Johdanto
Bitumisideaineen käyttöikä liittyy läheisesti sen viskoelastisiin ominaisuuksiin. Helppo tapa määrittää nämä ominaisuudet on suorittaa taajuuspyyhkäisymittauksia rotaatioreometrillä. Tällaisen testin matala taajuusalue vastaa pitkän ajan mittakaavaa, kun taas korkeampi alue antaa tietoa näytteen käyttäytymisestä lyhyen ajan mittakaavassa. Käytännössä hyvin matalilla taajuuksilla tehtävien testien suorittaminen on usein hyvin haastavaa, koska ne vaativat useita päiviä tai viikkoja. On kuitenkin tärkeää ennustaa asfalttisideaineen tai bitumin käyttäytymistä pitkien ajanjaksojen aikana.
Miten ennustaa asfalttisideaineiden pitkän aikavälin käyttäytymistä?
Vastaus on aika-lämpötila-superpositio eli TTS. Tämä periaate perustuu siihen, että lämpötilan muutos vaikuttaa viskoelastisiin ominaisuuksiin samalla tavalla kuin taajuuden tai ajan muutos. Toisin sanoen voit laajentaa mittauksen taajuusaluetta tekemällä testejä samalla taajuusalueella, mutta eri lämpötiloissa.
Kuinka käyttää aika-lämpötila-superpositiota
Tavoitteena on laajentaa taajuuspyyhkäisyn tuloksena saatua käyrää laajemmalle taajuusalueelle. Menetelmä on helppo:
- Taajuuspyyhkäisyn mittaus eri lämpötiloissa
- Pääkäyrän luominen käyttäjän määrittelemässä lämpötilassa. Master-käyrän luomisen mahdollistava sekvenssi on integroitu rSpace -ohjelmistoon1.
Esimerkki pääkäyrän luomisesta modifioimattomalle asfalttisideaineelle
Taajuuspyyhkäisyt suoritettiin eri lämpötiloissa modifioimattomalle asfalttisideaineelle. Taulukossa 1 esitetään mittausolosuhteet.
Lineaarinen viskoelastinen alue
Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER on se amplitudialue, jolla venymä ja jännitys ovat verrannollisia. Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER-alueella käytetyt jännitykset (tai rasitukset) eivät riitä aiheuttamaan rakenteellista hajoamista, joten mitataan mikrorakenneominaisuuksia.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Laite | Kinexus DSR-III | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Geometria | Levy-levy, halkaisija: 8 mm | Levy, halkaisija: 25 mm | ||||
| Välys | 2 mm | 1 mm | ||||
| Lämpötila | 5°C | 15°C | 25°C | 35°C | 45°C | 65°C |
| Leikkausamplitudi | Määritelty Lineaarinen viskoelastinen alue (LVER)LVER:ssä käytetyt jännitykset eivät riitä aiheuttamaan rakenteen hajoamista (myötäämistä), ja näin ollen mitataan tärkeitä mikrorakenteellisia ominaisuuksia.LVER-arvoon kuuluvaksi | |||||
| Taajuus | 0.01-402 Hz | |||||
1 Kinexus Prime DSR+ -ohjelmisto sisältää sekä mittaus- että arviointirutiinit
2 Laitteen inertia rajoittaa
Mittaustulokset
Kuvassa 1 esitetään kimmokerroin (G') eri testatuissa lämpötiloissa (värilliset käyrät). Mitä korkeampi lämpötila on, sitä pienempi on kimmokerroin. Tämä tarkoittaa, että materiaali menettää kimmoisuuttaan lämpötilan noustessa kiinteällä taajuudella. KimmomoduuliKompleksinen moduuli (kimmokomponentti), varastointimoduuli tai G', on näytteiden "todellinen" osa kokonaiskompleksisesta moduulista. Tämä kimmokomponentti ilmaisee mitattavan näytteen kiinteän kaltaisen tai faasivasteen. Kimmomoduuli kasvaa 0,01 Hz:n taajuudella 65 °C:n lämpötilassa 1E-01 Pa:sta lähes 1E+07 Pa:han 5 °C:n lämpötilassa, mikä on lähes kahdeksan vuosikymmenen ero! Tämä lämpötilan voimakas vaikutus selittää myös asfaltin ominaisuuksien vaihtelun vuodenaikojen mukaan. Talvella tiet voivat olla hauraita ja halkeilla, kun taas hyvin kuumina kesinä ne voivat muuttua tahmeiksi. Tästä syystä suunnitellaan erilaisia sideainelaatuja, jotta ne sopisivat erilaisiin olosuhteisiin maan, osavaltion/alueen ja käyttötarkoituksen mukaan (esim. maantie vs. moottoritie).
Pääkäyrä vertailulämpötilassa 25 °C (musta käyrä) saadaan siirtämällä eri lämpötiloissa tehtyjen taajuuspyyhkäisyjen pisteitä (ks. esimerkkipisteet kuvassa 1). Mitä korkeampi lämpötila, sitä joustavammat polymeeriketjut ja sitä nopeampi molekyylien liikkuvuus. Siksi relaksaatioprosessi, joka tapahtuu alhaisemmassa lämpötilassa ja alhaisemmalla taajuudella, on sama korkeammassa lämpötilassa ja korkeammalla taajuudella.1
Vertailulämpötilassa 25 °C saatu pääkäyrä (musta käyrä) ulottuu 1E-06 Hz:stä 1E04 Hz:iin, eli taajuusalue laajenee lähes 7 vuosikymmenellä! Taajuus 1E-06 Hz vastaa yli 11 päivää. Tällainen kesto vain yhden pisteen mittaamiseen ei ole käytännössä tarkoituksenmukainen. Siksi TTS on ehdottoman välttämätön.
Kuvassa 2 esitetään kimmo- ja häviöleikkausmoduulien pääkäyrä 25 °C:ssa. Siinä näkyy G´:n ja G":n risteymä 11 Hz:n taajuudella, mikä tarkoittaa, että sideaine muuttuu elastisesti hallitsevaksi alle 90 ms:n aikajaksoilla. Ylitystaajuuden jaksoaika vastaa
1 Lisätietoja relaksaatioajan riippuvuudesta lämpötilasta on selitetty sovellusohjeessa AN 256 (Time-Temperature Superposition on Asphalt Binder)
Vertailun vuoksi laadittiin myös pääkäyrät 5 °C:n (kuva 3) ja 45 °C:n (kuva 4) vertailulämpötiloille. Mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi on siirtymätaajuus. Aika-lämpötila-superpositiossa oletetaan, että lämpötila siirtää relaksaatioprosessin aikaskaalaa, mutta ei vaikuta itse prosessiin.
Päätelmä
Aika-lämpötila-superpositio (Time-Temperature Superposition, TTS) on helppo tapa ennustaa asfaltin lyhyen ja pitkän ajan käyttäytymistä ilman aikaa vieviä mittauksia.
rSpace -ohjelmisto laskee ja näyttää pääkäyrän käyttäjän määrittelemälle lämpötilalle eri lämpötiloissa tehdyistä taajuuspyyhkäisymittauksista. Tällä videolla selitetään, miten master-käyrä luodaan rSpace-ohjelmassa: