A mechanistic framework for evaluating the performance of asphalt pavements subjected to frost heave and thaw settlement

QC 20251218

Abstract

Asfaltbeläggningar utsätts under sin livslängd för olika former av nedbrytningtill följd av den sammantagna påverkan från trafikbelastningoch miljöförhållanden. I kalla regioner främjar samtidig förekomst avtemperaturer under fryspunkten och hög fukthalt bildningen av islinser ifrostkänsliga jordar som kan förekomma i undergrunden. Detta fenomen,känt som tjällyftning, orsakar ojämn upplyftning av markytan, vilketleder till sprickbildning och ytojämnheter i beläggningar. Under denefterföljande töperioden medför smältning av islinser en avsevärd minskningav styvhet och stabilitet i den underliggande jorden, vilket försämrarbeläggningens bärförmåga. Denna cykel av tjällyftning och tösättningbidrar till successiv ytdegradering, ett vanligt förekommande problemi länder som Sverige där långa vintrar och fuktsaturerade jordar ärvanliga.

Föreliggande avhandling föreslår ett mekanistiskt ramverk för att bedömaasfaltbeläggningars prestanda under tjällyftning och tösättning. Fördetta kopplas en termomekanisk modell för tjällyftning–tösättning sammanmed en termodynamiskt baserad skademodell för asfalt. I delmodellenför tjällyftning–tösättning kopplas de termiska och mekaniskafälten via en funktion för porositetsutveckling som implicit beaktarvattengenomströmning under tjällyftning. Särskilt kan nämnas att denföreslagna modellen introducerar ett nytt angreppssätt där bildningenav islinser under tjällyftning och det överskottsvatten som tillförs jordmaterialetunder töfasen behandlas analogt med läknings- respektiveskadeprocesser inom kontinuumskademekanik.

Det mekaniska beteendet hos asfaltmaterial modelleras med ett kontinuummekaniskt konstitutivt ramverk som fångar viskoelasticitet, viskoplasticitetoch materialdegradering. Formuleringen utvecklas inom ramenför stora deformationer och vilar på termodynamiska principer för irreversiblaprocesser. I modellen kopplas initiering och utveckling av skadatill den återvunna viskoelastiska energin.

Ramverket implementeras och utvärderas i studiescenarier som omfattarbåde uniforma och icke-uniforma tjällyftningar och tösättningar. Scenariernainkluderar enstaka frys–töcykler samt fullskalefall baseradepå uppmätta klimatdata från Kiruna i norra Sverige. Resultaten visaratt ramverket effektivt fångar tjälprocesserna i jord genom att modelleraporositetsutveckling, fördelningen av is- och vattenhalter samttillhörande markdeformationer. Vidare möjliggörs analys av efterföljandeskadeutbredning i asfaltlagret. Ramverket utgör också ett värdefulltverktyg för att bedöma effektiviteten hos olika åtgärdsstrategier somsyftar till att mildra de skadliga effekterna av årliga markdeformationerorsakade av tjällyftning och tösättning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-374330