Inledning
Bitumenbindemedlets livslängd är nära kopplad till dess viskoelastiska egenskaper. Ett enkelt sätt att bestämma dessa egenskaper är att utföra frekvenssvepmätningar med en rotationsreometer. Det lågfrekventa området i ett sådant test motsvarar långtidsskalor, medan det högre området ger information om provets beteende på korttidsskalor. I praktiken är det ofta mycket svårt att utföra tester med mycket låga frekvenser eftersom de kräver flera dagar eller veckor. Ändå är det viktigt att förutsäga asfaltbindemedlets eller bitumenets beteende under långa perioder.
Hur prognostiserar man långtidsbeteendet hos asfaltbindemedel?
Svaret är tid-temperatur-superposition, eller TTS (Time-Temperature Superposition). Denna princip bygger på det faktum att en temperaturförändring har samma inverkan på de viskoelastiska egenskaperna som en frekvens- eller tidsförändring. Med andra ord kan du utöka frekvensområdet för en mätning genom att utföra tester i samma frekvensområde, men vid olika temperaturer.
Hur man använder tid-temperatur-superposition
Målet är att utöka den resulterande kurvan från en frekvenssvepning till ett bredare frekvensområde. Metoden är enkel:
- Mätning av frekvenssvep vid olika temperaturer
- Skapande av en masterkurva vid en användardefinierad temperatur. Den sekvens som gör det möjligt att skapa en masterkurva är integrerad i programvaran rSpace 1 .
Exempel på skapande av en masterkurva för ett omodifierat asfaltbindemedel
Frekvenssvepningar utfördes vid olika temperaturer på ett omodifierat asfaltbindemedel. Tabell 1 visar mätförhållandena.
Linjärt viskoelastiskt område
Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER är det amplitudområde där töjning och spänning är proportionella. I Linjär viskoelastisk region (LVER)I LVER är de pålagda spänningarna otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning (yielding) av strukturen och därför mäts viktiga mikrostrukturella egenskaper.LVER är de pålagda spänningarna (eller töjningarna) otillräckliga för att orsaka strukturell nedbrytning och därför mäts mikrostrukturella egenskaper.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Enhet | Kinexus DSR-III | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Geometri | Plattans diameter: 8 mm | Plattans diameter: 25 mm | ||||
| Mellanrum | 2 mm | 1 mm | ||||
| Temperatur | 5°C | 15°C | 25°C | 35°C | 45°C | 65°C |
| Amplitud för skjuvning | ||||||
| Frekvens | 0.01 till402 Hz | |||||
1 Programvaran Kinexus Prime DSR+ innehåller både mät- och utvärderingsrutiner
2 Begränsas av enhetens tröghet
Resultat av mätning
Figur 1 visar den elastiska skjuvmodulen (G') för de olika testade temperaturerna (färgglada kurvor). Ju högre temperaturen är, desto lägre är den elastiska skjuvmodulen. Detta innebär att materialet förlorar elasticitet med ökande temperaturer för en fast frekvens. Vid 0,01 Hz ökar elasticitetsmodulen från 1E-01 Pa vid 65°C till nästan 1E+07 Pa vid 5°C, vilket är en skillnad på nästan 8 decennier! Denna starka påverkan av temperaturen förklarar också variationen av asfaltegenskaper beroende på årstiderna. På vintern kan vägarna vara spröda och ha en tendens att spricka, medan de kan bli klibbiga under mycket varma somrar. Detta är skälet till att olika bindemedelsgrader utformas för att passa olika förhållanden beroende på land, delstat/region och användning (t.ex. landsväg kontra motorväg).
Masterkurvan vid en referenstemperatur på 25°C (svart kurva) erhålls genom att förskjuta punkterna för frekvenssvepen vid olika temperaturer (se exempelpunkter i figur 1). Ju högre temperaturen är, desto mer flexibla blir polymerkedjorna och desto snabbare blir molekylernas rörlighet. Därför är relaxationsprocessen, som äger rum vid lägre temperatur och lägre frekvens, densamma vid högre temperatur och högre frekvens.1
Masterkurvan (svart kurva) som erhållits vid en referenstemperatur på 25°C sträcker sig från 1E-06 till 1E04 Hz, vilket innebär en utvidgning av frekvensområdet med nästan 7 decennier! En frekvens på 1E-06 Hz motsvarar mer än 11 dagar. En sådan tidsåtgång för mätning av endast en punkt är inte lämplig i praktiken. Därför är TTS absolut nödvändigt.
Figur 2 visar masterkurvan vid 25°C för elasticitets- och förlustskjuvningsmodulerna. Den visar en korsning av G´ och G" vid 11 Hz, vilket innebär att bindemedlet blir elastiskt dominerat under kortare tid än 90 ms. Periodtiden för crossover-frekvensen motsvarar
1 Mer information om relaxationstidens beroende av temperaturen finns i vårt applikationsmeddelande AN 256 (Time-Temperature Superposition on Asphalt Binder)
Som jämförelse skapades masterkurvor även för referenstemperaturer på 5°C (bild 3) och 45°C (bild 4). Ju högre temperatur, desto högre crossover-frekvens. Superpositionen tid-temperatur förutsätter att temperaturen förskjuter tidsskalan för relaxationsprocessen, men inte har någon inverkan på själva processen.
Slutsats
TTS (Time-Temperature Superposition) är ett enkelt sätt att förutsäga kort- och långtidsbeteendet hos din asfalt utan att utföra tidskrävande mätningar.
Programvaran rSpace beräknar och visar masterkurvan för en användardefinierad temperatur från frekvenssvepmätningar vid olika temperaturer. I den här videon förklaras hur man genererar en masterkurva i rSpace: