Spannungszustände im Abschnitt B des Schneckenraumes

Abb. 29: Darstellung hypothetischer Fließ- und Verfestigungsorte eines Mischgut-elementes auf dessen Weg vom Materialschacht zur Bohlenvorderwand (ZonenA– F) sowie der Spannungspfade bei zunehmender (schwarz strichpunktierte Linie) und abnehmender Spannung (rot strichpunktierte Linie)

Zone A (170° ≤ ϑ ≤ 215°)

Wird der Materialschacht vom Asphalthaufwerk fortbewegt (v_e > 0), entzieht er sich des-sen Belastung. Zusätzlich wird das von der Schnecke geförderte Material in Richtung Boh-le zurückgedrängt und abgeführt. Die Abbn. 26, 27 verdeutlichen, daß auf das in die Zone A geförderte Material im II. und abnehmend bis in das erste Drittel des III. Quadranten hinein (ϑ = 215°) die Schubkraft Fh,40 entgegen der Einbaurichtung wirkt, während die Normalkraft F_v,40 Verdichtung anzeigt, was in diesem Bereich das Zurückdrängen des Ma-terials in Richtung Schnecke bedeutet. Das mit dem Einbaufortschritt verbundene konti-nuierliche Ausweichen des Materialschachtes führt zu einer zusätzlichen Reduzierung der ersten Hauptspannung. Der Vektor der Dehnungsgeschwindigkeit ε^→ steht im Punkt a senk-recht auf dem Fließort der Mischgutdichte ρb,S und zeigt aufgrund seiner negativen Kom-ponente Volumenzunahme an (Abb. 29): die Raumdichte des Asphaltmischgutes und damit auch die zum Scheren notwendige Schubspannung τ nehmen ab. Der geringeren Raum-dichte ρb,A entspricht eine tiefer liegende Grenzspannungsfunktion.

Ein gewisser Materialanteil gelangt wieder in den Förderstrom der Schnecke, wie dies der Verlauf der Resultierenden Fres,40 in Abb. 27 verdeutlicht. Die sich drehende Schnecke kann diesen Materialanteil mitreißen und damit die Ausbildung eines zusätzlichen aktiven Spannungszustandes begünstigen, Abb. 30.

Abb. 30: Bei mittleren Drehzah-len und Füllungsgraden der Schnecke in Drehrichtung mitge-rissene Mischgutpartikel [111]

Höhere Schneckendrehzahlen sind diesem Prozeß aufgrund ausgeprägterer negativer Nor-malkräfte sicherlich förderlich (s. Abb. 20). Ein im praktischen Einbau fallweise beob-achtbares intensives Heben des Mischgutes am Materialschacht kann bei den gewählten Parametern nicht erwartet werden und bleibt höheren Schneckendrehzahlen und niedrigere Gleitreibungsbeiwerte begünstigenden Bedingungen vorbehalten. Die Spannungen im Mischgut werden gemindert, und in der Folge stellen sich in diesem Bereich aktive Span-nungszustände mit abnehmenden Reibkräften im Asphalthaufwerk ein. Es darf davon aus-gegangen werden, daß ρb,A < ρb,S gilt. Bei kohäsivem, viskosem Material, wie das bei Asphaltmischgut der Fall ist, kann zusätzlich mit temperaturbedingt mehr oder weniger ausgeprägten Zugspannungen gerechnet werden. Nicht gehobenes Material kann am Mate-rialschacht nach unten in Richtung Unterlage abgleiten.

Mit zunehmendem Drehwinkel ϑ verliert die vertikale Komponente Fv,₄₀ deutlich an Wir-kung (4,2 E → 0,4 E), auch der horizontale Krafteinfluß entgegen der Vorschubrichtung läßt im III. Quadranten kontinuierlich nach (1,9 E → 0,0 E), um ab ϑ = 216° in Einbaurich-tung zu wirken. Der aktive Spannungszustand baut sich infolgedessen mehr und mehr ab und geht vielleicht im Bereich der Schubumkehr in einen hydrostatischen Zustand über (σA,B): der MOHRsche Kreis entartet zum Punkt (Abb. 29).

Die sich hypothetisch im Schneckenkanal einer sich im Uhrzeigersinn drehenden Förder-schnecke einstellenden Spannungszustände sind anhand von – sich unter dem Einfluß der Vorwärtsbewegung krümmenden – Strömungslinien in Abb. 25 dargestellt. Zur Verdeutli-chung der wirksam werdenden Kräfte wurde der Verlauf der horizontalen und vertikalen Komponenten der Resultierenden aus Abb. 27 in die Skizze übertragen.

Zone B (215° < ϑ ≤ 248°)

Das Asphaltmischgut der Dichte ρb,S wird von der Schnecke in den Bereich des Material-mantels der Zone B gefördert, zusätzlich kann Material aus Zone A nachrutschen und in der Nähe des Materialschachtes direkt bis auf die Unterlage gelangen.

Am Ende des ersten Drittels des III. Quadranten sind geringe Normal- und Schubkräfte wirksam (0,5 E bzw. – 0,4 E), die auch durch den in diesem Abschnitt des Förderkanals noch wirksamen aktiven Spannungszustand keine nennenswerte Dichtezunahme erwarten lassen.

Die horizontale Komponente Fh,40 nimmt von 0,0 bis |– 1,9| E zu und wirkt in Richtung Materialschacht. Gleichzeitig steigt die Normalspannung durch den Zuwachs von F_v,40 von 0,4 auf 2,2 E an, wodurch das abgelegte Asphaltmischgut zunehmend verdichtet wird und sich unterhalb der Bahnkurve eine Verdichtungssohle ausbilden kann.

Das in die Zone B geförderte Material wird zunehmend in Richtung Sohle bewegt und unterliegt dabei steigenden Vertikal- und Horizontalkräften: beides führt zur weiteren Ver-dichtung. Unter der Normalspannung σB wird das mit der Dichte ρb,S von der Schnecke zugeführte Asphaltmischgut geschert, die MOHRschen Kreise wachsen kontinuierlich. Der das höchste Niveau erreichende Kreis liegt aber weder unter dem Fließort mit der Raum-dichte ρb,S noch tangiert er ihn. Unter σB wird mit der Vorwärtsbewegung des Systems die Schubspannung τB weiter ansteigen, bis im Punkt b der Endpunkt eines Fließortes der Dichte ρb,B > ρb,S erreicht ist: dann setzt wieder stationäres Fließen ein. Aus Abb. 29 ist ersichtlich, daß der auf dem Verfestigungsort der Mischgutdichte ρb,S senkrecht stehende Vektor ε^→ eine positive Komponente hat und somit Volumenabnahme anzeigt: das Asphalt-mischgut kontraktiert.

Zone C (248° < ϑ ≤ 278°)

Das in die Zone C geförderte Asphaltmischgut unterliegt in Richtung der 270°-Position zunehmenden Normalspannungen, die dort bereits rd. 87 % ihres Maximums erreichen.

Die aus der Drehbewegung der Schnecke resultierenden Schubkräfte liegen im Vergleich zur Bohlenseite auf einem deutlich geringeren Niveau und gehen nach Erreichen des fertigerseitigen absoluten Maximums |– 1,9| E bei ϑ = 248° wieder gegen Null.

Für das nun als unterverfestigt zu bewertende Material der Zone B gelten die gleichen Ge-setzmäßigkeiten für die weitere Erhöhung des Spannungszustandes: Spannungskreis C liegt weder unter dem erreichten Fließort noch tangiert er ihn (Abb. 29). Die Dichte des Asphaltmischgutes wird weiter ansteigen, bis in Punkt c wieder ein Endpunkt auf einem höher liegenden Fließort ρb,C > ρb,B erreicht ist und sich somit das Mischgut weiter verfe-stigt. In Abb. 25 wird die Darstellung des Vorganges durch enger liegende Kraftlinien ge-kennzeichnet.

Zu Beginn der Förderung sind daher große Kornumlagerungen in Form von Gleit- und Druckbewegungen zu erwarten, die mit zunehmendem Verdichtungsfortschritt einge-schränkt werden. Die Kornbewegungen erfolgen gegen den Reibungswiderstand, der sich mit steigender Dichte vergrößert. Die Volumenverminderung resultiert aus dem aufge-brachten hydrostatischen Druck, während die Scherspannung die Verzerrung verursacht.

Bei richtig eingestellter Schneckenhöhe wird die weiterverdichtete Sohle von der rotieren-den Schnecke nicht erfaßt.

Zone D (278° < ϑ ≤ 287°)

Mit dem Einbaufortschritt gelangt das betrachtete Volumenelement nach Passieren der 270°-Position der rotierenden Schnecke in die Kammer KB (Abb. 25) und unterliegt nun dem zunehmenden Einfluß der gegen die Vorwärtsbewegung gerichteten Horizontalkraft.

Die rotierende Schnecke baut quasi eine Materialwand auf, die zur Bohle hin bewegt wird und somit auf Grund der Stauchung die Belastung im Inneren des Haufwerkes steigert. An der 287°-Position erreicht die vertikale Kraftkomponente mit 4,7 E das Maximum. Gleich-zeitig nimmt innerhalb eines Drehwinkels ϑ von nur 9° die Horizontalkraft von 0,0 auf 1,2 E zu. Das Mischgut der Dichte ρb,C wird nun dem durch den Spannungskreis D darge-stellten Zustand unterworfen (Abb. 29), die Normalitätsbedingung liefert einen Dehnungs-vektor ε^→ mit positiver Komponente: das Asphaltmischgut wird nach Erreichen des Fließ-ortes ρb,D > ρb,C weiterverdichtet.

Zone E (287° < ϑ ≤ 331°)

Bei dem sich nun deutlich abschwächenden Einfluß der Vertikalkraft Fv,40 von 4,7 auf 0,0 E kommt es durch das außerordentlich starke Anwachsen der Horizontalkraft F_h,40 (1,2 E → 6,0 E) zur Ausbildung eines Staukörpers mit weiter wachsenden Fließ- und Ver-festigungsorten. Gleichzeitig ändert sich die Verdichtungsrichtung von schräg zur Unter-kante der Bohle bis horizontal zur selben, zunehmend kommt im letzten Drittel der Zone E die Scherwirkung des Einbauwerkzeuges zur Geltung. Bis in diesen Abschnitt des Förder-querschnittes hat die Raumdichte des Mischgutelementes kontinuierlich bis auf das Niveau ρb,E (blau markiert) zugenommen, wie das am Verlauf des in Abb. 29 eingezeichneten Spannungspfades (schwarz strichpunktierte Linie) deutlich wird.

Wie im Abschn. 4.5.1 zu den Bruchvorgängen bereits dargestellt, steigt die waagerechte Hauptspannung bei abnehmenden lotrechten Spannungen unter dem Druck der Bohle so weit an, bis der wachsende MOHRsche Kreis den Fließort tangiert und sich das Abscheren von Haufwerkspartikeln in der Ebene der größten Scherspannung einstellt. Die Annahme scheint berechtigt, daß die damit verbundene Gestalt- und Volumenänderung sowie Hub und Beschleunigung der Haufwerkspartikel in den unterschiedlichen Wirkzonen 1 … 5 der Abb. 28 periodisch sowie gleichzeitig, sich gegenseitig überschneidend, ablaufen.

Erläuternd zu Abb. 23 wurde im Abschn. 4.4.2 bereits angemerkt, daß sich in Wirkrichtung der Schneidkraft unmittelbar vor der Schneide eine primäre Scherzone unter dem Scher-winkel Φ ausbildet (s. Abb. 28), von der sich das verdrängte Material abhebt. Aus Labor-versuchen ist bekannt, daß sich bei unter Dichtezunahme gescherten unterverfestigten Pro-ben eine schmale Scherzone größerer Dichte mit einem daraus resultierenden höheren Scherwiderstand ausbildet. Das Prinzip des geringsten Widerstandes angewandt, wird der Schervorgang nun außerhalb der sich anfangs bildenden Scherzone fortgesetzt, die sich so lange ausdehnen wird, wie es Gebiete geringerer Dichte mit geringerem Scherwiderstand gibt. In einer Kombination zwischen Scheren und Verdrängen wird das Gut in der Scher-ebene kontraktierend nach unten und dilatierend nach oben verdrängt: die in Abb. 25 dar-gestellten Strömungslinien sollen dies verdeutlichen.

Zone F (Kontraktion unterhalb Φ)

Der in Zone E weiterverdichtete und sich nun unter der Scherebene Φ befindende Anteil des Asphalthaufwerkes wird bei der Vorwärtsbewegung des Fertigers unter fortschreiten-der Verdichtung eingebaut. Dabei werden mit fortschreiten-der Materialverdrängung in fortschreiten-der Verfor-mungsvorlaufzone (s. Abb. 28) Spannungen wirksam, die zu plastischen und elastischen Verformungen führen. Unter dem Anstieg der Druckspannungen wird das Asphaltmischgut in der sekundären Scherzone an der Stau- und Trennzone weiter volumenabnehmend vformt und gelangt mit dem Einbaufortschritt schließlich unter die Bohle. Das Material er-reicht an der sekundären Scherzone vor dem Glättblech und an dessen vorderem Teil seine maximale Raumdichte ρb,F im Schneckenkanal (Abb. 29). Der weiter ansteigende Span-nungspfad (schwarz strichpunktierte Linie) zeigt die Fortsetzung der Verdichtung unter dem Glättblech der Bohle an.

Zone G (Dilatation oberhalb Φ)

Ein Teil des aus der Zone E stammenden Asphaltmischgutes befindet sich nun über der Scherebene Φ. Die primäre Scherzone (s. Abb. 28) wird sich so lange ausdehnen, wie es Gebiete geringerer Dichte mit geringerem Scherwiderstand gibt. Der Spannungskreis G (rot) tangiert den Fließort der Dichte ρb,E im Punkt g. Entsprechend dem Prinzip der Nor-malität steht der Vektor der Dehnungsgeschwindigkeit ε^→ senkrecht auf dem Fließort und zeigt aufgrund seiner negativen Komponente Volumenzunahme an (Abb. 29): die Raum-dichte und damit auch die zum Scheren notwendige Schubspannung τ nehmen ab. Der geringeren Dichte ρb,G entspricht ein qualitativ tiefer liegender Fließort, dessen Betrag im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht ermittelt werden kann. Der rot strichpunktierte Pfad deutet die Abnahme der Spannungen im betrachteten Mischgutelement mit einer Änderung der Raumdichten von ρb,E über ρb,G auf das Niveau ρb,H (rot) im aktiven Spannungszustand an.

Wenn bei entsprechender Materialvorlage der Hubwiderstand kleiner ist als der Verdrän-gungswiderstand, kann das von der Einbaubohle verdrängte Asphaltmischgut nach oben ausgeschoben werden und stetig abfließen.

Zone H (331° < ϑ ≤ 10°)

Auf das Mischgut niedrigerer Dichte ρb,G wirken nun unter deutlichem Abfall der Hori-zontalkräfte F_h,40 von 6,0 auf 2,4 E verstärkt Hubkräfte (F_v,40: 0,0 E → − 6,8 E) der sich gleichmäßig drehenden Schnecke (Abbn. 26, 27), was zur Ausbildung eines aktiven Span-nungszustandes unmittelbar vor der Bohle führt und dem Hochgleiten des Asphaltmisch-gutes an deren Vorderwand förderlich ist. Die sich aufgrund des Zustrebens der entgegen-gesetzt gerichteten Horizontalkräfte der Schnecke und der Bohle einstellende waagerechte Spannung wird über dem Niveau der Zone A liegen, was in Abb. 29 Berücksichtigung fin-det. In Richtung Haufwerksoberfläche am Ende der Zone H nimmt der Einfluß der Hori-zontalspannung mehr und mehr ab und der aktive Spannungszustand wird sich deutlicher

ausprägen: die auseinanderstrebenden Strömungslinien sollen dies in Abb. 25 verdeutli-chen.

4.5.3 Parametereinflüsse auf das Bewegungsverhalten des Asphaltmischgutes im