Härtill 4 uppsatser

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Kungliga Tekniska högskolan, 2020

The temperature induced damage in asphalt mixtures has always been a major distress that requires a substantial consideration in the asphalt industry. One of the most important aspects of studying temperature induced damage is developing a practical test method for evaluation of the material’s resistance to it. Hence, there is a growing interest in developing testing methodologies which are more efficient, less expensive and simpler to perform than the conventional test methods. Impact resonance testing is a well-documented non-destructive testing method, and it has been successfully applied on asphalt mixtures to measure their elastic and viscoelastic properties. This research aims at extending the impact resonance testing methodology to characterization of temperature induced damage in asphalt mixtures and to investigate experimentally and numerically damage induced in asphalt mixtures due to thermomechanical mismatch between the mastic and aggregate phases. In order to improve temperature control and thus accuracy of the resonance testing, an automated non-contact test procedure is developed with a loudspeaker utilized as a source of excitation. The developed methodology has been evaluated for a range of asphalt concrete materials and temperatures. The measurements obtained from the new method have been verified by taking similar resonance frequency measurements using an instrumented impact hammer. Results from this work show that repeatable fundamental resonance frequency measurements can be performed on a disc shaped specimen in an automated manner without the need to open the thermal chamber that is used to condition test specimens. Investigations of micro-damage in asphalt concrete due to differential thermal contraction during cooling cycles have been carried out experimentally by using the developed automated non-contact resonance testing combined with cyclic cooling. The results of the experimental work have shown the initiation of low temperature micro-damage and a hysteretic behavior of stiffness modulus during the thermal cycles. Energy based micro-mechanical model is also utilized in order to characterize the micro-crack initiation and growth in asphalt concrete due to cyclic low temperature variations. Results of this approach have indicated the initiation of micro-cracks at low temperatures as well as the decrease in their length with increase in temperature. In order to obtain a quantitative insight into the temperature induced damage formation, a micromechanical finite element model (FEM) of asphalt mixture under thermal loading is developed. The model is used to investigate the damage evolution during the thermal cycles as well as its effect on material’s stiffness. Four cases of mastic-aggregate combinations are modelled in order to investigate effects of aggregate gradation as well as of mastic properties on the thermal damage evolution. Cohesive Zone Model (CZM) is used to define aggregate-mastic interface so that an initiation of micro-damage due to differential thermal contraction can be probed in terms of its effect on the overall stiffness modulus. It is observed numerically that during the thermal cycles, thermal damage is initiated at the aggregate-mastic interface due to the differential contraction of mastic. It is also shown that the modelling observations are in qualitative agreement with the experimental findings from the resonance testing. Accordingly, the proposed modelling approach is a viable tool for evaluation of theeffect of asphalt mixture design on its resistance to thermally induced damage.

Temperaturinducerade skador i asfaltbeläggningar har alltid varit en viktig faktor som kräver ett väsentligt övervägande iasfaltindustrin. En av de viktigaste aspekterna av att studera temperaturinducerade skador är att utveckla en praktisk provningsmetod för utvärdering av materialets motstånd mot sådana skador. Följaktligen finns det ett växande intresse för att utveckla testmetoder som är effektivare, billigare och enklare att utföra än de konventionella provningsmetoderna. Resonansprovning är en väldokumenterad oförstörande provningsmetod som framgångsrikt har tillämpats på asfalt för att mäta dess elastiska och viskoelastiska egenskaper. Denna forskning syftar till att utvidga metoden för resonansprovning till att karakterisera temperaturinducerad skada i asfalt och att experimentellt och numeriskt undersöka skada som framkallats i asfalt på grund av termomekanisk ojämnhet mellan asfaltbruket och stenskelettet.För att förbättra temperaturkontrollen och därmed noggrannheten i resonansprovningen utvecklas ett automatiskt provförfarande med en högtalare som används som exciteringskälla. Den utvecklade metoden har utvärderats för en rad asfaltbetongmaterial och temperaturer. Mätningarna som erhållits från den nya metoden har verifierats genom att göra liknande resonansfrekvensmätningar med hjälp av en instrumenterad hammare. Resultaten från detta arbete visar att repeterbara mätningar av resonansfrekvenser kan utföras på ett skivformat prov på ett automatiserat sätt utan att behöva öppna klimatskåpet.Undersökning av mikroskador i asfaltbetong på grund av differentiell termisk sammandragning under kylcykler har utförts experimentellt med användning av det utvecklade automatiserade resonansprovet kombinerat med cyklisk kylning. Resultaten av det experimentella arbetet har identifierat uppkomsten av mikroskador under låg temperatur och ett hysteretiskt beteende av styvhetsmodul under de termiska cyklerna. En energibaserad mikromekanisk modell används också för att karakterisera mikrosprickornas initiering och tillväxt i asfaltbetong på grund av cykliska lågtemperaturvariationer. Resultaten av detta tillvägagångssätt har indikeratinitiering av mikrosprickor vid låga temperaturer såväl som minskningen av sprickornas längd med ökad temperatur.För att få en kvantitativ inblick i temperaturinducerad skadebildning i asfalt utvecklas en mikromekanisk finit elementmodell (FEM) av asfalten under termisk belastning. Modellen används för att undersökaskadeutvecklingen i asfalt under de termiska cyklerna samt dess effekt på materialets styvhet. Fyra fall av asfaltbruk och graderingskombinationer beaktas i denna del av studien för att undersöka effekterna av kornkurvan såväl som av asfaltbrukets egenskaper på termisk skadeutveckling. Cohesive Zone Model (CZM) används för att definiera gränssnittet av asfaltbruk och stenskelett så att en initiering av mikroskada på grund av differentiell termisk kontraktion kan undersökas i termer av dess effekt på den totala styvhetsmodulen. Det observeras numeriskt att under temperaturcyklerna initieras termisk skada vid gränssnittet av asfaltbruk och stenskelett på grund av differentiell kontraktion av asfaltbruket. Det visas också att modelleringsobservationerna överensstämmer kvalitativt med de experimentella resultaten från resonansprovningen avseende hysteretisk styvhetsmodulbeteende under de termiska cyklerna. Följaktligen är det föreslagna modelleringssättet ett möjligt verktyg för utvärdering av asfaltmaterialegenskapers effekt på asfaltens motståndskraft mot termiskt inducerad skada.