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.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Исследовательская статья
Многомасштабная характеристика усталостных повреждений теплого асфальтобетона на основе испытаний с линейным увеличением амплитуды и четырехточечного изгиба
В этой статье
Краткое содержание
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 °C5,6. 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 эксплуатации11,12. 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 стойкость17,18,19. 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.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
Материалы
Три асфальтовых вяжущих, выбранных для данного исследования и представленных в Таблице 1, являются типичными дорожными вяжущими, полученными из различных источников сырой нефти и широко используемыми в дорожном строительстве в Китае. Асфальт Karamay, асфальт CNOOC 36-1 и асфальт PetroChina существенно различаются по происхождению сырья, химическому составу, подверженности старению и реологическим характеристикам, что создает подходящую материальную основу для изучения усталостного поведения в зависимости от источника нефти. Их выбор позволяет провести сравнительную оценку того, как внутренний состав вяжущего влияет на эффективность модификации при производстве теплых смесей и усталостные характеристики на уровне смеси, тем самым повышая практическую значимость предлагаемой многомасштабной системы характеризации усталости. Подробные сведения о геологическом происхождении и химических характеристиках каждого вяжущего приведены ниже:
Связующее A: Получено из сырья тяжелой нефти 9-й зоны путем смешивания вакуумного остатка и обессмоленного асфальта. Его базовый материал обладает характерными свойствами, включая низкое содержание парафинов (<2%), минимальную концентрацию серы и высокое содержание смол. Примечательно, что асфальт из Карамая является единственным дорожным связующим с удельным весом ниже 1 г/см3 в современной инженерной практике; он также характеризуется высокой динамической вязкостью и отличным сохранением пластичности после старения. Эти характеристики делают его особенно подходящим для регионов с большими суточными колебаниями температуры и интенсивным воздействием ультрафиолетового излучения.
Связующее B: Получено из редкой тяжелой сырой нефти, добываемой на шельфовом месторождении Suizhong 36-1, с высоким выходом битума 56% в результате переработки. Сырье классифицируется как серодефицитная нафтеновая тяжелая нефть с высоким кислотным числом, что приводит к получению переработанного связующего с высокой плотностью (1,012 g/cm3), низким содержанием парафина (1,8%) и повышенной долей смол. Такие свойства обеспечивают связующему отличную гибкость при низких температурах, что делает его преимущественным для применения в условиях холодного климата.
Связующий C: Преимущественно разработан на основе тяжелой венесуэльской нефти Boscan, при этом выход продукта составил 60% благодаря применению специализированных процессов переработки. Эта сырая нефть обладает уникальными геохимическими характеристиками, включая высокое содержание кислот, значительные концентрации тяжелых металлов и высокий потенциал образования коксового остатка. Связующее характеризуется нетипичным углеводородным составом с низким содержанием фракций насыщенных углеводородов, обогащенными смолисто-асфальтеновыми комплексами и крайне низким содержанием парафинов (1,3%).
В данном исследовании три базовых асфальтобитумных вяжущих были обозначены как AO (Карамай), BO (CNOOC 36-1) и CO (PetroChina). Соответствующие вяжущие для теплых асфальтобетонных смесей (WMA) были подготовлены путем добавления присадки Evotherm M1 и получили коды AP, BP и CP соответственно.20Комплексные показатели эксплуатационных характеристик, включая пенетрацию, температуру размягчения и пластичность, были протестированы в соответствии со стандартом JTG E20-2011.21 технические характеристики, при этом подробные сравнительные данные представлены в Таблица 1Все экспериментальные процедуры строго соответствовали стандартизированным протоколам, изложенным в Технических спецификациях по проектированию дорожного покрытия для асфальтовых и битумных смесей.
| Проект | Единица измерения | Карамай | CNOOC | CNPC |
| Проникающая способность | 0.1 mm (15 °C) | 2 | 2 | 24 |
| 0.1 mm (25 °C) | 72 | 68 | 71 | |
| 0.1 mm (30 °C) | 12 | 110 | 16 | |
| Индекс проникаемости (PI) | － | -1.14 | -1.2 | -0.81 |
| TR&B | °C | 46 | 46.5 | 47.5 |
| Динамическая вязкость (60 °C) | Pa·s | 23.5 | 230 | 256.9 |
| Пластичность (10 °C,5 cm/min) | cm | >10 | >100 | 52 |
| Содержание парафинов | % | 1.9 | 1.8 | 1.3 |
| Температура вспышки (COC) | ℃ | 278 | 287 | 312 |
| Растворимость | % | 9.5 | 9.7 | 9.8 |
| Плотность (15 °C) | g/cm³ | 0.97 | 1.012 | 1.049 |
| RTFOT | Изменение качества (%) | 0.05 | 0.06 | -0.07 |
| Коэффициент остаточной проникающей способности (%) | 6.2 | 67.4 | 64.8 | |
| Остаточная пластичность (10 °C,cm) | 13 | 12 | 9 |
Таблица 1: Основные технические параметры битумных вяжущих. В таблице 1 приведены основные 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 асфальтовое вяжущее предварительно нагревали в печи с принудительной конвекцией при температуре 135 ± 2 °C в течение 60 мин до 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 при температуре 135 ± 2 °C вводили добавку Evotherm M1 при непрерывном механическом перемешивании со скоростью 30 об/мин в течение 5 мин перед высокосдвиговой обработкой, что обеспечивало начальную дисперсию ПАВ-фазы. После этого проводили высокосдвиговое смешивание с помощью роторно-статорного гомогенизатора при 30 об/мин в течение 25 мин, поддерживая температуру вяжущего в диапазоне 135–140 °C с помощью внешней системы контроля температуры масляной бани (точность ±1 °C). На протяжении всего процесса смешивания температура непрерывно контролировалась с помощью откалиброванного термоэлемента K-типа, введенного в матрицу вяжущего, при этом отклонения более ±2 °C вызывали автоматическую регулировку нагрева. Затем модифицированное вяжущее подвергали процедуре контролируемого охлаждения до 25 °C со скоростью 5 °C/мин перед последующим тестированием или краткосрочным хранением. Дизайн протокола сдвига соответствовал зависимости вязкости от температуры асфальтобитумных вяжущих, что гарантировало подготовку всех образцов в сопоставимых условиях истории сдвига. Такой строгий термомеханический контроль обеспечивает высокую повторяемость и сводит к миниму вариативность при подготовке вяжущих для теплых асфальтобетонных смесей (WMA).
Испытания на динамическом сдвиговом реометре (DSR)
Для характеристики реологического отклика и свойств усталости битумных вяжущих, модифицированных добавками для теплых смесей, были проведены испытания на динамическом сдвиговом реометре (DSR) с использованием ротационного реометра с контролем температуры в соответствии с ASTM D71752. Реологическая оценка была сосредоточена на поведении при усталостном нагружении в диапазоне промежуточных температур, которое тесно связано с инициированием и распространением трещин в асфальтобетонных покрытиях.
Фактор усталости G*sin δ23, общепризнанный индикатор восприимчивости к усталости на уровне вяжущего, был использован для количественной оценки изменений в поведении вязкоупругой диссипации, вызванных модификацией теплыми смесями 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 мин до начала сбора данных для обеспечения термической стабильности. Чтобы исследовать влияние старения на реологические свойства, образцы вяжущего подвергались трем режимам старения: без старения, старению в методе вращающейся тонкой пленки (RTFOT) и комбинированному старению в RTFOT и камере давления (PAV) 24. Данные протоколы старения были разработаны для имитации краткосрочного старения во время производства и укладки, а также долгосрочного старения в процессе эксплуатации дорожного покрытия. Анализ изменения G*sin δ в зависимости от температуры и условий старения позволил оценить усталостную стойкость различных вяжущих.
Перед каждым испытанием на DSR образец вяжущего тщательно подрезали после установки между параллельными пластинами для обеспечения равномерного профиля края. Образец выдерживали при заданной температуре в течение 10 min перед началом измерения. Испытания проводились в диапазоне 58–82 °C с шагом 6 °C. Тест считался достоверным, если 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 вязкоупруго поведения проводилась в соответствии со спецификациями ASTM D7175 для динамического механического анализа25. Экспериментальная методика включала развертывание амплитуды деформации для установления границ линейной вязкоупругости с последующим тестированием при контролируемой частоте 10 rad/s26. Оценки температурной зависимости охватывали рабочий температурный диапазон асфальтобетонных покрытий (58–82°C) и выполнялись с шагом 6°C, при этом на каждом изотермическом сегменте выдерживалось 10 минут для достижения теплового равновесия. Протокол AASHTO T391 использовался для количественной оценки накопления повреждений связующего через эволюцию диссипированной энергии, в частности, путем мониторинга коэффициента вязкоупругой диссипации (|G*|sin δ) при циклическом нагружении 27,28. Для прогнозирования закономерностей деградации битумных композитов была принята модель упрощенного вязкоупруго континуального повреждения (S-VECD)29. Протокол LAS предполагает выполнение осцилляторного развертывания 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 помощью 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 фундаментальной 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 показателя повреждения D(t) и коэффициента структурной целостности C(t) математически параметризуется с помощью степенной определяющей зависимости (Yuan 2024):
C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)
В формуле: C0 представляет собой начальный параметр целостности (обычно равен 1), C1, C2 — параметры аппроксимации.
Рассчитайте значение усталостного повреждения, используя концепцию пиковой точки касательного напряжения:
(6)
Cpeak — это параметр целостности, соответствующий точке максимального напряжения сдвига.
Формула для расчета усталостной долговечности:
Nf = A(γmax)-B (7)
В формуле: A, B — коэффициент усталости,
A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)
B=2a, f — частота нагрузки;
γmax — ожидаемый максимальный уровень деформации (%)
Для обеспечения надежности и воспроизводимости экспериментальных результатов все испытания на уровне вяжущего и на уровне смеси проводились как минимум в 3 независимых повторностях (n = 3) для каждого условия. Представленные результаты являются средними значениями повторных измерений. Вариабельность экспериментальных данных оценивалась с помощью стандартного отклонения (SD), и на всех соответствующих рисунках приведены планки погрешностей для отображения статистического разброса. Для параметров LAS–S-VECD, реологических показателей DSR и усталостной долговечности, полученных в ходе испытаний на четырехточечный изгиб, дополнительно рассчитывался коэффициент вариации (COV) для оценки согласованности данных.
Во всех случаях изучались статистические различия между модифицированными и немодифицированными связующими, чтобы убедиться, что наблюдаемые тенденции обусловлены не экспериментальным разбросом, а представляют собой статистически значимые различия в усталостных и реологических свойствах.
Испытание на усталостное изгибание на четырехточечном изгибе
Для подтверждения показателей усталости на уровне вяжущего и установления межмасштабных корреляций были проведены испытания на усталостное изгибание на четырехточечном изгибе асфальтобетонных смесей, приготовленных с использованием гранулометрического состава AC-16C30,31. Гранулометрический состав заполнителя, кажущаяся плотность, истинный удельный вес и водопоглощение каждой фракции заполнителя, а также свойства минерального порошка обобщены в Таблице 2>. Содержание асфальта во всех смесях было зафиксировано на уровне 4.8% для обеспечения согласованности различных составов теплых асфальтобетонных смесей (WMA).
| Размер отверстий сита (мм) | Совокупная категория | Синтетическая оценка (%) | ||||
| 1# (10~20 мм, 29%) | 2# (5~10 мм; 29,2%) | 3# (3–5 мм, 17%) | 4# (0~3 мм, 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 насыщенно-сухого образца (SSD) | 2.854 | 2.847 | 2.816 | 2.691 | － | 2.814 |
| Насыпная плотность | 2.829 | 2.81 | 2.8 | 2.655 | － | 2.787 |
| Коэффициент водопоглощения заполнителя (%) | 0.85 | 1.32 | 0.56 | 1.36 | － | － |
Таблица 2: Гранулометрический состав заполнителей в теплом асфальтобетонном смесе. В таблице 2 представлен гранулометрический состав заполнителей теплой асфальтобетонной смеси, включая пропорции различных фракций заполнителя, содержание минерального порошка, синтетическую кривую гранулометрического состава и физические свойства заполнителей. В таблице приведены расчетное распределение частиц по размерам и основные характеристики заполнителей, использованных в асфальтобетонной смеси.
Испытания на усталостный изгиб по четырем точкам проводились с использованием испытательного аппарата Cooper при контролируемой 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 испытаний3 циклическое нагружение применялось 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 нагружения34,35.
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 усталостные характеристики определялись путем построения кривых усталости для образцов с различными составами WMA в системе координат с двойным логарифмическим масштабом38. Впоследствии было установлено степенное определяющее соотношение, и для аппроксимации данных по усталости различных асфальтобетонных смесей был применен нелинейный регрессионный анализ, что послужило основой для последующего моделирования усталостной долговечности и сравнительного анализа39,40,41. Образец балки симметрично закрепляли в приспособлении для четырехточечного изгиба, при этом перед приложением нагрузки проверяли контакт между зажимами и поверхностью образца. Испытание проводили при 15 °C при синусоидальном нагружении с контролем деформации на частоте 10 Hz без периодов отдыха. Конечной точкой испытания считалось количество циклов, при котором изгибная жесткость снижалась до 50% от своего начального значения. Испытания считались действительными, если разрушение происходило в пределах расчетного участка и не наблюдалось аномального проскальзывания зажимов или внезапного невызванного усталостью разрушения. Все количественные данные представлены как среднее значение ± стандартное отклонение (mean ± SD), размер выборки n = 3 для всех экспериментальных групп, если не указано иное.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Реологические свойства WMA
Межфазная зона «асфальтобетон–заполнитель» широко признана основным местом возникновения усталостных трещин. Соответственно, для оценки усталостных характеристик вяжущих для теплых асфальтобетонных смесей (WMA) использовался реологический параметр, связанный с усталостью, G*sin δ, измеренный при промежуточных рабочих температурах. Рисунок 1 демонстрирует изменение G*sin δ для исходных и модиф...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
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 реологическ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Благодарности
Мы выражаем благодарность департаменту транспорта провинции Чжэцзян за поддержку в рамках программы Major R&D-проектом. Данное исследование было профинансировано крупным R&проект №38 Департамента транспорта провинции Чжэцзян (ZJXL-SJT-202316A).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| 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 |
Ссылки
- Autelitano F, Bianchi F, Giuliani F. Airborne emissions of asphalt/wax blends for warm mix asphalt production. J Clean Prod. 2017;164:749-756.
- Bairgi BK, Mannan UA, Tarefder RA. Influence of foaming on tribological and rheological characteristics of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2019;205:186-195.
- Chen H, Bahia HU. Modeling effects of aging on asphalt binder fatigue using complex modulus and the Linear Amplitude Sweep test. Int J Fatigue. 2021;146:106150.
- Cui B, Gu X, Hu D, et al. A multiphysics evaluation of the rejuvenator effects on aged asphalt using molecular dynamics simulations. J Clean Prod. 2020;259:120629.
- Diab A, You Z. Rheological characteristics of nano-sized hydrated lime-modified foamed warm mix asphalt. Pavement Materials, Structures, and Performance. 2014:79-89.
- Dong F, Yu X, Wang T, et al. Influence of base asphalt aging levels on the foaming characteristics and rheological properties of foamed asphalt. Constr Build Mater. 2018;177:43-50.
- Fang Y, Zhang Z, Zhang H, et al. Analysis of wetting behavior and its influencing factors of rejuvenator/old asphalt interface based on surface wetting theory. Constr Build Mater. 2022;314:125674.
- Ferrotti G, Mancinelli E, Passerini G, et al. Comparison of energy and environmental performance between warm and hot mix asphalt concrete production: A case study. Constr Build Mater. 2024;418:135453.
- Gao Z, Fu H, Chen Q, et al. Rheological properties and viscosity reduction mechanism of SBS warm-mix modified asphalt. Pet Sci Technol. 2020;38(6):556-564.
- Ge J, Yu H, Qian G, et al. Enhancement mechanism of aggregate surface roughness structure on interfacial properties of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;449:138388.
- Guo M, Tan Y, Wang L, et al. A state-of-the-art review on interfacial behavior between asphalt binder and mineral aggregate. Front Struct Civ Eng. 2018;12:248-259.
- Hu J, Ma T, Yin T, et al. Foamed warm mix asphalt mixture containing crumb rubber: Foaming optimization and performance evaluation. J Clean Prod. 2022;333:130085.
- Huang W, Guo Y, Zheng Y, et al. Chemical and rheological characteristics of rejuvenated bitumen with typical rejuvenators. Constr Build Mater. 2021;273:121525.
- Wang C, Chen Y, Xie W. A comparative study for fatigue characterization of asphalt binder using the linear amplitude sweep test. Mater Struct. 2020;53:101.
- Jiang Q, Li N, Yang F, et al. Rheology and volatile organic compounds characteristics of warm-mix flame retardant asphalt. Constr Build Mater. 2021;298:123691.
- Kheradmand B, Muniandy R, Hua LT, et al. An overview of the emerging warm mix asphalt technology. Int J Pavement Eng. 2014;15(1):79-94.
- Li B, Li N, Yu X, et al. Evaluation of the field-aged performance of foamed warm mix asphalt: Comparisons with hot mix asphalt. Case Stud Constr Mater. 2023;18:e01750.
- Doković K, Tošović S, Janković K, Šušić N. Physical-mechanical properties of cement stabilized RAP/crushed stone aggregate mixtures. Teh Vjesn. 2019;26(2):385-390.
- Liu H, Zhang Z, Li N, et al. Effect of organic montmorillonite on rheological properties of sasobit warm-mix asphalt and analysis of its ultraviolet aging behaviors. J Mater Civ Eng. 2022;34(12):04022339.
- Liu N, Liu L, Li M, et al. A comprehensive review of warm-mix asphalt mixtures: Mix design, construction temperatures determination, performance, and life-cycle assessment. Road Mater Pavement Des. 2024;25(7):1381-1425.
- Madeira NC, Ferreira PDS, Allochio Filho JOF, et al. Study of thermal aging of model compounds present in asphalt cement by GC/MS, ESI-MS, NMR, and FTIR. Energy Fuels. 2021;35(18):14553-14568.
- Menapace I, Cucalon LG, Kaseer F, et al. Application of low-field nuclear magnetic resonance to evaluate asphalt binder viscosity in recycled mixes. Constr Build Mater. 2018;170:725-736.
- Pouranian MR, Notani MA, Tabesh MT, et al. Rheological and environmental characteristics of crumb rubber asphalt binders containing non-foaming warm mix asphalt additives. Constr Build Mater. 2020;238:117707.
- Qu X, Wang D, Wang L, et al. The State-of-the-Art Review on Molecular Dynamics Simulation of Asphalt Binder. Adv Civ Eng. 2018;1:4546191.
- Sabouri M, Mirzaiyan D, Moniri A. Effectiveness of Linear Amplitude Sweep (LAS) asphalt binder test in predicting asphalt mixtures fatigue performance. Constr Build Mater. 2018;171:281-290.
- Shi C, Ge J, Yu H, et al. Interfacial adhesion properties and debonding mechanisms in rejuvenated asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2024;425:135973.
- Sukhija M, Saboo N, Pani A. Effect of warm mix asphalt (WMA) technologies on the moisture resistance of asphalt mixtures. Constr Build Mater. 2023;369:130589.
- Sun X, Guo D, Li J, et al. Compaction Characteristics of a Foam Asphalt Hot In-Place Recycling Asphalt Mixture. Buildings. 2023;14(1):58.
- Tang N, Yang K-K, Alrefaei Y, et al. Reduce VOCs and PM emissions of warm-mix asphalt using geopolymer additives. Constr Build Mater. 2020;244:118338.
- Wang W, Cheng H, Sun L, et al. Multi-performance evaluation of recycled warm-mix asphalt mixtures with high reclaimed asphalt pavement contents. J Clean Prod. 2022;377:134209.
- Xia W, Dong M, Xu T. Synergistic suppressions of porous warm mix agent and composite flame retardant on combustion and fume release of asphalt pavement. J Clean Prod. 2024;443:141003.
- Xiu M, Wang X, Morawska L, et al. Emissions of particulate matters, volatile organic compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons from warm and hot asphalt mixes. J Clean Prod. 2020;275:123094.
- Zhang M, Li W, Li Y, Ma Q, Zhao G. Preparation of low rolling resistance modified asphalt and analysis of its rolling resistance and viscoelasticity. Teh Vjesn. 2021;28(4):1297-1305.
- Yao Y, Chen H, Li G, et al. Effect of asphalt surface properties and genetic components on ice-asphalt interface adhesion behaviors. Constr Build Mater. 2025;471:140635.
- Yu S, Shen S, Steger R, et al. Effect of warm mix asphalt additive on the workability of asphalt mixture: From particle perspective. Constr Build Mater. 2022;360:129548.
- Yuan H, Liu J, Ding H, et al. Evaluation of physical hardening of wax-based warm mix asphalt binders from low-temperature rheological properties. Constr Build Mater. 2024;419:135496.
- Zhang S, Wang D, Guo F, et al. Properties investigation of the SBS modified asphalt with a compound warm mix asphalt (WMA) fashion using the chemical additive and foaming procedure. J Clean Prod. 2021;319:128789.
- Medjdoub A, Abdessemed M. Tests on the influence of cyclic loading and temperature on the behavior of flexible pavement reinforced by geogrids with numerical simulation. Teh Vjesn. 2023;30(2):521-529.
- Milad A, Babalghaith AM, Al-Sabaeei AM, et al. A comparative review of hot and warm mix asphalt technologies from environmental and economic perspectives: towards a sustainable asphalt pavement. Int J Environ Res Public Health. 2022;19(22):14863.
- Zhang F, Zhu J, Sun Y, et al. Effect analysis of using tall oil pitch (TOP) to partially extend bitumen in asphalt pavements: Comparison of different TOPs. Road Mater Pavement Des. 2025:1-20.
- Zhang F, Cannone Falchetto A, Wang D, et al. Prediction of asphalt rheological properties for paving and maintenance assistance using explainable machine learning. Fuel. 2025;396:135319.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.