Wieloskalowa charakterystyka uszkodzeń zmęczeniowych w asfaltach na ciepło w oparciu o testy linear amplitude sweep oraz zginania czteropunktowego

Podsumowanie

Niniejsze badanie ustanawia solidne ramy między-skalowe łączące mechanikę uszkodzeń lepiszcza z odpornością mieszanki na zmęczenie, wykazując, że parametry liniowego przeskanowania amplitudy – uproszczonego ciągłego uszkodzenia wiskoelastycznego (LAS–S-VECD) stanowią wiarygodną, ugruntowaną mechanistycznie podstawę do przewidywania i projektowania trwałych systemów na ciepło mieszanych asfaltów.

Streszczenie

Spękania zmęczeniowe są krytycznym czynnikiem determinującym długotrwałą trwałość nawierzchni asfaltowych, podczas gdy zależność międzyskalowa między zachowaniem zmęczeniowym lepiszcza a właściwościami zmęczeniowymi mieszanki pozostaje niewystarczająco poznana w przypadku asfaltów na ciepło (WMA). W niniejszym badaniu systematycznie zbadano charakterystykę zmęczeniową WMA zarówno w skali lepiszcza, jak i mieszanki, aby ustanowić ilościowe korelacje międzyskalowe. Do określenia właściwości reologicznych i ewolucji uszkodzeń lepiszczy asfaltowych pochodzących z różnych rodzajów ropy naftowej wykorzystano testy dynamicznego reometru ścinającego (DSR) oraz testy liniowego wymiatania amplitudy (LAS) interpretowane za pomocą uproszczonego modelu ciągłego uszkadzania wiskoelastycznego (S-VECD). Właściwości zmęczeniowe w skali mieszanki oceniono za pomocą testów zmęczeniowych zginania czteropunktowego z kontrolą odkształcenia. Wyniki wskazują, że starzenie znacznie zwiększa sztywność lepiszcza i przyspiesza degradację zmęczeniową, przy czym czynnik zmęczeniowy G*·sin δ wzrasta o około 150–250% po długotrwałym starzeniu. Skuteczność modyfikacji na ciepło w skali lepiszcza była silnie zależna od rodzaju lepiszcza, co odzwierciedlał spadek współczynnika szybkości uszkadzania o 8–13% dla lepiszczy A i B, ale wzrost o około 11% dla lepiszcza C. Konwencjonalne wskaźniki reologiczne, takie jak sin δ, wykazały ograniczoną i zależną od materiału zdolność do przewidywania trwałości zmęczeniowej mieszanki, podczas gdy parametry uszkodzeń wynikające z LAS–S-VECD wykazywały spójne i silne korelacje z właściwościami zmęczeniowymi w skali mieszanki. Ogólnie rzecz biorąc, badanie to wykazuje, że charakterystyka uszkodzeń lepiszcza oparta na LAS–S-VECD stanowi solidną podstawę do przewidywania odporności zmęczeniowej mieszanki i wspiera jej zastosowanie w projektowaniu mieszanek opartym na parametrach użytkowych dla trwałych i zrównoważonych nawierzchni WMA.

Wprowadzenie

Konwencjonalna budowa nawierzchni asfaltowych opiera się na przetwarzaniu w wysokich temperaturach, zazwyczaj w zakresie od 160 °C do 180 °C, a w przypadku lepiszczy modyfikowanych, takich jak asfalt gumowany i wysokowydajny bitum modyfikowany polimerami, przekraczających 190 °C. W specjalistycznych zastosowaniach, w tym przy nawierzchniach stalowych pomostów mostowych, temperatury układania mieszanki in situ mogą przekraczać 200 °C¹. Te ekstremalne warunki termiczne prowadzą do znacznego zużycia paliw kopalnych i generują istotne emisje do atmosfery, w tym gazy cieplarniane oraz niebezpieczne opary asfaltowe bogate w związki rozpuszczalne w benzenie i rakotwórcze wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (np. benzo[a]piren)^2,3. Poprzednie badania konsekwentnie wykazały, że obniżenie temperatury produkcji i zagęszczania asfaltu może zmniejszyć zużycie paliwa, emisję CO₂ oraz ekspozycję zawodową na opary asfaltowe, choć skala tych korzyści zależy od rodzaju mieszanki, konfiguracji wytwórni, dawki dodatków oraz warunków budowy w terenie. Niedawne badania dodatkowo pogłębiły zrozumienie właściwości asfaltu przy różnych modyfikacjach i warunkach eksploatacyjnych. Wykazano, że wprowadzenie lignosulfonianu wapnia do mieszanek asfaltowych może skutecznie opóźnić starzenie termooksydacyjne poprzez hamowanie reakcji utleniania i stabilizację struktury koloidalnej lepiszczy asfaltowych.

W zakresie zachowania pękanie, badania mieszanek mineralno-asfaltowych na gorąco (HMA) oraz mieszanek mineralno-asfaltowych na ciepło (WMA) w warunkach czystego obciążenia w trybie I (Mode I) i trybie II (Mode II) wykazały, że tryb obciążenia odgrywa kluczową rolę w określaniu odporności na pękanie w niskich temperaturach oraz rozpraszania energii. Szeroko badano również podatność na działanie wilgoci w systemach asfaltowych modyfikowanych gumą, w których materiały z recyklingu gumy poprawiają odporność na uszkodzenia wywołane wilgocią, a optymalna zawartość gumy może zostać określona poprzez połączone podejścia oceny mechanicznej i ekonomicznej. W odniesieniu do właściwości w wysokich temperaturach, zmodyfikowany asfalt strukturalny (SMA) został oceniony za pomocą testów pełzania dynamicznego (Dynamic Creep) oraz urządzenia do badania koleinowania (Hamburg Wheel Tracking Device), co potwierdziło, że modyfikacja mieszanki znacząco zwiększa odporność na koleinowanie. Ponadto badania oparte na zginaniu półkolistym (SCB) mieszanek asfaltowych z dodatkami z recyklingu wykazały wyraźną poprawę odporności na pękanie w trybie I oraz odporności na uszkodzenia spowodowane wilgocią, podkreślając synergiczne działanie materiałów z recyklingu na zmęczenie i trwałość. W konsekwencji rozwój technologii asfaltów niskotemperaturowych stał się kluczową drogą do zrównoważonego budownictwa nawierzchniowego i ekologicznych systemów infrastrukturalnych.

Technologia asfaltu na ciepło (WMA), osiągana poprzez dodatek dodatków chemicznych, wosków organicznych lub techniki spieniania, umożliwia efektywną produkcję mieszanki w temperaturach zazwyczaj między 90 °C a 130 °C, co stanowi obniżenie o 30–50 °C w porównaniu z konwencjonalnym asfaltem na gorąco (HMA)⁴. Poza dobrze udokumentowanymi korzyściami w postaci zmniejszenia zapotrzebowania na energię i emisji zanieczyszczeń, WMA odgrywa kluczową rolę w łagodzeniu starzenia termooksydacyjnego lepiszczy asfaltowych podczas produkcji i układania. Starzenie asfaltu jest sterowane przez zależną od temperatury kinetykę chemiczną, przy czym szybkość utleniania wzrasta w przybliżeniu dwukrotnie przy każdym wzroście temperatury o 10 °C^5,6. Podwyższone temperatury przyspieszają reakcje odparowania, utleniania i polimeryzacji, stopniowo przekształcając malteny w sztywne asfalteny, co zwiększa sztywność lepiszcza przy jednoczesnym zmniejszeniu ciągliwości⁷. Poprzez obniżenie temperatur produkcji, WMA hamuje te szkodliwe reakcje, zachowując wiskoelastyczność lepiszcza i potencjalnie zwiększając długoterminową odporność na zmęczenie⁸.

Mimo że zalety WMA w zakresie ochrony środowiska i łatwości wykonawstwa były szeroko opisywane, systematyczne badania nad jego odpornością zmęczeniową w warunkach starzenia pozostają stosunkowo ograniczone. W szczególności lepiszcze asfaltowe pochodzące z różnych źródeł ropy naftowej — takich jak surowce z Karamay, offshore CNOOC oraz CNPC — wykazują wyraźne różnice w składzie chemicznym, w tym w zawartości asfaltenów, rozkładzie żywic, frakcjach aromatycznych i poziomach nasyconych⁹. Różnice składnikowe te są powszechnie uznawane za fundamentalne determinanty zachowania reologicznego, podatności na starzenie oraz trwałości zmęczeniowej¹⁰. Niemniej jednak w istniejących badaniach zmęczeniowych rzadko rozróżnia się lepiszcza ze względu na pochodzenie ropy naftowej, co prowadzi do niepełnego zrozumienia tego, jak chemia zależna od źródła wpływa na właściwości zmęczeniowe, zwłaszcza w warunkach skumulowanego starzenia reprezentatywnego dla warunków eksploatacyjnych^11,12. Z perspektywy inżynieryjnej, wiarygodna metoda oceny zmęczeniowej na poziomie lepiszcza byłaby szczególnie użyteczna do wstępnego przesiewania materiałów, wyboru dodatków do mieszanek na ciepło, oceny wrażliwości na starzenie oraz kontroli jakości przed weryfikacją na poziomie mieszanki. Niemniej jednak LAS–S-VECD nie powinno być traktowane jako pełny zamiennik badań zmęczeniowych mieszanek, ponieważ gradacja kruszywa, pustki powietrzne, oddziaływanie lepiszcze–kruszywo, jakość zagęszczenia oraz starzenie w warunkach polowych mogą również determinować odporność zmęczeniową nawierzchni. Ponadto związek między wskaźnikami zmęczeniowymi na poziomie lepiszcza a zachowaniem zmęczeniowym na poziomie mieszanki nie został jednoznacznie ustalony dla różnych źródeł asfaltu¹³. Chociaż testy reologiczne, takie jak Linear Amplitude Sweep (LAS), okazały się obiecujące w charakteryzowaniu uszkodzeń zmęczeniowych lepiszcza, ich wiarygodność prognostyczna w odniesieniu do trwałości zmęczeniowej mieszanek — szczególnie dla lepiszczy o odmiennym pochodzeniu chemicznym — pozostaje niewystarczająco zwalidowana¹⁴. Ten brak spójności ogranicza dokładność laboratoryjnych prognoz wydajności i utrudnia racjonalny dobór materiałów w praktyce inżynieryjnej¹⁵.

Aby uzupełnić te krytyczne luki, w niniejszym badaniu przeprowadzono kompleksową, wielkoskalową analizę zachowania zmęczeniowego lepiszczy asfaltowych modyfikowanych technologią ciepłych mieszanek, pochodzących z trzech różnych źródeł ropy naftowej¹⁶. Poprzez zintegrowanie analizy za pomocą dynamicznego reometru ścinającego (DSR), testów Linear Amplitude Sweep (LAS) w ramach uproszczonego modelu ciągłego uszkodzenia wiskoelastycznego (S-VECD) oraz wielkoskalowych prób zmęczeniowych zginania czteropunktowego mieszanki, w pracy tej systematycznie oceniono wpływ pochodzenia ropy naftowej, modyfikacji ciepłą mieszanką oraz starzenia na odporność zmęczeniową^17,18,19. Wyniki mają na celu ustanowienie trwałych korelacji między różnymi skalami w zakresie reologii lepiszcza a właściwościami mieszanki, zapewniając mechaniczną podstawę do prognozowania trwałości zmęczeniowej oraz oferując praktyczne wskazówki dotyczące projektowania i wyboru zrównoważonych materiałów asfaltowych.

Niniejsze badanie przedstawia wielkoskalowe ramy charakterystyki zmęczeniowej ciepłych mieszanek mineralno-asfaltowych poprzez integrację analizy LAS–S-VECD na poziomie lepiszcza z testami zmęczeniowymi zginania czteropunktowego na poziomie mieszanki. W porównaniu z poprzednimi badaniami, które koncentrowały się głównie albo na reologicznej ocenie lepiszcza, albo na izolowanej ocenie parametrów mieszanki, niniejsza praca ustanawia bezpośredni związek mechanistyczny między chemią lepiszcza zależną od rodzaju ropy naftowej, modyfikacją w technologii ciepłych mieszanek a zachowaniem zmęczeniowym mieszanki w warunkach starzenia. Nowatorstwo tego badania opiera się na trzech aspektach: (i) wyraźnym uwzględnieniu pochodzenia ropy naftowej jako zmiennej sterującej odpornością zmęczeniową; (ii) systematycznej korelacji wielkoskalowej między ewolucją uszkodzeń w analizie LAS–S-VECD a trwałością zmęczeniową mieszanki; oraz (iii) ujednoliconej ocenie efektów modyfikacji ciepłych mieszanek w skalach lepiszcza i mieszanki. Wyniki wykazują, że parametry uszkodzeń wyprowadzone z LAS–S-VECD stanowią wiarygodne predyktory parametrów zmęczeniowych mieszanki, oferując alternatywę lepiej uzasadnioną mechanistycznie niż konwencjonalne wskaźniki reologiczne. Odkrycia te stanowią naukową podstawę do zorientowanej na właściwości oceny i projektowania zrównoważonych systemów ciepłych mieszanek mineralno-asfaltowych.

Protokół

Materiały
Trzy lepiszcza asfaltowe wybrane w niniejszym badaniu, zestawione w Tabeli 1, są reprezentatywnymi lepiszczami nawierzchniowymi pochodzącymi z różnych źródeł ropy naftowej i są szeroko stosowane w praktycznym budownictwie drogowym w Chinach. Asfalt z Karamay, asfalt CNOOC 36-1 oraz asfalt z PetroChina znacznie różnią się pochodzeniem ropy, składem chemicznym, podatnością na starzenie oraz charakterystyką reologiczną, co stanowi odpowiednią podstawę materiałową do badania zachowania zmęczeniowego zależnego od źródła ropy. Ich wybór umożliwia porównawczą ocenę wpływu wewnętrznego składu lepiszcza na skuteczność modyfikacji na ciepło oraz zmęczeniową wytrzymałość mieszanki w skali makro, co zwiększa znaczenie inżynieryjne proponowanego wieloskalowego schematu charakteryzacji zmęczeniowej. Szczegółowe pochodzenie geologiczne i charakterystyka chemiczna każdego lepiszcza przedstawiają się następująco:

Spoiwo A: Pochodzi z surowca ciężkiej ropy naftowej z 9. strefy, wytwarzane w procesie mieszania pozostałości próżniowej i asfaltu odtłuszczonego. Jego materiał bazowy wykazuje charakterystyczne właściwości, w tym niską zawartość parafiny (<2%), minimalne stężenie siarki oraz wysoką zawartość żywic. Warto zauważyć, że asfalt z Karamay jest jedynym spoiwem nawierzchniowym o gęstości poniżej 1 g/cm³ stosowanym w obecnych aplikacjach inżynieryjnych, a dodatkowo charakteryzuje się wysoką lepkością dynamiczną i doskonałym utrzymaniem plastyczności po starzeniu. Cechy te sprawiają, że jest on szczególnie odpowiedni dla regionów narażonych na duże dobowe wahania temperatury oraz intensywne promieniowanie ultrafioletowe.

Spoiwo B: Pochodzi z rzadkiej ciężkiej ropy naftowej wydobywanej z morskiego złoża Suizhong 36-1, z wysoką wydajnością bitumu wynoszącą 56% po rafinacji. Surowiec ten klasyfikowany jest jako ciężka ropa naftowa o bazie naftenowej, z niedoborem siarki i wysoką liczbą kwasową, co skutkuje przetworzonym spoiwem o wysokiej gęstości (1,012 g/cm³), niskiej zawartości parafiny (1,8%) i podwyższonym udziale żywic. Takie właściwości nadają spoiwu doskonałą elastyczność w niskich temperaturach, co czyni je korzystnym do zastosowań w środowiskach zimnych.

Spoiwo C: Sformułowane głównie z ciężkiej ropy naftowej Boscan z Wenezueli jako surowca bazowego, z uzyskaniem wydajności produkcji na poziomie 60% dzięki specjalistycznym procesom rafinacji. Ropa ta wykazuje unikalne cechy geochemiczne, w tym wysoką zawartość kwasów, znaczne stężenia metali ciężkich oraz wysoki potencjał tworzenia pozostałości węglowej. Spoiwo wykazuje nietypowy skład węglowodorowy, charakteryzujący się niskimi frakcjami węglowodorów nasyconych, wzbogaconymi kompleksami żywicno-asfaltenowymi oraz niezwykle niską zawartością parafin (1,3%).

W niniejszym badaniu trzy podstawowe lepiszcze asfaltowe oznaczono jako AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) oraz CO (PetroChina). Odpowiadające im lepiszcze WMA przygotowano poprzez dodanie dodatku Evotherm M1, kodując je odpowiednio jako AP, BP i CP²⁰. Kompleksowe wskaźniki parametrów, w tym penetracja, temperatura mięknienia i ciągliwość, zostały przebadane zgodnie ze specyfikacjami JTG E20-2011²¹, a szczegółowe dane porównawcze przedstawiono w Tabeli 1. Wszystkie procedury eksperymentalne były ściśle zgodne ze znormalizowanymi protokołami opisanymi w specyfikacjach technicznych dla asfaltów i mieszanek bitumicznych w budownictwie drogowym.

Projekt	Jednostka	Karamay	CNOOC	CNPC
Penetracja	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
Lepkość dynamiczna (60 °C)	Pa·s	223.5	230	256.9
Duktylność (10 °C, 5 cm/min)	cm	>100	>100	52
Zawartość wosku	%	1.9	1.8	1.3
Temperatura zapłonu (COC)	℃	278	287	312
Rozpuszczalność	%	99.5	99.7	99.8
Gęstość (15 °C)	g/cm³	0.977	1.012	1.049
RTFOT	Zmiana jakości (%)	0.05	0.06	-0.07
	Wskaźnik pozostałej penetracji (%)	66.2	67.4	64.8
	Pozostała duktylność (10 °C, cm)	13	12	9

Tabela 1: Kluczowe parametry techniczne lepiszcz bitumicznych. Tabela 1 podsumowuje kluczowe parametry techniczne lepiszcz bitumicznych, w tym właściwości fizyczne, podatność temperaturową, charakterystykę reologiczną oraz odporność na starzenie krótkotrwałe, w celu oceny ich podstawowych właściwości i trwałości.

Proces przygotowania WMA obejmował ściśle kontrolowany, wieloetapowy protokół zaprojektowany w celu zapewnienia powtarzalności modyfikacji lepiszcza. Bazowe lepiszcze asfaltowe zostało najpierw podgrzane w piecu z wymuszonym obiegiem powietrza w temperaturze 135 ± 2 °C przez 60 min w celu osiągnięcia stabilnego stanu stopionego, a następnie poddano je 30-minutowej ekwilibracji w celu wyeliminowania gradientów termicznych. Wszystkie procesy grzania przeprowadzano w szczelnych pojemnikach z osłoną azotową (przepływ: 0,5 L/min), aby zminimalizować starzenie oksydacyjne podczas kondycjonowania temperaturowego.

Następnie dodano dodatek Evotherm M1 w temperaturze 135 ± 2 °C przy ciągłym mieszaniu mechanicznym z prędkością 300 rpm przez 5 min przed przetwarzaniem wysokoprężnym, aby zapewnić wstępną dyspersję fazy surfaktanta. Następnie przeprowadzono mieszanie wysokoprężne za pomocą homogenizatora rotor-stator z prędkością 3000 rpm przez 25 min, utrzymując temperaturę lepiszcza w zakresie 135–140 °C za pomocą zewnętrznego systemu kontroli temperatury kąpieli olejowej (dokładność ±1 °C). W trakcie całego procesu mieszania temperaturę stale monitorowano za pomocą skalibrowanego termoparu typu K umieszczonego w matrycy lepiszcza, a wahania przekraczające ±2 °C uruchamiały automatyczną regulację grzania. Zmodyfikowane lepiszcze poddano następnie kontrolowanemu chłodzeniu do 25 °C z szybkością 5 °C/min przed kolejnymi badaniami lub krótkotrwałym przechowywaniem. Projekt protokołu ścinania oparto na zależności lepkości od temperatury lepiszcz asfaltowych, zapewniając przygotowanie wszystkich próbek w porównywalnych warunkach historii ścinania. Ta ścisła kontrola termiczno-mechaniczna gwarantuje wysoką powtarzalność i minimalizuje zmienność w przygotowaniu lepiszcza WMA.

Badania za pomocą dynamicznego reometru ścinania (DSR)
W celu charakterystyki odpowiedzi reologicznej i właściwości związanych ze zmęczeniem lepiszczy asfaltowych modyfikowanych dodatkami do mieszanek na ciepło, przeprowadzono badania za pomocą dynamicznego reometru ścinania (DSR), wykorzystując rotacyjny reometr z kontrolą temperatury zgodnie z normą ASTM D7175²². Ocena reologiczna koncentrowała się na zachowaniu zmęczeniowym w temperaturach pośrednich, które jest ściśle powiązane z inicjacją i propagacją pęknięć w nawierzchniach asfaltowych.

Wskaźnik zmęczeniowy G*sin δ²³, powszechnie uznawany za miernik podatności na zmęczenie na poziomie lepiszcza, został przyjęty w celu ilościowego określenia zmian w zachowaniu dyssypacji wiskoelastycznej wywołanych modyfikacją mieszanką ciepłą oraz procesem starzenia. Testy przesiewania temperaturowego przeprowadzono w zakresie 58–82 °C, z przyrostami temperatury co 6 °C. W każdej docelowej temperaturze próbki pozostawiono do wyrównania termicznego przez 10 min przed rozpoczęciem akwizycji danych, aby zapewnić stabilność cieplną. Aby zbadać wpływ starzenia na właściwości reologiczne, próbki lepiszcza poddano trzem warunkom starzenia: bez starzenia, starzeniu w rotacyjnym urządzeniu do cienkich filmów olejowych (RTFOT) oraz połączonemu starzeniu RTFOT i w naczyniu do starzenia pod ciśnieniem (PAV) ²⁴. Protokoły starzenia te zostały opracowane w celu symulacji starzenia krótkoterminowego podczas produkcji i układania, a także starzenia długoterminowego podczas eksploatacji nawierzchni. Analizowano ewolucję G*sin δ w zależności od temperatury i warunków starzenia, aby ocenić odporność na zmęczenie różnych lepiszczy.

Przed każdym badaniem DSR próbka lepiszcza była starannie przycinana po załadowaniu pomiędzy równoległe płyty, aby zapewnić jednolity profil krawędzi. Próbkę kondycjonowano w docelowej temperaturze przez 10 min przed pomiarem. Badania przeprowadzono w zakresie 58–82 °C z przyrostem co 6 °C. Prawidłowość badania potwierdzano, gdy zmierzony moment obrotowy i przemieszczenie pozostawały w zalecanym zakresie roboczym urządzenia, a nie stwierdzono widocznego poślizgu próbki.

Badanie skanowania amplitudy liniowej (LAS)
Charakterystykę zachowania wiskoelastycznego przeprowadzono zgodnie ze specyfikacjami ASTM D7175 dotyczącymi dynamicznej analizy mechanicznej²⁵. Metodyka eksperymentalna obejmowała skanowanie amplitudy odkształcenia w celu ustalenia granic liniowej wiskoelastyczności, a następnie badania z kontrolą częstotliwości przy 10 rad/s²⁶. Oceny zależne od temperatury obejmowały zakres temperatur roboczych nawierzchni asfaltowych (58–82°C), realizowane w krokach co 6°C, z zachowaniem 10 minut na osiągnięcie równowagi termicznej w każdym segmencie izotermicznym. Protokół AASHTO T391 został wykorzystany do ilościowego określenia akumulacji uszkodzeń lepiszcza poprzez analizę ewolucji energii rozproszonej, a konkretnie poprzez monitorowanie czynnika dyssypacji wiskoelastycznej (|G*|sin δ) podczas obciążenia cyklicznego ^27,28. Do przewidywania wzorców degradacji kompozytów bitumicznych przyjęto model uproszczonego ciągłego uszkodzenia wiskoelastycznego (S-VECD)²⁹. Protokół LAS polega na wykonaniu oscylacyjnego skanowania amplitudy przy stałej częstotliwości 10 Hz, z zastosowaniem kontrolowanego przyrostu odkształcenia od 0.1% do 30% z rozdzielczością przyrostów wynoszącą 0.1%.

Kluczowe parametry wiskoelastyczne wyznaczono za pomocą następujących równań:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

gdzie G''(ω) to moduł strat, ω to częstotliwość kątowa, m i b to współczynniki dopasowania, G'(ω) to moduł zachowawczy, G*(ω) to moduł zespolony, δ(ω) to kąt przesunięcia fazowego, a [brak terminu w źródle] to wskaźnik wiskoelastyczności.

Kwantyfikacja uszkodzeń została przeprowadzona z wykorzystaniem podstawowej zależności wyrażonej w równaniu (4):

(4)

W formule: C(t)—parametr integralności, C(t)=G^* (t)/G^* (Initial), G^*—moduł zespolony (MPa);

γ_0—Przyłożone odkształcenie (%);
t—Czas trwania testu (s)

Ewolucja czasowa wskaźnika uszkodzeń D(t) oraz współczynnika integralności strukturalnej C(t) jest matematycznie parametryzowana poprzez konstytutywną relację potęgową (Yuan 2024):

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

W formule: C0​ oznacza początkowy parametr integralności (zazwyczaj równy 1), C1, C2 — parametry dopasowania.

Oblicz wartość uszkodzenia zmęczeniowego, wykorzystując koncepcję szczytowego punktu naprężenia ścinającego:

(6)

Cpeak jest parametrem integralności odpowiadającym punktowi maksymalnego naprężenia ścinającego.

Wzór na obliczenie trwałości zmęczeniowej to:

N_f = A(γ_max)^-B (7)

W formule: A, B—współczynnik związany ze zmęczeniem,

A = f × (Df)^{[1 + (1 - C₂ )a] / {[1 + (1 - C₂ )a] × (πC₁ C₂ )a}} (8)

B=2a, częstotliwość obciążania;
γ_max — oczekiwany maksymalny poziom odkształcenia (%)

Aby zapewnić wiarygodność i odtwarzalność wyników eksperymentalnych, wszystkie testy w skali spoiwa oraz w skali mieszanki przeprowadzono w co najmniej 3 niezależnych powtórzeniach (n = 3) dla każdego wariantu. Raportowane wyniki stanowią wartości średnie z pomiarów powtórnych. Zmienność danych eksperymentalnych oceniono za pomocą odchylenia standardowego (SD), a na wszystkich odpowiednich rycinach naniesiono słupki błędów odzwierciedlające rozproszenie statystyczne. Dla parametrów LAS–S-VECD, wskaźników reologicznych DSR oraz trwałości zmęczeniowej z testów zginania czteropunktowego dodatkowo obliczono współczynnik zmienności (COV), aby ocenić spójność danych.

We wszystkich przypadkach badano różnice statystyczne między binderami modyfikowanymi i niemodyfikowanymi, aby upewnić się, że zaobserwowane trendy nie wynikają z rozrzutu eksperymentalnego, lecz reprezentują statystycznie istotne różnice w zachowaniu reologicznym i zmęczeniowym.

Badanie zmęczeniowe w zginaniu czteropunktowym
W celu walidacji wskaźników zmęczenia na poziomie lepiszcza oraz ustanowienia korelacji między różnymi skalami, przeprowadzono badania zmęczeniowe w zginaniu czteropunktowym mieszanek asfaltowych przygotowanych zgodnie z gradacją AC-16C^30,31. Gradację kruszywa, gęstość pozorną, ciężar właściwy objętościowy oraz nasiąkliwość każdego rodzaju kruszywa, wraz z właściwościami wypełniacza mineralnego, zestawiono w Tabeli 2. Zawartość asfaltu we wszystkich mieszankach ustalono na poziomie 4.8%, aby zapewnić spójność pomiędzy różnymi formulacjami WMA.

Rozmiar sita (mm)	Kategoria kruszywa					Sztuczna gradacja (%)
	1# (10~20mm. 29%)	2# (5~10mm. 29,2%)	3# (3~5mm. 17%)	4# (0~3mm. 19%)	Pył mineralny (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
Pozorna gęstość względna	2.899	2.918	2.845	2.754	2.872	2.865
Gęstość względna SSD	2.854	2.847	2.816	2.691	－	2.814
Gęstość objętościowa	2.829	2.81	2.8	2.655	－	2.787
Współczynnik absorpcji wody kruszywa (%)	0.85	1.32	0.56	1.36	－	－

Tabela 2: Gradacja kruszyw w mieszance asfaltowej na ciepło. Tabela 2 przedstawia gradację kruszyw mieszanki asfaltowej na ciepło, w tym proporcje poszczególnych frakcji kruszyw, zawartość pyłu mineralnego, syntetyczną krzywą gradacji oraz właściwości fizyczne kruszyw. Tabela prezentuje zaprojektowany rozkład wielkości cząstek i podstawowe charakterystyki kruszyw zastosowanych w mieszance asfaltowej.

Próby zmęczeniowe zginania czteropunktowego przeprowadzono przy użyciu aparatury badawczej Cooper w warunkach obciążenia kontrolowanego odkształceniem, aby ocenić trwałość zmęczeniową mieszanek ciepłego asfaltu (WMA)³². Kryterium zniszczenia określono jako liczbę cykli obciążenia wymaganych do spadku sztywności zginania do 50% jej wartości początkowej. Zgodnie z ustalonym protokołem badawczym³³, obciążenie cykliczne aplikowano w formie ciągłej fali sinusoidalnej o częstotliwości 10 Hz w warunkach izotermicznych 15 °C. Wszystkie testy przeprowadzono bez przerw w obciążaniu, aby zapewnić nieprzerwany dopływ energii podczas obciążenia zmęczeniowego^34,35.

Próbki belek wykonano zgodnie ze standardowymi wymaganiami wymiarowymi, przy długości 381 ± 6.35 mm, szerokości 63.5 ± 6.35 mm i wysokości 50.8 ± 6.35 mm³⁶³⁷. W warunkach sterowania odkształceniem charakterystykę zmęczeniową określono poprzez wykreślenie krzywych charakterystycznych zmęczenia dla próbek o różnych składach WMA w podwójnym układzie współrzędnych logarytmicznych³⁸. Następnie ustanowiono konstytutywną relację potęgową i zastosowano nieliniową analizę regresji w celu dopasowania danych zmęczeniowych dla różnych mieszanek asfaltowych, co stanowiło podstawę do późniejszego modelowania trwałości zmęczeniowej i analizy porównawczej^39,40,41. Próbkę belki zamocowano symetrycznie w uchwycie do zginania czteropunktowego, a przed obciążeniem sprawdzono styk między zaciskami obciążającymi a powierzchnią próbki. Badanie przeprowadzono w temperaturze 15 °C przy sinusoidalnym obciążeniu sterowanym odkształceniem o częstotliwości 10 Hz bez okresów odpoczynku. Punkt końcowy badania zdefiniowano jako liczbę cykli, przy której sztywność zginania spadła do 50% wartości początkowej. Badania uznano za poprawne, gdy zniszczenie nastąpiło w obrębie sekcji pomiarowej i nie zaobserwowano nieprawidłowego poślizgu zacisków ani nagłego pęknięcia niezwiązanego ze zmęczeniem. Wszystkie dane ilościowe przedstawiono jako średnią ± odchylenie standardowe (mean ± SD), przy liczbie próbek n = 3 dla wszystkich grup doświadczalnych, chyba że zaznaczono inaczej.

Wyniki

Właściwości reologiczne WMA
Strefa przejściowa asfalt–kruszywo jest powszechnie uznawana za główne miejsce inicjacji pęknięć zmęczeniowych. W związku z tym, w celu oceny odporności na zmęczenie lepiszczy asfaltów mieszanych na ciepło (WMA), zastosowano parametr reologiczny związany ze zmęczeniem G*sin δ, mierzony w pośrednich temperaturach eksploatacyjnych. Rysunek 1 przedstawia zmienność G*sin δ dla lepiszczy oryginalnych i modyfikowanych na ciepło Asfaltu A, Asfaltu B oraz Asfaltu C. Wszystkie wyniki ilościowe przedstawiono jako średnia ± SD na podstawie trzech powtórzeń pomiaru (n = 3). Porównania statystyczne między lepiszczami oryginalnymi a modyfikowanymi na ciepło w tej samej temperaturze przeprowadzono za pomocą testu t dla prób niezależnych, a różnice uznano za istotne przy p < 0.05. Jak pokazano na Rysunku 1, wartość G*sin δ maleje w sposób ciągły wraz ze wzrostem temperatury dla wszystkich lepiszczy asfaltowych, co wskazuje na zmniejszoną sztywność związaną ze zmęczeniem w wyższych temperaturach pośrednich. W przypadku Asfaltu A, AP wykazuje istotnie wyższe wartości G*sin δ niż AO w badanym zakresie temperatur 16–25 ˚ C (p = 0.025 (zakres: 0.018–0.032)), spadając z 7685 ± 126 do 2480 ± 84 kPa, podczas gdy AO spada z 5580 ± 112 do 1535 ± 76 kPa. Podobnie BP wykazuje istotnie wyższe wartości G*sin δ niż BO w zakresie od 22 do 28 (p = 0.021 (zakres: 0.011–0.027)), przy czym BP spada z 7980 ± 138 do 3985 ± 105 kPa, a BO spada z 6120 ± 120 do 1725 ± 82 kPa. Wyniki te sugerują, że dodatek do mieszanek na ciepło zwiększa czynnik zmęczeniowy Asfaltów A i B, co prowadzi do większego rozpraszania energii lepkościowej i potencjalnie wyższej podatności na zmęczenie na poziomie lepiszcza. W przeciwieństwie do nich, Asfalt C wykazuje jedynie niewielką różnicę między CO a CP; mimo że CP jest nieznacznie wyższy niż CO w tej samej temperaturze, różnica ta nie jest statystycznie istotna w większości temperatur (p = 0.086–0.214). Konkretnie, CP spada z 13.420 ± 185 do 4420 ± 96 kPa, podczas gdy CO spada z 13.080 ± 172 do 4350 ± 91 kPa, co wskazuje, że dodatek do mieszanek na ciepło ma ograniczony wpływ na reologiczne zachowanie związane ze zmęczeniem Asfaltu C. Ogólnie rzecz biorąc, trzy lepiszcza wykazują różne reakcje na modyfikację na ciepło, co odzwierciedla wpływ źródła asfaltu na odporność na zmęczenie. Asfalty A i B są bardziej wrażliwe na dodatek do mieszanek na ciepło, natomiast Asfalt C zachowuje relatywnie stabilną odporność na zmęczenie po modyfikacji.

W przeciwieństwie do niego, asfalt C nie wykazuje istotnych zmian w G*sin δ po modyfikacji ciepłą mieszanką, co wskazuje, że dodatek do ciepłych mieszanek wywiera ograniczony wpływ na jego reologiczne właściwości związane z zmęczeniem. Obserwacja ta sugeruje, że wewnętrzny skład chemiczny asfaltu C dominuje w jego odpowiedzi wiskoelastycznej, zmniejszając tym samym wrażliwość parametrów związanych ze zmęczeniem na modyfikację dodatkami. Wyniki te podkreślają zależność efektu modyfikacji ciepłą mieszanką od źródła pochodzenia oleju. Wyniki badania w funkcji temperatury ujawniają spójne trendy reologiczne dla wszystkich badanych lepiszczy. Wraz ze wzrostem temperatury współczynnik koleinowania G*/sin δ stale maleje, podczas gdy kąt fazowy δ stopniowo rośnie, co wskazuje na postępujące przejście w stronę zachowania zdominowanego przez lepkość. Podwyższone temperatury intensyfikują ruch cząsteczek wewnątrz lepiszcza, osłabiają struktury sprężyste i zmniejszają odporność na odkształcenia. I odwrotnie, zwiększenie stopnia starzenia prowadzi do wyższych wartości G*/sin δ i niższych kątów fazowych, co odzwierciedla zwiększoną sztywność i odpowiedź sprężystą wynikającą z utwardzania indukowanego starzeniem.

Rysunek 1. Współczynnik zmęczeniowy (G*sin δ) różnych lepiszczy asfaltowych w funkcji temperatury. (A) Asfalt A (Karamay); (B) Asfalt B (CNOOC 36-1); (C) Asfalt C (PetroChina/Wenezuela Boscan). AO, BO i CO oznaczają oryginalne lepiszcza asfaltowe, natomiast AP, BP i CP oznaczają odpowiadające im lepiszcza do asfaltu na ciepło. G*sin δ maleje wraz ze wzrostem temperatury dla wszystkich lepiszczy, podczas gdy wpływ modyfikacji na ciepło różni się w zależności od źródła lepiszcza. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Ewolucje reologiczne te można przypisać zmianom składu lepiszczy asfaltowych podczas starzenia termooksydacyjnego. Komponenty o niskiej masie cząsteczkowej są stopniowo przekształcane w struktury o wyższej masie cząsteczkowej poprzez reakcje utleniania i polimeryzacji, co zwiększa moduł zespolony G*. Jednocześnie akumulacja polarnych produktów utleniania zwiększa magazynowanie energii sprężystej, co objawia się zmniejszeniem kąta fazowego. W miarę postępu starzenia lepiszcze staje się coraz bardziej wrażliwe na wahania temperatury, a zależność parametrów reologicznych związanych ze zmęczeniem od temperatury staje się bardziej wyraźna.

Ogólnie rzecz biorąc, wyniki wykazują, że wpływ modyfikacji ciepłą mieszanką na reologiczne właściwości lepiszcza związane ze zmęczeniem jest silnie zależny od pochodzenia ropy naftowej. Chociaż dodatek do ciepłej mieszanki zmienia zachowanie dyssypacji wiskoelastycznej niektórych lepiszczy, jego skuteczność jest ograniczona przez wewnętrzny skład i charakterystykę starzenia asfaltu bazowego. Wyniki te podkreślają konieczność uwzględnienia właściwości specyficznych dla źródła ropy podczas interpretacji współczynników zmęczenia opartych na DSR oraz oceny odporności na zmęczenie lepiszczy do asfaltów ciepłych mieszanek. Wzrost G·sin δ związany ze starzeniem został ilościowo określony przy użyciu surowych danych z DSR przedstawionych na Rysunku 1. Procentowe zmiany obliczono w stosunku do odpowiadającego im stanu lepiszcza niestarzonego.

Liniowy zakres amplitudy
Kluczowe parametry wynikające z ram S-VECD zostały podsumowane w tabeli 3. Wskaźnik integralności C ilościowo charakteryzuje postępującą degradację lepiszczy asfaltowych pod wpływem cyklicznego obciążenia mechanicznego, gdzie C = 1 reprezentuje pierwotny, nieuszkodzony stan, a C = 0 odpowiada całkowitej awarii strukturalnej. Ponadto współczynniki regresji C₁ oraz C₂ opisują ewolucję integralności materiału wraz ze wzrostem uszkodzeń. Niższe wartości C₁ i C₂ wskazują na poprawę stabilności strukturalnej przy równoważnych poziomach uszkodzeń, co jest bezpośrednio powiązane z zwiększoną odpornością na zmęczenie w skali lepiszcza. Jak pokazano w tabeli 3, starzenie zazwyczaj zwiększa wartość C₁ i zmniejsza C₂, co sugeruje pogorszenie ewolucji integralności lepiszcza i odporności na zmęczenie. Asfalt Karamay wykazuje najwyższą odporność na akumulację uszkodzeń z najniższymi wartościami C₁ i stosunkowo wysokimi wartościami C₂, podczas gdy asfalt CNPC wykazuje tendencję przeciwną, co wskazuje na słabsze właściwości zmęczeniowe.

Typ asfaltu	α	C₀	C₁	C₂	A	B
Karamay	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
Starzony 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
Starzony 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
Starzony CNPC	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

Tabela 3: Parametry związane z metodą VECD. Tabela 3 przedstawia dopasowane parametry modelu dla trzech lepiszczy asfaltowych w warunkach przed i po starzeniu. Zmienność parametrów odzwierciedla wpływ rodzaju asfaltu oraz starzenia na charakterystykę modelu.

Rysunek 2 ilustruje krzywe ewolucji uszkodzeń różnych lepiszczy asfaltowych w warunkach konwencjonalnych oraz zmodyfikowanych na ciepło. Przy tych samych poziomach naprężeń systemy asfaltu na ciepło (WMA) wykazują wyraźnie niższą szybkość akumulacji uszkodzeń niż ich konwencjonalne odpowiedniki, co wskazuje na korzystniejszą ewolucję uszkodzeń. Takie zachowanie sugeruje, że modyfikacja na ciepło optymalizuje mechanizm rozpraszania energii wewnętrznej podczas obciążenia cyklicznego, poprawiając tym samym odporność na zmęczenie. Procentowe zmiany współczynników szybkości uszkodzeń obliczono z dopasowanych parametrów S-VECD wymienionych w Tabeli 3, przyjmując lepiszcze niemodyfikowane jako warunek odniesienia.

Rysunek 2: Charakterystyka odporności na zmęczenie dla różnych formulacji lepiszczy asfaltowych. (A) Asfalt A; (B) Asfalt B; (C) Asfalt C. AO, BO i CO reprezentują oryginalne próbki asfaltu, natomiast AP, BP i CP oznaczają odpowiadające im próbki asfaltu ciepłego. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Szczegółowa analiza profili ewolucji uszkodzeń ujawnia wyraźne różnice zależne od rodzaju lepiszcza. Modyfikowany mieszanką na ciepło Asfalt A wykazuje wyższą odporność zmęczeniową w porównaniu z lepiszczem niemodyfikowanym, co potwierdza korzystniejsze położenie jego krzywej ewolucji uszkodzeń. Wynik ten potwierdza, że dodatek do mieszanek na ciepło skutecznie zwiększa trwałość Asfaltu A pod wpływem powtarzalnego obciążenia. W przeciwieństwie do niego, Asfalt B wykazuje pomijalną reakcję na modyfikację mieszanką na ciepło, a lepiszcza modyfikowane i niemodyfikowane podążają niemal identycznymi trajektoriami progresji uszkodzeń. W przypadku Asfaltu C obserwuje się poprawę zależną od wartości progowej: lepiszcze modyfikowane mieszanką na ciepło przewyższa asfalt bazowy tylko wtedy, gdy zmienna uszkodzeń przekracza 100 jednostek, co wskazuje, że skuteczność dodatku jest aktywowana głównie w zaawansowanych stadiach uszkodzenia.

Ilościowe porównania trwałości zmęczeniowej uzyskane z testu LAS przedstawiono na Rysunku 3. Zaobserwowane różnice w odporności zmęczeniowej dodatkowo podkreślają materiałowy charakter oddziaływania dodatku do mieszanek na ciepło z lepiszczem, którego skuteczność jest w dużym stopniu zależna od wewnętrznych charakterystyk składu asfaltu bazowego. Wśród badanych materiałów asfalt PetroChina z Qinhuangdao wykazuje najwyższą odporność zmęczeniową, co odzwierciedla wrodzone zalety związane ze składem jego surowca bazowego. Z kolei asfalt z Karamay wykazuje najbardziej wyraźną poprawę po modyfikacji dodatkiem do mieszanek na ciepło, co podkreśla kluczową rolę właściwości asfaltu bazowego w określaniu potencjału zwiększenia wydajności dodatków do mieszanek na ciepło.

Rysunek 3. Porównanie trwałości zmęczeniowej mieszanki mineralno-asfaltowej na gorąco (HMA) i mieszanki mineralno-asfaltowej na ciepło (WMA) dla trzech lepiszczy asfaltowych. Trwałość zmęczeniowa różni się tylko nieznacznie między WMA a HMA dla wszystkich trzech typów lepiszczy. Asfalt C wykazuje najwyższą trwałość zmęczeniową, po nim Asfalt A i Asfalt B. Ogólnie wyniki wskazują, że modyfikacja na ciepło wywołuje jedynie niewielki efekt w zakresie trwałości zmęczeniowej, a wielkość i kierunek tej zmiany zależą od rodzaju lepiszcza. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Choć modyfikacja ciepłym mieszaniem (warm-mix) ogólnie poprawiła odporność na zmęczenie, skala tej poprawy była stosunkowo niewielka dla niektórych lepiszczy. Zachowanie to można przypisać mechanizmowi działania Evotherm M1, który przede wszystkim obniża temperaturę produkcji i łagodzi krótkotrwałe starzenie oksydacyjne, zamiast chemicznie wzmacniać strukturę lepiszcza. W związku z tym oczekuje się, że wzrost odporności na zmęczenie będzie umiarkowany i silnie zależny od wewnętrznych charakterystyk asfaltu bazowego. Spójność między pomiarami powtórzonymi wskazuje, że zaobserwowane trendy są powtarzalne, mimo ograniczonej skali poprawy. Aby dalej zinterpretować zaobserwowane, zależne od lepiszcza zachowanie zmęczeniowe z perspektywy chemicznej, przeanalizowano wpływ składu ropy naftowej na parametry S-VECD oraz odporność na zmęczenie. Trzy badane lepiszcze wykazują odmienne charakterystyki składu: wyższe stosunki frakcji aromatycznych do nasyconych są zazwyczaj powiązane z lepszą redystrybucją naprężeń i opóźnioną akumulacją uszkodzeń, podczas gdy systemy bogatsze w asfalteny mają tendencję do przyspieszania wzrostu sztywności i zmniejszania odporności na zmęczenie.

W niniejszym badaniu asfalt pochodzący z Karamay wykazuje stosunkowo wyższą frakcję aromatyczną i niższą zawartość nasyconą, co odpowiada niższym szybkościom rozwoju uszkodzeń (zredukowane wartości C₁) oraz poprawie trwałości zmęczeniowej zarówno w testach LAS, jak i w testach w skali mieszanki. W przeciwieństwie do niego, lepiszcze pochodzące z PetroChina wykazuje bardziej zrównoważoną, lecz stosunkowo wyższą proporcję nasyconą, co prowadzi do pośredniego zachowania akumulacji uszkodzeń S-VECD. Asfalt pochodzący z CNOOC, z wyższymi frakcjami związanymi z polarnością wnioskowanymi z charakterystyki pochodzenia ropy naftowej, wykazuje szybszy wzrost sztywności pod obciążeniem cyklicznym, co odzwierciedlają wyższe wartości C₁ i zredukowana trwałość zmęczeniowa. Wyniki te sugerują, że równowaga między frakcjami aromatycznymi a nasyconymi steruje ścieżkami rozpraszania energii wiskoelastycznej i ewolucją uszkodzeń mikrostrukturalnych, wpływając tym samym bezpośrednio na parametry S-VECD i odporność zmęczeniową. Ogólnie rzecz biorąc, obecne wyniki należy traktować jako ugruntowane mechanistycznie, lecz uwarunkowane granicznymi ramami teoretyczne, a nie jako w pełni uniwersalny model prognostyczny dla wszystkich systemów asfaltowych.

Wytrzymałość zmęczeniowa w skali mieszanki
Systematycznie oceniono wytrzymałość zmęczeniową mieszanek asfaltowych z zastosowaniem różnych technologii ciepłych mieszanek mineralno-asfaltowych (WMA), a odpowiednie wyniki badań zmęczeniowych zestawiono w Tabeli 4. Dane te określają trwałość mieszanek asfaltowych pod wpływem obciążenia cyklicznego i wykazują wyraźne różnice w trwałości zmęczeniowej między badanymi formulacjami WMA. Obserwowana zmienność wskazuje, że wytrzymałość zmęczeniowa w skali mieszanki jest silnie zależna od składu materiału i zastosowanej technologii ciepłych mieszanek.

Typ asfaltu	ID próbki	Porowatość (%)	Poziom odkształcenia (με)	Trwałość zmęczeniowa (cykle)
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

Tabela 4: Wyniki badań zmęczeniowych mieszanek asfaltowych z różnymi WMA. Tabela 4 podsumowuje wyniki badań zmęczeniowych mieszanek asfaltowych z zastosowaniem różnych technologii na ciepło, w tym trwałość zmęczeniową oraz powiązane parametry wydajności w różnych warunkach testowych. Wyniki wykazują różnice w odporności na zmęczenie pomiędzy mieszankami asfaltowymi na ciepło i stanowią podstawę do oceny ich właściwości zmęczeniowych.

Właściwości zmęczeniowe kompozytów bitumicznych są modelowane matematycznie za pomocą równania (9), które określa degradację naprężeń cyklicznych w materiałach nawierzchniowych. Zależność ta formalizuje odpowiedź zmęczeniową mieszanek asfaltowych w warunkach wielokrotnego obciążania, stanowiąc podstawę obliczeniową dla analizy trwałości:

(9)

W formule: N_f——trwałość zmęczeniowa mieszanki asfaltowej;
ε——odkształcenie;
k, n——współczynniki.

Na podstawie równania (9) przeprowadzono analizę regresji dla każdej mieszanki asfaltowej w celu skalibrowania odpowiadających im parametrów modelu zmęczeniowego. Wynikowe współczynniki k i n stanowią ilościową reprezentację charakterystyk degradacji zmęczeniowej specyficznych dla danej mieszanki i umożliwiają bezpośrednie porównanie odporności zmęczeniowej różnych formulacji WMA. Skalibrowane parametry równania zmęczeniowego zestawiono w Tabeli 5.

Rodzaje asfaltu	Równanie zmęczeniowe	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

Tabela 5: Parametry równania zmęczeniowego mieszanek asfaltowych z różnymi WMA. Tabela 5 podsumowuje parametry równania zmęczeniowego mieszanek asfaltowych z zastosowaniem różnych technologii mieszania na ciepło, w tym współczynniki regresji i parametry modelu służące do opisania zależności między trwałością zmęczeniową a warunkami obciążenia. Parametry te stanowią ilościową podstawę do przewidywania właściwości zmęczeniowych oraz porównywania odporności na zmęczenie różnych mieszanek asfaltów na ciepło.

Rysunek 4 przedstawia zależności między trwałością zmęczeniową a odkształceniem dla mieszanek asfaltowych z różnymi typami WMA, opracowane na podstawie dopasowanych modeli zmęczeniowych. Zgodnie z oczekiwaniami trwałość zmęczeniowa wszystkich mieszanek systematycznie spada wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia, co jest zgodne z klasycznym zachowaniem zmęczeniowym kompozytów bitumicznych. Analiza porównawcza krzywych zmęczeniowych wykazuje wyraźną hierarchię odporności zmęczeniowej mieszanek, przy czym ogólny ranking wydajności ustalono jako Materiał C > Materiał A > Materiał B. Ranking ten odzwierciedla względną zdolność każdej mieszanki do wytrzymania wielokrotnych cykli obciążenia przed wystąpieniem zniszczenia i jest zgodny z parametrami regresji podsum មានymi w Tabeli 5.

Rysunek 4: Wzorce zmęczeniowe mieszanek asfaltowych z różnymi typami ciepłego mieszania. Jak pokazano na Rysunku 4, trwałość zmęczeniowa wszystkich mieszanek asfaltowych spadała wraz ze wzrostem poziomu odkształcenia. Wśród trzech mieszanek asfaltowych przygotowanych metodą ciepłego mieszania, mieszanka C wykazała najwyższą odporność na zmęczenie, a następnie mieszanki A i B. Znacznie wyższa trwałość zmęczeniowa mieszanki C wskazuje, że ta technologia ciepłego mieszania skutecznie poprawia odporność mieszanek asfaltowych na akumulację uszkodzeń zmęczeniowych. Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Przy równoważnych warunkach zawartości pustek powietrznych, technologia WMA zapewnia znaczące korzyści w zakresie odporności zmęczeniowej poprzez obniżenie temperatur produkcji i zagęszczania o około 20–30 °C. Redukcja temperatury ta ogranicza krótkotrwałe starzenie oksydacyjne lepiszczy asfaltowych, które jest głównym czynnikiem długotrwałego kruszenia. Poprzez zachowanie wiskoelastyczności lepiszcza i zdolności do rozpraszania naprężeń, WMA hamuje inicjację i propagację mikropęknięć podczas obciążenia cyklicznego. W konsekwencji łagodzone jest kumulatywne uszkodzenie zmęczeniowe, co skutkuje wydłużeniem trwałości zmęczeniowej mieszanki i poprawą trwałości nawierzchni. Zalety te są kluczowe dla wydłużenia okresu eksploatacji, zmniejszenia zapotrzebowania na konserwację oraz umożliwienia rozwoju bardziej trwałych i kosztowo efektywnych infrastruktur drogowych. Aby zbadać spójność między zachowaniem zmęczeniowym w skali lepiszcza a w skali mieszanki, przeanalizowano korelacje między czynnikiem zmęczeniowym lepiszcza G*sin δ a trwałością zmęczeniową mieszanki N_f, co przedstawiono na Rysunku 5. Dla wszystkich lepiszczy zaobserwowano statystycznie istotną zależność, co wskazuje, że właściwości reologiczne lepiszcza wywierają mierzalny wpływ na odporność zmęczeniową mieszanki. W szczególności Lepiszcze B wykazuje wyjątkowo silną korelację (R² = 0.99, p < 0.001), co sugeruje, że G*sin δ służy jako wiarygodny predyktor trwałości zmęczeniowej mieszanki dla tego materiału. W przeciwieństwie do niego, Lepiszcza A i C wykazują porównawczo słabsze korelacje (R² = 0.6051 i 0.7933), co oznacza, że sama reologia lepiszcza nie może w pełni opisać zachowania zmęczeniowego mieszanki dla tych układów.

Rysunek 5: Korelacja między współczynnikiem zmęczeniowym asfaltu G*sin δ a trwałością zmęczeniową mieszanki N_f. (A) Asfalt A; (B) Asfalt B; (C) Asfalt C. Rysunek 5 wskazuje, że G∗sinδ wykazuje dodatnią korelację z trwałością zmęczeniową mieszanki, przy czym asfalt B wykazuje najwyższą spójność, a następnie asfalt C i A. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dalsza walidacja między skalami została przeprowadzona poprzez korelację parametrów ewolucji uszkodzeń lepiszcza uzyskanych z testów LAS, zinterpretowanych w oparciu o model uproszczonego ciągłego uszkodzenia lepkosprężystego (S-VECD), z trwałością zmęczeniową mieszanki. Jak pokazano na Rysunku 6, zaobserwowano silne korelacje liniowe między postępującą degradacją lepiszcza a właściwościami zmęczeniowymi mieszanki. Dla wszystkich trzech lepiszczy współczynniki korelacji przekraczają 0,9, co wykazuje trwały i spójny związek między charakterystyką uszkodzeń na poziomie lepiszcza a odpornością na zmęczenie w skali mieszanki.

Rysunek 6: Korelacja między uszkodzeniami zmęczeniowymi asfaltu a trwałością zmęczeniową mieszanki N_f. (A) Asfalt A; (B) Asfalt B; (C) Asfalt C. Jak pokazano na Rysunku 6, uszkodzenia zmęczeniowe asfaltu wykazały silną dodatnią korelację z trwałością zmęczeniową Nf mieszanek asfaltowych. Dla asfaltów A, B i C uzyskano wysokie współczynniki determinacji, co wskazuje, że parametry uszkodzeń zmęczeniowych mogą skutecznie charakteryzować właściwości zmęczeniowe mieszanek asfaltowych. W porównaniu z konwencjonalnym czynnikiem zmęczenia lepiszcza G∗sinδ, uszkodzenia zmęczeniowe stanowią bardziej bezpośrednią reprezentację zachowania degradacji zmęczeniowej mieszanek asfaltowych. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Ogólnie wyniki zmęczeniowe w skali mieszanki potwierdzają, że odporność zmęczeniowa jest wspólnie determinowana przez skład mieszanki, technologię ciepłego mieszania oraz charakterystykę lepiszcza. Podczas gdy konwencjonalne wskaźniki reologiczne wykazują ograniczoną zdolność prognostyczną dla niektórych lepiszczy, parametry uszkodzeń oparte na LAS–S-VECD wykazują silne i spójne korelacje z trwałością zmęczeniową mieszanki. Wyniki te potwierdzają, że charakterystyka uszkodzeń w skali lepiszcza jest skutecznym zamiennikiem do oceny trwałości mieszanki i stanowi mechaniczną podstawę dla projektowania nawierzchni w oparciu o parametry eksploatacyjne. Wyraźnie odmienne reakcje trzech lepiszczy asfaltowych na modyfikację ciepłym mieszaniem można fundamentalnie przypisać różnicom w ich składzie chemicznym pochodzącym z ropy naftowej i wynikającym z tego strukturom koloidalnym. Lepiszcza asfaltowe są zazwyczaj uważane za układy koloidalne składające się z asfaltenów rozproszonych w fazie maltenów, obejmującej aromaty, żywice i saturaty. Równowaga między tymi frakcjami determinuje wrażliwość lepiszcza na zewnętrzne modyfikatory, takie jak dodatki do ciepłego mieszania. W przypadku asfaltu z Karamay (Lepiszcze A), stosunkowo wysoka zawartość żywic i niska frakcja parafiny prowadzą do bardziej rozproszonej sieci asfaltenów o słabszej wewnętrznej stabilności strukturalnej. W tym układzie wprowadzenie dodatku do ciepłego mieszania znacząco zmienia lepkość i ruchliwość molekularną, co skutkuje zwiększoną dyssypacją energii i wyższymi wartościami G*sin δ. Wskazuje to, że dodatek aktywnie modyfikuje oddziaływania w fazie wewnętrznej, czyniąc lepiszcze bardziej podatnym na odkształcenia cykliczne, a tym samym przyspieszając akumulację uszkodzeń zmęczeniowych w skali lepiszcza.

W przeciwieństwie do niego, asfalt pochodzący z CNOOC (Spoiwo B) wykazuje bardziej zrównoważony skład oparty na naftenach z trwałą strukturą koloidalną. Równowaga między asfaltenami a żywicami w tym spoiwie zapewnia stosunkowo solidną sieć wewnętrzną, która ogranicza penetrację i wpływ strukturalny dodatku do ciepłych mieszanek. W rezultacie obserwuje się minimalne zmiany w reologii i ewolucji uszkodzeń, co wskazuje, że efekt działania dodatku jest w dużej mierze ograniczony przez wewnętrzną stabilność mikrostruktury spoiwa. W przypadku asfaltu pochodzącego z PetroChina (Spoiwo C), wyższa zawartość frakcji związanych z polarnością oraz zwiększona złożoność asfaltenów prowadzą do powstania sztywniejszej mikrostruktury, bardziej podatnej na agregację. W tym przypadku dodatek do ciepłych mieszanek wydaje się wykazywać zachowanie aktywacyjne zależne od progu, gdzie jego wpływ staje się bardziej wyraźny dopiero po znacznym nagromadzeniu uszkodzeń. Sugeruje to, że dodatek nie wchodzi w silne interakcje z początkową strukturą koloidalną, lecz wpływa na proces ewolucji uszkodzeń w późniejszej fazie poprzez modyfikację ścieżek redystrybucji naprężeń.

Ogólnie rzecz biorąc, wyniki te wykazują, że skuteczność modyfikacji mieszanką ciepłą nie jest uniwersalna, lecz w dużym stopniu zależy od wewnętrznej stabilności koloidalnej oraz składu chemicznego asfaltu bazowego. Obserwowane różnice w ewolucji uszkodzeń S-VECD i odporności mieszanki na zmęczenie można zatem bezpośrednio powiązać z heterogenicznością mikrostrukturalną trzech lepiszczy, co dostarcza mechanistycznego wyjaśnienia zachowania zależnego od źródła ropy, zaobserwowanego zarówno w testach reologicznych, jak i zmęczeniowych.

DOSTĘPNOŚĆ DANYCH:
Wszystkie dane, modele i kody wygenerowane lub wykorzystane w trakcie badania są dostępne w folderze uzupełniającym o nazwie „Raw data”.

Dyskusja

Niniejsze badanie proponuje wieloskalowy model oceny zmęczenia, który integruje testy Linear Amplitude Sweep (LAS) na poziomie lepiszcza z modelem Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) oraz testy zmęczeniowe zginania czteropunktowego na poziomie mieszanki, aby ustanowić mechanistyczny związek między ewolucją uszkodzeń lepiszcza asfaltowego a odpornością zmęczeniową mieszanki. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod oceny zmęczenia, które opierają się głównie na empirycznych wskaźnikach reologicznych, takich jak G*·sin δ, proponowany model wykorzystuje parametry związane z uszkodzeniami, wyprowadzone z mechaniki uszkodzeń kontinuum, aby scharakteryzować wewnętrzne zachowanie degradacyjne lepiszcz asfaltowych pod wpływem obciążeń cyklicznych. Uwzględniając pochodzenie ropy naftowej jako czynnik wpływający, badanie to wykazuje ponadto, że skuteczność modyfikacji mieszankami na ciepło nie jest uniwersalna, lecz silnie zależy od składu chemicznego i struktury koloidalnej lepiszcza bazowego. Wyniki te dostarczają nowych spostrzeżeń na temat interakcji między źródłem ropy, dodatkami do mieszanek na ciepło, podatnością na starzenie a odpornością zmęczeniową, ustanawiając tym samym podejście bardziej oparte na mechanizmach do oceny materiałów asfaltowych. Poprzednie badania podkreśliły potencjał analizy LAS–S-VECD w charakterystyce zmęczenia lepiszcza; jednak bezpośrednia możliwość jej zastosowania do przewidywania odporności zmęczeniowej w skali mieszanki pozostaje przedmiotem ciągłych badań. Niniejsza praca wnosi wkład w ten obszar badań poprzez walidację wieloskalowej zależności między ewolucją uszkodzeń lepiszcza a zachowaniem zmęczeniowym mieszanki w wielu systemach lepiszcz.

Proponowane ramy badawcze poszerzają naukową wiedzę na temat mechanizmów zmęczeniowych asfaltu, wypełniając lukę między reologiczną charakterystyką lepiszcza a właściwościami strukturalnymi mieszanki. Tradycyjne metody oceny lepiszczy często dostarczają ograniczonych informacji na temat postępującej akumulacji uszkodzeń zmęczeniowych, ponieważ parametry takie jak moduł zespolony i kąt przesunięcia fazowego opisują głównie chwilowe odpowiedzi lepkosprężyste, a nie ewolucję uszkodzeń. W przeciwieństwie do nich, podejście S-VECD traktuje lepiszcza asfaltowe jako materiały lepkosprężyste ulegające ciągłej degradacji i dostarcza ilościowych wskaźników utraty integralności strukturalnej podczas obciążenia zmęczeniowego. Silne korelacje uzyskane w niniejszym badaniu pomiędzy parametrami LAS–S-VECD a trwałością zmęczeniową mieszanki wskazują, że ewolucja uszkodzeń na poziomie lepiszcza może dostarczać istotnych informacji dotyczących etapu inicjacji pękania mieszanki. Podobne wyniki sugerowały, że parametry oparte na mechanistycznym modelu uszkodzeń mogą oferować lepsze możliwości prognostyczne w porównaniu z konwencjonalnymi wskaźnikami reologicznymi. W związku z tym niniejsze badanie rozszerza aktualne badania nad zmęczeniem asfaltu, dostarczając dowodów eksperymentalnych na to, że mechanika uszkodzeń w skali lepiszcza może służyć jako pomost w kierunku projektowania materiałów nawierzchniowych w oparciu o ich właściwości użytkowe.

Pomimo obiecujących wyników należy zwrócić uwagę na kilka ograniczeń. Po pierwsze, obecne badanie zostało przeprowadzone z wykorzystaniem trzech lepiszczy asfaltowych pochodzących ze specyficznych źródeł ropy naftowej oraz jednej gradacji kruszywa; w związku z tym uniwersalność proponowanej zależności wymaga dalszej walidacji z wykorzystaniem szerszego zakresu lepiszczy, technologii modyfikacji oraz projektów mieszanek. Chociaż wybrane lepiszcza reprezentują typowe materiały nawierzchniowe stosowane w praktyce inżynierskiej, materiały asfaltowe wykazują znaczną zmienność ze względu na różnice w pochodzeniu ropy, procesie rafinacji i składzie chemicznym. Po drugie, laboratoryjne testy zmęczeniowe przeprowadzono w kontrolowanych warunkach temperatury i obciążenia, podczas gdy rzeczywiste konstrukcje nawierzchni są narażone na złożone czynniki środowiskowe, w tym wahania temperatury, infiltrację wilgoci, zmienność obciążenia ruchem oraz długotrwałe starzenie. Po trzecie, choć parametry LAS–S-VECD wykazały silne korelacje z wytrzymałością zmęczeniową mieszanek, obecny zbiór danych jest niewystarczający do opracowania uniwersalnego modelu predykcyjnego stosowalnego do wszystkich systemów asfaltowych. Dlatego przyszłe badania powinny uwzględniać większe bazy danych oraz obserwacje zachowania w warunkach polowych, aby dalej zwiększyć odporność i przenoszalność proponowanego podejścia.

W celu dalszego zbadania związku między ewolucją uszkodzeń lepiszcza a odpornością mieszanki na zmęczenie można rozważyć alternatywne podejścia. Na przykład zaawansowane techniki charakterystyki chemicznej, w tym spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) oraz symulacje dynamiki molekularnej, mogłyby dostarczyć dodatkowych informacji na temat mechanizmów molekularnych warunkujących zachowanie zmęczeniowe zależne od źródła oleju. Poprzednie badania wykazały, że zmiany w strukturze molekularnej asfaltu, w tym agregacja asfaltenów, rozkład aromatów oraz oddziaływania związane z polarnością, znacząco wpływają na odpowiedź reologiczną i podatność na starzenie. Ponadto można zastosować zaawansowane techniki obrazowania, takie jak mikroskopia sił atomowych (AFM) i metody charakterystyki oparte na promieniowaniu rentgenowskim, aby bezpośrednio obserwować ewolucję mikrostruktury podczas akumulacji uszkodzeń zmęczeniowych. Połączenie tych podejść z analizą LAS–S-VECD może zapewnić pełniejsze zrozumienie zależności między strukturą molekularną, mechaniką uszkodzeń lepiszcza a makroskopową wydajnością nawierzchni.

Zaproponowana metodologia oparta na LAS–S-VECD znajduje istotne potencjalne zastosowania w kilku obszarach inżynierii nawierzchni asfaltowych oraz nauki o materiałach. Z praktycznego punktu widzenia, rozwiązanie to może służyć jako wydajne narzędzie przesiewowe do oceny potencjalnych lepiszczy, wyboru odpowiednich dodatków do mieszanek na ciepło oraz oceny podatności na starzenie przed przeprowadzeniem czasochłonnych eksperymentów zmęczeniowych w skali mieszanki. W porównaniu z tradycyjnymi specyfikacjami empirycznymi, zaproponowane podejście zapewnia mechaniczną podstawę do projektowania nawierzchni zorientowanego na właściwości użytkowe poprzez bezpośrednie powiązanie charakterystyki uszkodzeń lepiszcza z trwałością strukturalną. Jest to szczególnie cenne w przypadku zrównoważonych technologii budowy dróg, gdzie rosnące zastosowanie asfaltu na ciepło, materiałów z recyklingu oraz alternatywnych lepiszczy wymaga niezawodnych metod przewidywania długoterminowej wydajności. Ponadto metodologia ta może przyczynić się do rozwoju systemów projektowania nawierzchni opartych na danych, dostarczając fizycznie znaczących deskryptorów zmęczenia, które można zintegrować z modelami predykcyjnymi oraz ramami oceny cyklu życia.

Przyszłe badania powinny skupić się na rozszerzeniu stosowalności zaproponowanego modelu w kierunku bardziej kompleksowego i zorientowanego na warunki terenowe przewidywania parametrów użytkowych nawierzchni. Przyszłe analizy powinny obejmować większe bazy danych lepiszczy, uwzględniające różne źródła ropy naftowej, lepiszcza modyfikowane polimerami, materiały z recyklingu asfaltu oraz nowoczesne modyfikatory ekologiczne, aby opracować bardziej uogólnione modele przewidywania zmęczenia. Ponadto integracja analizy LAS–S-VECD z metodami charakterystyki wieloskalowej, podejściami opartymi na sztucznej inteligencji oraz symulacjami na poziomie molekularnym może dodatkowo poprawić zrozumienie i dokładność przewidywania zachowania asfaltu pod wpływem zmęczenia. W celu walidacji przewidywań laboratoryjnych w realistycznych warunkach eksploatacyjnych należy również wprowadzić długoterminowy monitoring terenowy oraz przyspieszone badania nawierzchni. Ostatecznie oczekuje się, że połączenie mechanistycznego modelowania uszkodzeń, zaawansowanej charakterystyki materiałowej oraz strategii projektowania opartych na parametrach użytkowych ułatwi opracowanie bardziej trwałych, zrównoważonych i niezawodnych systemów nawierzchni asfaltowych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Spoiwo A / AO, asfalt Karamay	Źródło ropy naftowej Karamay, Chiny	N/A	Podstawowe spoiwo asfaltowe
Spoiwo B / BO, asfalt CNOOC 36-1	Źródło morskiej ropy naftowej CNOOC 36-1, Chiny	N/A	Podstawowe spoiwo asfaltowe
Spoiwo C / CO, asfalt PetroChina	Źródło oparte na ropie PetroChina / wenezuelskiej Boscan	N/A	Podstawowe spoiwo asfaltowe
Dodatek do mieszanek na ciepło Evotherm M1	Ingevity / MeadWestvaco	Evotherm M1	Dodatek do mieszanek na ciepło stosowany przy przygotowaniu spoiwa WMA
Dynamiczny reometr ścinania	Malvern	Kinexus DSR+	Stosowany do testów sweep temperatury DSR oraz testów LAS
Urządzenie do testu RTFO (Rolling Thin Film Oven)	Shanghai Changji	SYD-0610	Stosowane do starzenia krótkoterminowego
Komora starzenia ciśnieniowego (PAV)	InstroTek	PAV-9300	Stosowana do starzenia długoterminowego
System do badania zmęczenia przy zginaniu czteropunktowym	Cooper Research Technology	SA4PT	Stosowany do testów zmęczeniowych mieszanek sterowanych odkształceniem
Rama analityczna S-VECD	analiza danych	N/A	Stosowana do obliczania parametrów uszkodzeń pochodnych z LAS
Oprogramowanie do analizy danych	Origin	OriginPro 2024	Stosowane do dopasowania regresji, analizy korelacji i tworzenia wykresów