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

סיכום

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.

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 בטמפרטורה^5,6. 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 שירות^11,12. 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 העייפות^17,18,19. 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.

פרוטוקול

חומרים
שלושת קישרי الأسפלט שנבחרו במחקר זה, כפי שסוכמו בטבלה 1, הם קישרי סלילה מייצגים המופקים ממקורות שונים של נפט גולמי ונמצאים בשימוש נרחב בהנדסת כבישים מעשית בסין. אספלט Karamay, אספלט CNOOC 36-1 ואספלט PetroChina נבדלים באופן משמעותי במקור הגולמי, בהרכב הכימי, ברגישות להזדקנות ובמאפיינים ראולוגיים, ובכך מספקים בסיס חומרי מתאים לבחינת התנהגות עייפות התלויה במקור הנפט. בחירתם מאפשרת הערכה השוואית של האופן שבו הרכב הקישר הפנימי משפיע על יעילות השינוי בתערובת חמה (warm-mix modification) ועל ביצועי העייפות בקנה מידה של התערובת, ובכך מגבירה את הרלוונטיות ההנדסית של מסגרת אפיון העיירות הרב-ממדית המוצעת. מקורות גאולוגיים מפורטים ומאפיינים כימיים של כל קישר הם כדלקמן:

מקשר A: נגזר מחומר גלם של נפט כבד מאזור 9, אשר הופק באמצעות תהליך ערבוב של שאריות ואקום ואספלט מנוק זה. חומר הבסיס שלו מציג תכונות ייחודיות, הכוללות תכולת פראפין נמוכה (<2%), ריכוז גופרית מינימלי והרכב שרפים גבוה. ראוי לציין כי אספלט מקאראמאי הוא מקשר הסלילה היחיד עם משקל סגולי הנמוך מ-1 g/cm³ ביישומים הנדסיים נוכחיים, והוא מאופיין בצמיגות דינמית מעולה ובשמירה מצוינת על הדקטיליות לאחר יישון. מאפיינים אלו הופכים אותו למתאים במיוחד לאזורים החשופים לשינויי טמפרטורה יומיים גדולים ולחשיפה אינטנסיבית לקרינת ultraviolet.

מקשר 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 דל-גופרית, על בסיס נפתני עם ערך חומציות גבוה, דבר שמוביל למקשר מעובד בעל צפיפות גבוהה (1.012 g/cm³), תכולת פראפין נמוכה (1.8%) ופרופורציות שרף מוגברות. תכונות אלו מעניקות למקשר גמישות מצוינת בטמפרטורות נמוכות, מה שהופך אותו ליתרון עבור יישומים בסביבה קרה.

מקשר C: מורכב בעיקר מנפט גולמי כבד מסוג Boscan ונוצרה בו תפוקה של 60% באמצעות תהליכי זיקוק ייחודיים. נפט גולמי זה מציג מאפיינים גאכימיים ייחודיים, הכוללים תכולת חומצה גבוהה, ריכוזים משמעותיים של מתכות כבדות ופוטנציאל גבוה להיווצרות שאריות פחמן. המקשר מציג הרכב פחמימני לא טיפוסי, המאופיין בחלקים נמוכים של פחמימנים רוויים, קומפלקסים עשירים של שרף-אספלטן ותכולת פראפין נמוכה במיוחד (1.3%).

במחקר זה, שלושה קישרי אספלט בסיסיים הוגדרו כ-AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1), ו-CO (PetroChina). קישרי WMA תואמים הוכנו על ידי שילוב תוסף Evotherm M1, שסומנו כ-AP, BP ו-CP, בהתאמה²⁰. מדדי ביצועים מקיפים, כולל חדירות, נקודת ריכוך ודלילות, נבדקו בהתאם למפרטי JTG E20-2011²¹, כאשר נתונים השוואתיים מפורטים מוצגים ב-טבלה 1. כל ההליכים הניסיוניים בוצעו בקפידה על פי הפרוטוקולים הסטנדרטיים המפורטים במפרטים הטכניים לאספלט ותערובות ביטומניות להנדסת כבישים.

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
דוקטיליות (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 באיכות (%)	0.05	0.06	-0.07
	יחס חדירות שיורי (%)	66.2	67.4	64.8
	דוקטיליות שיורית (10 °C, cm)	13	12	9

טבלה 1: פרמטרים טכניים מרכזיים של חומרי קישור ביתומיים. טבלה 1 מסכמת את הפרמטרים הטכניים המרכזיים של חומרי קישור ביתומיים, הכוללים תכונות פיזיקליות, רגישות לטמפרטורה, מאפיינים ראולוגיים וביצועי הזדקנות לטווח קצר, על מנת 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 אספלט הבסיס חומם בתנור קונבקציה כפויה בטמפרטורה של 135 ± 2 °C למשך 60 min כדי להגיע למצב מותק יציב, ולאחר מכן בוצע תהליך איזון למשך 30 min כדי לבטל מסיבים תרמיים. כל תהליכי החימום בוצעו במיכלים אטומים תחת הגנת חנקן (קצב זרימה: 0.5 L/min) כדי למזער הזדקנות חמצונית במהלך התניית הטמפרטורה.

לאחר מכן שולב התוסף Evotherm M1 בטמפרטורה של 135 ± 2 °C תחת ערבוב מכני רציף ב-300 rpm למשך 5 דקות לפני עיבוד בגזירה גבוהה, כדי להבטיח פיזור ראשוני של פאזת הפעיל שטחיי. לאחר מכן, בוצע ערבוב בגזירה גבוהה באמצעות הומוגנייזר מסוג rotor–stator ב-3000 rpm למשך 25 דקות, תוך שמירה על טמפרטורת מקשר הדבקים בטווח של 135–140 °C באמצעות מערכת חיצונית לבקרת טמפרטורה באמבט שמן (בדיוק של ±1 °C). במהלך כל תהליך הערבוב, הטמפרטורה נוטרה באופן רציף באמצעות תרמוקפל מסוג K מכויל שהוחדר למטריצת מקשר הדבקים, ותנודות שעלו על ±2 °C הפעילו התאמה אוטומטית של החימום. מקשר הדבקים המודגש 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 הקשר בין צמיגות לטמפרטורה של מקשרי דבקים של אספלט, ובכך הובטח שכל הדגימות הוכנו תחת תנאי היסטוריית גזירה דומים. בקרה תרמיט-מכנית קפדנית זו מבטיחה הדירות גבוהה וממזערת שונות בהכנת מקשרי דבקים מסוג WMA.

בדיקת רהומטר גזירה דינמי (DSR)
כדי לאפיין את התגובה הרהאולוגית ואת התכונות הקשורות לעייפות של חומרי קישור אספלטיים המעובדים עם תוספי תערובת חמה, נערכו בדיקות רהומטר גזירה דינמי (DSR) באמצעות רהומטר סיבובי בעל בקרת טמפרטורה בהתאם לתקן ASTM D7175²². ההערכה הרהאולוגית התמקדה בהתנהגות עייפות בטמפרטורה בינונית, הקשורה באופן הדוק להיווצרות ולתפשטות סדקים בסילי asphalt.

מדד העייפות G*sin δ²³, המוכר באופן נרחב כאינדיקטור לרגישות לעייפות ברמת החומר המאגד (binder), אומץ כדי לכמת שינויים בהתנהגות הפיזור הוויסקו-אלסטי המושרים על ידי שינוי בתערובת חמה (warm-mix) והזדקנות. בדיקות סריקת טמפרטורה בוצעו בטווח של 58–82 °C, במרווחי טמפרטורה של 6 °C. בכל טמפרטורת מטרה, הדגימות הושארו להגיע לשיווי משקל למשך 10 min לפני רכישת הנתונים כדי להבטיח יציבות תרמית. כדי לחקור את השפעת ההזדקנות על התכונות הראולוגיות, דגימות החומר המאגד הוכפהו לשלושה תנאי הזדקנות: ללא הזדקנות, הזדקנות בבדיקת תנור סרט דק מתגלגל (RTFOT), והזדקנות משולבת של RTFOT ומכל הזדקנות בלחץ (PAV) ²⁴. פרוטוקולי הזדקנות אלו תוכננו לדמות הזדקנות קצרת טווח במהלך הייצור והפריסה, כמו גם הזדקנות ארוכת טווח במהלך תפעול הסלילה בשטח. האבולוציה של G*sin δ ביחס לטמפרטורה ותנאי ההזדקנות נותחה כדי להעריך את עמידות העייפות של חומרים מאגדים שונים.

לפני כל בדיקת DSR, דגימת החומר המקשר נגזמה בקפידה לאחר הטענתה בין הלוחות המקבילים כדי להבטיח פרופיל קצה אחיד. הדגימה עברה התנייה בטמפרטורת היעד למשך 10 min לפני המדידה. הבדיקות בוצעו בטווח של 58–82 °C במרווחים של 6 °C. בדיקה תקינה אושרה כאשר המומנט וההעתקה שנמדדו נותרו בטווח הפעולה המומלץ של המכשיר, ולא נצפתה החלקה גלויה של הדגימה.

בדיקת סריקת אמפליטודה ליניארית (LAS)
אפיון התנהגות ויסקו-אלסטית בוצע בהתאם למפרטי ASTM D7175 עבור אנליזה מכנית דינמית²⁵. המתודולוגיה הניסויית כללה סריקות אמפליטודת מאמץ לקביעת גבולות ויסקו-אלסטיות ליניארית, ולאחריהן בדיקות בבקרה של תדר ב-10 rad/s²⁶. הערכות תלויות טמפרטורה כיסו את טווח טמפרטורות העבודה של סלמילטי אספלט (58–82°C), ובוצעו במרווחים של 6°C עם המתנה של 10 דקות להגעה לשיווי משקל תרמי בכל מקטע איזותרמי. פרוטוקול AASHTO T391 שימש לכימות הצטברות נזקים בביטומן באמצעות התפתחות אנרגיה מפוזרת, תוך ניטור ספציפי של מקדם הפיזור הויסקו-אלסטי (|G*|sin δ) במהלך טעינה מחזורית ^27,28. מסגרת העבודה של נזק רצף ויסקו-אלסטי מפושט (S-VECD) אומצה כדי לחזות 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% עם רזולוציית רכיבים של 0.1%.

פרמטרים ויסקו-אלסטיים מרכזיים הופקו באמצעות המשוואות הבאות:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

כאשר G''(ω) הוא מודול האובדן, ω הוא התדר הזוויתי, m ו-b הם מקדמי התאמה, G'(ω) הוא מודול האחסון, G*(ω) הוא המודול המורכב, δ(ω) היא זווית הפאזה, וזהו מדד הוויסקו-אלסטיות.

כימות הנזק התבסס על הקשר היסודי המובא במשוואה (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 מבני של חוק חזקה (Yuan 2024):

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

בנוסחה: C0​ מייצג את פרמטר השלמות הראשוני (בדרך כלל שווה ל-1), C1, C2—פרמטרי התאמה.

חשב את ערך נזקי העייפות באמצעות הקונספט של נקודת שיא מאמץ הגזירה:

(6)

Cpeak הוא פרמטר השלמות המתבסס על נקודת מאמץ הגזירה המקסימלית.

נוסחת חישוב אורך חיי העייפות היא:

N_f = A(γ_max)^-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);
γ_max — רמת מאמץ מקסימלית צפויה (%)

כדי להבטיח את המהימנות והשחזוריות של התוצאות הניסיוניות, כל הבדיקות ברמתו של החומר המקשר וברמת התערובת בוצעו עם לפחות 3 חזרות בלתי תלויות (n = 3) לכל תנאי. התוצאות המדווחות מייצגות את ערכי הממוצע של מדידות החזרות. השונות של הנתונים הניסיוניים הוערכה באמצעות סטיית תקן (SD), וסטיות תקן מוצגות בכל האיורים הרלוונטיים כדי לשקף את הפיזור הסטטיסטי. עבור פרמטרי LAS–S-VECD, מדדים ראולוגיים של DSR ואורך חיי עייפות מבדיקות כיפוף מארבע נקודות, חושב בנוסף מקדם השונות (COV) כדי להעריך את עקביות הנתונים.

בכל המקרים, נבחנו הבדלים סטטיסטיים בין קשרי הליבון (binders) המשופרים לבלתי המשופרים, כדי להבטיח שהמגמות שנצפו אינן נובעות מפיזור ניסיוני אלא מייצגות הבדלים בעלי משמעות סטטיסטית בהתנהגות ריאולוגית ובעמידות לעייפות.

בדיקת עייפות בכיפוף בארבע נקודות
כדי לתקף מדדי עייפות ברמת החומר המאגד (binder) ולבסס קורלציות בין קני מידה שונים, נערכו בדיקות עייפות בכיפוף בארבע נקודות על תערובות אספלט שהוכנו באמצעות גרדציה של AC-16C^30,31. גרדציית האגרגטים, הצפיפות הנראית, המשקל הסגולי הגולמי ובליעת המים של כל גודל אגרגט, יחד עם תכונות המילוי המינרלי, מסוכמים בטבלה 2. תכולת האספלט של כל התערובות נקבעה על 4.8% כדי להבטיח עקביות בין פורמולציות WMA שונות.

גודל נפה (mm)	קטגוריית אגרגט					גרדציה סינתטית (%)
	1# (10~20mm. 29%)	2# (5~10mm. 29.2%)	3# (3~5mm. 17%)	4# (0~3mm. 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 SSD	2.854	2.847	2.816	2.691	－	2.814
משקל סגולי כולל	2.829	2.81	2.8	2.655	－	2.787
קצב ספיגת מים של אגרגט (%)	0.85	1.32	0.56	1.36	－	－

טבלה 2: דירוג של אגרגטים בתערובת אספלט חם (warm-mix asphalt). טבלה 2 מציגה את גרדציית האגרגטים של תערובת האספלט החם, כולל הפרופורציות של פראקציות אגרגטים שונות, תכולת אבקת מינרלים, עקומת גרדציית סינתטית ותכונות פיזיקליות של האגרגטים. הטבלה מציגה את התפלגות גודל החלקיקים המתוכננת ואת המאפיינים הבסיסיים של האגרגטים שנעשה בהם שימוש בתערובת האספלט.

בדיקות עייפות של כיפוף בארבע נקודות בוצעו באמצעות מכשיר בדיקה מסוג Cooper תחת תנאי טעינה בבקרה על המתיחה, כדי להעריך את עמידות העייפות של תערובות אספלט בערבוב חם (WMA)³². קריטריון הכשל הוגדר כמספר מחזורי הטעינה הנדרשים כדי שקשיחות הכפיפה תרד ל-50% מערכה הראשוני. בהתאם לפרוטוקול הבדיקה המקובל³³, הופעלה טעינה מחזורית 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 העייפות^34,35.

דגימות קורות יוצרו בהתאם לדרישות הממדים הסטנדרטיים, באורך של 381 ± 6.35 mm, רוחב של 63.5 ± 6.35 mm וגובה של 50.8 ± 6.35 mm³⁶³⁷. תחת תנאים מבוקרי מאמץ, ביצועי העייפות אופיינו על ידי שרטוט עקומות מאפייני עייפות עבור דגימות עם הרכבי WMA שונים במערכת צירים כפולה-לוגריתמית³⁸. לאחר מכן נקבע קשר חוקי-חזק (power-law), ונעשה שימוש בניתוח רגרסיה לא-ליניארית כדי להתאים את נתוני העייפות של תערובות האספלט השונות, דבר שסיפק את הבסיס למידול חיי העייפות ולאנליזה השוואתית לאחר מכן^39,40,41. דגימת הקורה הותקנה באופן סימטרי במתקן כיפוף ארבע-נקודות, והמגע בין תבריגי ההעמסה לפני השטח של הדגימה נבדק לפני ההעמסה. הבדיקה נערכה בטמפרטורה של 15 °C תחת העמסה סינוסואידלית מבוקרת מאמץ בתדר של 10 Hz ללא תקופות מנוחה. נקודת הסיום של הבדיקה הוגדרה כמספר המחזורים שבהם קשיחות הכיפוף ירדה ל-50% מערכה ההתחלית. בדיקות נחשבו לתקפות כאשר הכשיל התרחש בתוך מקטע המדידה, ולא נצפתה החלקה חריגה של התבריגים או שבר פתאומי שאינו נובע מעייפות. כל הנתונים הכמותיים מוצגים כממוצע ± סטיית תקן (mean ± SD), כאשר גודל המדגם n = 3 לכל הקבוצות הניסיוניות, אלא אם צוין אחרת.

תוצאות

תכונות ראולוגיות של WMA
אזור הממשק שבין האספלט לבין התגרית מזוהה באופן נרחב כאתר ההתחלה העיקרי של סדקי עייפות. בהתאם לכך, הפרמטר הריאולוגי הקשור לעייפות G*sin δ, שנמדדה בטמפרטורות שירות בינוניות, שימשה להערכת ביצועי העייפות של בנדרים לאספלט חם-חלקית (WMA). איור 1 מציג את השונות של ג'*sin δ עבור הבינדרים המקוריים והמשופרים בשיטת ה-warm-mix של אספלט A, אספלט B ואספלט C. כל התוצאות הכמותיות מוצגות כממוצע ± סטיית תקן (SD) המבוססת על שלוש מדידות חוזרות (נ = 3). השוואות סטטיסטיות בין ביינדרים מקוריים לביינדרים ששופרו בשיטת תערובת חמה (warm-mix) באותה טמפרטורה בוצעו באמצעות מבחן t למדגמים בלתי תלויים, והבדלים נחשבו למשמעותיים ב- p < 0.05. כפי שמוצג ב- איור 1, ג'*sin δ פוחת באופן רציף עם עליית הטמפרטורה עבור כל בנדרי האספלט, מה שמעיד על קשיחות מופחתת הקשורה לעייפות בטמפרטורות ביניים גבוהות יותר. עבור אספלט A, ה-AP מראה ערכים גבוהים משמעותית ג'*חטא δ ערכים מאשר AO בטווח הטמפרטורות שנבדק של 16–25 ˚ C (p = 0.025 (טווח: 0.018–0.032)), ירידה מ-7685 ± 126 עד 2480 ± 84 kPa, בעוד ש-AO יורד מ-5580 ± 112 עד 1535 ± 76 kPa. באופן דומה, BP מראה ערכים גבוהים משמעותית ג'*sin δ ערכים מאשר BO מ-22 עד 28 (p = 0.021 (טווח: 0.011–0.027)), כאשר ה-BP ירד מ-7980 ± 138 עד 3985 ± 105 kPa ו-BO הפוחת מ-6120 ± 120 עד 1725 ± 82 kPa. תוצאות אלו מעידות כי התוסף לתערובת חמה (warm-mix) מגדיל את מקדם העייפות של Asphalts A ו-B, מה שמוביל לפיזור אנרגיה צמיגית גבוה יותר ופוטנציאלית לרגישות גבוהה יותר לעייפות ברמת הקישרי (binder). לעומת זאת, Asphalt C מראה הבדל קל בלבד בין CO ל-CP; למרות ש-CP גבוה באופן שולי מ-CO באותה טמפרטורה, ההבדל אינו מובהק סטטיסטית ברוב הטמפרטורות (p = 0.086–0.214). באופן ספציפי, ה-CP יורד מ-13.420 ± 185 עד 4420 ± 96 kPa, בעוד ש-CO יורד מ-13.080 ± 172 עד 4350 ± 91 kPa, דבר המעיד כי לתוסף התערובת החמה יש השפעה מוגבלת על ההתנהגות הראולוגית הקשורה לעייפות של Asphat C. באופן כללי, שלושת המסמיכים מראים תגובות שונות לשינוי באמצעות תערובת חמה, מה שמשקף את השפעת מקור האספלט על ביצועי העייפות. אספלטים A ו-B רגישים יותר לתוסף התערובת החמה, בעוד שאספלט C שומר על עמידות יחסית יציבה לעייפות לאחר השינוי.

לעומת זאת, אספלט C אינו מראה שינוי משמעותי ב-G*sin δ לאחר מודיפיקציה של תערובת חמה, מה שמעיד על כך שהתוסף לתערובת החמה מפעיל השפעה מוגבלת על התכונות הראולוגיות הקשורות לעייפות שלו. תצפית זו מרמזת כי ההרכב הכימי הפנימי של אספלט C דומיננטי בתגובה הוויזקואלסטית שלו, ובכך מפחית את הרגישות של פרמטרים הקשורים לעייפות למודיפיקציה של התוסף. תוצאות אלו מדגישות את טבעה של השפעת המודיפיקציה של התערובת החמה התלוי במקור השמן. תוצאות סריקת הטמפרטורה חושפות מגמות ראולוגיות עקביות עבור כל החומרי המקשרים שנבדקו. ככל שהטמפרטורה עולה, מקדם השקיעה G*/sin δ פוחת באופן רציף, בעוד שזווית הפאזה δ עולה בהדרגה, מה שמעיד על מעבר הדרגתי לעבר התנהגות דומיננטית צמיגית. טמפרטורות גבוהות מגבירות את התנועה המולקולרית בתוך החומר המקשר, מחלישות מבנים אלסטיים ומפחיתות את ההתנגדות לעיוות. לעומת זאת, הגברת חומרת ההזדקנות מובילה לערכי G*/sin δ גבוהים יותר ולזוויות פאזה נמוכות יותר, מה שמשקף קשיחות מוגברת ותגובה אלסטית עקב התקשחות מושרית-הזדקנות.

איור 1. מקדם עייפות (G*sin δ) של קישורי אספלט שונים כפונקציה של הטמפרטורה. (A) אספלט A (Karamay); (B) אספלט B (CNOOC 36-1); (C) אספלט C (PetroChina/Venezuelan Boscan). AO, BO, ו-CO מייצגים את קישורי האספלט המקוריים, בעוד ש-AP, BP, ו-CP מייצגים את קישורי האספלט בתערובת חמה (warm-mix) המקבילים. G*sin δ פוחת עם עליית הטמפרטורה עבור כל הקישורים, בעוד שהשפעת השינוי לתערובת חמה משתנה בהתאם למקור הקישור. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

ניתן לייחס התפתחויות ראולוגיות אלו לשינויים בהרכבם של קישרי אספלט במהלך יישון תרמי-חמצוני. רכיבים בעלי משקל מולקולרי נמוך הופכים בהדרגה למבנים בעלי משקל מולקולרי גבוה יותר באמצעות תגובות חמצון ופולימריזציה, דבר המעלה את המודול המורכב G*. במקביל, הצטברות של תוצרי חמצון פולריים מגבירה את אגירת האנרגיה האלסטית, המתבטאת בירידה בזווית הפאזה. ככל שהיישון מתקדם, הקישור הופך לרגיש יותר לשינויי טמפרטורה, והתלות של הפרמטרים הראולוגיים הקשורים לעייפות בטמפרטורה הופכת למודגשת יותר.

באופן כללי, התוצאות מדגימות כי השפעת השינוי בתערובת חמה על תכונות ראולוגיות הקשורות לעייפות של חומר המקשר תלויה באופן חזק במקור הנפט הגולמי. בעוד שהתוסף לתערובת החמה משנה את התנהגות הפיזור הוויסקו-אלסטי של חומרי מקשר מסוימים, יעילותו מוגבלת על ידי ההרכב הפנימי ומאפייני ההזדקנות של האספלט הבסיסי. ממצאים אלו מדגישים את הצורך להתחשב בתכונות הספציפיות למקור הנפט בעת פרשנות של מקדמי עייפות המבוססים על DSR והערכת ביצועי העייפות של חומרי מקשר לאספלט בתערובת חמה. העלייה ב-G·sin δ הקשורה להזדקנות כמתה באמצעות נתוני DSR הגולמיים המסוכמים ב-איור 1. שינויים באחוזים חושבו ביחס למצב חומר המקשר התואם לפני ההזדקנות.

סריקת אמפליטודה ליניארית
פרמטרים מרכזיים הגזורים ממסגרת ה-S-VECD מסוכמים בטבלה 3. מדד השלמות C מאפיין כמותית את הדיגדרציה הפרוגרסיבית של קישורי אספלט תחת עומס מכני מחזורי, כאשר C = 1 מייצג את המצב הראשוני והבלתי פגום, ו-C = 0 תואם לכשל מבני מלא. בנוסף, מקדמי הרגרסיה C₁ ו-C₂ מתארים את התפתחות שלמות החומר עם עליית הנזק. ערכים נמוכים יותר של C₁ ו-C₂ מעידים על יציבות מבנית משופרת ברמות נזק שוות, דבר הקשור ישירות לעמידות משופרת לעייפות ברמת הקישור. כפי שמוצג בטבלה 3, הזדקנות מגבילה בדרך כלל את C₁ ומפחיתה את C₂, מה שמרמז על הידרדרות בהתפתחות שלמות הקישור ובעמידות לעייפות. אספלט Karamay מראה את העמידות הגבוהה ביותר להצטברות נזקים עם ערכי C₁ הנמוכים ביותר וערכי C₂ גבוהים יחסית, בעוד שאספלט CNPC מראה מגמה הפוכה, המעידה על ביצועי עייפות חלשים יותר.

סוג אספלט	α	C₀	C₁	C₂	A	B
Karamay	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
Karamay מזדקק	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
CNOOC מזדקק	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
CNPC מזדקק	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

טבלה 3: פרמטרים הקשורים לשיטת VECD. טבלה 3 מסכמת את פרמטרי המודל המתואמים עבור שלושה סוגי ביטומן בתנאים ללא יישון ובתנאי יישון. השינויים בפרמטרים משקפים את השפעות סוג הביטומן והיישון על מאפייני המודל.

איור 2 ממחיש את עקומות התפתחות הנזק של סוגים שונים של חומרי קישור אספלטיים, הן בתנאים קונבנציונליים והן בתנאים של תערובת חמה (warm-mix). תחת רמות מאמץ זהות, מערכות של אספלט חם (WMA) מראות קצב הצטברות נזקים נמוך משמעותית בהשוואה למקבילותיהן הקונבנציונליות, מה שמעיד על התפתחות נזק חיובית יותר. התנהגות זו מרמזת כי המעבר לתערובת חמה מייעל את מנגנון פיזור האנרגיה הפנימית במהלך טעינה מחזורית, ובכך משפר את עמידות העייפות. אחוזי השינוי במקדמי קצב הנזק חושבו מתוך פרמטרי S-VECD המותאמים המופיעים בטבלה 3, כאשר חומר הקישור שלא עבר שינוי שימש כתנאי הייחוס.

איור 2: מאפייני עמידות לעייפות בפורמולציות שונות של קישרי אספלט. (A) אספלט A; (B) אספלט B; (C) אספלט C. AO, BO ו-CO מייצגים את דגימות האספלט המקוריות, בעוד ש-AP, BP ו-CP מציינים את דגימות האספלט בתהליך ערבוב חם (warm-mix asphalt) התואמות להן. אנא לחצו כאן להצגת גרסה מוגדלת של איור זה.

בחינה מפורטת של פרופילי התפתחות הנזק חושפת הבדלים ניכרים התלויים בבנדר. אספלט A בשינוי תערובת חמה (warm-mix) מראה עמידות גבוהה יותר לעייפות ביחס לבנדר שלא עבר שינוי, כפי שעולה מהמיקום המועדף יותר של עקומת התפתחות הנזק שלו. תוצאה זו מאשרת כי התוסף לתערובת החמה משפר ביעילות את העמידות של אספלט A תחת עומס חוזר. לעומת זאת, אספלט B מראה תגובה זניחה לשינוי בתערובת החמה, כאשר הן הבנדרים שהשתנו והן אלו שלא עברו שינוי עוקבים אחר מסלולי התקדמות נזק כמעט זהים. עבור אספלט C, נצפה שיפור התלוי בסף: הבנדר בשינוי תערובת חמה מציג ביצועים טובים יותר מהאספלט הבסיסי רק כאשר משתנה הנזק עולה על 100 יחידות, מה שמעיד על כך שהיעילות של התוסף מופעלת בעיקר בשלבי נזק מתקדמים.

השוואות כמותיות של חיי העייפות שהופקו מבדיקת ה-LAS מוצגות ב-איור 3. הווריאציות שנצפו בביצועי העייפות מדגישות עוד יותר את האופי הספציפי לחומר של האינטראקציה בין התוסף לתערובת החמה לבין הביטומן, שביעילותה נקבעת במידה רבה על ידי המאפיינים ההרכביים המולדים של אספלט הבסיס. מבין החומרים שנבדקו, אספלט Qinhuangdao PetroChina מראה את עמידות העייפות הגבוהה ביותר, דבר המשקף יתרונות מובנים הקשורים להרכב חומר הגלם הבסיסי שלו. לעומת זאת, אספלט Karamay מראה את השיפור הבולט ביותר בעקבות הת модиפיקציה בתערובת חמה, מה שמדגיש את התפקיד המכריע של תכונות אספלט הבסיס בקביעת פוטנציאל שיפור הביצועים של תוספי תערובת חמה.

איור 3. השוואה של חיי העייפות בין אספלט בחליטה חמה (HMA) לאספלט בחליטה חמימה (WMA) עבור שלושת קישורי האספלט.חיי העייפות נבדלים באופן קל בלבד בין WMA ל-HMA עבור כל שלושת סוגי הקישור. אספלט C מראה את חיי העייפות הגבוהים ביותר, ואחריו אספלט A ואספלט B. באופן כללי, התוצאות מעידות כי שינוי לאספלט בחליטה חמימה מייצר השפעה צנועה בלבד על חיי העייפות, כאשר גודל וכיוון השינוי תלויים בסוג הקישור. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

על אף ששינוי מסוג תערובת חמה (warm-mix) שיפר בדרך כלל את ביצועי העייפות, מידת השיפור הייתה צנועה יחסית עבור חלק מהבנדרים. התנהגות זו עשויה להיות מיוחסת למנגנון של Evotherm M1, אשר בעיקר מפחית את טמפרטורת הייצור וממתן הזדקנות חמצונית לטווח קצר, במקום לחזק כימית את מבנה הבנדר. לפיכך, שיפור העייפות צפוי להיות מתון ותלוי מאוד במאפיינים הפנימיים של האספלט הבסיסי. העקביות בין המדידות החזורות מעידה על כך שהמגמות שנצפו הן הדירות, למרות מידת השיפור המוגבלת. כדי לפרש עוד יותר את התנהגות העייפות התלויה בבנדר מנקודת מבט כימית, נותח השפעת הרכב הנפט הגולמי על פרמטרי S-VECD ועל ביצועי העייפות. שלושת הבנדרים מראים מאפייני הרכב מובחנים: יחסים גבוהים יותר של ארומטים לסטורטים קשורים בדרך כלל להפצה משופרת של מאמצים ולעיכוב בהצטברות נזקים, בעוד שמערכות עשירות יותר באספלטנים נוטות להאיץ את גידול הקשיחות ולהפחית את עמידות העייפות.

במחקר זה, אספלט מבוסס Karamay מראה חלק ארומטי גבוה יותר יחסית ותוכן רווי נמוך יותר, מה שמתכתב עם שיעורי התפתחות נזק נמוכים יותר (ערכי C₁ מופחתים) וחיי עייפות משופרים הן בבדיקות LAS והן בבדיקות ברמת התערובת. לעומת זאת, קישרי הדבק שגויס מ-PetroChina מראה פרופורציה רוויה מאוזנת יותר, אך גבוהה יחסית, המובילה להתנהגות הצטברות נזק S-VECD בינונית. אספלט שגויס מ-CNOOC, עם חלקים הקשורים לפולריות גבוהה יותר כפי שניתן להסיק ממאפייני מקור הנפט הגולמי, מדגים גידול מהיר יותר בנוקשות תחת עומס מחזורי, המתבטא ב-C₁ גבוה יותר ובחיי עייפות מופחתים. תוצאות אלו מרמזות כי האיזון בין הארומטים לרוויים שולט במסלולי פיזור האנרגיה הוויסקו-אלסטית ובהתפתחות הנזק המיקרו-מבני, ובכך משפיע ישירות על פרמטרי S-VECD ועל העמידות לעייפות. באופן כללי, יש להתבונן בתוצאות הנוכחיות כמסגרת מבוססת מנגנונית אך מותנית בגבולות, ולא כמודל ניבוי אוניברסלי מלא לכל מערכות האספלט.

עמידות לעייפות בקנה מידה של תערובת
העמידות לעייפות של תערובות אספלט המשלבות טכנולוגיות שונות של אספלט חם-חלקי (WMA) הוערכה באופן שיטתי, ותוצאות בדיקות העייפות המתאימות מסוכמות בטבלה 4. נתונים אלו מכמתים את הסיבולת של תערובות אספלט תחת עומס מחזורי וחושפים הבדלים מובחנים באורך חיי העייפות בין הרכבי ה-WMA שנבדקו. השונות שנצפתה מעידה על כך שביצועי העייפות בקנה מידה של התערובת תלויים מאוד בהרכב החומר ובטכנולוגיית התערובת החמה.

סוג אספלט	מזהה דגימה	נקבוביות (%)	רמת מאמץ (με)	חיי עייפות (מחזורים)
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

טבלה 4: תוצאות בדיקת עייפות של תערובות אספלט עם WMA שונים. טבלה 4 מסכמת את תוצאות בדיקת העייפות של תערובות אספלט עם טכנולוגיות ערבוב חם שונות, כולל אורך חיי העייפות ופרמטרי ביצועים קשורים תחת תנאי בדיקה שונים. התוצאות מדגימות את ההבדלים בעמידות לעייפות בין תערובות האספלט בערבוב חם ומספקות בסיס להערכת ביצועי העייפות שלהן.

ביצועי העייפות של תרכובות ביזומניות ממודלים באופן מתמטי באמצעות משוואה (9), המכמתת את הניוון של מאמץ מחזורי בחומרי ריצוף. קשר זה מגדיר באופן פורמלי את תגובת העייפות של פורמולציות אספלט תחת תנאי העמסה חוזרים, ומשמש כמסגרת חישובית לניתוח עמידות:

(9)

בנוסחה: N_f——חיי העייפות של תערובת אספלט;
ε——מאמץ;
k, n——מקדם.

על בסיס משוואה (9), בוצע ניתוח רגרסיה עבור כל תערובת אספלט כדי לכייל את פרמטרי מודל העייפות המתאימים. המקדמים k ו-n המתקבלים מספקים ייצוג כמותי של מאפייני התדרדרות העייפות הספציפיים לתערובת, ומאפשרים השוואה ישירה של ביצועי העייפות בין פורמולציות שונות של WMA. פרמטרי משוואת העייפות המכויילים מסוכמים ב- טבלה 5.

סוגי אספלט	משוואת עייפות	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

טבלה 5: פרמטרים של משוואת העייפות של תערובות אספלט עם WMA שונה. טבלה 5 מסכמת את פרמטרי משוואת העייפות של תערובות אספלט עם טכנולוגיות ערבוב חם שונות, כולל מקדמי הרגרסיה ופרמטרי המודל המשמשים לתיאור הקשר בין חיי העייפות לתנאי העמסה. פרמטרים אלו מספקים בסיס כמותי לחיזוי ביצועי עייפות ולהשוואת עמידות העייפות של תערובות אספלט חם שונות.

איור 4 מציג את הקשרים בין חיי העייפות למאמץ עבור תערובות אספלט מסוגי WMA שונים, בהתבסס על מודלי העייפות המותאמים. כפי שניתן היה לצפות, חיי העייפות של כל התערובות פוחתים באופן שיטתי עם העלייה באמפליטודת המאמץ, בהתאמה להתנהגות עייפות קלאסית של קומפוזיטים ביטומניים. ניתוח השוואתי של עקומות העייפות חושף היררכיה ברורה בעמידות התערובות לעייפות, כאשר דירוג הביצועים הכללי נקבע כחומר C > חומר A > חומר B. דירוג זה משקף את היכולת היחסית של כל תערובת לעמוד במחזורי העמסה חוזרים לפני הכשל, והוא עקבי עם פרמטרי הרגרסיה המסוכמים בטבלה 5.

איור 4: דפוסי עייפות של תערובות אספלט מסוגי ערבוב חם שונים. כפי שמוצג באיור 4, חיי העייפות של כל תערובות האספלט פחתו עם עליית רמת המאמץ. מבין שלוש תערובות האספלט בערבוב חם, תערובת C הפגינה את עמידות העייפות הגבוהה ביותר, ואחריה תערובות A ו-B. חיי העייפות הגבוהים משמעותית של תערובת C מעידים כי טכנולוגיית ערבוב חם זו משפרת ביעילות את עמידותן של תערובות אספלט להצטברות נזקי עייפות. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

בתנאים שקולים של חללי אוויר, טכנולוגיית WMA מספקת יתרונות בולטים בביצועי העייפות על ידי הפחתת טמפרטורות הייצור והדחיסה בכ-20–30 °C. הפחתה זו בטמפרטורה ממתנת התיישנות חמצונית קצרת-טווח של קישורי אספלט, שהיא גורם מרכזי להשבחה (embrittlement) ארוכת-טווח. על ידי שימור הוויסקו-אלסטיות של הקישור ויכולת פיזור המאמצים, WMA מדכאת את היווצרותם והתפשטרותם של מיקרו-סדקים תחת העמסה מחזורית. כתוצאה מכך, הנזק המצטבר מהעייפות מופחת, מה שמוביל לאורך חיי עייפות משופר של התערובת ולעמידות מוגברת של הסף. יתרונות אלו קריטיים להארכת חיי השירות, להפחתת דרישות התחזוקה ולאפשרות פיתוח של תשתיות סף עמידות וכלכליות יותר. כדי לבחון את העקביות בין התנהגות העייפות במقياس הקישור לבין זו שבמقياس התערובת, נותחו מתאמים בין פקטור העייפות של הקישור G*sin δ לבין אורך חיי העייפות של התערובת N_f, כפי שמוצג ב-איור 5. קשר מובהק סטטיסטית נצפה עבור כל הקישורים, מה שמעיד על כך שתכונות ריאולוגיות של הקישור מפעילות השפעה מדידה על ביצועי העייפות של התערובת. באופן בולט, קישור B מציג מתאם חזק במיוחד (R² = 0.99, p < 0.001), מה שמרמז כי G*sin δ משמש כמנבא מהימן של אורך חיי העייפות של התערובת עבור חומר זה. לעומת זאת, קישורים A ו-C מראים מתאמים חלשים יותר באופן יחסי (R² = 0.6051 ו-0.7933), מה שמרמז כי הריאולוגיה של הקישור לבדה אינה יכולה לתפוס באופן מלא את התנהגות העייפות של התערובת במערכות אלו.

איור 5: מתאם בין גורם העייפות של האספלט G*sin δ לבין אורך חיי העייפות של התערובת N_f. (A) אספלט A; (B) אספלט B; (C) אספלט C. איור 5 מצביע על כך ש-G∗sinδ מראה מתאם חיובי עם אורך חיי העייפות של התערובת, כאשר אספלט B מציג את העקביות הגבוהה ביותר, ואחריו אספלט C ו-A. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

תיקוף נוסף בין קני מידה בוצע על ידי מתאם בין פרמטרי התפתחות נזק בבנדר שהתקבלו מבדיקות LAS, אשר פוענחו באמצעות מסגרת ה-Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD), לבין חיי העייפות של התערובת. כפי שמוצג ב-איור 6, נצפו מתאמים ליניאריים חזקים בין התדרדרות הדרגתית של הבנדר לבין ביצועי העייפות של התערובת. עבור כל שלושת הבנדרים, מקדמי המתאם עולים על 0.9, מה שמעיד על קשר חסון ועקבי בין מאפייני הנזק ברמת הבנדר לבין עמידות העייפות בקנה מידה של התערובת.

איור 6: מתאם בין נזקי עייפות של אספלט לבין אורך חיי העייפות של התערובת N_f. (A) אספלט A; (B) אספלט B; (C) אספלט C. כפי שמוצג באיור 6, נזקי עייפות של אספלט הראו מתאם חיובי חזק עם אורך חיי העייפות Nf של תערובות האספלט. מקדמי דטרמינציה גבוהים התקבלו עבור אספלט A, B ו-C, דבר המעיד על כך שפרמטרי נזקי עייפות יכולים לאפיין ביעילות את ביצועי העייפות של תערובות אספלט. בהשוואה לגורם עייפות קושר קונבנציונלי G∗sinδ, נזקי עייפות מספקים ייצוג ישיר יותר של התנהגות התדרדרות העייפות של תערובות אספלט. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מורחבת של איור זה.

באופן כללי, תוצאות העייפות ברמת התערובת מאשרות כי ביצועי העייפות נשלטים במשותף על ידי הרכב התערובת, טכנולוגיית הערבוב החם (warm-mix) ומאפייני הבינדר. בעוד שמדדי רהולוגיה קונבנציונליים מספקים יכולת ניבוי מוגבלת עבור בינדרים מסוימים, מדדי נזק המבוססים על LAS–S-VECD מפגינים מתאמים חזקים ועקביים עם חיי העייפות של התערובת. ממצאים אלו מתקפים את אפיון הנזק ברמת הבינדר כתחליף יעיל להערכת עמידות התערובת ומספקים בסיס מכניסטי לתכנון סלילה מבוסס ביצועים. ניתן לייחס את התגובות השונות באופן מובהק של שלושת בינדרי האספלט לשינוי בטכנולוגיית הערבוב החם להבדלים בהרכב הכימי הנגזר מהנפט הגולמי ובמבני הקולואידים הנובעים מכך. בינדרי אספלט נחשבים בדרך כלל למערכות קולואידיות המורכבות מאספלטנים המפוזרים בפאזה של מלטנים הכוללת ארומטים, שרפים ורוויים. האיזון בין פראקציות אלו שולט ברגישות הבינדר למשנים חיצוניים, כגון תוספי ערבוב חם. עבור אספלט מקאראמאי (Binder A), תכולת השרף הגבוהה יחסית ופראקציית הפרפין הנמוכה מובילות לרשת אספלטנים מפוזרת יותר עם יציבות מבנית פנימית חלשה יותר. במערכת זו, הכנסת תוסף הערבוב החם משנה באופן משמעותי את הצמיגות ואת הניידות המולקולרית, מה שמוביל לפיזור אנרגיה מוגבר ולערכי G*sin δ גבוהים יותר. הדבר מצביע על כך שהתוסף משנה באופן פעיל את האינטראקציה בפאזה הפנימית, מה שהופך את הבינדר לרגיש יותר לדפורמציה מחזורית ובכך מאיץ את הצטברות נזקי העייפות ברמת הבינדר.

בניגוד לכך, אספלט ממקור CNOOC (מקשר B) מראה הרכב מאוזן יותר המבוסס על נפתלינים עם מבנה קולואידלי יציב. שיווי המשקל בין אספלטנים לשרפים במקשר זה מספק רשת פנימית חסונה יחסית, המגבילה את החדירה ואת ההשפעה המבנית של התוסף לתערובת חמה. כתוצאה מכך, נצפו שינויים מינימליים בהתנהגות הרהולוגית ובהתפתחות הנזק, מה שמעיד על כך שהשפעת התוסף מוגבלת במידה רבה על ידי היציבות המהותית של המיקרו-מבנה של המקשר. עבור אספלט ממקור PetroChina (מקשר C), חלקים בעלי קוטביות גבוהה יותר ומורכבות מוגברת של אספלטנים מובילים למיקרו-מבנה נוקשה יותר ובעל נטייה למקבץ. במקרה זה, נראה כי התוסף לתערובת חמה מפגין התנהגות הפעלה התלויה בסף, שבה השפעתו הופכת לבולטת יותר רק לאחר הצטברות נזק משמעותית. דבר זה מרמז כי התוסף אינו מקיים אינטראקציה חזקה עם המבנה הקולואידלי הראשוני, אלא משפיע על תהליך התפתחות הנזק בשלבים מאוחרים יותר על ידי שינוי נתיבי חלוקת המאמצים מחדש.

בסך הכל, תוצאות אלו מדגימות כי היעילות של שינוי תערובת חמה אינה אוניברסלית, אלא נשלטת במידה רבה על ידי היציבות הקולואידית הפנימית וההרכב הכימי של אספלט הבסיס. לפיכך, ניתן לקשור ישירות את ההבדלים שנצפו בהתפתחות הנזק ב-S-VECD ובביצועי העייפות של התערובת להטרוגניות המיקרו-מבנית של שלושת המסמכים, דבר המספק הסבר מכניסטי להתנהגות התלויה במקור השמן שנצפתה הן בבדיקות רהולוגיות והן בבדיקות עייפות.

זמינות נתונים:
כל הנתונים, המודלים והקוד שהופקו או נעשה בהם שימוש במהלך המחקר זמינים בתיקיית התוספים בשם “Raw data”.

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 הדיגראדציה האינהריטית של ביינדרים של אספלט תחת עומס מחזורי. על ידי שילוב מקור הנפט הגולמי של האספלט כגורם משפיע, מחקר זה מדגים עוד כי יעילותם של שינויים בערבוב חם (warm-mix modification) אינה אוניברסלית, אלא תלויה מאוד בהרכב הכימי ובמבנה הקולואידי של הביינדר הבסיסי. ממצאים אלו מספקים תובנות חדשות לגבי האינטראקציה בין מקור הנפט, תוספי ערבוב חם, רגישות להזדקנות ועמידות לעייפות, ובכך מבססים גישה מבוססת מכניקה יותר להערכת חומרי אספלט. מחקרים קודמים הדגישו את הפוטנציאל של ניתוח LAS–S-VECD לאפיון עייפות של ביינדרים; עם זאת, הישימות הישירה שלו לניבוי ביצועי עייפות ברמת התערובת נותרה תחת חקירה מתמשכת. העבודה הנוכחית תורמת לתחום מחקר זה על ידי תיקוף הקשר הרב-סקלי בין התפתחות הנזק בביינדר לבין התנהגות העייפות של התערובת במערכות ביינדר מרובות.

המסגרה המוצעת מקדמת את ההבנה המדעית של מנגנוני עייפות באספלט על ידי גישור על הפער בין אפיון ראולוגי ברמתו של החומר המקשר (binder) לבין ביצועים מבניים ברמת התערובת. שיטות מסורתיות להערכת חומר מקשר מספקות לרוב מידע מוגבל על הצטברות הדרגתית של נזקי עייפות, שכן פרמטרים כגון המודול המורכב וזווית הפאזה מתארים בעיקר תגובות ויסקו-אלסטיות רגעיות ולא את התפתחות הנזק. בניגוד לכך, גישת S-VECD מתייחסת לחומרי מקשר של אספלט כחומרים ויסקו-אלסטיים העוברים דגראדציה רציפה, ומספקת תיאורים כמותיים של אובדן השלמות המבנית במהלך העמסת עייפות. המתאמים החזקים שהתקבלו במחקר זה בין פרמטרי LAS–S-VECD לבין אורך חיי העייפות של התערובת מעידים כי התפתחות נזק ברמת החומר המקשר יכולה לספק מידע משמעותי לגבי שלב ההתחלה של סדקי התערובת. ממצאים דומים הצביעו על כך שפרמטרים מבוססי נזק מכניסטי עשויים להציע יכולת ניבוי משופרת בהשוואה למדדים ראולוגיים קונבנציונליים. לפיכך, מחקר זה מרחיב את המחקר הנוכחי על עייפות באספלט על ידי אספקת ראיות ניסיוניות לכך שמכניקת נזק ברמת החומר המקשר יכולה לשמש כגשר לעיצוב חומרי ריצוף המבוסס על ביצועים.

למרות התוצאות המבטיחות, יש להכיר במספר מגבלות. ראשית, המחקר הנוכחי נערך באמצעות שלושה בנדרי אספלט שנגזרו ממקורות נפט גולמי ספציפיים ומגרגור צבירה אחד; לפיכך, האוניברסליות של הקשר המוצע דורשת תיקוף נוסף באמצעות טווח רחב יותר של בנדרים, טכנולוגיות שיפור ותכנוני תערובת. למרות שהבנדרים שנבחרו מייצגים חומרי סלילה טיפוסיים המשמשים בפרקטיקה הנדסית, חומרי אספלט מראים שונות ניכרת בשל הבדלים במקור הנפט הגולמי, בתהליך הזיקוק ובהרכב הכימי. שנית, בדיקות עייפות במעבדה בוצעו תחת תנאי טמפרטורה ועומס מבוקרים, בעוד שמבני סלילה בפועל חווים גורמים סביבתיים מורכבים, כולל תנודות בטמפרטורה, חדירת לחות, שונות בעומס התנועה והזדקנות ארוכת טווח. שלישית, למרות שפרמטרי LAS–S-VECD הראו מתאמים חזקים עם ביצועי העייפות של התערובת, מערך הנתונים הנוכחי אינו מספיק כדי לבסס מודל חיזוי אוניברסלי שיהיה ישים לכל מערכות האספלט. לפיכך, מחקרים עתידיים צריכים לשלב מאגרי נתונים גדולים יותר ותצפיות על ביצועים בשטח כדי לשפר עוד יותר את החוסן ואת יכולת ההעברה של הגישה המוצעת.

ניתן לשקול גישות חלופיות כדי לחקור לעומק את הקשר בין התפתחות הנזק בביינדר לבין ביצועי העייפות של התערובת. לדוגמה, טכניקות מתקדמות של אפיון כימי, כולל ספקטרוסקופיה באינפרא-אדום בטרנספורמידת פורייה (FTIR), תהודה מגנטית גרעינית (NMR) וסימולציית דינמיקה מולקולרית, עשויות לספק תובנות נוספות לגבי המנגנונים המולקולריים השולטים בהתנהגות העייפות התלויה במקור השמן. מחקרים קודמים הראו כי שינויים במבנה המולקולרי של אספלט, כולל אגרגציה של אספלטנים, התפלגות ארומטית ואינטראקציות הקשורות לקוטביות, משפיעים באופן משמעותי על התגובה הראולוגית ועל הרגישות להזדקנות. בנוסף, ניתן להשתמש בטכניקות דימוג מתקדמות, כגון מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM) ושיטות אפיון מבוססות קרני X, כדי לצפות באופן ישיר בהתפתחות המיקרומבנית במהלך צבירת נזקי עייפות. שילוב של גישות אלו עם ניתוח LAS–S-VECD עשוי לספק הבנה מקיפה יותר של הקשר בין המבנה המולקולרי, מכניקת הנזק של הביינדר וביצועי הגישה המקרוסקופיים.

למתודולוגיה המוצעת, המבוססת על LAS–S-VECD, יש יישומים פוטנציאליים חשובים במספר תחומים של הנדסת רצפות אספלט ומדע החומרים. מנקודת מבט מעשית, ניתן להשתמש במסגרת זו ככלי סינון יעיל להערכת בינדרים מועמדים, בחירת תוספי תערובת חמה (warm-mix) מתאימים, והערכת רגישות להזדקנות לפני ביצוע ניסויי עייפות ממושכים בקנה מידה של תערובת. בהשוואה למפרטים אמפיריים מסורתיים, הגישה המוצעת מספקת בסיס מכניסטי לתכנון רצפות מוכוון ביצועים על ידי קישור ישיר בין מאפייני הנזק של הבינדר לבין העמידות המבנית. דבר זה בעל ערך רב במיוחד עבור טכנולוגיות רצפה בנות-קיימא, שבהן היישום הגובר של אספלט בתערובת חמה, חומרים ממוחזרים ובינדרים חלופיים מחייב שיטות מהימנות לחיזוי ביצועים לטווח ארוך. יתרה מכך, המתודולוגיה עשויה לתרום לפיתוח מערכות תכנון רצפות מונעות-נתונים, באמצעות אספקת תיאורי עייפות בעלי משמעות פיזיקלית שניתן לשלב עם מודלים לחיזוי ומסגרות להערכת מחזור חיים.

מחקרים עתידיים צריכים להתמקד בהרחבת היישומיות של המסגרת המוצעת לעבר חיזוי מקיף יותר ומכוון-שטח של ביצועי סלילות. מחקרים עתידיים צריכים לכלול מאגרי קישרי ביטומן גדולים יותר המכסים מקורות נפט גולמי שונים, קישורי ביטומן modified-polymer, חומרי אספלט ממוחזרים ומשפרים בני-קיימא חדשים, במטרה לבסס מודלים כלליים יותר לחיזוי עייפות. יתרה מכך, שילוב של ניתוח LAS–S-VECD עם שיטות אפיון רב-סקאליות, גישות של בינה מלאכותית וסימולציות ברמה המולקולרית עשוי לשפר עוד יותר את ההבנה ואת דיוק החיזוי של התנהגות עייפות באספלט. יש לשלב גם ניטור שטח ארוך טווח ובדיקות סלילה מואצות כדי לתקף תחזיות מבוססות-מעבדה תחת תנאי שירות ריאליסטיים. בסופו של דבר, השילוב של מידול נזק מכניסטי, אפיון חומרים מתקדם ואסטרטגיות תכנון מבוססות ביצועים צפוי לסייע בפיתוח מערכות סלילת אספלט עמידות, בנות-קיימא ואמינות יותר.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

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