Spherical Indentation Technique for Multiscale Characterisation of Asphalt Mixtures
Tid: Fr 2021-12-03 kl 14.30
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/63114415370
Språk: Engelska
Ämnesområde: Byggvetenskap, Byggnadsmaterial
Respondent: Hassan Fadil , Byggnadsmaterial
Opponent: Associate Professor Eshan Dave, University of New Hampshire, Department of Civil and Environmental Engineering
Handledare: Docent Denis Jelagin, Byggnadsmaterial; Adjungerad Professor Manfred Partl, Byggnadsmaterial; Professor Per-Lennart Larsson, Hållfasthetslära; Dr. Said Safwat, VTI - The Swedish National Road and Transport Research Institute
QC 211104
Abstract
Asfaltsblandningars viskoelastiska egenskaper har en stor påverkan på uppträdandet av asfaltsvägar på grund av deras resistens mot flera vanliga skadeorsaker. Precisa mätningar av dessa egenskaper och deras förändringar under deras livslängd är därför ett viktigt område för pågående forskning. Trots omfattande framsteg inom området så har vissa frågor fortfarande inte besvarats helt. I synnerhet kan inte de existerande experimentella metoderna appliceras för viskoelastisk karakterisering av tunna asfaltslager och asfaltslagningar. Dessutom finns inga tillgängliga metoder för mätning av subfaserna av asfaltsblandningar på en mindre skala, såsom mastix, i.e. en blanding av bitumen och partiklar mindre än 64 mikrometer, och asfaltbruk, i.e. en blandning mellan bitumen och stenpartiklar mindre än 2 mm. Förståelse av de viskoelastiska egenskaperna är av största vikt för att få en grundläggande föståelse i blandningens uppträdande. För detta behövs även avancerade och beräkningseffektiva mikromekaniska modeller för att etablera en kvantitativ länk mellan de viskoelastiska egenskaperna hos asfaltsblandningar och deras subfaser. Denna avhandling strävar mot att bidra till detta viktiga område genom utvecklingen av nya experimentella verktyg och modelleringsverktyg för multiskalekarakterisering av asfaltsblandningar.
I denna avhandling föreslås ett nytt tillvägagångssätt för mikromekanisk modellering som används för att undersöka det mekaniska beteendet av mastix, asfaltbruk och asfaltsblandningar. För att uppnå beräkningseffektivitet baseras det föreslagna tillvägagångssättet på en förenklad, datorgenererad representation av materialens interna struktur och utnyttjar periodiska randvillkor för att reducera storleken på det representativa volymelementet. Med hjälp av mätningar i Dynamisk Skjuvreometer (DSR) visas det att den föreslagna modellen kan fånga det uppmätta viskoelastiska beteendet av mastix för de belastningar, temperaturer och materialparametrar som undersökts. För modelleringen av asfaltbruk och asfaltsblandningar appliceras multiskaletillvägagångssättet för att förbättra beräkningseffektiviteten. De erhållna beräknade resultaten indikerar att det utvecklade tillvägagångssättet är kapabelt att fånga de viskoelastiska egenskaperna på blandningens makronivå med rimlig noggrannhet.
Ett instrumenterat intrycksprov för viskoelastisk karakterisering av bitumen och kompositer bestående av bitumen och stenmaterial, såsom mastix, asfaltbruk och asfaltsblandningar, föreslås i denna avhandling som ett nytt alternativ till existerande tekniker. En ny metodologi för intrycksprovning av linjära viskoelastiska material har utvecklats, vilket tillåter karakteriseringen av dem vid en godtycklig icke-minskande belastning. För att bredda användningsområdet för den utvecklade metoden till multiskalekarakterisering av bitumen-stenkompositer har den sfäriska intryckningen på olika typer av asfaltsblandningar undersökts experimentellt och genom mikromekanisk modellering. Effekten av de olika parametrarna i intrycksprovet på de mätta viskoelastiska egenskaperna av bitumen-stenkompositerna har utvärderats. Ett särskilt fokus har lagts på identifieringen av provningsparametrar som korresponderar till karakteriseringen av kompositerna på makronivå samt på den individuella komponentnivån. De experimentella resultaten demonstrerar att det utvecklade intrycksprovet kan fånga de testade materialens egenskaper på makronivå på en rimlig nivå och de erhållna resultaten korrelerar linjärt med egenskaperna som mätts med etablerade provningsmetoder. För att få en bättre insikt i mastixfasens egenskaper från intrycksprovningen utförd på asfaltsblandningar, har dessutom en ny statistisk analysprocedur föreslagits för utvärderingen av en serie intrycksprover. Den föreslagna proceduren möjliggör identifiering av kluster av mätningar som fångar asfaltsblandningars mastix- och stendominerande respons. Intrycksmätningarna som tillskrivs den mastixdominerande responsen konstaterades vara mer känslig för temperatur och mastixens egenskaper jämfört med de genomsnittliga mätningarna.
De erhållna resultaten indikerar att det utvecklade intrycksprovet är ett lovande alternativ till existerande viskoelastiska karakteriseringsmetoder, särskilt eftersom metoden är kvasi-icke-förstörande och kan användas för att karakterisera tunna asfaltslager. Dessutom är intrycksprovning, i kombination med den utvecklade statistiska analysproceduren, ett lovande verktyg för att övervaka förändringar i mastixfasen i material på grund av åldring, fukt eller utmattning från mätningar på asfaltsblandningar utan att extrahera bindemedlet. Den utvecklade mikromekaniska modellen kan också användas för att kvantifiera effekten av mätta förändringar i mastixens egenskaper på asfaltsblandningens uppträdande med avseende på till exempel töjningslokaliseringarna i mastixfasen och därmed blandningens resistens mot skada.