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, szeroko stosowanymi w praktyce inżynierii drogowej w Chinach. Asfalt Karamay, asfalt CNOOC 36-1 oraz asfalt PetroChina znacząco różnią się pochodzeniem surowca, 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 ciepłą mieszanką oraz właściwości zmęczeniowe w skali mieszanki, co zwiększa znaczenie inżynieryjne zaproponowanego wieloskalowego modelu charakterystyki zmęczenia. Szczegółowe pochodzenie geologiczne i charakterystyka chemiczna każdego lepiszcza przedstawiają się następująco:

Spoiwo A: Pochodzi z ciężkiego surowca naftowego z 9. strefy, wytworzonego w procesie mieszania pozostałości próżniowych i asfaltu odolejonego. Jego materiał bazowy wykazuje charakterystyczne właściwości, w tym niską zawartość parafin (<2%), minimalne stężenie siarki oraz wysoką zawartość żywic. Warto zaznaczyć, że asfalt z Karamay jest jedynym spoiwem nawierzchniowym stosowanym obecnie w inżynierii, którego ciężar właściwy jest niższy niż 1 g/cm³; cechuje się ono ponadprzeciętną lepkością dynamiczną oraz doskonałym zachowaniem plastyczności po starzeniu. Właściwości te sprawiają, że jest ono szczególnie odpowiednie dla regionów narażonych na duże dobowe wahania temperatury i intensywną ekspozycję na promieniowanie ultrafioletowe.

Spoiwo B: Pozyskiwane z rzadkiej ciężkiej ropy naftowej wydobywanej z morskiego złoża Suizhong 36-1, z wysoką wydajnością bitumu na poziomie 56% w procesie rafinacji. Surowiec jest klasyfikowany jako ciężka ropa naftowa o bazie naftenowej, uboga w siarkę i o wysokiej wartości kwasowej, co skutkuje przetworzonym spoiwem o wysokiej gęstości (1,012 g/cm³), niskiej zawartości parafiny (1,8%) i zwiększonym udziale żywic. Właściwości te nadają spoiwu doskonałą elastyczność w niskich temperaturach, co czyni je korzystnym do zastosowań w środowiskach zimnych.

Spoiwo C: Sformułowane głównie z ciężkiej ropy wenezuelskiej Boscan jako podstawowego surowca, przy uzyskaniu wydajności produkcji na poziomie 60% dzięki wyspecjalizowanym procesom rafinacji. Ropa ta wykazuje unikalne cechy geochemiczne, w tym wysoką zawartość kwasów, znaczne stężenia metali ciężkich oraz silny potencjał tworzenia pozostałości węglowej. Spoiwo charakteryzuje się nietypowym składem węglowodorowym, wyróżniającym się niskimi frakcjami węglowodorów nasyconych, wzbogaconymi kompleksami żywicno-asfaltenowymi oraz wyjątkowo niską zawartością parafiny (1,3%).

W niniejszym badaniu trzy podstawowe lepiszcza asfaltowe oznaczono jako AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) oraz CO (PetroChina). Odpowiadające im lepiszcza WMA przygotowano poprzez dodanie dodatku Evotherm M1, kodując je odpowiednio jako AP, BP i CP²⁰. Kompleksowe wskaźniki parametrów, w tym penetracja, temperatura mięknienia i plastyczność, zostały przetestowane zgodnie ze specyfikacjami JTG E20-2011²¹, a szczegółowe dane porównawcze przedstawiono w Tabeli 1. Wszystkie procedury eksperymentalne były ściśle zgodne ze zstandardyzowanymi 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
ciągliwość (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
	Współczynnik penetracji pozostałej (%)	66.2	67.4	64.8
	Ciągliwość pozostała (10 °C, cm)	13	12	9

Tabela 1: Kluczowe parametry techniczne lepiszczy bitumicznych. Tabela 1 podsumowuje kluczowe parametry techniczne lepiszczy 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. Podstawowe lepiszcze asfaltowe podgrzano najpierw w piecu z wymuszonym obiegiem powietrza w temperaturze 135 ± 2 °C przez 60 min, aby uzyskać stabilny stan stopiony, a następnie pozostawiono na 30 min w celu wyrównania temperatury i wyeliminowania gradientów termicznych. Wszystkie procesy grzania przeprowadzano w szczelnych pojemnikach z osłoną azotu (przepływ: 0.5 L/min), aby zminimalizować starzenie oksydacyjne podczas kondycjonowania termicznego.

Następnie dodatek Evotherm M1 wprowadzono w temperaturze 135 ± 2 °C przy ciągłym mieszaniu mechanicznym z prędkością 300 rpm przez 5 min przed procesem wysokoprzemianowym, aby zapewnić wstępną dyspersję fazy surfaktanta. Następnie przeprowadzono mieszanie wysokoprzemianowe za pomocą homogenizatora rotor-stator z prędkością 3000 rpm przez 25 min, utrzymując temperaturę lepiszcza w zakresie 135–140 °C przy użyciu zewnętrznego systemu kontroli temperatury z kąpielą olejową (dokładność ±1 °C). Przez cały proces mieszania temperaturę stale monitorowano za pomocą skalibrowanego termopary typu K wprowadzonej do matrycy lepiszcza, a fluktuacje przekraczające ±2 °C wyzwalały automatyczną regulację grzania. Zmodyfikowane lepiszcze poddano następnie kontrolowanemu chłodzeniu do 25 °C z prędkością 5 °C/min przed dalszymi badaniami lub krótkotrwałym przechowywaniem. Projekt protokołu ścinania oparto na zależności lepkości od temperatury lepiszczy asfaltowych, zapewniając przygotowanie wszystkich próbek w porównywalnych warunkach historii ścinania. Ta rygorystyczna kontrola termomechaniczna gwarantuje wysoką powtarzalność i minimalizuje zmienność w przygotowaniu lepiszczy WMA.

Badanie 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 reometr rotacyjny 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.

Współczynnik zmęczeniowy G*sin δ²³, powszechnie uznawany za wskaźnik podatności na zmęczenie na poziomie lepiszcza, został przyjęty w celu ilościowego określenia zmian w zachowaniu dyssypacji wiskoelastycznej wywołanych modyfikacją mieszanką na ciepło oraz starzeniem. Testy sweep temperatury przeprowadzono w zakresie 58–82 °C, z przyrostami temperatury co 6 °C. W każdej docelowej temperaturze próbki poddano stabilizacji przez 10 min przed rozpoczęciem pomiarów, aby zapewnić stabilność termiczną. W celu zbadania wpływu starzenia na właściwości reologiczne, próbki lepiszcza poddano trzem warunkom starzenia: bez starzenia, starzeniu w urządzeniu do testu cienkiego filmu tocznego (RTFOT) oraz połączonemu starzeniu RTFOT i w naczyniu do starzenia ciśnieniowego (PAV) ²⁴. Protokoły starzenia te zostały opracowane w celu symulacji starzenia krótkoterminowego podczas produkcji i układania, a także starzenia długoterminowego podczas eksploatacji nawierzchni. Analizie poddano ewolucję G*sin δ w zależności od temperatury i warunków starzenia, aby ocenić odporność na zmęczenie różnych lepiszczy.

Przed każdym badaniem DSR próbka lepisza była starannie przycinana po załadowaniu między równoległymi płytami, aby zapewnić jednolity profil krawędzi. Próbkę kondycjonowano w docelowej temperaturze przez 10 min przed pomiarem. Badania przeprowadzono w zakresie 58–82 °C z przyrostami co 6 °C. Prawidłowość badania potwierdzano, gdy zmierzony moment obrotowy i przemieszczenie pozostawały w zalecanym zakresie pracy urządzenia i nie wystąpił widoczny poślizg próbki.

Badanie liniowego zakresu amplitud (LAS)
Charakterystyka zachowania wiskoelastycznego została przeprowadzona zgodnie ze specyfikacjami ASTM D7175 dla dynamicznej analizy mechanicznej²⁵. Metodologia eksperymentalna obejmowała pomiary zależności modułów od amplitudy odkształcenia w celu ustalenia granic liniowej wiskoelastyczności, a następnie badania z kontrolowaną częstotliwością przy 10 rad/s²⁶. Oceny zależne od temperatury obejmowały zakres temperatur pracy nawierzchni asfaltowych (58–82°C), realizowane w krokach co 6°C, z 10-minutową przerwą na osiągnięcie równowagi termicznej w każdym segmencie izotermicznym. Protokół AASHTO T391 został zastosowany do ilościowego określenia akumulacji uszkodzeń lepiszcza poprzez analizę ewolucji energii rozproszonej, konkretnie poprzez monitorowanie czynnika dyssypacji wiskoelastycznej (|G*|sin δ) podczas obciążenia cyklicznego ^27,28. Do przewidywania wzorców degradacji kompozytów bitumicznych przyjęto model Uproszczonego Ciągłego Uszkadzania Wiskoelastycznego (S-VECD)²⁹. Protokół LAS polega na wykonaniu oscylacyjnego pomiaru amplitudy przy stałej częstotliwości 10 Hz, stosując kontrolowany przyrost odkształcenia od 0,1% do 30% z rozdzielczością przyrostów 0,1%.

Kluczowe parametry wiskoelastyczne wyliczono 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 oraz b to współczynniki dopasowania, G'(ω) to moduł sprężystości, G*(ω) to moduł zespolony, δ(ω) to kąt przesunięcia fazowego i 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—Zastosowana odkształcenie (%);
t—Czas trwania testu (s)

Ewolucja czasowa miary uszkodzeń D(t) oraz współczynnika integralności strukturalnej C(t) jest parametryzowana matematycznie za pomocą konstytutywnej zależności potęgowej (Yuan 2024):

C(Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia.) = 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 punktu szczytowego naprężenia ścinającego:

(6)

Cpeak to parametr integralności odpowiadający punktowi maksymalnego naprężenia ścinającego.

Wzór do obliczania 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 f;
γ_max — przewidywany maksymalny poziom odkształcenia (%)

Aby zapewnić wiarygodność i powtarzalność wyników doświadczeń, wszystkie badania w skali spoiwa oraz w skali mieszanki przeprowadzono w co najmniej 3 niezależnych powtórzeniach (n = 3) dla każdego stanu. Przedstawione wyniki stanowią wartości średnie z pomiarów powtórzonych. Zmienność danych doświadczalnych oceniono za pomocą odchylenia standardowego (SD), a na wszystkich odpowiednich rysunkach naniesiono słupki błędów odzwierciedlające dyspersję statystyczną. W przypadku parametrów LAS–S-VECD, wskaźników reologicznych DSR oraz trwałości zmęczeniowej z prób zginania czteropunktowego dodatkowo obliczono współczynnik zmienności (COV) w celu oceny spójności danych.

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

Badanie zmęczeniowe z wykorzystaniem zginania czteropunktowego
W celu walidacji wskaźników zmęczenia na poziomie lepiszcza oraz ustalenia korelacji międzyskalowych, przeprowadzono badania zmęczeniowe zginania czteropunktowego na mieszankach asfaltowych przygotowanych zgodnie z gradacją AC-16C^30,31. Gradacja kruszywa, gęstość objętościowa, ciężar właściwy oraz nasiąkliwość każdego rozmiaru kruszywa, wraz z właściwościami wypełniacza mineralnego, zostały zestawione w Tabeli 2. Zawartość asfaltu we wszystkich mieszankach ustalono na poziomie 4,8%, aby zapewnić spójność między różnymi formulacjami WMA.

Rozmiar sita (mm)	Kategoria kruszywa					Syntetyczna gradacja (%)
	1# (10~20mm. 29%)	2# (5~10mm. 29,2%)	3# (3~5mm. 17%)	4# (0~3mm. 19%)	Proszek 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 wodochłonności kruszywa (%)	0,85	1,32	0,56	1,36	－	－

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

Próby zmęczeniowe zginania czteropunktowego wykonano za pomocą aparatury badawczej Cooper w warunkach obciążenia kontrolowanego odkształceniem, aby ocenić trwałość zmęczeniową mieszanek asfaltowych na ciepło (WMA)³². Kryterium zniszczenia zdefiniowano jako liczbę cykli obciążenia wymaganych do spadku sztywności zginania do 50% wartości początkowej. Zgodnie z ustalonym protokołem badawczym³³, obciążenie cykliczne aplikowano w formie ciągłego przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości 10 Hz w warunkach izotermicznych 15 °C. Wszystkie próby przeprowadzono bez przerw odpoczynkowych, aby zapewnić nieprzerwany dopływ energii podczas obciążenia zmęczeniowego^34,35.

Próbki belkowe wykonano zgodnie ze standardowymi wymogami wymiarowymi: o długości 381 ± 6.35 mm, szerokości 63.5 ± 6.35 mm i wysokości 50.8 ± 6.35 mm³⁶³⁷. W warunkach kontrolowanego odkształcenia właściwości zmęczeniowe określono poprzez wykreślenie krzywych charakterystyk zmęczeniowych dla próbek o różnych formulacjach WMA w układzie współrzędnych podwójnie logarytmicznych³⁸. Następnie ustalono konstytutywną zależność 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 belkową zamontowano 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 kontrolowanym odkształceniem o częstotliwości 10 Hz bez okresów odpoczynku. Punkt końcowy badania zdefiniowano jako liczbę cykli, przy której sztywność zginania spadła do 50% jej wartości początkowej. Testy uznano za poprawne, gdy zniszczenie nastąpiło w 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 wielkości próby n = 3 dla wszystkich grup eksperymentalnych, chyba że wskazano inaczej.

Wyniki

Właściwości reologiczne WMA
Strefa przejściowa między asfaltem a kruszywem jest powszechnie uznawana za główne miejsce inicjacji pęknięć zmęczeniowych. W związku z tym, do oceny odporności na zmęczenie lepiszczy asfaltów ciepłych mieszanek (WMA) wykorzystano reologiczny parametr zmęczeniowy G*sin δ, mierzony w pośrednich temperaturach eksploatacyjnych. Rysunek 1 przedstawia zmienność G*sin δ dla oryginalnych i modyfiko...

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, taki...

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