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Forschungsartikel

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

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DOI:

10.3791/72348

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14. August 2026

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

In diesem Artikel

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) sind2,3. 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 ansteigt5,6. 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 auftritt11,12. 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 bewertet17,18,19. 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.

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Protokoll

Materialien
Die drei in dieser Studie ausgewählten Asphaltbindemittel, wie in Tabelle 1 zusammengefasst, sind repräsentative Straßenbau-Bindemittel, die aus unterschiedlichen Rohölquellen 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 aus Rohöl, chemischen Zusammensetzung, Alterungsanfälligkeit und rheologischen Eigenschaften und bieten somit eine geeignete Materialgrundlage zur Untersuchung der rohölquellenabhängigen Ermüdungsverhalten. Ihre Auswahl ermöglicht eine vergleichende Bewertung, wie die intrinsische Zusammensetzung des Bindemittels die Wirksamkeit der Warmmisch-Modifizierung und das ermüdungsmechanische Verhalten auf Mischungsebene beeinflusst, wodurch die ingenieurtechnische Relevanz des vorgeschlagenen quer-skalierten Ermüdungskennwert-Frameworks erhöht wird. Die detaillierten geologischen Herkünfte und chemischen 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 Fahrbahnbinder-Material mit einer Dichte unter 1 g/cm3 in aktuellen Ingenieuranwendungen ist und zudem 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 Ausgangsstoff 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 für Anwendungen in kalten Umgebungen vorteilhaft ist.

Bindemittel C: Wird hauptsächlich unter Verwendung von venezolanischem Boscan-Schweröl als Basisrohstoff formuliert und erreicht eine Produktionsausbeute von 60 % durch spezielle Raffinationsverfahren. Dieses Rohöl weist einzigartige geochemische Merkmale auf, darunter einen hohen Säuregehalt, bedeutende Konzentrationen an Schwermetallen und ein starkes Potenzial zur Bildung von Kohlenstoffrückständen. Das Bindemittel zeigt eine atypische Kohlenwasserstoff-Zusammensetzung, 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 Gemische im Straßenbau festgelegt sind.

ProjektEinheitKaramayCNOOCCNPC
Eindringtiefe0,1 mm (15 °C)222224
0,1 mm (25 °C)726871
0,1 mm (30 °C)112110116
PI－-1,14-1,2-0,81
TR&B°C4646,547,5
Dynamische Viskosität (60 °C)Pa·s223,5230256,9
Duktilität (10 °C, 5 cm/min)cm>100>10052
Wachsgehalt%1,91,81,3
Flammpunkt (COC)℃278287312
Löslichkeit%99,599,799,8
Dichte (15 °C)g/cm³0,9771,0121,049
RTFOTMassenänderung (%)0,050,06-0,07
Verhältnis der Resteindringtiefe (%)66,267,464,8
Restduktilität (10 °C, cm)13129

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 Gleichgewichtsphase zur Beseitigung thermischer Gradienten. Alle Erhitzungsschritte 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 über 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 25 Minuten, wobei die Bindemitteltemperatur 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 Bindemittelmatrix eingeführt wurde; Temperaturschwankungen von mehr als ±2 °C lösten eine automatische Heizregelung aus. Das modifizierte Bindemittel 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 wurde anhand der Viskositäts-Temperatur-Beziehung von Asphaltbindemitteln ausgelegt, um sicherzustellen, dass alle Proben unter vergleichbaren Schergeschichtsbedingungen hergestellt wurden. Diese strenge thermomechanische Kontrolle gewährleistet eine hohe Reproduzierbarkeit und minimiert die Variabilität bei der WMA-Bindemittelherstellung.

Prüfung mit dem dynamischen Scherrheometer (DSR)
Zur Charakterisierung des rheologischen Verhaltens und der ermüdungsbedingten Eigenschaften von Asphaltbindemitteln, die mit Zusätzen für warme Mischungen modifiziert wurden, wurden Prüfungen mit dem dynamischen Scherrheometer (DSR) unter Verwendung eines temperaturgeregelten Rotationsrheometers gemäß ASTM D717522 durchgeführt. Die rheologische Bewertung konzentrierte sich auf das Verhalten 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 Bindemittel-Ebene anerkannt ist, wurde verwendet, um Veränderungen im viskoelastischen Dissipationsverhalten infolge der Warmmischmodifizierung und Alterung zu quantifizieren. Temperaturgangversuche wurden über einen Bereich von 58–82 °C mit Temperaturerhöhungen von 6 °C durchgeführt. Bei jeder Zieltemperatur wurden die Proben vor der Datenaufnahme 10 min lang zur Erzielung thermischer Stabilität im Gleichgewichtszustand gehalten. Um den Einfluss der Alterung auf die rheologischen Eigenschaften zu untersuchen, wurden die Bindemittelproben drei Alterungsbedingungen unterzogen: unbealtert, Alterung mittels Dünnschicht-Ofen-Test (RTFOT) sowie kombinierte RTFOT- und Druckalterungsgefäss- (PAV-)Alterung 24. Diese Alterungsprotokolle wurden entwickelt, um die kurzfristige Alterung während Herstellung und Einbau sowie die langfristige Alterung während des Betriebs im Straßenbelag zu simulieren. 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 empfohlenen Arbeitsbereichs des Instruments lagen und kein sichtbarer Probenrutsch auftrat.

Lineare Amplitudenmessung (LAS)
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 linearen viskoelastischen Grenzbereiche zu bestimmen, gefolgt von frequenzgesteuerten Messungen bei 10 rad/s26. Temperaturabhängige Untersuchungen erfassten das Betriebstemperaturspektrum von Asphaltdeckschichten (58–82 °C) in Schritten von 6 °C, wobei an jedem isothermen Abschnitt 10 Minuten zur Erreichung des thermischen Gleichgewichts eingeplant wurden. Das AASHTO-T391-Verfahren wurde angewandt, um die Schädigungsakkumulation im Bindemittel anhand der Entwicklung der dissipierten Energie zu quantifizieren, insbesondere durch Überwachung des viskoelastischen Dissipationsfaktors (|G*|sinδ) während zyklischer Belastung27,28. Der vereinfachte viskoelastische Kontinuumsschädigungsansatz (S-VECD) wurde verwendet, um die Abbauverhalten von bituminösen Verbundwerkstoffen vorherzusagen29. Das LAS-Verfahren führt eine oszillatorische Amplitudenmessung bei fester Frequenz von 10 Hz durch, wobei eine kontrollierte Dehnungssteigerung von 0,1 % bis 30 % mit Auflösungsschritten von 0,1 % angewandt wird.

Wichtige viskoelastische Parameter wurden mithilfe der folgenden Gleichungen ermittelt:

log G „(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

Formel für das statische Gleichgewicht, a = 1/m; pädagogische Anwendung in Physik- und Mathematikstudien. (3)

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

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

Gleichung für statische Gleichgewichtsbedingungen; Summationsformel; Variablen N, r, C; mathematisches Diagramm.(4)

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

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

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

C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)

In der Formel: C0​ stellt den Anfangsintegritätsparameter dar (normalerweise gleich 1), C1, C2 — Anpassungsparameter.

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

Gleichung zur Ermüdungslebensdauer Df=(C0-Cpeak stress/C1)^1/C2 zur Materialspannungsanalyse. (6)

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

Die Formel zur Berechnung der Ermüdungsdauer lautet:

Nf = A(γmax)-B (7)

In der Formel: A, B—ermüdungsbedingter Koeffizient,

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

B=2a, Frequenz der f-Belastung;
γmax — erwartete maximale Dehnungsstufe (%)

Um die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse sicherzustellen, wurden alle Versuche auf Bindemittel- und Mischungsebene mit mindestens 3 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 zur Darstellung der statistischen Streuung enthalten. Für die Parameter von LAS–S-VECD, rheologische Indizes des 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 unmodifizierten Bindemitteln untersucht, um sicherzustellen, dass beobachtete Trends nicht auf experimentelle Streuung zurückzuführen sind, sondern statistisch bedeutsame Unterschiede im Ermüdungs- und rheologischen Verhalten darstellen.

Vierpunkt-Biege-Ermüdungsprüfung
Zur Validierung von Ermüdungskennwerten auf Bindemittelniveau und zur Herstellung von korrelationsbasierten Quervergleichen wurden Vierpunkt-Biege-Ermüdungsprüfungen an Asphaltmischungen durchgeführt, die unter Verwendung einer AC-16C-Kornzusammensetzung hergestellt wurden30,31. Die Kornzusammensetzung, 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)AggregatkategorieSynthetische 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 %)
0,07500,100,990,85,5
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
Scheinbare relative Dichte2,8992,9182,8452,7542,8722,865
SSD-relative Dichte2,8542,8472,8162,691－2,814
Losgewichtspezifische Dichte2,8292,812,82,655－2,787
Wasseraufnahmefähigkeit des Aggregats (%)0,851,320,561,36－－

Tabelle 2: Klassifizierung der Zuschläge in warmgemischtem Asphalt. Tabelle 2 zeigt die Korngrößenverteilung der Zuschläge im warmgemischten Asphalt an, einschließlich der Anteile verschiedener Zuschlagstofffraktionen, des Gehalts an mineralischem Feinmehl, der synthetischen Korngrößenkurve sowie der physikalischen Eigenschaften der Zuschläge. In der Tabelle sind die geplante Kornverteilung und die grundlegenden Eigenschaften der im Asphaltgemisch verwendeten Zuschläge dargestellt.

Vierpunkt-Biegeermüdungsversuche wurden mit einem Cooper-Prüfgerät unter dehnungsgeregelten Belastungsbedingungen durchgeführt, um die Ermüdungsbeständigkeit von Warmmischasphalt (WMA)-Mischguten zu bewerten32. Als Versagenskriterium wurde die Anzahl der Belastungszyklen definiert, die erforderlich war, damit die Biegefestigkeit 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 ununterbrochene Energiezufuhr während der Ermüdungsbelastung sicherzustellen34,35.

Balkenproben wurden gemäß den standardmäßigen Maßanforderungen mit einer Länge von 381 ± 6,35 mm, einer Breite von 63,5 ± 6,35 mm und einer Höhe von 50,8 ± 6,35 mm hergestellt3637. Unter dehnungsgeführten Bedingungen wurde das Ermüdungsverhalten durch Auftragen der Ermüdungskennlinien für Proben mit unterschiedlichen WMA-Zusammensetzungen in ein doppeltlogarithmisches Koordinatensystem charakterisiert38. Anschließend wurde ein Potenzgesetz-basiertes Konstitutivmodell aufgestellt, und eine nichtlineare Regressionsanalyse wurde verwendet, um die Ermüdungsdaten der verschiedenen Asphaltmischungen anzupassen, wodurch die Grundlage für die anschließende Modellierung der Ermüdungsdauer und deren vergleichende Analyse geschaffen wurde39,40,41. Die Balkenprobe wurde symmetrisch in der Vierpunkt-Biegevorrichtung montiert, und die Berührung zwischen den Belastungsklammern und der Probenoberfläche wurde vor der Belastung überprüft. Der Versuch wurde bei 15 °C unter dehnungsgeführter sinusförmiger Belastung mit 10 Hz ohne Ruhephasen durchgeführt. Als Versuchsendpunkt galt die Anzahl der Zyklen, bei der die Biegesteifigkeit auf 50 % ihres Anfangswerts abgesunken war. Versuche wurden als gültig betrachtet, wenn der Bruch innerhalb des Messbereichs 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.

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Ergebnisse

Rheologische Eigenschaften von WMA
Die Grenzfläche zwischen Asphalt und Zuschlagstoff wird weithin als primärer Ursprungsort von Ermüdungsrissen anerkannt. Demzufolge ist der ermüdungsbezogene rheologische Parameter G*sin 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 urspr...

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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 ...

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Offenlegungen

Die Autoren geben keinen Interessenkonflikt an.

Danksagungen

Wir danken der Zhejiang Provincial Department of Transportation für das große F&E-Projekt. Diese Forschung wurde durch ein großes F&E-Projekt der Zhejiang Provincial Department of Transportation (ZJXL-SJT-202316A) finanziert.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Bindemittel A / AO, Karamay-AsphaltKaramay-Rohöllagerstätte, ChinaN/VGrund-Asphaltbindemittel
Bindemittel B / BO, CNOOC 36-1-AsphaltOffshore-Rohöllagerstätte CNOOC 36-1, ChinaN/VGrund-Asphaltbindemittel
Bindemittel C / CO, PetroChina-AsphaltAus PetroChina / venezolanischem Boscan-Rohöl hergestelltN/VGrund-Asphaltbindemittel
Evotherm M1 WarmmischadditivIngevity / MeadWestvacoEvotherm M1Wirmmischadditiv zur Herstellung von WMA-Bindemitteln
Dynamisches ScherverrheometerMalvernKinexus DSR+Verwendet für Temperaturgang und LAS-Tests im DSR
Versuchsgerät für den Dünnschicht-Öfen-Test (RTFOT)Shanghai ChangjiSYD-0610Verwendet für die kurzzeitige Alterung
Druckalterungsgefäß (PAV)InstroTekPAV-9300Verwendet für die langzeitige Alterung
Vierpunktbiege-ErmüdungsprüfungsanlageCooper Research TechnologySA4PTVerwendet für dehnungsgeführte Ermüdungsprüfungen an Mischungen
S-VECD-AnalyserahmenDatenanalyseN/VVerwendet zur Berechnung der aus LAS abgeleiteten Schädigungsparameter
Software zur DatenanalyseOriginOriginPro 2024Verwendet für Regressionsanpassung, Korrelationsanalyse und Darstellung

Referenzen

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