Deze studie stelt een robuust cross-scale raamwerk vast dat de schade-mechanica van bindmiddelen koppelt aan de vermoeidheidsprestaties van mengsels, waarbij wordt aangetoond dat parameters van de linear amplitude sweep–simplified viscoelastic continuum damage (LAS–S-VECD) een betrouwbare, mechanistisch onderbouwde basis bieden voor het voorspellen en ontwerpen van duurzame warm-mix asfaltsystemen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Onderzoeksartikel
Cross-scale karakterisering van vermoeidheidsschade in warmmengasfalt op basis van linear amplitude sweep- en vierpuntsbuigproeven
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Vermoeidheidsscheurvorming is een kritieke factor die de langetermijnduurzaamheid van asfaltverhardingen bepaalt, terwijl de cross-scale relatie tussen het vermoeidheidsgedrag van het bindmiddel en de vermoeidheidsprestaties van het mengsel voor warm mengasfalt (WMA) nog onvoldoende begrepen wordt. In dit onderzoek zijn de vermoeidheidskenmerken van WMA systematisch onderzocht op zowel bindmiddel- als mengselniveau om kwantitatieve cross-scale correlaties vast te stellen. Dynamische afschuifreometer-tests (DSR) en linear amplitude sweep (LAS)-tests, geïnterpreteerd met behulp van het simplified viscoelastic continuum damage (S-VECD) raamwerk, werden ingezet om de rheologische eigenschappen en de schade-evolutie van asfaltbindmiddelen van verschillende ruwe olieherkomst te karakteriseren. De vermoeidheidsprestaties op mengselniveau werden geëvalueerd met behulp van rekgestuurde vierpunksbuigvermoeidheidstests. De resultaten geven aan dat veroudering de stijfheid van het bindmiddel significant verhoogt en de vermoeidheidsdegradatie versnelt, waarbij de vermoeidheidsfactor G*·sin δ na langdurige veroudering met ongeveer 150–250% toeneemt. De effectiviteit van de warm-mix modificatie op bindmiddelniveau was sterk afhankelijk van het bindmiddel, wat blijkt uit een afname van 8–13% in de schadesnelheidscoëfficiënt voor bindmiddelen A en B, maar een toename van ongeveer 11% voor bindmiddel C. Conventionele rheologische indicatoren zoals sin δ vertoonden een beperkte en materiaalafhankelijke capaciteit om de vermoeidheidsduur van het mengsel te voorspellen, terwijl de uit LAS–S-VECD afgeleide schadeparameters consistent sterke correlaties vertoonden met de vermoeidheidsprestaties op mengselniveau. Over het geheel genomen demonstreert dit onderzoek dat bindmiddelschadekarakterisering op basis van LAS–S-VECD een robuuste basis biedt voor het voorspellen van de vermoeidheidsweerstand van mengsels en ondersteunt dit de toepassing ervan in prestatiegerichte mengselontwerpen voor duurzame en bestendige WMA-verhardingen.
Inleiding
Conventionele constructie van asfaltverhardingen is afhankelijk van verwerking bij hoge temperaturen, doorgaans variërend van 160 °C tot 180 °C, en boven de 190 °C voor gemodificeerde bindmiddelen zoals rubberasfalt en hoogwaardig polymeergemodificeerd bitumen. In gespecialiseerde toepassingen, waaronder verhardingen van stalen brugdekken, kunnen de temperaturen bij het in-situ aanbrengen van het mengsel de 200 °C overschrijden1. Deze extreme thermische omstandigheden leiden tot een aanzinnig verbruik van fossiele brandstoffen en veroorzaken significante atmosferische emissies, waaronder broeikasgassen en gevaarlijke asfaltdampen rijk aan benzeenoplosbare verbindingen en carcinogene polycyclische aromatische koolwaterstoffen (bijv. benzo[a]pyreen)2,3. Eerdere studies hebben consistent aangetoond dat het verlagen van de temperaturen tijdens de asfaltproductie en verdichting het brandstofverbruik, de CO₂-emissies en de beroepsmatige blootstelling aan asfaltdampen kan verminderen, hoewel de omvang van deze voordelen afhangt van het mengseltype, de configuratie van de menginstallatie, de dosering van additieven en de omstandigheden bij de constructie in het veld. Recente studies hebben het begrip van de asfaltprestaties onder verschillende modificaties en gebruikscondities verder verrijkt. Er is gerapporteerd dat de introductie van calciumlignosulfonaat in asfaltmengsels de thermo-oxidatieve veroudering effectief kan vertragen door oxidatiereacties te remmen en de colloïdale structuur van asfaltbindmiddelen te stabiliseren.
Wat betreft het breukgedrag hebben onderzoeken naar warm mengasfalt (HMA) en lauwwarm mengasfalt (WMA) onder pure Mode I- en Mode II-belastingsomstandigheden aangetoond dat de belastingsmodus een kritieke rol speelt bij het bepalen van de breuktaaiheid bij lage temperaturen en de energiedissipatie. De gevoeligheid voor vocht is ook uitgebreid bestudeerd in rubbergemodificeerde asfaltsystemen, waarbij gerecyclede rubbermaterialen de weerstand tegen vochtgeïnduceerde schade verbeteren en het optimale rubbergehalte kan worden bepaald via gecombineerde mechanische en economische evaluatiemethoden. Met betrekking tot de prestaties bij hoge temperaturen is gemodificeerd steenmastixasfalt (SMA) geëvalueerd met behulp van Dynamic Creep- en Hamburg Wheel Tracking Device-tests, wat bevestigde dat de modificatie van het mengsel de spoorvormingsweerstand aanzienlijk verhoogt. Daarnaast hebben studies op basis van semicircular bending (SCB) naar asfaltmengsels met gerecyclede additieven opmerkelijke verbeteringen laten zien in de Mode I-breukweerstand en de weerstand tegen vochtschade, wat de synergetische effecten van gerecyclede materialen op de vermoeidheid en duurzaamheid benadrukt. Bijgevolg is de ontwikkeling van asfalttechnologieën voor lage temperaturen ontstaan als een kritiek pad naar duurzame wegconstructie en milieuvriendelijke infrastructuursystemen.
Warm mengasfalt-technologie (WMA), die wordt gerealiseerd door de toevoeging van chemische additieven, organische wassen of schuimtechnieken, maakt een effectieve productie van mengsels mogelijk bij temperaturen die doorgaans tussen 90 °C en 130 °C liggen—wat een verlaging van 30–50 °C betekent vergeleken met conventioneel heet mengasfalt (HMA)4. Naast de goed gedocumenteerde voordelen bij het verminderen van de energievraag en de uitstoot van verontreinigende stoffen, speelt WMA een cruciale rol bij het beperken van de thermo-oxidatieve veroudering van asfaltbindmiddelen tijdens de productie en het aanbrengen. De veroudering van asfalt wordt gestuurd door temperatuurafhankelijke chemische kinetiek, waarbij de oxidatiesnelheden ongeveer verdubbelen voor elke temperatuurstijging van 10 °C5,6. Verhoogde temperaturen versnellen vluchtigings-, oxidatie- en polymerisatiereacties, waardoor maltenen geleidelijk worden omgezet in rigide asfaltenen, wat de stijfheid van het bindmiddel verhoogt en de ductiliteit vermindert7. Door de productietemperaturen te verlagen, onderdrukt WMA deze schadelijke reacties, waardoor de visco-elasticiteit van het bindmiddel behouden blijft en de vermoeidheidsweerstand op lange termijn mogelijk wordt verbeterd8.
Hoewel de milieu- en constructievoordelen van WMA uitgebreid zijn gerapporteerd, blijven systematische onderzoeken naar de vermoeiingsprestaties onder verouderingsomstandigheden relatief beperkt. In het bijzonder vertonen asfaltbindmiddelen afgeleid van verschillende ruwe oliebronnen—zoals grondstoffen van Karamay, offshore CNOOC en CNPC—duidelijke variaties in de chemische samenstelling, waaronder het asfalteengehalte, de harsverdeling, aromatische fracties en verzadigingsniveaus9. Deze compositorische verschillen worden algemeen erkend als fundamentele determinanten van het rheologisch gedrag, de gevoeligheid voor veroudering en de vermoeiingsduurzaamheid10. Desondanks differentiëren bestaande vermoeiingsstudies bindmiddelen zelden op basis van de oorsprong van de ruwe olie, wat resulteert in een onvolledig begrip van hoe bronafhankelijke chemie de vermoeiingsprestaties beheerst, vooral onder cumulatieve veroudering die representatief is voor gebruiksomstandigheden11,12. Vanuit een technisch perspectief zou een betrouwbare vermoeiingsevaluatiemethode op bindmiddelniveau bijzonder nuttig zijn voor de eerste materiaalscreening, de selectie van warmmix-additieven, de beoordeling van de verouderingsgevoeligheid en kwaliteitscontrole voorafgaand aan verificatie op mengselniveau. Desondanks mag LAS–S-VECD niet worden beschouwd als een volledige vervanging voor vermoeiingstesten van mengsels, omdat korrelgradatie, luchtaisloten, interactie tussen bindmiddel en aggregaat, verdichtingskwaliteit en veldveroudering de vermoeiingsprestaties van het wegdek ebenfalls kunnen beïnvloeden. Bovendien is de relatie tussen vermoeiingsindicatoren op bindmiddelniveau en het vermoeiingsgedrag op mengselniveau nog niet definitief vastgesteld voor diverse asfaltbronnen13. Hoewel rheologische testen zoals de Linear Amplitude Sweep (LAS) veelbelovend zijn gebleken bij het karakteriseren van vermoeiingsschade aan het bindmiddel, blijft hun voorspellende betrouwbaarheid voor de vermoeiingsduur van mengsels—met name voor bindmiddelen met verschillende chemische oorsprong—onvoldoende gevalideerd14. Deze discrepantie beperkt de nauwkeurigheid van laboratoriumgebaseerde prestatievoorspellingen en belemmert een rationele materiaalselectie voor de technische praktijk15.
Om deze kritieke hiaten op te vullen, voert deze studie een uitgebreid, multi-schaal onderzoek uit naar het vermoeidingsgedrag van warmgemodificeerde asfaltbinders afgeleid van drie verschillende ruwe oliebronnen16. Door dynamische schuifreometrie-analyse (DSR), Linear Amplitude Sweep (LAS)-testen binnen het Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD)-raamwerk en vermoeidheidstesten met vierpuntsbuiging op mengselniveau te integreren, evalueert dit werk systematisch de invloed van de herkomst van de ruwe olie, de warmgemodificeerde aanpassing en veroudering op de vermoeidheidsweerstand17,18,19. De resultaten zijn erop gericht om robuuste cross-schaal correlaties vast te stellen tussen de reologie van de binder en de prestaties van het mengsel, waardoor een mechanistische basis wordt geboden voor de voorspelling van de vermoeidheidsduur en praktische richtlijnen worden gegeven voor het ontwerp en de selectie van duurzame asfaltmaterialen.
Deze studie presenteert een cross-scale vermoeidheidskarakteriseringskader voor warmmengasfalt door het integreren van LAS–S-VECD-analyse op bindermaatstaf met vierpuntsbuigvermoeiingstesten op mengselmaatstaf. In tegenstelling tot eerdere studies, die zich voornamelijk concentreerden op ofwel rheologische evaluatie op binderniveau of prestatiebeoordeling op mengselniveau in isolatie, vestigt het huidige werk een directe mechanistische koppeling tussen binderschemie afhankelijk van ruwe olie, warmmengmodificatie en het vermoeidheidsgedrag van het mengsel onder verouderingsomstandigheden. De nieuwheid van deze studie ligt in drie aspecten: (i) de expliciete opname van de herkomst van ruwe olie als een bepalende variabele voor de vermoeidheidsprestaties; (ii) de systematische cross-scale correlatie tussen LAS–S-VECD schade-evolutie en de vermoeidheidsduur van het mengsel; en (iii) de uniforme evaluatie van warmmengmodificatie-effecten over zowel binder- als mengselmaatstaf. De resultaten tonen aan dat schadeparameters afgeleid van LAS–S-VECD robuuste voorspellers zijn voor de vermoeidheidsprestaties van het mengsel, wat een mechanistisch beter gefundeerd alternatief biedt voor conventionele rheologische indices. Deze bevindingen leggen een wetenschappelijke basis voor de prestatiegeoriënteerde evaluatie en het ontwerp van duurzame warmmengasfaltsystemen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Materialen
De drie asfaltbindmiddelen die in deze studie zijn geselecteerd, zoals samengevat in Tabel 1, zijn representatieve wegverhardingsbindmiddelen afgeleid van verschillende ruwe oliebronnen en worden op grote schaal gebruikt in de praktische wegenbouw in China. Karamay-asfalt, CNOOC 36-1 asfalt en PetroChina-asfalt verschillen aanzienlijk in ruwe olieherkomst, chemische samenstelling, verouderingsgevoeligheid en rheologische eigenschappen, wat een geschikte materiële basis biedt voor het onderzoeken van vermoeidheidsgedrag dat afhankelijk is van de oliebron. Hun selectie maakt een vergelijkende evaluatie mogelijk van hoe de intrinsieke samenstelling van het bindmiddel de effectiviteit van warmmix-modificatie en de vermoeidingsprestaties op mengselschaal beïnvloedt, waardoor de technische relevantie van het voorgestelde cross-scale raamwerk voor vermoeidingskarakterisering wordt vergroot. De gedetailleerde geologische herkomst en chemische kenmerken van elk bindmiddel zijn als volgt:
Bindmiddel A: Afgeleid van zware olie-grondstoffen uit de 9e zone, geproduceerd via een mengproces van vacuümresidu en ontoliede asfalt. Het basismateriaal vertoont kenmerkende eigenschappen, waaronder een laag paraffinegehalte (<2%), een minimale zwavelconcentratie en een hoge harscompositie. Opvallend is dat Karamay-asfalt het enige wegdekbindmiddel is met een soortelijk gewicht onder de 1 g/cm3 in huidige technische toepassingen, en het beschikt over een superieure dynamische viscositeit en een uitstekend behoud van ductiliteit na veroudering. Deze kenmerken maken het bijzonder geschikt voor regio's die onderhevig zijn aan grote dagelijkse temperatuurverschillen en intense ultraviolette blootstelling.
Bindmiddel B: Afkomstig van de zeldzame zware ruwe olie gewonnen uit het Suizhong 36-1 offshore-olieveld, met een hoog bitumenrendement van 56% via raffinage. De grondstof is geclassificeerd als een zwavelarme, naftheenbasis zware ruwe olie met een hoge zuurwaarde, wat resulteert in een verwerkt bindmiddel met een hoge dichtheid (1,012 g/cm3), een laag paraffinegehalte (1,8%) en verhoogde harsaandelen. Dergelijke eigenschappen verlenen het bindmiddel een uitstekende flexibiliteit bij lage temperaturen, waardoor het voordelig is voor toepassingen in koude omgevingen.
Binder C: Primair geformuleerd met gebruik van Venezolaanse Boscan zware ruwe olie als basisgrondstof, waarbij een productieopbrengst van 60% wordt behaald via gespecialiseerde raffinageprocessen. Deze ruwe olie vertoont unieke geochemische kenmerken, waaronder een hoog zuurgehalte, significante concentraties zware metalen en een sterk potentieel voor koolstofresiduvorming. Het bindmiddel vertoont een atypische koolwaterstofsamenstelling, gekenmerkt door lage verzadigde koolwaterstoffracties, verrijkte hars-asfalteencomplexen en een opvallend laag paraffinegehalte (1,3%).
In dit onderzoek werden de drie basisasfaltbindmiddelen aangeduid als AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) en CO (PetroChina). De overeenkomstige WMA-bindmiddelen werden bereid door toevoeging van het Evotherm M1-additief, respectievelijk gecodeerd als AP, BP en CP20. Uitgebreide prestatie-indicatoren, waaronder penetratie, verzachtingspunt en ductiliteit, werden getest volgens de specificaties van JTG E20-201121, waarbij de gedetailleerde vergelijkingsgegevens worden gepresenteerd in Tabel 1. Alle experimentele procedures zijn strikt uitgevoerd volgens de gestandaardiseerde protocollen zoals beschreven in de Technical Specifications for Highway Engineering Asphalt and Bituminous Mixtures.
| Project | Eenheid | Karamay | CNOOC | CNPC |
| Penetratie | 0.1 mm (15 °C) | 22 | 22 | 24 |
| 0.1 mm (25 °C) | 72 | 68 | 71 | |
| 0.1 mm (30 °C) | 112 | 110 | 116 | |
| PI | － | -1.14 | -1.2 | -0.81 |
| TR&B | °C | 46 | 46.5 | 47.5 |
| Dynamische viscositeit (60 °C) | Pa·s | 223.5 | 230 | 256.9 |
| Ductiliteit (10 °C, 5 cm/min) | cm | >100 | >100 | 52 |
| Wasgehalte | % | 1.9 | 1.8 | 1.3 |
| Vlampunt (COC) | ℃ | 278 | 287 | 312 |
| Oplosbaarheid | % | 99.5 | 99.7 | 99.8 |
| Dichtheid (15 °C) | g/cm³ | 0.977 | 1.012 | 1.049 |
| RTFOT | Kwaliteitsverandering (%) | 0.05 | 0.06 | -0.07 |
| Residuele penetratieverhouding (%) | 66.2 | 67.4 | 64.8 | |
| Residuele ductiliteit (10 °C, cm) | 13 | 12 | 9 |
Tabel 1: Belangrijke technische parameters van bitumenbindmiddelen. Tabel 1 vat de belangrijkste technische parameters van bitumenbindmiddelen samen, waaronder fysische eigenschappen, temperatuurgevoeligheid, rheologische kenmerken en kortstondige verouderingsprestaties, om hun fundamentele eigenschappen en duurzaamheid te evalueren.
Het bereidingsproces van de WMA omvatte een strikt gecontroleerd protocol in meerdere fasen, ontworpen om de reproduceerbaarheid van de modificatie van het bindmiddel te waarborgen. Het basisasfaltbindmiddel werd eerst 60 min verhit in een oven met geforceerde convectie bij 135 ± 2 °C om een stabiele gesmolten toestand te bereiken, gevolgd door 30 min equilibratie om thermische gradiënten te elimineren. Alle verhittingsprocessen werden uitgevoerd in afgesloten containers met stikstofbescherming (stroomsnelheid: 0.5 L/min) om oxidatieve veroudering tijdens de temperatuurconditionering te minimaliseren.
Het Evotherm M1-additief werd vervolgens toegevoegd bij 135 ± 2 °C onder continu mechanisch roeren bij 300 rpm gedurende 5 min voorafgaand aan de high-shear verwerking, om de initiële dispersie van de surfactantfase te waarborgen. Vervolgens werd high-shear mengen uitgevoerd met een rotor-stator homogenisator bij 3000 rpm gedurende 25 min, waarbij de temperatuur van het bindmiddel tussen 135–140 °C werd gehouden met behulp van een extern temperatuurcontrolesysteem met oliebad (nauwkeurigheid ±1 °C). Tijdens het gehele mengproces werd de temperatuur continu gemonitord met een gekalibreerd K-type thermokoppel dat in de bindmiddelmatrix was geplaatst, waarbij schommelingen groter dan ±2 °C leidden tot een automatische aanpassing van de verwarming. Het gemodificeerde bindmiddel werd vervolgens onderworpen aan een gecontroleerde afkoelingsprocedure naar 25 °C met een snelheid van 5 °C/min vóór verdere testen of kortstondige opslag. Het ontwerp van het shear-protocol volgde de viscositeit-temperatuurrelatie van asfaltbindmiddelen, waardoor werd gewaarborgd dat alle monsters werden bereid onder vergelijkbare shear-historiecondities. Deze strikte thermomechanische controle garandeert een hoge reproduceerbaarheid en minimaliseert variabiliteit bij de bereiding van het WMA-bindmiddel.
Testen met een dynamische schuifreometer (DSR)
Om de reologische respons en de vermoeidheidsgerelateerde eigenschappen van asfaltbindmiddelen gemodificeerd met warmmix-additieven te karakteriseren, werden Dynamic shear rheometer (DSR)-testen uitgevoerd met een temperatuurgecontroleerde rotatierheometer in overeenstemming met ASTM D717522. De reologische evaluatie richtte zich op het vermoeidheidsgedrag bij gemiddelde temperaturen, wat nauw samenhangt met het ontstaan en de voortplanting van scheuren in asfaltverhardingen.
De vermoeiingsfactor G*sin δ23, algemeen erkend als een indicator voor vermoeiingsgevoeligheid op bindermiveau, werd gebruikt om veranderingen in het viscoelastische dissipatiegedrag te kwantificeren die zijn veroorzaakt door warm-mix modificatie en veroudering. Temperatuursweeptests werden uitgevoerd over een bereik van 58–82 °C, met temperatuurstappen van 6 °C. Bij elke doeltemperatuur kregen de monsters 10 min de tijd om te equilibreren vóór de gegevensverwerving om thermische stabiliteit te waarborgen. Om de invloed van veroudering op de rheologische eigenschappen te onderzoeken, werden bindermonsters onderworpen aan drie verouderingscondities: onverouderd, veroudering via de rolling thin film oven test (RTFOT), en gecombineerde RTFOT- en Pressure Aging Vessel (PAV) veroudering 24. Deze verouderingsprotocollen waren ontworpen om zowel kortetermijnveroudering tijdens productie en aanleg, als langetermijnveroudering tijdens het gebruik van het wegdek te simuleren. De evolutie van G*sin δ in functie van de temperatuur en de verouderingsconditie werd geanalyseerd om de vermoeiingsweerstand van de verschillende binders te beoordelen.
Vóór elke DSR-test werd het bindermateriaal na belading tussen de parallelle platen zorgvuldig bijgesneden om een uniform randprofiel te garanderen. Het monster werd gedurende 10 min geconditioneerd bij de doeltemperatuur vóór de meting. De tests werden uitgevoerd over een bereik van 58–82 °C met stappen van 6 °C. Een test werd als geldig beschouwd wanneer het gemeten koppel en de verplaatsing binnen het aanbevolen werkingsbereik van het instrument bleven en er geen zichtbare slippage van het monster optrad.
Lineaire amplitude-sweep (LAS) testen
De karakterisering van het visco-elastisch gedrag werd uitgevoerd in overeenstemming met de ASTM D7175-specificaties voor dynamische mechanische analyse25. De experimentele methodologie omvatte strain amplitude sweeps om de lineair visco-elastische grenzen vast te stellen, gevolgd door frequentie-gecontroleerde testen bij 10 rad/s26. Temperatuurafhankelijke evaluaties besloegen het operationele temperatuurspectrum van asfaltverhardingen (58–82°C), uitgevoerd in stappen van 6°C, waarbij voor elk isotherm segment 10 minuten werd toegestaan voor thermisch evenwicht. Het AASHTO T391-protocol werd toegepast om de accumulatie van binder-schade te kwantificeren via de evolutie van gedissipeerde energie, waarbij specifiek de visco-elastische dissipatiefactor (|G*|sin δ) tijdens cyclische belasting werd gemonitord 27,28. Het Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) raamwerk werd gehanteerd om degradatiepatronen van bitumineuze composieten te voorspellen29. Het LAS-protocol voert een oscillatoire amplitude-sweep uit bij een vaste frequentie van 10 Hz, waarbij een gecontroleerde strain-progressie van 0,1% tot 30% wordt toegepast met resolutie-stappen van 0,1%.
Belangrijke visco-elastische parameters werden afgeleid met behulp van de volgende vergelijkingen:
log G "(ω) = m (log ω) + b (1)
G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)
(3)
waarbij G''(ω) de verliesmodulus is, ω de hoekfrequentie, m en b passingcoëfficiënten zijn, G'(ω) de opslagmodulus, G*(ω) de complexe modulus, δ(ω) de fasehoek, en is de visco-elasticiteitsindex.
De kwantificering van de schade maakte gebruik van de fundamentele relatie uitgedrukt in Vergelijking (4):
(4)
In de formule: C(t)—de integriteitsparameter, C(t)=G^* (t)/G^* (Initial), G^*—complexe modulus (MPa);
γ_0—Toegepaste rek (%);
t—Testduur (s)
De temporele evolutie van de schademetriek D(t) en de structurele integriteits係数 C(t) wordt wiskundig geparametriseerd via een constitutieve machtswetrelatie (Yuan 2024):
C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)
In de formule: C0 vertegenwoordigt de initiële integriteitsparameter (normaal gelijk aan 1), C1, C2—passingsparameters.
Bereken de vermoeiingsschade-waarde met behulp van het concept van het piekpunt van de afschuifspanning:
(6)
Cpeak is de integriteitsparameter die overeenkomt met het punt van maximale schuifspanning.
De formule voor de berekening van de vermoeiingsduur is:
Nf = A(γmax)-B (7)
In de formule: A, B—vermoeidheidsgerelateerde coëfficiënt,
A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)
B=2a, f-laadfrequentie;
γmax — verwacht maximaal rekstroomniveau (%)
Om de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de experimentele resultaten te waarborgen, werden alle tests op bindmiddel- en mengselniveau uitgevoerd met ten minste 3 onafhankelijke herhalingen (n = 3) per conditie. De gerapporteerde resultaten vertegenwoordigen de gemiddelde waarden van de herhaalde metingen. De variabiliteit van de experimentele gegevens werd geëvalueerd met behulp van de standaarddeviatie (SD), en in alle relevante figuren zijn foutenbalken opgenomen om de statistische spreiding weer te geven. Voor de LAS–S-VECD-parameters, DSR-reologische indices en de vermoeiingsduur uit vierpuntsbuigproeven werd aanvullend de variatiecoëfficiënt (COV) berekend om de consistentie van de gegevens te beoordelen.
In alle gevallen werden de statistische verschillen tussen gemodificeerde en ongemodificeerde bindmiddelen onderzocht om te garanderen dat de waargenomen trends niet te wijten zijn aan experimentele spreiding, maar statistisch significante verschillen in vermoeiings- en rheologisch gedrag vertegenwoordigen.
Vermoeidheidstesten via vierpuntsbuiging
Om vermoeidheidsindicatoren op bindermستوى te valideren en cross-scale correlaties vast te stellen, werden vierpuntsbuigingsvermoeidheidstesten uitgevoerd op asfaltmengsels die zijn bereid met een AC-16C gradatie30,31. De aggregaatgradatie, schijnbare dichtheid, bulksoortelijk gewicht en waterabsorptie van elke aggregaatgrootte, samen met de eigenschappen van de minerale vulstof, zijn samengevat in Tabel 2. Het asfaltgehalte van alle mengsels werd vastgesteld op 4.8% om consistentie tussen verschillende WMA-formuleringen te waarborgen.
| Zeefmaat (mm) | Geaggregeerde categorie | Synthetische gradatie (%) | ||||
| 1# (10~20 mm, 29%) | 2# (5~10 mm; 29,2%) | 3# (3~5 mm, 17%) | 4# (0~3 mm, 19%) | Mineraalpoeder (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 |
| Schijnbare relatieve dichtheid | 2.899 | 2.918 | 2.845 | 2.754 | 2.872 | 2.865 |
| Relatieve dichtheid in verzadigde toestand (SSD) | 2.854 | 2.847 | 2.816 | 2.691 | － | 2.814 |
| Bulk specifiek gewicht | 2.829 | 2.81 | 2.8 | 2.655 | － | 2.787 |
| Waterabsorptiesnelheid van toeslagmateriaal (%) | 0.85 | 1.32 | 0.56 | 1.36 | － | － |
Tabel 2: Gradatie van toeslagmateriaal in warm-mix asfaltmengsel. Tabel 2 presenteert de gradatie van het toeslagmateriaal van het warm-mix asfaltmengsel, inclusief de proporties van verschillende toeslagfracties, het mineraalpoedergehalte, de synthetische gradatiecurve en de fysische eigenschappen van het toeslagmateriaal. De tabel toont de ontworpen korrelgrootteverdeling en de basiskenmerken van het toeslagmateriaal dat in het asfaltmengsel is gebruikt.
Vierpuntsbuigingsvermoeiingstesten werden uitgevoerd met een Cooper-testapparaat onder rekgestuurde belastingsomstandigheden om de vermoeidheidsbestendigheid van warmgemengde asfaltmengsels (WMA) te evalueren32. Het faalcriterium werd gedefinieerd als het aantal belastingscycli dat nodig is om de buigstijfheid te laten dalen tot 50% van de initiële waarde. In overeenstemming met het vastgestelde testprotocol33 werd een cyclische belasting toegepast in de vorm van een continue sinusvormige golf met een frequentie van 10 Hz onder isotherme omstandigheden van 15 °C. Alle testen werden uitgevoerd zonder rustperioden om een ononderbroken energie-input tijdens de vermoeidheidsbelasting te garanderen34,35.
Balkmonsters werden gefabriceerd volgens standaard afmetingsvereisten, met een lengte van 381 ± 6.35 mm, een breedte van 63.5 ± 6.35 mm en een hoogte van 50.8 ± 6.35 mm3637. Onder rekgestuurde omstandigheden werd de vermoeidheidsprestatie gekarakteriseerd door vermoeidheidskenmerkcurves te plotten voor monsters met verschillende WMA-formuleringen in een dubbel-logaritmisch coördinatensysteem38. Vervolgens werd een constitutieve machtswetrelatie vastgesteld en werd niet-lineaire regressieanalyse gebruikt om de vermoeidheidsgegevens van de verschillende asfaltmengsels te fitten, wat de basis vormde voor de daaropvolgende modellering van de vermoeidheidslevensduur en de vergelijkende analyse39,40,41. Het balkmonster werd symmetrisch gemonteerd in de vierpuntsbuigopstelling, waarbij het contact tussen de belastingsklemmen en het monsteroppervlak vóór belasting werd gecontroleerd. De test werd uitgevoerd bij 15 °C onder rekgestuurde sinusvormige belasting bij 10 Hz zonder rustperioden. Het eindpunt van de test werd gedefinieerd als het aantal cycli waarbij de buigstijfheid afnam tot 50% van de initiële waarde. Tests werden als geldig beschouwd wanneer breuk optrad binnen het meetgedeelte en er geen abnormale slip van de klemmen of plotselinge niet-vermoeiingsbreuk werd waargenomen. Alle kwantitatieve gegevens worden gepresenteerd als gemiddelde ± standaarddeviatie (mean ± SD), met een steekproefomvang n = 3 voor alle experimentele groepen, tenzij anders gespecificeerd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Reologische eigenschappen van WMA
De interfacezone tussen asfalt en aggregaat wordt algemeen erkend als de primaire plek waar vermoeiingsscheuren ontstaan. Daarom werd de vermoeiingsgerelateerde reologische parameter G*sin δ, gemeten bij gemiddelde gebruikstemperaturen, gebruikt om de vermoeiingsprestaties van warm-mix asfalt (WMA) binders te evalueren. Figuur 1 toont de variatie van G*sin δ voor de oorspronkelijke en ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Deze studie stelt een cross-scale vermoeidheidsevaluatiekader voor dat binder-niveau Linear Amplitude Sweep (LAS) testen integreert met het Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) model en mengsel-niveau vierpuntsbuigvermoeidheidstesten om een mechanistische koppeling vast te stellen tussen de evolutie van schade aan het asfaltbindmiddel en de vermoeidheidsprestaties van het mengsel. In tegenstelling tot conventionele methoden voor vermoeidheidsevaluatie, die primair vertrouwen op empirische rheologische indica...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren geen belangenverstrengeling.
Dankbetuigingen
Wij zijn dankbaar aan het Departement van Transport van de provincie Zhejiang voor het Major R&D-project. Dit onderzoek werd gefinancierd door een groot R&D-project van het Departement van Transport van de provincie Zhejiang (ZJXL-SJT-202316A).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Bindmiddel A / AO, Karamay-asfalt | Karamay ruwe oliebron, China | N/A | Basis asfaltbindmiddel |
| Bindmiddel B / BO, CNOOC 36-1 asfalt | CNOOC 36-1 offshore ruwe oliebron, China | N/A | Basis asfaltbindmiddel |
| Bindmiddel C / CO, PetroChina asfalt | PetroChina / Venezolaanse Boscan ruwe oliebron | N/A | Basis asfaltbindmiddel |
| Evotherm M1 warmmengadditief | Ingevity / MeadWestvaco | Evotherm M1 | Warmmengadditief voor de bereiding van WMA-bindmiddel |
| Dynamische schuifviscositeitsmeter (DSR) | Malvern | Kinexus DSR+ | Gebruikt voor DSR temperatuursweeps en LAS-tests |
| Rolling Thin Film Oven Test-apparaat | Shanghai Changji | SYD-0610 | Gebruikt voor kortetermijnveroudering |
| Pressure Aging Vessel (PAV) | InstroTek | PAV-9300 | Gebruikt voor langetermijnveroudering |
| Vierpunts buigingsvermoeiing testsysteem | Cooper Research Technology | SA4PT | Gebruikt voor rekgestuurde vermoeiingstests van mengsels |
| S-VECD analysekader | data-analyse | N/A | Gebruikt voor het berekenen van op LAS gebaseerde schadeparameters |
| Data-analysesoftware | Origin | OriginPro 2024 | Gebruikt voor regressiefitting, correlatieanalyse en plotting |
Referenties
- 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.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.