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Mesomechanical modelling of asphalt
Neumann, Johannes Matthias
Aachen (Deutschland)
Selbstverlag
2018, XXIV,135 S., Abb., Tab., Lit.
Sprache: Englisch
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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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