A New Numerical Framework for Aggregate Fracture in Unbound Granular Materials

QC 20250903

Abstract

Brott i aggregat i obundna granulära material (OGM) under asfaltbeläggningslager påverkar vägbeläggningens prestanda och kan påskynda skador. Därför är det viktigt att kunna bedöma aggregatens brottmotstånd. I denna studie introduceras ett nytt simuleringsramverk kombinerat med en experimentell studie för att förutsäga brott i aggregat i OGM och kvantifiera dess påverkan på OGMs makromekaniska beteende. Det utvecklade ramverket baseras på simuleringar med diskret elementmetod (DEM) och möjliggör utvärdering av brott i aggregat för varierande storleksfördelningar, belastningsförhållanden och aggregattyper. För att säkerställa metodens generella tillämpbarhet har kontaktlagar baserade på kontakmekanik och brottsmodeller utvecklats och integrerats i DEM.För att identifiera materialparametrarna och validera modellen genomförs inneslutna enaxliga kompressionstester på OGM bestående av olika aggregattyper där OGM med olika graderingar testas vid olika kompressionsbelastningar. För OGM bestående av krossade granitaggregat visas att DEM-modellen, som inkluderar en partikelbrottsmodell baserad på Weibulls weakest-link teori, väl fångar de experimentella observationerna. Specifikt fångar DEM-modellen noggrant effekterna av gradering och belastningsmängd på OGMs makromekaniska respons samt på OGMs prestanda i förhållande till aggregatbrott.För att noggrant fånga mekaniken för aggregatbrott för ett brett spektrum av aggregattyper, särskilt för aggregat med marginell kvalitet, har en ny partikelbrottsmodell utvecklats. Denna modell tar hänsyn till både variationen i aggregatens form och den statistiska volymeffekten på variationen av brottkrafter för enskilda aggregat. Den nya brottsmodellens förmåga att fånga brottkrafter hos enskilda aggregat testas genom krossningstester på enskilda partiklar utförda på fyra olika aggregattyper,ivoch den nya modellens predikterbarhet jämförs med två andra vanligt använda brottsmodeller. Resultaten visar att för alla undersökta aggregattyper ger den nya brottsmodellen en bättre överensstämmelse med de experimentella data än de två andra modellerna. Dessutom integreras den nya brottsmodellen i DEM och dess prestanda i förhållande till att fånga aggregatbrott i OGM undersöks på OGM som består av aggregat med marginal kvalitet. Det visas att integrering av den nya brottmodellen i DEM förbättrar noggrannheten i de numeriska förutsägelserna.Vidare utvärderas genomförbarheten av att använda DEM-modellen för att bedöma konsekvenserna av aggregatbrott på OGMs makromekaniska prestanda i termer av elastisk styvhet och beständighet mot permanent deformation. Fokus ligger på OGM innehållande aggregat med marginellt brottmotstånd och genomförbarheten av att använda DEM-modellen för att optimera vägbeläggningens strukturella design för att möjliggöra inkorporering av marginalaggregat utan att kompromissa för mycket med prestandan.De experimentella och numeriska resultaten som presenteras i denna avhandling indikerar att den utvecklade DEM-modellen är ett värdefullt verktyg för att förstå och kvantifiera effekterna av OGM-materialparametrar, såsom aggregattyp och gradering, samt belastningsförhållanden på OGMs prestanda, särskilt med avseende på aggregatkrossning. Det kan konstateras att den utvecklade modellen erbjuder en betydande potential för att optimera val och sammansättning av OGM-material samt den strukturella designen av vägbeläggningen för att minska aggregatkrossning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-369103