Questo studio stabilisce un solido quadro interdisciplinare che collega la meccanica del danno del legante alla resistenza alla fatica della miscela, dimostrando che i parametri del test di ampiezza lineare sweep–danno viscoelastico continuo semplificato (LAS–S-VECD) forniscono una base affidabile e meccanicamente fondata per prevedere e progettare sistemi di conglomerato bituminoso a miscelazione calda durevoli.
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Articolo di ricerca
Caratterizzazione multi-scala del danno da fatica nell'asfalto a miscela tiepida basata su test di linear amplitude sweep e prove di flessione a quattro punti
In questo articolo
Sommario
Abstract
La fatica da incrinazione è un fattore cruciale che determina la durabilità a lungo termine delle pavimentazioni in asfalto, mentre la relazione su scala incrociata tra il comportamento a fatica del legante e le prestazioni a fatica della miscela non è ancora sufficientemente compresa nel caso degli asfalti a caldo ridotto (WMA). In questo studio, le caratteristiche a fatica del WMA sono state analizzate sistematicamente sia a livello di legante che di miscela al fine di stabilire correlazioni quantitative su scala incrociata. Sono stati impiegati test di reometro a taglio dinamico (DSR) e test di ampiezza lineare (LAS), interpretati mediante il modello semplificato della meccanica viscoelastica continua (S-VECD), per caratterizzare le proprietà reologiche e l'evoluzione del danno nei leganti bituminosi provenienti da diverse origini di greggio. Le prestazioni a fatica a livello di miscela sono state valutate mediante test di fatica a flessione a quattro punti con controllo della deformazione. I risultati indicano che l'invecchiamento aumenta significativamente la rigidità del legante e accelera la degradazione a fatica, con un incremento del fattore di fatica G*·sin δ di circa il 150–250% dopo un invecchiamento a lungo termine. L'efficacia della modifica per la produzione a caldo ridotto a livello di legante è risultata fortemente dipendente dal tipo di legante: si è osservata una riduzione del coefficiente di velocità di danno compresa tra l'8% e il 13% per i Leganti A e B, ma un aumento di circa l'11% per il Legante C. Indicatori reologici convenzionali come sin δ hanno mostrato una capacità limitata e dipendente dal materiale nel prevedere la vita a fatica della miscela, mentre i parametri di danno derivati dai test LAS–S-VECD hanno mostrato correlazioni costantemente forti con le prestazioni a fatica della miscela. Nel complesso, questo studio dimostra che la caratterizzazione del danno del legante basata su LAS–S-VECD fornisce una base solida per prevedere la resistenza a fatica della miscela e ne supporta l'applicazione nella progettazione delle miscele basata sulle prestazioni, al fine di ottenere pavimentazioni WMA durevoli e sostenibili.
Introduzione
La costruzione convenzionale di pavimentazioni in asfalto si basa su processi ad alta temperatura, tipicamente compresi tra 160 °C e 180 °C, e superiori a 190 °C per leganti modificati come l'asfalto gommoso e il bitume polimerico ad alte prestazioni. In applicazioni specializzate, come le pavimentazioni per ponti metallici, le temperature di posa in opera della miscela possono superare i 200 °C1. Queste condizioni termiche estreme comportano un elevato consumo di combustibili fossili e generano significative emissioni atmosferiche, compresi gas serra e fumi tossici di asfalto ricchi di composti solubili nel benzene e idrocarburi policiclici aromatici cancerogeni (ad esempio, benzo[a]pirene)2,3. Studi precedenti hanno dimostrato costantemente che la riduzione delle temperature di produzione e compattazione dell'asfalto può ridurre il consumo di carburante, le emissioni di CO₂ e l'esposizione professionale ai fumi di asfalto, sebbene l'entità di questi benefici dipenda dal tipo di miscela, dalla configurazione dell'impianto, dalla dose di additivi e dalle condizioni di costruzione in campo. Studi recenti hanno ulteriormente approfondito la comprensione del comportamento dell'asfalto sotto diverse modifiche e condizioni di servizio. È stato riportato che l'introduzione di lignosolfonato di calcio nelle miscele asfaltiche può ritardare efficacemente l'invecchiamento termo-ossidativo inibendo le reazioni di ossidazione e stabilizzando la struttura colloidale dei leganti bituminosi.
Per quanto riguarda il comportamento alla frattura, studi sull'asfalto a miscela calda (HMA) e sull'asfalto a miscela tiepida (WMA) in condizioni di carico puramente in modo I e modo II hanno dimostrato che il tipo di carico svolge un ruolo fondamentale nel determinare la tenacità alla frattura a basse temperature e la dissipazione dell'energia. La suscettibilità all'umidità è stata inoltre ampiamente studiata nei sistemi di asfalto modificato con gomma, nei quali materiali di gomma riciclati migliorano la resistenza ai danni indotti dall'umidità, e il contenuto ottimale di gomma può essere determinato mediante approcci combinati di valutazione meccanica ed economica. Per quanto concerne le prestazioni ad alta temperatura, l'asfalto modificato a matrice lapidea (SMA) è stato valutato mediante test di creep dinamico e con il dispositivo Hamburg Wheel Tracking, confermando che la modifica della miscela migliora significativamente la resistenza al rutting. Inoltre, studi basati sulla prova di flessione semicircolare (SCB) su miscele bituminose contenenti additivi riciclati hanno evidenziato notevoli miglioramenti nella resistenza alla frattura in modo I e nella resistenza ai danni da umidità, evidenziando gli effetti sinergici dei materiali riciclati sulle prestazioni a fatica e sulla durabilità. Di conseguenza, lo sviluppo di tecnologie asfaltiche a basse temperature si è affermato come una via fondamentale verso la costruzione sostenibile di pavimentazioni e sistemi infrastrutturali ecocompatibili.
La tecnologia dell'asfalto a caldo (WMA), ottenuta attraverso l'incorporazione di additivi chimici, cere organiche o tecniche di schiumatura, consente una produzione efficace della miscela a temperature tipicamente comprese tra 90 °C e 130 °C, con una riduzione di 30–50 °C rispetto all'asfalto a caldo convenzionale (HMA)4. Oltre ai ben documentati vantaggi nella riduzione del consumo energetico e delle emissioni inquinanti, il WMA svolge un ruolo fondamentale nel mitigare l'invecchiamento termo-ossidativo dei leganti bituminosi durante la produzione e la posa. L'invecchiamento del bitume è regolato dalla cinetica chimica dipendente dalla temperatura, con velocità di ossidazione che raddoppiano approssimativamente ogni aumento di 10 °C5,6. Temperature elevate accelerano le reazioni di volatilizzazione, ossidazione e polimerizzazione, trasformando progressivamente le maltene in asfalteni rigidi, aumentando così la rigidità del legante e riducendone la duttilità7. Riducendo le temperature di produzione, il WMA inibisce queste reazioni dannose, preservando la viscoelasticità del legante e potenzialmente migliorando la resistenza a fatica a lungo termine8.
Sebbene i vantaggi ambientali e costruttivi dei materiali bituminosi a temperatura ridotta (WMA) siano stati ampiamente documentati, le indagini sistematiche sulle loro prestazioni a fatica in condizioni di invecchiamento rimangono relativamente limitate. In particolare, i leganti bituminosi derivati da diverse fonti di greggio—come Karamay, CNOOC offshore e materie prime CNPC—presentano marcate variazioni nella composizione chimica, inclusi il contenuto di asfalteni, la distribuzione delle resine, le frazioni aromatiche e i livelli di saturi9. Tali differenze composizionali sono ampiamente riconosciute come determinanti fondamentali del comportamento reologico, della suscettibilità all'invecchiamento e della durata a fatica10. Tuttavia, gli studi esistenti sulla fatica raramente distinguono i leganti in base all'origine del greggio, portando a una comprensione incompleta di come la chimica dipendente dalla fonte influenzi le prestazioni a fatica, specialmente in condizioni di invecchiamento cumulativo rappresentative di quelle operative11,12. Da un punto di vista ingegneristico, un metodo affidabile di valutazione della fatica a scala del legante sarebbe particolarmente utile per la selezione preliminare dei materiali, la scelta degli additivi per la miscelazione a caldo, la valutazione della sensibilità all'invecchiamento e il controllo di qualità prima della verifica a livello di miscela. Tuttavia, il metodo LAS–S-VECD non deve essere considerato un sostituto completo dei test di fatica sulla miscela, poiché la granulometria degli aggregati, i vuoti d'aria, l'interazione tra legante e aggregato, la qualità della compattazione e l'invecchiamento in opera possono anch'essi influenzare le prestazioni a fatica della pavimentazione. Inoltre, la relazione tra gli indicatori di fatica a scala del legante e il comportamento a fatica a scala della miscela non è stata definitivamente stabilita per diverse fonti di bitume13. Sebbene prove reologiche come lo sweep di ampiezza lineare (Linear Amplitude Sweep, LAS) abbiano mostrato potenzialità nella caratterizzazione del danno a fatica del legante, la loro affidabilità predittiva riguardo alla vita a fatica della miscela—specialmente per leganti con origini chimiche diverse—rimane insufficientemente validata14. Questa mancanza di correlazione limita l'accuratezza delle previsioni di prestazione basate su laboratorio e ostacola una selezione razionale dei materiali nella pratica ingegneristica15.
Per colmare queste lacune fondamentali, lo studio effettua un'indagine completa e multiscala sul comportamento a fatica di leganti bituminosi modificati a miscela calda ottenuti da tre diverse fonti di greggio16. Integrando l'analisi mediante reometro a taglio dinamico (DSR), prove di ampiezza lineare (LAS) nel contesto del modello semplificato di danno viscoelastico continuo (S-VECD) e prove a fatica su miscela mediante flessione a quattro punti, questo lavoro valuta sistematicamente l'influenza dell'origine del greggio, della modifica a miscela calda e dell'invecchiamento sulla resistenza a fatica17,18,19. I risultati mirano a stabilire solide correlazioni tra le proprietà reologiche del legante e le prestazioni della miscela su diverse scale, fornendo una base meccanicistica per la previsione della durata a fatica e indicazioni pratiche per la progettazione e la selezione di materiali bituminosi sostenibili.
Questo studio presenta un quadro di caratterizzazione della fatica su scala incrociata per l'asfalto a miscela calda, integrando l'analisi LAS–S-VECD a livello del legante con test di fatica a flessione a quattro punti a livello della miscela. Rispetto agli studi precedenti, che si sono concentrati principalmente o sull'analisi reologica a livello del legante o sulla valutazione delle prestazioni a livello della miscela in modo isolato, il presente lavoro stabilisce un collegamento meccanicistico diretto tra la chimica del legante dipendente dal greggio, la modifica per miscela calda e il comportamento a fatica della miscela in condizioni di invecchiamento. La novità di questo studio risiede in tre aspetti: (i) l'inclusione esplicita dell'origine del greggio come variabile determinante per le prestazioni a fatica; (ii) la correlazione sistematica su scala incrociata tra l'evoluzione del danno ottenuta tramite LAS–S-VECD e la vita a fatica della miscela; e (iii) la valutazione unificata degli effetti della modifica per miscela calda a livello del legante e della miscela. I risultati dimostrano che i parametri di danno derivati dal LAS–S-VECD forniscono predittori robusti delle prestazioni a fatica della miscela, offrendo un'alternativa più fondata dal punto di vista meccanicistico rispetto agli indici reologici convenzionali. Questi risultati stabiliscono una base scientifica per la valutazione e la progettazione orientate alle prestazioni di sistemi sostenibili di asfalto a miscela calda.
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Protocollo
Materiali
I tre leganti bituminosi selezionati in questo studio, riassunti nella Tabella 1, sono leganti stradali rappresentativi derivati da diverse fonti di greggio e sono stati ampiamente utilizzati nell'ingegneria stradale pratica in Cina. L'asfalto di Karamay, l'asfalto CNOOC 36-1 e l'asfalto PetroChina differiscono notevolmente per origine del greggio, composizione chimica, suscettibilità all'invecchiamento e caratteristiche reologiche, fornendo una base materiale adeguata per lo studio del comportamento a fatica dipendente dalla fonte del petrolio. La loro selezione consente una valutazione comparativa di come la composizione intrinseca del legante influenzi l'efficacia della modifica a miscela calda e le prestazioni a fatica a scala di miscela, aumentando così la rilevanza ingegneristica del quadro proposto per la caratterizzazione della fatica su scala incrociata. Le origini geologiche e le caratteristiche chimiche dettagliate di ciascun legante sono le seguenti:
Legante A: Derivato da una materia prima oleosa della zona 9, prodotto mediante un processo di miscelazione tra residuo sotto vuoto e asfalto deoleato. Il materiale di base presenta proprietà distintive, tra cui un contenuto ridotto di paraffina (<2%), una concentrazione minima di zolfo e un'elevata composizione di resine. In particolare, l'asfalto di Karamay è l'unico legante per pavimentazioni con una densità specifica inferiore a 1 g/cm3 nelle attuali applicazioni ingegneristiche, e si contraddistingue per un'elevata viscosità dinamica e un'eccellente conservazione della duttilità dopo invecchiamento. Queste caratteristiche lo rendono particolarmente adatto per regioni soggette a forti escursioni termiche giornaliere e a un'intensa esposizione ai raggi ultravioletti.
Binder B: Deriva dal petrolio greggio pesante raro estratto dal giacimento offshore di Suizhong 36-1, con una resa elevata di bitume del 56% ottenuta tramite raffinazione. La materia prima è classificata come greggio pesante a base naftenica, povero di zolfo e con alto valore acido, che dà origine a un binder processato ad alta densità (1.012 g/cm3), basso contenuto di paraffina (1.8%) e proporzioni elevate di resine. Queste proprietà conferiscono al binder un'elevata flessibilità a basse temperature, rendendolo vantaggioso per applicazioni in ambienti freddi.
Binder C: formulato principalmente utilizzando come materia prima il greggio pesante venezuelano Boscan, ottenendo una resa produttiva del 60% mediante processi di raffinazione specializzati. Questo petrolio greggio presenta caratteristiche geochimiche uniche, tra cui un elevato contenuto di acidi, significative concentrazioni di metalli pesanti e un forte potenziale di formazione di residui carboniosi. Il legante mostra una composizione atipica di idrocarburi, caratterizzata da basse frazioni di idrocarburi saturi, complessi resina-asfalteni arricchiti e un contenuto di paraffina notevolmente basso (1,3%).
In questa indagine, i tre leganti bituminosi di base sono stati designati come AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) e CO (PetroChina). I corrispondenti leganti WMA sono stati preparati aggiungendo l'additivo Evotherm M1, codificati rispettivamente come AP, BP e CP20. Gli indici completi di prestazione, inclusi penetrazione, punto di rammollimento e duttilità, sono stati testati secondo le specifiche JTG E20-201121, con i dati comparativi dettagliati riportati nella Tabella 1. Tutte le procedure sperimentali sono state rigorosamente seguite secondo i protocolli standardizzati indicati nelle Specifiche Tecniche per le Miscele Bituminose nell'Ingegneria Stradale.
| Progetto | Unità | Karamay | CNOOC | CNPC |
| Penetrazione | 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 |
| Viscosità dinamica (60 °C) | Pa·s | 223.5 | 230 | 256.9 |
| Duttilità (10 °C, 5 cm/min) | cm | >100 | >100 | 52 |
| Contenuto di cera | % | 1.9 | 1.8 | 1.3 |
| Punto di infiammabilità (COC) | ℃ | 278 | 287 | 312 |
| Solubilità | % | 99.5 | 99.7 | 99.8 |
| Densità (15 °C) | g/cm³ | 0.977 | 1.012 | 1.049 |
| RTFOT | Variazione di massa (%) | 0.05 | 0.06 | -0.07 |
| Rapporto di penetrazione residua (%) | 66.2 | 67.4 | 64.8 | |
| Duttilità residua (10 °C, cm) | 13 | 12 | 9 |
Tabella 1: Parametri tecnici principali dei leganti bituminosi. La Tabella 1 riassume i parametri tecnici principali dei leganti bituminosi, inclusi le proprietà fisiche, la suscettibilità termica, le caratteristiche reologiche e le prestazioni invecchiamento a breve termine, al fine di valutarne le proprietà fondamentali e la durabilità.
Il processo di preparazione del WMA prevedeva un protocollo rigorosamente controllato in più fasi, progettato per garantire la riproducibilità della modifica del legante. Il legante bituminoso di base è stato innanzitutto riscaldato in un forno a circolazione forzata a 135 ± 2 °C per 60 minuti per raggiungere uno stato fuso stabile, seguito da 30 minuti di equilibrazione per eliminare i gradienti termici. Tutti i processi di riscaldamento sono stati eseguiti in contenitori sigillati con protezione di azoto (portata: 0,5 L/min) per minimizzare l'invecchiamento ossidativo durante il condizionamento termico.
L'additivo Evotherm M1 è stato quindi incorporato a 135 ± 2 °C sotto agitazione meccanica continua a 300 giri/min per 5 minuti prima del trattamento ad alta intensità di taglio, garantendo una dispersione iniziale della fase tensioattiva. Successivamente, è stata effettuata una miscelazione ad alta intensità di taglio utilizzando un omogeneizzatore a rotore-statore a 3000 giri/min per 25 minuti, mantenendo la temperatura del legante compresa tra 135 e 140 °C mediante un sistema di controllo termico a bagno d'olio esterno (accuratezza ±1 °C). Durante l'intero processo di miscelazione, la temperatura è stata monitorata continuamente mediante una termocoppia calibrata di tipo K inserita nella matrice del legante, e ogni fluttuazione superiore a ±2 °C ha innescato automaticamente un aggiustamento del riscaldamento. Il legante modificato è stato quindi sottoposto a un procedimento controllato di raffreddamento fino a 25 °C a una velocità di 5 °C/min prima di ulteriori analisi o di un breve stoccaggio. La progettazione del protocollo di taglio ha seguito la relazione viscosità-temperatura dei leganti bituminosi, assicurando che tutti i campioni fossero preparati in condizioni di storia di taglio comparabili. Questo rigoroso controllo termo-meccanico garantisce un'elevata ripetibilità e riduce al minimo la variabilità nella preparazione dei leganti WMA.
Prove con reometro a taglio dinamico (DSR)
Per caratterizzare la risposta reologica e le proprietà legate alla fatica di leganti bituminosi modificati con additivi per miscela a caldo ridotto, sono state effettuate prove con reometro a taglio dinamico (DSR) utilizzando un reometro rotazionale a temperatura controllata secondo la norma ASTM D717522. La valutazione reologica si è concentrata sul comportamento a fatica a temperatura intermedia, strettamente associato all'innesco e alla propagazione di fessurazioni nelle pavimentazioni in asfalto.
Il fattore di fatica G*sin δ23, ampiamente riconosciuto come indicatore della suscettibilità alla fatica a livello del legante, è stato adottato per quantificare le variazioni nel comportamento di dissipazione viscoelastica indotte dalla modifica a miscela calda e dall'invecchiamento. Sono stati eseguiti test di scansione termica in un intervallo di temperatura compreso tra 58 e 82 °C, con incrementi di 6 °C. A ogni temperatura obiettivo, i campioni sono stati lasciati equilibrare per 10 minuti prima dell'acquisizione dei dati, al fine di garantire la stabilità termica. Per studiare l'influenza dell'invecchiamento sulle proprietà reologiche, i campioni di legante sono stati sottoposti a tre condizioni di invecchiamento: non invecchiato, invecchiamento mediante prova in forno a pellicola sottile rotante (RTFOT) e invecchiamento combinato RTFOT e mediante apparato a pressione per invecchiamento (PAV) 24. Questi protocolli di invecchiamento sono stati progettati per simulare l'invecchiamento a breve termine durante la produzione e la posa in opera, nonché l'invecchiamento a lungo termine durante il normale esercizio della pavimentazione. L'evoluzione di G*sin δ in funzione della temperatura e delle condizioni di invecchiamento è stata analizzata per valutare la resistenza alla fatica di diversi leganti.
Prima di ogni test DSR, il campione di legante è stato accuratamente rifinito dopo il posizionamento tra le piastre parallele, per garantire un profilo uniforme dei bordi. Il campione è stato condizionato alla temperatura obiettivo per 10 min prima della misurazione. I test sono stati eseguiti nell'intervallo di 58–82 °C con incrementi di 6 °C. Un test è stato considerato valido quando la coppia misurata e lo spostamento sono rimasti entro il campo operativo raccomandato dello strumento e non si è verificato alcuno slittamento visibile del campione.
Prova di sweep dell'ampiezza lineare (LAS)
La caratterizzazione del comportamento viscoelastico è stata condotta secondo le specifiche ASTM D7175 per l'analisi meccanica dinamica25. La metodologia sperimentale ha incluso sweep dell'ampiezza di deformazione per stabilire i limiti viscoelastici lineari, seguiti da prove controllate in frequenza a 10 rad/s26. Le valutazioni dipendenti dalla temperatura hanno coperto lo spettro termico operativo delle pavimentazioni in asfalto (58–82°C), eseguite a incrementi di 6°C con un tempo di 10 minuti previsto per raggiungere l'equilibrio termico in ogni tratto isoterma. Il protocollo AASHTO T391 è stato impiegato per quantificare l'accumulo di danno del legante attraverso l'evoluzione dell'energia dissipata, monitorando in particolare il fattore di dissipazione viscoelastica (|G*|sin δ) durante il carico ciclico 27,28. Il modello semplificato di danno viscoelastico continuo (S-VECD) è stato adottato per prevedere i modelli di degrado dei compositi bituminosi29. Il protocollo LAS esegue uno sweep oscillatorio dell'ampiezza a frequenza fissa di 10 Hz, applicando un incremento controllato di deformazione dallo 0,1% al 30% con incrementi di risoluzione dello 0,1%.
I principali parametri viscoelastici sono stati ottenuti utilizzando le seguenti equazioni:
log G "(ω) = m (log ω) + b (1)
G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)
(3)
dove G''(ω) è il modulo di perdita, ω è la frequenza angolare, m e b sono coefficienti di adattamento, G'(ω) è il modulo di immagazzinamento, G*(ω) è il modulo complesso, δ(ω) è l'angolo di fase e è l'indice di viscoelasticità.
La quantificazione del danno ha utilizzato la relazione fondamentale espressa nell'Equazione (4):
(4)
Nella formula: C(t)—il parametro di integrità, C(t)=G^* (t)/G^* (iniziale), G^*—modulo complesso (MPa);
γ_0—Applicazione della deformazione (%);
t—Durata del test (s)
L'evoluzione temporale del parametro di danno D(t) e del coefficiente di integrità strutturale C(t) è parametrizzata matematicamente attraverso una relazione costitutiva di tipo potenza (Yuan 2024):
C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)
Nella formula: C0 rappresenta il parametro iniziale di integrità (normalmente pari a 1), C1, C2 — parametri di adattamento.
Calcola il valore del danno da affaticamento utilizzando il concetto di punto di picco della tensione di taglio:
(6)
Cpeak è il parametro di integrità che corrisponde al punto di massimo sforzo di taglio.
La formula per il calcolo della durata a fatica è:
Nf = A(γmax)-B (7)
Nella formula: A, B—coefficiente relativo all'affaticamento,
A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)
B=2a, frequenza di carico;
γmax — livello di deformazione massimo previsto (%)
Per garantire l'affidabilità e la riproducibilità dei risultati sperimentali, tutti i test su scala dell'agente legante e su scala della miscela sono stati eseguiti con almeno 3 repliche indipendenti (n = 3) per ogni condizione. I risultati riportati rappresentano i valori medi delle misurazioni replicate. La variabilità dei dati sperimentali è stata valutata mediante la deviazione standard (SD) e le barre di errore sono state fornite in tutte le figure pertinenti per riflettere la dispersione statistica. Per i parametri LAS–S-VECD, gli indici reologici del DSR e la vita a fatica derivanti dai test di flessione a quattro punti, è stato calcolato inoltre il coefficiente di variazione (COV) per valutare la coerenza dei dati.
In tutti i casi, sono state esaminate le differenze statistiche tra leganti modificati e non modificati per assicurare che le tendenze osservate non siano dovute a dispersione sperimentale, ma rappresentino differenze statisticamente significative nel comportamento a fatica e reologico.
Prova di fatica a quattro punti
Per convalidare gli indicatori di fatica a livello del legante e stabilire correlazioni tra diverse scale, sono state effettuate prove di fatica a flessione a quattro punti su miscele di asfalto preparate utilizzando una granulometria AC-16C30,31. La granulometria degli aggregati, la densità apparente, la gravità specifica apparente e l'assorbimento d'acqua di ciascuna dimensione degli aggregati, insieme alle proprietà della polvere minerale, sono riportate nella Tabella 2. Il contenuto di asfalto di tutte le miscele è stato fissato al 4,8% per garantire coerenza tra le diverse formulazioni di asfalto a bassa temperatura (WMA).
| Dimensione del setaccio (mm) | Categoria dell'aggregato | Gradazione sintetica (%) | ||||
| 1# (10~20 mm. 29%) | 2# (5~10 mm. 29,2%) | 3# (3~5 mm. 17%) | 4# (0~3 mm. 19%) | Polvere minerale (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 |
| Densità relativa apparente | 2,899 | 2,918 | 2,845 | 2,754 | 2,872 | 2,865 |
| Densità relativa SSD | 2,854 | 2,847 | 2,816 | 2,691 | － | 2,814 |
| Gravità specifica apparente | 2,829 | 2,81 | 2,8 | 2,655 | － | 2,787 |
| Tasso di assorbimento dell'acqua dell'aggregato (%) | 0,85 | 1,32 | 0,56 | 1,36 | － | － |
Tabella 2: Classificazione degli aggregati nella miscela di asfalto a miscelazione calda. La Tabella 2 presenta la granulometria degli aggregati nella miscela di asfalto a miscelazione calda, inclusi i rapporti delle diverse frazioni di aggregato, il contenuto di polvere minerale, la curva granulometrica sintetica e le proprietà fisiche degli aggregati. La tabella riporta la distribuzione granulometrica progettata e le caratteristiche fondamentali degli aggregati utilizzati nella miscela bituminosa.
Sono stati eseguiti test di fatica a quattro punti utilizzando un apparato di prova Cooper in condizioni di carico controllato per deformazione al fine di valutare la durata in termini di resistenza alla fatica delle miscele di conglomerato bituminoso a caldo (WMA)32. Il criterio di rottura è stato definito come il numero di cicli di carico necessari affinché la rigidezza flessionale diminuisse al 50% del suo valore iniziale. In conformità con il protocollo di prova stabilito33, è stato applicato un carico ciclico sotto forma di un'onda sinusoidale continua a una frequenza di 10 Hz in condizioni isoterme di 15 °C. Tutti i test sono stati condotti senza intervalli di riposo per garantire un apporto energetico ininterrotto durante il carico di fatica34,35.
I provini a trave sono stati realizzati secondo i requisiti dimensionali standard, con una lunghezza di 381 ± 6,35 mm, una larghezza di 63,5 ± 6,35 mm e un'altezza di 50,8 ± 6,35 mm3637. In condizioni di deformazione controllata, le prestazioni a fatica sono state caratterizzate tracciando curve caratteristiche della fatica per provini con diverse formulazioni di WMA in un sistema di coordinate doppio-logaritmico38. È stata successivamente stabilita una relazione costitutiva di tipo potenza, e un'analisi di regressione non lineare è stata impiegata per adattare i dati a fatica delle varie miscele di asfalto, fornendo la base per la modellizzazione della vita a fatica e per analisi comparative successive39,40,41. Il provino a trave è stato montato simmetricamente nel dispositivo di flessione a quattro punti, e il contatto tra le ganasce di carico e la superficie del provino è stato verificato prima dell'applicazione del carico. La prova è stata condotta a 15 °C sotto carico sinusoidale a deformazione controllata a 10 Hz, senza periodi di riposo. Il termine della prova è stato definito come il numero di cicli al quale la rigidezza flessionale è diminuita al 50% del suo valore iniziale. Le prove sono state considerate valide quando la rottura si è verificata all'interno della sezione utile, e non è stato osservato alcun slittamento anomalo delle ganasce né una frattura improvvisa non legata alla fatica. Tutti i dati quantitativi sono presentati come media ± deviazione standard (media ± DS), con una dimensione del campione n = 3 per tutti i gruppi sperimentali, salvo diversamente specificato.
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Risultati
Proprietà reologiche dei materiali bituminosi a temperatura ridotta (WMA)
La zona interfacciale tra bitume e aggregato è ampiamente riconosciuta come il sito primario di innesco delle fessurazioni da fatica. Di conseguenza, il parametro reologico correlato alla fatica Gseno δ, misurata a temperature intermedie di servizio, è stata utilizzata per valutare le prestazioni a fatica dei leganti per conglomerati bituminosi a caldo (WMA). Figura 1
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Discussione
Questo studio propone un quadro di valutazione della fatica a scala incrociata che integra prove di fatica a scansione dell'ampiezza lineare (LAS) a livello del legante con il modello di danno viscoelastico continuo semplificato (S-VECD) e prove di fatica a flessione a quattro punti a livello di miscela, al fine di stabilire un collegamento meccanicistico tra l'evoluzione del danno del legante bituminoso e le prestazioni di fatica della miscela. A differenza degli approcci convenzionali di valutazione della fatica, che s...
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Dichiarazioni
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interessi.
Ringraziamenti
Siamo grati al Dipartimento dei Trasporti della Provincia dello Zhejiang per il Progetto Principale R&D project. Questa ricerca è stata finanziata da un importante R&Progetto #38;D del Dipartimento dei Trasporti della Provincia dello Zhejiang (ZJXL-SJT-202316A).
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Legante A / AO, asfalto Karamay | Fonte di petrolio greggio di Karamay, Cina | N/D | Legante asfaltico di base |
| Legante B / BO, asfalto CNOOC 36-1 | Fonte di petrolio greggio offshore CNOOC 36-1, Cina | N/D | Legante asfaltico di base |
| Legante C / CO, asfalto PetroChina | Fonte basata su greggio PetroChina / Boscan venezuelano | N/D | Legante asfaltico di base |
| Additivo per miscela a caldo Evotherm M1 | Ingevity / MeadWestvaco | Evotherm M1 | Additivo per la preparazione di leganti per miscele a caldo (WMA) |
| Reometro a taglio dinamico | Malvern | Kinexus DSR+ | Utilizzato per analisi in funzione della temperatura DSR e test LAS |
| Apparecchiatura per il test di invecchiamento in forno a film sottile rotante | Shanghai Changji | SYD-0610 | Utilizzata per l'invecchiamento a breve termine |
| Recipiente di invecchiamento a pressione | InstroTek | PAV-9300 | Utilizzato per l'invecchiamento a lungo termine |
| Sistema di prova alla fatica a flessione a quattro punti | Cooper Research Technology | SA4PT | Utilizzato per test di fatica su miscele controllati in deformazione |
| Schema di analisi S-VECD | analisi dati | N/D | Utilizzato per calcolare i parametri di danno derivati dal test LAS |
| Software per l'analisi dati | Origin | OriginPro 2024 | Utilizzato per analisi di regressione, analisi di correlazione e rappresentazione grafica |
Riferimenti
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