Investigation on the mesomechanical performance of asphalt pavements based on mesostructured numerical simulations

Du, Cong; Oeser, Markus (Thesis advisor); Kaliske, Michael (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Asphaltbeläge zeigen komplexe lineare und nichtlineare mechanische Reaktionen bei Verkehrsbelastungen. Im Vergleich zu konventionellen Experimenten, können mesostrukturierte numerische Simulationen einen tieferen Einblick in die internen Mechanismen des linearen und nichtlinearen Verhaltens von Asphaltmischungen geben. Basierend auf der zweidimensionalen (2-D) Multiskalensimulationen wurde die lineare Viskoelastizität von Asphaltbelägen mithilfe der Finite-Elemente-Methode effektiv vorhergesagt. Darüber hinaus wurden das thermodynamische Schädigungsverhalten von Asphaltbelägen, die Rissentstehung und -ausbreitung durch Anwendung des Kohäsionszonenmodells (CZM) dargestellt. Die durch die heterogenen Mesostrukturen verursachten Rechenzeit- und Konvergenzprobleme sind jedoch nicht zu vernachlässigen. Um die Effizienz der Simulationen zu steigern, wurde ein neuartiges mesostrukturiertes Modell mit der Bezeichnung "Lokal Homogenes Modell" entwickelt und erfolgreich in zwei- (2-D) und dreidimensionalen (3-D) Simulationen angewendet. Die Modelle wurden je nach Lage und Größe der Gesteinskörnung in mehrere lokale Zellen aufgeteilt. In jeder lokalen Zelle wurden die Gesteinskörnung und dessen umgebende Asphaltmatrix auf Grundlage der Mori-Tanaka (MT)-Methode homogenisiert. Basierend auf einem zufallsgenerierenden Algorithmus kann das lokal homogene Modell unter Berücksichtigung verschiedener Asphaltmischungen mit unterschiedlichen Gesteinskörnungen entwickelt werden, z.B. Asphaltbeton (AC) und Splittmastixasphalt (SMA). In den oben genannten Modellentwicklungen wurden die lineare Viskoelastizität und die Elastizität für Asphaltmörtel und Gesteinskörnung spezifiziert, das nichtlineare Verhalten wurde durch Einfügen zahlreicher CZMs dargestellt. Daher führten die CZMs zu diskontinuierlichen Rissentstehung sowie -ausbreitungen und verursachten darüber hinaus einen hohen Rechenaufwand und Konvergenzprobleme. Zur Beseitigung wurde in dieser Arbeit ein Homogenisierungsansatz für die nichtlinearen viskoplastischen und schädigenden Eigenschaften auf Basis der MT-Methode entwickelt. Bei diesem Ansatz werden Verbundwerkstoffe als homogene Strukturen betrachtet und ihr nichtlineares Verhalten durch die Verwendung von internen Zustandsvariablen dargestellt. Zur Bestimmung der linearen Viskoelastizität und der nichtlinearen Viskoplastizität von Asphaltmörtel wurde ein Kriech- und Kriecherholungsversuch durchgeführt. In Kombination mit dem lokal homogenen Modell konnte das nichtlineare Verhalten von Asphaltmischungen, die aus verschiedenen Gesteinskörnungen (AC und SMA) bestehen, effektiv simuliert werden. Kurzum wurden umfassende mesostrukturierte Simulationen zum Verhalten von Asphaltbelägen auf der Mesoskala durchgeführt. Es wurde ein neuartiges lokal homogenes Modell zusammen mit lokalen Homogenisierungsansätzen erarbeitet, um das lineare und nichtlineare Verhalten von Asphaltbelägen mit unterschiedlichen Gesteinskörnungen zu simulieren. Es wurden mehrere Fallstudien vorgestellt, um die Validität der vorgeschlagenen Modelle und Ansätze zu belegen. Zukünftig gilt es, die Wirksamkeit der lokal homogenen Modelle in Asphaltbelag-Simulationen mithilfe von Feld- oder In-situ-Tests zu erforschen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Straßenwesen [313410]