Pendahuluan
Tegangan σ yang dihasilkan dari deformasi konstan ε0 yang diterapkan pada polimer bergantung pada waktu. [1] Hal ini karena rantai polimer menyusun ulang untuk mengendurkan tegangan yang disebabkan oleh deformasi. [2] Sebagai konsekuensinya, modulus RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi bergantung pada waktu:
Selain itu, dengan asumsi bahwa peningkatan suhu tidak mengubah gerakan molekul, tetapi hanya mempercepatnya [3], modulus RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi tidak hanya bergantung pada waktu, tetapi juga pada suhu:
Waktu dan suhu sangat erat kaitannya. Kenaikan suhu akan meningkatkan volume bebas di antara makromolekul. Dengan demikian, mereka akan lebih mampu meluncur di atas satu sama lain, mengurangi waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi material dan sifat lainnya, misalnya, viskositasnya, ketahanan terhadap fraktur, modulus gesernya, dll.
Pengukuran Osilasi
Pelat atas berosilasi dengan frekuensi yang ditentukan f [Hz] (atau ω [rad/s]) dan amplitudo [%] (atau SaringRegangan menggambarkan deformasi material, yang dibebani secara mekanis oleh gaya atau tekanan eksternal. Senyawa karet menunjukkan sifat mulur, jika beban statis diterapkan.regangan geser γ [%]). Tegangan geser σ [Pa] yang diperlukan untuk osilasi ini ditentukan. Hasil: Sifat visko-elastis sampel ditentukan, khususnya Modulus elastisitasModulus kompleks (komponen elastis), modulus penyimpanan, atau G', adalah bagian "nyata" dari sampel dari keseluruhan modulus kompleks. Komponen elastis ini menunjukkan respons seperti padat, atau dalam fase, dari sampel yang sedang diukur. modulus elastisitas dan modulus gesernya.
Sebenarnya, perilaku sebagian besar bahan visko-elastis pada satu suhu dapat diprediksi dari suhu lain dengan perubahan skala waktu [4]. Dua model yang berbeda menggambarkan faktor pergeseran aT, yaitu rasio waktu RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi pada temperatur T dan Tr [2]:
- Pergeseran Arrhenius, berlaku untuk polimer semi-kristal dan termoplastik amorf pada suhu yang lebih tinggi dari Tg + 100 K:
E0: Energi aktivasi RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi [J/mol]; R: Konstanta gas;TR: suhu referensi [K]
- Pergeseran WLF, berlaku untuk suhu di sekitar Suhu Transisi KacaTransisi gelas adalah salah satu sifat terpenting dari bahan amorf dan semi-kristal, misalnya, gelas anorganik, logam amorf, polimer, obat-obatan dan bahan makanan, dll., dan menggambarkan wilayah suhu di mana sifat mekanis bahan berubah dari keras dan rapuh menjadi lebih lunak, dapat diubah bentuknya atau kenyal.transisi kaca:
C1,C2: Parameter tergantung pada bahan;TR: Suhu referensi [K]
Kemungkinan untuk menggeser kurva sifat visko-elastis ini sangat nyaman karena sangat mengurangi waktu pengukuran. Berikut ini, prinsip superposisi waktu-suhu digunakan untuk membuat kurva utama pada pengikat aspal. Untuk itu, pengukuran sapuan frekuensi dilakukan pada suhu yang berbeda.
Tabel 1: Kondisi pengukuran osilasi
| perangkat | Kinexus DSR |
| Mode Pengukuran | Osilasi, sapuan frekuensi |
| Geometri | Pelat-pelat, diameter: 4 mm (PP4) |
| Celah | 1.7 mm |
| Suhu | -30°C, -15°C, 0°C, 15°C, dan 30°C |
| Regangan | 0.017%, 0.079%, 0.020%, 0.398%, 0.796% |
| Frekuensi | 100 hingga 0,1 rad.s-1 |
Kondisi dan Hasil Pengukuran
Tabel 1 menggambarkan kondisi pengukuran. Gambar 1 hingga 5 menampilkan kurva yang dihasilkan dari pengukuran sapuan frekuensi pada lima suhu yang berbeda. Gambar 6, 7 dan 8 membandingkan modulus geser elastis, modulus geser viskos, dan sudut fase dari semua pengukuran.
Semakin tinggi temperatur, semakin rendah modulus geser elastis. Seperti yang diharapkan, pengikat aspal menjadi lebih kaku dengan penurunan suhu. Pada suhu 30°C, modulus geser hilang lebih tinggi dari modulus geser elastis. Pada suhu ini, sifat "seperti cairan" dari material mendominasi sifat "seperti padat". Di sini, sudut fasa sedikit lebih tinggi dari 45° pada seluruh rentang frekuensi (Gambar 1). Bahannya adalah cairan visko-elastis.
Pengukuran pada suhu 15°C menunjukkan persilangan antara modulus geser elastis dan viskos pada frekuensi 2,5 rad.s-1 (Gambar 2). Pada titik ini, fasa tepat 45°. Untuk frekuensi yang lebih rendah dari persilangan frekuensi, sifat seperti cairan mendominasi.
Pengujian pada suhu 0°C, -15°C dan -30°C menunjukkan pengurangan sudut fase dengan penurunan suhu. Namun demikian, peningkatan sudut fase ke arah frekuensi yang lebih rendah menunjukkan bahwa untuk semua suhu, sampel kemungkinan besar adalah cairan visko-elastis. Semakin rendah suhu, semakin lama sudut fasa mencapai nilai 45°.
Perilaku aspal pada suhu 0°C, atau bahkan pada suhu yang lebih rendah, penting untuk memprediksi stabilitasnya di negara dingin. Untuk itu, frekuensi crossover sangat penting. Namun, hal ini tidak dapat dideteksi secara eksperimental karena alasan praktis, karena pengukurannya akan memakan banyak waktu. Untungnya, penerapan superposisi waktu-suhu yang telah dijelaskan memungkinkan pembuatan kurva master, yaitu perhitungan kurva yang diinginkan pada satu suhu tertentu untuk rentang frekuensi yang lebih luas.
Gambar 9 menggambarkan konstruksi kurva master dari modulus geser elastis pada suhu 0°C. Kurva yang diukur pada suhu yang lebih rendah (-30°C, -15°C) dan suhu yang lebih tinggi (15°C, 30°C) dari suhu referensi ini digeser ke kanan dan ke kiri dengan faktor pergeseran aT, masing-masing. Dengan kata lain, proses RelaksasiKetika regangan konstan diterapkan pada senyawa karet, gaya yang diperlukan untuk mempertahankan regangan tersebut tidak konstan tetapi berkurang seiring waktu; perilaku ini dikenal sebagai relaksasi tegangan. Proses yang bertanggung jawab atas relaksasi tegangan dapat bersifat fisik atau kimiawi, dan dalam kondisi normal, keduanya akan terjadi pada waktu yang sama. relaksasi terjadi lebih cepat (bergeser ke frekuensi yang lebih tinggi) apabila suhu meningkat. Perhitungan kurva master dan koefisien yang digunakan untuk model Arrhenius dan WLF terjadi secara otomatis dalam perangkat lunak rSpace (lihat Tabel 2).
Kita harus mencatat frekuensi awal dari kurva master: 1.6-10-5 rad/s, ini berarti waktu lebih dari 170 jam (lebih dari tujuh hari!) hanya untuk pengukuran satu titik ini! Pengujian seperti ini tidak praktis untuk dilakukan.
Sudut Fase
Sudut fase δ (tan δ = G"/G´) adalah ukuran relatif dari sifat viskos dan elastis suatu bahan. Kisarannya dari 0° untuk bahan yang sepenuhnya elastis hingga 90° untuk bahan yang sepenuhnya kental.
Tabel 2: Koefisien Arrhenius dan WLF yang dihitung dari pengukuran untuk suhu referensi 0°C. Koefisien WLF k1 dan k2 berhubungan dengan C1 dan C2 dari persamaan WLF; koefisien Arrhenius k1 dengan faktor E0/R dari model Arrhenius.
Tabel 3: Penentuan persilangan kurva master modulus geser elastis dan viskos pada suhu yang berbeda
Gambar 10 menggambarkan kurva utama pengikat aspal untuk suhu -30°C. Semakin rendah suhu, semakin rendah pula rentang frekuensi yang dicapai dengan perhitungan. Di sini, titik pertama berada di bawah 10-9 rad-s-1! Persilangan yang terdeteksi antara 10-7 dan 10-6 rad-s-1 hanya akan terdeteksi dengan melakukan pengukuran yang sangat memakan waktu.
Tabel 3 merangkum hasil persilangan antara modulus geser elastis dan viskos yang terdeteksi untuk semua temperatur. Aspal selalu berperilaku seperti cairan visko-elastis untuk temperatur tertentu. Semakin rendah temperatur, semakin rendah frekuensi persilangan, dan semakin lama proses yang dibutuhkan untuk menyebabkan destabilisasi struktur material.
Jika persilangan kurva G' dan G'' terjadi pada 2,4 ∙ 10-3 Hz pada suhu 0°C, hal ini sesuai dengan skala waktu sekitar 7 menit. Ini berarti bahwa material akan berperilaku elastis jika skala waktunya lebih pendek dari 7 menit. Dalam praktiknya, ini berarti jalan stabil di bawah beban dalam rentang visko-elastis linier. Jika skala waktu lebih panjang, maka ada kecenderungan material mengalami perubahan bentuk (terbentuknya bekas roda).
Jika pengikat aspal ini digunakan pada iklim yang lebih dingin, misalnya pada suhu -30°C, perpotongan antara G' dan G'' berada pada frekuensi yang lebih rendah, misalnya skala waktu meningkat (di sini sekitar 2 bulan).
Kesimpulan
Perilaku visko-elastis pengikat aspal ditentukan pada suhu antara -30°C dan 30°C. Semakin rendah suhu pengujian, semakin rendah frekuensi persilangan. Pengumpulan titik data dalam rentang frekuensi rendah untuk mendapatkan persilangan berkaitan dengan waktu pengukuran yang sangat tinggi (beberapa minggu), dan oleh karena itu tidak nyaman dalam praktiknya. Prinsip superposisi waktu-suhu memungkinkan untuk mengatasi masalah ini. Alih-alih melakukan pengujian yang tak berkesudahan, pengukuran osilasi dilakukan pada lima suhu yang berbeda pada rentang frekuensi yang biasa. Grafik yang dihasilkan digunakan untuk membuat kurva master.