Simulation der Raumausfüllung von Betonmischungen

In den Materialwissenschaften versucht man zunehmend, Eigenschaften von neuen Materialien, neuen Zusammensetzungen und Herstellungsverfahren vorab simulativ am Rechner zu bestimmen ('Designmaterialien'). Bei Partikelmischungen, wie sie z.B. für Beton und andere Baustoffe verwendet werden, ist eine wesentliche Größe, die die Qualität des fertigen Materials bestimmt, die der trockenen Mischung. Ziel ist es, aus gegebenen Ausgangsstoffen auf dem Rechner eine Mischung zu finden, die eine vorgegebene (i.A. sehr hohe) Raumausfüllung liefert. Derartige Mischungen sind Kandidaten für einen sogenannten ultra-hochfesten Beton, mit dem neuartige, sehr feine und hoch tragfähige Baustrukturen verwirklicht werden können. Gleichzeitig können mit einem solchen Instrument gezielt besonders energieintensive Rohstoffe durch günstigere ersetzt werden.

Von dieser schwierigen Aufgabe ist im Rahmen der Dissertation Raschdorf ein wesentlicher Schritt gelungen mit der Entwicklung eines Systems zur Simulation der Raumausfüllung von sehr breiten Korngrößenverteilungen (von unter einem Tausendstel Millimeter bis zu einigen Zentimetern).

S. Raschdorf hat dazu eine hierarchische Vorgehensweise entwickelt, in der hierarchieübergreifende Interaktionen durch eine besondere Art der Stichprobenziehung berücksichtigt werden. Speziell entwickelte Datenstrukturen, die z.T. aus dem Bereich der Computerspiele entlehnt wurden, ermöglichen die Verarbeitung sehr großer Zahlen von Partikeln.

Diese Arbeit wurde von der Dyckerhoff-Stiftung finanziert, die aktuell auch ein Nachfolgeprojekt unterstützt. Die Arbeit von Herrn Raschdorf wurde 2010 mit dem Preis der Freunde und Förderer der TU Clausthal ausgezeichnet.

Weitere Einzelheiten zum Projekt siehe: [pdf]

Literatur

  • M. Kolonko, S. Raschdorf, D. Wäsch: "A hierarchical approach to simulate the packing density of particle mixtures on a computer", Granular Matter, Volume 12 (2010), Number 6, 629-643, DOI: 10.1007/s10035-010-0216-5 [pdf-file]
  • M. Kolonko, S. Raschdorf: "A comparison of data structures for the simulation of polydisperse particle packings", to appear in International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2010, DOI: 10.1002/nme.2988 [pdf-file]

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