Introduktion
Bitumenbinderens levetid er tæt forbundet med dens viskoelastiske egenskaber. En nem måde at bestemme disse egenskaber på er at udføre frekvenssweep-målinger med et rotationsreometer. Det lave frekvensområde i en sådan test svarer til lange tidsskalaer, mens det højere område giver information om prøvens opførsel på korte tidsskalaer. I praksis er det ofte meget udfordrende at udføre tests ved meget lave frekvenser, fordi de kræver flere dage eller uger. Alligevel er det vigtigt at kunne forudsige asfaltbinderens eller bitumenens opførsel i lange perioder.
Hvordan forudsiger man asfaltbindemidlers adfærd på lang sigt?
Svaret er Time-Temperature Superposition, eller TTS. Dette princip er baseret på det faktum, at et skift i temperatur har samme indvirkning på de viskoelastiske egenskaber som et skift i frekvens eller tid. Med andre ord kan man udvide frekvensområdet for en måling ved at udføre test i det samme frekvensområde, men ved forskellige temperaturer.
Sådan bruger du tid-temperatur-superposition
Målet er at udvide den resulterende kurve fra et frekvenssweep til et bredere frekvensområde. Metoden er nem:
- Måling af frekvenssweeps ved forskellige temperaturer
- Oprettelse af en masterkurve ved en brugerdefineret temperatur. Den sekvens, der gør det muligt at oprette en masterkurve, er integreret i rSpace-softwaren1.
Eksempel på oprettelse af en masterkurve for en umodificeret asfaltbinder
Frekvenssweeps blev udført ved forskellige temperaturer på et umodificeret asfaltbindemiddel. Tabel 1 viser målebetingelserne.
Lineær viskoelastisk rækkevidde
Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER er det amplitudeområde, hvor tøjning og spænding er proportionale. I Lineær viskoelastisk region (LVER)I LVER er de påførte spændinger ikke tilstrækkelige til at forårsage strukturel nedbrydning (eftergivelse) af strukturen, og derfor måles vigtige mikrostrukturelle egenskaber.LVER er de påførte spændinger (eller tøjninger) utilstrækkelige til at forårsage strukturel NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning, og derfor måles mikrostrukturelle egenskaber.
Tabel 1: Målebetingelser
| Enhed | Kinexus DSR-III | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Geometri | Plade, diameter: 8 mm | Plade, diameter: 25 mm | ||||
| Mellemrum | 2 millimeter | 1 mm | ||||
| Temperatur | 5°C | 15°C | 25°C | 35°C | 45°C | 65°C |
| Forskydningsamplitude | ||||||
| Frekvens | 0.01 til402 Hz | |||||
1 Kinexus Prime DSR-softwaren omfatter både måle- og evalueringsrutiner
2 Begrænset af enhedens inerti
Resultater af målinger
Figur 1 viser det elastiske forskydningsmodul (G') for de forskellige testede temperaturer (farverige kurver). Jo højere temperaturen er, jo lavere er det elastiske forskydningsmodul. Det betyder, at materialet mister elasticitet med stigende temperaturer for en fast frekvens. Ved 0,01 Hz stiger det elastiske modul fra 1E-01 Pa ved 65 °C til næsten 1E+07 Pa ved 5 °C, hvilket er en forskel på næsten 8 årtier! Denne stærke indflydelse fra temperaturen forklarer også variationen i asfaltens egenskaber afhængigt af årstiden. Om vinteren kan vejene være skøre og have tendens til at revne, mens de kan blive klæbrige i meget varme somre. Det er grunden til, at der udvikles forskellige bindemiddelkvaliteter, så de passer til forskellige forhold alt efter land, stat/region og anvendelse (f.eks. landevej vs. motorvej).
Masterkurven ved en referencetemperatur på 25 °C (sort kurve) opnås ved at flytte punkterne i frekvenssweepene ved forskellige temperaturer (se eksempler på punkter i figur 1). Jo højere temperaturen er, jo mere fleksible er polymerkæderne, og jo hurtigere er molekylernes mobilitet. Derfor er afslapningsprocessen, som finder sted ved lavere temperatur og lavere frekvens, den samme ved højere temperatur og højere frekvens.1
Masterkurven (sort kurve) opnået ved en referencetemperatur på 25 °C strækker sig fra 1E-06 til 1E04 Hz, altså en udvidelse af frekvensområdet på næsten 7 årtier! En frekvens på 1E-06 Hz svarer til mere end 11 dage. En sådan varighed for måling af kun ét punkt er ikke hensigtsmæssig i praksis. Derfor er TTS absolut nødvendigt.
Figur 2 viser masterkurven ved 25 °C for de elastiske moduli og tabsforskydningsmodulerne. Den viser en overgang mellem G´ og G" ved 11 Hz, hvilket betyder, at bindemidlet bliver elastisk domineret i tidsintervaller, der er kortere end 90 ms. Periodetiden for crossover-frekvensen svarer til
1 Flere oplysninger om relaxationstidens afhængighed af temperaturen er forklaret i vores applikationsnote AN 256 (Time-Temperature Superposition on Asphalt Binder)
Til sammenligning blev der også lavet masterkurver for referencetemperaturer på 5 °C (figur 3) og 45 °C (figur 4). Jo højere temperaturen er, jo højere er crossover-frekvensen. Tid-temperatur-superpositionen forudsætter, at temperaturen forskyder tidsskalaen for afslapningsprocessen, men ikke har nogen indflydelse på selve processen.
Konklusion
Time-Temperature Superposition (TTS) er en nem måde at forudsige kort- og langtidsegenskaberne for din asfalt på uden at udføre tidskrævende målinger.
RSpace-softwaren beregner og viser masterkurven for en brugerdefineret temperatur ud fra frekvenssweep-målinger ved forskellige temperaturer. Denne video forklarer, hvordan man genererer en masterkurve i rSpace: