Cross-scale karakterisering van vermoeidheidsschade in warmmengasfalt op basis van linear amplitude sweep- en vierpuntsbuigproeven

Samenvatting

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.

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 °C^5,6. 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 gebruiksomstandigheden^11,12. 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 vermoeidheidsweerstand^17,18,19. 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.

Protocol

Materialen
De drie in deze studie geselecteerde asfaltbindmiddelen, zoals samengevat in Tabel 1, zijn representatieve wegbindmiddelen afgeleid van verschillende ruwe oliesoorten en worden veelvuldig gebruikt in de praktijk van de wegenbouw in China. Karamay-asfalt, CNOOC 36-1 asfalt en PetroChina-asfalt verschillen aanzienlijk in ruwe olie-oorsprong, chemische samenstelling, verouderingsgevoeligheid en rheologische eigenschappen, wat een geschikte materiële basis biedt voor het onderzoeken van het oliebronafhankelijke vermoeidheidsgedrag. Hun selectie maakt een vergelijkende evaluatie mogelijk van hoe de intrinsieke samenstelling van het bindmiddel de effectiviteit van warmmix-modificatie en de vermoeidheidsprestaties op mengselniveau beïnvloedt, waardoor de technische relevantie van het voorgestelde cross-scale kader voor vermoeidingskarakterisering wordt vergroot. De gedetailleerde geologische oorsprong 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 harsamenstelling. Opvallend is dat Karamay-asfalt het enige wegverhardingsbindmiddel is met een soortelijk gewicht onder 1 g/cm³ in huidige technische toepassingen, en het beschikt over een superieure dynamische viscositeit en een uitstekende behoud van ductiliteit na veroudering. Deze kenmerken maken het bijzonder geschikt voor regio's die onderhevig zijn aan grote dagelijkse temperatuurschommelingen en intense ultraviolette blootstelling.

Bindmiddel B: afkomstig van de zeldzame zware ruwe olie gewonnen uit het offshore olieveld Suizhong 36-1, met een hoge bitumenopbrengst van 56% via raffinage. De grondstof wordt 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 voorzien het bindmiddel van een uitstekende flexibiliteit bij lage temperaturen, waardoor het voordelig is voor toepassingen in koude omgevingen.

Binder C: Primair geformuleerd met Venezolaanse Boscan heavy crude 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 de vorming van koolstofresiduen. Het bindmiddel vertoont een atypische koolwaterstofsamenstelling, gekenmerkt door lage verzadigde koolwaterstoffracties, verrijkte hars-asfalteencomplexen en een opmerkelijk laag paraffinegehalte (1,3%).

In dit onderzoek werden de drie basisasfaltbindmiddelen aangeduid als AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) and CO (PetroChina). De overeenkomstige WMA-bindmiddelen werden bereid door de toevoeging van het Evotherm M1-additief, respectievelijk gecodeerd als AP, BP en CP²⁰. Uitgebreide prestatie-indicatoren, waaronder penetratie, verzachtingspunt en ductiliteit, werden getest in overeenstemming met de specificaties van JTG E20-2011²¹, waarbij de gedetailleerde vergelijkingsgegevens worden gepresenteerd in Tabel 1. Alle experimentele procedures werden 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
	Restductiliteit (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, reologische kenmerken en kortetermijnverouderingsprestaties, om hun fundamentele eigenschappen en duurzaamheid te evalueren.

Het bereidingsproces van de WMA omvatte een strikt gecontroleerd meerstapsprotocol, ontworpen om de reproduceerbaarheid van de bindmiddelmodificatie 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.

Vervolgens werd het Evotherm M1-additief toegevoegd bij 135 ± 2 °C onder continu mechanisch roeren bij 300 rpm gedurende 5 min voorafgaand aan de high-shear processing, om de initiële dispersie van de surfactantfase te waarborgen. Daarna werd high-shear mixing 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 fluctuaties van meer dan ±2 °C leidden tot een automatische aanpassing van de verwarming. Het gemodificeerde bindmiddel werd vervolgens onderworpen aan een gecontroleerde afkoelingsprocedure tot 25 °C met een snelheid van 5 °C/min vóór verdere tests of kortstondige opslag. Het ontwerp van het shear-protocol volgde de viscositeit-temperatuurrelatie van asfaltbindmiddelen, waardoor werd gegarandeerd dat alle monsters onder vergelijkbare shear-historische omstandigheden werden bereid. Deze strikte thermomechanische controle garandeert een hoge reproduceerbaarheid en minimaliseert variabiliteit bij de bereiding van WMA-bindmiddelen.

Testen met een dynamische schuifreometer (DSR)
Om de reologische respons en de vermoeidheidsgerelateerde eigenschappen van asfaltbinders te karakteriseren die zijn gemodificeerd met warmmengadditieven, werden dynamische schuifreometer (DSR)-testen uitgevoerd met een temperatuurgecontroleerde rotatierheometer in overeenstemming met ASTM D7175²². De reologische evaluatie richtte zich op het vermoeidheidsgedrag bij een tussenliggende temperatuur, 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 bindermaterialniveau, werd gebruikt om veranderingen in het visco-elastische dissipatiegedrag te kwantificeren die zijn veroorzaakt door warmmengmodificatie en veroudering. Temperatuursweeptests werden uitgevoerd over een bereik van 58–82 °C, met temperatuursstappen van 6 °C. Bij elke doeltemperatuur kregen de monsters 10 min de tijd om te equilibreren vóór de gegevensverzameling om thermische stabiliteit te waarborgen. Om de invloed van veroudering op de reologische eigenschappen te onderzoeken, werden bindermonsters onderworpen aan drie verouderingscondities: niet verouderd, 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 kortstondige veroudering tijdens productie en aanleg als langdurige veroudering tijdens het gebruik van het wegdek te simuleren. De evolutie van G*sin δ in relatie tot de temperatuur en de verouderingsconditie werd geanalyseerd om de vermoeiingsweerstand van de verschillende bindermaterialen te beoordelen.

Vóór elke DSR-test werd het bindermonster zorgvuldig bijgesneden na het laden tussen de parallelle platen 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 in stappen van 6 °C. Een geldige test werd bevestigd wanneer het gemeten koppel en de verplaatsing binnen het aanbevolen werkbereik van het instrument bleven en er geen zichtbare slippages van het monster optraden.

Lineaire amplitudestuuring (LAS) testen
De karakterisering van het viscoelastisch gedrag werd uitgevoerd volgens de ASTM D7175-specificaties voor dynamische mechanische analyse²⁵. De experimentele methodologie omvatte strain-amplitudesweeps om de lineair viscoelastische grenzen vast te stellen, gevolgd door frequentiegestuurde 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 isothermisch segment 10 minuten werd toegestaan voor thermisch evenwicht. Het AASHTO T391-protocol werd gebruikt om de accumulatie van binder-schade te kwantificeren via de evolutie van gedissipeerde energie, waarbij specifiek de viscoelastische dissipatiefactor (|G*|sin δ) tijdens cyclische belasting werd gemonitord ^27,28. Het Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) raamwerk werd toegepast om degradatiepatronen van bitumineuze composieten te voorspellen²⁹. Het LAS-protocol voert een oscillatoire amplitudesweep uit bij een vaste frequentie van 10 Hz, waarbij een gecontroleerde toename van de rek wordt toegepast van 0,1% tot 30% 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 is, G*(ω) de complexe modulus is, δ(ω) de fasehoek is, en de visco-elasticiteitsindex is.

Voor de kwantificering van de schade werd gebruikgemaakt van de fundamentele relatie zoals weergegeven in Vergelijking (4):

(4)

In de formule: C(t)—de integriteitsparameter, C(t)=G^* (t)/G^* (Initieel), G^*- complexe modulus (MPa);

γ_0—Toegepaste rek (%);
t—Testduur (s)

De temporele evolutie van de beschadigingsmaatstaf D(t) en de structurele integriteitscoëfficiënt C(t) wordt wiskundig geparametriseerd via een constitutieve machtswetrelatie (Yuan 2024):

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

In de formule: C0​ stelt de initiële integriteitsparameter voor (normaal gelijk aan 1), C1, C2—fittingsparameters.

Bereken de vermoeidheidsschade-waarde met behulp van het concept van het piekpunt van de schuifspanning:

(6)

Cpeak is de integriteitsparameter die correspondeert met het punt van maximale schuifspanning.

De formule voor de berekening van de vermoeiingsduur is:

N_f = A(γ_max)^-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;
γ_max — verwacht maximaal rekgehalte (%)

Om de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de experimentele resultaten te waarborgen, werden alle tests op bindermaat en mengselmaat 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 foutenbalken zijn opgenomen in alle relevante figuren om de statistische spreiding weer te geven. Voor de LAS–S-VECD parameters, DSR reologische indices en de vermoeidheidsduur uit vierpuntsbuigproeven werd daarnaast de variatiecoëfficiënt (COV) berekend om de consistentie van de gegevens te beoordelen.

In alle gevallen werden statistische verschillen tussen gemodificeerde en ongemodificeerde bindmiddelen onderzocht om er zeker van te zijn dat de waargenomen trends niet het gevolg zijn van experimentele spreiding, maar statistisch significante verschillen in vermoeidheids- en reologisch 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 gradatie^30,31. De aggregaatgradatie, schijnbare dichtheid, bulksoortelijk gewicht en waterabsorptie van elke aggregaatgrootte, samen met de eigenschappen van het minerale vulmateriaal, zijn samengevat in Tabel 2>. Het asfaltgehalte van alle mengsels werd vastgesteld op 4,8% om consistentie tussen de verschillende WMA-formuleringen te waarborgen.

Zeefmaat (mm)	Aggregaatcategorie					Synthetische gradering (%)
	1# (10~20mm. 29%)	2# (5~10mm. 29,2%)	3# (3~5mm. 17%)	4# (0~3mm. 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
SSD relatieve dichtheid	2.854	2.847	2.816	2.691	－	2.814
Bulksoortelijk gewicht	2.829	2.81	2.8	2.655	－	2.787
Waterabsorptiecoëfficiënt aggregaat (%)	0.85	1.32	0.56	1.36	－	－

Tabel 2: Gradatie van toeslagmaterialen in warm-mix asfaltmengsel. Tabel 2 presenteert de gradatie van de toeslagmaterialen van het warm-mix asfaltmengsel, inclusief de proporties van verschillende toeslagfracties, het gehalte aan minerale poeder, de synthetische gradatiecurve en de fysische eigenschappen van de toeslagmaterialen. De tabel toont de ontworpen korrelgrootteverdeling en de basiskenmerken van de toeslagmaterialen die in het asfaltmengsel zijn gebruikt.

Vierpuntsbuigingsvermoeiingstests werden uitgevoerd met een Cooper-testapparaat onder rekgestuurde belastingsomstandigheden om de vermoeidheidsduurzaamheid van warmgemengde asfaltmengsels (WMA) te evalueren³². Het faal criterium werd gedefinieerd als het aantal belastingscycli dat nodig is voordat de buigstijfheid is afgenomen tot 50% van de initiële waarde. In overeenstemming met het vastgestelde testprotocol³³ werd cyclische belasting toegepast in de vorm van een continue sinusvormige golf bij een frequentie van 10 Hz onder isotherme omstandigheden van 15 °C. Alle tests werden uitgevoerd zonder rustperioden om een ononderbroken energie-input tijdens de vermoeidheidsbelasting te waarborgen^34,35.

Balkmonsters werden vervaardigd volgens de standaard dimensionale vereisten, 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 er werd gebruikgemaakt van niet-lineaire regressieanalyse om de vermoeidheidsgegevens van de verschillende asfaltmengsels te fitten, wat de basis vormde voor de daaropvolgende modellering van de vermoeidheidslevensduur en vergelijkende analyse^39,40,41. Het balkmonster werd symmetrisch gemonteerd in de vierpuntsbuiginstallatie, en het contact tussen de belastingsklemmen en het oppervlak van het monster werd vóór de belasting 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 was afgenomen tot 50% van de initiële waarde. Tests werden als geldig beschouwd wanneer falen optrad binnen het meetgedeelte en er geen abnormale slip van de klemmen of plotselinge niet-vermoeidheidsfracturen werden waargenomen. Alle kwantitatieve gegevens worden weergegeven als gemiddelde ± standaarddeviatie (gemiddelde ± SD), met een steekproefomvang n = 3 voor alle experimentele groepen, tenzij anders aangegeven.

Resultaten

Rheologische eigenschappen van WMA
De interface tussen asfalt en aggregaat wordt algemeen erkend als de primaire plek waar vermoeidheidsscheuren ontstaan. Daarom werd de vermoeidheidsgerelateerde rheologische parameter G*sin δ, gemeten bij gemiddelde gebruikstemperaturen, gebruikt om de vermoeidheidsprestaties van warm-mix asfalt (WMA) binders te evalueren. Figuur 1 toont de variatie van G*sin δ voor de oorspronkelijke en warm-mix gemodificeerde binders van Asfalt A, Asfalt B en Asfalt C. Alle kwantitatieve resultaten zijn uitgedrukt als gemiddelde ± SD op basis van drie herhaalde metingen (n = 3). Statistische vergelijkingen tussen oorspronkelijke en warm-mix gemodificeerde binders bij dezelfde temperatuur werden uitgevoerd met een t-toets voor onafhankelijke steekproeven, waarbij verschillen als significant werden beschouwd bij p < 0,05. Zoals getoond in Figuur 1, neemt G*sin δ continu af bij stijgende temperatuur voor alle asfaltbinders, wat wijst op een verminderde vermoeidheidsgerelateerde stijfheid bij hogere gemiddelde temperaturen. Voor Asfalt A vertoont AP significant hogere G*sin δ-waarden dan AO over het geteste temperatuurbereik van 16–25 ˚ C (p = 0,025 (bereik: 0,018–0,032)), afnemend van 7685 ± 126 naar 2480 ± 84 kPa, terwijl AO afneemt van 5580 ± 112 naar 1535 ± 76 kPa. Op soortige wijze vertoont BP significant hogere G*sin δ-waarden dan BO van 22 naar 28 (p = 0,021 (bereik: 0,011–0,027)), waarbij BP afneemt van 7980 ± 138 naar 3985 ± 105 kPa en BO afneemt van 6120 ± 120 naar 1725 ± 82 kPa. Deze resultaten suggereren dat het warm-mix additief de vermoeidheidsfactor van Asfalt A en B verhoogt, wat leidt tot een grotere viskeuze energiedissipatie en potentieel een hogere vermoeidheidsgevoeligheid op binderniveau. In tegenstelling hiermee vertoont Asfalt C slechts een gering verschil tussen CO en CP; hoewel CP marginaal hoger is dan CO bij dezelfde temperatuur, is het verschil bij de meeste temperaturen statistisch niet significant (p = 0,086–0,214). Specifiek neemt CP af van 13.420 ± 185 naar 4420 ± 96 kPa, terwijl CO afneemt van 13.080 ± 172 naar 4350 ± 91 kPa, wat aangeeft dat het warm-mix additief een beperkte invloed heeft op het vermoeidheidsgerelateerde rheologische gedrag van Asfalt C. Over het algemeen vertonen de drie binders verschillende reacties op warm-mix modificatie, wat de invloed van de asfaltbron op de vermoeidheidsprestaties weerspiegelt. Asfalt A en B zijn gevoeliger voor het warm-mix additief, terwijl Asfalt C een relatief stabiele vermoeidheidsweerstand behoudt na modificatie.

In tegenstelling hiermee vertoont Asfalt C geen significante verandering in G*sin δ na warm-mix modificatie, wat aangeeft dat het warm-mix additief een beperkte invloed uitoefent op de vermoeidheidsgerelateerde rheologische eigenschappen ervan. Deze observatie suggereert dat de intrinsieke chemische samenstelling van Asfalt C de visco-elastische respons domineert, waardoor de gevoeligheid van vermoeidheidsgerelateerde parameters voor additiefmodificatie afneemt. Deze resultaten benadrukken dat het effect van de warm-mix modificatie afhankelijk is van de oliebron. Resultaten van de temperatuursweep onthullen consistente rheologische trends voor alle geteste bindmiddelen. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de spoorvormingsfactor G*/sin δ continu af, terwijl de fasiehoek δ geleidelijk toeneemt, wat wijst op een progressieve overgang naar viskeus-gedomineerd gedrag. Verhoogde temperaturen intensiveren de moleculaire beweging binnen het bindmiddel, verzwakken elastische structuren en verminderen de weerstand tegen vervorming. Omgekeerd leidt een toenemende verouderingsintensiteit tot hogere G*/sin δ waarden en lagere fasiehoeken, wat wijst op een verhoogde stijfheid en elastische respons als gevolg van verouderingsgeïnduceerde harding.

Figuur 1. Vermoeiingsfactor (G*sin δ) van verschillende asfaltbindmiddelen als functie van de temperatuur. (A) Asfalt A (Karamay); (B) Asfalt B (CNOOC 36-1); (C) Asfalt C (PetroChina/Venezuelan Boscan). AO, BO en CO duiden de oorspronkelijke asfaltbindmiddelen aan, terwijl AP, BP en CP de overeenkomstige warm-mix asfaltbindmiddelen aanduiden. G*sin δ neemt af bij stijgende temperatuur voor alle bindmiddelen, terwijl de invloed van de warm-mix modificatie varieert afhankelijk van de bron van het bindmiddel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Deze rheologische ontwikkelingen kunnen worden toegeschreven aan de compositionele veranderingen van asfaltbindmiddelen tijdens thermisch-oxidatieve veroudering. Componenten met een laag moleculair gewicht worden geleidelijk omgezet in structuren met een hoger moleculair gewicht via oxidatie- en polymerisatiereacties, waardoor de complexe modulus G* toeneemt. Tegelijkertijd versterkt de accumulatie van polaire oxidatieproducten de opslag van elastische energie, wat zich uit in een afname van de fasehoek. Naarmate de veroudering vordert, wordt het bindmiddel steeds gevoeliger voor temperatuurschommelingen en wordt de temperatuurafhankelijkheid van de vermoeidheidsgerelateerde rheologische parameters uitgesproken.

Over het geheel genomen tonen de resultaten aan dat de invloed van warm-mix modificatie op de reologische eigenschappen van het bindmiddel die gerelateerd zijn aan vermoeiing, sterk afhankelijk is van de herkomst van de ruwe olie. Hoewel de warm-mix additief het visco-elastische dissipatiegedrag van bepaalde bindmiddelen verandert, wordt de effectiviteit ervan beperkt door de intrinsieke samenstelling en de verouderingskenmerken van het basisasfalt. Deze bevindingen benadrukken de noodzaak om rekening te houden met eigenschappen die specifiek zijn voor de oliebron bij het interpreteren van DSR-gebaseerde vermoeiingsfactoren en het beoordelen van de vermoeiingsprestaties van warm-mix asfaltbindmiddelen. De verouderingsgerelateerde toename in G·sin δ werd gekwantificeerd met behulp van de ruwe DSR-gegevens die zijn samengevat in Figuur 1. Procentuele veranderingen werden berekend ten opzichte van de overeenkomstige conditie van het niet-verouderde bindmiddel.

Lineaire amplitudesweep
Belangrijke parameters afgeleid uit het S-VECD-raamwerk zijn samengevat in Tabel 3. De integriteitsindex C karakteriseert kwantitatief de progressieve degradatie van asfaltbindmiddelen onder cyclische mechanische belasting, waarbij C = 1 de oorspronkelijke, onbeschadigde staat vertegenwoordigt en C = 0 overeenkomt met volledig structureel falen. Daarnaast beschrijven de regressiecoëfficiënten C₁ en C₂ de evolutie van de materiaalintegriteit bij toenemende schade. Lagere waarden van C₁ en C₂ duiden op een verbeterde structurele stabiliteit bij equivalente schadeniveaus, wat direct geassocieerd wordt met een verhoogde vermoeidheidsweerstand op bindmiddelniveau. Zoals getoond in Tabel 3, verhoogt veroudering over het algemeen C₁ en verlaagt het C₂, wat wijst op een verslechtering van de evolutie van de integriteit van het bindmiddel en de vermoeidheidsweerstand. Karamay-asfalt vertoont de hoogste weerstand tegen schadeaccumulatie met de laagste C₁- en relatief hoge C₂-waarden, terwijl CNPC-asfalt de tegenovergestelde trend vertoont, wat duidt op een zwakkere vermoeidheidsprestatie.

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

Tabel 3: Parameters gerelateerd aan de VECD-methode. Tabel 3 vat de gefitte modelparameters samen voor drie asfaltbindmiddelen onder niet-verouderde en verouderde condities. De variaties in de parameters weerspiegelen de effecten van het asfalttype en de veroudering op de modelkenmerken.

Figuur 2 illustreert de schade-evolutiecurven van verschillende asfaltbindmiddelen in zowel conventionele als met warm-mix gemodificeerde condities. Bij identieke spanningsniveaus vertonen warm-mix asfalt (WMA)-systemen een merkbaar lagere schadeaccumulatiesnelheid dan hun conventionele tegenhangers, wat duidt op een gunstigere schade-evolutie. Dit gedrag suggereert dat warm-mix modificatie het mechanisme van interne energiedissipatie tijdens cyclische belasting optimaliseert, waardoor de vermoeidheidsweerstand wordt verbeterd. De procentuele veranderingen in de schade-snelheidscoëfficiënten werden berekend op basis van de gefitte S-VECD-parameters vermeld in Tabel 3, waarbij het ongemodificeerde bindmiddel als referentieconditie diende.

Figuur 2: Vermoeidheidsbestendigheidskenmerken van verschillende asfaltbindermengsels. (A) Asfalt A; (B) Asfalt B; (C) Asfalt C. AO, BO en CO vertegenwoordigen de oorspronkelijke asfaltmonsters, terwijl AP, BP en CP de overeenkomstige warmmengasfaltmonsters aanduiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Een gedetailleerd onderzoek van de schade-evolutieprofielen onthult uitgesproken binder-afhankelijke verschillen. Warm-mix gemodificeerd Asfalt A vertoont een superieure vermoeidheidsweerstand ten opzichte van de ongemodificeerde binder, wat blijkt uit de gunstigere positionering van de schade-evolutiecurve. Dit resultaat bevestigt dat het warm-mix additief de duurzaamheid van Asfalt A onder herhaalde belasting effectief verbetert. In tegenstelling hiermee vertoont Asfalt B een verwaarloosbare reactie op warm-mix modificatie, waarbij zowel gemodificeerde als ongemodificeerde binders nagenoeg identieke trajecten van schade-progressie volgen. Voor Asfalt C wordt een drempelafhankelijke verbetering waargenomen: de warm-mix gemodificeerde binder presteert alleen beter dan het basisasfalt wanneer de schadevariabele 100 eenheden overschrijdt, wat aangeeft dat de effectiviteit van het additief primair wordt geactiveerd in gevorderde stadia van schade.

Kwantitatieve vergelijkingen van de vermoeiingsduur afgeleid van de LAS-test worden gepresenteerd in Figuur 3. De waargenomen variaties in vermoeidingsprestaties benadrukken verder de materialspecifieke aard van de interactie tussen warmmix-additief en bindmiddel, waarvan de effectiviteit sterk wordt bepaald door de intrinsieke samenstellingskenmerken van het basisasfalt. Van de onderzochte materialen vertoont Qinhuangdao PetroChina-asfalt de hoogste vermoeidingsweerstand, wat wijst op inherente voordelen verbonden met de samenstelling van de basisgrondstof. Omgekeerd vertoont Karamay-asfalt de meest uitgesproken verbetering na warmmix-modificatie, wat de cruciale rol van de eigenschappen van het basisasfalt onderstreept bij het bepalen van het potentieel voor prestatieverbetering door warmmix-additieven.

Figuur 3. Vergelijking van de vermoeiingsduur tussen warm mengasfalt (HMA) en lauwwarm mengasfalt (WMA) voor de drie asfaltbinders.De vermoeiingsduur verschilt slechts geringweg tussen WMA en HMA voor alle drie de bindertypes. Asfalt C vertoont de hoogste vermoeiingsduur, gevolgd door Asfalt A en Asfalt B. Over het algemeen geven de resultaten aan dat een lauwwarm-modificatie slechts een bescheiden effect heeft op de vermoeiingsduur, waarbij de omvang en richting van de verandering afhankelijk zijn van het bindertype. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Hoewel warm-mix modificatie over het algemeen de vermoeidheidsweerstand verbeterde, was de mate van verbetering voor sommige bindmiddelen relatief bescheiden. Dit gedrag kan worden toegeschreven aan het mechanisme van Evotherm M1, dat voornamelijk de productietemperatuur verlaagt en kortstondige oxidatieve veroudering beperkt, in plaats van de structuur van het bindmiddel chemisch te versterken. Daarom wordt verwacht dat de verbetering van de vermoeidheidsweerstand matig is en sterk afhankelijk is van de intrinsieke eigenschappen van het basisasfalt. De consistentie tussen herhaalde metingen geeft aan dat de waargenomen trends reproduceerbaar zijn, ondanks de beperkte omvang van de verbetering. Om het waargenomen, bindmiddelafhankelijke vermoeidingsgedrag vanuit een chemisch perspectief verder te interpreteren, is de invloed van de samenstelling van de ruwe olie op de S-VECD-parameters en de vermoeidheidsweerstand geanalyseerd. De drie bindmiddelen vertonen kenmerkende samenstellingskenmerken: hogere ratio's van aromaten ten opzichte van verzadigde koolwaterstoffen zijn over het algemeen geassocieerd met een verbeterde spanningsherverdeling en een vertraagde schadeaccumulatie, terwijl systemen met een hoger asfalteengehalte de stijfheidsgroei hebben neiging te versnellen en de vermoeidheidsweerstand te verminderen.

In deze studie vertoont asfalt op basis van Karamay een relatief hoger aromatisch fractiegehalte en een lager verzadigd gehalte, wat overeenkomt met lagere schade-evolutiesnelheden (verlaagde C₁-waarden) en een verbeterde vermoeiingsduur in zowel LAS- als mengsel-schaaltesten. In tegenstelling hiermee vertoont het binder-materiaal afgeleid van PetroChina een meer gebalanceerd, maar relatief hoger verzadigd aandeel, wat leidt tot een intermediair S-VECD schade-accumulatiegedrag. Asfalt afgeleid van CNOOC, met hogere polariteitsgerelateerde fracties afgeleid van de kenmerken van de ruwe olieherkomst, vertoont een snellere stijfheidsgroei onder cyclische belasting, wat wordt weerspiegeld in hogere C₁-waarden en een verminderde vermoeiingsduur. Deze resultaten suggereren dat de balans tussen aromaten en verzadigde stoffen de visco-elastische energiedissipatiepaden en de microstructurele schade-evolutie beheerst, waardoor de S-VECD-parameters en de vermoeiingsweerstand direct worden beïnvloed. Over het algemeen moeten de huidige resultaten worden beschouwd als een mechanistisch gefundeerd maar begrensd kader, in plaats van een volledig universeel voorspellend model voor alle asfaltsystemen.

Vermoeidheidsweerstand op mengselniveau
De vermoeidheidsweerstand van asfaltmengsels waarin verschillende warm-mix asfalt (WMA) technologieën zijn verwerkt, werd systematisch geëvalueerd, en de bijbehorende resultaten van de vermoeidheidstesten zijn samengevat in Tabel 4. Deze gegevens kwantificeren het uithoudingsvermogen van asfaltmengsels onder cyclische belasting en tonen duidelijke verschillen in vermoeidheidsduur tussen de onderzochte WMA-formuleringen. De waargenomen variabiliteit geeft aan dat de vermoeidheidsprestaties op mengselniveau sterk afhankelijk zijn van de materiaalsamenstelling en de warm-mix technologie.

Asfalttype	Monster-ID	Porosite (%)	Rekniveau (με)	Vermoeiingsduur (cycli)
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

Tabel 4: Vermoeidheidstestresultaten van asfaltmengsels met verschillende WMA. Tabel 4 vat de resultaten van de vermoeidheidstesten van asfaltmengsels met verschillende warmmengtechnologieën samen, inclusief de vermoeidheidsduur en gerelateerde prestatieparameters onder diverse testcondities. De resultaten tonen de verschillen in vermoeidheidsweerstand tussen de warmmengasfaltmengsels aan en bieden een basis voor de evaluatie van hun vermoeidheidsprestaties.

De vermoeidheidsprestaties van bitumineuze composieten worden wiskundig gemodelleerd via Vergelijking (9), die de cyclische spanningsdegradatie in wegverhardingsmaterialen kwantificeert. Deze relatie formaliseert de vermoeidheidsrespons van asfaltformuleringen onder herhaalde belastingsomstandigheden en dient als computationeel kader voor duurzaamheidsanalyse:

(9)

In de formule: N_f——vermoeiingsduur van asfaltmengsel;
ε——rek;
k, n——coëfficiënt.

Op basis van Vergelijking (9) werd voor elk asfaltmengsel een regressieanalyse uitgevoerd om de overeenkomstige parameters van het vermoeidheidsmodel te kalibreren. De resulterende coëfficiënten k en n bieden een kwantitatieve weergave van de mengselspecifieke vermoeidheidsdegradatiekenmerken en maken een directe vergelijking van de vermoeidheidsprestaties tussen verschillende WMA-formuleringen mogelijk. De gekalibreerde parameters van de vermoeidheidsvergelijking zijn samengevat in Tabel 5.

Typen asfalt	Vermoeiingsvergelijking	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

Tabel 5: Vermoeidingsvergelijkingparameters van asfaltmengsels met verschillende WMA. Tabel 5 vat de vermoeidingsvergelijkingparameters samen van asfaltmengsels met verschillende warmmengtechnologieën, inclusief de regressiecoëfficiënten en modelparameters die worden gebruikt om de relatie tussen de vermoeidheidsduur en de belastingsomstandigheden te beschrijven. Deze parameters bieden een kwantitatieve basis voor het voorspellen van de vermoeidingsprestaties en het vergelijken van de vermoeidingsweerstand van verschillende warmgemengde asfaltmengsels.

Figuur 4 presenteert de relaties tussen vermoeidheidslevensduur en rek voor asfaltmengsels met verschillende WMA-typen, gebaseerd op de gefitte vermoeidheidsmodellen. Zoals verwacht neemt de vermoeidheidslevensduur van alle mengsels systematisch af bij een toenemende rekamplitude, wat consistent is met het klassieke vermoeidheidsgedrag van bitumencomposieten. Vergelijkende analyse van de vermoeidheidscurves onthult een duidelijke hiërarchie in de vermoeidheidsweerstand van de mengsels, waarbij de algemene prestatierangorde is vastgesteld als Materiaal C > Materiaal A > Materiaal B. Deze rangschikking weerspiegelt het relatieve vermogen van elk mengsel om herhaalde belastingscycli te doorstaan vóór falen en is consistent met de regressieparameters die zijn samengevat in Tabel 5.

Figuur 4: Vermoeidingspatronen van asfaltmengsels met verschillende warmmengtypen. Zoals in Figuur 4 wordt getoond, nam de vermoeiingsduur van alle asfaltmengsels af naarmate het rekgehalte toenam. Van de drie warmgemengde asfaltmengsels vertoonde mengsel C de hoogste vermoeidingsweerstand, gevolgd door mengsels A en B. De significant hogere vermoeiingsduur van mengsel C geeft aan dat deze warmmengtechnologie de weerstand van asfaltmengsels tegen accumulatie van vermoeidingsschade effectief verbetert. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Onder equivalente omstandigheden van luchtleegte biedt WMA-technologie aanzienlijke voordelen voor de vermoeidheidsprestaties door de productie- en verdichtingstemperaturen met ongeveer 20–30 °C te verlagen. Deze temperatuurreductie vermindert de kortstondige oxidatieve veroudering van asfaltbindmiddelen, wat een primaire drijver is van langdurige brosheid. Door de visco-elasticiteit en het spanningsdissiperend vermogen van het bindmiddel te behouden, onderdrukt WMA de initiatie en voortplanting van microscheuren onder cyclische belasting. Bijgevolgd wordt de cumulatieve vermoeidheidsschade verminderd, wat resulteert in een verlengde vermoeidheidsduur van het mengsel en een verbeterde duurzaamheid van het wegdek. Deze voordelen zijn cruciaal voor het verlengen van de levensduur, het verminderen van onderhoudseisen en het mogelijk maken van de ontwikkeling van een duurzamere en kosteneffectievere weg infrastructuur. Om de consistentie tussen het vermoeidheidsgedrag op bindmiddelniveau en op mengselniveau te onderzoeken, werden de correlaties tussen de vermoeidheidsfactor van het bindmiddel G*sin δ en de vermoeidheidsduur van het mengsel N_f geanalyseerd, zoals getoond in Figuur 5. Voor alle bindmiddelen is een statistisch significante relatie waargenomen, wat aangeeft dat de rheologische eigenschappen van het bindmiddel een meetbare invloed hebben op de vermoeidheidsprestaties van het mengsel. Opvallend is dat Bindmiddel B een uitzonderlijk sterke correlatie vertoont (R² = 0,99, p < 0,001), wat suggereert dat G*sin δ dient als een betrouwbare voorspeller van de vermoeidheidsduur van het mengsel voor dit materiaal. In contrast vertonen Bindmiddelen A en C relatief zwakkere correlaties (R² = 0,6051 en 0,7933), wat impliceert dat de rheologie van het bindmiddel alleen het vermoeidheidsgedrag van het mengsel voor deze systemen niet volledig kan vatten.

Figuur 5: Correlatie tussen de vermoeiingsfactor van asfalt G*sin δ en de vermoeiingslevensduur van het mengsel N_f. (A) Asfalt A; (B) Asfalt B; (C) Asfalt C. Figuur 5 laat zien dat G∗sinδ een positieve correlatie vertoont met de vermoeiingslevensduur van het mengsel, waarbij asfalt B de hoogste consistentie vertoont, gevolgd door asfalt C en A. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Verdere validatie over verschillende schalen werd uitgevoerd door de evolutieparameters van bindermiddelbeschadiging, verkregen uit LAS-testen en geïnterpreteerd met behulp van het Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) framework, te correleren met de vermoeiingsduur van het mengsel. Zoals geïllustreerd in Figuur 6, worden sterke lineaire correlaties waargenomen tussen de progressieve degradatie van het bindermiddel en de vermoeiingsprestaties van het mengsel. Voor alle drie de bindermiddelen overschrijden de correlatiecoëfficiënten 0,9, wat wijst op een robuuste en consistente koppeling tussen de beschadigingskenmerken op bindermiddelniveau en de vermoeiingsweerstand op mengselschaal.

Figuur 6: Correlatie tussen vermoeidheidsschade van asfalt en de vermoeidheidsduur N_f van het mengsel. (A) Asfalt A; (B) Asfalt B; (C) Asfalt C. Zoals getoond in Figuur 6 vertoonde de vermoeidheidsschade van asfalt een sterke positieve correlatie met de vermoeidheidsduur Nf van asfaltmengsels. Er werden hoge determinatiecoëfficiënten verkregen voor asfalt A, B en C, wat aangeeft dat vermoeidheidsschadeparameters de vermoeidheidsprestaties van asfaltmengsels effectief kunnen karakteriseren. In vergelijking met de conventionele bindmiddelvermoeidheidsfactor G∗sinδ biedt vermoeidheidsschade een directere weergave van het vermoeidheidsdegradatiegedrag van asfaltmengsels. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Over het algemeen bevestigen de vermoegingsresultaten op mengselniveau dat de vermoeigingsprestaties gezamenlijk worden bepaald door de samenstelling van het mengsel, de warm-mix technologie en de kenmerken van het bindmiddel. Hoewel conventionele rheologische indicatoren een beperkte voorspellende waarde hebben voor bepaalde bindmiddelen, vertonen beschadigingsmetrieken op basis van LAS–S-VECD sterke en consistente correlaties met de vermoeigingsduur van het mengsel. Deze bevindingen valideren de karakterisering van beschadigingen op bindmiddelniveau als een effectief surrogaat voor het evalueren van de duurzaamheid van mengsels en bieden een mechanische basis voor prestatiegerichte wegontwerpmodellen. De duidelijk verschillende reacties van de drie asfaltbindmiddelen op warm-mix modificatie kunnen fundamenteel worden toegeschreven aan variaties in hun chemische samenstelling afgeleid van ruwe olie en de resulterende colloïdale structuren. Asfaltbindmiddelen worden doorgaans beschouwd als colloïdale systemen bestaande uit asfaltenen die gedispergeerd zijn in een malteenfase bestaande uit aromaten, harsen en verzadigde koolwaterstoffen. De balans tussen deze fracties bepaalt de gevoeligheid van het bindmiddel voor externe modifiers, zoals warm-mix additieven. Voor Karamay-asfalt (Bindmiddel A) leiden het relatief hoge harsgehalte en de lage paraffinefractie tot een meer gedispergeerd asfalteennetwerk met een zwakkere interne structurele stabiliteit. In dit systeem verandert de introductie van het warm-mix additief de viscositeit en moleculaire mobiliteit aanzienlijk, wat resulteert in een verhoogde energiedissipatie en hogere G*sin δ waarden. Dit geeft aan dat het additief de interne fase-interactie actief modificeert, waardoor het bindmiddel vatbaarder wordt voor cyclische vervorming en daarmee de ophoping van vermoeigingsschade op bindmiddelniveau versnelt.

In tegenstelling hiertoe vertoont het door CNOOC geproduceerde asfalt (Binder B) een meer gebalanceerde naftenische samenstelling met een stabiele colloïdale structuur. Het asfalteen-hars-evenwicht in dit bindmiddel zorgt voor een relatief robuust intern netwerk, wat de penetratie en structurele invloed van de warmmix-additief beperkt. Als gevolg hiervan worden minimale veranderingen in het rheologische gedrag en de schade-evolutie waargenomen, wat aangeeft dat het effect van het additief grotendeels wordt beperkt door de intrinsieke stabiliteit van de microstructuur van het bindmiddel. Voor het door PetroChina geproduceerde asfalt (Binder C) leiden de hogere polariteitsgerelateerde fracties en de toegenomen complexiteit van de asfaltenen tot een stijvere en aggregatiegevoelige microstructuur. In dit geval lijkt het warmmix-additief een drempelafhankelijk activatiegedrag te vertonen, waarbij de invloed ervan pas prominenter wordt na aanzienlijke schadeaccumulatie. Dit suggereert dat het additief niet sterk interacteert met de initiële colloïdale structuur, maar in plaats daarvan het schade-evolutieproces in een later stadium beïnvloedt door de paden van spanningsherverdeling te modificeren.

Over het algemeen tonen deze resultaten aan dat de effectiviteit van warm-mix modificatie niet universeel is, maar sterk wordt bepaald door de intrinsieke colloïdale stabiliteit en chemische samenstelling van het basisasfalt. De waargenomen verschillen in de evolutie van de S-VECD schade en de vermoeidheidsprestaties van het mengsel kunnen daarom direct worden gekoppeld aan de microstructurele heterogeniteit van de drie bindmiddelen, wat een mechanistische verklaring biedt voor het oliebronafhankelijke gedrag dat is waargenomen in zowel de rheologische als de vermoeidheidstesten.

DATABESCHIKBAARHEID:
Alle gegevens, modellen en code die tijdens de studie zijn gegenereerd of gebruikt, zijn beschikbaar in de aanvullende map genaamd “Raw data”.

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 indicatoren zoals G*·sin δ, maakt het voorgestelde kader gebruik van schadegerelateerde parameters afgeleid van continuum-schademechanica om het intrinsieke degradatiegedrag van asfaltbindmiddelen onder cyclische belasting te karakteriseren. Door de herkomst van de ruwe olie van het asfalt als beïnvloedende factor op te nemen, demonstreert deze studie verder dat de effectiviteit van warm-mix modificatie niet universeel is, maar sterk afhangt van de chemische samenstelling en de colloïdale structuur van het basisbindmiddel. Deze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de interactie tussen de bron van de ruwe olie, warm-mix additieven, verouderingsgevoeligheid en vermoeidheidsweerstand, waardoor een meer mechanistisch onderbouwde benadering voor de evaluatie van asfaltmaterialen wordt vastgesteld. Eerdere studies hebben het potentieel van LAS–S-VECD analyse voor de karakterisering van bindmiddelvermoeidheid benadrukt; echter, de directe toepasbaarheid voor het voorspellen van vermoeidheidsprestaties op mengselniveau blijft onderwerp van voortdurend onderzoek. Het huidige werk draagt bij aan dit onderzoeksgebied door de cross-scale relatie tussen de evolutie van schade aan het bindmiddel en het vermoeidheidsgedrag van het mengsel te valideren over meerdere bindmiddelsystemen.

Het voorgestelde raamwerk bevordert het wetenschappelijke begrip van vermoeidheidsmechanismen in asfalt door de kloof te overbruggen tussen reologische karakterisering op bindermaat en structurele prestaties op mengselmaat. Traditionele methoden voor binder-evaluatie bieden vaak beperkte informatie over de progressieve accumulatie van vermoeidheidsschade, aangezien parameters zoals de complexe modulus en de fasiehoek primair de onmiddellijke visco-elastische respons beschrijven in plaats van de schade-evolutie. In tegenstelling hiermee beschouwt de S-VECD-benadering asfaltbinders als continu degraderende visco-elastische materialen en biedt deze kwantitatieve beschrijvers van het verlies aan structurele integriteit tijdens vermoeidheidsbelasting. De sterke correlaties die in deze studie zijn gevonden tussen LAS–S-VECD-parameters en de vermoeidheidsduur van het mengsel, wijzen erop dat schade-evolutie op binderniveau zinvolle informatie kan verschaffen over de initiatiefase van scheurvorming in het mengsel. Gelijkaardige bevindingen suggereren dat mechanistische parameters gebaseerd op schade een verbeterde voorspellende capaciteit kunnen bieden in vergelijking met conventionele reologische indices. Daarom breidt deze studie het huidige onderzoek naar asfaltvermoeidheid uit door experimenteel bewijs te leveren dat schademechanica op binderniveau kan dienen als brug naar prestatiegericht ontwerp van wegverhardingsmaterialen.

Ondanks de veelbelovende resultaten moeten enkele beperkingen worden erkend. Ten eerste is het huidige onderzoek uitgevoerd met drie asfaltbindmiddelen afgeleid van specifieke ruwe oliebronnen en één aggregaatgradatie; daarom vereist de universaliteit van de voorgestelde relatie verdere validatie met een breder scala aan bindmiddelen, modificatietechnologieën en mengselontwerpen. Hoewel de geselecteerde bindmiddelen representatief zijn voor typische wegverhardingsmaterialen die in de praktijk worden gebruikt, vertonen asfaltmaterialen aanzienlijke variabiliteit door verschillen in de oorsprong van de ruwe olie, het raffinageproces en de chemische samenstelling. Ten tweede werden de vermoeidheidstesten in het laboratorium uitgevoerd onder gecontroleerde temperatuur- en belastingsomstandigheden, terwijl werkelijke wegconstructies worden blootgesteld aan complexe omgevingsfactoren, waaronder temperatuurschommelingen, vochtinfiltratie, variabiliteit in verkeersbelasting en langdurige veroudering. Ten derde, hoewel de LAS–S-VECD-parameters sterke correlaties vertoonden met de vermoeidheidsprestaties van het mengsel, is de huidige dataset onvoldoende om een universeel voorspellend model vast te stellen dat toepasbaar is op alle aslfaitsystemen. Toekomstige studies zouden daarom grotere databases en veldobservaties van de prestaties moeten integreren om de robuustheid en overdraagbaarheid van de voorgestelde aanpak verder te verbeteren.

Alternatieve benaderingen kunnen ook worden overwogen om de relatie tussen de evolutie van bindermiddelbeschadiging en de vermoeidheidsprestaties van het mengsel verder te onderzoeken. Zo zouden geavanceerde chemische karakteriseringstechnieken, waaronder Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR), nucleaire magnetische resonantie (NMR) en moleculaire dynamicasimulatie, aanvullende inzichten kunnen verschaffen in de moleculaire mechanismen die het oliebronafhankelijke vermoeidheidsgedrag bepalen. Eerdere studies hebben aangetoond dat variaties in de moleculaire structuur van asfalt, waaronder asfalteenaggregatie, aromatische distributie en polariteitsgerelateerde interacties, de rheologische respons en de verouderingsgevoeligheid significant beïnvloeden. Daarnaast zouden geavanceerde beeldtechnieken, zoals atoomkrachtmicroscopie (AFM) en röntgengebaseerde karakteriseringsmethoden, kunnen worden ingezet om de microstructurele evolutie tijdens de accumulatie van vermoeidheidsschade direct waar te nemen. De combinatie van deze benaderingen met LAS–S-VECD-analyse kan een uitgebreider begrip bieden van de relatie tussen moleculaire structuur, de mechanica van bindermiddelbeschadiging en de macroscopische prestaties van het wegdek.

De voorgestelde methodologie op basis van LAS–S-VECD heeft belangrijke potentiële toepassingen op verschillende gebieden van de asfaltwegtechniek en materiaalkunde. Vanuit een praktisch perspectief kan dit kader worden gebruikt als een efficiënt screeningsinstrument voor het evalueren van kandidaatbindmiddelen, het selecteren van geschikte warmmengadditieven en het beoordelen van de verouderingsgevoeligheid voordat er tijdrovende vermoeidheidsexperimenten op mengselschaal worden uitgevoerd. In vergelijking met traditionele empirische specificaties biedt de voorgestelde aanpak een mechanische basis voor prestatiegericht wegontwerp door bindmiddelschadekenmerken direct te koppelen aan structurele duurzaamheid. Dit is bijzonder waardevol voor duurzame wegtechnologieën, waarbij de toenemende toepassing van warmmengasfalt, gerecyclede materialen en alternatieve bindmiddelen betrouwbare methoden vereist voor het voorspellen van de prestaties op lange termijn. Bovendien kan de methodologie bijdragen aan de ontwikkeling van datagestuurde systemen voor wegontwerp door fysiek betekenisvolle vermoeidheidsdescriptors te leveren die kunnen worden geïntegreerd in voorspellende modellen en frameworks voor levenscyclusanalyses.

Toekomstig onderzoek zou zich moeten richten op het uitbreiden van de toepasbaarheid van het voorgestelde raamwerk naar meer uitgebreide en veldgeoriënteerde voorspellingen van wegdekprestaties. Toekomstige studies zouden grotere bindermiddeldatabanken moeten omvatten die verschillende ruwe bronnen, polymeermodificeerde bindermiddelen, gerecyclede asfaltmaterialen en opkomende duurzame modificatoren beslaan om meer gegeneraliseerde vermoeidheidsvoorspellingsmodellen te ontwikkelen. Bovendien kan de integratie van LAS–S-VECD-analyse met multiscale karakteriseringsmethoden, kunstmatige intelligentie-benaderingen en simulaties op moleculair niveau het begrip en de voorspellingsnauwkeurigheid van het vermoeidheidsgedrag van asfalt verder verbeteren. Langetermijnmonitoring in het veld en versnelde wegdektesten zouden ook moeten worden geïntegreerd om laboratoriumgebaseerde voorspellingen onder realistische gebruiksomstandigheden te valideren. Uiteindelijk wordt verwacht dat de combinatie van mechanische schademodellering, geavanceerde materiaalkarakterisering en prestatiegerichte ontwerpstrategieën de ontwikkeling van duurzamere, bestendigere en betrouwbaardere asfaltoverlaagsystemen zal faciliteren.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

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