Inleiding
De levensduur van bitumenbindmiddel hangt nauw samen met de visco-elastische eigenschappen. Een eenvoudige manier om deze eigenschappen te bepalen is het uitvoeren van frequency sweep metingen met een rotatie reometer. Het lage frequentiebereik van een dergelijke test komt overeen met lange tijdschalen, terwijl het hogere bereik informatie geeft over het gedrag van het monster in korte tijdschalen. In de praktijk is het vaak een hele uitdaging om testen met zeer lage frequenties uit te voeren, omdat hiervoor meerdere dagen of weken nodig zijn. Toch is het belangrijk om het gedrag van asfaltbindmiddel of bitumen gedurende lange perioden te voorspellen.
Hoe voorspel je het langetermijngedrag van asfaltbinders?
Het antwoord is Tijd-temperatuursuperpositie, of TTS. Dit principe is gebaseerd op het feit dat een verschuiving in temperatuur dezelfde invloed heeft op de visco-elastische eigenschappen als een verschuiving in frequentie of tijd. Met andere woorden, je kunt het frequentiebereik van een meting uitbreiden door tests uit te voeren in hetzelfde frequentiebereik, maar bij verschillende temperaturen.
Gebruik van tijd-temperatuursuperpositie
Het doel is om de resulterende curve van een frequency sweep uit te breiden naar een breder frequentiebereik. De methode is eenvoudig:
- Meting van frequency sweeps bij verschillende temperaturen
- Creatie van een mastercurve bij een door de gebruiker gedefinieerde temperatuur. De sequentie voor het maken van een mastercurve is geïntegreerd in de rSpace software1.
Voorbeeld voor het maken van een hoofdkromme voor een ongemodificeerd asfaltbindmiddel
Frequentiemetingen werden uitgevoerd bij verschillende temperaturen op een ongemodificeerd asfaltbindmiddel. Tabel 1 toont de meetomstandigheden.
Lineair visco-elastisch assortiment
De Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER is het amplitudebereik waarbij rek en spanning evenredig zijn. In de Lineair visco-elastisch gebied (LVER)In de LVER zijn de toegepaste spanningen onvoldoende om structurele breuk (bezwijken) van de structuur te veroorzaken en daarom worden belangrijke microstructurele eigenschappen gemeten.LVER zijn de toegepaste spanningen (of spanningen) onvoldoende om structuurbreuk te veroorzaken en daarom worden microstructurele eigenschappen gemeten.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Apparaat | Kinexus DSR-III | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Geometrie | Plaat, diameter: 8 mm | Plaat, diameter: 25 mm | ||||
| Tussenruimte | 2 mm | 1 mm | ||||
| Temperatuur | 5°C | 15°C | 25°C | 35°C | 45°C | 65°C |
| Schuifamplitude | ||||||
| Frequentie | 0.01 tot 402 Hz | |||||
1 De Kinexus Prime DSR+ software omvat zowel meet- als evaluatieroutines
2 Beperkt door de traagheid van het apparaat
Meetresultaten
Figuur 1 toont de elastische afschuifmodulus (G') voor de verschillende geteste temperaturen (kleurrijke curven). Hoe hoger de temperatuur, hoe lager de elasticiteitsmodulus. Dit betekent dat het materiaal elasticiteit verliest bij toenemende temperaturen voor een vaste frequentie. Bij 0,01 Hz neemt de elasticiteitsmodulus toe van 1E-01 Pa bij 65°C tot bijna 1E+07 Pa bij 5°C, wat een verschil is van bijna 8 decennia! Deze sterke invloed van de temperatuur verklaart ook de variatie van de asfalteigenschappen naargelang de seizoenen. In de winter kunnen de wegen broos zijn met de neiging om te scheuren, terwijl ze in zeer warme zomers kleverig kunnen worden. Dit is de reden waarom er verschillende bindmiddelkwaliteiten worden ontworpen, om te voldoen aan verschillende omstandigheden afhankelijk van het land, de staat/regio en het gebruik (bijv. landweg vs. snelweg).
De mastercurve bij een referentietemperatuur van 25°C (zwarte curve) wordt verkregen door de punten van de frequentiebewegingen te verschuiven bij verschillende temperaturen (zie voorbeeldpunten in Figuur 1). Hoe hoger de temperatuur, hoe flexibeler de polymeerketens en hoe sneller de beweeglijkheid van de moleculen. Daarom is het relaxatieproces, dat plaatsvindt bij lagere temperatuur en lagere frequentie, hetzelfde bij hogere temperatuur en hogere frequentie.1
De mastercurve (zwarte curve) verkregen bij een referentietemperatuur van 25°C strekt zich uit van 1E-06 tot 1E04 Hz, dus een uitbreiding van het frequentiebereik van bijna 7 decennia! Een frequentie van 1E-06 Hz komt overeen met meer dan 11 dagen. Een dergelijke duur voor het meten van slechts één punt is in de praktijk niet geschikt. Daarom is TTS absoluut noodzakelijk.
Figuur 2 toont de mastercurve bij 25 °C voor de elastische en verliesschuifmoduli. Het toont een crossover van G´ en G" bij 11 Hz, wat betekent dat het bindmiddel elastisch gedomineerd wordt voor tijdschalen korter dan 90 ms. De periodetijd van de crossoverfrequentie komt overeen met
1 Meer informatie over de afhankelijkheid van de relaxatietijd van de temperatuur wordt uitgelegd in onze applicatie AN 256 (Tijd-temperatuursuperpositie op asfaltbindmiddel)
Ter vergelijking werden ook masterkrommen gemaakt voor referentietemperaturen van 5°C (Figuur 3) en 45°C (Figuur 4). Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de wisselfrequentie. De tijd-temperatuur superpositie veronderstelt dat de temperatuur de tijdschaal van het relaxatieproces verschuift, maar geen invloed heeft op het proces zelf.
Conclusie
De Time-Temperature Superposition (TTS) is een eenvoudige manier om het korte- en langetermijngedrag van uw asfalt te voorspellen zonder tijdrovende metingen uit te voeren.
De rSpace software berekent en toont de mastercurve voor een door de gebruiker gedefinieerde temperatuur op basis van frequentiemetingen bij verschillende temperaturen. Deze video legt uit hoe je een mastercurve genereert in rSpace: