Numerische Bestimmung der akustischen Eigenschaften offenporiger Fahrbahnbeläge auf Basis ihrer rekonstruierten Geometrie

Abstract

Die Anforderungen an moderne Ingenieurbauwerke sind vielfältig und unterliegen einem stetigen Wandel. Während noch vor 40 Jahren der Umweltschutz und die Umweltwirkung von Bauwerken lediglich eine untergeordnete Rolle gespielt haben, sind diese Anforderungen bis heute deutlich gestiegen. Im Straßenbau sind die Anforderungen des Umweltschutzes heute sogar häufig das entscheidende Kriterium bei der Entscheidung über den Bau einer Straße. Die Umweltwirkung mit dem stärksten Einfluss auf Anwohner in der Umgebung von Straßen ist der Lärm aus Straßenverkehr. Deshalb sollte die Anforderungen an den Lärmschutz idealerweise schon sehr früh in die Planung neuer Straßen oder besser schon in die Entwicklung neuer Baumaterialien einfließen. Da die Vermeidung des Straßenverkehrslärms an der Quelle die effektivste Maßnahme darstellt, zählt offenporiger Asphalt seit Jahren zu den wichtigsten bautechnischen Lärmschutzmaßnahmen. Die Erfahrungen mit offenporigem Asphalt zeigen aber auch, dass das ausgezeichnete Schallabsorptionsvermögen offenporiger Asphalte im Neuzustand über die Jahre deutlich vermindert wird. Hauptursache ist die Verschmutzung der hohlraumreichen Struktur. Die Weiterentwicklung offenporiger Asphalte ist deshalb von großer Bedeutung. Varianten klassischer offenporiger Asphalte oder auch grundlegend neue Ideen zu schallaborbierenden Asphalten werden bis heute in aufwändigen Großversuchen über lange Zeiträume untersucht. Eine Ergänzung zu klassischen Labor- oder in-situ-Versuchen ist die Computersimulation. Die vorliegende Arbeit zeigt auf, wie die akustischen Eigenschaften offenporiger Fahrbahnbeläge mit einem Akustik-Modell erfasst werden und wie auf Basis ihrer rekonstruierten Geometrie die dafür notwendigen Modellparameter vollständig numerisch bestimmt werden können. Damit wird die Grundlage für eine computergestützte Entwicklung von offenporigen Asphalten gelegt. Das akustische Verhalten poröser Materialien kann über die Theorie der homogenisierten porösen Absorber beschrieben werden. Während bei der freien Schallausbreitung in Gasen die Dämpfungseffekte aus Reibung und Wärmeleitung vernachlässigt werden können, ist die Schallausbreitung in porösen Medien sehr stark von Reibungs- und Wärmeleitungseffekten geprägt. Will man sich verändernde oder gar neue Strukturen untersuchen, so muss die Physik der Schallausbreitung möglichst genau formuliert werden. Deshalb kommen nur Modellansätze in Betracht, die grundsätzlich ohne Anpassungsfaktoren auskommen. Da die Anpassungsfaktoren in Akustikmodellen zu einem großen Teil aus den variierenden Porendurchmessern resultieren, greift diese Arbeit für die Beschreibung des akustischen Verhaltens von offenporigem Asphalt auf einen Ansatz zurück, der die Größenverteilung der Poren berücksichtigt und so auf Anpassungfaktoren verzichtet. Die notwendigen Modellparameter werden auf Basis der rekonstruierten Geometrie bestimmt. Ausgangspunkt der Geometrierekonstruktion sind Rohdaten einer Röntgen-Computertomographie. Hierzu wird ein Verfahren vorgestellt, das die klassischen Punkte der Bildverarbeitung umfasst (Bildverbesserung, Segmentierung, Klassifizierung und Rekonstruktion) und speziell auf offenporigen Asphalt adaptiert ist. Eine Besonderheit bei der Rekonstruktion von offenporigem Asphalt ist, dass in der Regel die Zusammensetzung des Asphalts bekannt ist. Dies wird in dem in dieser Arbeit beschriebenen Verfahren zur Schwellwertsuche mit a-priori-Informationen berücksichtigt. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie das klassische Vorgehen zur Bestimmung der akustischen Parameter über in-situ- oder Labor-Messungen vollständig durch eine numerische Bestimmung der Modellparameter ersetzt werden kann. Die fünf Modellparameter akustisch wirksame Schichtdicke, akustisch wirksame Porosität, Porengrößenverteilung, Strömungswiderstand und die Tortuosität werden alleine auf Basis der rekonstruierten Geometrie bestimmt. Hierfür kommen verschiedene numerischen Methoden vor allem aus der Bildverarbeitung und aus der Strömungssimulation zum Einsatz. Die wesentlichen Neuerungen aus dieser Arbeit sind, dass durch das verwendete Akustik-Modell keine Anpassungsfaktoren für die Besonderheiten von offenporigen Fahrbahnbelägen mehr notwendig sind und dass sämtliche Parameter aus der rekonstruierten Geometrie numerisch bestimmt werden können. Damit eröffnet sich neues Potential bei der Beurteilung und Entwicklung neuer offenporiger Asphalte.

The demands on modern civil engineering are manifold and subject to a continuous change. Whereas 40 years ago the environmental protection and the environmental impact of civil engineering structures were of minor relevance, the requirements nowadays have risen significantly. In road construction, the requirement for environmental protection is often the key factor when planning new roads. The greatest impact on residents living close to roads is the noise from road traffic. Therefore, the requirement for noise control should ideally be considered in an early stage of planning new roads or even in the development of new materials. Since the most efficient method to reduce traffic noise is to prevent the noise at the source, porous asphalt is one of the most important methods to reduce traffic noise since years. In this work it is shown how the acoustic behavior of porous road surfaces can be modelled and how the necessary model parameters can be determined based on their reconstructed pore geometry. The main innovation of this work is that the acoustic model does not need any additional adaptation factors for porous road surfaces anymore and that all parameters can be determined numerically from the reconstructed pore geometry. This offers new potential in the evaluation and development of improved porous asphalt surfaces. The acoustic behavior of porous materials can be described by the theory of homogenized porous absorbers. The typical application of acoustic models for porous absorber is the design and optimization of acoustic insulation materials (fiber insulation, open cell foams, no-fines absorber etc.). For this purpose either phenomenological models or microstructure models with adjustment factors are used. Basically, these classic acoustic models can also be applied to porous road surfaces. However, if the investigated structure is changing over time or one even wants to examine new structures, phenomenological models have the disadvantage that ab initio calculations cannot be performed. Even the application of microstructure models with adjustment factors is limited, since the adjustment factors are not known in advance. The adjustment factors result in large part from the varying pore diameters. Therefore in this work the approach of YAMAMOTO is used to describe the acoustic behavior of porous asphalt, which takes into account the size distribution of pores and can therefore be used without adjustment factors. The necessary model parameters are determined on the basis of the reconstructed geometry. In this work, the morphology is completely resolved, but in principle simplifications may speed up the approach. Starting from the raw data of an X-ray computed tomography, a method is shown, using the classic points of the image processing: image enhancement, segmentation, classification and reconstruction. The effects of image processing on the model parameters of the acoustic model are shown in the validation and in the example chapter. A special boundary condition in the reconstruction of porous asphalt is that, in general, the composition of the asphalt is known. Therefore a-priori information can be used. The step from the classical determination of the acoustic parameters with in-situ or laboratory measurements to a fully numerical determination of the model parameters is presented in detail. The five model parameters acoustically effective layer thickness, acoustically effective porosity, pore size distribution, flow resistance and the tortuousity are determined solely on the basis of the reconstructed geometry. For this purpose classical algorithms from image processing, such as the iterative filling and morphological operators, but also a flow solver based on the Lattice Boltzmann Method is used. For further processing of the results from the flow simulation, the Runge-Kutta method is used. Since every single model parameters can be afflicted with an error, they are also evaluated in the validation separately. Overall, a very good agreement between the model parameters with measured values from samples of uncontaminated and a contaminated sample plate are determined. Also the calculated sound absorption shows a good correlation to results from in-situ tests, which is an indicator for the improved quality of modelling porous asphalt with the described approach.