Effect of filler type on non-linear viscoelastic characteristics of asphalt mastic

• Autorzy: Mazurek Grzegorz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.137166

Warianty tytułu

PL

Wpływ rodzaju wypełniacza na nieliniową charakterystykę lepkosprężystą mastyksu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article discusses the rheological tests and analyses based on the Schapery non-linear viscoelasticity model that were performed to study asphalt mastic behaviour under high shear stresses. Seven mineral filler types were applied in this study, including a mixed filler with hydrated lime and fillers derived from dust extraction systems. Determination of basic properties of the fillers was followed by creep and recovery tests (DSR) at different levels of shear stress conducted in accordance with a modified MSCR procedure. The first stage in the analysis was the identification of linear viscoelastic region and the non-linear viscoelasticity model parameters such as the length of the loading period, the temperature and the stress level using TTSSP (Time-Temperature- Stress Superposition Principle). Subsequent numerical simulations of strain variation with respect to stress confirmed a high degree of agreement between the non-linear viscoelasticity model and mastic sample behaviour. A strong correlation was found between the non-linear viscoelasticity parameters and mastic properties. The proposed methodology is able to quickly identify and eliminate the fillers that may contribute to HMA deformations.

PL

W artykule przedstawiono badania i analizy efektów reologicznych mastyksu asfaltowego poddanego wysokim naprężeniem ścinającym wykorzystując model nieliniowej lepkosprężystości Schapery’ego. Docelowy materiał użyty w pracy, czyli mastyks jest efektywnym spoiwem mieszanki mineralno-asfaltowej (mma) będący produktem mieszania asfaltu i wypełniacza (<0,063 mm) zapewniającego właściwą kohezję pomiędzy składnikami zasadniczego szkieletu mineralnego. Relacja pomiędzy proporcjami składników (asfalt-wypełniacz) zdecydowanie wpływa na sztywność mma. Na temat wpływu rodzaju wypełniacza na właściwości mastyksu jak i również mma powstało wiele prac. Nie mniej jednak z faktu złożoności zjawisk reologicznych jakie towarzyszą odkształcalności mastyksu badania nad fenomenologią mastyks wciąż trwają. Według wymagań krajowych (WT-1/2014), jako produkt pełnowartościowy, należy uznać wypełniacz o zawartości węglanu wapnia ≥70%. Z kolei autorzy raportu NCHRP 9-45 stwierdzili, że na właściwości mechaniczne w niskiej i wysokiej temperaturze miały wpływ przede wszystkim właściwości fizyczne wypełniacza takie jak: porowatość, uziarnienie. Ponadto zaobserwowali zadawalające rezultaty jakości mastyksu można uzyskać z wypełniaczami pochodzącymi z systemów odpylania kruszyw nierzadko o odczynie kwaśnym. Z faktu występowania dużych rozbieżności opinii w analizie zostały zastosowane materiały pełnowartościowe: mączka wapienna (L), wypełniacz mieszany: 85% mączka wapienna/15% wapno hydratyzowane (0.15HL/L), wypełniacz mieszany: 70% mączka wapienna/30%wapno hydratyzowane (0.30HL/L). Do dalszej ewaluacji wykorzystano materiały niespełniające kryteria jakościowe (według WT-1/2014) takie jak: pyły pochodzenia gabrowego (G), pyły pochodzenia kwarcytowego (Q), pyły pochodzenia bazaltowego (B), pyły pochodzenia dolomitowego (D) oraz pyły granitowe (do celów walidacji). O skuteczności aplikacji danego wypełniacza świadczy również zachowanie finalnego mastyksu w punktu widzenia jego odkształcalności przy wysokich naprężeniach. Dlatego też do oceny zjawiska pełzania i powrotu sprężystego wykorzystano badania monotoniczne w próbie pełzania z odciążeniem (powrót sprężysty) z zastosowaniem zmodyfikowanej procedury MMSCR. Metoda MMSCR stanowi modyfikację tradycyjnej metody MSCR (Multi Stress Creep Recovery Test) dedykowanej ocenie pełzania asfaltów poddanych cyklicznemu naprężeniu ścinającemu. Metoda MMSCR stanowi rozwinięcie metody MSCR poprzez szerszą analizę zakresu nieliniowego lepkosprężystości o wiele bardziej racjonalnego w rzeczywistej pracy mma. W zmodyfikowanym programie MMSCR pomiar odkształcenia (sekwencja), tak samo jak w badaniu MSCR, był realizowany w czasie trwania obciążenia przez 1 s (sekwencja obciążenia) a następnie odkształcenia w czasie powrotu (sekwencja odciążenia) trwającego 9 s. Badanie zostało powtórzone w trzech temperaturach, czyli: 50°C, 60°C, 70°C aby uwzględnić zasadę superpozycji czas-temperatura (TTSP). Ponadto uwzględniono trzy poziomy naprężenia ścinającego 100Pa, 3200Pa oraz 6400Pa aby wykorzystać najbardziej zaawansowaną zasadę superpozycji TTSSP (time temperature stress superposition principle).

Słowa kluczowe

EN

non-linear viscoelasticity; asphalt mastic; mixed filler; MSCR; multi stress creep recovery test; regression

PL

lepkosprężystość nieliniowa; mastyks; wypełniacz mieszany; MSCR; multi stress creep recovery test; regresja

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 2
• Strony: 247--259
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Mazurek Grzegorz

• Kielce University of Technology, Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-9735-1725

Bibliografia

• [1] A. F. Faheem and H. U. Bahia, „Modelling of Asphalt Mastic in Terms of Filler-Bitumen Interaction”, Road Materials and Pavement Design, vol. 11, pp.281-303, Jan. 2010. http:/doi.org/10.1080/14680629.2010.9690335
• [2] D. A. Anderson and W. H. Goetz, „Mechanical Behavior and Reinforcement of Mineral Filler- Asphalt Mixtures”, Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, vol. 42, pp. 7-66,1977.
• [3] J. Read, D. Whiteoak and R. N. Hunter, The Shell Bitumen handbook, 5th ed. London: Thomas Telford, 2003.
• [4] H. U. Bahia, H. Zhai, K. Onnetti and S. Kose, „Non-linear viscoelastic and fatigue properties of asphalt binders”, Asphalt Paving Technologists, vol. 68, 1999, pp. 1-34.
• [5] J. Piłat and P. Radziszewski, Nawierzchnie asfaltowe: podręcznik akademicki [Road Pavements: Student’s Book]. Warszawa, WKŁ, 2010.
• [6] W. Grabowski and J. Wilanowicz, „The structure of mineral fillers and their stiffening properties in filler-bitumen mastics”, Materials and Structures, vol. 41, no.4, 2008. http:/doi.org/10.1617/s11527-007-9283-4.
• [7] J. Piłat, Wpływ właściwości mączek mineralnych na kształtowanie cech technicznych kompozytów mineralno-asfaltowych [The influence of lime filler on properties of bituminous mixture composites], Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1994.
• [8] „Test Methods and Specification Criteria for Mineral Filler Used in HMA”, National Cooperative Highway Research Program, University of Wisconsin-Madison, Revised Draft Final Report 12/28/2010 NCHRP Report 9-45.
• [9] V. Antunes, A. C. Freire, L. Quaresma and R. Micaelo, „Effect of the chemical composition of fillers in the filler-bitumen interaction”, Construction and Building Materials, vol. 104, pp. 85-91, 2016. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.042
• [10] W. N. Findley, J. S. Lai and K. Onaran, Creep and relaxation of nonlinear viscoelastic materials: with an introduction to linear viscoelasticity, New York: Dover, 1989.
• [11] S. P. C. Marques and G. J. Creus, Computational viscoelasticity, Heidelberg, New York: Springer, 2012.
• [12] P. Shirodkar, Y. Mehta, A. Nolan, K. Dahm, R. Dusseau and L. McCarthy „Characterization of creep and recovery curve of polymer modified binder”, Construction and Building Materials, vol. 34, pp. 504-511, 2012. http://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.02.018.
• [13] R. A. Schapery, A Theory of Non-linear Thermoviscoelasticity Based on Irreversible Thermodynamics, American Society of Mechanical Engineers, 1966.
• [14] R. A. Schapery, „An engineering theory of nonlinear viscoelasticity with applications”, International Journal of Solids and Structures, vol. 2, no. 3, 1966. http://doi.org/10.1016/0020-7683(66)90030-8.
• [15] T. F. Soules, R. F. Busbey, S. M. Rekhson, A. Markovsky and M. A. Burke, „Finite-Element Calculation of Stresses in Glass Parts Undergoing Viscous Relaxation”, Journal of the American Ceramic Society, vol. 70, no. 2, pp. 90-95, 1987. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1987.tb04935.x.
• [16] G. Mazurek, Liniowa i nieliniowa lepkosprężysta charakterystyka mastyksu asfaltowego w zakresie wysokich temperatur eksploatacyjnych nawierzchni [Linear and non-linear characteristic of the bituminous mastic at high operational temperatures], Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej (Kielce), 2019.
• [17] J. Lai and A. Bakker, „An integral constitutive equation for nonlinear plasto-viscoelastic behavior of high-density polyethylene”, Polymer Engineering and Science, vol. 35, no. 17, 1995. https://doi.org/10.1002/pen.760351703.
• [18] G. Mazurek, M. Pszczoła and C. Szydłowski, „Non-Linear Mastic Characteristics Based On The Modified MSCR Test (Multiple Stress Creep Recovery)”, Structure and Environment, vol. 11, no. 1, 2019. http://doi.org/10.30540/sae-2019-00.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).