Spherical Indentation Technique for Multiscale Characterisation of Asphalt Mixtures

• The viscoelastic properties of asphalt  mixtures  strongly  influence the  performance of flexible pavements  with respect to  their resistance to several common distress modes. Therefore, accurate measurement of these properties and their change during the service life is an important area of ongoing research. Despite considerable progress in this field, certain questions are still not fully resolved. In particular, commonly used experimental methods cannot be applied for the viscoelastic characterisation  of  thin asphalt layers and asphalt overlays.  Moreover,  measuring the  viscoelastic properties of the  downscaled sub-phases of asphalt mixtures, such as mastic or mortar, in the field remains a challenge. Understanding the viscoelastic properties of those sub-phases  is crucial  for gaining fundamental insight  into  the mixture performance. In this context, advanced and computationally efficient micromechanical models are also needed in order to establish the quantitative link between the viscoelastic properties of asphalt mixtures and of their sub-phases. This thesis aims to contribute to this important area through  the  development of new experimental and modelling  tools for  the  multiscale characterisation of asphalt mixtures. In this thesis, a new micromechanical modelling approach for bitumen-aggregate composites is proposed and used to investigate the mechanical behaviour of mastic, mortar and asphalt mixtures.  To achieve  computational efficiency, the proposed approach is based on a simplified, computer-generated representation of materials internal structure and utilises periodic boundary conditions to reduce the representative volume element size. Based on the Dynamic Shear Rheometer (DSR) measurements,  it is shown that the proposed model can capture the measured viscoelastic behaviour of mastics for the range of loading, temperature and material parameters examined.  For  the  modelling of mortar and asphalt mixtures, the multiscale approach is applied in order to improve computational efficiency. Obtained computational results indicate that the developed approach is capable of capturing the mixtures’ macro-scale viscoelastic properties with reasonable accuracy. An instrumented indentation test for the viscoelastic characterisation of bitumen and bitumen-aggregate composites, such as mastic, mortar and asphalt mixtures is proposed in this thesis as a new alternative to existing techniques. A new methodology for the indentation testing of linear viscoelastic materials is developed, allowing their characterisation at arbitrary non-decreasing loading.  In order to extend the developed method to the multiscale characterisation of bitumen-aggregate composites, the spherical indentation on different types of asphalt mixtures, such as asphalt mortar, mastic asphalt (MA) and asphalt concrete (AC), has been investigated experimentally and through micromechanical modelling. The effect of the indentation test parameters on the measured apparent viscoelastic properties of bitumen-aggregate composites has been evaluated. A particular emphasis  is put on  the  identification of test parameters corresponding to  the characterisation of binder-aggregate composites on the macroscale as well as on the individual component scale. The experimental results demonstrate that the developed indentation test can capture the macroscale properties of materials reasonably  well, and the obtained results  correlate linearly with the properties measured with established test methods. Furthermore, in order to gain better insight into mastic phase properties from the indentation tests performed on MA and AC, a new statistical analysis procedure has been developed for the evaluation of a series of indentation tests. The developed procedure allows identifying clusters of measurements capturing the mastic-  and aggregate-dominated responses of the asphalt mixture.  The  indentation  measurements attributed to mastic-dominated response are found to be more sensitive to the temperature and mastic properties as compared to the mean measurements of the indentation test series. The obtained results  indicate that  the  developed  indentation  test  is a  viable alternative to existing viscoelastic characterisation methods, in particular as the test is quasi-non-destructive and can be used to characterise thin asphalt layers. Furthermore, combined with the developed statistical analysis procedure, indentation testing is a promising tool to monitor the changes in the mastic phase of the materials due to ageing, moisture damage or fatigue from the measurements on asphalt mixtures  without extracting the binder.  The developed micromechanical model can also be used to quantify the effect of  changing mastic properties on the asphalt mixture performance. This is particularly true for the strain localisations in the mastic phase and thus the mixture’s damage resistance. 

• Asfaltsblandningars viskoelastiska egenskaper har en stor påverkan på uppträdandet av asfaltsvägar på grund av deras resistens mot flera vanliga skadeorsaker. Precisa mätningar av dessa egenskaper och deras förändringar under deras livslängd är därför ett viktigt område för pågående forskning. Trots omfattande framsteg inom området så har vissa frågor fortfarande inte besvarats helt. I synnerhet kan inte de existerande experimentella metoderna appliceras för viskoelastisk karakterisering av tunna asfaltslager och asfaltslagningar. Dessutom finns inga tillgängliga metoder för mätning av subfaserna av asfaltsblandningar på en mindre skala, såsom mastix, i.e. en blanding av bitumen och partiklar mindre än 64 mikrometer, och asfaltbruk, i.e. en blandning mellan bitumen och stenpartiklar mindre än 2 mm. Förståelse av de viskoelastiska egenskaperna är av största vikt för att få en grundläggande föståelse i blandningens uppträdande. För detta behövs även avancerade och beräkningseffektiva mikromekaniska modeller för att etablera en kvantitativ länk mellan de viskoelastiska egenskaperna hos asfaltsblandningar och deras subfaser. Denna avhandling strävar mot att bidra till detta viktiga område genom utvecklingen av nya experimentella verktyg och modelleringsverktyg för multiskalekarakterisering av asfaltsblandningar.  I denna avhandling föreslås ett nytt tillvägagångssätt för mikromekanisk modellering som används för att undersöka det mekaniska beteendet av mastix, asfaltbruk och asfaltsblandningar. För att uppnå beräkningseffektivitet baseras det föreslagna tillvägagångssättet på en förenklad, datorgenererad representation av materialens interna struktur och utnyttjar periodiska randvillkor för att reducera storleken på det representativa volymelementet. Med hjälp av mätningar i Dynamisk Skjuvreometer (DSR) visas det att den föreslagna modellen kan fånga det uppmätta viskoelastiska beteendet av mastix för de belastningar, temperaturer och materialparametrar som undersökts. För modelleringen av asfaltbruk och asfaltsblandningar appliceras multiskaletillvägagångssättet för att förbättra beräkningseffektiviteten. De erhållna beräknade resultaten indikerar att det utvecklade tillvägagångssättet är kapabelt att fånga de viskoelastiska egenskaperna på blandningens makronivå med rimlig noggrannhet.  Ett instrumenterat intrycksprov för viskoelastisk karakterisering av bitumen och kompositer bestående av bitumen och stenmaterial, såsom mastix, asfaltbruk och asfaltsblandningar, föreslås i denna avhandling som ett nytt alternativ till existerande tekniker. En ny metodologi för intrycksprovning av linjära viskoelastiska material har utvecklats, vilket tillåter karakteriseringen av dem vid en godtycklig icke-minskande belastning. För att bredda användningsområdet för den utvecklade metoden till multiskalekarakterisering av bitumen-stenkompositer har den sfäriska intryckningen på olika typer av asfaltsblandningar undersökts experimentellt och genom mikromekanisk modellering. Effekten av de olika parametrarna i intrycksprovet på de mätta viskoelastiska egenskaperna av bitumen-stenkompositerna har utvärderats. Ett särskilt fokus har lagts på identifieringen av provningsparametrar som korresponderar till karakteriseringen av kompositerna på makronivå samt på den individuella komponentnivån. De experimentella resultaten demonstrerar att det utvecklade intrycksprovet kan fånga de testade materialens egenskaper på makronivå på en rimlig nivå och de erhållna resultaten korrelerar linjärt med egenskaperna som mätts med etablerade provningsmetoder. För att få en bättre insikt i mastixfasens egenskaper från intrycksprovningen utförd på asfaltsblandningar, har dessutom en ny statistisk analysprocedur föreslagits för utvärderingen av en serie intrycksprover. Den föreslagna proceduren möjliggör identifiering av kluster av mätningar som fångar asfaltsblandningars mastix-  och stendominerande respons. Intrycksmätningarna som tillskrivs den mastixdominerande responsen konstaterades vara mer känslig för temperatur och mastixens egenskaper jämfört med de genomsnittliga mätningarna.  De erhållna resultaten indikerar att det utvecklade intrycksprovet är ett lovande alternativ till existerande viskoelastiska karakteriseringsmetoder, särskilt eftersom metoden är kvasi-icke-förstörande och kan användas för att karakterisera tunna asfaltslager. Dessutom är intrycksprovning, i kombination med den utvecklade statistiska analysproceduren, ett lovande verktyg för att övervaka förändringar i mastixfasen i material på grund av åldring, fukt eller utmattning från mätningar på asfaltsblandningar utan att extrahera bindemedlet. Den utvecklade mikromekaniska modellen kan också användas för att kvantifiera effekten av mätta förändringar i mastixens egenskaper på asfaltsblandningens uppträdande med avseende på till exempel töjningslokaliseringarna i mastixfasen och därmed blandningens resistens mot skada. 

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Infrastrukturteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Infrastructure Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Teknisk mekanik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Applied Mechanics (hsv//eng)

Nyckelord

Building Materials

Byggnadsmaterial

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)