Simulation of crushing dynamics of an aggregate matrix composite by compression and impact stressings

Die vorliegende Arbeit beschreibt detaillierte Untersuchungen des Bruchverhaltens kugelförmiger Partikelpackungen, in diesem Fall Beton, bei Druck- und Schlagbeanspruchung unter zentralem Stoß, schiefem Stoß und Druckbeanspruchung mit einer bzw. zwei Platten sowohl experimentell als auch theoretisch mit FEM und DEM. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem besseren Verständnis der Mikro-Prozesse beim Bruch, d. h. Brucheinleitung und -ausbreitung und Bruchmechanismen in Kugeln oder Scheiben. Verschiedene Geometrien wurden unter Bedingungen des zentralen Stoßes untersucht, um eine bessere Fragmentierung zu erreichen. Die Arbeit versucht außerdem, den Bruchmechanismus während der Kollision zu beschreiben. Bruchwahrscheinlichkeiten, Beanspruchungsenergien, Bruchmuster, Partikelgrößenverteilungen, die Erzeugung neuer Oberflächen, Aufschlussgrade und Gutbettzerkleinerungen werden diskutiert. Der Einfluss der Primärpartikelform auf den Bruch wird ebenfalls erörtert. Betonkugeln mit einem Durchmesser 150 mm und einer Druckfestigkeit von 35 N/mm² (B35) wurden für Modellierung und Experiment ausgewählt. Die Ergebnisse, die hier präsentiert werden, können auf alle kugeligen Modelle angewendet werden, sowohl zur Untersuchung der Bruchmechanismen als auch zur Freisetzung der Wertstoffe aus der Materialmatrix für ein nachfolgendes Recycling. The thesis reports a detailed investigation of the fracture by crushing and impact stressing in spherically shaped particle compounds, here concrete, under central and oblique impacts, and single and double plate moving compressive stressings with experiments, finite and discrete element methods. Especially, attention is paid to improve an understanding of the microprocesses of cracking, that are crack initiation, propagation and fragmentation mechanisms in spherical or disk like shaped specimens. Different types of targets in central impact conditions are analysed for better liberation of the aggregates. The work also studies a cracking mechanism during collision. The work discusses breakage probability, stressing energy, fracture patterns, particle size distributions, new surface generations, liberation degrees and bed crushing. The role of primary particle’s shape in cracking is also discussed. Concrete spheres of diameter 150 mm with compressive strength 35 N/mm2 (B35) are chosen as a model material for the experiments and the simulations. The results presented in this thesis are also applicable to all types of spherical specimens either to study the cracking mechanisms or to liberate the valuables from the cheaper matrixes for better recycling.