О связи структурных и реологических параметров дорожных битумов

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Исследован групповой химический состав восьми российских дорожных битумов с диапазоном пенетрации от 60 до 115 × 0,1 мм, четыре из которых были подвергнуты процедурам кратковременного и долгосрочного термоокислительного старения. С целью оценки наличия взаимосвязей между структурными параметрами, реологическими параметрами и параметрами модели Кристенсена –Андерсона в температурном диапазоне от 35 до –11°C, выполнены реологические исследования двумя вариантами испытания частотной развертки. Оценено влияние сложности термореологического поведения образцов на сходимость экспериментальных и расчетных данных комплексного модуля. Показана связь коллоидного индекса Гестеля (CIG) и температурной границы соблюдения принципа температурно-временной суперпозиции. Исследованы температурные зависимости параметра m, определяемого из первой части усталостного теста линейной амплитудной развертки, и показана корреляция этого параметра с обратной температурой, что позволяет рассматривать наклон кривой m(1/T) пропорциональным энергии активации, связанной со стойкостью образца к нарастанию дефектов при циклической нагрузке. Показана корреляция наклона кривой m(1/T) с реологическим индексом (R) в зависимости от сложности термореологического поведения образцов1.

 

1 Дополнительные материалы доступны в электронном виде по DOI статьи: 10.31857/S0028242125030022

Full Text

Restricted Access

About the authors

Татьяна В. Дударева

Федеральный исследовательский Центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Author for correspondence.
Email: yanadva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9698-8591
SPIN-code: 3351-9648

старший научный сотрудник

Russian Federation, Москва, 119991

Ирина А. Красоткина

Федеральный исследовательский Центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Email: yanadva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1047-079X
SPIN-code: 2762-5473

старший научный сотрудник

Russian Federation, Москва, 119991

Виктория Н. Горбатова

Федеральный исследовательский Центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Email: yanadva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1592-345X
SPIN-code: 6985-5221

младший научный сотрудник

Russian Federation, Москва, 119991

Ирина В. Гордеева

Федеральный исследовательский Центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Email: yanadva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9879-3701
SPIN-code: 9635-6367

и. о. зав. лабораторией, к. т. н., н. с.

Russian Federation, Москва, 119991

References

  1. Porto M., Angelico R., Caputo P., Abe A.A., Teltayev B., Rossi C.O. The Structure of bitumen: conceptual models and experimental evidences // Materials. 2022. V. 15, № 3. ID 905. https://doi.org/10.3390/ma15030905
  2. Hofko B., Eberhardsteiner L., Füss J., Grothe H., Handle F., Hospodka M., Grossegger D., Nahar S., Schmets A., Skarpas A. Impact of maltene and asphaltene fraction on mechanical behavior and microstructure of bitumen // Mater. Struct. 2015. V. 49. P. 829–841. https://doi.org/10.1617/s11527-015-0541-6
  3. Wang J., Wang T., Hou X., Xiao F. Modelling of rheological and chemical properties of asphalt binder considering SARA fraction // Fuel. 2019. V. 238. P. 320–330. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.10.126
  4. Sultana S., Bhasin A. Effect of chemical composition on rheology and mechanical properties of asphalt binder // Constr. Build. Mater. 2014. V. 72. P. 293–300. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.09.022
  5. Soenen H., Redelius P. The effect of aromatic interactions on the elasticity of bituminous binders // Rheol. Acta. 2014. V. 53. P. 741–754. https://doi.org/10.1007/s00397-014-0792-0
  6. Redelius P., Soenen H. Relation between bitumen chemistry and performance // Fuel. 2015. V. 140. P. 34–43. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2014.09.044
  7. Fischer H.R., Mookhoek S. A study of the influence of the microstructure of one type of bitumen grade on the performance as a binder // Constr. Build. Mater. 2016. V. 117. P. 1‒7. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.04.129
  8. Kumar V.K., Rajan N.K., Devi V.V., Kaushik G. Relationship between Gaestel Index and rheology of blended bitumens // AIP Conf. Proc. 2022. V. 2452. ID 020006. https://doi.org/10.1063/5.0118092
  9. Remisova E., Briliak D., Holy M. Evaluation of Thermo-Viscous Properties of Bitumen Concerning the Chemical Composition // Materials. 2023. V. 16. ID 1379. https://doi.org/10.3390/ma16041379
  10. Gordeeva I.V., Dudareva T.V., Krasotkina I.A., Gorbatova V.N., Nikol’skii V.G., Zvereva U.G., Obukhov A.G. Bitumen Resistance to Plastic Deformation at High Temperatures // Petrol. Chemistry. 2023. V. 63, № 5. P. 518–530. https://doi.org//10.1134/S0965544123050080
  11. Soenen H., Besamusca J., Fischer H.R., Poulikakos L.D., Planche J.-P., Das P.K., Kringos N., Grenfell J.R.A., Lu X., Chailleux E. Laboratory investigation of bitumen based on round robin DSC and AFM tests. // Mater. Struct. 2014. V. 47. P. 1205–1220. https://doi.org/10.1617/s11527-013-0123-4
  12. Laukkanen O.-V., Soenen H. Rheological characterization of wax modified bituminous binders: Effect of specimen preparation and thermal history // Constr. Build. Maters. 2015. V. 95. P. 269–278. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.07.065
  13. Masson J.-F., Leblond V., Margeson J. Bitumen morphologies by phase-detection atomic force microscopy // J. Microsc. 2006. V. 221, № 1. P. 17–29. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2006.01540.x
  14. Lu X., Langton M., Olofsson P., Redelius P. Wax morphology in bitumen // J. Mater. Sci. 2005. V. 40 P. 1893–1900. https://doi.org/10.1007/s10853-005-1208-4
  15. De Moraes M.B., Pereira R.B., Simão R.A., Leite L.F. High temperature AFM study of CAP 30/45 pen grade bitumen // J. Microsc. 2010. V. 239, № 1. P. 46–53. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2009.03354.x
  16. Фролов И.Н., Юсупова Т.Н., Зиганшин М.А., Охотникова Е.С., Фирсин А.А. Особенности формирования коллоидной дисперсной структуры в нефтяном битуме // Коллоидный журнал. 2016. Т. 78, № 5. С. 650‒654. https://doi.org/10.7868/S0023291216050062
  17. Yousefi A.A. The thermo-rheological behavior of bitumen // Prog. Color, Color. Coat. 2008. V. 1. P. 45–55. https://doi.org/10.30509/pccc.2008.75707
  18. Md. Yusoff N.I., Jakarni F.M., Nguyen V.H., Hainin M.R. Modelling the rheological properties of bituminous binders using mathematical equations // Constr. Build. Maters. 2013. V. 40. P. 174–188. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.09.105
  19. Petersen J.C., Robertson R.E., Branthaver J.F., Harnsberger P.M., Duvall J.J., Kim S.S., Anderson D.A., Christiansen D.W., Bahia H.U. Binder characterization and evaluation. V. 1 (SHRP-A-367). National Academy of Sciences, Washington, DC, 1994.
  20. Standard method of test for estimating fatigue resistance of asphalt binders using the linear amplitude sweep. AASHTO designation T391-20. Washington, DC, 2021.
  21. Панюкова Д.И., Осипов К., Савонина Е.Ю., Марютина Т.А. Сравнение результатов определения группового углеводородного состава нефтяных образцов, полученных с применением различных методик жидкостной адсорбционной хроматографии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2025. Т. 91, № 1. С. 5–14. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2025-91-1-5-14
  22. Fan T., Wang J., Buckley J.S. Evaluating Crude Oils by SARA Analysis. Paper presented at the SPE/DOE Improved Oil Recovery Symposium, Tulsa, Oklahoma, April 2002. https://doi.org/10.2118/75228-MS
  23. Bissada K.K., Tan J., Szymczyk E., Darnell M., Mei M. Group-type characterization of crude oil and bitumen. Part I: Enhanced separation and quantification of saturates, aromatics, resins and asphaltenes (SARA) // Organic Geochemistry. 2016. V. 95. P. 21–28. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2016.02.007
  24. Gaestel C., Smadja R., Lamminan K.A. Contribution à la connaissance des propriétés des bitumes routiers // Rev. Generale Routes Aérodromes. 1971. V. 466. P. 85‒97.
  25. Polacco G., Filippi S. Master curves construction for viscoelastic functions of bituminous materials // Appl. Rheol. 2024. V. 34, № 1. ID 20230117. https://doi.org/10.1515/arh-2023-0117
  26. Masson J.-F., Leblond V., Margeson J., Bundalo-Perc S. Low-temperature bitumen stiffness and viscous paraffinic nano-and micro-domains by cryogenic AFM and PDM // J. Microsc. 2007. V. 227, № 3. P. 191‒202. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2007.01796.x
  27. Gorbatova V.N., Gordeeva I.V., Dudareva T.V., Krasotkina I.A., Nikol'skii V.G., Egorov V.M. Effect of the active powder of discretely devulcanized rubber on bitumen properties at low temperatures // Nanotechnol. Constr. 2023. V. 15, № 1. P. 72–83. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2023-15-1-72-83
  28. Musser B.J., Kilpatrik P.K. Molecular characterization of wax isolated from a variety of crude oils // Energy Fuels. 1998. V. 12, № 4. P. 715–725. https://doi.org/10.1021/ef970206u
  29. Kane M., Djabourov M., Volle J.L., Lechaire J.P., Frebourg G. Morphology of paraffin crystals in waxy crude oils cooled in quiescent conditions and under flow // Fuel. 2003. V. 82, № 2. P. 127–135. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(02)00222-3
  30. Hintz C., Velasquez R., Johnson C., Bahia H. Modification and validation of linear amplitude sweep test for binder fatigue specification // Transportation Research Record (TRR). 2011. V. 2207, № 1. P. 99–106 https://doi.org/10.3141/2207-13
  31. Schapery R.A. A theory of mechanical behavior of elastic media with growing damage and other changes in structure // J. Mech. Phys. Solids. 1990. V. 38, № 2. P. 215–253. https://doi.org/10.1016/0022-5096(90)90035-3
  32. Johnson C.M. Estimating asphalt binder fatigue resistance using an accelerated test method. PhD Diss. 2010. University of Wisconsin – Madison. https://uwmarc.wisc.edu/files/linearamplitudesweep/CMJ_PhD_Thesis-100608_Final.pdf

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Graphs of Cole–Cole at temperatures (from top to bottom) 30, 20, 10, 0, -10° C(a, b); Van-Garp –Palmen graphs at temperatures (from top to bottom) 30, 20, 10, 0, -10° C (c, d) for bitumen E-3 (CIG = 0.82) (a, c) and bitumen F-1 (CIG = 0.23) (b, d).

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Correspondence of the experimental (Master Curve) (black circle) and calculated using the Christensen–Anderson model (CA-model) (gray curve) values of the complex modulus (G*) for the reference temperature of 10°C: (a) for the sample H-1 (CIG = 0.47); (b) for sample F-1 (CIG = 0.23); (c) for sample E-3 (CIG = 0.82).

Download (804KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the complex modulus at the crossover frequency (G*gc) on the Gestel colloidal index (CIG): (a) for the entire array of samples; (b) the dependence of the rheological index (R) on the Gestel colloidal index (CIG) for samples exhibiting thermorheologically simple (white circle) and thermorheologically complex behavior (black circle).

Download (726KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of the values of parameter m at 10°C (a, c) and the slope of the curve of parameter m on the reverse temperature (1/T) (b, d) on the Gestel colloidal index (a, b) and on the asphaltene (As) content (c, d).

Download (1MB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences on the rheological index (R): the slope of the curve m from the reverse temperature (1/T) (a); the slope of the parameter m at 10 °C (b) for samples exhibiting thermorheologically simple (circle) and thermorheologically complex (triangle) behavior.

Download (784KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences