Aggregate Fracture in Unbound Road Materials

QC 20260428

Abstract

Brott i aggregat i obundna granulära material (OGM) under asfaltbeläggningslager påverkar vägbeläggningens prestanda och kan påskynda skador. Förbättrad förståelse, karakterisering, och kvantitativ prediktering av aggregatbrott i GGM är därför avgörande, särskilt för att möjliggöra användning av material med lägre kvalitet i vägbyggnad. Detta kan minska behovet av högkvalitativa och nybrutna ballastmaterial och därmed sänka väginfrastrukturens miljöpåverkan.

Denna avhandling introducerar ett nytt numeriskt ramverk, kombinerat med en experimentell studie, för att förutsäga aggregatbrott i OGM och kvantifiera dess inverkan på materialets makromekaniska beteende. Ramverket bygger på diskreta elementmetoden (DEM) och möjliggör utvärdering av aggregatbrott för varierande graderingar, belastningsförhållanden, och aggregattyper. För att säkerställa att ramverket är generellt tillämpbart har kontaktlagar baserade på kontaktmekanik samt statistiska brottmodeller utvecklats och integreras i DEM.

Modellparametrar identifieras och modellerna valideras genom inneslutna uniaxiella kompressionstester på OGM bestående av olika aggregattyper och graderingar vilka utsätts olika maximala tryckbelastningar. För OGM bestående av krossad granit fångar DEM‑modellen effekterna av kornkurva och belastningsnivå på både makromekaniskt beteende och aggregatbrott. För att utvidga ramverket till ett bredare spektrum av aggregat, särskilt material av lägre kvalitet, utvecklas en ny partikelbrottsmodell som tar hänsyn till variationer i aggregatens form och statistiska volymeffekter på brottkraftsfördelningar. Modellen utvärderas med krossningstester på enskilda partiklar av fyra olika aggregattyper och jämförs med två vanligt använda brottsmodeller, vilket visar förbättrad överensstämmelse med uppmätta brottkrafter. När modellen implementeras i DEM‑ramverket förbättras prediktionen av brott i OGM som innehåller aggregat av lägre kvalitet.

Möjligheten att använda DEM för att bedöma hur aggregatbrott påverkar elastisk styvhet och motstånd mot permanent deformation utvärderas, med fokus på OGM som innehåller aggregat av lägre kvalitet och potentialen att optimera vägens konstruktionsutformning för att möjliggöra deras användning utan betydande prestandaförlust. Blandade OGM bestående av krossad granit och krossat tegel undersöks vidare genom inneslutna kompressionstester och röntgen‑CT, och observationerna integreras i DEM‑modellen för att förutsäga både makromekaniskt beteende och aggregatbrott.

En systematisk analys av aggregatbrott i OGM utsatta för inneslutna monotona kompressionstester genomförs för att identifiera de styrande faktorerna bakom brott. Resultaten visar att aggregatbrott styrs av de samverkande effekterna av aggregatstyrka, kornkurva och applicerad last, där Los Angeles‑värdet (LA) och maximal last identifieras som de dominerande faktorerna. Resultaten visar vidare att aggregatbrott i OGM inte kan predikteras enbart med standardiserade index och därför bör utvärderas under fältrepresentativa kornkurvor och belastningsförhållanden. För att stödja denna bedömning introduceras en metod som kombinerar de utvecklade DEM-modellerna med experimentella mätningar, och en parameter för skadesutveckling föreslås för att kvantifiera progressionen av aggregatbrott under kompression. Parametern visar stark överensstämmelse med experimentellt observerat aggregatbrott och erbjuder ett effektivt sätt att karakterisera brottsutveckling i UGM under belastning.

Sammanfattningsvis visar resultaten att det utvecklade DEM‑ramverket kan kvantifiera hur aggregattyp, kornkurva och belastning påverkar OGM’s prestanda och aggregatbrott, och kan stödja prestandabaserat materialval och vägutformning för att minska krossning av aggregat i obundet granulärt material.

Link to DiVA