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>
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-198663 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Onifade, Ibrahim |
| Publisher | KTH, Byggnadsmaterial |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Doctoral thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-BYMA, 0349-5752 ; 2017:01 |
Page generated in 0.0035 seconds