Simulation von Schädigungs- und Kriechvorgängen im Asphalt

Asphalt ist ein sehr vielseitig verwendbares Material, dessen bedeutendstes Einsatzgebiet im Straßenbau liegt. Die Belastungen, denen er hier unterliegt, führen zu Versagensarten von sehr unterschiedlichem Charakter: Während bei vergleichsweise hohen Temperaturen die Verkehrslasten in Straßenkörpern von zu geringer Steifigkeit zu bleibenden Verformungen führen, die sich in der Regel in Form von Spurrinnen zeigen, ist vor allem bei niedrigen Temperaturen eine aus zyklischen Belastungen resultierende Rissbildung zu beobachten (Deshpande und Cebon 1999), (Hou 1996). Auf Grund seiner heterogenen Struktur legt Asphalt ein sehr komplexes Verhalten an den Tag, das, obwohl seit Jahrzehnten intensiv erforscht, noch immer nicht vollständig verstanden ist. In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, die Versagensmechanismen Rissbildung und Verformung mit Hilfe von Materialmodellen abzubilden. Angesichts der Komplexität des Materials ist es jedoch nicht verwunderlich, dass bis dato die Modelle jeweils nur Teile des Verhaltens abbilden können (Lee et al. 2000), (Lytton et al. 1993), (Park et al. 1996). In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Materialmodell vorgestellt, das bei größtmöglicher Einfachheit beide Versagensarten abzubilden im Stande ist und dabei Spannungs- und Temperaturabhängigkeiten berücksichtigen kann. Dieses Modell ist für den Einsatz im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode vorgesehen, die in wachsendem Maße in der Forschung zur Berechnung von Asphaltstrukturen eingesetzt wird. Zur makroskopischen Abbildung des Verhaltens inhomogener, quasispröder Materialien bietet sich einerseits die Plastizitätstheorie, andererseits die Kontinuumsschädigungsmechanik (Kachanov 1958), (Krajcinovic und Mastilovic 1995) an. Beide Theorien können unterschiedliche Teilaspekte des Verhaltens inhomogener quasispröder Materialien makroskopisch gut abbilden. Aus diesem Grund sind häufig Modelle entwickelt worden, die diese beiden Theorien koppeln. Dazu erfolgten erste Arbeiten für Beton z.B. von (Bažant und Kim 1979). (Pölling 2000) legt ein kombiniertes Modell vor, das mit wenigen Parametern auskommt. Das im Folgenden vorgestellte Modell beschreibt das nichtviskose Materialverhalten auf der Basis der von Pölling vorgestellten Formulierung. Das viskose Verhalten wird mit einem rheologischen Modell beschrieben. (Oeser 2004) schlägt einen neuen rheologischen Körper vor, mit dem es gelingt, Schädigung und auch das Phänomen der Heilung, also des Wiederverklebens von Mikrorissen unter Druckbelastung bei ausreichend hoher Temperatur abzubilden. Sein Modell wurde bei der Berechnung der Ermüdung von Asphalt eingesetzt (Leutner et al. 2005) und ist eine weitere Grundlage der vorliegenden Arbeit