Superposizione tempo-temperatura sul legante per asfalto

Introduzione

La tensione σ risultante da una deformazione costante ε0 applicata a un polimero dipende dal tempo. [1] Questo perché le catene polimeriche si riorganizzano per rilassare le tensioni causate dalla deformazione. [2] Di conseguenza, il modulo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento dipende dal tempo:

Inoltre, assumendo che un aumento di temperatura non modifichi i moti molecolari, ma li acceleri soltanto [3], il modulo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento non dipende solo dal tempo, ma anche dalla temperatura:

Il tempo e la temperatura sono strettamente legati. Un aumento di temperatura aumenta il volume libero tra le macromolecole. Di conseguenza, saranno più capaci di scivolare l'una sull'altra, riducendo il tempo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento del materiale e altre proprietà, come la viscosità, la resistenza alla frattura, il modulo di taglio, ecc.

Misura dell'oscillazione

La piastra superiore oscilla con una frequenza f [Hz] (o ω [rad/s]) e un'ampiezza [%] (o deformazione di taglio γ [%]) definite. Si determina la sollecitazione di taglio σ [Pa] necessaria per questa oscillazione. Risultato: Vengono determinate le proprietà viscoelastiche del campione, in particolare i moduli di taglio elastico e di perdita.

In realtà, il comportamento della maggior parte dei materiali visco-elastici a una temperatura può essere previsto da quello a un'altra temperatura mediante un cambiamento nella scala temporale [4]. Due diversi modelli descrivono il fattore di spostamento aT, cioè il rapporto tra i tempi di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento alle temperature T e Tr [2]:

• Lo shift di Arrhenius, valido per polimeri semicristallini e termoplastici amorfi a temperature superiori a Tg + 100 K:

_E0: energia di attivazione del RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento [J/mol]; R: costante del gas;_TR: temperatura di riferimento [K]

• Lo spostamento WLF, valido per le temperature intorno alla transizione vetrosa:

_C1,_C2: Parametri dipendenti dal materiale;_TR: Temperatura di riferimento [K]

Questa possibilità di spostare le curve di una proprietà viscoelastica è molto comoda perché riduce notevolmente il tempo di misura. Di seguito, il principio della sovrapposizione tempo-temperatura viene utilizzato per creare una curva master su un legante per asfalto. A tal fine, vengono eseguite misure di frequenza a diverse temperature.

Tabella 1: Condizioni delle misure di oscillazione

Condizioni di misura e risultati

La Tabella 1 illustra le condizioni di misura. Le figure da 1 a 5 mostrano le curve risultanti delle misurazioni con sweep di frequenza alle cinque diverse temperature. Le figure 6, 7 e 8 confrontano il modulo di taglio elastico, il modulo di taglio viscoso e l'angolo di fase di tutte le misurazioni.

Più alta è la temperatura, più basso è il modulo di taglio elastico. Come previsto, il legante d'asfalto diventa più rigido al diminuire della temperatura. A 30°C, il Modulo viscosoIl modulo complesso (componente viscosa), modulo di perdita o G'', è la parte "immaginaria" del modulo complesso complessivo del campione. Questa componente viscosa indica la risposta liquida, o fuori fase, del campione da misurare. modulo di perdita al taglio è superiore al modulo di taglio elastico. A questa temperatura, le proprietà "liquide" del materiale dominano quelle "solide". In questo caso, l'angolo di fase è leggermente superiore a 45° sull'intera gamma di frequenze (Figura 1). Il materiale è un liquido viscoelastico.

La misurazione a 15°C mostra un incrocio tra il modulo di taglio elastico e viscoso alla frequenza di 2,5 rad.^s-1 (Figura 2). A questo punto, la fase è esattamente di 45°. Per frequenze inferiori al crossover di frequenza, dominano le proprietà liquide.

I test a 0°C, -15°C e -30°C mostrano una riduzione dell'angolo di fase al diminuire della temperatura. Tuttavia, l'aumento dell'angolo di fase nella direzione delle frequenze più basse dimostra che per tutte le temperature il campione è molto probabilmente un liquido viscoelastico. Più bassa è la temperatura, più tardi l'angolo di fase raggiunge il valore di 45°.

Il comportamento dell'asfalto a 0°C, o anche a temperature inferiori, è importante per prevedere la sua stabilità nei paesi freddi. A tal fine, la frequenza del crossover è fondamentale. Tuttavia, per motivi pratici, non è possibile rilevarla sperimentalmente, poiché la misurazione richiederebbe troppo tempo. Fortunatamente, l'applicazione della sovrapposizione tempo-temperatura spiegata consente di creare una curva master, ossia di calcolare le curve desiderate a una temperatura specifica per un intervallo di frequenze più ampio.

La Figura 9 illustra la costruzione della curva master del modulo di taglio elastico a una temperatura di 0°C. Le curve misurate a una temperatura inferiore (-30°C, -15°C) e superiore (15°C, 30°C) rispetto a questa temperatura di riferimento sono spostate rispettivamente verso destra e verso sinistra dal fattore di spostamento aT. In altre parole, il processo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento avviene più velocemente (spostato verso frequenze più elevate) quando la temperatura aumenta. Il calcolo della curva master e dei coefficienti utilizzati per i modelli di Arrhenius e WLF avviene automaticamente nel software rSpace (vedere Tabella 2).

Si noti l'inizio della frequenza della curva master: 1.6-10-5 rad/s, ciò significa un tempo di oltre 170 ore (più di sette giorni!) solo per la misurazione di questo singolo punto! Un test del genere non sarebbe pratico da eseguire.

Angolo di fase

L'angolo di fase δ (tan δ= G"/G´) è una misura relativa delle proprietà viscose ed elastiche di un materiale. Va da 0° per un materiale completamente elastico a 90° per un materiale completamente viscoso.

Tabella 2: Coefficienti di Arrhenius e WLF calcolati dalle misurazioni per una temperatura di riferimento di 0°C. I coefficienti WLF k1 e k2 corrispondono a C1 e C2 dell'equazione WLF; il coefficiente di Arrhenius k1 al fattore _E0/R del modello di Arrhenius.

Tabella 3: Determinazione incrociata delle curve master dei moduli di taglio elastici e viscosi a diverse temperature

La Figura 10 illustra la curva master del legante d'asfalto per una temperatura di -30 °C. Più bassa è la temperatura, più basso è l'intervallo di frequenza raggiunto con il calcolo. In questo caso, il primo punto è inferiore a 10-9 ^rad-s-1! Il crossover rilevato tra 10-7 e 10-6 ^rad-s-1 sarebbe stato individuato solo eseguendo una misura molto lunga.

La Tabella 3 riassume i risultati di un incrocio tra i moduli di taglio elastici e viscosi rilevati per tutte le temperature. L'asfalto si comporta sempre come un liquido viscoelastico per le temperature specificate. Più bassa è la temperatura, minore è la frequenza di incrocio e più lungo è il processo di destabilizzazione della struttura del materiale.

Se il crossover delle curve G' e G'' avviene a 2,4∙10-3 Hz a una temperatura di 0°C, ciò corrisponde a una scala temporale di circa 7 minuti. Ciò significa che il materiale si comporta in modo prevalentemente elastico se la scala temporale è inferiore a 7 minuti. In pratica, ciò significa che la strada è stabile sotto carico all'interno dell'intervallo visco-elastico lineare. Se la scala temporale è più lunga, il materiale tende sempre più a deformarsi (formazione di solchi).

Se questo legante per asfalto viene utilizzato in climi più freddi, ad esempio a -30 °C, l'incrocio tra G' e G'' avviene a una frequenza inferiore, ad esempio la scala temporale aumenta (qui circa 2 mesi).

Conclusione

Il comportamento visco-elastico del legante per asfalto è stato determinato a temperature comprese tra -30°C e 30°C. Più bassa è la temperatura di prova, più bassa è la frequenza del crossover. La raccolta dei punti di dati nell'intervallo di bassa frequenza per ottenere il crossover è legata a tempi di misurazione molto elevati (diverse settimane) e quindi non è conveniente nella pratica. Il principio della sovrapposizione tempo-temperatura ha permesso di superare questo problema. Invece di eseguire test interminabili, sono state effettuate misure di oscillazione a cinque diverse temperature su una gamma di frequenze usuale. I grafici risultanti sono stati utilizzati per la generazione delle curve master.