Вязкостно-температурная чувствительность ( VTS)

При определении VTS, двойной логарифм вязкости в сантистоксах наносится в зависимости от логарифма абсолютной температуры в градусах Кельвина (эмпирическое уравнение Уолтера). Такое графическое построение дает обычно прямые линии, причем искривление уравнивается с VTS по следующей формуле:

VTS = (log log вязкость при Т₂ – log log вязкость при Т₁) / (log Т₁ – logТ₂)

Высокие значения VTS свидетельствуют о высокой температурной чувствительности. Как правило, кривые при значениях температур ниже 140°F (60 °C) стремятся к отклонению от кривых, полученных в интервале температур 140°F (60°C) и выше. Это происходит, потому что вязкости, зависящие от сдвига, встречаются при значениях температур ниже 140°F (60°C). Численные различия значений VTS у разных битумных вяжущих – невелики. Значение VTS колеблется в пределах от 3,36 до 3,98 у 52 сортов асфальтов, испытанных в Соединенных Штатах (30).

Чувствительность к сдвигу. При высоких температурах для большинства битумных вяжущих характерно только вязкое течение (ньютоновское), при котором скорость деформации сдвига пропорциональна напряжению. Другими словами, вязкость зависит от скорости сдвига. Однако, при низких температурах и/или после старения, большинство битумных вяжущих обнаруживают не ньютоновское или вязкоупрогое течение. Сдедовательно, их вязкость зависит от скорости сдвига, то есть вязкость увеличивается с увеличением скорости сдвига. Скорость изменения вязкости в зависимости от скорости сдвига рассматривается как чувствительность к сдвигу, которая считается внутренним свойством битумных  вяжущих. Чувствительность к сдвигу (или коэффициент сдвига) представляет собой тангенс угла логарифмической скорости сдвига (ось – Х) против кривой логарифмической вязкости (ось – Y), определяемой при помощи пробы на вязкость при разных скоростях сдвига. В зависимости от их химического состава, в период старения, значения сдвиговой чувствительности битумных  вяжущих стремятся к повышению с разной скоростью.

Сама по себе, чувствительность к сдвигу или вязкость состаренного битума не может влиять на рабочие характеристики дорожного покрытия. Скорость прироста сдвиговой чувствительности, имеющая отношение к увеличению вязкости при 77°F считается одним из главных факторов, влияющих на рабочие характеристики дорожного покрытия. Считается, что относительно невысокий прирост чувствительности при сдвиге с соответствующим увеличением вязкости, определяет хорошие рабочие характеристики дорожного покрытия.

Жесткость. Жесткость (или модуль жесткости) представляет собой зависимость между напряжением и деформацией при изменении нагрузки и температуры как функции времени; эта зависимость между напряжением, деформацией и временем тоже относится к реологическим свойствам битумных вяжущих или их смесей. Для многих областей применения HMA, необходимо знать характеристики жесткости не только для оценки поведения самой смеси, но также и для определения эффективности инженерного сооружения, частью которого является смесь, например, дорожное покрытие автомагистрали или аэродрома (10). В идеале, для верхнего слоя дорожной одежды автомагистрали, при высоких температурах (около 140°F или 60°C) желательно применять битумное вяжущее с повешенной жесткостью, что поможет избежать колееобразования. Битумное вяжущие с пониженной жесткостью желательно применять при низких рабочих температурах, чтобы предупредить образование низкотемпературных усадочных трещин. При высоких температурах, добиться повышенной устойчивости к колеебразованию можно посредством корректного подбора заполнителя и состава смеси, поскольку в этих условиях жесткость битумного вяжущего имеет второстепенное значение. Однако, жесткость битумного  вяжущего имеет решающее значение при образовании трещин в условиях низких температур.

На рисунке 2-27 показан упрощенный график зависимости жесткости HMA при определенной температуры от времени нагрузки. Замечено, что, при непродолжительном времени нагрузки, жесткость совершенно не зависит от времени. В этом случае жесткость приближается к модулю упругости. Для промежуточного диапазона на шкале времени характерно уменьшение жесткости с увеличением времени нагрузки. При продолжительном времени нагрузки жесткость продолжает уменьшаться, но с равномерной скоростью, и характер изменения можно считать чисто вязким. Жесткость при таких условиях дает величину, характерную для параметров потока у смеси. На рисунке 2-27 такая вязкая деформация характеризуется вязкостной тягой, которая обозначает характера изменений при осевой нагрузке. Как отмечено на рисунке это вязкое сцепление приблизительно в три раза больше вязкости, которая является величиной текучести исходя из напряжениq при сдвиге (10).

Рисунок 2-27. Теоретическая зависимость характеристик жесткости (напряжение/деформация) битумного  материала подверженного осевой растягивающей нагрузке от времени нагрузки (по Финн, 10)

Реакция на напряжение, развивающееся по трехмерной модели, и возникающее в HMA слое дорожной одежды под действием нагрузки, очень сложная. В тех случаях, когда реакция зависит от времени или скорости приложения нагрузки и температуры, определение параметров представляется еще более сложным процессом (10).

В 1954 году Ван дер Пол рекомендовал сосредоточить внимание на одноосном напряжении и вызввемой им деформации, поскольку, по ряду причин, считал такой подход наиболее рациональным (32). Он предложил использовать единственный параметр, именуемый жесткостью (S) и выраженный следующим образом:

S (t, T) = σ/ε

где:

S = жесткость, фунт/кв. дюйм или кг/см2

σ = осевое напряжение

ε = осевая деформация

t = время нагрузки

T = температура

При кратковременной нагрузке и/или низкой температуре работа HMA практически упругая, можно сказать образцовая, при этом жесткость S – эквивалентна модулю упругости Е (рисунок 2-27). При более продолжительной по времени нагрузке и высоких температурах жесткость представляет собой соотношение между приложенным напряжением и вызванной им деформацией. С другой стороны, если параметр жесткости совпадает с конкретным временным и температурным значением и известны величины либо напряжения, либо деформации, то становится возможным определить деформацию или напряжение, возникающие в битумных смесях (10).

Жесткость битумного  вяжущего можно определить двумя способами:

1. Косвенные методы: Такие методы дают возможность оценить жесткость, не проводя прямые лабораторные измерения. В этом случае жесткость оценивают с помощью номограммы, используя стандартные данные по битумным вяжущим.

2. Прямые методы: жесткость битумного вяжущего определяется посредством непосредственного тестирования материала и определяя показатели деформации после долговременной нагрузки и пластического последействия, или испытание либо на растяжение, либо на сжатие при постоянной скорости деформации.

Оба метода рассматриваются далее в этом разделе.

1. Косвенные методы: Ван дер Пол провел подробно исследовал деформацию при долговременной нагрузке и пластическом последействии, используя хорошо уплотненные (приблизительно от 3 до 5% пустот) твердые горячие асфальтобетонные смеси. Он указывал на то, что жесткость смеси зависит от жесткости содержащегося в ней битумного вяжущего и объемной концентрации, Cv, заполнителя (рисунок 2-28).

Cv = объем уплотненного заполнителя / (объем заполнителя + битум) =

= (100 – VMA) / (100 – пустоты)

 

Рисунок 2-28. Отношение жесткости битумного вяжущего к жесткости смесей (по Ван дер Полу, 32)

На основании результатов испытаний он разработал номограмму (рисунок 2-29), которую можно использовать для определения жесткости битумного вяжущего при любой температуре и степени нагрузки, но при условии, что температура размягчения (R&B) и индекс пенетрации (pen/R&B) битумного вяжущего известны. Сообщалось о том, что «точность» величины изменялась в два раза, и это подтверждалось некоторыми другими исследователями. Если жесткость битумного вяжущего определяется по номограмме, то жесткость HMA можно определить по рисунку 2-28,опираясь на величину объемной концентрации заполнителя.

Хьюкелом и Кломп (33) подробно исследовали методику Ван дер Пола и изменили соотношение между жесткостью битумного вяжущего (S_bit) и жесткостью смеси, что (S_mix) показано на рисунке 2-30. Позже Хьюкелом (34) предложил измерять пенетрацию при трех значениях температур и наносить результаты на диаграмму экспериментальных данных по битумам (BTDC), а также определять «уточненное» значение PI, которое он обозначил как PI (pen/pen) и «уточненное» значение температуры размягчения, определенной методом «кольца и шара». «Уточненное» значение температуры размягчения определяется в точке пересечения расширенной прямой пенетрации и 12000 пуаз по ординате на BTDC. «Уточненные» значения температуры размягчения затем применяют к номограмме Ван дер Пола. Эти уточнения считались необходимыми, поскольку при использовании R&B температуры размягчения для полужидких битумных вяжущих могло привести к ошибочным результатам.

 

Рисунок 2-29. Номограмма для определения жесткости битумов (по Ван дер Полу, 32)

Рисунок 2-30. S_mix / S_bit как функция от S_bit и C_v (по Хеукелому и Кломпу, 33)

Впоследствии МакЛеод (28) модифицировал метод Хьюкелома для определения жесткости битумных вяжущих. Основное различие заключалось в использовании МакЛеодом коэффициента пентрация–вязкость (PVN) вместо индекса пенетрации PI (pen/pen), которым пользовался Хьюкеломом. Рисунки 2-31 и 2-32 применяются для определения жесткости битумного вяжущего (28). Для метода МакЛеода необходимо замерять пенетрацию битумного вяжущего при температуре 77°F (25°C) и вязкости при 275°F (135°F).

Рисунок 2-31. Отношение пенетрации (PVN) к базовой температуре для битумных вяжущих (по МакЛеоду, 28)

Известно, что значения модулей жесткости, полученных по методу МакЛеода, как правило, оставались в пределах умноженной на 2 величины поперечной деформации модулей жесткости, полученной прямым методом (29).

Несмотря на то, что косвенные методы не требуют много времени и просты в использовании, они имеют следующие ограничения (35):

a) При работе со шкалами номограмм и при интерполяции данных и результатов нужно быть предельно внимательным. Использование тупого карандаша может привести к заметным ошибкам.

b) Определение жесткости битумного вяжущего и асфальтобетонной смеси посредством ряда преобразований, начиная с данных стандартных испытаний битумного вяжущего, представляется некоторым инженерам отчасти «ненаучным».

c) Нет возможности оценить вероятные ошибки, возникающие при определении жесткости косвенными методами. Но и для прямых методов, в настоящее время, нет доступных норм точности.

Несмотря на вышеупомянутые ограничения, косвенные методы можно применять для первичной оценки модуля жесткости, если прямое испытание провести невозможно.

Рисунок 2-32 Номограмма для определения модуля жесткости битумного  вяжущего (по МакЛеоду, 28)

2. Прямые методы. При высоких температурах вязкость можно использовать в качестве критерия для измерения жесткости битумного  вяжущего. При температуре 140°F (60°C) и выше, необходимо применять капиллярный вискозиметр, потому что битумное вяжущее в этом диапазоне температур имеет свойства ньютоновской жидкости. Однако, при низких температурах вискозиметр способен квантифицировать вязкость как функцию и температуры, и напряжения при сдвиге, и скорости. Эта непростая ситуация заставила разработать большое количество приборов для измерения вязкости зависимой от сдвига (25).

В 1974 году Швейер (36) представил графическое изображение большинства экспериментальных вискозиметров, которые применялись для исследования вязкоупругих свойств битумных вяжущих. Среди них были: (а) вискозиметры ротационного типа с коаксиальными цилиндрами или с конусом и пластинкой; (b) реометры, специализированные капиллярного типа, в которых используется поршень для проталкивания битума по капиллярной трубке; (с) смешанного типа, такие как микровискозиметр с подвижной пластинкой. Швейер и др. провел значительное исследование относительно применения капиллярного реометра (37) и разработок некоторых модификаций реометра для постоянного напряжения, которые применялись для исследования как жесткости битумных вяжущих, так и вязкости при низких температурах.

Для определения вязкости битумного вяжущего при низких температурах, наиболее широко применялись вискозиметр с конусом и пластинкой и микровискозиметр с подвижной пластинкой. Оба прибора были приняты ASTM для проведения стандартных методов испытаний. С их помощью можно определить показатели вязкости при широком диапазоне скоростей сдвига. Совсем недавно метод капиллярной трубки (D4957), используемый для измерения структурной вязкости неньютоновских битумов, был принят ASTM.

Реометр с передвижной пластинкой Shell (39) легко измеряет жесткость битумного вяжущего при низкой температуре. Он применялся для определения точности методик прогнозирования жесткости битумных вяжущих разных сортов (40). Недавно, реометр с передвижной пластинкой был модифицирован с целью расширить верхний предел жесткости от 1х10⁸ до 1,5х10⁹ Н/м² (41). Основной принцип работы прибора (рисунок 2-33) заключается в следующем: образец битумного вяжущего, толщиной от 2 до 10 мм, помещают между двумя алюминиевыми пластинками (размером 20х30мм).

Одна из пластинок фиксируется к раме вертикально. При временном значении, t = 0, опора под образцом битумного вяжущего и другая незакрепленная пластинка быстро отодвигаются, и, на битумное вяжущее падает общая нагрузка, создаваемая незакрепленной пластики и другими вспомогательными устройства: адаптером нагрузки и стальной иглой. Замер сдвига образца производится при помощи датчика перемещений.

Механический спектрометр Reometrics (RMS), прибор, который первоначально предназначался для исследования полимеров, применяется для получения точных измерений вязкоупругих характеристик битумного вяжущего при низких температурах (42). Модуль динамического сдвига измерялся во время принудительного кручения, которое производилось с разной частотой, при температуре ниже -94°C, при этом были задействованы предельные низкотемпературные возможности RMS.

Торсионный вискозиметр (от Carrie Med) также можно использовать для измерения динамических вязкоупругих свойств битумного вяжущего в широком диапазоне температур.

Рисунок 2-33. Исходные и модифицированные вискозиметры (по Го, 41)