Dynamischer Scher-Rheometer

Das dynamische Scher-Rheometer ist eine Apparatur mit der sich die elastischen und viskosen Eigenschaften von Fluiden bestimmen lassen (Viskoelastizität). Dies geschieht mit Hilfe des komplexen Schermoduls G* und der Phasenschiebung δ. Das komplexe Schermodul wird aus dem Verhältnis von Spannung (Kraft pro Fläche = Last) zu Dehnung (Verformung) gebildet. Mehrere in der Natur vorkommende Fluide bzw. aus Naturstoffen gewonnene Fluide, wie z. B. Bitumen, zeigen viskoelastisches Verhalten, in der Regel handelt es sich dabei um Lösungen von natürlichen oder synthetischen Polymeren.

Versuchsvorbereitung am Beispiel einer Bitumenprobe

Zur Erstellung der Bitumenprobe wird das Material bei 80 °C auf eine Dicke von 2 mm verpresst, anschließend auf Prüfgröße gestanzt und mittig auf die untere Messplatte gelegt. Nach dem Absenken der oberen Messplatte und dem Einstellen des Prüfspaltes von einem Millimeter werden die Überstände abgeschnitten. Zur Erhaltung einer konstanten Versuchtemperatur wird um die Probe ein Wasserbad hergestellt (60 °C).

Versuchsablauf

Zur Prüfung werden die beiden Platten schwingend gegeneinander verschoben oder verdreht, und zwar mit der vorgeschriebenen Frequenz von 1,59 Hz und einer Schubverformung von ungefähr 12% in den Maximalpunkten. Über eine Versuchsdauer von mehreren Minuten werden die aufgebrachte Last τ sowie die entstandene Verformung γ getrennt aufgezeichnet.

Versuchsergebnis

Die Auftragung der Werte für Last und Verformung als Kurvenverlauf über der Zeit ergibt im Allgemeinen zwei zeitlich verschobene Sinuskurven, d.h. die maximale Verformung erfolgt gegenüber dem Lastmaximum verspätet, deutlich erkennbar beim Übereinanderlegen der Kurven. Die zeitliche Differenz zwischen den Maxima wird im Verhältnis zur Dauer einer Vollschwingung gemessen und als Phasenwinkel δ bezeichnet (Einheit Grad (°) oder Gon, eine Vollschwingung entspricht 360° oder 400 Gon). Ist der Phasenwinkel gleich Null, d. h., erscheint die Verformung im gleichen Moment, in dem die Last aufgebracht wurde, handelt es sich um einen rein elastischen Werkstoff (bspw. Gummiband). Besitzt der geprüfte Werkstoff auch viskose Eigenschaften, erscheint die Verformung später als die Last. Im extremen Fall, dass ein Werkstoff rein viskose Eigenschaften zeigt (bspw. Wasser), ist in dem Moment, an dem die aufgebrachte Last am größten ist, die Verformung gleich Null (am Nulldurchgang der Verformung, dafür ist hier die Deformationsgeschwindigkeit am größten). Dies entspricht einem Phasenwinkel von 90° = 100 Gon.

Diese Zusammenhänge gelten nur bei schwingender Belastung im eingeschwungenen Zustand, der ermittelte Wert beschreibt aber maßgeblich das Werkstoffverhalten gegenüber kurzzeitigen Belastungen.

Durch einen hohen komplexen Schermodul kommt es kaum zu Verformungen auf Straßen die mit hohen Geschwindigkeiten befahren werden, da es während der kurzen Belastungsdauer der Überrollung aufgrund des zusätzlichen Scherwiderstandes zu keiner so großen Verformung kommt.

Literatur

• S. Velske, H. Mentlein: Straßenbautechnik. Werner Verlag, Düsseldorf 2002, ISBN 3-8041-3875-6, S. 75.