Bevezetés
A polimerre alkalmazott ε0 állandó alakváltozásból eredő σ feszültség időfüggő. [1] Ennek oka, hogy a polimerláncok átrendeződnek a deformáció által okozott feszültségek ellazítása érdekében. [2] Ennek következtében a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs modulus időfüggő:
Továbbá, feltételezve, hogy a hőmérsékletemelkedés nem változtatja meg a molekuláris mozgásokat, hanem csak felgyorsítja azokat [3], a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs modulus nemcsak az időtől, hanem a hőmérséklettől is függ:
Az idő és a hőmérséklet szorosan összefügg. A hőmérséklet emelkedése növeli a makromolekulák közötti szabad térfogatot. Így azok jobban képesek lesznek egymáson elcsúszni, csökkentve az anyag RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idejét és egyéb tulajdonságait, pl. viszkozitását, törésállóságát, nyírási modulusát stb.
Oszcilláció mérése
A felső lemez egy meghatározott f [Hz] (vagy ω [rad/s]) frekvenciával és amplitúdóval [%] (vagy γ [%] nyírási alakváltozással) rezeg. Meghatározzuk az ehhez a rezgéshez szükséges σ [Pa] nyírófeszültséget. Eredmény: Meghatározzuk a minta viszkoelasztikus tulajdonságait, különösen a rugalmassági és a veszteségnyírási modulusát.
Tulajdonképpen a legtöbb viszkoelasztikus anyag viselkedése egy hőmérsékleten az időskála megváltoztatásával megjósolható egy másik hőmérsékleten tanúsított viselkedésből [4]. Két különböző modell írja le az aT eltolódási tényezőt, azaz a T és Tr hőmérsékleten mért RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs idők arányát [2]:
- Az Arrhenius-eltolódás, amely a Tg + 100 K-nál magasabb hőmérsékleten félkristályos polimerekre és amorf hőre lágyuló műanyagokra érvényes:
E0: a relaxáció aktiválási energiája [J/mol]; R: gázállandó;TR: referencia-hőmérséklet [K]
- A WLF eltolódás, amely az üvegesedési átmenet körüli hőmérsékletekre érvényes:
C1,C2:TR: Referencia-hőmérséklet [K]
A viszkoelasztikus tulajdonság görbéinek eltolásának lehetősége nagyon kényelmes, mert jelentősen csökkenti a mérési időt. A következőkben az idő-hőmérséklet szuperpozíció elvét használjuk egy aszfaltkötőanyagra vonatkozó mestergörbe létrehozására. Ehhez különböző hőmérsékleteken frekvenciasöpréses méréseket végeznek.
Táblázat: A rezgésmérések feltételei
| készülék | Kinexus DSR |
| Mérési mód | Oszcilláció, frekvenciasöprés |
| Geometria | Lemezlemez, átmérő: 4 mm (PP4) |
| Rés | 1.7 mm |
| Hőmérséklet | -30°C, -15°C, 0°C, 15°C és 30°C |
| TörzsAz alakváltozás egy külső erő vagy feszültség által mechanikusan terhelt anyag deformációját írja le. A gumikeverékek statikus terhelés esetén kúszási tulajdonságokat mutatnak.Törzs | 0.017%, 0.079%, 0.020%, 0.398%, 0.796% |
| Frekvencia | 100-0,1 rad.s-1 |
Mérési feltételek és eredmények
Az 1. táblázat a mérési feltételeket mutatja be. Az 1-5. ábra az öt különböző hőmérsékleten végzett frekvenciasöpréses mérések eredménygörbéit mutatja. A 6., 7. és 8. ábrán az összes mérés rugalmas nyírási modulusát, viszkózus nyírási modulusát és fázisszögét hasonlítjuk össze.
Minél magasabb a hőmérséklet, annál alacsonyabb a rugalmas nyírási modulus. A várakozásoknak megfelelően az aszfaltkötőanyag a hőmérséklet csökkenésével merevebbé válik. 30°C-on a veszteségnyírási modulus nagyobb, mint a rugalmas nyírási modulus. Ezen a hőmérsékleten az anyag "folyékony" tulajdonságai dominálnak a "szilárd" tulajdonságai felett. Itt a fázisszög a teljes frekvenciatartományban valamivel nagyobb, mint 45° (1. ábra). Az anyag viszkoelasztikus folyadék.
A 15°C-on végzett mérés a rugalmas és viszkózus nyírási modulus átmenetét mutatja 2,5 rad.s-1 frekvenciánál (2. ábra). Ezen a ponton a fázis pontosan 45°. A frekvenciaátmenetnél alacsonyabb frekvenciáknál a folyadékszerű tulajdonságok dominálnak.
A 0°C-on, -15°C-on és -30°C-on végzett vizsgálatok a fázisszög csökkenését mutatják a hőmérséklet csökkenésével. A fázisszög növekedése az alacsonyabb frekvenciák irányában azonban azt mutatja, hogy minden hőmérsékleten a minta nagy valószínűséggel viszkoelasztikus folyadék. Minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál később éri el a fázisszög a 45°-os értéket.
Az aszfalt viselkedése 0°C-on, vagy még alacsonyabb hőmérsékleten fontos annak érdekében, hogy megjósolhassuk a hideg országokban való stabilitását. Ehhez az átmenet gyakorisága döntő fontosságú. Ezt azonban gyakorlati okokból nem lehet kísérletileg kimutatni, mivel a mérés túl sok időt venne igénybe. Szerencsére a magyarázott idő-hőmérséklet szuperpozíció alkalmazása lehetővé teszi egy mestergörbe létrehozását, azaz a kívánt görbék kiszámítását egy adott hőmérsékleten egy szélesebb frekvenciatartományra.
A 9. ábra a rugalmas nyírási modulus mestergörbéjének felépítését mutatja be 0°C-os hőmérsékleten. Az ennél a referencia-hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékleten (-30°C, -15°C) és magasabb hőmérsékleten (15°C, 30°C) mért görbéket az aT eltolási tényezővel jobbra, illetve balra toljuk. Más szóval, a RelaxációAmikor egy gumikeverékre állandó feszültséget alkalmazunk, a feszültség fenntartásához szükséges erő nem állandó, hanem idővel csökken; ezt a viselkedést nevezzük feszültségrelaxációnak. A feszültséglazulásért felelős folyamat lehet fizikai vagy kémiai, és normál körülmények között mindkettő egyszerre következik be. relaxációs folyamat gyorsabban zajlik (magasabb frekvenciákra tolódik), ha a hőmérséklet emelkedik. A főgörbe és az Arrhenius- és a WLF-modellhez használt együtthatók kiszámítása automatikusan történik az rSpace szoftverben (lásd a 2. táblázatot).
Figyelembe kell venni a mestergörbe frekvenciakezdését: 1.6-10-5 rad/s, ez több mint 170 órát (több mint hét napot!) jelent csak ennek az egyetlen pontnak a mérésére! Egy ilyen vizsgálatot nem lenne célszerű elvégezni.
Fázisszög
A δ fázisszög (tan δ= G"/G´) az anyag viszkózus és rugalmas tulajdonságainak relatív mérőszáma. Teljesen rugalmas anyag esetén 0° és teljesen viszkózus anyag esetén 90° között változik.
Táblázat: A mérésekből kiszámított Arrhenius- és WLF-együtthatók 0°C-os referencia-hőmérsékletre. A k1 és k2 WLF együtthatók megfelelnek a WLF-egyenlet C1 és C2 értékének; a k1 Arrhenius együttható az Arrhenius-modell E0/R tényezőjének.
Táblázat: A rugalmas és viszkózus nyírási modulus mestergörbéinek keresztmetszeti meghatározása különböző hőmérsékleteken
A 10. ábra az aszfaltkötőanyag mestergörbéjét mutatja -30°C-os hőmérsékleten. Minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál alacsonyabb a számítással elért frekvenciatartomány. Itt az első pont 10-9 rad-s-1 alatt van! A 10-7 és 10-6 rad-s-1 között észlelt átmenetet csak egy nagyon időigényes mérés elvégzésével lehetett volna kimutatni.
A 3. táblázat összefoglalja a rugalmas és viszkózus nyírási modulusok között észlelt átmenet eredményeit minden hőmérsékleten. Az aszfalt a megadott hőmérsékleteken mindig viszkoelasztikus folyadékként viselkedik. Minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál kisebb az átmenési frekvencia, és annál hosszabb az anyagszerkezet destabilizálódásának előidézéséhez szükséges folyamat.
Ha a G' és G'' görbék átmenete 0 °C hőmérsékleten 2,4∙10-3 Hz-nél következik be, ez kb. 7 perces időskálának felel meg. Ez azt jelenti, hogy az anyag túlnyomórészt rugalmasan viselkedik, ha az időskála 7 percnél rövidebb. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az út a lineáris viszkoelasztikus tartományon belül terhelés alatt stabil. Ha az időskála hosszabb, akkor az anyag egyre inkább hajlamos a deformációra (nyomvályúk kialakulására).
Ha ezt az aszfaltkötőanyagot hidegebb éghajlaton, pl. -30 °C-on használják, a G' és G'' átmenete alacsonyabb frekvencián történik, pl. az időskála megnő (itt kb. 2 hónap).
Következtetés
Az aszfaltkötőanyag viszkoelasztikus viselkedését -30°C és 30°C közötti hőmérsékleten határozták meg. Minél alacsonyabb volt a vizsgálati hőmérséklet, annál kisebb volt az átlépés gyakorisága. Az adatpontok gyűjtése az alacsony frekvenciatartományban a kereszteződés elérése érdekében nagyon magas mérési időkkel (több hét) jár, ezért a gyakorlatban nem célszerű. Az idő-hőmérséklet szuperpozíció elve lehetővé tette ennek a problémának a megoldását. A véget nem érő vizsgálatok helyett a rezgésméréseket öt különböző hőmérsékleten végezték el egy szokásos frekvenciatartományban. Az így kapott grafikonokat használták fel a mestergörbék előállításához.