Adhesion

 

Multiskalige Modellierung und Charakterisierung der Adhäsion zwischen Bitumen und Gesteinskörnung

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Das Ziel dieses Projekts ist es, grundlegende Erkenntnisse zu den Adhäsionseigenschaften zwischen Bitumen und Gesteinskörnung in verschiedenen Maßstäben zu gewinnen. Daher werden Walzflaschentests durchgeführt, um die Adhäsionsleistung zwischen spezifiziertem Bitumen und Gesteinskörnung zu bewerten und die wichtigsten Einflussfaktoren zu ermitteln. Der herkömmliche Kontaktwinkeltest soll anhand von Messungen der Kontaktwinkel von Bitumen auf Gesteinskörnungsplatten mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit verbessert werden. So kann der Einfluss der Oberflächenmorphologie der Gesteinskörner auf die Adhäsionskraft an der Grenzfläche zwischen Bitumen und Gesteinskörnern identifiziert werden. Derzeit werden Dünnschichtchromatographie (TLC) und Röntgenanalyse (XRD) durchgeführt, um die vier Bitumenfraktionen bzw. die mineralischen Zusammensetzungen der Aggregate zu analysieren. Auf dieser Grundlage werden die molekularen Modelle der Bitumen-Aggregat-Grenzfläche (mit / ohne Feuchtigkeit) erstellt.

Die simulierten Adhäsionsenergien zwischen Bitumen und den einzelnen Aggregatkomponenten werden mit den Ergebnissen der Kontaktwinkeltests kombiniert, um die Auswirkungen der chemischen Heterogenität der Aggregate auf die Adhäsionsenergie an der Bitumen-Aggregat-Grenzfläche zu ermitteln. Die molekulare Simulationsmethode hilft bei der Klärung der Adhäsions- und Debonding-Mechanismen zwischen Bitumen und Gesteinskörnung unter dem Aspekt der molekularen Wechselwirkung.

In einem weiteren Schritt wird eine festigkeitsbasierte Bewertungsmethode für die Adhäsionseigenschaften zwischen Bitumen und Gesteinskörnung vorgeschlagen, die auf dem dynamischen Scherrheometer (DSR) basiert. Bei diesem neuen Testverfahren werden die parallelen Stahlplatten durch Aggregatplatten ersetzt, um eine Bitumen-Aggregat-Grenzfläche zu schaffen. Das Belastungsmuster ist analog zum Abziehversuch; auf dieser Grundlage werden die Auswirkungen der Materialchemie, der Morphologie der Grenzfläche sowie der Belastungsbedingungen auf die Haftfestigkeit zwischen Bitumen und Aggregat sorgfältig untersucht. Das viskoelastische CZM wird eingesetzt, um das Verhalten der Grenzflächenhaftung zu beschreiben, und seine Parameter können durch die Tests ermittelt werden. Schließlich werden die zuvor ermittelten, auf der Energie der Grenzflächenhaftung und der Haftfestigkeit basierenden Versagenskriterien in die mikromechanischen bzw. FEM-Modelle integriert.

Die erstellten Schadensmodelle ebnen den Weg für die Überbrückung des grundlegenden Verständnisses der Haftungseigenschaften zwischen Bitumen und Gesteinskörnung auf der Mikroskala und der Leistung auf der Makroskala.

  Schaubild zu Adhäsionseigenschaften von Bitumen und Aggregat Urheberrecht: © ISAC Schematische Darstellung des multiskaligen Ansatzes für die Adhäsionseigenschaften zwischen Bitumen und Zuschlagstoffen
 

Auftraggeber

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Bearbeiter

Junior-Prof. Dr.-Ing. Pengfei Liu

Zepeng Fan, M. Sc.

Fei Pan, M. Sc.

Jahr der Fertigstellung

2023