Untersuchung der Potentiale zur Modellierung von Walzasphalt mittels
der Diskrete Elemente Methode
vorgelegt von
Dipl.- Ing.
Dirk-Niklas Müller
ORCID:0000-0001-9968-9239
von der Fakultät V – Verkehrs - und Maschinensysteme
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
– Dr.- Ing. –
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzende: Prof. Dr.-Ing. Cornelia Weltzien
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Henning Jürgen Meyer
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Alfred Ulrich
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 17.12.2020
Berlin 2021
Dirk-Niklas Müller
Untersuchung der Potentiale zur Modellierung von Walzasphalt mittels der Diskre-
te Elemente Methode
Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs - und Maschinensysteme
Fachgebiet Konstruktion von Maschinensystemen
Dezember 2020
Der vorherrschende Wissensstand über die auftretenden Zusammenhänge beim Einbauprozes-
ses und deren mathematische Beschreibung sind wissenschaftlich nicht sehr gut dokumentiert,
was auf mehrere Gründe zurückzuführen ist. Als maßgebliche Gründe lassen sich folgende Ur-
sachen 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 Einbauleistun-
gen). 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 veröffentlich-
ten 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 Dicht-
heit, Beheizbarkeit und Möglichkeit der mehrfachen Aufnahme von Messreihen mit er selben
Probe erfüllt. Die Versuche wurden bei Temperaturen zwischen 80 °C und 160 °C durchge-
führt. Als Modellierungsmethode wurde die Diskrete Elemente Methode verwendet, da mit die-
ser 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.
Stichwörter: Straßenbau, Asphalt-Einbauprozess, Walzasphalt, experimentelle Untersuchung,
Rotationsscherzelle, Simulation, Diskrete Elemente Methode, Eepa-Kontaktmodell, Haftreibungs-
beiwert
II
Dirk-Niklas Müller
Investigation of the potentials for modeling rolled asphalt using the Discrete Ele-
ment Method
Technische Universität Berlin, Faculty V - Mechanical Engineering and Transport Systems
Institute for Machinery Design and System Technology
December 2020
Abstract
The prevailing state of knowledge about the interrelationships occurring during the paving pro-
cess 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 pro-
cess 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 simulati-
on). 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 macros-
copic 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 (pa-
ving 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.
Keywords: Road construction, asphalt paving process, rolled asphalt, experimental investi-
gation, rotational shear cell, simulation, discrete element method, Eepa contact model, static
friction coefficient
III
Vorwort
Ich möchte mich bei Herrn Prof. Henning Meyer bedanken, dass er mir die Möglichkeit gegeben
hat die Dissertation bei Ihm an Fachgebiet anfertigen zu können. Darüber hinaus möchte ich
mich bei Ihm für die sehr gute Arbeitsatmosphäre, den gewährten Freiraum und die Unterstüt-
zung bedanken.
Bei Herrn Prof. Alfred Ulrich möchte ich mich dafür bedanken, dass er in mir die Freude am For-
schen geweckt hat und das er mich für den Straßenbau und den Einbauprozess begeistern konnte.
Ein ganz großer Dank geht an die Kollegen am Fachgebiet (Daniel Wiest, Robert Heuser, Da-
niela Roost, Jan Krüger, Max Sieting, Cornelia Müssig, Conrad Lange, Sebastian Schröder, Ralf
Essig, Thoralf Stein, Tobias Mach, Axel Grimm, Dan-Holm Oestreich, Stefan Pfennig und Jür-
gen Grotzky) mit denen die Arbeit sehr viel Spaß gemacht hat, durch die ich sehr viel gelernt
habe und die mich immer unterstützt haben, egal bei welchem Belang. Darüber hinaus möchte
ich mich bei Felix Hornstein bedanken, der bei der Umsetzung für den Prüfstand maßgeblich
beteiligt war.
Ich möchte auch Herrn Meurer von der Deutag Ost danken, durch sein Engagement hatte ich
in kürzester Zeit die benötigten Schüttgüter und den Bitumen.
Weiterhin möchte ich mich bei meinem Patenonkel Horst Michael, bei Lissa Sum, bei Daniel
Wiest und bei Robert Heuser für die Korrektur und kritische Durchsicht der Arbeit bedanken.
Schließlich danke ich ganz herzlich meinen Eltern für die Liebe, Geduld und Unterstützung.
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