltmischungen wies Mischung C die höchste Ermüdungsbeständigkeit auf, gefolgt von den Mischungen A und B. Die deutlich höhere Ermüdungslebensdauer von Mischung C zeigt, dass diese Warmmischtechnologie die Widerstandsfähigkeit von Asphaltmischungen gegen die Akkumulation von Ermüdungsschäden wirksam verbessert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Unter äquivalenten Luftleerraumbedingungen bietet die WMA-Technologie erhebliche Vorteile hinsichtlich der Ermüdungsleistung, indem die Herstellungs- und Verdichtungstemperaturen um etwa 20–30 °C gesenkt werden. Diese Temperatursenkung verringert die kurzfristige oxidative Alterung von Asphaltbindemitteln, die eine Hauptursache für die langfristige Versprödung darstellt. Indem die viskoelastischen Eigenschaften und die Spannungsabbaukapazität des Bindemittels erhalten bleiben, unterdrückt WMA die Initiation und Ausbreitung von Mikrorissen unter zyklischer Belastung. Folglich wird die kumulative Ermüdungsbeanspruchung reduziert, was zu einer verlängerten Ermüdungslebensdauer des Gemischs und einer verbesserten Fahrbahndauerhaftigkeit führt. Diese Vorteile sind entscheidend, um die Nutzungsdauer zu verlängern, den Wartungsaufwand zu verringern und die Entwicklung widerstandsfähigerer und kosteneffizienterer Fahrbahninfrastrukturen zu ermöglichen. Um die Übereinstimmung zwischen dem Ermüdungsverhalten auf Bindemittel- und Gemischniveau zu untersuchen, wurden die Korrelationen zwischen dem Bindemittel-Ermüdungsfaktor G*sin δ und der Ermüdungslebensdauer des Gemischs N_f analysiert, wie in Abbildung 5 dargestellt. Für alle Bindemittel zeigt sich eine statistisch signifikante Beziehung, was darauf hinweist, dass die rheologischen Eigenschaften des Bindemittels einen messbaren Einfluss auf die Ermüdungsleistung des Gemischs ausüben. Insbesondere weist Bindemittel B eine außergewöhnlich starke Korrelation auf (R² = 0,99, p < 0,001), was darauf schließen lässt, dass G*sin δ ein zuverlässiger Prädiktor für die Ermüdungslebensdauer des Gemischs bei diesem Material ist. Im Gegensatz dazu zeigen die Bindemittel A und C vergleichsweise schwächere Korrelationen (R² = 0,6051 und 0,7933), was darauf hindeutet, dass die Bindemittelrheologie allein das Ermüdungsverhalten dieser Gemische nicht vollständig abbilden kann.

Abbildung 5: Korrelation zwischen dem Ermüdungsfaktor des Asphalts G*sin δ und der Ermüdungslebensdauer des Gemischs N_f. (A) Asphalt A; (B) Asphalt B; (C) Asphalt C. Abbildung 5 zeigt, dass G∗sinδ eine positive Korrelation mit der Ermüdungslebensdauer des Gemischs aufweist, wobei Asphalt B die höchste Konsistenz aufweist, gefolgt von Asphalt C und A. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Eine weitere Überprüfung auf verschiedenen Skalen erfolgte durch die Korrelation von aus LAS-Tests gewonnenen Parametern zur Entwicklung der Binderschädigung, interpretiert mithilfe des vereinfachten viskoelastischen Kontinuumsschadensmodells (S-VECD), mit der Ermüdungslebensdauer des Gemischs. Wie in Abbildung 6 veranschaulicht, ergeben sich starke lineare Zusammenhänge zwischen der fortschreitenden Degradation des Bitumens und dem Ermüdungsverhalten des Gemischs. Bei allen drei Bindemitteln liegen die Korrelationskoeffizienten über 0,9, was einen robusten und konsistenten Zusammenhang zwischen den schädigungsbedingten Eigenschaften auf Binderebene und der Ermüdungsfestigkeit auf Gemischniveau belegt.

Abbildung 6: Korrelation zwischen Ermüdungs­schaden des Bitumens und der Ermüdungs­lebensdauer N_f des Gemischs. (A) Bitumen A; (B) Bitumen B; (C) Bitumen C. Wie Abbildung 6 zeigt, wies der Ermüdungs­schaden des Bitumens eine starke positive Korrelation mit der Ermüdungs­lebensdauer Nf der Bitumen­gemische auf. Hohe Bestimmtheits­koeffizienten wurden für Bitumen A, B und C erzielt, was darauf hinweist, dass Ermüdungs­schadens­parameter die Ermüdungs­leistung von Bitumen­gemischen effektiv charakterisieren können. Im Vergleich zum herkömmlichen Bindemittel-Ermüdungsfaktor G∗sinδ liefert der Ermüdungs­schaden eine direktere Darstellung des Ermüdungs­verschlechterungs­verhaltens von Bitumen­gemischen. Bitte klicken Sie hier, um eine vergrößerte Version dieser Abbildung anzusehen.

Insgesamt bestätigen die ermüdungsmechanischen Ergebnisse auf Mischungsebene, dass die Ermüdungsleistung gemeinsam von der Zusammensetzung der Mischung, der Warmmischtechnologie und den Bindemittelinhalten bestimmt wird. Während herkömmliche rheologische Indikatoren nur eine begrenzte Vorhersagekraft für bestimmte Bindemittel besitzen, zeigen schädigungsmechanische Kennwerte auf Basis von LAS–S-VECD starke und konsistente Korrelationen mit der Ermüdungslebensdauer der Mischung. Diese Ergebnisse bestätigen die schädigungsmechanische Charakterisierung auf Bindemittelsebene als wirksames Ersatzkriterium zur Beurteilung der Haltbarkeit von Mischungen und liefern eine mechanistische Grundlage für die leistungsbasierte Planung von Fahrbahnen. Die deutlich unterschiedlichen Reaktionen der drei Asphaltbindemittel auf die Warmmischmodifizierung lassen sich grundlegend auf Unterschiede in ihrer aus Rohöl stammenden chemischen Zusammensetzung und den daraus resultierenden kolloidalen Strukturen zurückführen. Asphaltbindemittel werden typischerweise als kolloidale Systeme betrachtet, die aus in einer Maltenephase dispergierten Asphaltenen bestehen, wobei die Maltenephase Aromaten, Harze und Sättigungen umfasst. Das Gleichgewicht zwischen diesen Fraktionen bestimmt die Empfindlichkeit des Bindemittels gegenüber externen Modifizierungen, wie beispielsweise Warmmischzusätzen. Bei Karamay-Asphalt (Bindemittel A) führt der relativ hohe Harzgehalt und die niedrige Paraffinfraktion zu einem stärker dispergierten Asphaltennetzwerk mit geringerer interner struktureller Stabilität. In diesem System verändert die Zugabe des Warmmischzusatzes signifikant die Viskosität und molekulare Beweglichkeit, was zu einer erhöhten Energieverteilung und steigenden G*sin δ-Werten führt. Dies weist darauf hin, dass der Zusatz aktiv die inneren Phasenwechselwirkungen verändert, wodurch das Bindemittel anfälliger für zyklische Verformungen wird und somit die Ansammlung von Ermüdungsschäden auf Bindemittelsebene beschleunigt wird.

Im Gegensatz dazu weist das von CNOOC stammende Asphalt (Bindemittel B) eine ausgewogenere, naphthenbasierte Zusammensetzung mit einer stabilen kolloidalen Struktur auf. Das Asphaltene-Harz-Gleichgewicht in diesem Bindemittel sorgt für ein relativ robustes internes Netzwerk, das die Penetration und strukturelle Wirkung des Warmmischadditivs begrenzt. Folglich zeigen sich nur geringe Veränderungen im rheologischen Verhalten und bei der Schädigungsentwicklung, was darauf hindeutet, dass die Wirkung des Additivs maßgeblich durch die intrinsische Stabilität der Bindemittelmikrostruktur eingeschränkt wird. Bei dem von PetroChina stammenden Asphalt (Bindemittel C) führen die stärker polaren Anteile und die erhöhte Komplexität der Asphaltenen zu einer steiferen und neigungsanfälligeren Mikrostruktur. In diesem Fall scheint das Warmmischadditiv ein schwellenwertabhängiges Aktivierungsverhalten zu zeigen, bei dem sein Einfluss erst nach einer erheblichen Schädigungsakkumulation deutlicher wird. Dies legt nahe, dass das Additiv nicht stark mit der anfänglichen kolloidalen Struktur interagiert, sondern vielmehr den Schädigungsverlauf in späteren Stadien beeinflusst, indem es die Wege der Spannungsverlagerung verändert.

Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die Wirksamkeit der Warmmischmodifizierung nicht universell ist, sondern stark von der intrinsischen kolloidalen Stabilität und der chemischen Zusammensetzung des Basisasphalts abhängt. Die beobachteten Unterschiede in der Schädigungsentwicklung im S-VECD-Test und im Ermüdungsverhalten der Mischung können daher direkt mit der mikrostrukturellen Heterogenität der drei Bindemittel verknüpft werden, was eine mechanistische Erklärung für das quellstoffabhängige Verhalten liefert, das sowohl in rheologischen als auch in Ermüdungstests beobachtet wurde.

VERFÜGBARKEIT VON DATEN:
Alle während der Studie generierten oder verwendeten Daten, Modelle und Codes sind im ergänzenden Ordner mit dem Namen „Raw data“ verfügbar.

Diskussion

Diese Studie schlägt einen übergeordneten Ermüdungsbewertungsansatz vor, der die Bindemittelsebene umfassende Linear Amplitude Sweep (LAS)-Prüfungen mit dem vereinfachten viskoelastischen Kontinuumschadensmodell (S-VECD) und vierpunktigen Biegeermüdungsprüfungen auf Mischungsebene verbindet, um einen mechanistischen Zusammenhang zwischen der Schädigungsentwicklung des Asphaltbindemittels und dem Ermüdungsverhalten der Mischung herzustellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ermüdungsbewertungsmethoden, die hauptsächlich auf empirischen rheologischen Kennwerten wie G*·sin δ basieren, nutzt der vorgeschlagene Ansatz schadensbezogene Parameter, die aus der Kontinuumschadenmechanik abgeleitet sind, um das intrinsische Abbauverhalten von Asphaltbindemitteln unter zyklischer Belastung zu charakterisieren. Durch die Einbeziehung des Rohölherkunftslands des Asphalts als Einflussfaktor zeigt diese Studie weiterhin, dass die Wirksamkeit von Warmmisch-Modifikationen nicht universell ist, sondern stark von der chemischen Zusammensetzung und der kolloidalen Struktur des Basisbindemittels abhängt. Diese Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Rohstoffquelle, Warmmisch-Zusätzen, Alterungsanfälligkeit und Ermüdungswiderstand und schaffen damit einen mechanistischeren Ansatz für die Bewertung von Asphaltmaterialien. Frühere Studien haben das Potenzial der LAS–S-VECD-Analyse zur Ermüdungscharakterisierung von Bindemitteln hervorgehoben; ihre direkte Anwendbarkeit zur Vorhersage des Ermüdungsverhaltens auf Mischungsebene wird jedoch weiterhin intensiv erforscht. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu diesem Forschungsbereich, indem sie die übergeordnete Beziehung zwischen der Schädigungsentwicklung des Bindemittels und dem Ermüdungsverhalten der Mischung über mehrere Bindemittelsysteme hinweg validiert.

Der vorgeschlagene Rahmen trägt zum wissenschaftlichen Verständnis von Ermüdungsmechanismen von Asphalt bei, indem er die Lücke zwischen der rheologischen Charakterisierung auf Bindemittelskala und der strukturellen Leistung auf Mischungsskala schließt. Herkömmliche Bewertungsmethoden für Bindemittel liefern häufig nur begrenzte Informationen über die fortschreitende Akkumulation von Ermüdungsschäden, da Parameter wie der komplexe Modul und der Phasenwinkel hauptsächlich die momentane viskoelastische Antwort beschreiben, nicht jedoch die Schadensentwicklung. Im Gegensatz dazu betrachtet der S-VECD-Ansatz Asphaltbindemittel als kontinuierlich degradierende viskoelastische Materialien und liefert quantitative Beschreibungen des Verlusts struktureller Integrität während Ermüdungsbeanspruchung. Die starken Korrelationen zwischen den LAS–S-VECD-Parametern und der Ermüdungsdauer der Mischung in dieser Studie deuten darauf hin, dass die Schadensentwicklung auf Bindemittelskala aussagekräftige Informationen über das Anfangsstadium der Rissbildung in der Mischung liefern kann. Ähnliche Ergebnisse legen nahe, dass mechanistische, schadensbasierte Parameter im Vergleich zu herkömmlichen rheologischen Kennzahlen eine verbesserte Vorhersagefähigkeit bieten könnten. Daher erweitert diese Studie die aktuelle Forschung zur Asphaltermüdung, indem sie experimentelle Belege liefert, dass die Schadensmechanik auf Bindemittelskala als Bindeglied hin zu einer leistungsbasierten Materialauslegung von Fahrbahnen dienen kann.

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse sind mehrere Einschränkungen zu berücksichtigen. Erstens wurde die vorliegende Untersuchung an drei Asphaltbindestoffen, die aus spezifischen Rohölsorten stammen, und einer einzigen Gesteinskorngrößenverteilung durchgeführt; daher bedarf die Universalität des vorgeschlagenen Zusammenhangs einer weiteren Validierung anhand eines breiteren Spektrums an Bindemitteln, Modifizierungstechnologien und Mischungsdesigns. Obwohl die ausgewählten Bindemittel typische Fahrbahnmaterialien darstellen, die in der Ingenierpraxis verwendet werden, weisen Asphaltmaterialien aufgrund unterschiedlicher Herkunft des Rohöls, des Raffinationsprozesses und der chemischen Zusammensetzung eine erhebliche Variabilität auf. Zweitens wurden die Labor-Ermüdungsprüfungen unter kontrollierten Temperatur- und Belastungsbedingungen durchgeführt, während reale Fahrbahnkonstruktionen komplexen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, darunter Temperaturschwankungen, Feuchtigkeitsinfiltration, variable Verkehrsbelastung und Langzeitalterung. Drittens zeigten die LAS–S-VECD-Parameter zwar starke Korrelationen mit der Ermüdungsleistung der Mischung, doch der derzeitige Datensatz reicht nicht aus, um ein universelles, auf alle Asphaltsysteme anwendbares Vorhersagemodell zu etablieren. Zukünftige Studien sollten daher umfangreichere Datenbanken und Beobachtungen zur Leistung im Feld einbeziehen, um die Robustheit und Übertragbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes weiter zu verbessern.

Es können auch alternative Ansätze in Betracht gezogen werden, um den Zusammenhang zwischen der Schädigungsentwicklung des Bindemittels und der Ermüdungsleistung des Gemischs weiter zu untersuchen. Beispielsweise könnten fortschrittliche chemische Charakterisierungstechniken wie die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und molekulardynamische Simulation zusätzliche Einblicke in die molekularen Mechanismen liefern, die das vom Ölherkunft abhängige Ermüdungsverhalten steuern. Frühere Studien haben gezeigt, dass Variationen in der molekularen Struktur von Asphalt, einschließlich der Aggregation von Asphaltenen, der Verteilung aromatischer Bestandteile und polaritätsbedingter Wechselwirkungen, die rheologische Antwort und die Alterungsanfälligkeit erheblich beeinflussen. Darüber hinaus könnten fortschrittliche Abbildungstechniken wie die Rasterkraftmikroskopie (AFM) und röntgenbasierte Charakterisierungsmethoden eingesetzt werden, um die Entwicklung der Mikrostruktur während der Anhäufung von Ermüdungsschäden direkt zu beobachten. Die Kombination dieser Ansätze mit der LAS–S-VECD-Analyse könnte ein umfassenderes Verständnis des Zusammenhangs zwischen molekularer Struktur, Schadmechanik des Bindemittels und makroskopischer Fahrbahnleistung ermöglichen.

Die vorgeschlagene, auf LAS–S-VECD basierende Methodik bietet bedeutende potenzielle Anwendungen in mehreren Bereichen der Asphaltstraßenbau- und Werkstofftechnik. Aus praktischer Sicht kann dieses Konzept als effizientes Screening-Verfahren zur Bewertung von Bindemittelkandidaten, zur Auswahl geeigneter Warmmischadditive und zur Beurteilung der Alterungsempfindlichkeit eingesetzt werden, bevor zeitaufwändige Ermüdungsversuche auf Mischungsebene durchgeführt werden. Im Vergleich zu traditionellen empirischen Spezifikationen liefert der vorgeschlagene Ansatz eine mechanistische Grundlage für eine leistungsorientierte Straßenbaukonstruktion, indem er die Schädigungscharakteristika des Bindemittels direkt mit der strukturellen Haltbarkeit verknüpft. Dies ist besonders wertvoll für nachhaltige Straßenbautechnologien, bei denen die zunehmende Verwendung von Warmmischasphalt, recycelten Materialien und alternativen Bindemitteln zuverlässige Methoden zur Vorhersage der Langzeitleistung erfordert. Darüber hinaus könnte die Methodik zur Entwicklung datengestützter Systeme für die Straßenbaukonstruktion beitragen, indem sie physikalisch aussagekräftige Ermüdungskenngrößen bereitstellt, die in vorhersagende Modelle und Rahmenwerke für die Lebenszyklusanalyse integriert werden können.

Zukünftige Forschungsarbeiten sollten darauf abzielen, die Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Rahmens auf umfassendere und praxisnähere Vorhersagen zur Fahrbahnoberflächenleistung auszuweiten. Künftige Studien sollten umfangreichere Bindemitteldatenbanken einbeziehen, die verschiedene Rohstoffquellen, polymermodifizierte Bindemittel, rezyklierte Asphaltmaterialien sowie neuartige nachhaltige Modifizierungsstoffe abdecken, um allgemeinere Modelle zur Ermüdungsvorhersage zu entwickeln. Darüber hinaus könnte die Kombination der LAS–S-VECD-Analyse mit charakterisierenden Methoden auf mehreren Skalen, Ansätzen der künstlichen Intelligenz und Simulationen auf molekularer Ebene das Verständnis und die Vorhersagegenauigkeit des Ermüdungsverhaltens von Asphalt weiter verbessern. Langfristige Feldüberwachungen und beschleunigte Fahrbahnprüfungen sollten ebenfalls integriert werden, um laborbasierte Vorhersagen unter realistischen Betriebsbedingungen zu validieren. Letztendlich wird erwartet, dass die Kombination mechanistischer Schädigungsmodelle, fortschrittlicher Materialcharakterisierung und leistungsbasierter Konstruktionsstrategien die Entwicklung langlebigerer, nachhaltigerer und zuverlässigerer Asphaltstraßensysteme fördern wird.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Bindemittel A / AO, Karamay-Asphalt	Karamay-Rohöllagerstätte, China	N/V	Grund-Asphaltbindemittel
Bindemittel B / BO, CNOOC 36-1-Asphalt	Offshore-Rohöllagerstätte CNOOC 36-1, China	N/V	Grund-Asphaltbindemittel
Bindemittel C / CO, PetroChina-Asphalt	Aus PetroChina / venezolanischem Boscan-Rohöl hergestellt	N/V	Grund-Asphaltbindemittel
Evotherm M1 Warmmischadditiv	Ingevity / MeadWestvaco	Evotherm M1	Wirmmischadditiv zur Herstellung von WMA-Bindemitteln
Dynamisches Scherverrheometer	Malvern	Kinexus DSR+	Verwendet für Temperaturgang und LAS-Tests im DSR
Versuchsgerät für den Dünnschicht-Öfen-Test (RTFOT)	Shanghai Changji	SYD-0610	Verwendet für die kurzzeitige Alterung
Druckalterungsgefäß (PAV)	InstroTek	PAV-9300	Verwendet für die langzeitige Alterung
Vierpunktbiege-Ermüdungsprüfungsanlage	Cooper Research Technology	SA4PT	Verwendet für dehnungsgeführte Ermüdungsprüfungen an Mischungen
S-VECD-Analyserahmen	Datenanalyse	N/V	Verwendet zur Berechnung der aus LAS abgeleiteten Schädigungsparameter
Software zur Datenanalyse	Origin	OriginPro 2024	Verwendet für Regressionsanpassung, Korrelationsanalyse und Darstellung