Взаимосвязи между химическими и реологическими показателями старения битумного вяжущего при высоких температурах

Почему старение дорог важно для всех

Каждый, кто ездил по колееобразному или потрескавшемуся покрытию, видел последствия старения дорог. В основе любого асфальтового покрытия лежит липкое, похожее на дёготь вяжущее вещество, которое склеивает камни. Под действием солнца, тепла и воздуха в течение лет это вяжущее уплотняется и становится более хрупким, меняя поведение дорожного слоя под нагрузкой. В этом исследовании изучают, как химические изменения внутри вяжущего отражаются на его текучести и жёсткости, чтобы облегчить прогнозирование появления колей и трещин и безопаснее управлять материалами при рециклинге.

Как асфальт меняется со временем и под трафиком

Битумное вяжущее состоит из множества органических молекул, которые реагируют с кислородом воздуха. Во время смешивания и укладки вяжущее подвергается высоким температурам и доступу воздуха, что вызывает первоначальный всплеск старения и делает свежеуложенное покрытие уже более жёстким до того, как по нему проедет транспорт. Затем в течение лет медленное старение продолжается под воздействием тепла, кислорода, солнечного света и влаги. Этот долгосрочный процесс дополнительно увеличивает жёсткость: покрытия могут лучше сопротивляться образованию колей в жаркое лето, но при этом становятся менее гибкими и более склонными к усталостным и холодовым трещинам. В условиях изменения климата с учащающимися тепловыми волнами и роста использования рециклированного асфальта (RAP) понимание баланса «полезного» и «вредного» старения становится всё более важным.

Исследование химии и «ощущения» вяжущего

Авторы изучали три распространённых сорта битумного вяжущего разной мягкости и подвергали их строго контролируемому коротко- и долгосрочному старению в лаборатории. Они использовали печь с вращающейся тонкой плёнкой, чтобы имитировать нагрев и контакт с воздухом во время смешивания, а затем одну–три циклические процедуры в сосуде с давлением, чтобы смоделировать годы эксплуатации. Для отслеживания химических изменений применяли инфракрасную спектроскопию, измеряя образование специфических обогащённых кислородом групп, возникающих при окислении вяжущего. Эти сигналы объединяли в единый «индекс старения», который растёт по мере удаления химии вяжущего от его свежего состояния. Параллельно измеряли, насколько легко вяжущее течёт и деформируется при высоких температурах, с помощью приборов, скручивающих или вращающих небольшие образцы, извлекая величины, связанные с вязкостью, жёсткостью при колеблющих нагрузках и более детальными вязкоупругими моделями.

Первый этап наносит большую часть ущерба

Во всех трёх вяжущих все индикаторы старения движутся в одном направлении: химическое окисление увеличивается, высокотемпературная жёсткость растёт, и сопротивление течению усиливается. Особенно сильный скачок наблюдался после первого цикла долгосрочного старения; последующие циклы также увеличивали показатели старения, но в меньшей степени. Такая картина проявлялась в инфракрасном индексе, в так называемой нулевой сдвиговой вязкости, отражающей поведение при очень медленной деформации, и в широко используемом параметре против колейности, описывающем сопротивление покрытия образованию постоянных деформаций по колее. Параметры из продвинутой вязкоупругой модели, описывающие переход вяжущего от упругого к вязкому поведению, также систематически увеличивались с возрастом и оказались чувствительны к процессу упрочнения.

Простые закономерности связывают химию и свойства

Сравнивая все измерения, команда выявила чёткие, математически простые зависимости между химическими и механическими индикаторами. Для данного сорта вяжущего инфракрасный индекс старения возрастал линейно в зависимости от логарифма нулевой сдвиговой вязкости и одного ключевого параметра модели, формирующего кривую жёсткости. Параметр против колейности показывал сильную степенную связь с химическим индексом и экспоненциальную зависимость от нулевой сдвиговой вязкости. Высокотемпературная ротационная вязкость — относительно простая и распространённая на практике проверка — тесно коррелировала с параметром против колейности для всех испытанных вяжущих и была также тесно связана с более сложной мерой вязкости. Эти тенденции последовательно проявлялись внутри каждого сорта вяжущего, и некоторые связи, например между простой вязкостью и жесткостью против колейности, оставались сильными даже при объединении сортов, полученных из одной и той же сырьевой нефти.

От трендов к практическим инструментам

Для непрофессионального читателя ключевая мысль такова: та же химия окисления, которая постепенно упрочняет дорожные вяжущие, оставляет очевидный отпечаток в том, как эти вяжущие текут и деформируются под нагрузкой. Показав, что один вид измерения (например, быстрый тест на вязкость) надёжно отслеживает другие (такие как детальные химические спектры или продвинутые модели жёсткости) внутри семейства вяжущих, работа создаёт основу для более простых, основанных на данных проверок старения дорог. Инженеры могли бы откалибровать эти тренды на нескольких измерениях и затем использовать более доступные тесты вместо сложных или дорогостоящих. В конечном счёте это поможет дорожным службам проектировать покрытия, выбирать долю RAP и планировать обслуживание так, чтобы балансировать сопротивление колейности и риск растрескивания, продлевая срок службы покрытия и эффективнее используя материалы.

Цитирование: Taheri, A., Khodaii, A. & Hajikarimi, P. Correlations among chemical and rheological aging indices/indicators of asphalt binder at high temperatures. Sci Rep 16, 9186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40007-6

Ключевые слова: старение асфальта, долговечность покрытий, окисление вяжущего, реология, рециклированный асфальт