Characterizing the full range of damage and plastic behaviour of asphalt mixtures under varying strain-rates and stress states is a complex and challenging task. One reason for this  is partly due to the strain rate and temperature dependent nature of the material as well as the variation in the properties of the constituent materials that make up the composite asphalt mixture. Existing stress-based models for asphalt concrete materials are developed based on mechanics principles, but these models are, however, limited in their application for actual pavement analysis and design since rate dependency parameters are needed in the constitutive model to account for the influence of the strain rate on the stress-based yield and evolution criteria. Till date, we are yet to arrive at simple and comprehensive constitutive models that can be used to model the behaviour of asphalt mixture over a wide range of strain-rate which is experienced in the actual pavement sections. The aim of this thesis is to develop an increased understanding of the strength and deformation mechanism of asphalt mixtures through multi-scale modeling and to develop simple and comprehensive continuum models to characterize the non-linear behaviour of the material under varying stress-states and conditions. An analysis framework is developed for the evaluation of the influence of asphalt mixture morphology on its mechanical properties and response using X-Ray CT and digital image processing techniques. The procedure developed in the analysis framework is then used to investigate the existence of an invariant critical energy threshold for meso-crack initiation which serves as the basis for the development of a theory for the development of energy-based damage and plastic deformation models for asphalt mixtures. A new energy-based viscoelastic damage model is developed and proposed based on continuum damage mechanics (CDM) and the thermodynamics of irreversible processes. A second order damage variable tensor is introduced to account for the distributed damage in the material in the different principal damage directions. In this way, the material response in tension and compression can be decoupled and the effects of both tension- and compression stress states on the material behaviour can be accounted for adequately. Based on the finding from the energy-based damage model, an equivalent micro-crack stress approach is developed and proposed for the damage and fracture characterization of asphalt mixtures. The effective micro-crack stress approach takes account of the material stiffness and a critical energy threshold for micro-crack initiation in the characterization of damage and fracture properties of the mixture. The effective micro-crack stress approach is developed based on fundamental mechanics principles and it reduces to the Griffith's energy balance criterion when purely elastic materials are considered without the need for the consideration of the surface energy and a crack size in the determination of the fracture stress. A new Continuum Plasticity Mechanics (CPM) model is developed within the framework of thermodynamics to describe the plastic behaviour of asphalt concrete material with energy-based criteria derived for the initiation and evolution of plastic deformation. An internal state variable termed the "plasticity variable" is introduced to described the distributed dislocation movement in the microstructure. The CPM model unifies aspects of existing elasto-plastic and visco-plastic theories in one theory and shows particular strength in the modeling of rate-dependent plastic behaviour of materials without the need for the consideration of rate dependency parameters in the constitutive relationships. The CPM model is further extended to consider the reduction in the stiffness properties with incremental loading and to develop a unified energy-based damage and plasticity model. The models are implemented in a Finite Element (FE) analysis program for the validation of the models. The result shows that the energy-based damage and plastic deformation models are capable of predicting the behaviour of asphalt concrete mixtures under varying stress-states and strain-rate conditions. The work in this thesis provides the basis for the development of more fundamental understanding of the asphalt concrete material response and the application of sound and solid mechanics principles in the analysis and design of pavement structures. / En heltäckande karakterisering av skador och plastiska beteende hos asfaltblandningar under varierande belastningshastighet och spänningstillstånd är en komplex och svår uppgift. En orsak till detta är relaterat till materialets belastningshastighet- och temperaturberoende, såväl som variationen i materialegenskaperna hos de ingående komponenterna i den sammansatta asfaltblandningen. Befintliga spänningsbaserade modeller för asfaltbetongmaterial är utvecklade baserade på mekanikprinciper, men dessa modeller är begränsade när det gäller analys och design av verkliga asfaltsbeläggningar eftersom hastighetsberoende parametrar behövs i den konstitutiva modellen även med hänsyn till töjningshastighetens inverkan på kriterier för gränser och utveckling av spänningstillstånd. Det finns därför behov av att utveckla enkla men ändå heltäckande konstitutiva modeller som kan användas för att modellera beteendet hos asfaltmassan över ett brett spektrum av belastningshastigheter för olika av sektioner asfaltsbeläggningar. Syftet med denna avhandling är att öka förståelsen av hållfasthets- och deformationsmekanismer för asfaltblandningar genom multi-modellering. Målet är att utveckla enkla och heltäckande kontinuummodeller som karakteriserar materialets olinjära beteende under varierande spänningstillstånd och betingelser. Ett analysramverk har utvecklats för utvärdering av påverkan av asfaltmassans morfologi på dess mekaniska egenskaper och beteende med hjälp av röntgendatortomografi och digital bildbehandlingsteknik. Detta förfarande har sedan använts för att undersöka förekomsten av inneboende kritiska tröskelvärden för brottenergin för mesosprickinitiering vilket i sin tur ligger till grund för utvecklingen av en teori för modellering av energibaserade skador och plastisk deformation hos asfaltblandningar. En ny energidensitet baserad viskoelastisk skademodell utvecklas och föreslås utgå från kontinuum-skade-mekanik (CDM) och termodynamik för irreversibla processer. En andra ordningens skadevariabeltensor införs för att ta hänsyn till  skadedistributionen i materialen i de olika principiella skaderiktningarna. På detta sätt kan materialets respons i drag- och tryckbelastning separeras och effekterna av spänningstillstånd i både drag och tryck kan beaktas på ett adekvat sätt. Baserat på resultaten från den energibaserade skademodellen utvecklas och föreslås en motsvarande metod för mikrosprickspänning gällande skade- och brottkarakteriseringen av asfaltblandningar. Metoden för den effektiva mikrosprickspänningen tar hänsyn till materialets styvhet och en kritisk tröskelenergi för mikrosprickinitiering för karakteriseringen av skador och brottegenskaper hos blandningen. Denna metod är utvecklad baserat på grundläggande mekanikprinciper och kan för rent elastiska material reduceras till Griffiths energibalanskriterium utan hänsyn till ytenergi och sprickstorlek vid bestämningen av brottspänningen. En ny termodynamikbaserad modell för kontinuumplasticitetsmekanik (CPM) utvecklas för att beskriva det plastiska beteendet hos asfaltbetongmaterial med energibaserade kriterier härledda för initiering och progression av plastisk deformation. En intern tillståndsvariabel kallad "plasticitetvariabeln" införs för att beskriva den fördelade dislokationsrörelsen i mikrostrukturen. CPM-modellen förenar befintliga elasto-plastiska och visko-plastiska teorier i en teori och visar sig vara särskilt effektiv i modelleringen av hastighetsberoende plastiskt beteende hos material utan att behöva beakta hastighetsberoende parametrar i de konstitutiva sambanden. CPM-modellen utvidgas ytterligare för att kunna beakta reduktionen av styvheten med stegvis ökad belastning och för att utveckla en enhetlig energibaserad skade- och plasticitetmodell. Modellerna är implementerade i ett finit element (FE)-analysprogram för validering av modellerna. Resultatet visar att de energibaserade modellerna för skador och plastisk deformation kan förutsäga beteendet hos asfaltbetongblandningar under varierande spänningstillstånd och töjningshastighetsförhållanden. Arbetet i denna avhandling utgör grunden för utvecklingen av mer grundläggande förståelse av asfaltbetongmaterialets respons och tillämpningen av sunda och robusta mekanikprinciper i analys och design av asfaltstrukturer. / <p>QC 20161220</p>

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(エネルギー科学) / 甲第22672号 / エネ博第404号 / 新制||エネ||77(附属図書館) / 京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻 / (主査)准教授 森下 和功, 教授 星出 敏彦, 教授 今谷 勝次 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Energy Science / Kyoto University / DGAM

A finite element model is developed in Abaqus Explicit to determine the resistance of Salem Limestone with three levels of initial micro-cracking to high-speed, monotonic impact. A comprehensive description of the model development is included, and the model is validated by comparing simulation impact results to known penetration depths during a mesh refinement study. The uniaxial compression simulations were performed to correlate the HJC damage parameter to the uniaxial compressive strengths from mechanical test data. Then, the HJC damage parameter is compared to the unconfined compression strengths to correlate the micro-crack damage levels. Subsequently, the model was used to determine the correlation of the penetration depths at the finite damage levels. In conclusion, the model described in the paper can adequately predict the penetration depths of the projectiles for a range of micro-crack damage levels. The micro-cracking did/did not affect the penetration depth.

Cette thèse a permis d'étudier la perméabilité du béton sous conditions thermiques et hydriques variables, ainsi que l'effet de fissuration. Nombreux essais (mesures de saturation et perméabilité, essai de compressions uniaxiales et triaxiales et hydrostatiques) ont été menés afin d'évaluer l'influence de la température et de la saturation sur le comportement hydraulique du béton sain et microfissuré. En parallèle, un dispositif de mesure de la perméabilité sur béton macro fissuré permet d'étudier le comportement d'une macro-fissure de béton confinée et soumise à écoulement de gaz sec ou l'air très humide à différentes températures. Les essais mécaniques multiaxiaux sont couplés aux mesures de perméabilité sur béton sain et micro-fissuré par gel-dégel, qui permet d'évaluer la perméabilité sous charge déviatorique et l'effet de préfissuration sous contrainte. Nous avons également effectué un essai de perméabilité relative du béton en fonction de la saturation en eau, soumis à la dessiccation ou à la resaturation, en conditionnant par les différentes humidités relatives imposées / The main objective of this study is to evaluate the variable thermal and hydric effect, with fissuration effect on the hydraulic behaviour of two concretes. Many experimental tests (saturation and permeability measurements, uniaxial and triaxial compressions tests) were carried out in order to investigate the temperature and saturation influence on the behaviour hydraulic on sound and micro-cracked concrete. Moreover, an experimental device for permeability measurement on macro-cracked concrete was realized, it allows to study the behaviour of macro-cracked of concrete confined and subjected to dry gas flow or very moist air at different temperatures. Multiaxial mechanical tests are coupled to the permeability measurements of sound concrete and micro-cracked by freezing and thawing, which allow to measuring the permeability under deviatoric load-unload with the effect of pre-cracking under stress. We also effectuated a test of relative permeability of concrete as a function of water saturation, subjected to drying and resaturation, conditioning by the different relative humidity imposed

The current thesis focuses on the deformation behaviour and strain distribution in the microstructure of ductile iron during tensile loading. Utilizing Digital Image Correlation (DIC) and in-situ tensile test under optical microscope, a method was developed to measure high resolution strain in microstructural constitutes. In this method, a pit etching procedure was applied to generate a random speckle pattern for DIC measurement. The method was validated by benchmarking the measured properties with the material’s standard properties. Using DIC, strain maps in the microstructure of the ductile iron were measured, which showed a high level of heterogeneity even during elastic deformation. The early micro-cracks were initiated around graphite particles, where the highest amount of local strain was detected. Local strain at the onset of the micro-cracks were measured. It was observed that the micro-cracks were initiated above a threshold strain level, but with a large variation in the overall strain. A continuum Finite Element (FE) model containing a physical length scale was developed to predict strain on the microstructure of ductile iron. The materials parameters for this model were calculated by optimization, utilizing Ramberg-Osgood equation. For benchmarking, the predicted strain maps were compared to the strain maps measured by DIC, both qualitatively and quantitatively. The DIC and simulation strain maps conformed to a large extent resulting in the validation of the model in micro-scale level. Furthermore, the results obtained from the in-situ tensile test were compared to a FE-model which compromised cohesive elements to enable cracking. The stress-strain curve prediction of the FE simulation showed a good agreement with the stress-strain curve that was measured from the experiment. The cohesive model was able to accurately capture the main trends of microscale deformation such as localized elastic and plastic deformation and micro-crack initiation and propagation.

This thesis focuses on the effect of microstructural variation on the mechanical properties and deformation behavior of ductile iron. To research and determine these effects, two grades of ductile iron, (i) GJS-500-7 and (ii) high silicon GJS-500-14, were cast in a geometry containing several plates with different section thicknesses in order to produce microstructural variation. Microstructural investigations as well as tensile and hardness tests were performed on the casting plates. The results revealed higher ferrite fraction, graphite particle count, and yield strength in the high silicon GJS-500-14 grade compared to the GJS-500-7 grade. To study the relationship between the microstructural variation and tensile behavior on macroscale, tensile stress-strain response was characterized using the Ludwigson equation. The obtained tensile properties were modeled, based on the microstructural characteristics, using multiple linear regression and analysis of variance (ANOVA). The models showed that silicon content, graphite particle count, ferrite fraction, and fraction of porosity are the major contributing factors that influence tensile behavior. The models were entered into a casting process simulation software, and the simulated microstructure and tensile properties were validated using the experimental data. This enabled the opportunity to predict tensile properties of cast components with similar microstructural characteristics. To investigate deformation behavior on micro-scale, a method was developed to quantitatively measure strain in the microstructure, utilizing the digital image correlation (DIC) technique together with in-situ tensile testing. In this method, a pit-etching procedure was developed to generate a random speckle pattern, enabling DIC strain measurement to be conducted in the matrix and the area between the graphite particles. The method was validated by benchmarking the measured yield strength with the material’s standard yield strength. The microstructural deformation behavior under tensile loading was characterized. During elastic deformation, strain mapping revealed a heterogeneous strain distribution in the microstructure, as well as shear bands that formed between graphite particles. The crack was initiated at the stress ranges in which a kink occurred in the tensile curve, indicating the dissipation of energy during both plastic deformation and crack initiation. A large amount of strain localization was measured at the onset of the micro-cracks on the strain maps. The micro-cracks were initiated at local strain levels higher than 2%, suggesting a threshold level of strain required for micro-crack initiation. A continuum Finite Element (FE) model containing a physical length scale was developed to predict strain on the microstructure of ductile iron. The material parameters for this model were calculated by optimization, utilizing the Ramberg-Osgood equation. The predicted strain maps were compared to the strain maps measured by DIC, both qualitatively and quantitatively. To a large extent, the strain maps were in agreement, resulting in the validation of the model on micro-scale. In order to perform a micro-scale characterization of dynamic deformation behavior, local strain distribution on the microstructure was studied by performing in-situ cyclic tests using a scanning electron microscope (SEM). A novel method, based on the focused ion beam (FIB) milling, was developed to generate a speckle pattern on the microstructure of the ferritic ductile iron (GJS-500-14 grade) to enable quantitative DIC strain measurement to be performed. The results showed that the maximum strain concentration occurred in the vicinity of the micro-cracks, particularly ahead of the micro-crack tip. / Denna avhandling fokuserar på effekten av variationer i mikrostrukturen på mekaniska egenskaper och deformationsbeteende hos segjärn. För att undersöka dessa effekter, två olika sorter av segjärn, (i) GJS-500-7 och (ii) högkisellegerad GJS-500-14, gjutits till plattor av olika tjocklekar för att generera mikrostrukturvariationen. Mikrostrukturundersökning, samt drag- och hårdhetsprov gjordes på de gjutna plattorna. Resultaten visade att en högre ferritfraktion, grafitpartikelantal och sträckgräns i den högkisellegerade GJS-500-14-sorten jämfört med GJS-500-7. För att studera förhållandet mellan mikrostrukturell variation och spännings-töjningsbeteendet på makroskala, modellerades detta med hjälp av Ludwigson-ekvationen. De erhållna spännings-töjningsegenskaperna modellerades baserat på mikrostrukturell karaktäristika genom multipel linjärregression och variansanalys (ANOVA). Modellerna visade att kiselhalt, grafitpartikelantal, ferritfraktion och porfraktion var de viktigaste bidragande faktorerna. Modellerna implementerades i ett simuleringsprogram för gjutningsprocessen. Resultatet från simuleringen validerades med hjälp av experimentella data som inte ingick i underlaget för regressionsanalysen. Detta möjliggjorde att prediktera spännings-töjningsbeteendet och dess variation hos gjutna segjärns komponenter med liknande sammansättning och gjutna tjocklekar som användes i denna studie. För att kunna undersöka deformationsbeteendet på mikroskala utvecklades en metod för kvantitativ mätning av töjning i mikrostrukturen, genom DIC-tekniken (digital image correlation) tillsammans med in-situ dragprovning. I denna metod utvecklades en grop-etsningsprocess för att generera ett slumpvis prickmönster, vilket möjliggjorde DIC-töjningsmätning i matrisen och i området mellan grafitpartiklarna med tillräcklig upplösning. Metoden validerades genom benchmarking av den uppmätta sträckgränsen mot materialets makroskopiska sträckgräns mätt med konventionell dragprovning. Det mikrostrukturella deformationsbeteendet under dragbelastning karakteriserades. Under elastisk deformation avslöjade töjningsmönstret en heterogen töjningsfördelning i mikrostrukturen, och bildandet av skjuvband mellan grafitpartiklar. Sprickbildning initierades vid låg spänning och redan vid de spänningsnivåer som ligger vis ”knät” på dragprovningskurvan, vilket indikerar energidissipering genom både begynnande plastisk deformation och sprickbildning. Den lokala töjningen vis sprickinitiering skedde då den lokala töjningen översteg 2%, vilket indikerar att detta skulle kunna vara en tröskelnivå för den töjning som erfordras för initiering av mikro-sprickor. En kontinuum Finita Element (FE) modell utvecklades för att prediktera töjningen hos ett segjärn och dess fördelning i segjärns mikrostruktur. Materialparametrarna för denna modell optimerades genom att anpassa parametrarna i Ramberg-Osgood ekvationen. De predikterade töjningsfördelningarna jämfördes med de experimentell uppmätta töjningsmönstren uppmätta med DIC, både kvalitativt och kvantitativt. Töjningsmönstren överensstämde i stor utsträckning, vilket resulterade i att modellerna kunde anses vara validerade på mikronivå. För att kunna mäta töjningsmönster under dynamiska förlopp på mikronivå utvecklades en metod för att skapa prickmönster och att utföra in-situ CT provning i ett svepeletronmikroskop (SEM). Prickmönstret skapades genom avverkning med en fokuserad jonstråle (FIB), och provades på det ferritiska segjärnet (GJS-500-14 grad). Resultaten visade att maximal töjningskoncentration fanns i närheten av mikrosprickorna, framförallt framför sprickspetsen.

Dreiaxiale Druckprüfungen können als Einstufenversuche, als Mehrstufenversuche oder als Versuche mit kontinuierlichen Bruchzuständen ausgeführt werden. Bei der Anwendung der Mehrstufentechnik ergeben sich insbesondere Fragestellungen hinsichtlich der richtigen Wahl des Umschaltpunktes und des optimalen Verlaufs des Spannungspfades zwischen den einzelnen Versuchsstufen. Fraglich beim Versuch mit kontinuierlichen Bruchzuständen bleibt, ob im Versuchsverlauf tatsächlich Spannungszustände erfasst werden, welche die Höchstfestigkeit des untersuchten Materials repräsentieren. Die Dissertation greift diese Fragestellungen auf, ermöglicht den Einstieg in die beschriebene Thematik und schafft die Voraussetzungen, die zur Lösung der aufgeführten Problemstellungen notwendig sind. Auf der Grundlage einer umfangreichen Datenbasis gesteinsmechanischer und petrophysikalischer Kennwerte wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches das Spannungs-Verformungs-, Festigkeits- und Bruchverhalten eines Sandsteins im direkten Zug- und im einaxialen Druckversuch sowie in dreiaxialen Druckprüfungen zufriedenstellend wiedergibt. Das Festigkeitsverhalten des entwickelten Modells wurde in Mehrstufentests mit unterschiedlichen Spannungspfaden analysiert und mit den entsprechenden Laborbefunden verglichen.

Dreiaxiale Druckprüfungen können als Einstufenversuche, als Mehrstufenversuche oder als Versuche mit kontinuierlichen Bruchzuständen ausgeführt werden. Bei der Anwendung der Mehrstufentechnik ergeben sich insbesondere Fragestellungen hinsichtlich der richtigen Wahl des Umschaltpunktes und des optimalen Verlaufs des Spannungspfades zwischen den einzelnen Versuchsstufen. Fraglich beim Versuch mit kontinuierlichen Bruchzuständen bleibt, ob im Versuchsverlauf tatsächlich Spannungszustände erfasst werden, welche die Höchstfestigkeit des untersuchten Materials repräsentieren. Die Dissertation greift diese Fragestellungen auf, ermöglicht den Einstieg in die beschriebene Thematik und schafft die Voraussetzungen, die zur Lösung der aufgeführten Problemstellungen notwendig sind. Auf der Grundlage einer umfangreichen Datenbasis gesteinsmechanischer und petrophysikalischer Kennwerte wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches das Spannungs-Verformungs-, Festigkeits- und Bruchverhalten eines Sandsteins im direkten Zug- und im einaxialen Druckversuch sowie in dreiaxialen Druckprüfungen zufriedenstellend wiedergibt. Das Festigkeitsverhalten des entwickelten Modells wurde in Mehrstufentests mit unterschiedlichen Spannungspfaden analysiert und mit den entsprechenden Laborbefunden verglichen.