Investigation of the potentials for modeling rolled asphalt using the Discrete Element Method

Der vorherrschende Wissensstand über die auftretenden Zusammenhänge beim Einbauprozesses und deren mathematische Beschreibung sind wissenschaftlich nicht sehr gut dokumentiert, was auf mehrere Gründe zurückzuführen ist. Als maßgebliche Gründe lassen sich folgende Ursachen identifizieren: Erstens ist die Tatsache zu nennen, dass der Großteil der Entwicklung bei Straßenfertigern auf Basis von Erfahrungen und gefühlten Empfindungen im betrieblichen Einsatz basiert und eine grundsätzliche wissenschaftliche Betrachtung des Einbauprozesses in der Vergangenheit als nicht notwendig erachtet worden ist bzw. nicht notwendig war (z. B. wegen genügend gut ausgebildetem Personal und/oder moderater Vorgaben der Einbauleistungen). Zum zweiten lässt sich das Einbaugut beim Einbau schwer mathematisch beschreiben. Die Gründe sind die starke Temperaturabhängigkeit und Inhomogenität des Einbaumaterials. Das Verhalten des Einbaugutes ist aber von fundamentaler Bedeutung, da sich beim Einbau ein komplexes Gleichgewicht zwischen der Einbaubohle und dem Material bildet. Den veröffentlichten Forschungsergebnissen, die sich mit dem Einbauprozess beschäftigen, ist gemein, dass die erlangten Erkenntnisgewinne nur durch sehr aufwendige Versuche entstanden sind. In der vorliegenden Dissertation wird gezeigt, dass es mit experimentellen Untersuchungen (Prüfstandsaufbau und Simulation) möglich ist einen ausgewählten Asphalt-Werkstoff-Parameter zu quantifizieren und zu modellieren. Der Haftreibungsbeiwert innerhalb des Materials wurde als zu untersuchender Werkstoffparameter ausgesucht, da mit diesem Werkstoffparameter Teile des makroskopischen Verhaltens von Asphalt beschrieben werden können. Für den Einbau ist das makromechanische Verhalten des Asphalts entscheidend, da hier der Asphalt transportiert (Kratzkettenföderband und Schnecke) und verdichtet (Einbaubohle) wird. Der Ringscherzellen-Versuch wurde für die Untersuchungen ausgewählt, da der Versuchsaufbau die Kriterien Dichtheit, Beheizbarkeit und Möglichkeit der mehrfachen Aufnahme von Messreihen mit er selben Probe erfüllt. Die Versuche wurden bei Temperaturen zwischen 80 °C und 160 °C durchgeführt. Als Modellierungsmethode wurde die Diskrete Elemente Methode verwendet, da mit dieser Methode Inhomogenitäten und kohäsive Stoffeigenschaften abgebildet werden können. Bei der simulativen Untersuchung wurden die Simulationswiederholung, die Korngrößenverteilung, der Vertikalabstand, der Zeitschritt, die Modellierung des Kontaktmodells und der Einfluss der verschiedenen Parameter untersucht. Mit dieser Methode war es möglich den Ringscherzellen-Versuch in eine simulative Umgebung zu überführen und die charakteristischen Eigenschaften nachzubilden.The prevailing state of knowledge about the interrelationships occurring during the paving process and their mathematical description are not very well documented scientifically, which is due to several reasons. The following reasons can be identified as the main reasons: Firstly, the fact that the majority of developments in road pavers are based on experience and perceived sensations in operational use and that a fundamental scientific consideration of the paving process has not been considered necessary or was not necessary in the past (e.g. due to sufficiently well-trained personnel and/or moderate specifications of paving performance). Secondly, it is difficult to describe the material to be installed mathematically. The reasons are the strong temperature dependence and inhomogeneity of the installation material. However, the behavior of the material to be paved is of fundamental importance, as a complex equilibrium is formed between the screed and the material during paving. The published research results dealing with the paving process have in common that the knowledge gained has only been gained through very complex experiments. In the present dissertation it is shown that it is possible to quantify and model a selected asphalt-material parameter with experimental investigations (test bench design and simulation). The coefficient of static friction within the material was chosen as the material parameter to be investigated, since this material parameter can be used to describe parts of the macroscopic behavior of asphalt. For paving, the macromechanical behavior of asphalt is crucial, since this is where the asphalt is transported (scraper chain conveyor and auger) and compacted (paving screed). The ring shear cell test was selected for the investigations because the test setup fulfils the criteria of tightness, heatability and the possibility of multiple recording of test series with the same sample. The tests were performed at temperatures between 80 °C and 160 °C. The Discrete Element Method was used as the modelling method, since this method can be used to model inhomogeneities and cohesive material properties. In the simulative investigation, the simulation repetition, the particle size distribution, the vertical distance, the time step, the modelling of the contact model and the influence of the different parameters were investigated. With this method it was possible to transfer the ring shear cell experiment into a simulative environment and to reproduce the characteristic properties