מחקר זה מבסס מסגרת עמידה רב-קנה מידה הקושרת בין מכניקת הנזק של הבינדר לבין ביצועי העייפות של התערובת, ומראה כי פרמטרים של סריקת אמפליטודה ליניארית–נזק רציף ויסקו-אלסטי מפושט (LAS–S-VECD) מספקים בסיס מהימן ומבוסס מכנית לחיזוי ותכנון של מערכות אספלט חם-מעודן (warm-mix asphalt) עמידות.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר מחקר
אפיון רב-קנה מידה של נזקי עייפות באספלט בערבוב חם (Warm-Mix Asphalt) על בסיס בדיקות סריקת אמפליטודה לינארית (Linear Amplitude Sweep) ובדיקות כיפוף ארבעה נקודות
במאמר זה
סיכום
תקציר
סדקי עייפות הם גורם קריטי השולט בעמידות ארוכת הטווח של ריصופי אספלט, בעוד שהקשר רב-קנה-מידה (cross-scale) בין התנהגות העייפות של החומר המקשר (binder) לבין ביצועי העייפות של התערובת נותר לא מובן מספיק עבור אספלט בערבוב חם (WMA). במחקר זה, מאפייני העייפות של WMA נחקרו באופן שיטתי הן בקנה-מידה של החומר המקשר והן בקנה-מידה של התערובת, כדי לבסס מתאמים כמותיים רב-קנה-מידה. בדיקות רחאומטר גזירה דינמי (DSR) ובדיקות סריקת אמפליטודה ליניארית (LAS), שפורשו באמצעות מסגרת הנזק הרציף הוויסקו-אלסטי המפושט (S-VECD), שימשו לאפיין את התכונות הרחאולוגיות ואת התפתחות הנזק של חומרי קישור אספלט ממקורות נפט גולמי שונים. ביצועי העייפות בקנה-מידה של התערובת הוערכו באמצעות בדיקות עייפות כיפוף ארבע נקודות בשליטת מאמץ. התוצאות מעידות כי יישון מגביר משמעותית את קשיחות החומר המקשר ומאיץ את דהגרדציית העייפות, כאשר גורם העייפות G*·sin δ עולה בכ-150–250% לאחר יישון לטווח ארוך. היעילות של שינוי ה-warm-mix בקנה-מידה של החומר המקשר תלויה באופן חזק בסוג החומר המקשר, כפי שמשתקף בהפחתה של 8–13% במקדם קצב הנזק עבור חומרי קישור A ו-B, אך בעלייה של כ-11% עבור חומר קישור C. מדדים רחאולוגיים קונבנציונליים כגון sin δ הראו יכולת מוגבלת ותלויה-חומר בחיזוי אורך חיי העייפות של התערובת, בעוד שפרמטרי נזק שנגזרו מ-LAS–S-VECD הראו מתאמים חזקים ועקביים עם ביצועי העייפות בקנה-מידה של התערובת. באופן כללי, מחקר זה מדגים כי אפיון נזק של חומר מקשר המבוסס על LAS–S-VECD מספק בסיס חסון לחיזוי עמידות העייפות של התערובת ותומך ביישומו בתכנון תערובת מבוסס-ביצועים עבור ריصופי WMA עמידים ובני-קיימא.
מבוא
בנייה קונבנציונלית של סגמנטי סלילה אספלטית נשענת על עיבוד בטמפרטורות גבוהות, הנעות בדרך כלל בין 160 °C ל-180 °C, ועולות על 190 °C עבור חומרי קישור משופרים כגון אספלט עם גומי וביטומן משופר פולימרים בעל ביצועים גבוהים. ביישומים מיוחדים, כולל סלילה של סיפוני גשרים מפלדה, טמפרטורות פריסת התערובת באתר עשויות לעבור את 200 °C1. תנאים תרמיים קיצוניים אלו גורמים לצריכה משמעותית של דלקים מאובנים ומייצרים פליטות אטמוספריות ניכרות, כולל גזי חממה ואדי אספלט מסוכנים העשירים בתרכובות ממיסות בבנזן ובפחמימנים ארומטיים פוליציקליים קרצינוגניים (למשל, benzo[a]pyrene)2,3. מחקרים קודמים הראו באופן עקבי כי הפחתת טמפרטורות הייצור והדחיסה של האספלט יכולה להוריד את צריכת הדלק, את פליטות ה-CO₂ ואת החשיפה התעסוקית לאדי אספלט, אם כי מידת התועלת תלויה בסוג התערובת, בתצורת המפעל, במינון התוספים ובתנאי הבנייה בשטח. מחקרים אחרונים העשירו עוד יותר את ההבנה של ביצועי האספלט תחת שינויים ותנאי שירות שונים. דווח כי הוספת calcium lignosulfonate לתערובות אספלט יכולה לעכב ביעילות הזדקנות תרמו-חמצונית על ידי עיכוב תגובות חמצון וייצוב המבנה הקולואידי של חומרי הקישור האספльтиים.
בכל הנוגע להתנהגות שברים, מחקרים של אספלט חם (HMA) ואספלט חם חלקית (WMA) תחת תנאי העמסה של Mode I ו-Mode II טהורים הדגימו כי למצב ההעמסה תפקיד מכריע בקביעת עמידות השברים בטמפרטורה נמוכה ופיזור אנרגיה. רגישות ללחות נחקרה רבות גם במערכות אספלט מודגמות בגומי, שבהן חומרי גומי ממוחזרים משפרים את העמידות לנזקים הנגרמים מלחות, וניתן לקבוע את תכולת הגומי האופטימלית באמצעות גישות הערכה מכניות וכלכליות משולבות. בנוגע לביצועים בטמפרטורות גבוהות, אספלט מטריצת אבנים (SMA) מודגם הוערך באמצעות בדיקות זחל דינמי (Dynamic Creep) ומכשיר מעקב גלגלי המבורג (Hamburg Wheel Tracking Device), המאשרים כי שינוי התערובת משפר משמעותית את העמידות לשקיעה (rutting). בנוסף, מחקרים המבוססים על כפיפה חצית-מעגלית (SCB) של תערובת אספלט המכילה תוספים ממוחזרים הראו שיפורים בולטים בעמידות לשברים ב-Mode I ובעמידות לנזקי לחות, מה שמדגיש את ההשפעות הסינרגטיות של חומרים ממוחזרים על ביצועי העייפות והעמידות. כתוצאה מכך, פיתוח טכנולוגיות אספלט לטמפרטורות נמוכות הפך לנתיב קריטי לעבר בניית ריצוף בר-קיימא ומערכות תשתית אחראיות סביבתית.
טכנולוגיית אספלט חם חלקית (WMA), המושגת באמצעות שילוב של תוספים כימיים, שעוות אורגניות או טכניקות הקצפה, מאפשרת ייצור יעיל של תערובת בטמפרטורות הנעות בדרך כלל בין 90 °C ל-130 °C—מה שמסמל הפחתה של 30–50 °C בהשוואה לאספלט חם קונבנציונלי (HMA)4. מעבר ליתרונות המתועדים היטב בהפחתת צריכת האנרגיה ופליטת המזהמים, WMA ממלא תפקיד מרכזי בהפחתת ההזדקנות התרמו-חמצונית של קישורי האספלט במהלך הייצור והפריסה. הזדקנות האספלט נשלטת על ידי קינטיקה כימית התלויה בטמפרטורה, כאשר קצבי החמצון מכפילים את עצמם בקירוב עבור כל עלייה של 10 °C בטמפרטורה5,6. טמפרטורות גבוהות מאיצות תגובות של התנדות, חמצון ופולימריזציה, המומרות בהדרגה מלטנים (maltenes) לאספלטנים (asphaltenes) קשיחים, ובכך מגבירות את קשיחות הקישור תוך הפחתת הדuctility7. על ידי הורדת טמפרטורות הייצור, WMA מדכא תגובות מזיקות אלו, שומר על הוויזקואלסטיות של הקישור ועשוי לשפר את העמידות לעייפות לטווח ארוך8.
אף על פי שהיתרונות הסביבתיים ויתרונות הבנייה של WMA דווחו בהרחבה, מחקרים שיטתיים על ביצועי העייפות שלו בתנאי הזדקנות נותרו מוגבלים יחסית. בפרט, חומרי קישור אספלטיים המופקים ממקורות נפט גולמי שונים — כגון חומרי גלם מ-Karamay, offshore CNOOC ו-CNPC — מראים שונות ניכרת בהרכב הכימי, כולל תכולת אספלטן, התפלגות שרפים, פראקציות ארומטיות ורמות רוויה9. הבדלים הרכביים אלה מוכרים באופן נרחב כקובעים בסיסיים של התנהגות ראולוגית, רגישות להזדקנות ועמידות לעייפות10. עם זאת, מחקרי עייפות קיימים מבדלים לעיתים רחוקות חומרי קישור על בסיס מקור הנפט הגולמי, מה שמוביל להבנה חלקית של האופן שבו הכימיה התלויה במקור שולטת בביצועי העייפות, במיוחד תחת הזדקנות מצטברת המייצגת תנאי שירות11,12. מנקודת מבט הנדסית, שיטה אמינה להערכת עייפות ברמת חומר הקישור תהיה שימושית במיוחד לסריקת חומרים ראשונית, בחירת תוספי תערובת חמה, הערכת רגישות להזדקנות ובקרת איכות לפני אימות ברמת התערובת. עם זאת, אין לראות ב-LAS–S-VECD תחליף מלא לבדיקות עייפות של תערובת, מכיוון שגרנולומטרית הגרגרים, חללל אוויר, אינטראקציה בין חומר הקישור לגרגרים, איכות הדחיסה והזדקנות בשטח עשויים אף הם להשפיע על ביצועי העייפות של הסף. יתרה מכך, הקשר בין מדדי עייפות ברמת חומר הקישור לבין התנהגות עייפות ברמת התערובת לא נקבע באופן חלוט עבור מקורות אספלט מגוונים13. בעוד שבדיקות ראולוגיות כגון Linear Amplitude Sweep (LAS) הראו פוטנציאל באפיון נזקי עייפות של חומר הקישור, אמינות הניבוי שלהן לגבי אורך חיי העייפות של התערובת — במיוחד עבור חומרי קישור בעלי מקורות כימיים מובחנים — נותרה ללא תיקוף מספיק14. נתק זה מגביל את דיוק תחזיות הביצועים המבוססות על מעבדה ומגביל בחירה רציונלית של חומרים לפרקטיקה הנדסית15.
כדי לגשר על פערים קריטיים אלו, מחקר זה מבצע חקירה מקיפה רב-קנה מידה של התנהגות העייפות של חומרי קישור אספלט מעובדים בשיטת ערבוב חם (warm-mix), המופקים משלושה מקורות שונים של נפט גולמי16. באמצעות שילוב של ניתוח רחומטר גזירה דינמי (DSR), בדיקות סריקת אמפליטודה ליניארית (LAS) במסגרת מודל נזקי הרצף הוויסקו-אלסטי המפושט (S-VECD), ובדיקות עייפות של כיפוף בנקודות ארבע בקנה מידה של תערובת, עבודה זו מעריכה באופן שיטתי את השפעת מקור הנפט הגולמי, התיקון בשיטת הערבוב החם וההזדקנות על עמידות העייפות17,18,19. הממצאים שואפים לבסס קורלציות חזקות בין קני מידה שונות בין הרחאולוגיה של חומר הקישור לבין ביצועי התערובת, ובכך לספק בסיס מכניסטי לחיזוי אורך חיי העייפות ולהציע הנחיות מעשיות לתכנון ובחירה של חומרי אספלט בני-קיימא.
מחקר זה מציג מסגרת לאפיון עייפות רב-קנימית עבור אספלט בערבוב חם (warm-mix asphalt) על ידי שילוב של ניתוח LAS–S-VECD בקנימיות של החומר המקשר (binder) עם בדיקות עייפות של כיפוף ארבעה נקודות בקנימיות של התערובת. בהשוואה למחקרים קודמים שהתמקדו בעיקר בהערכה ראולוגית ברמת החומר המקשר או בהערכת ביצועים ברמת התערובת באופן מבודד, עבודה זו קובלת קישור מכני ישיר בין הכימיה של החומר המקשר התלויה במקור הנפט הגולמי, שינויי ערבוב חם, והתנהגות העייפות של התערובת תחת תנאי הזדקנות. החידוש במחקר זה טמון בשלושה היבטים: (i) שילוב מפורש של מקור הנפט הגולמי כמשתנה שולט בביצועי העייפות; (ii) מתאם רב-קנימי סיסטמטי בין התפתחות הנזק ב-LAS–S-VECD לבין אורך חיי העייפות של התערובת; ו-(iii) הערכה מאוחדת של השפעות שינויי ערבוב חם על פני קנימיות החומר המקשר והתערובת. התוצאות מדגימות כי פרמטרי נזק הנגזרים מ-LAS–S-VECD מהווים מנבאים חסונים לביצועי העייפות של התערובת, ומספקים חלופה בעלת בסיס מכני מוצק יותר מהמדדים הראולוגיים המקובלים. ממצאים אלו מניחים בסיס מדעי להערכה ותכנון של מערכות אספלט בערבוב חם בר-קיימא המכוונות לביצועים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
חומרים
שלושת קישרי האספלט שנבחרו במחקר זה, כפי שמסוכם ב- טבלה 1הם חומרי קישור מייצגים לסלילה המופקים ממקורות שונים של נפט גולמי, ונמצאים בשימוש נרחב בהנדסת כבישים מעשית בסין. אספלט קרמאי (Karamay), אספלט CNOOC 36-1 ואספלט PetroChina נבדלים באופן ניכר במקור הנפט, בהרכב הכימי, ברגישות להזדקנות ובמאפיינים ראולוגיים, ובכך מספקים בסיס חומרי מתאים לחקירת התנהגות עייפות התלויה במקור הנפט. בחירתם מאפשרת הערכה השוואית של האופן שבו הרכב פנימי של חומר הקישור משפיע על יעילות השינוי בערבוב חם (warm-mix modification) ועל ביצועי עייפות ברמת התערובת, ובכך מגבירה את הרלוונטיות ההנדסית של מסגרת אפיון העייפות רב-הקנה המומצעת. המקורות הגאולוגים המפורטים והמאפיינים הכימיים של כל חומר קישור הם כדלקמן:
מקשר A: נגזר מחומר גלם של נפט כבד מאזור 9, ומיוצר באמצעות תהליך ערבוב של שאריות ואקום ואספלט מנוקה שמן. חומר הבסיס שלו מציג תכונות ייחודיות, הכוללות תכולת פראפין נמוכה (<2%), ריכוז גופרית מינימלי והרכב שרף גבוה. ראוי לציין כי אספלט קראמאי (Karamay) הוא מקשר הסלילה היחיד בעל משקל סגולי נמוך מ-1 g/cm3 ביישומים הנדסיים נוכחיים, והוא מאופיין בצמיגות דינמית מעולה ובשמירה מצוינת על הדוקטיליות לאחר יישון. מאפיינים אלו הופכים אותו למתאים במיוחד לאזורים החשופים לתנודות טמפרטורה יומיות גדולות ולחשיפה אינטנסיבית לקרינת ultraviolet.
קושר B: מקורו בנפט גולמי כבד ונדיר שהופק משדה הנפט הימי Suizhong 36-1, עם תנובת ביטומן גבוהה של 56% בתהליך הזיקוק. חומר הגלם מסווג כנפט גולמי כבד על בסיס נפתני, דל בגופרית ובעל ערך חומצי גבוה, מה שתוצאתו היא קושר מעובד בעל צפיפות גבוהה (1.012 g/cm3), תכולת פראפין נמוכה (1.8%) ופרופורציות שרף מוגברות. תכונות אלו מקנות לקושר גמישות מצוינת בטמפרטורות נמוכות, מה שהופך אותו ליעיל עבור יישומים בסביבות קרות.
מקשר C: מורכב בעיקר מנפט גולמי כבד מסוג Boscan בוונצואלה כחומר גלם בסיסי, תוך השגת תנובת ייצור של 60% באמצעות תהליכי זיקוק ייעודיים. נפט גולמי זה מציג מאפיינים גאוכימיים ייחודיים, הכוללים תכולת חומצה גבוהה, ריכוזים משמעותיים של מתכות כבדות ופוטנציאל גבוה ליצירת שאריות פחמן. המקשר מציג הרכב פחמימני לא טיפוסי, המאופיין בחלקים נמוכים של פחמימנים רוויים, קומפלקסים מועשרים של שרף-אספלטן ותכולת פראפין נמוכה במיוחד (1.3%).
במחקר זה, שלושה סוגי בדרך אספלט בסיסיים הוגדרו כ-AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) ו-CO (PetroChina). בדרך WMA תואם הופק על ידי שילוב של תוסף Evotherm M1, ואלו סומנו כ-AP, BP ו-CP, בהתאמה.20מדדי ביצועים מקיפים, כולל חדירות, נקודת ריכוך ודלילות, נבדקו בהתאם לתקן JTG E20-2011.21 מפרטים, כאשר נתונים השוואתיים מפורטים מוצגים ב- טבלה 1כל ההליכים הניסיוניים בוצעו בקפידה על פי הפרוטוקולים הסטנדרטיים המפורטים במפרטים הטכניים להנדסת כבישים עבור תערובות אספלט וביטומן.
| פרויקט | יחידה | Karamay | CNOOC | CNPC |
| חדירות | 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 |
| צמיגות דינמית (60 °C) | Pa·s | 223.5 | 230 | 256.9 |
| דלילות (10 °C, 5 cm/min) | cm | >100 | >100 | 52 |
| תכולת שעווה | % | 1.9 | 1.8 | 1.3 |
| נקודת הבזקה (COC) | ℃ | 278 | 287 | 312 |
| מסיסות | % | 99.5 | 99.7 | 99.8 |
| צפיפות (15 °C) | g/cm³ | 0.977 | 1.012 | 1.049 |
| RTFOT | שינוי איכות (%) | 0.05 | 0.06 | -0.07 |
| יחס חדירות שיורי (%) | 66.2 | 67.4 | 64.8 | |
| דלילות שיורית (10 °C, cm) | 13 | 12 | 9 |
טבלה 1: פרמטרים טכניים מרכזיים של קישורי ביטומן. טבלה 1 מסכמת את הפרמטרים הטכניים המרכזיים של קישורי ביטומן, כולל תכונות פיזיקליות, רגישות לטמפרטורה, מאפיינים ראולוגיים וביצועי הזדקנות לטווח קצר, במטרה להעריך את תכונותיהם הבסיסיות ואת עמידותם.
תהליך הכנת ה-WMA כלל פרוטוקול רב-שלבי תחת בקרה קפדנית, שנועד להבטיח את השחזוריות של שינוי הבינדר. תחילה, בינדר האספלט הבסיסי חומם בתנור קונבקציה כפויה בטמפרטורה של 135 ± 2 °C למשך 60 min כדי להגיע למצב מותק יציב, ולאחר מכן בוצע איזון של 30 min כדי לבטל מדרגי טמפרטורה. כל תהליכי החימום בוצעו בתוך מכלים אטומים תחת הגנת חנקן (קצב זרימה: 0.5 L/min) כדי למזער התיישנות חמצונית במהלך ההתניית הטמפרטורה.
לאחר מכן, תוסף ה-Evotherm M1 הוכנס בטמפרטורה של 135 ± 2 °C תחת ערבול מכני רציף ב-300 rpm למשך 5 min לפני עיבוד בגזירה גבוהה, כדי להבטיח פיזור ראשוני של פאזת הסורפקטנט. לאחר מכן, בוצע ערבוב בגזירה גבוהה באמצעות הומוגנייזר מסוג rotor–stator ב-3000 rpm למשך 25 min, תוך שמירה על טמפרטורת החומר המקשר בטווח של 135–140 °C באמצעות מערכת חיצונית לבקרת טמפרטורה באמבט שמן (בדיוק של ±1 °C). לאורך כל תהליך הערבוב, הטמפרטורה נוטרה באופן רציף באמצעות תרמוקפל מסוג K מכויל שהוכנס למטריצת החומר המקשר, ותנודות העולות על ±2 °C הפעילו התאמה אוטומטית של החימום. החומר המקשר המעובד הועבר לאחר מכן להליך קירור מבוקר ל-25 °C בקצב של 5 °C/min לפני הבדיקות הבאות או אחסון לטווח קצר. תכנון פרוטוקול הגזירה התבסס על יחסי הצמיגות-טמפרטורה של חומרים מקשרים אספלטיים, כדי להבטיח שכל הדגימות הוכנו תחת תנאי היסטוריית גזירה דומים. בקרה תרמית-מכנית קפדנית זו מבטיחה חזרתיות גבוהה וממזערת את השונות בהכנת חומר מקשר מסוג WMA.
בדיקת ריאומטר גזירה דינמי (DSR)
כדי לאפיין את התגובה הריאולוגית ותכונות הקשורות לעייפות של קישורי אספלט המ modified עם תוספים לתערובת חמה, נערכו בדיקות ריאומטר גזירה דינמי (DSR) באמצעות ריאומטר סיבובי עם בקרת טמפרטורה בהתאם לתקן ASTM D717522. ההערכה הריאולוגית התמקדה בהתנהגות עייפות בטמפרטורה בינונית, הקשורה באופן הדוק להתחלה ולהתרחבות של סדקים בקישורי אספלט.
מדד העייפות G*sin δ23, המוכר נרחב כאינדיקטור לרגישות לעייפות ברמת החומר המקשר (binder), אומץ כדי לכמת שינויים בהתנהגות הפיזור הוויסקו-אלסטי המושרה על ידי שינוי בערבוב חם והזדקנות. בדיקות סריקת טמפרטורה בוצעו בטווח של 58–82 °C, במרווחי טמפרטורה של 6 °C. בכל טמפרטורת יעד, הדגימות הושארו להתאזן למשך 10 min לפני רכישת הנתונים כדי להבטיח יציבות תרמית. כדי לחקור את השפעת ההזדקנות על תכונות ראולוגיות, דגימות של החומר המקשר הוכפהו לשלושה תנאי הזדקנות: ללא הזדקנות, הזדקנות במבחן תנור סרט דק מתגלגל (RTFOT), והזדקנות משולבת של RTFOT ומכל הזדקנות בלחץ (PAV) 24. פרוטוקולי הזדקנות אלו תוכננו לדמות הזדקנות לטווח קצר במהלך הייצור והפריסה, וכן הזדקנות לטווח ארוך במהלך תפעול הכביש בשטח. התפתחותו של G*sin δ כפונקציה של הטמפרטורה ותנאי ההזדקנות נותחה כדי להעריך את עמידות העייפות של חומרים מקשרים שונים.
לפני כל בדיקת DSR, דגימת החומר המקשר נגזמה בזהירות לאחר הטענתה בין הלוחות המקבילים כדי להבטיח פרופיל קצה אחיד. הדגימה הותנתה בטמפרטורת היעד למשך 10 min לפני המדידה. הבדיקות בוצעו בטווח טמפרטורות של 58–82 °C במרווחים של 6 °C. בדיקה תקינה אושרה כאשר המומנט וההעתקה שנמדדו נותרו בטווח התפעול המומלץ של המכשיר, ולא נצפתה החלקה גלויה של הדגימה.
בדיקת סריקת אמפליטודה לינארית (LAS)
אפיון התנהגות ויסקו-אלסטית בוצע בהתאם למפרטי ASTM D7175 עבור אנליזה מכנית דינמית25. המתודולוגיה הניסויית כללה סריקות אמפליטודת מאמץ לקביעת הגבולות הויסקו-אלסטיים הלינאריים, ולאחריהן בדיקות בבקרה של תדר ב-10 rad/s26. הערכות תלויות טמפרטורה כיסו את טווח טמפרטורות העבודה של סלמיי אספלט (58–82°C), ובוצעו במרווחים של 6°C, כאשר הוקצו 10 דקות להגעה לשיווי משקל תרמי בכל מקטע איזותרמי. פרוטוקול AASHTO T391 שימש לכימות הצטברות נזקים בביטומן באמצעות התפתחות אנרגיה מתבזבזת, תוך ניטור ספציפי של פקטור הפיזור הויסקו-אלסטי (|G*|sin δ) במהלך טעינה מחזורית 27,28. מסגרת ה-Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) אומצה כדי לנבא דפוסי דגרדציה של קומפוזיטים ביטומניים29. פרוטוקול ה-LAS מבצע סריקת אמפליטודה תנודתית בתדר קבוע של 10 Hz, תוך הפעלת התקדמות מאמץ מבוקרת מ-0.1% עד 30% במרווחי רזולוציה של 0.1%.
פרמטרים ויזקואלסטיים מרכזיים נגזרו באמצעות המשוואות הבאות:
log G "(ω) = m (log ω) + b (1)
G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)
(3)
איפה G''(ω) הוא מודול ההפסד, ω היא התדירות הזוויתית, מ׳ ו-b הם מקדמי התאמה, G'(ω) הוא מודול האגירה, G*(ω) הוא המודול המורכב, δ(ω) היא זווית הפאזה, והוא מדד הוויסקו-אלסטיות.
כימות הנזק התבסס על הקשר היסודי המבטא את משוואה (4):
(4)
בנוסחה: C(t)—פרמטר השלמות, C(t)=G^* (t)/G^* (Initial), G^*- מודול מורכב (MPa);
γ_0—הפעלת מאמץ (%);
t—משך הבדיקה (s)
ההתפתחות הזמנית של מדד הנזק D(t) ומקדם השלמות המבנית C(t) מאופיינת מתמטית באמצעות קשר קונסטיטוטיבי של חוק חזקה (Yuan 2024):
C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)
בנוסחה: C0 מייצג את פרמטר השלמות הראשוני (בדרך כלל שווה ל-1), C1, C2—פרמטרי התאמה.
חשב את ערך נזקי העייפות באמצעות המושג של נקודת שיא מאמץ הגזירה:
(6)
Cpeak הוא פרמטר השלמות המתאימה לנקודת מאמץ הגזיר המקסימלי.
נוסחת חישוב חיי העייפות היא:
Nf = A(γmax)-B (7)
בנוסחה: A, B—מקדם הקשור לעייפות,
A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)
B=2a, תדירות טעינה (f-loading frequency);
γmax — רמת מאמץ מקסימלית צפויה (%)
כדי להבטיח את מהימנותם והשחזוריותם של תוצאות הניסוי, כל הבדיקות ברמת החומר המקשר (binder-scale) וברמת התערובת (mixture-scale) בוצעו עם לפחות 3 חזרות עצמאיות (n = 3) לכל תנאי. התוצאות המדווחות מייצגות את ערכי הממוצע של מדידות החזרות. השונות של נתוני הניסוי הוערכה באמצעות סטיית תקן (SD), וסטיות תקן מוצגות בכל האיורים הרלוונטיים כדי לשקף את הפיזור הסטטיסטי. עבור פרמטרי LAS–S-VECD, מדדי רהולוגיה של DSR ואורך חיי עייפות מבדיקות כיפוף ב-4 נקודות, חושב בנוסף מקדם השונות (COV) כדי להעריך את עקביות הנתונים.
בכל המקרים, נבחנו הבדלים סטטיסטיים בין חומרי קישור שעברו שינוי לכאלה שלא, כדי לוודא כי המגמות שנצפו אינן נובעות מפיזור ניסויי אלא מייצגות הבדלים משמעותיים מבחינה סטטיסטית בהתנהגות הרהאולוגית ובמאמצי העייפות.
בדיקת עייפות בכפיפה בנקודות ארבע
כדי לתקף מדדי עייפות ברמת הבינדר ולבסס מתאמים בין קני מידה שונים, נערכו בדיקות עייפות בכפיפה בנקודות ארבע על תערובות אספלט שהוכנו באמצעות גרדציה של AC-16C30,31. גרדציית האגרגטים, הצפיפות הגלויה, המשקל הסגולי הגס ובליעת המים של כל גודל אגרגט, יחד עם תכונות החומר הממלא המינרלי, מסוכמים בטבלה 2. תכולת האספלט של כל התערובות נקבעה על 4.8% כדי להבטיח עקביות בין פורמולציות WMA שונות.
| גודל נפה (מ"מ) | קטגוריה מצטברת | דירוג סינתטי (%) | ||||
| 1# (10~20 מ"מ, 29%) | 2# (5~10 מ"מ, 29.2%) | 3# (3~5 מ"מ, 17%) | 4# (0~3 ממ', 19%) | אבקת מינרלים (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 |
| צפיפות יחסית נראית | 2.899 | 2.918 | 2.845 | 2.754 | 2.872 | 2.865 |
| צפיפות יחסית במצב רווי ויבש (SSD) | 2.854 | 2.847 | 2.816 | 2.691 | － | 2.814 |
| משקל סגולי בתפזורת | 2.829 | 2.81 | 2.8 | 2.655 | － | 2.787 |
| שיעור ספיגת מים של פולימר ( (%) | 0.85 | 1.32 | 0.56 | 1.36 | － | － |
טבלה 2: דירוג של אגרגטים בתערובת אספלט חם-חלקית (warm-mix). טבלה 2 מציגה את גרנולומטרית האגרגטים של תערובת האספלט החם-חלקית, כולל פרופורציות של פראקציות אגרגטים שונות, תכולת אבקת מינרלים, עקומת גרנולומטריה סינתטית ומאפיינים פיזיקליים של האגרגטים. הטבלה מציגה את התפלגות גודל החלקיקים המתוכננת ואת המאפיינים הבסיסיים של האגרגטים ששימשו בתערובת האספלט.
בדיקות עייפות בכיפוף בארבע נקודות בוצעו באמצעות מכשיר בדיקה מסוג Cooper תחת תנאי טעינה מבוקרי מאמץ, כדי להעריך את עמידות העייפות של תערובות אספלט בחליטה חמה (WMA)32. קריטריון הכשל הוגדר כמספר מחזורי הטעינה הנדרשים כדי שנוקשות הכיפוף תרד ל-50% מערכה הראשוני. בהתאם לפרוטוקול הבדיקה המקובל33, הופעל עומס מחזורי בצורת גל סינוס רציף בתדר של 10 Hz תחת תנאים איזותרמיים של 15 °C. כל הבדיקות נערכו ללא תקופות מנוחה כדי להבטיח הזנה רציפה של אנרגיה במהלך טעינת העייפות34,35.
דגימות קורות יוצרו בהתאם לדרישות מימדיות סטנדרטיות, עם אורך של 381 ± 6.35 mm, רוחב של 63.5 ± 6.35 mm וגובה של 50.8 ± 6.35 mm3637. תחת תנאים של בקרת מאמץ (strain-controlled), ביצועי העייפות אופיינו באמצעות שרטוט עקומות מאפייני עייפות עבור דגימות עם פורמולציות WMA שונות במערכת קואורדינטות לוגריתמית כפולה38. לאחר מכן נקבע קשר קונסטיטוטיבי מסוג חוק חזקה (power-law), ונערך ניתוח רגרסיה לא-ליניארית להתאמת נתוני העייפות של תערובות الأسפלט השונות, דבר שסיפק את הבסיס למידול חיי עייפות ולניתוח השוואתי בהמשך39,40,41. דגימת הקורה הותקנה באופן סימטרי במתקן כיפוף ארבע נקודות, והמגע בין תפסני ההעמסה לפני השטח של הדגימה נבדק לפני ההעמסה. הבדיקה בוצעה בטמפרטורה של 15 °C תחת העמסה סינוסואידלית בבקרת מאמץ בתדר של 10 Hz ללא תקופות מנוחה. נקודת הסיום של הבדיקה הוגדרה כמספר המחזורים שבהם הקשיחות למתיחה (flexural stiffness) ירדה ל-50% מערכה הראשוני. בדיקות נחשבו לתקפות כאשר הכשל התרחש בתוך מקטע המדידה (gauge section), ולא נצפתה החלקות חריגה של התפסנים או שבירה פתאומית שאינה נובעת מעייפות. כל הנתונים הכמותיים מוצגים כממוצע ± סטיית תקן (mean ± SD), עם גודל מדגם n = 3 עבור כל הקבוצות הניסיוניות, אלא אם צוין אחרת.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
תכונות ראולוגיות של WMA
אזור הממשק בין האספלט למקריג (asphalt–aggregate interfacial zone) מוכר באופן נרחב כאתר ההיווצרות העיקרי של סדקי עייפות. בהתאם לכך, הפרמטר ראולוגי הקשור לעייפות ג'*sin δ, שנמדדה בטמפרטורות שירות ביניים, שימשה להערכת ביצועי העייפות של בינדרים לאספלט חם-חלקית (WMA). איור 1 מציג את השונות של ג'*sin δ עבור הבינדרים המקוריים והמשופרים בשיטת warm-mix של אספלט A, אספלט B ואספלט C. כל התוצאות הכמותיות מו...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
מחקר זה מציע מסגרת להערכת עייפות רב-סקלית המשלבת בדיקות Linear Amplitude Sweep (LAS) ברמת הביינדר עם מודל Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) ובדיקות עייפות של כפיפה בארבע נקודות ברמת התערובת, וזאת כדי לבסס קשר מכניסטי בין התפתחות הנזק בביינדר האספלט לבין ביצועי העייפות של התערובת. בניגוד לגישות מקובלות להערכת עייפות המסתמכות בעיקר על אינדיקטורים ריאולוגיים אמפיריים, כגון G*·sin δ, המסגרת המוצעת משתמשת בפרמטרים הקשורים לנזק הנגזרים ממכניקת נזק רציפה (continuum damage mechanics) כדי לאפיין את התנהגות הדיגראד...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
המחברים מצהירים כי אין ניגוד עניינים.
תודות
אנו אסירי תודה למחלקת התחבורה של מחוז ג'ג'יאנג על פרויקט ה-R&D המרכזי. מחקר זה מומן על ידי פרויקט R&D מרכזי של מחלקת התחבורה של מחוז ג'ג'יאנג (ZJXL-SJT-202316A).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| ביינדר A / AO, אספלט Karamay | מקור נפט גולמי Karamay, סין | N/A | ביינדר אספלט בסיסי |
| ביינדר B / BO, אספלט CNOOC 36-1 | מקור נפט גולמי מהמדף היבשתי CNOOC 36-1, סין | N/A | ביינדר אספלט בסיסי |
| ביינדר C / CO, אספלט PetroChina | מקור מבוסס נפט גולמי Boscan וונצואלי / PetroChina | N/A | ביינדר אספלט בסיסי |
| תוסף תערובת חמה Evotherm M1 | Ingevity / MeadWestvaco | Evotherm M1 | תוסף תערובת חמה להכנת ביינדר WMA |
| Rheometer גזירה דינמי | Malvern | Kinexus DSR+ | משמש לסריקת טמפרטורה ב-DSR ולבדיקות LAS |
| מכשיר לבדיקת סרט דק רולר בתנור (RTFO) | Shanghai Changji | SYD-0610 | משמש להזדקנות קצרת טווח |
| מכל יישון בלחץ (PAV) | InstroTek | PAV-9300 | משמש להזדקנות ארוכת טווח |
| מערכת לבדיקת עייפות בכפיפה בנקודות ארבע | Cooper Research Technology | SA4PT | משמשת לבדיקות עייפות של תערובת תחת בקרת מאמץ |
| מסגרת ניתוח S-VECD | ניתוח נתונים | N/A | משמשת לחישוב פרמטרי נזק הנגזרים מ-LAS |
| תוכנה לניתוח נתונים | Origin | OriginPro 2024 | משמשת להתאמת רגרסיה, ניתוח קורלציה ושרטוט גרפים |
מקורות
- Autelitano F, Bianchi F, Giuliani F. Airborne emissions of asphalt/wax blends for warm mix asphalt production. J Clean Prod. 2017;164:749-756.
- Bairgi BK, Mannan UA, Tarefder RA. Influence of foaming on tribological and rheological characteristics of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2019;205:186-195.
- Chen H, Bahia HU. Modeling effects of aging on asphalt binder fatigue using complex modulus and the Linear Amplitude Sweep test. Int J Fatigue. 2021;146:106150.
- Cui B, Gu X, Hu D, et al. A multiphysics evaluation of the rejuvenator effects on aged asphalt using molecular dynamics simulations. J Clean Prod. 2020;259:120629.
- Diab A, You Z. Rheological characteristics of nano-sized hydrated lime-modified foamed warm mix asphalt. Pavement Materials, Structures, and Performance. 2014:79-89.
- Dong F, Yu X, Wang T, et al. Influence of base asphalt aging levels on the foaming characteristics and rheological properties of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2018;177:43-50.
- Fang Y, Zhang Z, Zhang H, et al. Analysis of wetting behavior and its influencing factors of rejuvenator/old asphalt interface based on surface wetting theory. Constr Build Mater. 2022;314:125674.
- Ferrotti G, Mancinelli E, Passerini G, et al. Comparison of energy and environmental performance between warm and hot mix asphalt concrete production: A case study. Constr Build Mater. 2024;418:135453.
- Gao Z, Fu H, Chen Q, et al. Rheological properties and viscosity reduction mechanism of SBS warm-mix modified asphalt. Pet Sci Technol. 2020;38(6):556-564.
- Ge J, Yu H, Qian G, et al. Enhancement mechanism of aggregate surface roughness structure on interfacial properties of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;449:138388.
- Guo M, Tan Y, Wang L, et al. A state-of-the-art review on interfacial behavior between asphalt binder and mineral aggregate. Front Struct Civ Eng. 2018;12:248-259.
- Hu J, Ma T, Yin T, et al. Foamed warm mix asphalt mixture containing crumb rubber: Foaming optimization and performance evaluation. J Clean Prod. 2022;333:130085.
- Huang W, Guo Y, Zheng Y, et al. Chemical and rheological characteristics of rejuvenated bitumen with typical rejuvenators. Constr Build Mater. 2021;273:121525.
- Wang C, Chen Y, Xie W. A comparative study for fatigue characterization of asphalt binder using the linear amplitude sweep test. Mater Struct. 2020;53:101.
- Jiang Q, Li N, Yang F, et al. Rheology and volatile organic compounds characteristics of warm-mix flame retardant asphalt. Constr Build Mater. 2021;298:123691.
- Kheradmand B, Muniandy R, Hua LT, et al. An overview of the emerging warm mix asphalt technology. Int J Pavement Eng. 2014;15(1):79-94.
- Li B, Li N, Yu X, et al. Evaluation of the field-aged performance of foamed warm mix asphalt: Comparisons with hot mix asphalt. Case Stud Constr Mater. 2023;18:e01750.
- Doković K, Tošović S, Janković K, Šušić N. Physical-mechanical properties of cement stabilized RAP/crushed stone aggregate mixtures. Teh Vjesn. 2019;26(2):385-390.
- Liu H, Zhang Z, Li N, et al. Effect of organic montmorillonite on rheological properties of sasobit warm-mix asphalt and analysis of its ultraviolet aging behaviors. J Mater Civ Eng. 2022;34(12):04022339.
- Liu N, Liu L, Li M, et al. A comprehensive review of warm-mix asphalt mixtures: Mix design, construction temperatures determination, performance, and life-cycle assessment. Road Mater Pavement Des. 2024;25(7):1381-1425.
- Madeira NC, Ferreira PDS, Allochio Filho JOF, et al. Study of thermal aging of model compounds present in asphalt cement by GC/MS, ESI-MS, NMR, and FTIR. Energy Fuels. 2021;35(18):14553-14568.
- Menapace I, Cucalon LG, Kaseer F, et al. Application of low-field nuclear magnetic resonance to evaluate asphalt binder viscosity in recycled mixes. Constr Build Mater. 2018;170:725-736.
- Pouranian MR, Notani MA, Tabesh MT, et al. Rheological and environmental characteristics of crumb rubber asphalt binders containing non-foaming warm mix asphalt additives. Constr Build Mater. 2020;238:117707.
- Qu X, Wang D, Wang L, et al. The State-of-the-Art Review on Molecular Dynamics Simulation of Asphalt Binder. Adv Civ Eng. 2018;1:4546191.
- Sabouri M, Mirzaiyan D, Moniri A. Effectiveness of Linear Amplitude Sweep (LAS) asphalt binder test in predicting asphalt mixtures fatigue performance. Constr Build Mater. 2018;171:281-290.
- Shi C, Ge J, Yu H, et al. Interfacial adhesion properties and debonding mechanisms in rejuvenated asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;425:135973.
- Sukhija M, Saboo N, Pani A. Effect of warm mix asphalt (WMA) technologies on the moisture resistance of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2023;369:130589.
- Sun X, Guo D, Li J, et al. Compaction Characteristics of a Foam Asphalt Hot In-Place Recycling Asphalt Mixture. Buildings. 2023;14(1):58.
- Tang N, Yang K-K, Alrefaei Y, et al. Reduce VOCs and PM emissions of warm-mix asphalt using geopolymer additives. Constr Build Mater. 2020;244:118338.
- Wang W, Cheng H, Sun L, et al. Multi-performance evaluation of recycled warm-mix asphalt mixtures with high reclaimed asphalt pavement contents. J Clean Prod. 2022;377:134209.
- Xia W, Dong M, Xu T. Synergistic suppressions of porous warm mix agent and composite flame retardant on combustion and fume release of asphalt pavement. J Clean Prod. 2024;443:141003.
- Xiu M, Wang X, Morawska L, et al. Emissions of particulate matters, volatile organic compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons from warm and hot asphalt mixes. J Clean Prod. 2020;275:123094.
- Zhang M, Li W, Li Y, Ma Q, Zhao G. Preparation of low rolling resistance modified asphalt and analysis of its rolling resistance and viscoelasticity. Teh Vjesn. 2021;28(4):1297-1305.
- Yao Y, Chen H, Li G, et al. Effect of asphalt surface properties and genetic components on ice-asphalt interface adhesion behaviors. Constr Build Mater. 2025;471:140635.
- Yu S, Shen S, Steger R, et al. Effect of warm mix asphalt additive on the workability of asphalt mixture: From particle perspective. Constr Build Mater. 2022;360:129548.
- Yuan H, Liu J, Ding H, et al. Evaluation of physical hardening of wax-based warm mix asphalt binders from low-temperature rheological properties. Constr Build Mater. 2024;419:135496.
- Zhang S, Wang D, Guo F, et al. Properties investigation of the SBS modified asphalt with a compound warm mix asphalt (WMA) fashion using the chemical additive and foaming procedure. J Clean Prod. 2021;319:128789.
- Medjdoub A, Abdessemed M. Tests on the influence of cyclic loading and temperature on the behavior of flexible pavement reinforced by geogrids with numerical simulation. Teh Vjesn. 2023;30(2):521-529.
- Milad A, Babalghaith AM, Al-Sabaeei AM, et al. A comparative review of hot and warm mix asphalt technologies from environmental and economic perspectives: towards a sustainable asphalt pavement. Int J Environ Res Public Health. 2022;19(22):14863.
- Zhang F, Zhu J, Sun Y, et al. Effect analysis of using tall oil pitch (TOP) to partially extend bitumen in asphalt pavements: Comparison of different TOPs. Road Mater Pavement Des. 2025:1-20.
- Zhang F, Cannone Falchetto A, Wang D, et al. Prediction of asphalt rheological properties for paving and maintenance assistance using explainable machine learning. Fuel. 2025;396:135319.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.