No description available.

No description available.

Abstract will not load on to DSpace

A new simple design approach will be described that utilizes test results from the Repeated Load Triaxial Apparatus to establish the risk level of permanent deformations in the unbound granular layers (UGL) in pavement constructions under consideration of the seasonal effects. From this data a serviceability limit line (plastic shakedown limit) stress boundary for the unbound granular materials (UGM) was defined for different moisture contents. Below this line the material will have stable behavior. The serviceability limit line was applied in a finite-element (FE)-program FENLAP to predict whether or not stable behavior occurs in the UGM. To calculate the stress in the UGL, a nonlinear elastic model (Dresden Model), which is described in the paper, was implemented into the FE-program. The effects of changing moisture content during Spring-thaw period and asphalt temperature on pavement structural response were investigated. Additionally, permanent deformation calculations for the UGL were performed taking the stress history into consideration. The results clearly demonstrate that, for pavement constructions with thick asphalt layers, there is no risk of rutting in the granular base, even at high number of load repetitions. The study showed that the proposed design approach is a very satisfactory simple method to assess the risk against rutting in the UGL, even without the calculation of the exact permanent deformation of the pavement construction.

Abstract The blast furnace – basic oxygen furnace route remains the most utilised process route in the production of steel worldwide. Coke is the main fuel of the blast furnace process, however, coke producers and blast furnace operators are facing significant challenges due to increased demands on coke quality and decrease of prime coking coals. The estimation of coke performance in the industrial process through accurate laboratory analyses is of increasing importance. In this doctoral thesis, the aim was to study phenomena related to coke properties and its analysis methods in blast furnace simulating conditions. A new method was introduced to measure the hot strength of coke using a Gleeble 3800 thermomechanical simulator. The hot strengths of industrial cokes were determined at various temperatures and several coke properties, which were believed to affect hot strength, were determined. The effect of H₂ and H₂O in the blast furnace shaft gas were determined in relation to coke reactivity, threshold temperature, and the gasification mechanism. The results obtained by this thesis show that the Gleeble device is suitable for study of coke hot strength. The coke strength was significantly decreased for all three coke grades at temperatures of 1600 °C and 1750 °C when compared to room temperature or 1000 °C. The deformation behaviour of coke was fragile up to 1000 °C, but became at least partially plastic at 1600 °C, and the plasticity further increased at 1750 °C. Notable changes were observed in the deformation behaviour between coke grades at high temperatures. The presence of H₂ and H₂O in the BF shaft gas strongly increased coke reactivity and changed the reaction mechanism of coke to be more surface centric in a specific temperature range. The reactivity of coke in the conditions 100 vol-% CO₂ did not directly correlate with reactivity in a simulated blast furnace shaft gas, which suggest that the widely utilised CRI test does not accurately estimate coke reactivity in the industrial blast furnace process. / Tiivistelmä Masuuni – konvertteri yhdistelmä on edelleen käytetyin prosessireitti teräksen tuotantoon ympäri maailman. Koksi on masuunin tärkein polttoaine. Koksintuottajat ja masuunioperaattorit ovat suurten haasteiden edessä johtuen koksin kasvaneista laatuvaatimuksista ja parhaiden koksautuvien kivihiilten ehtymisestä. Koksin suoriutumisen arviointi masuunin olosuhteissa tarkoilla laboratorioanalyyseillä on yhä merkittävämmässä roolissa. Tässä väitöskirjassa tavoitteena oli tuottaa uutta tietoa koksin ominaisuuksista ja sen analyysimenetelmistä simuloiduissa masuunin olosuhteissa. Uusi metodi esitettiin koksin kuumalujuuden määrittämiseksi Gleeble 3800 termomekaanisella simulaattorilla. Teollisten koksilaatujen kuumalujuuksia määritettiin eri lämpötiloissa ja useita koksin mitattiin, joilla uskottiin olevan vaikutus kuumalujuuteen. Lisäksi työssä tutkittiin masuunin kuilun kaasuatmosfäärissä H2 ja H2O kaasujen vaikutusta koksin kemialliseen reaktiivisuuteen, kaasuuntumisen kynnyslämpötilaan ja reaktiomekanismiin. Tässä työssä esitetyt tulokset osoittavat että Gleeble soveltuu koksin kuumalujuuden määritykseen. Koksin lujuus aleni merkittävästi kaikilla kolmella koksilaadulla kuumennettaessa 1600 ja 1750 °C lämpötiloihin verrattuna huoneenlämpötilaan tai 1000 °C lämpötilaan. Koksin muodonmuutos oli haurasta aina 1000 °C lämpötilassa, mutta muuttui osittain plastiseksi 1600 °C lämpötilassa ja plastisuus kasvoi kun lämpötilaa nostettiin 1750 °C:een. Huomattavia eroja havaittiin eri koksilaatujen muodonmuutoskäyttäytymisessä korkeissa lämpötiloissa. H₂ ja H₂O kaasujen läsnäolo kuilun kaasuatmosfäärissä kasvatti voimakkaasti koksin reaktiivisuutta ja muutti kaasuuntumismekanismia pintakeskisemmäksi rajatulla lämpötila-alueella. Koksin reaktiivisuus 100 % CO₂ kaasussa ei korreloinut suoraan simuloidun masuunin kuilun kaasuatmosfäärin kanssa. Tämä tulos indikoi sitä että maailmalla yleisesti käytetty CRI testi ei ennusta tarkasti koksin reaktiivisuutta masuunissa.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第23507号 / 工博第4919号 / 新制||工||1768(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科材料工学専攻 / (主査)教授 辻 伸泰, 教授 安田 秀幸, 教授 奥田 浩司 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

A new simple design approach will be described that utilizes test results from the Repeated Load Triaxial Apparatus to establish the risk level of permanent deformations in the unbound granular layers (UGL) in pavement constructions under consideration of the seasonal effects. From this data a serviceability limit line (plastic shakedown limit) stress boundary for the unbound granular materials (UGM) was defined for different moisture contents. Below this line the material will have stable behavior. The serviceability limit line was applied in a finite-element (FE)-program FENLAP to predict whether or not stable behavior occurs in the UGM. To calculate the stress in the UGL, a nonlinear elastic model (Dresden Model), which is described in the paper, was implemented into the FE-program. The effects of changing moisture content during Spring-thaw period and asphalt temperature on pavement structural response were investigated. Additionally, permanent deformation calculations for the UGL were performed taking the stress history into consideration. The results clearly demonstrate that, for pavement constructions with thick asphalt layers, there is no risk of rutting in the granular base, even at high number of load repetitions. The study showed that the proposed design approach is a very satisfactory simple method to assess the risk against rutting in the UGL, even without the calculation of the exact permanent deformation of the pavement construction.

This PhD thesis employed high energy synchrotron x-ray radiation to reveal atomic scale structural features occurring in plastically deformed Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 (Vit105) bulk metallic glass (BMG). The study is divided into three parts: Strain evolution during in-situ compression, strain distribution maps in mechanically-imprinted BMG, and residual strain around a single shear band. 1. Strain evolution during in-situ compression The structural rearrangements occurring during compressive deformation of a plastically deformable BMG showed that the elastic and plastic deformation of the BMG is correlated to the structural changes at short- (SRO) and medium range order (MRO). In the elastic regime, the atomic distances at SRO vary linearly with macroscopic stress. Analysis of the area under radial distribution function indicates that a small fraction of bonds in the first shell is broken in the loading direction whereas some new bonds are formed in the transverse direction. Atomic bonds at SRO appeared significantly stiffer than the MRO shells. Compared to the macroscopic values of the elastic strain, Young’s modulus and Poisson's ratio, both SRO and MRO appeared significantly stiffer, implying that the elastic behavior of the BMG is not only ruled by simple compression of the atoms/clusters but also is aided by rearrangement of atoms/clusters. The deviation of MRO atomic strain-stress correlation from linearity at the onset of plastic deformation was attributed to the activation of irreversible shear transformation zones. It was demonstrated by a strong shear strain value at the onset of yielding. This value is in good agreement with the reported value of the critical shear strain needed for activation of an irreversible STZ. The length scale of 12.5 Å indicated the largest shear strain and is probably the most effective length scale in the formation of STZs. The atomic pairs at SRO with smallest shear strain have the least contribution to the STZs. It was also indicated that the typical fracture angle of this BMG can be explained by the orientation of maximum shear strain at the onset of catastrophic shear band formation. 2. Strain distribution map in mechanically-imprinted BMG In mechanical imprinting, the BMG plate is loaded between two tools with a regular array of linear teeth and, as a result, a regular pattern of linear imprints is created on the surface of the plate. Mechanically imprinting results in considerable tensile plasticity of brittle Vit105 BMG plate. The distribution of hardness and Young’s modulus values at the transverse cross section of imprinted plate probed via nanoindentation revealed oscillating soft and hard regions beneath the surface. Spatially-resolved strain maps obtained via high-energy nano-size beam X-ray diffraction exhibited that the plastic deformation during imprinting creates a spatially heterogeneous atomic arrangement, consisting of strong compressive and tensile strain fields as well as significant shear strain fields in the cross section. It was shown that the heat treatment diminishes the heterogeneous structure resulting in brittle behavior in tension. The analysis of strain tensor components based on changes in the first diffraction maximum of the structure function, q1, revealed that Ɛx, the strain perpendicular to the loading direction, changes from the compressive at near to the surface to the tensile mode at the center of the imprinted plate. In contrast, the strain component along the loading direction, Ɛy, changes from tensile near the surface to the compressive at the center. Beneath the surface, Ɛx reaches to values about 1.5% under the imprints where there is a negligible Ɛy. The distribution map of principal strains, Ɛ1 and Ɛ2, indicated that large regions with compressive Ɛ1 and Ɛ2 exist under the imprints which can result in blocking of the propagating shear bands in agreement with microstructural observations of shear banding after uniaxial tension. Moreover, the region beneath the border of the imprinted and un-imprinted parts has the highest residual shear strain. Microstructural observations indicated that such regions can nucleate new shear bands upon tensile loading of imprinted BMG plate. 3. Residual strain around a single shear band In order to probe structural changes in the shear-induced zone around a single shear band, the distribution of residual strains at short- and medium-range order around a single shear band was determined in cold-rolled BMG plate using the nano-focused high energy x-ray diffraction. Plastic deformation results in significant residual normal and shear strains at distances of more than 15 μm around the shear band. The residual normal strains exhibit an asymmetric distribution whereas the residual shear strain is distributed symmetrically around the shear band. The large amount of residual atomic shear strain magnitude at the vicinity of the shear band triggers the nucleation of the new shear bands. The coincidence of the direction of the nucleating secondary shear bands from the main shear band with the orientation of the residual shear strain at the vicinity of the mature shear band highlight the dominant role of the shear strain in determining further plastic deformation at regions near the shear band. / Im Rahmen dieser Arbeit wird hochenergetische Synchrotron Röntgenstrahlung zum Aufzeigen der strukturellen Veränderungen in plastisch verformtem Zr52.5Ti5Cu18Ni14.5Al10 metallischen Glas verwendet. Die Arbeit gliedert sich in drei Teile: Dehnungsentwicklung während in-situ Druckversuch, Dehnungsverteilung eines mechanisch geprägten massiven metallischen Glases, und Restdehnungen in der Umgebung eines einzenen Scherbandes. 1. Dehnungsentwicklung während in-situ Druckversuch Die während der Verformung auftretende strukturelle Neuordnung eines plastisch verformbaren metallischen Glases zeigt die Korrelation der elastischen und plastischen Verformung mit den strukturellen Änderungen in den Größenordnungen der Nah- (SRO) und mittelreichweitigen Ordnung (MRO). Im elastischen Bereich verändern sich die Atomabstände in der SRO linear mit der makroskopisch anliegenden Spannung. Die Untersuchung der Fläche unter der Radialen Verteilungsfunktion (RDF) deutet auf ein Aufbrechen eines geringen Anteils der Bindungen der ersten Schale in Druckspannungsrichtung und deren Neubildung quer dazu. Die atomaren Bindungen in der SRO erscheinen wesentlich steifer als in den MRO Schalen. Vergleicht man die Werte von elastischer Dehnung, E-Modul und Querkontraktionszahl mit ihren makroskopischen Gegenstücken erscheinen beide, SRO und MRO, wesentlich steifer. Dies zeigt, dass die elastische Verformung von metallischen Gläsern nicht nur von der einfachen Stauchung der Atome bzw. Atomgruppen bestimmt, sondern auch durch deren Neuanordnung unterstützt wird. Das Abweichen der Dehnungs-Spannungs-Korrelation vom linearen Verhalten in der MRO am Beginn der plastischen Verformung wird der irreversiblen Bildung von Schertransformations-zonen (STZ) zugeschrieben. Dies zeigt sich zudem in den erhöhten Scherdehnungswerten am Beginn der Dehngrenze, welche mit den in der Literatur berichteten Werten für die kritische Scherdehnung zum Bilden einer STZ übereinstimmen. Bei einem Atomabstand von 12,5 Å tritt der höchste Wert der Scherdehnung auf und markiert den effektivsten Längenbereich der STZ Bildung. Andererseits haben die atomaren Paare in der SRO mit der geringsten Scherdehnung den geringsten Beitrag an der STZ. Es zeigt sich außerdem, dass der typische Bruchwinkel dieses metallischen Glases über die Orientierung der maximalen Scherdehnung am Beginn der kritischen Scherbandbildung erklärt werden kann. 2. Dehnungsverteilung eines mechanisch geprägten massiven metallischen Glases Eine Prägung besteht darin, eine Platte metallischen Glases mit zwei Stempel, auf denen eine regelmäßige Anordnung von geradlinigen Kerben angebracht ist, zu belasten. Dadurch wird eine ebenso regelmäßige Anordnung von geradlinigen Kerben auf der Oberfläche des metallischen Glases erzeugt. Die plastische Verformbarkeit der Vit105 Platte im Zugversuch wird durch Prägung im Vergleich zur gegossenen Probe eindeutig verbessert. Die Untersuchung der Härte und des E-Moduls über den Querschnitt der geprägten Probe zeigt die Einbringung von Abwechselnd weichen und harten Regionen an der Oberfläche. Es wurden räumlich aufgelöste Dehnungskarten des geprägten metallischen Glases durch Beugung eines hochenergetischen nanometergroßen Röntgenstrahles erzeugt. Die Ergebnisse offenbaren, dass die durch Prägung eingebrachte plastische Verformung eine räumlich heterogene Atomanordnung erzeugt, welche aus starken Druck- und Zugdehnungsfeldern besteht. Zusätzlich wird eine signifikante Scherdehnung in die Probe eingebracht. Die Wärmebehandlung beseitigt diese heterogene Struktur und führt sie fast auf den Ausgangszustand zurück. Die Analyse der Dehnungstensorkomponenten basierend auf Änderungen im erstem Maximum des Strukturfaktors, q1, zeigt, dass sich Ɛx von der Oberfläche zur Mitte der Platte hin von einer Stauchung in eine Dehnung umwandelt. Im Gegensatz dazu wandelt sich die Komponente Ɛy von der Oberfläche zur Mitte der Platte hin von einer Dehnung in eine Stauchung um. An der Oberfläche unter den Eindrücken, wo Ɛy vernachlässigbar ist, erreicht Ɛx Werte von ca. 1.5 %. Die Verteilungskarten der Hauptdehnungen zeigt, dass beide e1 und e2 unterhalb der Kerben als Stauchungen vorhanden sind. Daraus resultiert das Blockieren und Ablenken der sich ausbreitenden Scherbänder, was an Zugproben im REM beobachtet werden kann. Weiterhin hat der Bereich an der Grenze der geprägten und nicht geprägten Regionen die höchste Restscherdehnung. Mikrostrukturelle Beobachtungen deuten darauf hin, dass solche Bereiche unter Zuglast Keimstellen für neue Scherbänder sind. 3. Restdehnungen in der Umgebung eines einzenen Scherbandes Es wurde ein einzelnes Scherband einer kaltgewalzte Platte mittels Beugung eines hochenergetischen nanometergroßen Röntgenstrahles untersucht. Die strukturellen Unterschiede in der scherinduzierten Zone um ein einzelnes Scherband werden durch die Verteilung der Restdehnungen in SRO und MRO bestimmt. Plastische Verformung führt zu signifikanten Restnormal- und Restscherdehnungen in Entfernungen von mehr als 15 µm um das Scherband. Die Restnormaldehnungen zeigen eine asymmetrische Verteilung, wohingegen die Restscherdehnungen auf beiden Seiten des Scherbandes symmetrisch verteilt sind. Der große Betrag der atomaren Restscherdehnung in der Nähe des Scherbandes führt zur Bildung von neuen Scherbändern. Das Zusammenfallen der Richtung des sich bildenden sekundären Scherbandes und der Orientierung der Restscherdehnung, in der Nähe des primären Scherbandes, demonstriert die dominierende Rolle der Scherdehnung bei weiterer plastischer Verformung in der Nähe des Scherbandes.

Ziel der vorliegenden Dissertation war die Erweiterung der Kenntnisse über das nichtlinear-elastische Spannungs-Verformungsverhalten von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB). Ein analytisches Bemessungsverfahren ist aufgrund der schwierigen Modellierbarkeit des Verformungsverhalten der einzelnen Straßenbaustoffe bisher nicht existent. Die Dissertation soll einen Beitrag zur Entwicklung eines solchen Bemessungsverfahrens leisten. Eine Literaturrecherche zum Verformungsverhalten von ToB bildet die Grundlage für die Festlegung der Vorgehensweise. Basis der weiteren Untersuchungen sind Triaxialversuche, die an der Universität Nottingham an verschiedenen Gesteinskörnungen durchgeführt wurden. Mit Hilfe der Shakedown-Theorie konnte belegt werden, dass sich ToB in unterschiedlichen Beanspruchungsbereichen nach verschiedenen Gesetzmäßigkeiten verhalten und dass Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von ToB bereichsweise verschieden formuliert werden müssen. Somit ist es möglich, Gültigkeitsgrenzen für elastische Stoffmodelle zu ermitteln sowie Beanspruchungsgrenzen für ToB festzulegen. Mit ausgewählten Stoffmodellen erfolgten Beanspruchungsberechnungen nach der Finite-Elemente Methode (FEM). Die beste Annäherung zwischen Messwerten und Rechenergebnissen ergibt sich bei Anwendung des DRESDNER Modells. Berechnungen für Befestigungen nach den RStO 01 haben gezeigt, dass die Beanspruchungen auf den ToB bei Anwendung des DRESDNER Modells stark von denen bei Anwendung linearer Elastizität abweichen können. Durch unterschiedliche Überbauungsdicken der ToB besitzen diese einen verschieden hohen Anteil am Tragverhalten der Befestigung. Abschließend wird eine Methode zur Ermittlung von Sicherheitsniveaus vorgestellt. Bei Kenntnis der entsprechenden Schichtparameter lassen sich die Beanspruchungen jeder beliebigen Bauweise mit denen von Bauweisen nach RStO vergleichen. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass das Sicherheitsniveau einer bestimmten Bauweise nach RStO genauso groß ist, wie eine Befestigung mit einer dünneren Asphalttragschicht, dafür jedoch einer steiferen ToB. / The aim of this thesis was the extension of the knowledge about the resilient stress-deformation behaviour of unbound granular materials (UGM). Due to difficulties in modelling the behaviour of the single materials an analytical design method does not exist at present. Therefore this thesis makes a contribution for developing such a design method. A study of international publications about the current knowledge of the stress-deformation behaviour of UGM and repeated load triaxial tests, which have been performed at Nottingham University, were the base for all further investigations. With the shakedown concept it could be shown that materials behave in a different manner depending on the applied stress level and that material laws for describing the resilient deformation behaviour of UGM have to be formulated separately for different stress ranges. Within this thesis a method is introduced which helps to find boarders for the applicability of different material laws and limiting stress lines where below the lines stable behaviour and admissible deformations for the material are expected. Applying selected material laws finite element calculations have been performed. Comparing calculation results with measurement results it can be shown that the Dresden model offers the best approach. Calculations for pavement constructions applying the Dresden model have resulted that the vertical stresses differ very much in comparison with elastic behaviour for the UGM. It can be concluded that the thickness of the covering bounded layers have an effect to the contribution of the unbound granular layers at the complete deformation behaviour of the pavement construction. Finishing a method is introduced to determine the safety levels of pavement constructions. It seems to be possible to compare the stress-strain levels of any pavement construction with those from the german standard RStO 01. Existing functions could be modified to determine safety coefficients, i. e. ratios between admissible and existing numbers of load cycles. It can be concluded that there are the same safety levels for different pavement constructions ? a thinner asphalt layer can be compensated with a stiffer UGM.

Please read the abstract in the section, 00front, of this document / Thesis (DPhil)--University of Pretoria, 2008. / Civil Engineering / unrestricted