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Mesomechanical modelling of asphalt

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[Quelle: http://d-nb.info]

Asphalt ist einer der ältesten der Menschheit bekannten Werkstoffe, leider aber auch einer der komplexesten. Asphalt weist elastische, viskose und plastische Eigenschaften auf. Weiterhin schädigt er und altert über einen Zeitraum von wenigen Dekaden. Diese Eigenschaften stammen größtenteils vom Bindemittel Bitumen. Jedoch handelt es bei Asphalt um einen zufallsbasierten heterogenen Werkstoff - mit bitumenverklebter Gesteinskörnung. Gemischt erhält Asphalt alle Eigenschaften eines echten Kompositwerkstoffes: Versteifung und Verstärkung, Lokalisierung, Skalenabhängigkeit, u. v. m. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung von Straßenbauasphalt. Aufgrund seiner Komplexität kann Asphalt nur schlecht im Gesamten auf der Makroskala modelliert werden. Die Grundidee der Arbeit ist daher die Entwicklung eines Modells auf der Mesoskala, innerhalb des Rahmens von Multiskalenmethoden der numerischen Mechanik. Die mechanischen Feldgleichungen werden dabei durch die Methode der finiten Elemente gelöst. Asphalt wird gedanklich in zwei Bestandteile zerlegt: Asphaltmörtel und grobe Gesteinskörnung. Dieser "Teile und Herrsche"-Ansatz führt zu einfacher zu handhabenden Teilmodellen, und hat weiterhin den Vorteil eines Baukastenprinzips. Die Arbeit beginnt mit Hintergrundinformationen zur Geschichte des Asphalts, seiner Bestandteile, mechanischen Eigenschaften, sowie Mischgutgestaltung (section 1). Dem Konzept der Modularität folgend wird in der ersten Veröffentlichung das grundlegende Mehrskalenmodell aufgestellt. Eine erste Methode zur Erzeugung kantiger zufallsbasierter heterogener Partikelsysteme durch Voronoi Tesselierung wird entwickelt (section 2.3). Tetraedernetze für die Finite-Elemente-Methode werden erstellt (sec-tion 2.3.3) und eine dehnungsgesteuerte Homogenisierungsmethode erster Ordnung wird zur Berechnung von Materialparametern der Makroskala verwendet (section 2.5). Zunächst wird linear elastische Materialmodellierung betrieben (section 2.4). Die zweite Veröffentlichung (section 3) spezialisiert beinahe jeden vorhergehenden Aspekt mit Bezug auf den Straßenbau. Die Materialmodellierung wird durch das generalisierte Maxwell-Modell linear viskoelastisch und basiert auf Daten, die durchdynamische Scherrheometrie erhoben wurden (section 3.3). Die Geometriegenerierung bildet nun die Korngrößenverteilungen verschiedener echter Mischungen ab (section 3.4).Das Finite-Elemente-Netz ist an Stellen mit geringen Genauigkeitsanforderungen vergröbert (section 3.5.2). Der Skalenübergang wird im Zeitbereich bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius und einer Frequenz von 1 Hz durchgeführt (section 3.5). Ab hier ist die Validierung mittels Experimentaldaten von realem Mischgut möglich. Die dritte Publikation (section 4) beschäftigt sich mit der Analyse unregelmäßiger Polyeder. Insbesondere wird der Begriff "Siebgröße" analysiert, der bei nicht kugelförmigen Partikeln mehrdeutig ist. Die Methodik basiert auf einer Hauptkomponenten-analyse des Trägheitstensors mittels diskreter Computergeometrie. Diese Grundlage wird zur Formulierung von Schätzern für die Siebgröße verwendet (section 4.3). Verschiedene Formkenngrößen werden vorgestellt und für röntgen-computertomographische (section 4.3.5) und synthetische Daten (section 4.3.6) miteinander verglichen. Mit brauchbaren Datensätzen ausgerüstet wird die Güte der Siebgrößenvorhersage als eine Funktion der Sphärizität untersucht (section 4.5.2 and section 4.5.3). Zusätzliche Analysen, die größtenteils bislang unveröffentlicht sind, werden in section 5 vorgestellt. Bedauernswerterweise wurden nach Veröffentlichung der drei Artikel einige Inkonsistenzen gefunden, die ebenfalls in dem Kapitel diskutiert werden.

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In dem Praxiswerk werden die Grundlagen und Voraussetzungen für die Herstellung von Asphalt erläutert, die verschiedenen Bauweisen dargestellt und die praktische Ausführung eines qualitativ hochwertigen Bauwerks besprochen. Die 3. Neuauflage trägt insbesondere den zwischenzeitlich eingetretenen Aktualisierungen der Regelwerke (ZTV/TL Asphalt, TL Bitumen, TL BE, TL S bit) bzw. der Empfehlungen und Merkblätter Rechnung und adaptiert alle neu eingeführten Standards. Neu in die 3. Auflage aufgenommen wurden die Kapitel: - Gesteinsprüfungen, - Reparaturasphalte, - Fugenmassen, - Asphaltarmierungen, - Asphalt unter extremen Klimabedingungen. Wesentlich ergänzt wurde das Werk außerdem um Themen wie neue Technologien im Bereich der Bitumenlogistik, Griffigkeit, Landwegebau und Hinweise zu InLine Pave und Patching.

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Erhaltung und Instandsetzung von Straßen verursachen jährlich Kosten in Milliardenhöhe, sodass es ein erstrebenswertes Ziel ist, die Entstehungs- und Entwicklungsmechanismen von Straßenschäden besser zu verstehen. Darüber hinaus vermindern longitudinale Unebenheiten von Straßen als eine wichtige Schädigungsart den Fahrkomfort und die Fahrsicherheit. Die Entwicklung dieser Unebenheit ist in besonderem Maße durch die Wechselwirkung mit dynamischen Lasten von Fahrzeugen geprägt: eine zunehmende Unebenheit ruft höhere dynamische Lasten hervor, welche wiederum die Straße in verstärktem Maße schädigen. Das Ziel der Arbeit ist es, dieses Wechselspiel zwischen Straßenunebenheiten und Fahrzeugen im Laufe einer großen Anzahl von Überfahrten zu untersuchen. Das Interesse gilt dabei dem Schwerlastverkehr, dem eine überproportionale Schädigung der Straßen zugeschrieben wird. Um systematisch den Einfluss einzelner Fahrzeug- und Straßenparameter auf die Entwicklung bereits vorhandener Unebenheiten in der Straßenoberfläche zu analysieren, wird ein geeignet abstrahiertes Fahrzeugmodell zur Abbildung der Vertikaldynamik von Lastkraftwagen formuliert sowie ein phänomenologisches Gesetz zur Berechnung der bleibenden Verformung infolge der Lasteinwirkung in Abhängigkeit der Anzahl der Fahrzeugüberfahrten verwendet. Die Veränderung der Spurrinnentiefe und der Unebenheitsamplituden sowie die Verschiebung der Bodenwellen durch die Radaufstandskräfte wird mittels eines inkrementellen Vorgehens auf Basis eines einseitig gekoppelten Ansatzes berechnet: für jede Überfahrt werden die dynamischen Kontaktkräfte und die resultierende bleibende Verformung ermittelt. Auf diese Weise ist es möglich, die Entwicklung der Unebenheitsamplitude einzelner Spektralanteile der Straßenoberfläche zu prognostizieren, ohne aufwändige Zeitintegrationen durchführen zu müssen. Dabei zeigt sich, dass ein in der Anzahl der Belastungen lineares Schädigungsgesetz im Normalfall qualitativ gleichwertige Aussagen wie ein in der Belastungsanzahl nichtlineares Gesetz li

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Wolfgang Breit, Eva-Maria Ladner, Anja Tusch
Praxisnahe Bewertung des Verschleißverhaltens von befahrenen Oberflächenschutzsystemen - Praxistest vs. Normprüfung
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Die Bestimmung der Verschleißbeständigkeit von Oberflächenschutzsystemen (OS-System) erfolgt derzeit mit verschiedenen Prüfverfahren, die aus anderen Bereichen entliehen sind. Sowohl Probenaufbau als auch Beanspruchungen haben wenig Bezug zur eigentlichen Praxisanwendung. Mit dem Parking Abrasion Test (PAT) kann der Verschleiß deutlich realitätsnaher simuliert werden. Durch parallele Anwendung des BCA-Verfahrens (normativ) und des PAT-Verfahrens soll eine Korrelation hergestellt werden. Zusätzlich sollen weitere Einflüsse auf das Bewertungsergebnis, z. B. die Art des PKW-Reifens, erprobt werden.

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Zeitschriftenartikel

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Rosauer, Verena
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