Многомасштабная характеристика усталостных повреждений теплого асфальтобетона на основе испытаний с линейным увеличением амплитуды и четырехточечного изгиба

Краткое содержание

Данное исследование устанавливает надежную многомасштабную взаимосвязь между механикой повреждения связующего и усталостными характеристиками смеси, демонстрируя, что параметры упрощенной вязкоупругой непрерывной модели повреждений, основанной на линейном развертывании амплитуды (LAS–S-VECD), обеспечивают достоверную, механически обоснованную базу для прогнозирования и проектирования долговечных систем উষ্ণго асфальтобетона.

Аннотация

Усталостное растрескивание является критическим фактором, определяющим долговечность асфальтобетонных покрытий, в то время как взаимосвязь между усталостным поведением битумного вяжущего и усталостными характеристиками смеси на разных масштабах для теплых асфальтобетонных смесей (WMA) остается недостаточно изученной. В данной работе характеристики усталости WMA систематически исследовались как на уровне вяжущего, так и на уровне смеси для установления количественных межмасштабных корреляций. Для характеристики реологических свойств и эволюции повреждений асфальтовых вяжущих различного происхождения сырой нефти использовались испытания на динамическом сдвиговом реометре (DSR) и испытания с линейным развертыванием амплитуды (LAS), интерпретированные с использованием упрощенной модели вязкоупругого континуального повреждения (S-VECD). Усталостные характеристики на уровне смеси оценивались с помощью испытаний на четырехточечный изгиб при контролируемой деформации. Результаты показывают, что старение значительно увеличивает жесткость вяжущего и ускоряет усталостную деградацию, при этом коэффициент усталости G*·sin δ увеличивается примерно на 150–250% после длительного старения. Эффективность модификации теплым способом на уровне вяжущего сильно зависела от типа используемого материала, что выразилось в снижении коэффициента скорости повреждения на 8–13% для вяжущих A и B, но в увеличении примерно на 11% для вяжущего C. Традиционные реологические показатели, такие как sin δ, продемонстрировали ограниченную и зависящую от материала способность предсказывать усталостный ресурс смеси, в то время как параметры повреждения, полученные с помощью LAS–S-VECD, показали стабильно сильную корреляцию с усталостными характеристиками на уровне смеси. В целом, данное исследование демонстрирует, что характеристика повреждения вяжущего на основе LAS–S-VECD обеспечивает надежную основу для прогнозирования усталостной стойкости смеси и подтверждает целесообразность ее применения при проектировании смесей на основе эксплуатационных характеристик для создания долговечных и устойчивых покрытий из WMA.

Введение

Традиционное строительство асфальтобетонных покрытий основано на высокотемпературной обработке, обычно в диапазоне от 160 °C до 180 °C, а для модифицированных вяжущих, таких как резиноасфальт и высокоэффективный полимерно-модифицированный битум, температура превышает 190 °C. В специализированных областях, включая устройство покрытий стальных настилов мостов, температура укладки смеси на месте может превышать 200 °C¹. Эти экстремальные термические условия приводят к существенному потреблению ископаемого топлива и значительным атмосферным выбросам, включая парниковые газы и опасные асфальтовые пары с высоким содержанием бензол-растворимых соединений и канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (например, бензо[а]пирена)^2,3. Предыдущие исследования последовательно демонстрировали, что снижение температуры производства и уплотнения асфальта может сократить расход топлива, выбросы CO₂ и профессиональное воздействие асфальтовых паров, хотя степень этих преимуществ зависит от типа смеси, конфигурации завода, дозировки добавок и условий строительства на объекте. Недавние исследования дополнили понимание эксплуатационных характеристик асфальта при различных модификациях и условиях службы. Было сообщено, что введение лигносульфоната кальция в асфальтобетонные смеси может эффективно замедлить термоокислительное старение за счет ингибирования реакций окисления и стабилизации коллоидной структуры асфальтовых вяжущих.

Что касается характера разрушения, исследования горячих асфальтобетонных смесей (HMA) и теплых асфальтобетонных смесей (WMA) в условиях чистого нагружения Моды I и Моды II показали, что режим нагружения играет решающую роль в определении низкотемпературной трещиностойкости и диссипации энергии. Также были подробно изучены свойства влагостойкости в асфальтобетонных системах, модифицированных каучуком, где использование переработанных резиновых материалов повышает устойчивость к повреждениям, вызванным воздействием влаги, а оптимальное содержание каучука может быть определено с помощью комбинированных методов механической и экономической оценки. В отношении высокотемпературных характеристик модифицированный щебеночно-мастичный асфальтобетон (SMA) был оценен с помощью испытаний на динамическую ползучесть и с использованием прибора Hamburg Wheel Tracking Device, что подтвердило существенное повышение сопротивления колееобразованию при модификации смеси. Кроме того, исследования асфальтобетонных смесей с добавлением переработанных присадок на основе метода полукруглого изгиба (SCB) показали заметное улучшение сопротивления разрушению по Моде I и устойчивости к влажностному повреждению, что подчеркивает синергетический эффект переработанных материалов на усталостную прочность и долговечность. Следовательно, разработка низкотемпературных асфальтовых технологий стала важным направлением на пути к устойчивому дорожному строительству и созданию экологически ответственных инфраструктурных систем.

Технология теплых асфальтобетонных смесей (WMA), реализуемая путем введения химических добавок, органических восков или применения методов вспенивания, позволяет эффективно производить смеси при температурах обычно от 90 °C до 130 °C, что на 30–50 °C ниже по сравнению с традиционным горячим асфальтобетоном (HMA)⁴. Помимо хорошо задокументированных преимуществ в снижении энергозатрат и выбросов загрязняющих веществ, WMA играет ключевую роль в смягчении термоокислительного старения асфальтобитумных вяжущих в процессах производства и укладки. Старение асфальта регулируется температурно-зависимой химической кинетикой, при этом скорость окисления примерно удваивается при каждом повышении температуры на 10 °C^5,6. Повышенные температуры ускоряют реакции волатилизации, окисления и полимеризации, что ведет к постепенному превращению мальтенов в жесткие асфальтены, тем самым увеличивая жесткость вяжущего при одновременном снижении его пластичности⁷. За счет снижения температур производства технология WMA подавляет эти вредные реакции, сохраняя вязкоупругость вяжущего и потенциально повышая долгосрочную усталостную прочность⁸.

Несмотря на то что экологические преимущества и преимущества с точки зрения технологичности WMA были подробно описаны, систематические исследования ее усталостных характеристик в условиях старения остаются сравнительно ограниченными. В частности, асфальтовые вяжущие, полученные из различных источников сырой нефти — таких как сырье из Карамая, морские месторождения CNOOC и сырье CNPC — демонстрируют выраженные различия в химическом составе, включая содержание асфальтенов, распределение смол, ароматические фракции и уровни насыщенных углеводородов⁹. Эти различия в составе широко признаны фундаментальными определяющими факторами реологического поведения, восприимчивости к старению и усталостной долговечности¹⁰. Тем не менее, в существующих исследованиях усталости редко проводят дифференциацию вяжущих по происхождению сырой нефти, что приводит к неполному пониманию того, как зависящая от источника химия определяет усталостные характеристики, особенно при кумулятивном старении, репрезентативном для условий эксплуатации^11,12. С инженерной точки зрения надежный метод оценки усталости на уровне вяжущего был бы особенно полезен для предварительного скрининга материалов, выбора добавок для теплых смесей, оценки чувствительности к старению и контроля качества перед проверкой на уровне смеси. Тем не менее, LAS–S-VECD не следует рассматривать как полную замену испытаниям смеси на усталость, поскольку гранулометрический состав заполнителя, объем воздушных пустот, взаимодействие вяжущего с заполнителем, качество уплотнения и старение в полевых условиях также могут определять усталостные характеристики дорожного покрытия. Кроме того, взаимосвязь между индикаторами усталости на уровне вяжущего и усталостным поведением на уровне смеси не была окончательно установлена для различных источников асфальта¹³. Хотя реологические тесты, такие как линейное сканирование амплитуды (LAS), показали перспективность в определении усталостного повреждения вяжущего, их прогностическая надежность в отношении усталостного срока службы смеси — особенно для вяжущих с различным химическим происхождением — остается недостаточно подтвержденной¹⁴. Этот разрыв ограничивает точность лабораторных прогнозов эксплуатационных характеристик и сдерживает рациональный выбор материалов для инженерной практики¹⁵.

Для устранения этих критических пробелов в данном исследовании проводится комплексный многомасштабный анализ усталостного поведения модифицированных теплых асфальтобитумных вяжущих, полученных из трех различных источников сырой нефти¹⁶. Путем интеграции анализа на динамическом сдвиговом реометре (DSR), испытаний на линейное развертывание амплитуды (LAS) в рамках упрощенной модели вязкоупругого континуума повреждений (S-VECD) и четырехточечных изгибных испытаний смеси на усталость в данной работе систематически оценивается влияние происхождения сырой нефти, модификации для технологии «теплого mixes» и старения на усталостную стойкость^17,18,19. Результаты направлены на установление надежных межмасштабных корреляций между реологией вяжущего и характеристиками смеси, что обеспечит механистическую основу для прогнозирования усталостного долговечности и предоставит практические рекомендации по проектированию и выбору экологически устойчивых асфальтовых материалов.

В данном исследовании представлена многомасштабная система характеризации усталости теплого асфальтобетона, объединяющая анализ LAS–S-VECD на уровне вяжущего с испытаниями на усталостный четырехточечный изгиб на уровне смеси. В отличие от предыдущих работ, сосредоточенных преимущественно либо на реологической оценке вяжущего, либо на изолированной оценке свойств смеси, настоящая работа устанавливает прямую механистическую связь между химическим составом вяжущего (зависящим от состава сырой нефти), модификацией для получения теплой смеси и усталостным поведением смеси в условиях старения. Новизна данного исследования заключается в трех аспектах: (i) явном включении происхождения сырой нефти в качестве определяющей переменной для показателей усталости; (ii) систематической многомасштабной корреляции между эволюцией повреждений по методу LAS–S-VECD и усталостной долговечностью смеси; и (iii) унифицированной оценке эффектов модификации теплой смеси на уровнях вяжущего и смеси. Результаты показывают, что параметры повреждения, полученные с помощью LAS–S-VECD, являются надежными предикторами усталостных характеристик смеси, предлагая более обоснованную с точки зрения механики альтернативу традиционным реологическим индексам. Эти выводы создают научную основу для ориентированной на эксплуатационные характеристики оценки и проектирования устойчивых систем теплого асфальтобетона.

Протокол

Материалы
Три асфальтобитумных вяжущих, выбранных для данного исследования и представленных в Таблице 1, являются репрезентативными дорожными вяжущими, полученными из различных источников сырой нефти и широко используемыми в дорожном строительстве в Китае. Карамайский асфальт, асфальт CNOOC 36-1 и асфальт PetroChina существенно различаются по происхождению сырья, химическому составу, склонности к старению и реологическим характеристикам, что обеспечивает подходящую материальную базу для изучения усталостного поведения в зависимости от источника нефти. Их выбор позволяет провести сравнительную оценку того, как собственный состав вяжущего влияет на эффективность модификации с применением технологии теплых смесей и на усталостные характеристики смеси в масштабе материала, что повышает инженерную значимость предлагаемой многомасштабной системы определения характеристик усталости. Подробные сведения о геологическом происхождении и химических характеристиках каждого вяжущего приведены ниже:

Связующее A: Получено из тяжелого нефтяного сырья 9-й зоны путем смешивания вакуумного остатка и обессоленного асфальта. Его базовый материал обладает характерными свойствами, включая низкое содержание парафинов (<2%), минимальную концентрацию серы и высокое содержание смол. Примечательно, что Карамайский асфальт является единственным дорожным связующим с удельным весом ниже 1 г/см³ в современной инженерной практике; он характеризуется превосходной динамической вязкостью и отличным сохранением пластичности после старения. Эти характеристики делают его особенно подходящим для регионов, подверженных значительным суточным колебаниям температуры и интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения.

Связующее B: Получено из редкой тяжелой сырой нефти, добываемой на шельфовом нефтяном месторождении Suizhong 36-1, с высоким выходом битума (56%) в результате переработки. Сырье классифицируется как серодефицитная тяжелая нефть на нафтеновой основе с высоким кислотным числом, в результате чего полученное связующее обладает высокой плотностью (1.012 g/cm³), низким содержанием парафинов (1.8%) и повышенной долей смол. Такие свойства обеспечивают связующему отличную низкотемпературную гибкость, что делает его предпочтительным для применения в условиях холодного климата.

Связующее C: в основном изготовлено на основе венесуэльской тяжелой нефти Boscan, при этом выход продукции составил 60% благодаря специализированным процессам переработки. Данная сырая нефть обладает уникальными геохимическими характеристиками, включая высокое содержание кислот, значительную концентрацию тяжелых металлов и высокий потенциал образования коксового остатка. Связующее характеризуется нетипичным углеводородным составом, для которого характерны низкие фракции насыщенных углеводородов, обогащенные смоляно-асфальтеновые комплексы и крайне низкое содержание парафинов (1.3%).

В данном исследовании три базовых асфальтовых вяжущих были обозначены как AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) и CO (PetroChina). Соответствующие вяжущие для теплых асфальтобетонных смесей (WMA) были приготовлены путем добавления присадки Evotherm M1 и получили коды AP, BP и CP соответственно²⁰. Комплексные показатели эффективности, включая пенетрацию, температуру размягчения и пластичность, были протестированы в соответствии со спецификациями JTG E20-2011²¹, а подробные сравнительные данные представлены в Таблице 1. Все экспериментальные процедуры строго соответствовали стандартизированным протоколам, изложенным в Технических спецификациях для асфальта и битумных смесей дорожного строительства.

Проект	Единица измерения	Karamay	CNOOC	CNPC
Проникаемость	0.1 mm (15 °C)	22	22	24
	0.1 mm (25 °C)	72	68	71
	0.1 mm (30 °C)	112	110	116
Индекс PEN (PI)	－	-1.14	-1.2	-0.81
Температура размягчения и точка излома (TR&B)	°C	46	46.5	47.5
Динамическая вязкость (60 °C)	Pa·s	223.5	230	256.9
Растяжимость (10 °C, 5 cm/min)	cm	>100	>100	52
Содержание парафинов	%	1.9	1.8	1.3
Температура вспышки (COC)	℃	278	287	312
Растворимость	%	99.5	99.7	99.8
Плотность (15 °C)	g/cm³	0.977	1.012	1.049
RTFOT	Изменение качества (%)	0.05	0.06	-0.07
	Коэффициент остаточной проникаемости (%)	66.2	67.4	64.8
	Остаточная растяжимость (10 °C, cm)	13	12	9

Таблица 1: Ключевые технические параметры битумных вяжущих. В таблице 1 обобщены ключевые технические параметры битумных вяжущих, включая физические свойства, температурную чувствительность, реологические характеристики и показатели краткосрочного старения, для оценки их основных свойств и долговечности.

Процесс приготовления WMA включал строго контролируемый многостадийный протокол, разработанный для обеспечения воспроизводимости модификации вяжущего. Базовое асфальтобетонное вяжущее сначала нагревали в печи с принудительной конвекцией при 135 ± 2 °C в течение 60 мин для достижения стабильного расплавленного состояния, после чего следовало 30 мин выравнивания температуры для устранения тепловых градиентов. Все процессы нагрева проводились в герметичных контейнерах с защитой азотом (скорость потока: 0.5 L/min) для минимизации окислительного старения во время температурной кондиции.

Затем вводили добавку Evotherm M1 при температуре 135 ± 2 °C при непрерывном механическом перемешивании со скоростью 300 rpm в течение 5 мин перед высокоскоростной обработкой, чтобы обеспечить начальное диспергирование сурфактантной фазы. Впоследствии проводили высокоскоростное смешивание с помощью роторно-статорного гомогенизатора при 3000 rpm в течение 25 мин, поддерживая температуру связующего в пределах 135–140 °C с помощью внешней системы контроля температуры масляной бани (точность ±1 °C). На протяжении всего процесса смешивания температуру непрерывно контролировали с помощью откалиброванного термопары K-типа, вставленной в матрицу связующего, при этом колебания, превышающие ±2 °C, вызывали автоматическую регулировку нагрева. Затем модифицированное связующее подвергали контролируемому охлаждению до 25 °C со скоростью 5 °C/мин перед последующим тестированием или кратковременным хранением. Протокол сдвига был разработан с учетом зависимости вязкости битумных связующих от температуры, что обеспечило подготовку всех образцов в сопоставимых условиях истории сдвига. Такой строгий термомеханический контроль гарантирует высокую повторяемость и минимизирует вариативность при подготовке связующего для теплых асфальтобетонных смесей (WMA).

Испытания на динамическом сдвиговом реометре (DSR)
Для характеристики реологического отклика и свойств усталостного износа асфальтобитумных вяжущих, модифицированных добавками для теплых смесей, были проведены испытания на динамическом сдвиговом реометре (DSR) с использованием ротационного реометра с регулируемой температурой в соответствии с ASTM D7175²². Реологическая оценка была сосредоточена на поведении при усталостных нагрузках в диапазоне промежуточных температур, что тесно связано с возникновением и распространением трещин в асфальтобетонных покрытиях.

Фактор усталости G*sin δ²³, широко признанный индикатором восприимчивости к усталости на уровне вяжущего, был принят для количественной оценки изменений в поведении вязкоупругой диссипации, вызванных модификацией теплой смеси и старением. Испытания на температурное сканирование проводились в диапазоне 58–82 °C с шагом температуры 6 °C. При каждой заданной температуре образцы выдерживали в течение 10 min для достижения равновесия перед сбором данных с целью обеспечения термической стабильности. Для изучения влияния старения на реологические свойства образцы вяжущего подвергались трем режимам старения: без старения, старению в установке для испытания тонкой пленки (RTFOT) и комбинированному старению в RTFOT и сосуде для ускоренного старения под давлением (PAV) ²⁴. Эти протоколы старения были разработаны для имитации краткосрочного старения в процессе производства и укладки, а также долгосрочного старения в период эксплуатации дорожного покрытия. Изменение G*sin δ в зависимости от температуры и условий старения анализировалось для оценки усталостной стойкости различных вяжущих.

Перед каждым испытанием на DSR образец вяжущего тщательно подрезали после загрузки между параллельными пластинами для обеспечения равномерного профиля кромки. Образец выдерживали при заданной температуре в течение 10 min перед началом измерений. Испытания проводили в диапазоне 58–82 °C с шагом 6 °C. Валидность испытания подтверждалась в тех случаях, когда измеренные значения крутящего момента и смещения оставались в пределах рекомендуемого рабочего диапазона прибора и не наблюдалось видимого проскальзывания образца.

Испытание на линейное развертывание амплитуды (LAS)
Характеристика вязкоупругого поведения проводилась в соответствии со спецификациями ASTM D7175 для динамического механического анализа²⁵. Экспериментальная методика включала развертывание амплитуды деформации для определения границ линейной вязкоупругости с последующим тестированием при контролируемой частоте 10 rad/s²⁶. Оценки температурной зависимости охватывали рабочий температурный спектр асфальтобетонных покрытий (58–82°C) и выполнялись с шагом 6°C, при этом на каждом изотермическом участке выделялось 10 минут для достижения теплового равновесия. Протокол AASHTO T391 использовался для количественной оценки накопления повреждений связующего через эволюцию диссипированной энергии, в частности путем мониторинга фактора вязкоупругой диссипации (|G*|sin δ) при циклическом нагружении ^27,28. Для прогнозирования закономерностей деградации битумных композитов была принята модель упрощенного вязкоупругого континуального повреждения (S-VECD)²⁹. Протокол LAS предусматривает осциллирующее развертывание амплитуды при фиксированной частоте 10 Hz с контролируемым увеличением деформации от 0.1% до 30% с шагом разрешения 0.1%.

Основные вязкоупругие параметры были рассчитаны с использованием следующих уравнений:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

где G''(ω) — модуль потерь, ω — угловая частота, m и b — коэффициенты аппроксимации, G'(ω) — модуль накопления, G*(ω) — комплексный модуль, δ(ω) — фазовый угол, и индекс вязкоупругости.

Количественная оценка повреждений проводилась с использованием основной зависимости, выраженной в уравнении (4):

(4)

В формуле: C(t) — параметр целостности, C(t)=G^* (t)/G^* (Initial), G^* — комплексный модуль (MPa);

γ_0—Приложенная деформация (%);
t—Продолжительность испытания (s)

Временная эволюция метрики повреждения D(t) и коэффициента структурной целостности C(t) математически параметризуется посредством степенного определяющего соотношения (Yuan 2024):

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

В формуле: C0​ представляет собой начальный параметр целостности (обычно равный 1), C1, C2 — параметры аппроксимации.

Рассчитайте значение усталостного повреждения, используя концепцию пиковой точки касательного напряжения:

(6)

Cpeak представляет собой параметр целостности, соответствующий точке максимального касательного напряжения.

Формула расчета усталостной долговечности:

N_f = A(γ_max)^-B (7)

В формуле: A, B—коэффициент, связанный с усталостью,

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

B=2a, f — частота нагрузки;
γ_max — ожидаемый максимальный уровень деформации (%)

Для обеспечения надежности и воспроизводимости экспериментальных результатов все испытания на уровне связующего и на уровне смеси проводились как минимум в 3 независимых повторностях (n = 3) для каждого условия. Представленные результаты соответствуют средним значениям повторных измерений. Вариабельность экспериментальных данных оценивалась с помощью стандартного отклонения (SD), а на всех соответствующих рисунках приведены планки погрешностей для отражения статистического разброса. Для параметров LAS–S-VECD, реологических показателей DSR и усталостной долговечности при четырехточечном изгибе дополнительно рассчитывался коэффициент вариации (COV) для оценки согласованности данных.

Во всех случаях анализировались статистические различия между модифицированными и немодифицированными связующими, чтобы убедиться, что наблюдаемые тенденции обусловлены не экспериментальным разбросом, а представляют собой статистически значимые различия в усталостном и реологическом поведении.

Испытание на усталостный изгиб по четырем точкам
Для проверки показателей усталости на уровне вяжущего и установления межмасштабных корреляций были проведены испытания на усталостный изгиб по четырем точкам асфальтобетонных смесей, приготовленных с использованием гранулометрического состава AC-16C^30,31. Гранулометрический состав заполнителя, кажущаяся плотность, объемный удельный вес и водопоглощение для каждой фракции заполнителя, а также свойства минерального порошка приведены в Таблице 2. Содержание асфальта во всех смесях было зафиксировано на уровне 4,8% для обеспечения единообразия различных составов теплых асфальтобетонных смесей (WMA).

Размер сита (mm)	Категория заполнителя					Синтетический гранулометрический состав (%)
	1# (10~20mm. 29%)	2# (5~10mm. 29.2%)	3# (3~5mm. 17%)	4# (0~3mm. 19%)	Минеральный порошок (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
Кажущаяся относительная плотность	2.899	2.918	2.845	2.754	2.872	2.865
Относительная плотность в состоянии SSD	2.854	2.847	2.816	2.691	－	2.814
Объемная плотность	2.829	2.81	2.8	2.655	－	2.787
Водопоглощение заполнителя (%)	0.85	1.32	0.56	1.36	－	－

Таблица 2: Гранулометрический состав заполнителей в теплой асфальтобетонной смеси. В таблице 2 представлен гранулометрический состав заполнителей теплой асфальтобетонной смеси, включая пропорции различных фракций заполнителей, содержание минерального порошка, синтетическую кривую гранулометрического состава и физические свойства заполнителей. В таблице приведен расчетный зерновой состав и основные характеристики заполнителей, используемых в асфальтобетонной смеси.

Испытания на усталостный изгиб при четырехточечном изгибе проводились с использованием испытательной установки Купера в условиях нагрузки с контролем деформации для оценки усталостной долговечности смесей теплого асфальтобетона (WMA)³². Критерием разрушения было определено количество циклов нагружения, необходимых для снижения изгибной жесткости до 50% от ее начального значения. В соответствии с установленным протоколом испытаний³³ циклическое нагружение прикладывалось в виде непрерывной синусоидальной волны с частотой 10 Hz при изотермических условиях 15 °C. Все испытания проводились без периодов отдыха для обеспечения непрерывного подвода энергии во время усталостного нагружения^34,35.

Образцы балок были изготовлены в соответствии со стандартными требованиями к размерам: длина 381 ± 6.35 mm, ширина 63.5 ± 6.35 mm и высота 50.8 ± 6.35 mm³⁶³⁷. В условиях контроля деформации показатели усталости характеризовались путем построения кривых усталостных характеристик для образцов с различными составами WMA в системе двойных логарифмических координат³⁸. Впоследствии была установлена степенная определяющая зависимость, и для аппроксимации данных об усталости различных асфальтобетонных смесей применялся нелинейный регрессионный анализ, что послужило основой для последующего моделирования усталостной долговечности и сравнительного анализа^39,40,41. Образец балки симметрично закрепляли в приспособлении для четырехточечного изгиба, при этом перед нагружением проверяли контакт между зажимами нагрузки и поверхностью образца. Испытание проводили при температуре 15 °C под синусоидальной нагрузкой с контролем деформации при частоте 10 Hz без периодов отдыха. Конечной точкой испытания считали количество циклов, при котором изгибная жесткость снижалась до 50% от своего первоначального значения. Испытания считались действительными, если разрушение происходило в пределах расчетного участка и не наблюдалось аномального проскальзывания зажимов или внезапного невызванного усталостью излома. Все количественные данные представлены как среднее значение ± стандартное отклонение (mean ± SD), при этом размер выборки n = 3 для всех экспериментальных групп, если не указано иное.

Результаты

Реологические свойства WMA
Область межфазного взаимодействия асфальта и заполнителя широко признана основным местом возникновения усталостного растрескивания. Соответственно, для оценки усталостных характеристик вяжущих для теплого асфальтобетона (WMA) использовался реологический параметр усталости G*sin δ, измеренный при промежуточных рабочих температурах. Рисунок 1 демонстрирует изменение G*sin δ для исходных и модифицированных для теплого смешивания вяжущих асфальтов A, B и C. Все количественные результаты представлены как среднее ± SD на основе трех повторных измерений (n = 3). Статистические сравнения между исходными и модифицированными вяжущими при одной и той же температуре проводились с использованием t-критерия для независимых выборок; различия считались значимыми при p < 0.05. Как показано на Рисунке 1, значение G*sin δ непрерывно снижается с повышением температуры для всех асфальтовых вяжущих, что указывает на снижение связанной с усталостью жесткости при более высоких промежуточных температурах. Для асфальта A AP демонстрирует значительно более высокие значения G*sin δ, чем AO, во всем исследованном диапазоне температур 16–25 ˚ C (p = 0.025 (диапазон: 0.018–0.032), при этом значение AP снижается с 7685 ± 126 до 2480 ± 84 kPa, тогда как AO снижается с 5580 ± 112 до 1535 ± 76 kPa. Аналогично, BP показывает значительно более высокие значения G*sin δ, чем BO, в диапазоне от 22 до 28 (p = 0.021 (диапазон: 0.011–0.027)), при этом BP снижается с 7980 ± 138 до 3985 ± 105 kPa, а BO снижается с 6120 ± 120 до 1725 ± 82 kPa. Эти результаты позволяют предположить, что добавка для теплого смешивания увеличивает коэффициент усталости асфальтов A и B, что ведет к большему рассеянию вязкой энергии и потенциально более высокой восприимчивости к усталости на уровне вяжущего. Напротив, для асфальта C наблюдается лишь незначительная разница между CO и CP; хотя CP немного выше, чем CO при той же температуре, эта разница не является статистически значимой при большинстве температур (p = 0.086–0.214). В частности, CP снижается с 13.420 ± 185 до 4420 ± 96 kPa, в то время как CO снижается с 13.080 ± 172 до 4350 ± 91 kPa, что указывает на ограниченное влияние добавки для теплого смешивания на реологическое поведение асфальта C, связанное с усталостью. В целом, три вяжущих демонстрируют разную реакцию на модификацию для теплого смешивания, что отражает влияние источника асфальта на усталостные характеристики. Асфальты A и B более чувствительны к добавке для теплого смешивания, тогда как асфальт C сохраняет относительно стабильную усталостную прочность после модификации.

Напротив, асфальт C не демонстрирует значительных изменений G*sin δ после модификации для создания теплых смесей, что указывает на ограниченное влияние добавки для теплых смесей на его реологические свойства, связанные с усталостью. Это наблюдение позволяет предположить, что внутренний химический состав асфальта C определяет его вязкоупругий отклик, тем самым снижая чувствительность параметров усталости к модификации добавками. Эти результаты подчеркивают зависимость эффекта модификации для теплых смесей от источника нефти. Результаты температурного сканирования выявили общие реологические тенденции для всех исследованных вяжущих. При повышении температуры коэффициент колеи G*/sin δ непрерывно снижается, в то время как фазовый угол δ постепенно увеличивается, что указывает на прогрессирующий переход к поведению с преобладанием вязкости. Повышенные температуры усиливают молекулярное движение внутри вяжущего, ослабляют упругие структуры и снижают сопротивление деформации. И наоборот, увеличение степени старения приводит к более высоким значениям G*/sin δ и более низким фазовым углам, что отражает повышенную жесткость и упругий отклик вследствие вызванного старением отверждения.

Рисунок 1. Коэффициент усталости (G*sin δ) различных асфальтовых вяжущих в зависимости от температуры. (A) Асфальт A (Карамай); (B) Асфальт B (CNOOC 36-1); (C) Асфальт C (PetroChina/венесуэльский Boscan). AO, BO и CO обозначают исходные асфальтовые вяжущие, тогда как AP, BP и CP обозначают соответствующие теплые асфальтобетонные вяжущие. Для всех вяжущих G*sin δ снижается с повышением температуры, при этом влияние модификации для «теплых» смесей варьируется в зависимости от источника вяжущего. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Эти реологические изменения можно объяснить изменением состава асфальтобитумных вяжущих в процессе термоокислительного старения. Низкомолекулярные компоненты постепенно превращаются в высокомолекулярные структуры в результате реакций окисления и полимеризации, что приводит к увеличению комплексного модуля G*. Одновременно с этим накопление полярных продуктов окисления усиливает запас энергии упругости, что проявляется в снижении фазового угла. По мере старения вяжущее становится всё более чувствительным к колебаниям температуры, и температурная зависимость реологических параметров, связанных с усталостью, становится более выраженной.

В целом, полученные результаты демонстрируют, что влияние модификации с использованием теплых смесей на реологические свойства вяжущего, связанные с усталостью, сильно зависит от происхождения сырой нефти. Хотя добавка для теплых смесей изменяет поведение вязкоупругой диссипации некоторых вяжущих, её эффективность ограничена внутренним составом и характеристиками старения базового асфальта. Эти выводы подчеркивают необходимость учета свойств, специфичных для источника нефти, при интерпретации факторов усталости на основе данных DSR и оценке показателей усталостной долговечности вяжущих для теплых асфальтобетонных смесей. Увеличение G·sin δ, связанное со старением, было количественно определено с использованием необработанных данных DSR, обобщенных на Рисунке 1. Процентные изменения рассчитывались относительно соответствующего состояния не подвергнутого старению вяжущего.

Линейное развертывание амплитуды
Ключевые параметры, полученные с помощью концепции S-VECD, обобщены в таблице 3. Индекс целостности C количественно характеризует прогрессирующую деградацию асфальтобитумных вяжущих при циклическом механическом воздействии, где C = 1 представляет исходное, неповрежденное состояние, а C = 0 соответствует полному разрушению структуры. Кроме того, коэффициенты регрессии C₁ и C₂ описывают эволюцию целостности материала по мере увеличения повреждений. Более низкие значения C₁ и C₂ указывают на повышенную структурную стабильность при эквивалентных уровнях повреждения, что напрямую связано с повышенной усталостной стойкостью на уровне вяжущего. Как показано в таблице 3, старение обычно увеличивает C₁ и уменьшает C₂, что свидетельствует об ухудшении эволюции целостности вяжущего и снижении усталостной стойкости. Асфальт Karamay демонстрирует самую высокую устойчивость к накоплению повреждений при самых низких значениях C₁ и относительно высоких значениях C₂, в то время как асфальт CNPC демонстрирует противоположную тенденцию, что указывает на более низкие показатели усталостной прочности.

Тип асфальта	α	C₀	C₁	C₂	A	B
Karamay	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
Старенный 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
Старенный 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
Старенный CNPC	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

Таблица 3: Параметры, относящиеся к методу VECD. В таблице 3 приведены подогнанные параметры модели для трех видов асфальтобитумных вяжущих в несстаренном и состаренном состояниях. Вариации параметров отражают влияние типа асфальта и старения на характеристики модели.

Рисунок 2 иллюстрирует кривые эволюции повреждений различных асфальтовых вяжущих как в обычных условиях, так и в условиях с модификацией для теплых смесей. При идентичных уровнях напряжения системы асфальтобетона с теплым смешиванием (WMA) демонстрируют заметно более низкую скорость накопления повреждений по сравнению с обычными аналогами, что указывает на более благоприятную эволюцию повреждений. Такое поведение предполагает, что модификация для теплых смесей оптимизирует механизм диссипации внутренней энергии при циклическом нагружении, тем самым повышая усталостную стойкость. Процентные изменения коэффициентов скорости повреждения были рассчитаны на основе подогнанных параметров S-VECD, приведенных в Таблице 3, где в качестве эталонного условия использовалось немодифицированное вяжущее.

Рисунок 2: Характеристики усталостной стойкости различных составов асфальтового вяжущего. (A) Асфальт A; (B) Асфальт B; (C) Асфальт C. AO, BO и CO представляют собой исходные образцы асфальта, в то время как AP, BP и CP обозначают соответствующие образцы теплого асфальтобетона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Детальный анализ профилей эволюции повреждений выявляет выраженные различия в зависимости от типа битумного вяжущего. Модифицированный с помощью технологии «теплого асфальтобетона» Asphalt A демонстрирует более высокую усталостную прочность по сравнению с немодифицированным вяжущим, о чем свидетельствует более благоприятное положение кривой эволюции повреждений. Этот результат подтверждает, что добавка для «теплого асфальтобетона» эффективно повышает долговечность Asphalt A при многократном нагружении. Напротив, Asphalt B демонстрирует незначительный отклик на модификацию методом «теплого асфальтобетона», при этом траектории прогрессирования повреждений для модифицированного и немодифицированного вяжущих почти идентичны. Для Asphalt C наблюдается улучшение, зависящее от порогового значения: модифицированное вяжущее превосходит базовый асфальт только тогда, когда переменная повреждения превышает 100 единиц, что указывает на то, что эффективность добавки активируется преимущественно на поздних стадиях повреждения.

Количественные сравнения усталостной долговечности, полученные в результате теста LAS, представлены на Рисунке 3. Наблюдаемые различия в показателях усталостной стойкости дополнительно подчеркивают специфику взаимодействия присадок для теплых асфальтобетонных смесей с вяжущим, эффективность которого в значительной степени определяется внутренними композиционными характеристиками базового асфальта. Среди исследованных материалов асфальт PetroChina из Циньхуандао демонстрирует самую высокую усталостную стойкость, что отражает внутренние преимущества, связанные с составом его базового сырья. Напротив, асфальт из Карамая показывает наиболее выраженное улучшение после модификации присадками для теплых смесей, что подчеркивает критическую роль свойств базового асфальта в определении потенциала повышения эксплуатационных характеристик при использовании данных присадок.

Рисунок 3. Сравнение усталостной долговечности горячих асфальтобетонных смесей (HMA) и теплых асфальтобетонных смесей (WMA) для трех типов асфальтобитумных вяжущих. Усталостная долговечность WMA и HMA различается лишь незначительно для всех трех типов вяжущих. Самая высокая усталостная долговечность наблюдается у асфальта C, за которым следуют асфальты A и B. В целом результаты показывают, что модификация с применением теплых смесей оказывает лишь умеренное влияние на усталостную долговечность, при этом величина и направление изменений зависят от типа вяжущего. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Несмотря на то что модификация с использованием технологии теплого смешивания в целом улучшила показатели усталостной долговечности, степень улучшения для некоторых вяжущих была относительно скромной. Такое поведение можно объяснить механизмом действия Evotherm M1, который в основном снижает температуру производства и смягчает краткосрочное окислительное старение, а не химически укрепляет структуру вяжущего. Следовательно, ожидается, что повышение усталостной стойкости будет умеренным и будет сильно зависеть от собственных характеристик базового асфальта. Согласованность между повторными измерениями указывает на то, что наблюдаемые тенденции воспроизводимы, несмотря на ограниченную величину улучшения. Для дальнейшей интерпретации наблюдаемого зависящего от вяжущего усталостного поведения с химической точки зрения был проанализирован Einfluss состава сырой нефти на параметры S-VECD и показатели усталостной долговечности. Три вяжущих демонстрируют различные композиционные характеристики: более высокие соотношения ароматических соединений к насыщенным обычно связаны с улучшенным перераспределением напряжений и замедленным накоплением повреждений, тогда как системы с более высоким содержанием асфальтенов имеют тенденцию ускорять рост жесткости и снижать усталостную стойкость.

В данном исследовании асфальт из Карамая характеризуется относительно более высокой ароматической фракцией и более низким содержанием насыщенных углеводородов, что соответствует более низким скоростям развития повреждений (сниженным значениям C₁) и повышенной усталостной долговечности как в испытаниях LAS, так и в тестах на уровне смеси. Напротив, битум производства PetroChina демонстрирует более сбалансированную, но относительно более высокую долю насыщенных соединений, что приводит к промежуточному поведению накопления повреждений согласно S-VECD. Асфальт производства CNOOC, с более высокими долями фракций, связанных с полярностью (согласно характеристикам сырой нефти), демонстрирует более быстрый рост жесткости при циклическом нагружении, что отражается в более высоких значениях C₁ и сниженной усталостной долговечности. Эти результаты позволяют предположить, что баланс ароматических соединений и насыщенных углеводородов определяет пути диссипации вязкоупругой энергии и эволюцию микроструктурных повреждений, тем самым напрямую влияя на параметры S-VECD и сопротивление усталости. В целом, полученные результаты следует рассматривать как механистически обоснованную, но ограниченную определенными условиями концептуальную схему, а не как полностью универсальную прогностическую модель для всех систем асфальтобетона.

Усталостная стойкость на уровне смеси
Была проведена систематическая оценка усталостной стойкости асфальтобетонных смесей с применением различных технологий теплого асфальтобетона (WMA), и соответствующие результаты усталостных испытаний приведены в Таблице 4. Эти данные количественно определяют выносливость асфальтобетонных смесей при циклическом нагружении и выявляют заметные различия в долговечности при усталости между исследованными составами WMA. Наблюдаемая вариабельность указывает на то, что показатели усталости на уровне смеси сильно зависят от состава материала и используемой технологии теплого асфальтобетона.

Тип асфальта	Идентификатор образца	Пористость (%)	уровень штамма (με)	Усталостная долговечность (циклы)
Карамай	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

Таблица 4: Результаты испытаний на усталость асфальтобетонных смесей с различными WMA. В таблице 4 обобщены результаты испытаний на усталость асфальтобетонных смесей с применением различных технологий теплого смешивания, включая усталостную долговечность и соответствующие показатели эксплуатационных характеристик при различных условиях тестирования. Результаты демонстрируют различия в усталостной стойкости между смесями теплого асфальтобетона и служат основой для оценки их усталостных свойств.

Усталостные характеристики битумных композитов математически моделируются с помощью уравнения (9), которое количественно определяет циклическую деградацию напряжений в дорожных материалах. Эта зависимость формализует усталостный отклик асфальтовых смесей в условиях многократного нагружения, служа расчетной основой для анализа долговечности:

(9)

В формуле: N_f — усталостный долговечность асфальтобетонной смеси;
ε — деформация;
k, n — коэффициенты.

На основании уравнения (9) для каждой асфальтобетонной смеси был проведен регрессионный анализ для калибровки соответствующих параметров модели усталости. Полученные коэффициенты k и n обеспечивают количественное представление характеристик усталостной деградации конкретной смеси и позволяют проводить прямое сравнение показателей усталостной долговечности различных составов WMA. Калиброванные параметры уравнения усталости приведены в Таблице 5.

Типы асфальта	Уравнение усталости	к	н	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
С	y = 1,233 × 1019x−5,975​	1.233 × 1019	5.975	0.964

Таблица 5: Параметры уравнения усталости асфальтобетонных смесей с различным WMA. В таблице 5 обобщены параметры уравнения усталости асфальтобетонных смесей с применением различных технологий теплого смешивания, включая коэффициенты регрессии и параметры модели, используемые для описания взаимосвязи между усталостной долговечностью и условиями нагружения. Эти параметры обеспечивают количественную основу для прогнозирования усталостных характеристик и сравнения сопротивления усталости различных смесей теплого асфальтобетона.

Рисунок 4 представляет зависимости долговечности при усталости от деформации для асфальтобетонных смесей с различными типами WMA, основанные на подогнанных моделях усталости. Как и ожидалось, усталостная долговечность всех смесей систематически снижается с увеличением амплитуды деформации, что согласуется с классическим поведением при усталости битумных композитов. Сравнительный анализ кривых усталости выявляет четкую иерархию усталостной стойкости смесей, при этом общий рейтинг эффективности определен следующим образом: Материал C > Материал A > Материал B. Этот рейтинг отражает относительную способность каждой смеси выдерживать повторяющиеся циклы нагрузки до разрушения и согласуется с параметрами регрессии, приведенными в Таблице 5.

Рисунок 4: Характеристики усталости асфальтобетонных смесей с различными типами теплого смешивания. Как показано на рисунке 4, усталостная долговечность всех асфальтобетонных смесей снижалась при увеличении уровня деформации. Среди трех смесей, полученных методом теплого смешивания, смесь C продемонстрировала наибольшую усталостную стойкость, за которой следовали смеси A и B. Значительно более высокая усталостная долговечность смеси C указывает на то, что данная технология теплого смешивания эффективно повышает устойчивость асфальтобетонных смесей к накоплению усталостных повреждений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть этот рисунок в большем размере.

При эквивалентных условиях содержания воздушных пустот технология WMA обеспечивает значительные преимущества по усталостной долговечности за счет снижения температуры производства и уплотнения примерно на 20–30 °C. Такое снижение температуры замедляет краткосрочное окислительное старение асфальтобитумных вяжущих, которое является основным фактором долгосрочного охрупчивания. Сохраняя вязкоупругость вяжущего и способность к рассеиванию напряжений, WMA подавляет возникновение и распространение микротрещин при циклическом нагружении. В результате снижается накопление усталостных повреждений, что ведет к увеличению усталостной долговечности смеси и повышению износостойкости дорожного покрытия. Эти преимущества имеют решающее значение для продления срока службы, снижения затрат на техническое обслуживание и создания более долговечной и экономически эффективной дорожной инфраструктуры. Для изучения соответствия между усталостным поведением на уровне вяжущего и на уровне смеси был проведен анализ корреляции между фактором усталости вяжущего G*sin δ и усталостной долговечностью смеси N_f, как показано на Рисунке 5. Для всех вяжущих наблюдается статистически значимая взаимосвязь, что указывает на измеримое влияние реологических свойств вяжущего на показатели усталостной долговечности смеси. В частности, для вяжущего B наблюдается исключительно сильная корреляция (R² = 0.99, p < 0.001), что позволяет рассматривать G*sin δ как надежный предиктор усталостной долговечности смеси для данного материала. Напротив, вяжущие A и C демонстрируют сравнительно более слабые корреляции (R² = 0.6051 и 0.7933), что означает, что одна только реология вяжущего не может полностью описать усталостное поведение смеси в этих системах.

Рисунок 5: Корреляция между фактором усталости асфальта G*sin δ и усталостной долговечностью смеси N_f. (A) Асфальт A; (B) Асфальт B; (C) Асфальт C. Рисунок 5 показывает, что G∗sinδ положительно коррелирует с усталостной долговечностью смеси, при этом наибольшая согласованность наблюдается у асфальта B, за которым следуют асфальт C и A. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дальнейшая кросс-масштабная валидация проводилась путем корреляции параметров эволюции повреждений вяжущего, полученных в ходе испытаний LAS и интерпретированных с помощью упрощенной модели вязкоупругого континуумного повреждения (S-VECD), с усталостной долговечностью смеси. Как показано на Рисунке 6, наблюдаются сильные линейные корреляции между прогрессирующей деградацией вяжущего и усталостными характеристиками смеси. Для всех трех видов вяжущего коэффициенты корреляции превышают 0,9, что демонстрирует устойчивую и последовательную связь между характеристиками повреждения на уровне вяжущего и усталостной стойкостью на уровне смеси.

Рисунок 6: Корреляция между усталостным повреждением асфальта и усталостным сроком службы смеси N_f. (A) Асфальт A; (B) Асфальт B; (C) Асфальт C. Как показано на рисунке 6, усталостное повреждение асфальта демонстрирует сильную положительную корреляцию с усталостным сроком службы Nf асфальтобетонных смесей. Для асфальтов A, B и C были получены высокие коэффициенты детерминации, что указывает на то, что параметры усталостного повреждения могут эффективно характеризовать усталостные свойства асфальтобетонных смесей. По сравнению с традиционным коэффициентом усталости вяжущего G∗sinδ, усталостное повреждение обеспечивает более прямое представление поведения при усталостной деградации асфальтобетонных смесей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

В целом, результаты испытаний на усталость на уровне смеси подтверждают, что усталостные характеристики определяются совокупностью состава смеси, применением технологии теплого асфальтобетона и свойствами вяжущего. В то время как традиционные реологические показатели обладают ограниченной прогностической способностью для некоторых видов вяжущих, метрики повреждений на основе LAS–S-VECD демонстрируют сильную и устойчивую корреляцию с усталостной долговечностью смеси. Эти данные подтверждают, что характеристика повреждений на уровне вяжущего является эффективным суррогатным методом оценки долговечности смеси и обеспечивает механистическую основу для проектирования дорожных покрытий на основе эксплуатационных характеристик. Заметно различающиеся реакции трех типов асфальтовых вяжущих на модификацию технологией теплого асфальтобетона могут быть фундаментально объяснены различиями в их химическом составе, производном от сырой нефти, и результирующих коллоидных структурах. Асфальтовые вяжущие обычно рассматриваются как коллоидные системы, состоящие из асфальтенов, диспергированных в мальтеновой фазе, которая включает ароматические соединения, смолы и насыщенные углеводороды. Баланс между этими фракциями определяет чувствительность вяжущего к внешним модификаторам, таким как добавки для теплого асфальтобетона. Для Карамайского асфальта (Вяжущее A) относительно высокое содержание смол и низкая парафиновая фракция приводят к созданию более дисперсной сети асфальтенов с более слабой внутренней структурной стабильностью. В данной системе введение добавки для теплого асфальтобетона значительно изменяет вязкость и молекулярную подвижность, что приводит к усилению диссипации энергии и увеличению значений G*sin δ. Это указывает на то, что добавка активно модифицирует взаимодействие внутренних фаз, делая вяжущее более восприимчивым к циклическим деформациям и, таким образом, ускоряя накопление усталостных повреждений на уровне вяжущего.

Напротив, битум компании CNOOC (Binder B) характеризуется более сбалансированным нафтеновым составом со стабильной коллоидной структурой. Равновесие между асфальтенами и смолами в этом вяжущем обеспечивает относительно прочную внутреннюю сеть, которая ограничивает проникновение и структурное влияние добавки для теплых смесей. В результате наблюдаются минимальные изменения реологического поведения и эволюции повреждений, что указывает на то, что эффект добавки в значительной степени ограничен внутренней стабильностью микроструктуры вяжущего. Для битума компании PetroChina (Binder C) более высокая доля полярных фракций и повышенная сложность асфальтенов приводят к формированию более жесткой и склонной к агрегации микроструктуры. В данном случае добавка для теплых смесей, по-видимому, проявляет пороговый характер активации, при котором ее влияние становится более выраженным только после значительного накопления повреждений. Это позволяет предположить, что добавка не вступает в сильное взаимодействие с исходной коллоидной структурой, а вместо этого влияет на процесс эволюции повреждений на более поздних стадиях, модифицируя пути перераспределения напряжений.

В целом, данные результаты демонстрируют, что эффективность модификации с применением горячих смесей не является универсальной, а в значительной степени определяется внутренней коллоидной стабильностью и химическим составом базового асфальта. Таким образом, наблюдаемые различия в эволюции повреждений S-VECD и усталостных характеристиках смеси могут быть напрямую связаны с микроструктурной неоднородностью трех связующих, что дает механистическое объяснение зависимости поведения от источника нефти, наблюдаемой как в реологических, так и в усталостных испытаниях.

ДОСТУПНОСТЬ ДАННЫХ:
Все данные, модели и программный код, созданные или использованные в ходе исследования, доступны в дополнительной папке под названием «Raw data».

Обсуждение

В данном исследовании предлагается многомасштабная система оценки усталости, которая объединяет испытания битума методом линейного развертывания амплитуды (LAS) с упрощенной моделью вязкоупругого континуального повреждения (S-VECD) и испытания смеси на усталость при четырехточечном изгибе для установления механистической связи между эволюцией повреждений битумного вяжущего и усталостными характеристиками смеси. В отличие от традиционных подходов к оценке усталости, которые в основном опираются на эмпирические реологические показатели, такие как G*·sin δ, предлагаемая система использует параметры повреждения, выведенные из механики континуального повреждения, для характеристики внутренней деградации битумных вяжущих при циклическом нагружении. Учитывая происхождение сырой нефти, из которой получен асфальт, в качестве влияющего фактора, данное исследование дополнительно демонстрирует, что эффективность модификации с применением теплых смесей не является универсальной, а сильно зависит от химического состава и коллоидной структуры базового вяжущего. Эти результаты дают новое представление о взаимодействии между источником сырья, добавками для теплых смесей, восприимчивостью к старению и сопротивлением усталости, тем самым закладывая основу для более механистического подхода к оценке асфальтобетонных материалов. Предыдущие исследования подчеркивали потенциал анализа LAS–S-VECD для характеристики усталости вяжущего; однако возможность его прямого применения для прогнозирования усталостных характеристик на уровне смеси остается предметом постоянных исследований. Настоящая работа вносит вклад в эту область исследований, подтверждая многомасштабную взаимосвязь между эволюцией повреждений вяжущего и усталостным поведением смеси для нескольких систем вяжущих.

Предложенная концепция углубляет научное понимание механизмов усталости асфальтобетона, устраняя разрыв между реологической характеристикой связующего и структурными показателями смеси. Традиционные методы оценки связующего часто дают ограниченную информацию о прогрессирующем накоплении усталостных повреждений, так как такие параметры, как комплексный модуль и фазовый угол, в первую очередь описывают мгновенный вязкоупругий отклик, а не эволюцию повреждений. В отличие от них, подход S-VECD рассматривает асфальтовые связующие как непрерывно деградирующие вязкоупругие материалы и предоставляет количественные дескрипторы потери структурной целостности при циклическом нагружении. Сильные корреляции, полученные в данном исследовании между параметрами LAS–S-VECD и усталостным сроком службы смеси, указывают на то, что эволюция повреждений на уровне связующего может предоставить значимую информацию об этапе зарождения трещин в смеси. Аналогичные результаты свидетельствуют о том, что параметры, основанные на механизме повреждений, могут обладать более высокой прогностической способностью по сравнению с традиционными реологическими индексами. Таким образом, данная работа расширяет современные исследования усталости асфальтобетона, предоставляя экспериментальные доказательства того, что механика повреждений на уровне связующего может служить связующим звеном для проектирования дорожных материалов на основе эксплуатационных характеристик.

Несмотря на многообещающие результаты, следует признать ряд ограничений. Во-первых, данное исследование проводилось с использованием трех видов асфальтовых вяжущих, полученных из конкретных источников сырой нефти, и одного гранулометрического состава заполнителя; следовательно, универсальность предложенной зависимости требует дальнейшего подтверждения с использованием более широкого спектра вяжущих, технологий модификации и составов смесей. Хотя выбранные вяжущие представляют типичные дорожные материалы, используемые в инженерной практике, асфальтовые материалы демонстрируют значительную вариативность из-за различий в происхождении сырой нефти, процессе переработки и химическом составе. Во-вторых, лабораторные испытания на усталость проводились при контролируемых условиях температуры и нагрузки, в то время как реальные дорожные конструкции подвергаются воздействию сложных факторов окружающей среды, включая колебания температуры, проникновение влаги, вариативность транспортной нагрузки и длительное старение. В-третьих, несмотря на то что параметры LAS–S-VECD показали сильную корреляцию с усталостными характеристиками смеси, текущего набора данных недостаточно для создания универсальной прогностической модели, применимой ко всем асфальтобетонным системам. Таким образом, будущие исследования должны включать более обширные базы данных и наблюдения за эксплуатационными характеристиками в полевых условиях для дальнейшего повышения надежности и переносимости предложенного подхода.

Для дальнейшего изучения взаимосвязи между развитием повреждений вяжущего и усталостными характеристиками смеси могут быть рассмотрены и альтернативные подходы. Например, современные методы химического анализа, включая инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье (FTIR), ядерный магнитный резонанс (NMR) и моделирование молекулярной динамики, могли бы дать дополнительные сведения о молекулярных механизмах, определяющих усталостное поведение в зависимости от источника нефти. Предыдущие исследования показали, что вариации в молекулярной структуре асфальта, включая агрегацию асфальтенов, распределение ароматических соединений и взаимодействия, связанные с полярностью, существенно влияют на реологический отклик и склонность к старению. Кроме того, для прямого наблюдения за эволюцией микроструктуры в процессе накопления усталостных повреждений могут быть использованы передовые методы визуализации, такие как атомно-силовая микроскопия (AFM) и методы рентгеновского анализа. Сочетание этих подходов с анализом LAS–S-VECD может обеспечить более комплексное понимание взаимосвязи между молекулярной структурой, механикой повреждения вяжущего и макроскопическими эксплуатационными характеристиками дорожного покрытия.

Предложенная методология на основе LAS–S-VECD имеет важный потенциал применения в нескольких областях проектирования асфальтобетонных покрытий и материаловедения. С практической точки зрения эта структура может быть использована в качестве эффективного инструмента скрининга для оценки подходящих вяжущих, подбора соответствующих добавок для теплых асфальтобетонных смесей и анализа чувствительности к старению перед проведением трудоемких экспериментов по определению усталости на уровне смеси. По сравнению с традиционными эмпирическими спецификациями, предлагаемый подход обеспечивает механистическую основу для проектирования дорожных покрытий, ориентированного на эксплуатационные характеристики, за счет прямой связи характеристик повреждения вяжущего с долговечностью конструкции. Это особенно ценно для технологий устойчивого дорожного строительства, где расширение применения теплых асфальтобетонных смесей, вторичных материалов и альтернативных вяжущих требует надежных методов прогнозирования долгосрочных эксплуатационных свойств. Кроме того, данная методология может способствовать разработке систем проектирования дорожных покрытий на основе данных, предоставляя физически значимые дескрипторы усталости, которые могут быть интегрированы в прогностические модели и системы оценки жизненного цикла.

Будущие исследования должны быть направлены на расширение применимости предлагаемой концепции для более комплексного и ориентированного на полевые условия прогнозирования эксплуатационных характеристик дорожных покрытий. В последующих работах следует использовать более обширные базы данных вяжущих, охватывающие различные источники сырой нефти, полимерно-модифицированные вяжущие, переработанные асфальтовые материалы и новые экологически устойчивые модификаторы для создания более обобщенных моделей прогнозирования усталости. Кроме того, интеграция анализа LAS–S-VECD с методами многомасштабного анализа характеристик, подходами искусственного интеллекта и моделированием на молекулярном уровне может способствовать более глубокому пониманию и повышению точности прогнозирования усталостного поведения асфальта. Для проверки лабораторных прогнозов в реальных условиях эксплуатации также следует внедрить долгосрочный полевой мониторинг и ускоренные испытания дорожных покрытий. В конечном итоге ожидается, что сочетание механистического моделирования повреждений, расширенного анализа характеристик материалов и стратегий проектирования на основе эксплуатационных показателей будет способствовать созданию более долговечных, устойчивых и надежных систем асфальтобетонных покрытий.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Связующее A / AO, асфальт Карамай	Источник: сырая нефть Карамай, Китай	Н/Д	Базовое асфальтобетонное связующее
Связующее B / BO, асфальт CNOOC 36-1	Источник: морская сырая нефть CNOOC 36-1, Китай	Н/Д	Базовое асфальтобетонное связующее
Связующее C / CO, асфальт PetroChina	Источник: сырая нефть PetroChina / венесуэльская нефть Boscan	Н/Д	Базовое асфальтобетонное связующее
Добавка для теплых асфальтобетонных смесей Evotherm M1	Ingevity / MeadWestvaco	Evotherm M1	Добавка для приготовления связующего WMA
Динамический сдвиговой реометр	Malvern	Kinexus DSR+	Используется для температурного сканирования DSR и испытаний LAS
Установка для испытания в тонкопленочном окислителе (RTFOT)	Shanghai Changji	SYD-0610	Используется для краткосрочного старения
Сосуд для старения под давлением (PAV)	InstroTek	PAV-9300	Используется для долгосрочного старения
Система четырехточечного изгиба для испытаний на усталость	Cooper Research Technology	SA4PT	Используется для испытаний смеси на усталость при контролируемой деформации
Аналитическая платформа S-VECD	анализ данных	Н/Д	Используется для расчета параметров повреждения на основе LAS
Программное обеспечение для анализа данных	Origin	OriginPro 2024	Используется для регрессионного анализа, корреляционного анализа и построения графиков