Evaluation of Low Temperature Damage in Asphalt Mixtures with Non-Contact Resonance Testing

• Thetemperature induceddamage in asphalt mixtureshas always been a major distress that requires a substantialconsiderationin the asphalt industry. One of the most important aspects of studying temperature induceddamage is developing a practical test method for evaluation of the material’s resistanceto it. Hence, there is a growing interest in developing testing methodologieswhich are more efficient, less expensive and simpler to perform than the conventional test methods. Impact resonance testing is a well-documented non-destructive testing method,and ithas been successfully appliedon asphalt mixturesto measure their elastic and viscoelastic properties. This research aims at extending the impact resonance testing methodology to characterization of temperature induced damage in asphalt mixtures and to investigate experimentally and numerically damage induced in asphalt mixtures due to thermomechanical mismatch between the masticand aggregate phases.In order to improve temperature control and thus accuracy of the resonance testing, an automated non-contact test procedure is developedwith a loudspeakerutilized as a source of excitation.The developed methodology has been evaluatedfor a range of asphalt concrete materialsand temperatures. The measurementsobtained from the new method have been verified by taking similar resonance frequency measurements usinganinstrumented impact hammer. Results from this work show that repeatable fundamental resonance frequency measurements can be performed onadisc shaped specimen in an automated manner without the need to open thethermal chamberthat is used to condition test specimens.Investigationsofmicro-damage in asphalt concrete due to differential thermal contraction during cooling cycles havebeen carried out experimentally by using the developedautomated non-contact resonance testingcombined withcyclic cooling. The results of the experimental work haveshown the initiation of low temperature micro-damage and a hysteretic behavior of stiffness modulus during thethermal cycles. Energy based micro-mechanical model is also utilized in order to characterize themicro-crackinitiation and growthin asphalt concrete due to cyclic low temperature variations.Results of this approach have indicated the initiation of micro-cracksat low temperatures as well as the decrease in their length with increase in temperature. In order to obtain a quantitative insight into the temperature induced damage formation, a micromechanical finite element model (FEM) of asphalt mixtureunder thermal loading is developed. The model is used to investigate the damage evolution during the thermal cycles as well as its effect on material’s stiffness. Four cases ofmastic-aggregate combinations aremodelledin order to investigate effects of aggregate gradation as well as of masticpropertieson the thermal damage evolution. Cohesive Zone Model (CZM) isused to define aggregate-masticinterface so that an initiation of micro-damage due to differential thermal contraction can be probedin terms of its effect on the overall stiffness modulus. It is observed numerically that during the thermal cycles, thermal damage is initiated at the aggregate-mastic interface due to the differential contraction of mastic. It is also shown that the modelling observations are in qualitative agreement with the experimental findings from the resonance testing. Accordingly, the proposed modelling approach is a viable tool for evaluation of theeffect of asphalt mixture design on its resistance to thermally induced damage.

• Temperaturinducerade skador i asfaltbeläggningar har alltid varit en viktig faktor som kräver ett väsentligt övervägande iasfaltindustrin. En av de viktigaste aspekterna av att studera temperaturinducerade skador är att utveckla en praktisk provningsmetod för utvärdering av materialets motstånd mot sådana skador. Följaktligen finns det ett växande intresse för att utveckla testmetoder som är effektivare, billigare och enklare att utföra än de konventionella provningsmetoderna. Resonansprovning är en väldokumenterad oförstörande provningsmetod som framgångsrikt har tillämpats på asfalt för att mäta dess elastiska och viskoelastiska egenskaper. Denna forskning syftar till att utvidga metoden för resonansprovning till att karakterisera temperaturinducerad skada i asfalt och att experimentellt och numeriskt undersöka skada som framkallats i asfalt på grund av termomekanisk ojämnhet mellan asfaltbruket och stenskelettet.För att förbättra temperaturkontrollen och därmed noggrannheten i resonansprovningen utvecklas ett automatiskt provförfarande med en högtalare som används som exciteringskälla. Den utvecklade metoden har utvärderats för en rad asfaltbetongmaterial och temperaturer. Mätningarna som erhållits från den nya metoden har verifierats genom att göra liknande resonansfrekvensmätningar med hjälp av en instrumenterad hammare. Resultaten från detta arbete visar att repeterbara mätningar av resonansfrekvenser kan utföras på ett skivformat prov på ett automatiserat sätt utan att behöva öppna klimatskåpet.Undersökning av mikroskador i asfaltbetong på grund av differentiell termisk sammandragning under kylcykler har utförts experimentellt med användning av det utvecklade automatiserade resonansprovet kombinerat med cyklisk kylning. Resultaten av det experimentella arbetet har identifierat uppkomsten av mikroskador under låg temperatur och ett hysteretiskt beteende av styvhetsmodul under de termiska cyklerna. En energibaserad mikromekanisk modell används också för att karakterisera mikrosprickornas initiering och tillväxt i asfaltbetong på grund av cykliska lågtemperaturvariationer. Resultaten av detta tillvägagångssätt har indikeratinitiering av mikrosprickor vid låga temperaturer såväl som minskningen av sprickornas längd med ökad temperatur.För att få en kvantitativ inblick i temperaturinducerad skadebildning i asfalt utvecklas en mikromekanisk finit elementmodell (FEM) av asfalten under termisk belastning. Modellen används för att undersökaskadeutvecklingen i asfalt under de termiska cyklerna samt dess effekt på materialets styvhet. Fyra fall av asfaltbruk och graderingskombinationer beaktas i denna del av studien för att undersöka effekterna av kornkurvan såväl som av asfaltbrukets egenskaper på termisk skadeutveckling. Cohesive Zone Model (CZM) användsför att definiera gränssnittet av asfaltbruk och stenskelett så att en initiering av mikroskada på grund av differentiell termisk kontraktion kan undersökas i termer av dess effekt på den totala styvhetsmodulen. Det observeras numeriskt att under temperaturcyklerna initieras termisk skada vid gränssnittet av asfaltbruk och stenskelett på grund av differentiell kontraktion av asfaltbruket. Det visas också att modelleringsobservationerna överensstämmer kvalitativt med de experimentella resultaten från resonansprovningen avseende hysteretisk styvhetsmodulbeteende under de termiska cyklerna. Följaktligen är det föreslagna modelleringssättet ett möjligt verktyg för utvärdering av asfaltmaterialegenskapers effekt på asfaltens motståndskraft mot termiskt inducerad skada.

Ämnesord

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

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

Nyckelord

Asphalt concrete

dynamic modulus

non-contact excitation

resonance testing

thermally induced damage

viscoelasticity

Asfaltbetong

beröringsfri excitation

resonansfrekvens

resonansprovning

styvhetsmodul

Building Materials

Byggnadsmaterial

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)