ON THE RELATIONSHIP BETWEEN STRUCTURAL AND RHEOLOGICAL PARAMETERS OF ROAD BITUMEN

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

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 образцов.1

Full Text

Restricted Access

About the authors

T. Dudareva

N.N. Semenov Federal Research Center
for Chemical Physics Russian Academy of Sciences

Email: yanadva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9698-8591

Senior Researcher of the Laboratory of Physical Chemistry of Highly Dispersed Materials, Division of Structure of Matter

Russian Federation

I. A. Krasotkina

N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics Russian Academy of Sciences

Email: vadnik29@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1047-079X
SPIN-code: 2762-5473

V. N. Gorbatova

N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics Russian Academy of Sciences

Email: vik21477677@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1592-345X
SPIN-code: 6985-5221

I. V. Gordeeva

N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: busechka.90@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9879-3701
SPIN-code: 9635-6367

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. Mater. 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. Mater. 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 (дата обращения: 17.04.2025).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Рис.1 – Графики Cole–Cole при температурах при температурах (снизу-вверх) 30, 20, 10, 0, –10°С (а, б); графики Van-Garp–Palmen при температурах (сверху-вниз) 30, 20, 10, 0, –10°С (в, г) для битума E-3 (CIG=0,82) (а, в) и для битума F-1 (CIG=0,23) (б, г).

Download (105KB)
Indexing metadata
3. Рис.2 – Соответствие экспериментальных (Master Curve) (черный круг) и рассчитанных по модели Кристенсена-Андерсона (CA модель) (серая кривая) значений комплексного модуля (G*)для опорной (reference) температуры 10°С (а) для образца H-1 (CIG=0,47); (б) для образца  F-1 (CIG=0,23); (в) для образца E-3 (CIG=0,82).

Download (60KB)
Indexing metadata
4. Рис.3 – Зависимость комплексного модуля (G*) (а) и реологического индекса (R) (б) от коллоидного индекса Гестеля (CIG).

Download (53KB)
Indexing metadata
5. Рис.4 – Зависимости значений параметра m при 10°С (а, в) и наклона кривой параметра m от обратной температуры (1/T) (б, г) от коллоидного индекса Гестеля (а, б) и от содержания асфальтенов (As) (в, г).

Download (69KB)
Indexing metadata
6. Рис.5 – Зависимости значений параметра m при 10°С (а) и наклона кривой параметра m от обратной температуры (1/T) (б) от реологического индекса (R).

Download (37KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».