Experimental investigation and modeling of fatigue behavior of asphalt materials

Zhang, Zeyu; Oeser, Markus (Thesis advisor); Jelagin, Denis (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Asphaltbefestigungen sind Millionen von Lastwechseln über ihre Lebensdauer hinweg ausgesetzt. Dabei werden sie nicht infolge einer einzelnen Belastung vollständig zerstört, die Eigenschaften und das Verhalten des Asphalts verschlechtern sich allerdings zunehmend aufgrund einsetzender Ermüdungsschäden. Das umfassende Verständnis und die korrekte Modellierung des Ermüdungsverhaltens von Asphalt verlangen aufgrund des komplexen Charakters des Ermüdungsverhaltens die Aufmerksamkeit von Materialforschen und Ingenieuren. Diese Arbeit wurde durchgeführt, um einen wissenschaftlichen Beitrag zu diesem Forschungsschwerpunkt zu leisten. Im ersten Schritt dieser Arbeit wird die Schadensentwicklung von Asphaltmischgutarten modelliert. Die verbleibende Restfestigkeit des Materials wurde als Indikator ausgewählt, um Ermüdungsschäden des Asphalts im Hinblick auf einen konkreten Versagenszeitpunkt zu analysieren und identifizieren. Gemäß dem theoretischen Hintergrund des Modells können Ermüdungsschäden im Material auf zwei verschiedenen Ebenen entstehen, der Makro- und der Mikroebene, abhängig von der Größenordnung der aufgebrachten Last. Zusätzlich zeigt das angewandte Schadensmodell ein nichtlineares Verhalten bei der Akkumulation von Ermüdungsschäden unter wiederholter Belastung mit variierenden Amplituden. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden im nächsten Schritt eine Reihe von Time-Sweep-Prüfungen an vier verschiedenen Asphaltbindemitteln durchgeführt. Das Schadensbild, die rheologischen Eigenschaften und die dissipierte Energie wurden genutzt, um das Ermüdungsverhalten des Bindemittels zu bewerten. Die Versuchsergebnisse zeigen die zweiskalige Charakteristik des Ermüdungsverhaltens und die verschiedenen Versagensmuster der Asphaltbindemittel. Dabei stellte sich heraus, dass die Rissbildung nicht das einzige Anzeichen von Ermüdungsschäden ist. Der Übergangspunkt zwischen zwei Versagensmustern sowie das Schadensausmaß an dieser Schwelle wurden basierend auf der Restfestigkeit des Asphaltbindemittels und der effektiven Schubspannung analysiert. Darauf aufbauend wurde eine Testmethode basierend auf Time-Sweeps mit variierender Amplitude vorgeschlagen, um die Ermüdungsreaktion des Bindemittels bei Einwirken verschiedener Ermüdungslasten zu untersuchen. Die Versuchsergebnisse bestätigten eine nichtlineare Schadensakkumulation von Ermüdungsschäden. Damit zeigt sich, dass die konventionelle Schadensakkumulation nach Miner zur genauen Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer ungeeignet ist. Ein nichtlineares Schadensakkumulationsmodell, bezeichnet als Oeser & Zhang (orz) Modell, wurde zur Vorhersage der Lebensdauer empfohlen. Zum Abschluss wurde das Energiedissipationsverhalten unter zwei verschiedenen Arten von Ermüdungslasten basierend auf der dissipierten Energie und energiebasierten Indikatoren charakterisiert. Es stellte sich heraus, dass das Ergebnis einiger energiebasierter Versagenskriterien lastabhängig ist.

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