Mesomechanical modelling of asphalt

Neumann, Johannes Matthias; Simon, Jaan-Willem; Steeb, Holger; Reese, Stefanie

doi:HT020057054

Mesomechanical modelling of asphalt = Mesomechanische Modellierung von Asphalt

Neumann, Johannes Matthias^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Johannes Neumann, né Wimmer

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xxiv, 135 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Simon, Jaan-Willem (Thesis advisor)^RWTH* ; Reese, Stefanie (Thesis advisor)^RWTH* ; Steeb, Holger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-04184
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/760437/files/760437.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Angewandte Mechanik (311510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Voronoi tessellation (frei) ; asphalt (frei) ; composite mechanics (frei) ; computational homogenisation (frei) ; digital sieving (frei) ; particle size distribution (frei) ; representative volume element (frei) ; shape characteristics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
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 Bitumenverklebte Gesteinskörnung. Gemischt erhält Asphalt alle Eigenschaften eines echten Kompositwerkstoﬀes: Versteifung und Verstärkung, Lokalisierung, Skalenabhängigkeit, u.v.m. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung von Straßenbauasphalt. Aufgrund seiner Komplexität kann Asphalt nur schlecht im Gesamten auf der Makroskala modelliert werden. Die Grundidee dieser 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”-Ansatzführt zu einfacher zu handhabenden Teilmodellen, und hat weiterhin den Vorteil eines Baukastenprinzips. Diese 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°C 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 Grundlagewird 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. Mitbrauchbaren 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 Artikeleinige Inkonsistenzen gefunden, die ebenfalls in diesem Kapitel diskutiert werden.

Asphalt is one of the oldest construction materials known to mankind. Unfortunately, it is also one the most complex materials. Asphalt exhibits elastic, viscous and plastic properties. Furthermore, it damages and shows signiﬁcant ageing over the course of a few decades. These properties are inherited mostly from the bituminous binder. However, asphalt is actually a random heterogeneous material consisting of mineral aggregate glued together with bitumen. Mixed together, asphalt acquires all the properties of a true composite material: stiﬀening and strengthening, localisation, scale dependency, and many more. The present work deals with the modelling of asphalt used in road construction. Due to its complexity, asphalt is diﬃcult to model as a bulk material on the macroscale. The rationale is to develop a mesoscale model of asphalt within a computational mechanics multiscale framework. The mechanical ﬁeld equations are solved using the ﬁnite element method. Here, asphalt is separated into two components, namely asphalt mortar and coarse aggregate. This divide and conquer approach leads to simpler submodels, and has the additional beneﬁt of modularity. This cumulative thesis starts oﬀ with background information about the history of asphalt, its constituents, mechanical properties and design (section 1).Following the idea of modularity, the ﬁrst publication (section 2) establishes the multi scale framework in general. A ﬁrst method to generate geometries of random heterogeneous angular particle systems based on Voronoi tessellation is developed (section 2.3). Tetrahedral ﬁnite element meshes are generated (section 2.3.3) and a strain driven ﬁrst order homogenisation method is employed to compute macroscale material parameters (section 2.5). So far, material modelling resorts to linear elasticity (section 2.4).The second publication (section 3) is specialising almost every aspect of the previous publication w.r.t. road engineering. Material modelling is based on linear viscoelastic data obtained by dynamic shear rheometry. The generalised Maxwell model is used (section 3.3). Geometry generation is extended to represent particle size distributions of several real mixtures (section 3.4). The meshing procedure does now use coarse-graining for volumes where high accuracy is not needed (section 3.5.2). Upscaling from meso- to macroscale is performed in time domain at a temperature of 20°C and a frequency of 1 Hz (section 3.5). At this stage, validation against experimental mixdata becomes possible. The realm of computational mechanics is somewhat left in the third publication (section 4), which concentrates on the analysis of irregular polyhedra instead. Particular, the ambiguous notion of “size” for non-spherical particles is assessed. Theme thodology is based on principal component analysis of the inertia tensor using discrete computational geometry. This is used as a basis to propose estimators for sieve size (section 4.3). Several shape descriptors are introduced and compared between data from X-Ray CT scanning (section 4.3.5) and synthetic data (section 4.3.6). With suitable datasets at hand, the quality of sieve size estimation as a function of sphericity is investigated (section 4.5.2 and section 4.5.3). Additional investigations, which are mostly unpublished yet, are presented in section 5. Unfortunately, some shortcomings have been revealed after publication of the three articles, which are also adressed in this chapter.

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