Introducción
La tensión σ resultante de una deformación constante ε0 aplicada sobre un polímero depende del tiempo. 1] Esto se debe a que las cadenas del polímero se reorganizan para relajar las tensiones causadas por la deformación [2]. [2] En consecuencia, el módulo de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación depende del tiempo:
Además, suponiendo que un aumento de temperatura no modifica los movimientos moleculares, sino que sólo los acelera [3], el módulo de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación no sólo depende del tiempo, sino también de la temperatura:
El tiempo y la temperatura están estrechamente relacionados. Un aumento de temperatura incrementará el volumen libre entre las macromoléculas. Así, serán más capaces de deslizarse unas sobre otras, reduciendo el tiempo de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación del material y otras propiedades, por ejemplo, su viscosidad, su resistencia a la fractura, su módulo de cizallamiento, etc.
Medición de la oscilación
La placa superior oscila con una frecuencia f [Hz] (o ω [rad/s]) y una amplitud [%] (o deformación cortante γ [%]) definidas. Se determina el esfuerzo cortante σ [Pa] necesario para esta oscilación. Resultado: Se determinan las propiedades viscoelásticas de la muestra, en particular sus módulos de cizallamiento elástico y de pérdida.
En realidad, el comportamiento de la mayoría de los materiales viscoelásticos a una temperatura puede predecirse a partir del comportamiento a otra temperatura mediante un cambio en la escala temporal [4]. Dos modelos diferentes describen el factor de desplazamiento aT, es decir, la relación entre los tiempos de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación a las temperaturas T y Tr [2]:
- El desplazamiento de Arrhenius, válido para polímeros semicristalinos y termoplásticos amorfos a temperaturas superiores a Tg + 100 K:
E0: energía de activación de la RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación [J/mol]; R: constante de los gases;TR: temperatura de referencia [K]
- El desplazamiento WLF, válido para las temperaturas en torno a la transición vítrea:
C1, C2: Parámetros dependientes del material;TR: Temperatura de referencia [K]
Esta posibilidad de desplazar las curvas de una propiedad viscoelástica es muy conveniente porque reduce considerablemente el tiempo de medición. A continuación, se utiliza el principio de superposición tiempo-temperatura para crear una curva maestra en un ligante asfáltico. Para ello, se realizan mediciones de barrido de frecuencia a diferentes temperaturas.
Tabla 1: Condiciones de las mediciones de oscilación
| dispositivo | Kinexus DSR |
| Modo de medición | Oscilación, barrido de frecuencia |
| Geometría | Placa-placa, diámetro: 4 mm (PP4) |
| Separación | 1.7 mm |
| Temperatura | -30°C, -15°C, 0°C, 15°C y 30°C |
| Deformación | 0.017%, 0.079%, 0.020%, 0.398%, 0.796% |
| Frecuencia | 100 a 0,1 rad.s-1 |
Condiciones de medición y resultados
La tabla 1 muestra las condiciones de medición. Las figuras 1 a 5 muestran las curvas resultantes de las mediciones de barrido de frecuencia a las cinco temperaturas diferentes. Las figuras 6, 7 y 8 comparan el módulo de cizallamiento elástico, el módulo de cizallamiento viscoso y el ángulo de fase de todas las mediciones.
Cuanto mayor es la temperatura, menor es el módulo de cizallamiento elástico. Como era de esperar, el ligante asfáltico se vuelve más rígido al disminuir la temperatura. A 30°C, el módulo de cizalladura por pérdida es mayor que el módulo de cizalladura elástico. A esta temperatura, las propiedades "líquidas" del material dominan sobre sus propiedades "sólidas". Aquí, el ángulo de fase es ligeramente superior a 45° en toda la gama de frecuencias (figura 1). El material es un líquido viscoelástico.
La medición a 15 °C muestra un Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce del módulo de cizallamiento elástico y viscoso a una frecuencia de 2,5 rad.s-1 (figura 2). En este punto, la fase es exactamente de 45°. Para frecuencias inferiores al Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce de frecuencias, dominan las propiedades similares a las del líquido.
Los ensayos a 0 °C, -15 °C y -30 °C muestran una reducción del ángulo de fase con la disminución de la temperatura. Sin embargo, el aumento del ángulo de fase en la dirección de las frecuencias más bajas muestra que, para todas las temperaturas, la muestra es muy probablemente un líquido viscoelástico. Cuanto más baja es la temperatura, más tarde alcanza el ángulo de fase el valor de 45°.
El comportamiento del asfalto a 0°C, o incluso a temperaturas inferiores, es importante para predecir su estabilidad en países fríos. Para ello, la frecuencia del Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce es crucial. Sin embargo, no puede detectarse experimentalmente por razones prácticas, ya que la medición llevaría demasiado tiempo. Por suerte, la aplicación de la superposición tiempo-temperatura explicada permite crear una curva maestra, es decir, calcular las curvas deseadas a una temperatura específica para un rango de frecuencias más amplio.
La figura 9 representa la construcción de la curva maestra del módulo de cizalladura elástico a una temperatura de 0°C. Las curvas medidas a una temperatura inferior (-30°C, -15°C) y superior (15°C, 30°C) a esta temperatura de referencia se desplazan hacia la derecha y hacia la izquierda por el factor de desplazamiento aT, respectivamente. En otras palabras, el proceso de RelajaciónCuando se aplica una tensión constante a un compuesto de caucho, la fuerza necesaria para mantener esa tensión no es constante, sino que disminuye con el tiempo; este comportamiento se conoce como relajación de tensiones. El proceso responsable de la relajación de tensiones puede ser físico o químico y, en condiciones normales, ambos ocurrirán al mismo tiempo. relajación se produce más rápidamente (desplazado a frecuencias más altas) cuando aumenta la temperatura. El cálculo de la curva maestra y de los coeficientes utilizados para los modelos de Arrhenius y WLF se realiza automáticamente en el software rSpace (véase la tabla 2).
Hay que tener en cuenta el inicio de frecuencia de la curva maestra: 1.¡6-10-5 rad/s, esto significa un tiempo de más de 170 horas (¡más de siete días!) sólo para la medición de este único punto! No sería práctico realizar una prueba de este tipo.
Ángulo de fase
El ángulo de fase δ (tan δ= G"/G') es una medida relativa de las propiedades viscosas y elásticas de un material. Oscila entre 0° para un material totalmente elástico y 90° para un material totalmente viscoso.
Tabla 2: Coeficientes de Arrhenius y WLF calculados a partir de las mediciones para una temperatura de referencia de 0°C. Los coeficientes WLF k1 y k2 corresponden a C1 y C2 de la ecuación WLF; el coeficiente Arrhenius k1 al factor E0/R del modelo Arrhenius.
Tabla 3: Determinación cruzada de las curvas maestras de los módulos de cizallamiento elástico y viscoso a diferentes temperaturas
La figura 10 representa la curva maestra del ligante asfáltico para una temperatura de -30°C. Cuanto menor es la temperatura, menor es el rango de frecuencias alcanzado con el cálculo. Aquí, ¡el primer punto está por debajo de 10-9 rad-s-1! El Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce detectado entre 10-7 y 10-6 rad-s-1 sólo se habría detectado realizando una medición que llevara mucho tiempo.
La tabla 3 resume los resultados de un Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce entre los módulos de cizallamiento elástico y viscoso detectados para todas las temperaturas. El asfalto se comporta siempre como un líquido viscoelástico para las temperaturas especificadas. Cuanto menor es la temperatura, menor es la frecuencia de Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce y más largo es el proceso para inducir la desestabilización de la estructura del material.
Si el Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce de las curvas G' y G'' se produce a 2,4∙10-3 Hz a una temperatura de 0°C, esto corresponde a una escala de tiempo de aproximadamente 7 min. Esto significa que el material se comporta predominantemente elástico si la escala de tiempo es inferior a 7 min. En la práctica, esto significa que la carretera es estable bajo carga dentro del rango viscoelástico lineal. Si la escala de tiempo es mayor, aumenta la tendencia del material a deformarse (formación de roderas).
Si este ligante asfáltico se utiliza en climas más fríos, por ejemplo, a -30 °C, el Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce de G' y G'' se produce a una frecuencia menor, por ejemplo, la escala de tiempo aumenta (aquí aprox. 2 meses).
Conclusión
El comportamiento viscoelástico del ligante asfáltico se determinó a temperaturas comprendidas entre -30°C y 30°C. Cuanto más baja es la temperatura de ensayo, más baja es la frecuencia del Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce. La recogida de los puntos de datos en el rango de baja frecuencia para obtener el Punto de cruceEn ensayos reológicos como un barrido de frecuencia o un barrido de tiempo/temperatura, el punto de cruce es un punto de referencia conveniente para indicar un punto de "transición" de la muestra. cruce está relacionada con tiempos de medición muy elevados (varias semanas), por lo que no es conveniente en la práctica. El principio de superposición tiempo-temperatura permitió superar este problema. En lugar de realizar pruebas interminables, se llevaron a cabo mediciones de oscilación a cinco temperaturas distintas en un rango de frecuencias habitual. Los gráficos resultantes se utilizaron para generar las curvas maestras.