Open this publication in new window or tab >>2025 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
Aggregate fracture in unbound granular materials (UGM) below asphalt pavement layers affects the pavement performance and may accelerate pavement distresses. Therefore, assessing the fracture resistance of the aggregates is important. In this study, a new numerical framework is introduced combined with an experimental study to predict aggregate fracture in UGMs and quantifying its influence on UGMs macro-mechanical behaviour. The developed framework is based on discrete element method (DEM) and allows to evaluate aggregate fracture for varying gradations, loading conditions and aggregate types. In order to ensure general applicability of the framework, granular mechanics-based contact laws and fracture models are developed and incorporated into DEM.To identify the material parameters and to validate the model, confined uniaxial compression tests are conducted on UGMs composed of different aggregate types where UGMs with different gradation are tested at different compressive loading magnitudes. For UGMs composed of crushed granite aggregates, it is shown that the DEM model, incorporating a particle fracture model based on Weibull weakest link theory captures the experimental observations well. In particular, the DEM model captures accurately the effects of gradation and load magnitude on the macro-mechanical response of UGMs, as well as on UGM performance regarding aggregate fracture.To accurately capture the mechanics of the aggregate fracture across a wide range of aggregate types, particularly for marginal quality aggregates, a new particle fracture model is developed. This model considers both the variability in aggregate shape and the statistical volume effect on fracture force distribution of individual aggregates. The capability of the new fracture model to capture the fracture forces of individual aggregates is tested through single particle crushing tests conducted on four differentiiaggregate types, and its performance is compared with two other widely used fracture models. The results show that, for all examined aggregate types, the new fracture model provides a better fit to the experimental data than the other two models. Furthermore, the new fracture model is incorporated into DEM and its performance with respect to capturing aggregate fracture in UGMs is investigated on UGMs composed of marginal quality aggregates. It is shown that incorporating the new fracture model into the DEM improves the accuracy of computational predictions.Furthermore, the feasibility of using a DEM model to evaluate the implications of aggregate fracture on UGMs macro-mechanical performance in terms of elastic stiffness and permanent deformation resistance is evaluated. The emphasize is given to UGMs containing aggregates with marginal fracture resistance and the feasibility of using the DEM model optimize pavement structural design to allow incorporation of marginal aggregates without excessively compromising performance is evaluated.The experimental and numerical results presented in this thesis indicate that the developed DEM model is a valuable tool for understanding and quantifying the effects of UGM material parameters, such as aggregate type and gradation, and loading conditions on UGM performance, particularly with respect to aggregate crushing. It was found that the developed model offers a significant potential for optimizing UGM material selection and composition as well as structural designs of roads, to mitigate aggregate crushing.
Abstract [sv]
Brott i aggregat i obundna granulära material (OGM) under asfaltbeläggningslager påverkar vägbeläggningens prestanda och kan påskynda skador. Därför är det viktigt att kunna bedöma aggregatens brottmotstånd. I denna studie introduceras ett nytt simuleringsramverk kombinerat med en experimentell studie för att förutsäga brott i aggregat i OGM och kvantifiera dess påverkan på OGMs makromekaniska beteende. Det utvecklade ramverket baseras på simuleringar med diskret elementmetod (DEM) och möjliggör utvärdering av brott i aggregat för varierande storleksfördelningar, belastningsförhållanden och aggregattyper. För att säkerställa metodens generella tillämpbarhet har kontaktlagar baserade på kontakmekanik och brottsmodeller utvecklats och integrerats i DEM.För att identifiera materialparametrarna och validera modellen genomförs inneslutna enaxliga kompressionstester på OGM bestående av olika aggregattyper där OGM med olika graderingar testas vid olika kompressionsbelastningar. För OGM bestående av krossade granitaggregat visas att DEM-modellen, som inkluderar en partikelbrottsmodell baserad på Weibulls weakest-link teori, väl fångar de experimentella observationerna. Specifikt fångar DEM-modellen noggrant effekterna av gradering och belastningsmängd på OGMs makromekaniska respons samt på OGMs prestanda i förhållande till aggregatbrott.För att noggrant fånga mekaniken för aggregatbrott för ett brett spektrum av aggregattyper, särskilt för aggregat med marginell kvalitet, har en ny partikelbrottsmodell utvecklats. Denna modell tar hänsyn till både variationen i aggregatens form och den statistiska volymeffekten på variationen av brottkrafter för enskilda aggregat. Den nya brottsmodellens förmåga att fånga brottkrafter hos enskilda aggregat testas genom krossningstester på enskilda partiklar utförda på fyra olika aggregattyper,ivoch den nya modellens predikterbarhet jämförs med två andra vanligt använda brottsmodeller. Resultaten visar att för alla undersökta aggregattyper ger den nya brottsmodellen en bättre överensstämmelse med de experimentella data än de två andra modellerna. Dessutom integreras den nya brottsmodellen i DEM och dess prestanda i förhållande till att fånga aggregatbrott i OGM undersöks på OGM som består av aggregat med marginal kvalitet. Det visas att integrering av den nya brottmodellen i DEM förbättrar noggrannheten i de numeriska förutsägelserna.Vidare utvärderas genomförbarheten av att använda DEM-modellen för att bedöma konsekvenserna av aggregatbrott på OGMs makromekaniska prestanda i termer av elastisk styvhet och beständighet mot permanent deformation. Fokus ligger på OGM innehållande aggregat med marginellt brottmotstånd och genomförbarheten av att använda DEM-modellen för att optimera vägbeläggningens strukturella design för att möjliggöra inkorporering av marginalaggregat utan att kompromissa för mycket med prestandan.De experimentella och numeriska resultaten som presenteras i denna avhandling indikerar att den utvecklade DEM-modellen är ett värdefullt verktyg för att förstå och kvantifiera effekterna av OGM-materialparametrar, såsom aggregattyp och gradering, samt belastningsförhållanden på OGMs prestanda, särskilt med avseende på aggregatkrossning. Det kan konstateras att den utvecklade modellen erbjuder en betydande potential för att optimera val och sammansättning av OGM-material samt den strukturella designen av vägbeläggningen för att minska aggregatkrossning.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2025. p. ix, 58
Series
TRITA-ABE-DLT ; 2530
Keywords
Discrete Element Method (DEM), unbound granular material (UGM), aggregates; marginal aggregates, aggregate fracture
National Category
Infrastructure Engineering
Research subject
Civil and Architectural Engineering, Building Materials
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-369103 (URN)978-91-8106-385-1 (ISBN)
Presentation
2025-09-30, M108, 2nd floor, Brinellvägen 23, KTH Campus, public video conference link https://kth-se.zoom.us/j/67916166980, Stockholm, 13:15 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20250903
2025-09-032025-09-022025-11-03Bibliographically approved