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

Podsumowanie

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

Streszczenie

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

Wprowadzenie

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

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

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

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

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

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

Protokół

Materiały
Trzy lepiszcza asfaltowe wybrane w niniejszym badaniu, zestawione w Tabeli 1, są reprezentatywnymi lepiszczami nawierzchniowymi pochodzącymi z różnych źródeł ropy naftowej, które są szeroko stosowane w praktycznej inżynierii drogowej w Chinach. Asfalt Karamay, asfalt CNOOC 36-1 oraz asfalt PetroChina znacząco różnią się pod względem pochodzenia ropy, składu chemicznego, podatności na starzenie oraz charakterystyki reologicznej, co stanowi odpowiednią podstawę materiałową do badania zachowania zmęczeniowego zależnego od źródła ropy. Ich wybór umożliwia porównawczą ocenę wpływu wewnętrznego składu lepiszcza na skuteczność modyfikacji ciepłą mieszanką oraz zmęczeniowe właściwości mieszanki w skali makro, co zwiększa znaczenie inżynieryjne proponowanej wieloskalowej ramy charakterystyki zmęczeniowej. Szczegółowe pochodzenie geologiczne i charakterystyka chemiczna każdego lepiszcza przedstawiają się następująco:

Spoiwo A: Pochodzi z ciężkiego surowca naftowego z 9. strefy, wytworzone w procesie mieszania pozostałości próżniowej i asfaltu odolejonego. Jego materiał bazowy wykazuje charakterystyczne właściwości, w tym niską zawartość parafiny (<2%), minimalne stężenie siarki oraz wysoką zawartość żywic. Warto zaznaczyć, że asfalt z Karamay jest jedynym spoiwem drogowym stosowanym obecnie w inżynierii, którego gęstość jest niższa niż 1 g/cm³; charakteryzuje się on ponadprzeciętną lepkością dynamiczną oraz doskonałym zachowaniem plastyczności po starzeniu. Cechy te sprawiają, że jest on szczególnie odpowiedni dla regionów narażonych na duże dobowe wahania temperatury oraz intensywne promieniowanie ultrafioletowe.

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

Spoiwo C: Sformułowane głównie z ciężkiej ropy wenezuelskiej Boscan jako podstawowego surowca, z uzyskaniem wydajności produkcji na poziomie 60% dzięki specjalistycznym procesom rafinacji. Ropa ta wykazuje unikalne cechy geochemiczne, w tym wysoką zawartość kwasów, znaczące stężenia metali ciężkich oraz silny potencjał tworzenia pozostałości węglowych. Spoiwo charakteryzuje się nietypowym składem węglowodorowym, wyróżniającym się niskim udziałem frakcji węglowodorów nasyconych, wzbogaconymi kompleksami żywic i asfaltenów oraz niezwykle niską zawartością parafiny (1,3%).

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

Projekt	Jednostka	Karamay	CNOOC	CNPC
Penetracja	0.1 mm (15 °C)	22	22	24
	0.1 mm (25 °C)	72	68	71
	0.1 mm (30 °C)	112	110	116
PI	－	-1.14	-1.2	-0.81
TR&B	°C	46	46.5	47.5
Lepkość dynamiczna (60 °C)	Pa·s	223.5	230	256.9
ciągliwość (10 °C, 5 cm/min)	cm	>100	>100	52
Zawartość wosku	%	1.9	1.8	1.3
Temperatura zapłonu (COC)	℃	278	287	312
Rozpuszczalność	%	99.5	99.7	99.8
Gęstość (15 °C)	g/cm³	0.977	1.012	1.049
RTFOT	Zmiana jakości (%)	0.05	0.06	-0.07
	Stosunek penetracji resztkowej (%)	66.2	67.4	64.8
	Ciągliwość resztkowa (10 °C, cm)	13	12	9

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

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

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

Badanie za pomocą dynamicznego reometru ścinania (DSR)
Aby scharakteryzować odpowiedź reologiczną oraz właściwości związane ze zmęczeniem lepiszczy asfaltowych modyfikowanych dodatkami do mieszanek na ciepło, przeprowadzono badania za pomocą dynamicznego reometru ścinania (DSR), wykorzystując reometr rotacyjny z kontrolą temperatury zgodnie z normą ASTM D7175²². Ocena reologiczna skupiła się na zachowaniu zmęczeniowym w temperaturach pośrednich, które jest ściśle powiązane z inicjacją i propagacją pęknięć w nawierzchniach asfaltowych.

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

Przed każdym badaniem DSR próbka lepiszcza została starannie przycięta po załadowaniu między równoległe płyty, aby zapewnić jednolity profil krawędzi. Próbkę kondycjonowano w docelowej temperaturze przez 10 min przed pomiarem. Badania przeprowadzono w zakresie temperatur 58–82 °C w odstępach 6 °C. Poprawność badania potwierdzano, gdy zmierzony moment obrotowy i przemieszczenie pozostawały w zalecanym zakresie pracy urządzenia, a nie stwierdzono widocznego poślizgu próbki.

Badanie liniowego zakresu amplitudy (LAS)
Charakterystykę zachowania wiskoelastycznego przeprowadzono zgodnie ze specyfikacjami ASTM D7175 dotyczącymi dynamicznej analizy mechanicznej²⁵. Metodologia eksperymentalna obejmowała pomiary zależności modułu od amplitudy odkształcenia w celu wyznaczenia granic liniowej wiskoelastyczności, a następnie badania z kontrolą częstotliwości przy 10 rad/s²⁶. Oceny zależne od temperatury objęły zakres temperatur eksploatacyjnych nawierzchni asfaltowych (58–82°C), realizowane w krokach co 6°C, z zachowaniem 10 minut na osiągnięcie równowagi termicznej w każdym segmencie izotermicznym. Zastosowano protokół AASHTO T391 w celu ilościowego określenia akumulacji uszkodzeń lepiszcza poprzez analizę ewolucji energii rozproszonej, monitorując w szczególności czynnik dyssypacji wiskoelastycznej (|G*|sin δ) podczas obciążeń cyklicznych ^27,28. W celu przewidzenia wzorców degradacji kompozytów bitumicznych przyjęto model uproszczonego wiskoelastycznego uszkodzenia ciągłego (S-VECD)²⁹. Protokół LAS polega na wykonaniu oscylacyjnego pomiaru amplitudy przy stałej częstotliwości 10 Hz, stosując kontrolowany przyrost odkształcenia od 0.1% do 30% z rozdzielczością przyrostów 0.1%.

Kluczowe parametry wiskoelastyczne zostały wyznaczone przy użyciu następujących równań:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

(3)

gdzie G''(ω) to moduł strat, ω to częstotliwość kątowa, m i b to współczynniki dopasowania, G'(ω) to moduł zachowawczy, G*(ω) to moduł zespolony, δ(ω) to kąt przesunięcia fazowego, a i jest wskaźnikiem wiskoelastyczności.

Kwantyfikacja uszkodzeń opierała się na podstawowej zależności wyrażonej w równaniu (4):

(4)

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

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

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

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

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

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

(6)

Cpeak jest parametrem integralności odpowiadającym punktowi maksymalnego naprężenia ścinającego.

Wzór na obliczenie trwałości zmęczeniowej to:

N_f = A(γ_max)^-B (7)

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

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

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

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

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

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

Rozmiar sita (mm)	Kategoria kruszywa					Syntetyczna gradacja (%)
	1# (10~20mm. 29%)	2# (5~10mm. 29,2%)	3# (3~5mm. 17%)	4# (0~3mm. 19%)	Pył mineralny (5,8%)
0.075	0	0.1	0	0.9	90.8	5.5
0.15	0.1	0.1	0	4.9	95.3	6.5
0.3	0.1	0.2	0	13	98.7	8.3
0.6	0.1	0.2	0	25.2	99.7	10.6
1.18	0.1	0.2	0	47.8	100	15
2.36	0.1	0.5	0	100	100	25
4.75	0.8	15.5	98.9	100	100	46.4
9.5	15.2	99.5	100	100	100	75.2
13.2	68.4	99.8	100	100	100	90.8
16	94.8	100	100	100	100	98.5
19	100	100	100	100	100	100
Pozorna gęstość względna	2.899	2.918	2.845	2.754	2.872	2.865
Gęstość względna w stanie SSD	2.854	2.847	2.816	2.691	－	2.814
Gęstość objętościowa	2.829	2.81	2.8	2.655	－	2.787
Wskaźnik nasiąkliwości kruszywa (%)	0.85	1.32	0.56	1.36	－	－

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

Próby zmęczeniowe zginania czteropunktowego przeprowadzono przy użyciu aparatu badawczego Cooper w warunkach obciążenia sterowanego odkształceniem, aby ocenić trwałość zmęczeniową mieszanek ciepłego asfaltu (WMA)³². Kryterium zniszczenia zdefiniowano jako liczbę cykli obciążenia niezbędną do spadku sztywności zginania do 50% jej wartości początkowej. Zgodnie z ustalonym protokołem badań³³, obciążenie cykliczne aplikowano w formie ciągłej fali sinusoidalnej o częstotliwości 10 Hz w warunkach izotermicznych 15 °C. Wszystkie próby przeprowadzono bez okresów odpoczynku, aby zapewnić nieprzerwany dopływ energii podczas obciążenia zmęczeniowego^34,35.

Próbki belkowe wykonano zgodnie ze standardowymi wymaganiami wymiarowymi: o długości 381 ± 6,35 mm, szerokości 63,5 ± 6,35 mm i wysokości 50,8 ± 6,35 mm³⁶³⁷. W warunkach kontroli odkształcenia charakterystykę zmęczeniową określono poprzez wykreślenie krzywych charakterystyki zmęczeniowej dla próbek o różnych składach WMA w podwójnym układzie współrzędnych logarytmicznych³⁸. Następnie ustalono konstytutywną zależność potęgową i zastosowano nieliniową analizę regresji w celu dopasowania danych zmęczeniowych dla poszczególnych mieszanek asfaltowych, co stanowiło podstawę do późniejszego modelowania trwałości zmęczeniowej i analizy porównawczej^39,40,41. Próbkę belkową zamocowano symetrycznie w uchwycie do zginania czteropunktowego, a przed rozpoczęciem obciążania sprawdzono kontakt między zaciskami obciążającymi a powierzchnią próbki. Badanie przeprowadzono w temperaturze 15 °C przy sinusoidalnym obciążeniu z kontrolą odkształcenia o częstotliwości 10 Hz bez przerw odpoczynkowych. Punkt końcowy badania zdefiniowano jako liczbę cykli, przy której sztywność zginania spadła do 50% jej wartości początkowej. Badania uznano za poprawne, gdy zniszczenie nastąpiło w sekcji pomiarowej i nie zaobserwowano nieprawidłowego poślizgu zacisków ani nagłego pęknięcia niezwiązanego ze zmęczeniem. Wszystkie dane ilościowe przedstawiono jako średnia ± odchylenie standardowe (mean ± SD), przy wielkości próby n = 3 dla wszystkich grup eksperymentalnych, chyba że zaznaczono inaczej.

Wyniki

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

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

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

Zmiany reologiczne te można przypisać zmianom składu lepiszczy asfaltowych podczas starzenia termooksydacyjnego. Składniki o niskiej masie cząsteczkowej są stopniowo przekształcane w struktury o wyższej masie cząsteczkowej w wyniku reakcji utleniania i polimeryzacji, co prowadzi do wzrostu modułu zespolonego G*. Jednocześnie akumulacja polarnych produktów utleniania zwiększa magazynowanie energii sprężystej, co przejawia się spadkiem kąta fazowego. W miarę postępu starzenia lepiszcze staje się coraz bardziej wrażliwe na wahania temperatury, a zależność parametrów reologicznych związanych ze zmęczeniem od temperatury staje się bardziej wyraźna.

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

Liniowe wymiatanie amplitudy
Kluczowe parametry wynikające z modelu S-VECD zestawiono w tabeli 3. Indeks integralności C ilościowo charakteryzuje postępującą degradację lepiszczy asfaltowych pod wpływem cyklicznego obciążenia mechanicznego, gdzie C = 1 reprezentuje pierwotny, nieuszkodzony stan, a C = 0 odpowiada całkowitej awarii strukturalnej. Dodatkowo współczynniki regresji C₁ oraz C₂ opisują ewolucję integralności materiału wraz ze wzrostem uszkodzeń. Niższe wartości C₁ i C₂ wskazują na lepszą stabilność strukturalną przy równoważnych poziomach uszkodzeń, co jest bezpośrednio powiązane ze zwiększoną odpornością zmęczeniową w skali lepiszcza. Jak pokazano w tabeli 3, starzenie zazwyczaj zwiększa C₁ i zmniejsza C₂, co sugeruje pogorszenie ewolucji integralności lepiszcza oraz spadek odporności zmęczeniowej. Asfalt Karamay wykazuje najwyższą odporność na akumulację uszkodzeń, charakteryzując się najniższymi wartościami C₁ i stosunkowo wysokimi wartościami C₂, podczas gdy asfalt CNPC wykazuje tendencję przeciwną, co wskazuje na słabsze właściwości zmęczeniowe.

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

Tabela 3: Parametry związane z metodą VECD. Tabela 3 podsumowuje dopasowane parametry modelu dla trzech lepiszczy asfaltowych w warunkach niepostarzonych i postarzonych. Zmienność parametrów odzwierciedla wpływ rodzaju asfaltu oraz postarzania na charakterystykę modelu.

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

Rysunek 2: Charakterystyka odporności zmęczeniowej dla różnych formulacji lepiszczy asfaltowych. (A) Asfalt A; (B) Asfalt B; (C) Asfalt C. AO, BO i CO reprezentują oryginalne próbki asfaltu, natomiast AP, BP i CP oznaczają odpowiadające im próbki asfaltu ciepłej mieszanki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Szczegółowa analiza profili ewolucji uszkodzeń ujawnia wyraźne różnice zależne od rodzaju lepiszcza. Modyfikowany ciepłą mieszanką asfalt A wykazuje wyższą odporność zmęczeniową w porównaniu z lepiszczem niemodyfikowanym, co potwierdza korzystniejsze położenie krzywej ewolucji uszkodzeń. Wynik ten dowodzi, że dodatek do ciepłych mieszanek skutecznie zwiększa trwałość asfaltu A przy wielokrotnym obciążeniu. Z kolei asfalt B wykazuje pomijalną reakcję na modyfikację ciepłą mieszanką, a lepiszcza modyfikowane i niemodyfikowane wykazują niemal identyczne trajektorie progresji uszkodzeń. W przypadku asfaltu C zaobserwowano poprawę zależną od progu: lepiszcze modyfikowane ciepłą mieszanką przewyższa asfalt bazowy tylko wtedy, gdy zmienna uszkodzeń przekracza 100 jednostek, co wskazuje, że skuteczność dodatku jest aktywowana głównie w zaawansowanych stadiach uszkodzeń.

Ilościowe porównania trwałości zmęczeniowej wynikające z testu LAS przedstawiono na Ryc. 3. Zaobserwowane różnice w odporności zmęczeniowej dodatkowo podkreślają specyficzny dla materiału charakter oddziaływania między dodatkiem do ciepłych mieszanek a lepiszczem, którego skuteczność jest w dużej mierze determinowana przez wewnętrzne cechy składu asfaltu bazowego. Wśród badanych materiałów asfalt PetroChina z Qinhuangdao wykazuje najwyższą odporność zmęczeniową, co odzwierciedla wrodzone zalety związane ze składem jego surowca bazowego. Z kolei asfalt z Karamay wykazuje najbardziej wyraźną poprawę po modyfikacji dodatkiem do ciepłych mieszanek, co podkreśla kluczową rolę właściwości asfaltu bazowego w określaniu potencjału zwiększenia parametrów przez dodatki do ciepłych mieszanek.

Rycina 3. Porównanie trwałości zmęczeniowej między betonem asfaltowym mieszanym na gorąco (HMA) a betonem asfaltowym mieszanym na ciepło (WMA) dla trzech lepiszczy asfaltowych. Trwałość zmęczeniowa różni się tylko nieznacznie między WMA a HMA dla wszystkich trzech typów lepiszczy. Asfalt C wykazuje najwyższą trwałość zmęczeniową, następnie Asfalt A i Asfalt B. Ogólnie wyniki wskazują, że modyfikacja na ciepło wywołuje jedynie niewielki efekt w odniesieniu do trwałości zmęczeniowej, a skala i kierunek zmiany zależą od rodzaju lepiszcza. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

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

W niniejszym badaniu asfalt z Karamay wykazuje relatywnie wyższą frakcję aromatyczną i niższą zawartość nasyconą, co przekłada się na niższe tempo rozwoju uszkodzeń (zredukowane wartości C₁) oraz poprawę trwałości zmęczeniowej zarówno w testach LAS, jak i w badaniach w skali mieszanki. W przeciwieństwie do niego, lepiszcze pochodzące z PetroChina wykazuje bardziej zrównoważony, lecz relatywnie wyższy udział frakcji nasyconej, co prowadzi do pośredniego zachowania akumulacji uszkodzeń S-VECD. Asfalt pochodzący z CNOOC, z wyższymi frakcjami związanymi z polarnością wnioskowanymi z charakterystyki pochodzenia ropy naftowej, wykazuje szybszy wzrost sztywności pod obciążeniem cyklicznym, co odzwierciedlają wyższe wartości C₁ i zredukowana trwałość zmęczeniowa. Wyniki te sugerują, że równowaga między frakcjami aromatycznymi a nasyconymi kontroluje ścieżki dyssypacji energii lepkosprężystej oraz rozwój uszkodzeń mikrostrukturalnych, wpływając tym samym bezpośrednio na parametry S-VECD i odporność zmęczeniową. Ogólnie rzecz biorąc, obecne wyniki należy traktować jako ugruntowane mechanistycznie, lecz warunkowe ramy teoretyczne, a nie jako w pełni uniwersalny model prognostyczny dla wszystkich systemów asfaltowych.

Wytrzymałość zmęczeniowa w skali mieszanki
Systematycznie oceniono wytrzymałość zmęczeniową mieszanek asfaltowych z zastosowaniem różnych technologii ciepłych mieszanek mineralno-asfaltowych (WMA), a odpowiadające im wyniki badań zmęczeniowych zestawiono w Tabeli 4. Dane te określają trwałość mieszanek asfaltowych pod wpływem obciążeń cyklicznych i wykazują wyraźne różnice w trwałości zmęczeniowej badanych formulacji WMA. Zaobserwowana zmienność wskazuje, że wytrzymałość zmęczeniowa w skali mieszanki jest silnie uzależniona od składu materiałowego i zastosowanej technologii ciepłych mieszanek.

Typ asfaltu	ID próbki	Porowatość (%)	Poziom odkształcenia (με)	Wytrzymałość zmęczeniowa (cykle)
Karamay	1	4.5	100	22,36,902
	2	4.3	100	18,30,625
	3	3.7	100	19,49,138
	4	4.5	150	3,06,655
	5	5.3	150	3,97,762
	6	4.9	150	2,98,042
CNOOC	1	4.2	200	52,315
	2	5.1	200	58,828
	3	5.3	200	67,762
	4	3.8	75	6,47,145
	5	4.3	75	5,63,675
	6	4.5	75	6,91,698
CNPC	1	3.6	100	47,343
	2	4.1	100	24,149
	3	4.7	100	18,495
	4	3.5	200	4,412
	5	4.1	200	2,269
	6	4.7	200	3,299

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

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

(9)

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

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

Rodzaje asfaltu	Równanie zmęczeniowe	k	n	R2
A	y = 2.463 × 1016x−5.029​	2.463 × 1016	5.029	0.993
B	y = 1.713 × 1015x−5.120​	1.713 × 1015	5.12	0.965
C	y = 1.233 × 1019x−5.975​	1.233 × 1019	5.975	0.964

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

Rycina 4 przedstawia zależności między trwałością zmęczeniową a odkształceniem dla mieszanek asfaltowych z różnymi typami WMA, opracowane na podstawie dopasowanych modeli zmęczeniowych. Zgodnie z oczekiwaniami, trwałość zmęczeniowa wszystkich mieszanek systematycznie spada wraz ze wzrostem amplitudy odkształcenia, co jest zgodne z klasycznym zachowaniem zmęczeniowym kompozytów bitumicznych. Analiza porównawcza krzywych zmęczeniowych wykazuje wyraźną hierarchię odporności zmęczeniowej mieszanek, przyjmując następującą rankingową kolejność ogólnej wydajności: Materiał C > Materiał A > Materiał B. Ranking ten odzwierciedla względną zdolność każdej mieszanki do wytrzymywania powtarzających się cykli obciążenia przed wystąpieniem zniszczenia i jest zgodny z parametrami regresji podsumowanymi w Tabeli 5.

Rycina 4: Wzorce zmęczeniowe mieszanek asfaltowych z różnymi typami ciepłego mieszania. Jak pokazano na Rycini 4, trwałość zmęczeniowa wszystkich mieszanek asfaltowych malała wraz ze wzrostem poziomu odkształcenia. spośród trzech mieszanek asfaltowych wytworzonych metodą ciepłego mieszania, mieszanka C wykazała najwyższą odporność na zmęczenie, a następnie mieszanki A i B. Znacznie wyższa trwałość zmęczeniowa mieszanki C wskazuje, że ta technologia ciepłego mieszania skutecznie poprawia odporność mieszanek asfaltowych na akumulację uszkodzeń zmęczeniowych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Przy równoważnych warunkach zawartości pustek powietrznych technologia WMA zapewnia znaczące korzyści w zakresie odporności zmęczeniowej poprzez obniżenie temperatury produkcji i zagęszczania o około 20–30 °C. Redukcja temperatury ta łagodzi krótkotrwałe starzenie oksydacyjne lepiszczy asfaltowych, które jest główną przyczyną długoterminowego kruchości. Poprzez zachowanie wiskoelastyczności lepiszcza i zdolności do rozpraszania naprężeń, WMA hamuje inicjację i propagację mikropęknięć pod wpływem obciążeń cyklicznych. W konsekwencji zmniejszają się skumulowane uszkodzenia zmęczeniowe, co prowadzi do wydłużenia trwałości zmęczeniowej mieszanki i poprawy trwałości nawierzchni. Zalety te są kluczowe dla wydłużenia okresu eksploatacji, zmniejszenia zapotrzebowania na konserwację oraz umożliwienia rozwoju bardziej trwałych i kosztowo efektywnych infrastruktur drogowych. Aby zbadać spójność między zachowaniem zmęczeniowym w skali lepiszcza a w skali mieszanki, przeanalizowano korelacje między czynnikiem zmęczeniowym lepiszcza G*sin δ a trwałością zmęczeniową mieszanki N_f, jak pokazano na Rysunku 5. Dla wszystkich lepiszczy zaobserwowano statystycznie istotną zależność, co wskazuje, że właściwości reologiczne lepiszcza wywierają mierzalny wpływ na odporność zmęczeniową mieszanki. W szczególności Lepiszcze B wykazuje wyjątkowo silną korelację (R² = 0,99, p < 0,001), co sugeruje, że G*sin δ służy jako niezawodny predyktor trwałości zmęczeniowej mieszanki dla tego materiału. W przeciwieństwie do niego, Lepiszcza A i C wykazują porównawczo słabsze korelacje (R² = 0,6051 i 0,7933), co oznacza, że sama reologia lepiszcza nie może w pełni oddać zachowania zmęczeniowego mieszanki dla tych układów.

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

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

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

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

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

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

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

Dyskusja

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

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

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

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

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

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

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