Skalenübergreifende Modellierung und Charakterisierung des Haftverhaltens zwischen Bitumen und Gestein

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Oeser
• Fachliche Zuordnung: Baustoffwissenschaften, Bauchemie, Bauphysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459436571

Dieses Projekt ist auf das Bitumen-Gestein-Grenzflächen-System fokussiert, das die Adhäsionseigenschaften von Asphalten bestimmt und im ursächlichen Zusammenhang mit der Bildung von Mikroschäden und der Feuchtigkeitsanfälligkeit von Asphalten steht. Zwei Forschungsschwerpunkte werden im Projekt verfolgt: Zum einen ist die chemische und morphologische Heterogenität von Gestein und der Einfluss auf die Grenzflächenperformance von Bitumen und Zuschlagstoffen zu untersuchen. Zum anderen sind makroskalige Performancevorhersagen basierend auf mikromechanischen (Stoff) Modellen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Umgebungs- und Belastungsbedingungen zu ermöglichen.Das Forschungsprojekt ist in fünf Arbeitspakete unterteilt: Das erste Arbeitspaket beinhaltet eine umfassende Untersuchung des Rolling-Bottle-Test (derzeit eingesetztes Verfahren) unter Berücksichtigung unterschiedlicher Kombinationen von Bitumen und Zuschlagstoffen. Zusätzlich wird eine im zweiten Arbeitspaket aufzubauende energiebasierte Methode genutzt, um die Adhäsionseigenschaft zwischen Bitumen und Zuschlagstoffen quantitativ zu beschreiben. Die Grenzflächen-Adhäsionsenergie des Bitumen-Gestein-Systems sowie die freie Oberflächenenergie des Bitumens bzw. des Gesteins werden mit Hilfe der Kontaktwinkelmessung ermittelt. Das dritte Arbeitspaket führt in die molekulardynamische Simulation dieses Projektes ein, um das Grenzflächenverhalten von Bitumen und Gestein auf atomarer Ebene zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden chemische Tests einschließlich Dünnschichtchromatographie und Röntgenbeugung durchgeführt, um die chemischen und mineralischen Zusammensetzungen für Bitumen bzw. Gestein zu bestimmen. Im vierten Arbeitspaket werden die Stahlprüfstempel des dynamischen Scher-Rheometers durch Stempel mit realen Gesteinsplatten ersetzt, so dass die mechanischen Eigenschaften des Bitumen-Gestein-Systems experimentell und direkt erfasst werden können. Dies ermöglicht eine mikromechanische Schädigungsmodellierung von Asphalten hinsichtlich des Adhäsionsverhaltens innerhalb der Bitumen-Gestein-Grenzfläche. Schließlich wird im fünften Arbeitsschritt eine Finite-Elemente-Simulation unter Einbeziehung des im vierten Arbeitspaket entwickelten mikromechanischen Schädigungsmodells durchgeführt, um die mikromechanischen Eigenschaften auf die makromechanischen Performancecharakteristiken von Asphalt abzubilden und das Materialverhalten von Asphalt (bezüglich der Adhäsion) vorherzusagen.In Kombination ergeben die fünf Arbeitspakete ein grundlegendes Rahmenwerk (bestehend aus Experimenten und Simulation auf verschiedenen Skalen), welches die wichtigsten Elemente des Bitumen-Gestein-Systems in Beziehung setzt. Die erwarteten Ergebnisse dieses Projekts werden zum grundlegenden Verständnis der Adhäsionsmechanismen zwischen Bitumen und Gestein im mikroskopischen Bereich beitragen und signifikant verbesserte Aussagen zur Asphaltperformance auf der Makroebene erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Pengfei Liu, Ph.D.