Bu çalışma, bağlayıcı hasar mekaniğini karışım yorulma performansıyla ilişkilendiren sağlam bir ölçekler arası çerçeve kurmakta ve doğrusal genlik taraması–basitleştirilmiş viskoelastik süreklilik hasarı (LAS–S-VECD) parametrelerinin, dayanıklı sıcak karışım asfalt sistemlerinin öngörülmesi ve tasarlanması için güvenilir ve mekanistik temelli bir dayanak sağladığını kanıtlamaktadır.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Araştırma makalesi
Lineer Genlik Taraması ve Dört Noktalı Eğme Testlerine Dayalı Ilıksı Karışım Asfalttaki Yorulma Hasarının Ölçekler Arası Karakterizasyonu
Bu makalede
Özet
Özet
Yorulma çatlağı, asfalt kaplamaların uzun vadeli dayanıklılığını belirleyen kritik bir faktörken, bağlayıcı yorulma davranışı ile karışım yorulma performansı arasındaki ölçekler arası ilişki sıcak karışım asfaltlar (WMA) için yeterince anlaşılamamıştır. Bu çalışmada, kantitatif ölçekler arası korelasyonlar kurmak amacıyla WMA'nın yorulma özellikleri hem bağlayıcı hem de karışım ölçeklerinde sistematik olarak incelenmiştir. Farklı ham petrol kökenli asfalt bağlayıcıların reolojik özelliklerini ve hasar gelişimini karakterize etmek için dinamik kayma reometresi (DSR) testleri ve basitleştirilmiş viskoelastik süreklilik hasarı (S-VECD) çerçevesi kullanılarak yorumlanan doğrusal genlik tarama (LAS) testleri uygulanmıştır. Karışım ölçeğindeki yorulma performansı, gerinim kontrollü dört nokta eğilme yorulma testleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Sonuçlar, yaşlanmanın bağlayıcı sertliğini önemli ölçüde artırdığını ve yorulma bozunmasını hızlandırdığını, uzun süreli yaşlanma sonrası yorulma faktörü G*·sin δ değerinin yaklaşık %150–250 oranında arttığını göstermektedir. Bağlayıcı ölçeğindeki sıcak karışım modifikasyonunun etkinliği, Bağlayıcı A ve B için hasar hızı katsayısında %8–13 oranında bir azalma, Bağlayıcı C için ise yaklaşık %11 oranında bir artışla yansıtıldığı üzere, bağlayıcıya güçlü şekilde bağımlıdır. sin δ gibi geleneksel reolojik göstergeler, karışım yorulma ömrünü tahmin etmede sınırlı ve malzemeye bağımlı bir kapasite sergilerken, LAS–S-VECD kaynaklı hasar parametreleri karışım ölçeğindeki yorulma performansı ile tutarlı ve güçlü korelasyonlar göstermiştir. Genel olarak bu çalışma, LAS–S-VECD tabanlı bağlayıcı hasar karakterizasyonunun, karışım yorulma direncini tahmin etmek için sağlam bir temel oluşturduğunu kanıtlamakta ve dayanıklı ve sürdürülebilir WMA kaplamaları için performansa dayalı karışım tasarımındaki uygulamalarını desteklemektedir.
Giriş
Geleneksel asfalt kaplama inşaatı, tipik olarak 160 °C ile 180 °C arasında değişen ve kauçuklu asfalt ile yüksek performanslı polimer modifiyeli bitüm gibi modifiyeli bağlayıcılar için 190 °C'yi aşan yüksek sıcaklıkta işleme dayanmaktadır. Çelik köprü tabanı kaplamaları dahil olmak üzere özel uygulamalarda, yerinde karışım serme sıcaklıkları 200 °C'yi geçebilmektedir1. Bu aşırı termal koşullar, önemli miktarda fosil yakıt tüketimine yol açmakta ve sera gazları ile benzen çözünür bileşikler ve karsinojenik polisiklik aromatik hidrokarbonlar (örneğin, benzo[a]pyrene) bakımından zengin tehlikeli asfalt dumanlarını içeren önemli atmosferik emisyonlar oluşturmaktadır2,3. Önceki çalışmalar; bu faydaların büyüklüğü karışım tipine, tesis konfigürasyonuna, katkı maddesi dozajına ve saha inşaat koşullarına bağlı olsa da, asfalt üretim ve sıkıştırma sıcaklıklarının düşürülmesinin yakıt tüketimini, CO₂ emisyonlarını ve asfalt dumanlarına olan mesleki maruziyeti azaltabileceğini tutarlı bir şekilde göstermiştir. Yakın tarihli çalışmalar, çeşitli modifikasyonlar ve hizmet koşulları altında asfalt performansına dair anlayışı daha da zenginleştirmiştir. Asfalt karışımlarına kalsiyum lignosülfonat eklenmesinin, oksidasyon reaksiyonlarını inhibe ederek ve asfalt bağlayıcıların kolloidal yapısını stabilize ederek termo-oksidatif yaşlanmayı etkili bir şekilde geciktirebileceği bildirilmiştir.
Kırılma davranışı açısından, sıcak karışım asfalt (HMA) ve ılık karışım asfaltın (WMA) saf Mod I ve Mod II yükleme koşulları altındaki incelemeleri, yükleme modunun düşük sıcaklık kırılma tokluğu ve enerji sönümlenmesini belirlemede kritik bir rol oynadığını göstermiştir. Nem duyarlılığı, geri dönüştürülmüş kauçuk malzemelerin neme bağlı hasara karşı direnci artırdığı ve optimal kauçuk içeriğinin kombine mekanik ve ekonomik değerlendirme yaklaşımları aracılığıyla belirlenebildiği kauçuk modifiyeli asfalt sistemlerinde kapsamlı bir şekilde çalışılmıştır. Yüksek sıcaklık performansı ile ilgili olarak, modifiye taş matris asfalt (SMA), Dinamik Sünme ve Hamburg Tekerlek İzleme Cihazı testleri kullanılarak değerlendirilmiş ve karışım modifikasyonunun tekerlek izine karşı direnci önemli ölçüde artırdığı doğrulanmıştır. Ek olarak, geri dönüştürülmüş katkı maddeleri içeren asfalt karışımları üzerine yapılan yarım daire eğme (SCB) tabanlı çalışmalar, Mod I kırılma direnci ve nem hasarı direncinin belirgin şekilde iyileştiğini göstermiş ve geri dönüştürülmüş malzemelerin yorulma ve dayanıklılık performansı üzerindeki sinerjik etkilerini vurgulamıştır. Sonuç olarak, düşük sıcaklık asfalt teknolojilerinin geliştirilmesi, sürdürülebilir kaplama yapımına ve çevreye duyarlı altyapı sistemlerine yönelik kritik bir yol olarak ortaya çıkmıştır.
Kimyasal katkı maddeleri, organik mumlar veya köpürtme tekniklerinin kullanımıyla gerçekleştirilen sıcak karışım asfalt (WMA) teknolojisi, genellikle 90 °C ile 130 °C arasındaki sıcaklıklarda etkili karışım üretimine olanak tanır; bu değer, geleneksel sıcak karışım asfalta (HMA) kıyasla 30–50 °C'lik bir azalmaya karşılık gelir4. Enerji talebini ve kirletici emisyonlarını azaltmadaki iyi belgelenmiş faydalarının ötesinde WMA, üretim ve serme sırasında asfalt bağlayıcıların termo-oksidatif yaşlanmasını azaltmada kritik bir rol oynar. Asfalt yaşlanması, sıcaklığa bağlı kimyasal kinetik tarafından yönetilir ve oksidasyon hızları sıcaklıktaki her 10 °C artış için yaklaşık iki katına çıkar5,6. Yüksek sıcaklıklar uçuculuğu, oksidasyonu ve polimerizasyon reaksiyonlarını hızlandırarak maltenleri kademeli olarak sert asfaltenlere dönüştürür ve böylece sünekliği azaltırken bağlayıcı sertliğini artırır7. WMA, üretim sıcaklıklarını düşürerek bu zararlı reaksiyonları bastırır, bağlayıcı viskoelastikyetesini korur ve potansiyel olarak uzun vadeli yorulma direncini artırır8.
WMA'nın çevresel ve uygulanabilirlik avantajları kapsamlı bir şekilde rapor edilmiş olsa da, yaşlandırma koşulları altındaki yorulma performansına yönelik sistematik araştırmalar nispeten sınırlı kalmıştır. Özellikle, Karamay, offshore CNOOC ve CNPC hammaddeleri gibi farklı ham petrol kaynaklarından elde edilen asfalt bağlayıcılar; asfalten içeriği, reçine dağılımı, aromatik fraksiyonlar ve doymuş seviyelerle birlikte kimyasal bileşimde belirgin farklılıklar sergilemektedir9. Bu bileşimsel farklılıkların, reolojik davranış, yaşlanma eğilimi ve yorulma dayanıklılığının temel belirleyicileri olduğu yaygın olarak kabul edilmektedir10. Buna rağmen, mevcut yorulma çalışmaları bağlayıcıları ham petrol kökenine göre nadiren ayırmaktadır; bu durum, özellikle hizmet koşullarını temsil eden kümülatif yaşlanma altında kaynak bağımlı kimyanın yorulma performansını nasıl yönettiğine dair anlayışın eksik kalmasına yol açmaktadır11,12. Mühendislik perspektifinden, güvenilir bir bağlayıcı ölçekli yorulma değerlendirme yöntemi; ön malzeme taraması, sıcak karışım katkı maddesi seçimi, yaşlanma hassasiyeti değerlendirmesi ve karışım düzeyindeki doğrulamadan önce kalite kontrolü için özellikle yararlı olacaktır. Yine de, agrega gradasyonu, hava boşlukları, bağlayıcı-agrega etkileşimi, sıkıştırma kalitesi ve saha yaşlanması da kaplama yorulma performansını etkileyebileceğinden, LAS-S-VECD karışım yorulma testlerinin tam bir alternatifi olarak görülmemelidir. Ayrıca, bağlayıcı ölçekli yorulma göstergeleri ile karışım ölçekli yorulma davranışı arasındaki ilişki, çeşitli asfalt kaynakları genelinde kesin olarak belirlenmemiştir13. Lineer Genlik Taraması (LAS) gibi reolojik testler, bağlayıcı yorulma hasarını tanımlamada umut verici sonuçlar göstermiş olsa da, karışım yorulma ömrü üzerindeki kestirim güvenilirliği —özellikle farklı kimyasal kökenlere sahip bağlayıcılar için— henüz yeterince doğrulanmamıştır14. Bu kopukluk, laboratuvar tabanlı performans öngörülerinin doğruluğunu sınırlamakta ve mühendislik uygulamaları için rasyonel malzeme seçimini kısıtlamaktadır15.
Bu kritik boşlukları gidermek amacıyla, bu çalışma üç farklı ham petrol kaynağından türetilen sıcak karışım modifiyeli asfalt bağlayıcıların yorulma davranışı üzerine kapsamlı ve çok ölçekli bir araştırma yürütmektedir16. Dinamik kayma reometresi (DSR) analizi, Basitleştirilmiş Viskoelastik Süreklilik Hasarı (S-VECD) çerçevesinde Lineer Genlik Taraması (LAS) testi ve karışım ölçekli dört noktalı eğilme yorulma testlerini entegre ederek, bu çalışma ham petrol kaynağının, sıcak karışım modifikasyonunun ve yaşlanmanın yorulma direnci üzerindeki etkisini sistematik olarak değerlendirmektedir17,18,19. Bulgular, bağlayıcı reolojisi ile karışım performansı arasında güçlü ölçekler arası korelasyonlar kurmayı amaçlayarak yorulma ömrü tahmini için mekanistik bir temel sağlamayı ve sürdürülebilir asfalt malzemelerin tasarımı ve seçimi için pratik rehberlik sunmayı hedeflemektedir.
Bu çalışma, bağlayıcı ölçekli LAS–S-VECD analizini karışım ölçekli dört nokta eğilme yorulma testiyle entegre ederek sıcak karışım asfalt için ölçekler arası bir yorulma karakterizasyon çerçevesi sunmaktadır. Temel olarak ya bağlayıcı düzeyindeki reolojik değerlendirmeye ya da karışım düzeyindeki performans değerlendirmesine tek başına odaklanan önceki çalışmalarla karşılaştırıldığında, mevcut çalışma; ham petrole bağımlı bağlayıcı kimyası, sıcak karışım modifikasyonu ve yaşlanma koşulları altındaki karışım yorulma davranışı arasında doğrudan mekanistik bir bağlantı kurmaktadır. Bu çalışmanın yeniliği üç açıdan öne çıkmaktadır: (i) ham petrol kökeninin yorulma performansı için belirleyici bir değişken olarak açıkça dahil edilmesi; (ii) LAS–S-VECD hasar gelişimi ile karışım yorulma ömrü arasında sistematik bir ölçekler arası korelasyon kurulması ve (iii) sıcak karışım modifikasyon etkilerinin bağlayıcı ve karışım ölçeklerinde birleşik bir şekilde değerlendirilmesi. Sonuçlar, LAS–S-VECD kaynaklı hasar parametrelerinin, karışım yorulma performansı için güçlü öngörüler sağladığını ve geleneksel reolojik indekslere göre mekanistik açıdan daha temelli bir alternatif sunduğunu göstermektedir. Bu bulgular, sürdürülebilir sıcak karışım asfalt sistemlerinin performans odaklı değerlendirmesi ve tasarımı için bilimsel bir temel oluşturmaktadır.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
Materyaller
Tablo 1'de özetlendiği üzere, bu çalışmada seçilen üç asfalt bağlayıcısı, farklı ham petrol kaynaklarından türetilmiş temsilci kaplama bağlayıcılarıdır ve Çin'deki pratik yol mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmıştır. Karamay asfaltı, CNOOC 36-1 asfaltı ve PetroChina asfaltı; ham petrol kökeni, kimyasal bileşimi, yaşlanma duyarlılığı ve reolojik özellikleri bakımından belirgin şekilde farklılık göstermekte olup, petrol kaynağına bağlı yorulma davranışının araştırılması için uygun bir malzeme temeli sağlamaktadır. Bu seçimler, bağlayıcının içsel bileşiminin sıcak karışım modifikasyonunun etkinliğini ve karışım ölçekli yorulma performansını nasıl etkilediğinin karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesine olanak tanıyarak, önerilen ölçekler arası yorulma karakterizasyon çerçevesinin mühendislikle olan ilişkisini güçlendirmektedir. Her bir bağlayıcının ayrıntılı jeolojik kökenleri ve kimyasal özellikleri şu şekildedir:
Bağlayıcı A: 9. bölgenin ağır petrol hammaddesinden türetilmiş, vakum kalıntısı ve yağsız asfaltın harmanlama işlemiyle üretilmiştir. Temel malzemesi, düşük parafin içeriği (<2%), minimum kükürt konsantrasyonu ve yüksek reçine bileşimi dahil olmak üzere belirgin özellikler sergiler. Özellikle Karamay asfaltı, mevcut mühendislik uygulamalarında özgül ağırlığı 1 g/cm3 değerinin altında olan tek kaplama bağlayıcısıdır ve yaşlandırma sonrası üstün dinamik viskozite ile mükemmel süneklik koruma özelliğine sahiptir. Bu karakteristikler, onu özellikle büyük günlük sıcaklık değişimlerine ve yoğun ultraviyole maruziyetine tabi bölgeler için uygun hale getirmektedir.
Bağlayıcı B: Suizhong 36-1 açık deniz petrol sahasından çıkarılan nadir ağır ham petrolden elde edilmiştir ve rafinasyon yoluyla %56'lık yüksek bir bitumen verimine sahiptir. Hammadde; yüksek asit değerine sahip, kükürt açısından fakir, naftenik tabanlı ağır ham petrol olarak sınıflandırılmıştır; bu da yüksek yoğunluklu (1,012 g/cm3), düşük parafin içerikli (%1,8) ve yüksek reçine oranlı bir işlenmiş bağlayıcı ile sonuçlanmıştır. Bu özellikler, bağlayıcıya mükemmel düşük sıcaklık esnekliği kazandırarak onu soğuk ortam uygulamaları için avantajlı hale getirmektedir.
Bağlayıcı C: Temel hammadde olarak öncelikle Venezuelalı Boscan ağır ham petrolü kullanılarak formüle edilmiş olup, özel rafinasyon süreçleri aracılığıyla %60'lık bir üretim verimi elde edilmiştir. Bu ham petrol; yüksek asit içeriği, belirgin ağır metal konsantrasyonları ve güçlü karbon kalıntısı oluşum potansiyeli dahil olmak üzere benzersiz jeokimyasal özellikler sergilemektedir. Bağlayıcı; düşük doyurulmuş hidrokarbon fraksiyonları, zenginleşmiş reçine-asfalten kompleksleri ve dikkat çekici derecede düşük parafin içeriği (%1,3) ile karakterize olan atipik bir hidrokarbon bileşimi göstermektedir.
Bu araştırmada, üç temel asfalt bağlayıcı AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1) ve CO (PetroChina) olarak adlandırılmıştır. Evotherm M1 katkı maddesi eklenerek hazırlanan ilgili WMA bağlayıcıları sırasıyla AP, BP ve CP olarak kodlanmıştır20. Penetrasyon, yumuşama noktası ve süneklik dahil olmak üzere kapsamlı performans indeksleri JTG E20-201121 spesifikasyonlarına uygun olarak test edilmiş olup, ayrıntılı karşılaştırmalı veriler Tablo 1'de sunulmuştur. Tüm deneysel prosedürler, Karayolu Mühendisliği Asfalt ve Bitümlü Karışımları Teknik Şartnamelerinde belirtilen standart protokollere kesin olarak uygun şekilde yürütülmüştür.
| Proje | Birim | Karamay | CNOOC | CNPC |
| Penetrasyon | 0,1 mm (15 °C) | 22 | 22 | 24 |
| 0,1 mm (25 °C) | 72 | 68 | 71 | |
| 0,1 mm (30 °C) | 112 | 110 | 116 | |
| PI | － | -1.14 | -1.2 | -0.81 |
| TR&B | °C | 46 | 46.5 | 47.5 |
| Dinamik viskozite (60 °C) | Pa·s | 223.5 | 230 | 256.9 |
| Süneklik (10 °C,5 cm/dak) | cm | >100 | >100 | 52 |
| Balmumu içeriği | % | 1.9 | 1.8 | 1.3 |
| Parlama noktası (COC) | ℃ | 278 | 287 | 312 |
| Çözünürlük | % | 99.5 | 99.7 | 99.8 |
| Yoğunluk (15 °C) | g/cm³ | 0.977 | 1.012 | 1.049 |
| RTFOT | Kalite değişimi (%) | 0.05 | 0.06 | -0.07 |
| Kalıntı penetrasyon oranı (%) | 66.2 | 67.4 | 64.8 | |
| Kalıntı süneklik (10 °C,cm) | 13 | 12 | 9 |
Tablo 1: Bitümlü bağlayıcıların temel teknik parametreleri. Tablo 1; bitümlü bağlayıcıların temel özelliklerini ve dayanıklılığını değerlendirmek amacıyla fiziksel özellikler, sıcaklık duyarlılığı, reolojik özellikler ve kısa süreli yaşlanma performansı dahil olmak üzere temel teknik parametreleri özetlemektedir.
WMA hazırlama süreci, bağlayıcı modifikasyonunun tekrarlanabilirliğini sağlamak için tasarlanmış, sıkı şekilde kontrol edilen çok aşamalı bir protokolü içermektedir. Temel asfalt bağlayıcısı, önce kararlı bir eriyik durumuna ulaşmak için zorlanmış konveksiyonlu fırında 135 ± 2 °C'de 60 dk boyunca ısıtılmış, ardından termal gradyanları ortadan kaldırmak için 30 dk boyunca dengeleme işlemine tabi tutulmuştur. Tüm ısıtma işlemleri, sıcaklık koşullandırması sırasında oksidatif yaşlanmayı en aza indirmek için azot koruması (akış hızı: 0.5 L/min) altında sızdırmaz kaplarda gerçekleştirilmiştir.
Ardından, sürfaktan fazının başlangıç dispersiyonunu sağlamak amacıyla, yüksek kesme işleminden önce Evotherm M1 katkısı 300 rpm'de 5 dk boyunca sürekli mekanik karıştırma altında 135 ± 2 °C'de eklenmiştir. Sonrasında, dış bir yağ banyosu sıcaklık kontrol sistemi (±1 °C hassasiyet) kullanılarak bağlayıcı sıcaklığı 135–140 °C arasında tutulurken, bir rotor-stator homojenizatörü ile 3000 rpm'de 25 dk boyunca yüksek kesmeli karıştırma gerçekleştirilmiştir. Tüm karıştırma işlemi boyunca sıcaklık, bağlayıcı matrisine yerleştirilmiş kalibre edilmiş bir K-tipi termokupl kullanılarak sürekli izlenmiş ve ±2 °C'yi aşan dalgalanmalar otomatik ısıtma ayarlamasını tetiklemiştir. Modifiye edilmiş bağlayıcı, sonraki testler veya kısa süreli depolama öncesinde, 5 °C/dk hızla 25 °C'ye kadar kontrollü bir soğutma prosedürüne tabi tutulmuştur. Kesme protokolü tasarımı, asfalt bağlayıcılarının viskozite-sıcaklık ilişkisini takip ederek tüm numunelerin karşılaştırılabilir kesme geçmişi koşulları altında hazırlanmasını sağlamıştır. Bu sıkı termal-mekanik kontrol, yüksek tekrarlanabilirlik garanti eder ve WMA bağlayıcı hazırlamasındaki değişkenliği minimize eder.
Dinamik kayma reometresi (DSR) testi
Sıcak karışım katkılarıyla modifiye edilmiş asfalt bağlayıcıların reolojik tepkisini ve yorulma ile ilgili özelliklerini karakterize etmek için, ASTM D717522 standardına uygun olarak sıcaklık kontrollü bir rotasyonel reometre kullanılarak Dinamik kayma reometresi (DSR) testleri gerçekleştirilmiştir. Reolojik değerlendirme, asfalt kaplamalarda çatlak oluşumu ve ilerlemesiyle yakından ilişkili olan orta sıcaklık yorulma davranışına odaklanmıştır.
Bağlayıcı düzeyinde yorulma duyarlılığının bir göstergesi olarak yaygın şekilde kabul edilen G*sin δ 23 yorulma faktörü, sıcak karışım modifikasyonu ve yaşlanmanın neden olduğu viskoelastik sönümlenme davranımındaki değişimleri nicelleştirmek için benimsenmiştir. Sıcaklık tarama testleri, 6 °C'lik sıcaklık artışlarıyla 58–82 °C aralığında gerçekleştirilmiştir. Her hedef sıcaklıkta, termal stabiliteyi sağlamak amacıyla veri toplama işleminden önce numunelerin 10 dk boyunca dengelenmesine izin verilmiştir. Yaşlanmanın reolojik özellikler üzerindeki etkisini incelemek için bağlayıcı numuneler üç farklı yaşlandırma koşuluna tabi tutulmuştur: yaşlandırılmamış, döner ince film fırın testi (RTFOT) yaşlandırması ve kombine RTFOT ve Basınçlı Yaşlandırma Kabı (PAV) yaşlandırması 24. Bu yaşlandırma protokolleri, üretim ve serme sırasındaki kısa süreli yaşlanmanın yanı sıra hizmet süresindeki kaplama işletimi sırasındaki uzun süreli yaşlanmayı simüle etmek için tasarlanmıştır. Farklı bağlayıcıların yorulma direncini değerlendirmek için G*sin δ değerinin sıcaklık ve yaşlandırma koşuluyla değişimi analiz edilmiştir.
Her DSR testinden önce, bağlayıcı numunesi, düzgün bir kenar profili sağlamak amacıyla paralel plakalar arasına yerleştirildikten sonra dikkatlice düzeltilmiştir. Numune, ölçümden önce hedef sıcaklıkta 10 dk boyunca bekletilmiştir. Testler, 6 °C artışlarla 58–82 °C sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir. Ölçülen tork ve yer değiştirme değerlerinin cihazın önerilen çalışma aralığında kalması ve gözle görülür bir numune kayması meydana gelmemesi durumunda test geçerli olarak kabul edilmiştir.
Lineer genlik taraması (LAS) testi
Viskoelastik davranış karakterizasyonu, dinamik mekanik analiz için ASTM D7175 spesifikasyonlarına uygun olarak gerçekleştirilmiştir25. Deneysel metodoloji, lineer viskoelastik sınırların belirlenmesi için gerinim genliği taramalarını ve ardından 10 rad/s'dele frekans kontrollü testleri içermektedir26. Sıcaklığa bağlı değerlendirmeler, asfalt kaplamaların operasyonel sıcaklık spektrumunu (58–82°C) kapsayacak şekilde, her bir izotermal segmentte termal denge için 10 dakika beklenerek 6°C artışlarla yürütülmüştür. Bağlayıcı hasar birikimini, yayılan enerji evrimi üzerinden nicelleştirmek için AASHTO T391 protokolü kullanılmış; özellikle çevrimsel yükleme sırasında viskoelastik sönümleme faktörü (|G*|sin δ) izlenmiştir 27,28. Bitümlü kompozitlerin bozunma modellerini tahmin etmek için Basitleştirilmiş Viskoelastik Süreklilik Hasarı (S-VECD) çerçevesi benimsenmiştir29. LAS protokolü, sabit 10 Hz frekansta, 0,1% ile 30% arasında 0,1% çözünürlük artışlarıyla kontrollü gerinim ilerlemesi uygulayarak bir osilatuar genlik taraması gerçekleştirir.
Temel viskoelastik parametreler aşağıdaki denklemler kullanılarak türetilmiştir:
log G "(ω) = m (log ω) + b (1)
G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)
(3)
nerede G''(ω) kayıp modülüdür, ω açısal frekanstır, m ve b uyum katsayılarıdır, G'(ω) depolama modülüdür, G*(ω) kompleks modüldür, δ(ω) faz açısı ve viskoelastisite indeksidir.
Hasar miktar belirlemesinde, Denklem (4)'te ifade edilen temel ilişki kullanılmıştır:
(4)
Formülde: C(t)—bütünlük parametresi, C(t)=G^* (t)/G^* (Başlangıç), G^*- kompleks modül (MPa);
γ_0—Uygulanan gerinim (%);
t—Test süresi (s)
Hasar metriği D(t) ve yapısal bütünlük katsayısı C(t)'nin zamansal evrimi, bir kuvvet yasası yapısal ilişkisi aracılığıyla matematiksel olarak parametreleştirilmiştir (Yuan 2024):
C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)
Formülde: C0 başlangıç bütünlük parametresini (normalde 1'e eşittir) temsil eder; C1, C2 ise uyum parametreleridir.
Kayma gerilmesi tepe noktası kavramını kullanarak yorulma hasar değerini hesaplayın:
(6)
Cpeak, maksimum kayma gerilmesi noktasına karşılık gelen bütünlük parametresidir.
Yorulma ömrü hesaplama formülü şöyledir:
Nf = A(γmax)-B (7)
Formülde: A, B—yorgunlukla ilgili katsayı,
A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)
B=2a, f-yükleme frekansı;
γmax — beklenen maksimum gerinim seviyesi (%)
Deneysel sonuçların güvenilirliğini ve tekrarlanabilirliğini sağlamak için, tüm bağlayıcı ölçekli ve karışım ölçekli testler koşul başına en az 3 bağımsız tekrarla (n = 3) gerçekleştirilmiştir. Rapor edilen sonuçlar, tekrar ölçümlerinin ortalama değerlerini temsil etmektedir. Deneysel verilerin değişkenliği standart sapma (SD) kullanılarak değerlendirilmiş ve istatistiksel dağılımı yansıtmak için ilgili tüm şekillerde hata çubukları sunulmuştur. LAS–S-VECD parametreleri, DSR reolojik indeksleri ve dört nokta eğilme testlerinden elde edilen yorulma ömrü için, veri tutarlılığını değerlendirmek amacıyla ek olarak varyasyon katsayısı (COV) hesaplanmıştır.
Tüm durumlarda, gözlemlenen eğilimlerin deneysel dağılımdan kaynaklanmadığını, aksine yorulma ve reolojik davranışta istatistiksel olarak anlamlı farkları temsil ettiğini doğrulamak için modifiye edilmiş ve modifiye edilmemiş bağlayıcılar arasındaki istatistiksel farklar incelenmiştir.
Dört noktalı eğme yorulma testi
Bağlayıcı düzeyindeki yorulma göstergelerini doğrulamak ve ölçekler arası korelasyonlar kurmak amacıyla, AC-16C gradasyonu30,31 kullanılarak hazırlanan asfalt karışımları üzerinde dört noktalı eğme yorulma testleri gerçekleştirilmiştir. Her bir agrega boyutunun agrega gradasyonu, görünür yoğunluğu, kütle özgül ağırlığı ve su emme oranları ile mineral dolgu malzemesinin özellikleri Tablo 2'de özetlenmiştir. Farklı WMA formülasyonları arasında tutarlılığı sağlamak için tüm karışımların asfalt içeriği %4,8 olarak sabitlenmiştir.
| Elek Boyutu (mm) | Agrega Kategorisi | Sentetik Gradasyon (%) | ||||
| 1# (10~20mm. 29%) | 2# (5~10mm. 29.2%) | 3# (3~5mm. 17%) | 4# (0~3mm. 19%) | Mineral Toz (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 |
| Görünür Relatif Yoğunluk | 2.899 | 2.918 | 2.845 | 2.754 | 2.872 | 2.865 |
| SSD Relatif Yoğunluk | 2.854 | 2.847 | 2.816 | 2.691 | － | 2.814 |
| Yığın Özgül Ağırlığı | 2.829 | 2.81 | 2.8 | 2.655 | － | 2.787 |
| Agrega Su Emme Oranı (%) | 0.85 | 1.32 | 0.56 | 1.36 | － | － |
Tablo 2: Ilık karışım asfalt karışımındaki agregaların gradasyonu. Tablo 2, farklı agrega fraksiyonlarının oranları, mineral toz içeriği, sentetik gradasyon eğrisi ve agrega fiziksel özelliklerini içeren ılık karışım asfalt karışımının agrega gradasyonunu sunmaktadır. Tablo, tasarlanan tane boyutu dağılımını ve asfalt karışımında kullanılan agregaların temel özelliklerini göstermektedir.
Sıcak karışım asfalt (WMA) karışımlarının yorulma dayanıklılığını değerlendirmek için, gerinim kontrollü yükleme koşulları altında bir Cooper test cihazı kullanılarak dört nokta eğilme yorulma testleri gerçekleştirilmiştir32. Hasar kriteri, eğilme rijitliğinin başlangıç değerinin %50'sine düşmesi için gereken yükleme döngüsü sayısı olarak tanımlanmıştır. Belirlenmiş test protokolüne33 uygun olarak, 15 °C izotermal koşullar altında, 10 Hz frekansta sürekli sinüzoidal dalga formunda döngüsel yükleme uygulanmıştır. Yorulma yüklemesi sırasında kesintisiz enerji girişi sağlamak amacıyla tüm testler dinlenme süreleri verilmeden yürütülmüştür34,35.
Kiriş numuneleri; 381 ± 6,35 mm uzunluk, 63,5 ± 6,35 mm genişlik ve 50,8 ± 6,35 mm yükseklik şeklinde standart boyut gerekliliklerine uygun olarak hazırlanmıştır3637. Gerinim kontrollü koşullar altında, farklı WMA formülasyonlarına sahip numuneler için çift logaritmik koordinat sisteminde yorulma karakteristik eğrileri çizilerek yorulma performansı karakterize edilmiştir38. Ardından, bir kuvvet yasası bünye ilişkisi kurulmuş ve çeşitli asfalt karışımlarının yorulma verilerini sığdırmak için doğrusal olmayan regresyon analizi kullanılarak sonraki yorulma ömrü modellemesi ve karşılaştırmalı analiz için temel oluşturulmuştur39,40,41. Kiriş numunesi, dört nokta eğme tertibatına simetrik olarak monte edilmiş ve yükleme öncesinde yükleme kıskaçları ile numune yüzeyi arasındaki temas kontrol edilmiştir. Test, dinlenme süreleri olmadan, 10 Hz frekansta gerinim kontrollü sinüzoidal yükleme altında 15 °C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir. Test bitiş noktası, eğilme rijitliğinin başlangıç değerinin %50'sine düştüğü çevrim sayısı olarak tanımlanmıştır. Kırılmanın ölçüm bölümünde gerçekleştiği, anormal kıskaç kayması veya ani yorulma dışı kırılma gözlemlenmediği durumlarda testler geçerli kabul edilmiştir. Aksi belirtilmedikçe, tüm nicel veriler ortalama ± standart sapma (mean ± SD) şeklinde sunulmuş ve tüm deney grupları için örneklem büyüklüğü n = 3 olarak belirlenmiştir.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
Sıcak Karışım Asfaltın (WMA) reolojik özellikleri
Asfalt-agrega ara yüzey bölgesi, yorulma çatlaklarının temel başlangıç noktası olarak yaygın şekilde kabul edilmektedir. Buna bağlı olarak, yorulma ile ilgili reolojik parametre G*sin δara servis sıcaklıklarında ölçülen [değer], sıcak karışımlı asfalt (WMA) bağlayıcılarının yorulma performansını değerlendirmek için kullanılmıştır. Şekil 1 ... varyasyonunu sunmaktadır G*sin δ...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Bu çalışma, asfalt bağlayıcı hasar evrimi ile karışım yorulma performansı arasında mekanistik bir bağlantı kurmak için bağlayıcı düzeyindeki Lineer Genlik Taraması (LAS) testi ile Basitleştirilmiş Viskoelastik Süreklilik Hasarı (S-VECD) modelini ve karışım düzeyindeki dört nokta eğilme yorulma testini entegre eden, ölçekler arası bir yorulma değerlendirme çerçevesi önermektedir. Öncelikle G*·sin δ gibi ampirik reolojik göstergelere dayanan geleneksel yorulma değerlendirme yaklaşımlarının aksine, önerilen çerçeve, asfalt ...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.
Teşekkürler
Zhejiang Eyaleti Ulaştırma Bakanlığı'na, Major R için sağladıkları destekten dolayı minnettarız&D projesi. Bu araştırma, büyük bir A&Zhejiang Eyaleti Ulaştırma Departmanı'nın #38;D projesi (ZJXL-SJT-202316A).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Bağlayıcı A / AO, Karamay asfaltı | Karamay ham petrol kaynağı, Çin | N/A | Baz asfalt bağlayıcı |
| Bağlayıcı B / BO, CNOOC 36-1 asfaltı | CNOOC 36-1 açık deniz ham petrol kaynağı, Çin | N/A | Baz asfalt bağlayıcı |
| Bağlayıcı C / CO, PetroChina asfaltı | PetroChina / Venezuela Boscan ham petrol bazlı kaynak | N/A | Baz asfalt bağlayıcı |
| Evotherm M1 sıcak karışım katkısı | Ingevity / MeadWestvaco | Evotherm M1 | WMA bağlayıcı hazırlama için sıcak karışım katkısı |
| Dinamik Kayma Reometresi | Malvern | Kinexus DSR+ | DSR sıcaklık taraması ve LAS testleri için kullanılır |
| İnce Film Fırın Test cihazı | Shanghai Changji | SYD-0610 | Kısa süreli yaşlandırma için kullanılır |
| Basınçlı Yaşlandırma Kabı | InstroTek | PAV-9300 | Uzun süreli yaşlandırma için kullanılır |
| Dört nokta eğilme yorulma testi sistemi | Cooper Research Technology | SA4PT | Gerinim kontrollü karışım yorulma testleri için kullanılır |
| S-VECD analiz çerçevesi | veri analizi | N/A | LAS kaynaklı hasar parametrelerini hesaplamak için kullanılır |
| Veri analiz yazılımı | Origin | OriginPro 2024 | Regresyon uydurma, korelasyon analizi ve grafikleme için kullanılır |
Kaynaklar
- 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.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.