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아스팔트 바인더 또는 아스팔트 역청이 앞으로 어떻게 작동할까요? 시간-온도-중첩을 통한 예측

소개

역청 바인더의 수명은 점탄성 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 이러한 특성을 결정하는 쉬운 방법은 회전 레오미터로 주파수 스윕 측정을 수행하는 것입니다. 이러한 테스트의 저주파 범위는 장시간 스케일에 해당하며, 높은 범위는 단시간 스케일에서 샘플의 거동에 대한 정보를 제공합니다. 실제로는 며칠 또는 몇 주가 필요하기 때문에 매우 낮은 주파수에서 테스트를 수행하는 것이 매우 어려운 경우가 많습니다. 그러나 장시간 동안 아스팔트 바인더 또는 역청의 거동을 예측하는 것은 중요합니다.

아스팔트 바인더의 장기적인 거동을 예측하는 방법은 무엇인가요?

정답은 시간-온도 중첩, 즉 TTS입니다. 이 원리는 온도의 변화가 주파수 또는 시간의 변화와 점탄성 특성에 동일한 영향을 미친다는 사실에 기반합니다. 즉, 동일한 주파수 범위에서 다른 온도에서 테스트를 수행하여 측정의 주파수 범위를 확장할 수 있습니다.

시간-온도 중첩 사용 방법

목표는 주파수 스윕의 결과 곡선을 더 넓은 주파수 범위로 확장하는 것입니다. 방법은 간단합니다:

  1. 다양한 온도에서 주파수 스윕 측정
  2. 사용자 정의 온도에서 마스터 커브를 생성합니다. 마스터 커브를 생성할 수 있는 시퀀스는 rSpace 소프트웨어에 통합되어 있습니다1.

수정되지 않은 아스팔트 바인더에 대한 마스터 커브 생성 예제

주파수 스윕은 변형되지 않은 아스팔트 바인더에서 다양한 온도에서 수행되었습니다. 표 1은 측정 조건을 보여줍니다.

표 1: 측정 조건

장치

키넥서스 DSR-III

지오메트리

플레이트-플레이트, 직경: 8mm

플레이트-플레이트, 직경: 25mm

Gap

2mm

1 mm

온도

5°C

15°C

25°C

35°C

45°C

65°C

전단 진폭

선형 점탄성 영역(LVER)LVER에서는 적용된 응력이 구조물의 구조적 파괴(항복)를 일으키기에 충분하지 않으므로 중요한 미세 구조적 특성을 측정하고 있습니다.LVER에 있는 것으로 결정됨

주파수

0.01 ~ 402Hz

1 키넥서스 프라임 DSR 소프트웨어는 측정 및 평가 루틴으로 구성되어 있습니다
2 장치의 관성에 의해 제한됩니다

측정 결과

그림 1은 테스트한 다양한 온도에 대한 탄성 전단 계수(G')를 표시합니다(컬러 곡선). 온도가 높을수록 탄성 전단 계수가 낮아집니다. 이는 고정 주파수에 대해 온도가 상승함에 따라 재료가 탄성을 잃는다는 것을 의미합니다. 0.01Hz에서 탄성 계수는 65°C에서 1E-01 Pa에서 5°C에서 거의 1E+07 Pa로 증가하는데, 이는 거의 8십 년의 차이입니다! 이처럼 온도의 강한 영향은 계절에 따라 아스팔트 특성이 달라지는 이유도 설명합니다. 겨울에는 도로가 부서지기 쉽고 균열이 생기기 쉬운 반면, 매우 더운 여름에는 끈적거릴 수 있습니다. 이것이 바로 국가, 주/지역 및 용도(예: 시골길 대 고속도로)에 따라 다양한 조건에 맞게 다양한 바인더 성능 등급이 설계되는 이유입니다.

기준 온도 25°C에서의 마스터 곡선(검은색 곡선)은 다양한 온도에서 주파수 스윕의 포인트를 이동하여 얻습니다(그림 1의 예시 포인트 참조). 온도가 높을수록 폴리머 사슬이 더 유연해지고 분자의 이동성이 빨라집니다. 따라서 낮은 온도와 낮은 주파수에서 일어나는 이완 과정은 높은 온도와 높은 주파수에서도 동일합니다.1

기준 온도 25°C에서 얻은 마스터 곡선(검은색 곡선)은 1E-06에서 1E04 Hz로 확장되어 주파수 범위가 거의 7십 년으로 확장되었습니다! 1E-06Hz의 주파수는 11일 이상에 해당합니다. 한 지점만 측정하기 위한 이러한 기간은 실제로는 적절하지 않습니다. 따라서 TTS는 절대적으로 필요합니다.

그림 2는 탄성 및 손실 전단 계수에 대한 25°C에서의 마스터 곡선을 보여줍니다. 11Hz에서 G´와 G"의 크로스오버가 나타나며, 이는 바인더가 90ms보다 짧은 시간 스케일에서 탄성적으로 지배된다는 것을 의미합니다. 크로스오버 주파수의 주기는 다음과 같습니다

1) 다양한 온도에서의 주파수 스윕(컬러) 및 기준 온도 25°C에 대한 결과 마스터 커브(검은색)
2) 기준 온도 25°C에서 얻은 마스터 커브

1 온도에 따른 이완 시간의 의존성에 대한 자세한 내용은 애플리케이션 노트 AN 256(아스팔트 바인더의 시간-온도 중첩)에 설명되어 있습니다

3) 기준 온도 5°C에서 얻은 마스터 커브
4) 45°C의 기준 온도에서 얻은 마스터 커브

비교를 위해 5°C(그림 3) 및 45°C(그림 4)의 기준 온도에 대한 마스터 곡선도 생성했습니다. 온도가 높을수록 크로스오버 주파수가 높아집니다. 시간-온도 중첩은 온도가 이완 프로세스의 시간 척도를 이동시키지만 프로세스 자체에는 영향을 미치지 않는다고 가정합니다.

결론

시간-온도 중첩(TTS)은 시간이 많이 소요되는 측정을 수행하지 않고도 아스팔트의 단기 및 장기 거동을 쉽게 예측할 수 있는 방법입니다.

RSpace 소프트웨어는 다양한 온도에서 주파수 스윕 측정을 통해 사용자 정의 온도에 대한 마스터 커브를 계산하고 표시합니다. 이 동영상에서는 rSpace에서 마스터 곡선을 생성하는 방법을 설명합니다:

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RSpace에서 마스터 커브를 만드는 방법