Titelaufnahme

Titel
Characterization of viscoelastic properties of bitumen by means of nanoindentation as basis for multiscale modeling of asphalt / Andreas Jäger
VerfasserJäger, Andreas
Begutachter / BegutachterinLackner, Roman ; Zysset, Philippe
Erschienen2008
Umfang83 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Nanoindentation / Kriechen / Viskoelastizität / Parameteridentifikation / Bitumen / Asphalt / Mehrskalenmodellierung
Schlagwörter (EN)nanoindentation / creep / viscoelasticity / parameter identification / bitumen / asphalt / multiscale modeling
Schlagwörter (GND)Asphalt / Mehrskalenmodell / Bitumen / Viskoelastizität
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-27716 Persistent Identifier (URN)
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Characterization of viscoelastic properties of bitumen by means of nanoindentation as basis for multiscale modeling of asphalt [1.62 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Im Rahmen des Christian Doppler Laboratoriums für "Gebrauchsverhaltensorientierte Optimierung flexibler Straßenbefestigungen", das 2002 an der Technischen Universität Wien gegründet wurde, wird ein Mehrskalenmodell für Asphalt entwickelt. Das Ziel dieses Mehrskalenmodells ist die Verknüpfung des makroskopischen Verhaltens von Asphalt mit der Materialzusammensetzung und den Materialeigenschaften der einzelnen Bestandteile auf niedrigeren Betrachtungsebenen. Diese Dissertation, die vier Publikationen enthält, beschäftigt sich mit der Identifikation von Materialeigenschaften auf der niedrigsten Ebene der Betrachtung des zuvor erwähnten Mehrskalenmodells, der Bitumen-Ebene. Zu diesem Zweck wird die Nanoindentation eingesetzt. Während sich die Publikationen A, B, und C mit der Entwicklung von neuen Methoden zur Bestimmung von viskoelastischen Materialparametern auf Basis von NI-Versuchsdaten beschäftigen, wird in Publikation D das thermo-rheologische Verhalten von Bitumen und seinen Phasen untersucht.

Die Form der Indenterspitze hat einen offensichtlichen Einfluss auf die zu bestimmenden Modellparameter. In Publikation A ("Identifizierung von viskoelastischen Eigenschaften mittels Nanoindentation unter Berücksichtigung der realen Spitzengeometrie") wird dieser Einfluss untersucht. Dabei werden bestehende Modelle zur Bestimmung von viskoelastischen Modellparametern auf durch die Standardkalibrierung des Nanoindenters bekannte allgemeine Spitzenformen erweitert. Im allgemeinsten Fall zeigt das indentierte Material sowohl viskoelastische wie auch plastische Deformationen. In Publikation B ("Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften auf kleinen Lägenmaßstäben mittels Nanoindentation unter Berücksichtigung von viskoelastisch-plastischem Materialverhalten") wird der Effekt von plastischen Deformationen auf die identifizierten viskoelastischen Modellparameter untersucht. Für niedrig viskose Materialien können zur Parameteridentifikation statt der üblichen Kriechversuche auch zyklische Nanoindentationsversuche eingesetzt werden. In Publikation C ("Identifikation von viskoelastischen Modellparametern mittels zyklischer Nanoindentation") wird eine Methode zur Bestimmung von viskoelastischen Modellparametern aus Versuchsdaten von zyklischen Nanoindentationsversuchen vorgestellt.

Die Identifizierung der viskoelastischen Eigenschaften von Bitumen und seinen Materialphasen wird schließlich in Publikation D ("Charakterisierung von Bitumen auf der Mikroebene - Rückrechnung von viskoelastischen Eigenschaften mittels Nanoindentation") vorgestellt. Es wurde eine Parameterstudie bezüglich des Einflusses der Belastungsrate, der Maximallast und der Temperatur durchgeführt. Während die Belastungsrate nur einen geringfügigen Einfluss auf die Parameter hat, hat eine Erhöhung der Maximallast eine signifikante Variation der identifizierten Modellparameter zur Folge. Dieser Effekt wird durch die Mikrostruktur von Bitumen, die eine ähnliche charakteristische Länge wie die Nanoindentationsversuche hat, erklärt. Diese Mikrostruktur wird durch die Anwendung der so genannten Raster-Indentationstechnik visualisiert und zeigt eine hochviskose strangartige Struktur, die in eine niedrigviskose Matrix eingebettet ist. Die für Bitumen und seine Phasen erhaltenen viskoelastischen Parameter dienen als Eingangsgrößen im Rahmen des zuvor erwähnten Mehrskalenmodells, das einerseits die Mikrostruktur mit den mechanischen Eigenschaften von Bitumen verknüpft, und andererseits den Einfluss von Bitumen auf das makroskopische Verhalten von Asphalt vorhersagt.

Zusammenfassung (Englisch)

Within the Christian Doppler Laboratory for "Performance Based Optimization of Flexible Pavements", which was installed in 2002 at Vienna University of Technology, a multiscale model for asphalt is developed. The aim of this multiscale model is to relate the macroscopic behavior of asphalt to the material composition and the properties of the constituents at finer scales of observation. This thesis, comprising four publications, deals with the identification of material properties at the finest observation scale introduced within the mentioned multiscale model, i.e., the bitumen-scale. For this purpose, the nanoindentation (NI) technique is employed. Whereas Publications A, B, and C focus on the development of novel methods for the identification of viscoelastic parameters from NI-test data, Publication D is concerned with the characterization of the different material phases of bitumen and their thermorheological behavior.

Obviously, the shape of the indenter tip has an impact on the identified model parameters. In Publication A ("Identification of viscoelastic properties by means of nanoindentation taking the real tip geometry into account") this impact was investigated by extending schemes for identification of viscoelastic model parameters towards general tip geometries, accessible through the calibration of the NI-testing equipment. However, in the most general case, the penetrated material exhibits both viscoelastic and plastic deformation. In Publication B ("Finer-scale extraction of viscoelastic properties from nanoindentation characterized by viscoelastic-plastic response") the effect of plastic deformation on the identification of viscoelastic model parameters is investigated. In case of materials exhibiting large viscous deformation, cyclic nanoindentation may be employed for parameter identification instead of nanoindentation (static) creep tests. In Publication C ("Identification of viscoelastic model parameters by means of cyclic nanoindentation testing") cyclic nanoindentation for identification of viscoelastic material parameters is presented. Finally, the identification of viscoelastic properties of bitumen and its material phases is presented in Publication D ("Microscale characterization of bitumen - back-analysis of viscoelastic properties by means of nanoindentation"). A parameter study focusing on the influence of loading rate, maximum load, and temperature on the identified model parameters is presented. Whereas the loading rate was found to show marginal influence on the parameters, the increase in the maximum load results in a significant variation in the identified model parameters.

This effect is explained by the bitumen microstructure present at the scale of NI testing. This microstructure is visualized by the so-called grid indentation technique, showing a high-viscous string-like structure embedded into a low-viscous matrix.

The obtained viscoelastic parameters for bitumen and its phases shall serve as input for upscaling within the aforementioned multiscale model for asphalt, finally enabling the link between the bitumen microstructure and its mechanical properties, on the one hand, and the macroscopic behavior of asphalt, on the other hand.