Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Energy-Based Damage and Fracture Framework for Viscoelastic Asphalt Concrete
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Building Materials.ORCID iD: 0000-0003-2849-5263
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Structural Engineering and Bridges.ORCID iD: 0000-0001-7333-1140
2015 (English)In: Engineering Fracture Mechanics, ISSN 0013-7944, E-ISSN 1873-7315, Vol. 145, 67-85 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

A framework based on the continuum damage mechanics and thermodynamics of irreversible processes using internal state variables is used to characterize the distributed damage in viscoelastic asphalt materials in the form of micro-crack initiation and accumulation. At low temperatures and high deformation rates, micro-cracking is considered as the source of nonlinearity and thus the cause of deviation from linear viscoelastic response. Using a non-associated damage evolution law, the proposed model shows the ability to describe the temperature-dependent processes of micro-crack initiation, evolution and macro-crack formation with good comparison to the material response in the Superpave indirect tensile (IDT) strength test.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. Vol. 145, 67-85 p.
National Category
Infrastructure Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-164894DOI: 10.1016/j.engfracmech.2015.07.003ISI: 000362612900005Scopus ID: 2-s2.0-84937231899OAI: oai:DiVA.org:kth-164894DiVA: diva2:806432
Note

Updated from submitted to published.

QC 20151104

Available from: 2015-04-20 Created: 2015-04-20 Last updated: 2017-12-04Bibliographically approved
In thesis
1. Development of a Morphology-based Analysis Framework for Asphalt Pavements
Open this publication in new window or tab >>Development of a Morphology-based Analysis Framework for Asphalt Pavements
2015 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The morphology of asphalt mixtures plays a vital role in their properties and behaviour. The work in this thesis is aimed at developing a fundamental understanding of the effect of the asphalt morphology on the strength properties and deformation mechanisms for development of morphology-based analysis framework for long-term response prediction. Experimental and computational methods are used to establish the relationship between the mixture morphology and response. Micromechanical modeling is employed to understand the complex interplay between the asphalt mixture constituents resulting in strain localization and stress concentrations which are precursors to damage initiation and accumulation. Based on data from actual asphalt field cores, morphology-based material models which considers the influence of the morphology on the long-term material properties with respect to damage resistance, healing and ageing are developed. The morphology-based material models are implemented in a hot-mix asphalt (HMA) fracture mechanics framework for pavement performance prediction. The framework is able to predict top-down cracking initiation to a reasonable extent considering the variability of the input parameters. A thermodynamic based model for damage and fracture is proposed. The results from the study show that the morphology is an important factor which should be taken into consideration for determining the short- and long-term response of asphalt mixtures. Further understanding of the influence of the morphology will lead to the development of fundamental analytical techniques in design to establish the material properties and response to loads. This will reduce the empiricism associated with pavement design, reduce need for extensive calibration and validation, increase the prediction capability of pavement design tools, and advance pavement design to a new level science and engineering.

Abstract [sv]

Asfaltblandningars morfologi har en avgörande betydelse för deras egenskaper och beteenden. Arbetet i denna avhandling syftar till att utveckla en grundläggande förståelse för effekten av asfaltsmorfologin för deras hållfasthetsegenskaper och deformationsmekanismer och utveckling av ramverksanalysmorfologi baserat på långsiktig förutsägelse. Experimentella beräkningsmetoder används för att fastställa sambandet mellan blandningens morfologi och respons. Mikromekanisk modellering används för att förstå det komplexa samspelet mellan asfaltmassans beståndsdelar som resulterar i spänningslokalisering och spänningskoncentrationer som är föregångare till initiering av skador och ackumulation. Morfologibaserade materialmodeller beaktar påverkan av morfologin på de långsiktiga materialegenskaperna med avseende på skademotstånd, helande samt åldrande, och är utvecklade från data hos verkliga asfaltsfältskärnor. Morfologinbaserade materialmodeller är implementerade i en varmblandad asfalt-( HMA )-brottmekanik-ramverk för förutsägelse av beläggningsprestanda. Ramverket kan i rimlig utsträckning förutspå variationen i ingångsparametrarna ’top-down’ sprickbildningsinitiering. En termodynamiskbaserat ramverk föreslås för skador och brott. Resultaten från studien visar att morfologin är en viktig faktor som bör beaktas för att bestämma respons av asfaltblandningar på kort och lång sikt. Ytterligare förståelse av inverkan av morfologin kommer att leda till utvecklingen av grundläggande analytiska tekniker i design för fastställning av materialegenskaper och belastningars respons. Detta kommer att minska empirism som förknippas med beläggningskonstruktionen, minska behovet av omfattande kalibrering och validering, öka förutsägelseförmågan av designverktyg för beläggningen, samt avancera beläggningsdesign till en ny vetenskaplig nivå och ingenjörskonst.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. ix, 24 p.
Series
TRITA-BYMA, ISSN 0349-5752 ; 2015:2
Keyword
Morphology, damage, X-ray computed tomography, top-down cracking, fracture, Morfologi, skador, röntgendatortomografi, ’top-down’sprickbildning, fraktur
National Category
Infrastructure Engineering
Research subject
Civil and Architectural Engineering; Materials Science and Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-164863 (URN)
Presentation
2015-05-08, B26, Brinellvägen 23, KTH, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Translational Program in Diabetes Research, Education and Care
Note

QC 20150420

Available from: 2015-04-20 Created: 2015-04-20 Last updated: 2015-06-24Bibliographically approved
2. Development of Energy-based Damage and Plasticity Models for Asphalt Concrete Mixtures
Open this publication in new window or tab >>Development of Energy-based Damage and Plasticity Models for Asphalt Concrete Mixtures
2017 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2017. 88 p.
Series
TRITA-BYMA, ISSN 0349-5752 ; 2017:01
Keyword
energy-based models, damage, X-ray computed tomography, continuum plasticity mechanics CPM, effective micro-crack stress
National Category
Civil Engineering
Research subject
Transport Science
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-198663 (URN)978-91-7729-242-5 (ISBN)
Public defence
2017-01-27, V2, Teknikringen 76, Stockholm, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Transport Administration
Note

QC 20161220

Available from: 2016-12-20 Created: 2016-12-19 Last updated: 2016-12-20Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Onifade, IbrahimBirgisson, BjörnBalieu, Romain

Search in DiVA

By author/editor
Onifade, IbrahimBirgisson, BjörnBalieu, Romain
By organisation
Building MaterialsStructural Engineering and Bridges
In the same journal
Engineering Fracture Mechanics
Infrastructure Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 273 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf