Kaj je preskus z dinamičnim strižnim reometrom (DSR)?

Obsežen tehnični vodnik za reologijo asfaltnega veziva, specifikacije Superpave in metodologijo testiranja

Uvod v testiranje z dinamičnim strižnim reometrom (DSR).

Preskus z dinamičnim strižnim reometrom (DSR) je napredna laboratorijska karakterizacijska metoda, ki se uporablja v inženirstvu materialov za tlakovanje za merjenje viskoelastičnih lastnosti bitumna in asfaltnih veziv pri visokih in vmesnih delovnih temperaturah.

Preskus uporabi nadzorovano sinusno oscilacijsko strižno napetost ali strižno deformacijo na tankem vzorcu veziva, stisnjenem med dve togi temperaturno-nadzorovani vzporedni kovinski plošči. Z merjenjem navora, potrebnega za nihanje vzorca, in posledično kotnega premika DSR test izračuna dva glavna reološka parametra:

• Kompleksni strižni modul (G*):Predstavlja celotno odpornost veziva na strižno deformacijo (togost materiala).
• Fazni kot (δ):Kvantificira časovni zamik med uporabljeno obremenitvijo in najvišjo deformacijo ter učinkovito opisuje ravnotežje med elastičnim okrevanjem in viskoznim razprševanjem energije.

Podedovani empirični testi v primerjavi z-vrednotenjem DSR na podlagi fizike

Test DSR, ki je bil prvotno razvit v okviru Strateškega raziskovalnega programa za avtoceste (SHRP) in kodificiran v mednarodnih standardih (AASHTO T 315, AASHTO T 350, ASTM D7175), simulira mehansko obnašanje veziv za pločnike pod premikajočimi se prometnimi obremenitvami v realnih podnebnih razmerah.

Za razliko od starih empiričnih preskusnih metod (kot so penetracija igle ali preskusi mehčalne točke z obročem-in-kroglo), preizkus DSR ocenjuje materiale znotraj temeljnega fizikalnega okvira. To omogoča gradbenim inženirjem in proizvajalcem asfalta, da natančno predvidijo:

• Odpornost na visoko-temperaturno kolesničenje na nestaranih in kratko{1}}staranih vezivih.
• Srednja-temperaturna odpornost proti razpokanju na dolgo-staranih vezivih.

Popoln sistem za testiranje dinamičnega strižnega reometra (DSR), ki obsega natančno glavno enoto, integriran sklop za nadzor temperature Peltier in povezano delovno postajo za osebni računalnik z avtomatsko programsko opremo za zajemanje reoloških podatkov.

Razumevanje viskoelastičnih lastnosti v reologiji asfalta

Asfaltno vezivo je klasičen viskoelastičen material, katerega mehanski odziv je močno odvisen od temperature okolja in frekvence obremenitev:

• Visoke temperature/nizke hitrosti:Asfalt se obnaša predvsem kot viskozna tekočina, ki teče pod obremenitvijo in prispeva k trajni deformaciji vozišča (kolotičenje).
• Nizke temperature / visoke hitrosti:Asfalt deluje kot elastična trdna snov, ki se pod obremenitvijo deformira in odbije, ko je sila odstranjena.

Preskus DSR zajame to dvojno obnašanje tako, da je vzorec izpostavljen neprekinjenemu harmoničnemu nihanju pri standardni frekvenci 10 rad/s, kar ustreza hitrosti premikajočega se vozila približno 90 km/h.

Mehanika kompleksnega strižnega modula in faznega kota

Pri dinamični reološki oceni se kompleksni strižni modul (G*) matematično razgradi na dve pravokotni komponenti:

• Modul shranjevanja (elastičen):G'=G* · cos δ (predstavlja strukturno elastičnost in shranjeno energijo)
• Modul izgube (viskozno):G''=G* · sin δ (Kvantificira energijo, trajno izgubljeno z viskoznim tokom)
• Faktor izgube:tan δ=G'' / G'

Elastični modul shranjevanja (G') neposredno meri strukturno elastičnost vezivne matrice-njeno zmožnost, da se "vrne" v prvotno obliko, potem ko gredo osi dinamičnih koles. Modul viskozne izgube (G'') predstavlja zmogljivost veziva za disipacijo energije skozi notranji viskozni tok.

Protokoli za preverjanje in umerjanje

Da zagotovite celovitost podatkov, preverite sistem DSR vsaj vsakih šest mesecev, pa tudi vsakič, ko so plošče na novo nameščene, premaknjene ali ko obstaja sum o točnosti senzorja.

4 temeljni elementi preverjanja:

• Temperaturni pretvornik DSR (preverite pred kalibracijo navora)
• Pretvornik navora DSR
• Prenosni termometer
• Temperatura preskusnega vzorca DSR

Protokol preverjanja premera plošče:

• Izmerite premer plošče na 0,01 mm natančno z uporabo umerjenih meril.
• Vodite podroben dnevnik kot del načrta laboratorijskega nadzora kakovosti.
• Vnesite dejanske izmerjene dimenzije v krmilno programsko opremo DSR.
• Opomba: Če se zgornja in spodnja plošča nekoliko razlikujeta po premeru, v nastavitev izračuna vnesite manjši od obeh izmerjenih premerov.

Učinek napake v vrzeli ali premeru plošče

Specifikacije in metodologija testiranja veziva Superpave

Specifikacija veziva Superpave (Superior Performing Asphalt Pavements) temelji na testiranju DSR za razvrščanje asfaltnih cementov v razrede učinkovitosti (PG), kot sta PG 64-22 ali PG 76-22.

Za simulacijo resničnih-življenjskih ciklov se vzorci veziva ocenjujejo v treh različnih stopnjah staranja:

• Originalni nestaran registrator:Material, kot je proizveden v rafineriji/terminalu.
• Ostanek RTFO (pečica za valjanje tankega filma):Simulira kratkotrajno-oksidativno staranje med mešanjem-naprav za vroče mešanice in postavitvijo konstrukcije.
• Ostanek PAV (posoda za staranje pod tlakom):Simulira dolgotrajno-oksidativno staranje v 7 do 10 letih med-staranjem na terenu.

Vrednotenje parametrov kolesnic pri visokih- temperaturah (AASHTO T 315)

Da bi preprečil nastajanje kolesnic, Superpave definira parameter kolesnic kot G*/sin δ:

• Kriterij nestaranega registratorja:G*/sin δ Večji ali enak 1,00 kPa (pri načrtovani visoki temperaturi)
• Merilo ostankov RTFO:G*/sin δ Večji ali enak 2,20 kPa

Zakaj deliti z grehom δ? Deljenje G* s sin δ močno kaznuje visoke fazne kote (čisto viskozno obnašanje). Vezivo z manjšim faznim kotom (večja elastičnost) doseže boljši parameter kolesnic, tudi če je njegova absolutna togost (G*) zmerna, kar dokazuje, da je elastična obnovitev prav tako pomembna kot trdota pri upiranju trajnim deformacijam.

Karakterizacija razpok zaradi utrujanja pri vmesni-temperaturi

Pri vmesnih temperaturah vozišča (običajno od 4 stopinj do 31 stopinj) ponavljajoče se prometne obremenitve ustvarjajo ciklične natezne napetosti, ki povzročajo širjenje mikro-razpok, ki se zaključijo z razpokami zaradi utrujenosti aligatorja.

• Nastavitev vzorca:Dolgotrajno -PAV-starano vezivo ocenjeno z 8 mm vzporedno geometrijo plošč.
• Omejitev Superpave:Parameter utrujenosti (G* · sin δ) Manjši ali enak 5000 kPa

Zakaj pomnožiti s sin δ? Če pomnožimo G* s sin δ, dajemo prednost mehkejšim, prožnejšim in elastičnim vezivom, ki lahko razpršijo energijo dinamične obremenitve brez razvoja krhkih mikro-razpok.

Večkratno testiranje obnove ob lezenju (MSCR) (AASHTO T 350)

Medtem ko G*/sin δ deluje dobro za čiste bitumne, pogosto podcenjuje resnično odpornost sodobnih polimer{0}}modificiranih veziv proti kolesnicam. AASHTO T 350 je uvedel test večkratne obnove zaradi lezenja (MSCR), da bi obravnaval to omejitev.

Preskus MSCR uporablja 1-sekundno obremenitev strižnega lezenja, ki ji sledi 9-sekundno obdobje okrevanja v 10 ciklih pri stopnjah napetosti 0,1 kPa in 3,2 kPa. Izhod ključnih meritev:

• Ne{0}}obnovljiva skladnost za lezenje (Jnr):Nižje vrednosti kažejo na izjemno odpornost na težke deformacije osi.
• Odstotek obnovitve (%R):Višje vrednosti potrjujejo učinkovito tvorbo zamrežene polimerne mreže.

Ckrivulje reep in elastične obnovitve iz nadzorne programske opreme DSREN

Po-za-postopkom preskusa DSR in najboljšimi operativnimi praksami

Doseganje natančnih, ponovljivih testnih podatkov DSR zahteva kakovostno-umerjenooprema za testiranje asfalta, dosledno upoštevanje standardiziranih laboratorijskih postopkov, natančne nastavitve vrzeli in enotne protokole za pripravo vzorcev. Postopek testiranja se začne z namestitvijo natančno{1}}brušenih preskusnih plošč iz nerjavečega jekla na pogonsko gred in spodnji grelni podstavek. Za visoke-temperaturne ocene (46 stopinj do 85 stopinj) so določene vzporedne plošče s premerom 25-milimetrov z nastavitvijo reže 1 milimetra. Za vrednotenje vmesne temperature (4 stopinje do 40 stopinj) se uporabljajo plošče s premerom 8 milimetrov z nastavitvijo reže 2 milimetra, da se prepreči preobremenitev navora instrumenta pri preskušanju togih materialov.

Montaža in demontaža testne plošče

1. korak: Natančen nadzor temperature in toplotno ravnovesje

Natančnost temperature je ključnega pomena pri testiranju DSR, ker se modul veziva za asfalt spreminja za približno 15 do 20 odstotkov za vsako temperaturno nihanje za 1 stopinjo. Visoko-natančni sistemi DSR uporabljajo dvojne Peltierjeve grelne in hladilne bloke, povezane s krožečimi vodnimi kopelmi, da vzdržujejo temperaturno stabilnost vzorca znotraj ±0,1 stopinje. Pred kalibracijo reže ali nalaganjem vzorca se morajo zgornje in spodnje preskusne geometrije namakati pri ciljni temperaturi vsaj 10 minut. Vgrajeni platinasti uporovni termometri (PT100) nenehno preverjajo toplotno ravnovesje v celotnem volumnu vzorca.

2. korak:Sobsežne tehnike priprave, nastavitve vrzeli in obrezovanja

Geometrija obremenitve vzorca narekuje natančnost napetosti in deformacije. Staljeno asfaltno vezivo, pripravljeno v standardiziranih silikonskih kalupih, se prenese na sredino predhodno segrete spodnje testne plošče. Zgornje vreteno se spusti do določene reže za obrezovanje, ki je običajno nastavljena 0,05 milimetra širše od končne preskusne reže (npr. 1,050 milimetrov za 25-milimetrsko preskusno nastavitev). Ogreto strgalo za obrezovanje vzorca gladko pometemo po obodu plošče, da odstranimo odvečni asfalt in tako ustvarimo poravnan navpični rob vzorca. Vreteno se nato spusti do končne ciljne vrzeli za testiranje (npr. 1.000 milimetrov) in ustvari nadzorovano, rahlo izboklino vzdolž oboda, ki kompenzira toplotno krčenje in hlajenje robov med preskušanjem.

3. korak: Izogibanje mejnim napakam in popačenju zaradi toplotnega raztezanja

Napake obrezovanja predstavljajo najpogostejši vir razpršitve delovanja pri testiranju DSR. Pre-prirezovanje vboči rob vzorca, zmanjša efektivni premer in povzroči umetno nizke vrednosti modula. Premaj-prirezovanje povzroči čezmerno izboklino, poveča efektivni premer in umetno poveča izmerjeni navor. Poleg tega so kovinska pogonska vretena podvržena aksialnemu toplotnemu raztezanju med naraščanjem temperature. Rešitve opreme, ki jih je zasnoval www.testmould.net, vključujejo avtomatizirano poravnavo nič-rež in senzorje z optično rešetko z ločljivostjo vrzeli 0,1 mikrometra, ki nenehno prilagajajo višino vretena za odpravo artefaktov toplotnega raztezanja.

Tehnične inovacije v testni opremi Tianpeng DSR

Linija Tianpeng DSR, ki je na voljo na www.testmould.net, zasnovana za natančno skladnost in raziskovalno prilagodljivost, vključuje visoko{2}}elektromehanske komponente:

• Servo motor brez jedra:Ultra{0}}pogon z nizko vztrajnostjo zagotavlja takojšen odziv navora brez motenj motorja.
• Optični kodirnik-visoke ločljivosti:Kotna ločljivost do 10⁻⁴ rad zagotavlja ultra-natančne nizke-meritve deformacij.
• Samodejna integracija programske opreme:Izvorni programski paket DSREN avtomatizira protokole AASHTO T 315, AASHTO T 350 (MSCR) in frekvenčno brisanje z vgrajeno-generacijo glavne krivulje TTS.
• Normalni nadzor sile:Zaznavanje aktivne sile do 1 mN preprečuje odlepitev vzorca ali strukturno stiskanje.

Tabela 1: Tehnične specifikacije instrumenta Tianpeng DSR

Tabela 2: Specifikacije napetosti in amplitude napetosti Superpave

Priporočila za vodje laboratorijev

• Vzpostavite strogo redno vzdrževanje:Mesečno izvajajte preglede ravnosti površine plošče in vsakih šest mesecev opravite popolne kalibracije navora in temperature.
• Mojstrske tehnike obrezovanja:Usposobite tehnike za dosledno upoštevanje dvo{0}}stopenjskega pristopa vrzeli (prirezovanje vrzeli v primerjavi s končno vrzeljo), da odpravite napake geometrijskega radija.
• Sprejmite testiranje MSCR:Prehod na AASHTO T 350 za vsa polimerno-modificirana veziva za zajem dejanske učinkovitosti kolotečenja na terenu in obnavljanja elastomera.
• Partnerstvo s prodajalci kakovostne opreme:Uporabite robustno strojno opremo za testiranje, kot je platforma Tianpeng DSR z www.testmould.net, da zagotovite visoko zanesljivost, samodejno nastavitev na ničlo in brezhibno integracijo programske opreme.

Pogosto zastavljena vprašanja (FAQ)

V1: Kakšna je glavna razlika med testiranjem s ploščami debeline 25 mm in ploščami debeline 8 mm?

25 mm plošče (1 mm reže): Uporabljajo se za visoko-temperaturno testiranje (46 stopinj do 85 stopinj ) na mehkejših nestaranih ali RTFO-staranih vezivih.
8 mm plošče (2 mm reže): Uporabljajo se za testiranje vmesnih-temperatur (4 stopinj do 40 stopinj) na trdih PAV-staranih vezivih, da se prepreči nasičenost instrumenta z navorom.

V2: Zakaj je pri modificiranem asfaltu prednost MSCR pred G*/sin δ?

Tradicionalni parameter G*/sin δ meri odziv le znotraj linearnega viskoelastičnega območja pri majhnih napetostih. Pogreša ne-linearno mrežno obnovitev sodobnih polimernih modifikatorjev. Test MSCR uporablja višjo obremenitev lezenja (3,2 kPa) za merjenje nepopravljive skladnosti lezenja (Jnr) in odstotka okrevanja (%R), ki sta v neposredni korelaciji z globino kolotečnic na terenu.

V3: Kako pogosto je treba izvajati umerjanje-ničelne vrzeli in preverjanje temperature?

Zero-Gap Calibration: Izvedite vsakič, ko zamenjate preskusne plošče ali ko se preskusne temperature znatno spremenijo.
Preverjanje temperature: Izvedite mesečno z uporabo zunanje kalibrirane sonde v vzorcu navideznega veziva ali vsakič, ko se servisira kroženje Peltierjeve tekočine.

V4: Kako nepravilno obrezovanje vzorca vpliva na rezultate testa DSR?

Ker je izmerjeni navor odvisen od četrte potence polmera vzorca (r4):
• Pre-prirezovanje ustvari konkaven rob, kar umetno zmanjša izmerjeno G*.
• Ne-prirezovanje pusti odvečni asfalt, ki se izboči navzven, kar umetno poveča izmerjeno G*.

V5: Kakšno vlogo igra fazni kot (δ) pri ocenjevanju elastičnosti asfalta?

Fazni kot meri časovni zamik med uporabljeno napetostjo in deformacijskim odzivom (0 stopinj=elastična trdna snov, 90 stopinj=viskozna tekočina). Nižji fazni kot pri visokih temperaturah dokazuje, da ima asfaltno vezivo-zlasti polimeri-modificirane različice-močno elastično mrežo, ki se po dinamični obremenitvi vozila lahko vrne nazaj.

Za več informacij o izdelku, tehničnih specifikacijah ali strokovnem posvetovanju o naši napredni opremi za testiranje asfalta vas prosimostopite v stik z našo ekipo strokovnjakov še danespriwww.testmould.net.