Numerische Simulation des Verdichtungsprozesses und des Schichtenverbunds mit der multiskalen Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Oeser
• Fachliche Zuordnung: Städtebau/Stadtentwicklung, Raumplanung, Verkehrs- und Infrastrukturplanung, Landschaftsplanung ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239224712

Dauerhafte Asphalte für hochbelastete Verkehrswege erfordern neben einer optimalen Materialzusammensetzung einen präzisen Einbau und eine bestmögliche Verdichtung. Während im ersten Antragszeitraum des Teilprojekts 2 mikromechanische finite Elemente Formulierungen für Asphalte erarbeitet worden, die die Materialzusammensetzung und das Zusammenwirken der einzelnen Materialkomponenten erfassen können, steht die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der Mechanismen des Einbau- und Verdichtungsprozesses noch aus. Der Verbund zwischen den Schichten und Lagen in Asphaltpaketen ist eine weitere Voraussetzung für dauerhafte Verkehrswege aus Asphalt. Im ersten Antragszeitraum wurden hierzu in den Teilprojekten 1 und 4 die erforderlichen theoretischen und experimentellen Grundlagen auf Basis von makroskopischen phänomenologischen Formulierungen geschaffen. Der Wirkmechanismus des Verbunds infolge von Adhäsion, Reibung und Verzahnung zwischen den Komponenten des Materials soll nun mit Hilfe von mikromechanischen Ansätzen erforscht werden.Mit den Ergebnissen der ersten Antragsphase des Verbundprojekts liegen alle Voraussetzungen vor, das derzeit nicht verfügbare Grundlagenwissen über die Mechanismen der Asphaltverdichtung und des Schichtenverbunds auf der Ebene der Materialmikrostruktur erarbeiten zu können. Im Speziellen sind diese Ergebnisse zur Analyse der Mikrostruktur verschiedener Asphalte aus den Teilprojekten 2 und 3. Die hiermit erzeugten Daten bilden die Grundlage für den Aufbau mikromechanischer Modelle. Mit Hilfe dieser Modelle wurden in Teilprojekt 2 Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur von Asphalten und der Ermüdungs- und Verformungsresistenz des Materials gefunden. Die experimentellen Grundlagen hierfür wurden in den Teilprojekten 4 und 3 erarbeitet. Das Mikromodell wurde zur Analyse ganzer Befestigungsaufbauten in das makroskopische kontinuumsmechanische FE-Modell aus Teilprojekt 1 integriert. Verkehrsbeanspruchungen in Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften und der Fahrwerksparameter wurden mit Hilfe der Ansätze aus den Teilprojekten 1, 3 und 5 erstellt.Mit Hilfe der Ergebnisse aus der ersten Antragsphase können Beanspruchungen im Asphalt und in den Verbundfugen infolge von Verkehrslasten präzise berechnet werden. Mikromechanisch begründete Zusammenhänge zwischen den Beanspruchungen und der Ausbildung von Schäden liegen nunmehr vor. Im Teilprojekt 2 sollen im zweiten Antragszeitraum mikro- und meso-mechanische Modelle entwickelt werden, die eine Optimierung der Einbau- und Verdichtungsprozesse erlauben, um die Asphaltmikrostruktur und den Verbund zwischen Asphaltschichten zukünftig gezielt beeinflussen zu können. Weitere Aufgaben, die während der zweiten Antragsphase im Teilprojekt 2 zu bearbeiten sind, bestehen in der Schaffung von experimentellen Grundlagen zur großmaßstäblichen Überprüfung der gekoppelten Modelle und in der Übertragung von unscharfen Materialparametern von der Mikro- auf die Makroebene.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2089: Dauerhafte Straßenbefestigungen für zukünftige Verkehrsbelastungen Gekoppeltes System Straße-Reifen-Fahrzeug