Suprapunerea timp-temperatură pe liantul de asfalt

Introducere

Tensiunea σ care rezultă dintr-o deformare constantă ε0 aplicată unui polimer este dependentă de timp. [1] Acest lucru se datorează faptului că lanțurile polimerului se rearanjează pentru a relaxa tensiunile cauzate de deformare. [2] Ca o consecință, modulul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare este dependent de timp:

E(t) = σ(t)/ε0

În plus, presupunând că o creștere a temperaturii nu modifică mișcările moleculare, ci doar le accelerează [3], modulul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare nu depinde doar de timp, ci și de temperatură:

E(t,T) = σ(t,T)/ε0

Timpul și temperatura sunt strâns legate. O creștere a temperaturii va crește volumul liber dintre macromolecule. Astfel, acestea vor fi mai capabile să alunece una peste alta, reducând timpul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare al materialului și alte proprietăți, de exemplu, vâscozitatea, rezistența la fractură, modulul de forfecare etc.

Măsurarea oscilației

Placa superioară oscilează cu o frecvență definită f [Hz] (sau ω [rad/s]) și amplitudine [%] (sau deformație de forfecare γ [%]). Se determină tensiunea de forfecare σ [Pa] necesară pentru această oscilație. Rezultat: Se determină proprietățile viscoelastice ale probei, în special modulele de forfecare elastic și de pierdere.

De fapt, comportamentul majorității materialelor vâsco-elastice la o temperatură poate fi prezis de cel la o altă temperatură printr-o schimbare a scării temporale [4]. Două modele diferite descriu factorul de deplasare aT, adică raportul timpilor de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare la temperaturile T și Tr [2]:

Decalajul Arrhenius, valabil pentru polimerii semicristalini și termoplasticele amorfe la temperaturi mai mari de Tg + 100 K:

Dilatometrul DIL 402 HT Expedis® dispune de un cuptor cu grafit de înaltă temperatură pentru măsurători precise ale expansiunii termice în industria aerospațială și cercetare.

_E0: energia de activare a relaxării [J/mol]; R: constanta gazelor;_TR: temperatura de referință [K]

Deplasarea WLF, valabilă pentru temperaturile din jurul tranziției vitroase:

Formulă matematică pentru calcularea funcției de răspuns logaritmic, cu variabilele T, TR, C1 și C2.

_C1,_C2: Parametrii depind de material;_TR: Temperatura de referință [K]

Această posibilitate de deplasare a curbelor unei proprietăți viscoelastice este foarte convenabilă, deoarece reduce considerabil timpul de măsurare. În cele ce urmează, principiul suprapunerii timp-temperatură este utilizat pentru a crea o curbă master pe un liant asfaltic. Pentru aceasta, se efectuează măsurători de baleiaj de frecvență la diferite temperaturi.

Tabelul 1: Condiții de măsurare a oscilațiilor

dispozitiv	Kinexus DSR
Mod de măsurare	Oscilație, scanare de frecvență
Geometrie	Placă-placă, diametru: 4 mm (PP4)
Gap	1.7 mm
Temperatură	-30°C, -15°C, 0°C, 15°C și 30°C
Întindere	0.017%, 0.079%, 0.020%, 0.398%, 0.796%
Frecvență	100 până la 0,1 rad.^s-1

Condiții de măsurare și rezultate

Tabelul 1 prezintă condițiile de măsurare. Figurile de la 1 la 5 prezintă curbele rezultate din măsurătorile cu baleiaj de frecvență la cele cinci temperaturi diferite. Figurile 6, 7 și 8 compară modulul de forfecare elastică, modulul de forfecare vâscoasă și unghiul de fază ale tuturor măsurătorilor.

Cu cât temperatura este mai mare, cu atât modulul de forfecare elastic este mai mic. După cum era de așteptat, liantul asfaltic devine mai rigid odată cu scăderea temperaturii. La 30°C, modulul de forfecare de pierdere este mai mare decât modulul de forfecare elastic. La această temperatură, proprietățile "lichide" ale materialului domină proprietățile sale "solide". Aici, unghiul de fază este puțin mai mare de 45° pe întreaga gamă de frecvențe (figura 1). Materialul este un lichid vâsco-elastic.

Măsurarea la 15°C arată o intersecție a modulului de forfecare elastic și vâscos la o frecvență de 2,5 rad.^s-1 (figura 2). În acest punct, faza este de exact 45°. Pentru frecvențe mai mici decât trecerea de frecvență, proprietățile de tip lichid domină.

Testele la 0°C, -15°C și -30°C arată o reducere a unghiului de fază odată cu scăderea temperaturii. Cu toate acestea, creșterea unghiului de fază în direcția frecvențelor inferioare arată că, pentru toate temperaturile, proba este cel mai probabil un lichid vâscoelastic. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât mai târziu unghiul de fază atinge valoarea de 45°.

Comportamentul asfaltului la 0°C, sau chiar la temperaturi mai scăzute, este important pentru a prezice stabilitatea acestuia în țările reci. Pentru aceasta, frecvența de trecere este crucială. Cu toate acestea, ea nu poate fi detectată experimental din motive practice, deoarece măsurarea ar necesita prea mult timp. Din fericire, aplicarea suprapunerii timp-temperatură explicată permite crearea unei curbe principale, adică calcularea curbelor dorite la o anumită temperatură pentru o gamă mai largă de frecvențe.

Figura 9 prezintă construirea curbei principale a modulului elastic de forfecare la o temperatură de 0°C. Curbele măsurate la o temperatură inferioară (-30°C, -15°C) și superioară (15°C, 30°C) acestei temperaturi de referință sunt deplasate spre dreapta și, respectiv, spre stânga cu factorul de deplasare aT. Cu alte cuvinte, procesul de RelaxareAtunci când se aplică o deformație constantă unui compus din cauciuc, forța necesară pentru a menține acea deformație nu este constantă, ci scade în timp; acest comportament este cunoscut sub numele de relaxare a tensiunii. Procesul responsabil pentru relaxarea tensiunilor poate fi fizic sau chimic și, în condiții normale, ambele se vor produce în același timp. relaxare are loc mai rapid (deplasat la frecvențe mai mari) atunci când temperatura crește. Calculul curbei principale și al coeficienților utilizați pentru modelele Arrhenius și WLF are loc automat în software-ul rSpace (a se vedea tabelul 2).

Trebuie notată frecvența de pornire a curbei principale: 1.6-10-5 rad/s, ceea ce înseamnă un timp de peste 170 de ore (mai mult de șapte zile!) numai pentru măsurarea acestui singur punct! Un astfel de test nu ar fi practic de efectuat.

Unghiul de fază

Unghiul de fază δ (tan δ= G"/G´) este o măsură relativă a proprietăților vâscoase și elastice ale unui material. Acesta variază de la 0° pentru un material complet elastic la 90° pentru un material complet vâscos.

Tabelul 2: Coeficienții Arrhenius și WLF calculați din măsurători pentru o temperatură de referință de 0°C. Coeficienții WLF k1 și k2 corespund cu C1 și C2 din ecuația WLF; coeficientul Arrhenius k1 corespunde factorului _E0/R din modelul Arrhenius.

Tabel de date care afișează factorii de deplasare, coeficientul Arrhenius și coeficienții WLF pentru valorile k1 și k2 într-o analiză științifică.

Grafic cu baleiaj de frecvență care arată modulul de stocare (G'), modulul de pierdere (G'') și vâscozitatea complexă (η) la 30°C, ilustrând comportamentul materialului. — 1) Scanarea frecvenței la 30°C

Grafic de baleiaj de frecvență la 15°C care prezintă curbele G' și G'' și unghiul de fază δ în funcție de frecvența unghiulară ω. — 2) Scanarea frecvenței la 15°C

Ecuație matematică care ilustrează relația dintre timp, energia de activare și temperatură pentru evaluarea riscului termic. — 3) Scanarea frecvenței la 0°C

Grafic cu baleiaj de frecvență la -15°C care prezintă G' (modulul de stocare), G'' (modulul de pierdere) și δ (unghiul de pierdere) vs. ω (rad/s). — 4) Scanarea frecvenței la -15°C

Rezultatele scanării frecvenței la -30°C care arată G', G'' și δ într-o gamă de valori omega, evidențiind proprietățile materialului. — 5) Scanarea frecvenței la -30°C

Frecvența modulului de forfecare elastică (G') prezentată la diferite temperaturi de la -30°C la 30°C, reprezentată în pași Pascal (Pa). — 6) Modul de forfecare elastică în timpul scanărilor de frecvență la cinci temperaturi diferite

Modul de forfecare vâscoasă (G') în funcție de frecvența unghiulară (ω) la cinci temperaturi cuprinse între -30°C și 30°C. — 7) Modul de forfecare vâscoasă în timpul scanărilor de frecvență la cinci temperaturi diferite

Datele unghiului de fază la cinci temperaturi (de la -30°C la 30°C) sunt reprezentate grafic în funcție de frecvența de baleiaj, evidențiind tendințe distincte. — 8) Unghiul de fază în timpul scanărilor de frecvență la cinci temperaturi diferite

Curba principală a modulului elastic de forfecare (G') trasată în funcție de frecvența unghiulară (ω) la diferite temperaturi. — 9) Curba master generată pentru o temperatură de 0°C cu măsurătorile afișate, aplicată modulului de forfecare elastic

Curbă master la -30°C care prezintă variațiile modulelor de forfecare elastice și de pierdere (G' și G'') în funcție de frecvență. — 10) Curba master generată pentru o temperatură de -30°C cu măsurătorile afișate, aplicate pe modulele de forfecare elastice și de pierdere.

Tabelul 3: Determinarea încrucișată a curbelor principale ale modulelor de forfecare elastică și vâscoasă la diferite temperaturi

Tabel care prezintă date privind acțiunile de încrucișare, frecvențele de evidențiere, frecvențele unghiulare și valorile modulului de forfecare.

Figura 10 prezintă curba master a liantului de asfalt pentru o temperatură de -30°C. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât este mai mică gama de frecvențe atinsă cu calculul. Aici, primul punct este sub 10-9 ^rad-s-1! Trecerea detectată între 10-7 și 10-6 ^rad-s-1 ar fi fost detectată doar prin efectuarea unei măsurători foarte lungi.

Tabelul 3 rezumă rezultatele unei încrucișări între modulele de forfecare elastice și vâscoase detectate pentru toate temperaturile. Asfaltul se comportă întotdeauna ca un lichid vâsco-elastic pentru temperaturile specificate. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât frecvența de încrucișare este mai mică, iar procesul de inducere a destabilizării structurii materialului este mai lung.

Dacă încrucișarea curbelor G' și G'' are loc la 2,4∙10-3 Hz la o temperatură de 0°C, aceasta corespunde unei scale de timp de aproximativ 7 min. Aceasta înseamnă că materialul se comportă predominant elastic dacă scara de timp este mai scurtă de 7 min. În practică, aceasta înseamnă că drumul este stabil sub sarcină în intervalul vâsco-elastic liniar. Dacă scara de timp este mai lungă, există o tendință crescândă ca materialul să se deformeze (formarea de șanțuri).

Dacă acest liant asfaltic este utilizat în zone cu climă mai rece, de exemplu, la -30 °C, trecerea dintre G' și G'' are loc la o frecvență mai mică, de exemplu, scara de timp crește (aici aproximativ 2 luni).

Concluzie

Comportamentul vâsco-elastic al liantului asfaltic a fost determinat la temperaturi cuprinse între -30°C și 30°C. Cu cât temperatura de testare este mai scăzută, cu atât frecvența de trecere este mai mică. Colectarea punctelor de date în domeniul frecvențelor joase pentru a obține crossover-ul este legată de timpi de măsurare foarte mari (câteva săptămâni) și, prin urmare, nu este convenabilă în practică. Principiul suprapunerii timp-temperatură a făcut posibilă depășirea acestei probleme. În loc să se efectueze teste interminabile, s-au efectuat măsurători de oscilație la cinci temperaturi diferite pe o gamă de frecvențe uzuale. Graficele rezultate au fost utilizate pentru generarea curbelor master.