Mineral aggregate fracture in unbound granular materials (UGMs) beneath asphalt pavement layers affect pavement performance and may accelerate distresses. Improving the understanding, characterization, and quantitative prediction of aggregate fracture in UGMs is therefore essential, particularly to support the use of marginal-quality aggregates in road construction and thereby reduce the demand for high-quality aggregates and lower the environmental impact of road infrastructure.

This thesis introduces a new numerical framework, combined with an experimental study, to predict aggregate fracture in UGMs and quantify its influence on UGM macro-mechanical behavior. The framework is based on the discrete element method (DEM) and enables evaluation of aggregate fracture for varying gradations, loading conditions, and aggregate types. To ensure general applicability, granular mechanics–based contact laws and statistical fracture models are developed and incorporated into DEM.

The model parameters are identified and the framework validated through laterally confined monotonic uniaxial compression tests on UGMs. The tested materials included different aggregate types and gradations and were subjected to different maximum compressive loads. For UGMs composed of crushed granite, the DEM model captures the effects of gradation and load magnitude on both macro-mechanical response and aggregate fracture. To extend the framework to a wider range of aggregates, particularly marginal-quality aggregates, a new particle fracture model is developed that accounts for aggregate shape variability and statistical volume effects on fracture force distributions. The model is evaluated using single-particle crushing tests on four aggregate types and compared with two widely used fracture models, showing improved agreement with measured aggregate strength. When implemented in the DEM framework, the new model improves fracture predictions for UGMs containing marginal-quality aggregates.

The feasibility of using DEM to assess how aggregate fracture affects elastic stiffness and permanent deformation resistance of UGM is evaluated. Emphasis is put on UGMs containing marginal aggregates and on the potential for optimizing pavement structural design to enable their use without excessive performance loss. Blended UGMs containing crushed granite and crushed brick are investigated using confined compression tests and X-ray CT, and the observations are incorporated into the DEM model to predict both macro-mechanical behavior and aggregate fracture.

A systematic analysis of aggregate fracture in UGMs subjected to confined monotonic compression tests is conducted to identify the governing factors of fracture. The results show that aggregate fracture is controlled by the coupled effects of aggregate strength, gradation, and applied load, with the strength and applied load identified as the dominant factors. The results further demonstrate that aggregate fracture in UGMs cannot be fully predicted using standard aggregate strength tests alone and should therefore be evaluated under field-representative gradations and loading conditions. To support this assessment, an approach combining the developed DEM models with experimental measurements is introduced, and a fracture evolution parameter is proposed to quantify the progression of aggregate fracture during compression. The parameter shows strong agreement with experimentally observed aggregate fracture and provides an effective means for characterizing fracture development in UGMs under loading.

In summary, the results demonstrate that the developed DEM framework can quantify how a wide range of aggregate types—including marginal-quality aggregates—along with gradation and loading, affect UGM performance and aggregate fracture, and can support performance-based material selection and pavement design to mitigate aggregate crushing.

Brott i aggregat i obundna granulära material (OGM) under asfaltbeläggningslager påverkar vägbeläggningens prestanda och kan påskynda skador. Förbättrad förståelse, karakterisering, och kvantitativ prediktering av aggregatbrott i GGM är därför avgörande, särskilt för att möjliggöra användning av material med lägre kvalitet i vägbyggnad. Detta kan minska behovet av högkvalitativa och nybrutna ballastmaterial och därmed sänka väginfrastrukturens miljöpåverkan.

Denna avhandling introducerar ett nytt numeriskt ramverk, kombinerat med en experimentell studie, för att förutsäga aggregatbrott i OGM och kvantifiera dess inverkan på materialets makromekaniska beteende. Ramverket bygger på diskreta elementmetoden (DEM) och möjliggör utvärdering av aggregatbrott för varierande graderingar, belastningsförhållanden, och aggregattyper. För att säkerställa att ramverket är generellt tillämpbart har kontaktlagar baserade på kontaktmekanik samt statistiska brottmodeller utvecklats och integreras i DEM.

Modellparametrar identifieras och modellerna valideras genom inneslutna uniaxiella kompressionstester på OGM bestående av olika aggregattyper och graderingar vilka utsätts olika maximala tryckbelastningar. För OGM bestående av krossad granit fångar DEM‑modellen effekterna av kornkurva och belastningsnivå på både makromekaniskt beteende och aggregatbrott. För att utvidga ramverket till ett bredare spektrum av aggregat, särskilt material av lägre kvalitet, utvecklas en ny partikelbrottsmodell som tar hänsyn till variationer i aggregatens form och statistiska volymeffekter på brottkraftsfördelningar. Modellen utvärderas med krossningstester på enskilda partiklar av fyra olika aggregattyper och jämförs med två vanligt använda brottsmodeller, vilket visar förbättrad överensstämmelse med uppmätta brottkrafter. När modellen implementeras i DEM‑ramverket förbättras prediktionen av brott i OGM som innehåller aggregat av lägre kvalitet.

Möjligheten att använda DEM för att bedöma hur aggregatbrott påverkar elastisk styvhet och motstånd mot permanent deformation utvärderas, med fokus på OGM som innehåller aggregat av lägre kvalitet och potentialen att optimera vägens konstruktionsutformning för att möjliggöra deras användning utan betydande prestandaförlust. Blandade OGM bestående av krossad granit och krossat tegel undersöks vidare genom inneslutna kompressionstester och röntgen‑CT, och observationerna integreras i DEM‑modellen för att förutsäga både makromekaniskt beteende och aggregatbrott.

En systematisk analys av aggregatbrott i OGM utsatta för inneslutna monotona kompressionstester genomförs för att identifiera de styrande faktorerna bakom brott. Resultaten visar att aggregatbrott styrs av de samverkande effekterna av aggregatstyrka, kornkurva och applicerad last, där Los Angeles‑värdet (LA) och maximal last identifieras som de dominerande faktorerna. Resultaten visar vidare att aggregatbrott i OGM inte kan predikteras enbart med standardiserade index och därför bör utvärderas under fältrepresentativa kornkurvor och belastningsförhållanden. För att stödja denna bedömning introduceras en metod som kombinerar de utvecklade DEM-modellerna med experimentella mätningar, och en parameter för skadesutveckling föreslås för att kvantifiera progressionen av aggregatbrott under kompression. Parametern visar stark överensstämmelse med experimentellt observerat aggregatbrott och erbjuder ett effektivt sätt att karakterisera brottsutveckling i UGM under belastning.

Sammanfattningsvis visar resultaten att det utvecklade DEM‑ramverket kan kvantifiera hur aggregattyp, kornkurva och belastning påverkar OGM’s prestanda och aggregatbrott, och kan stödja prestandabaserat materialval och vägutformning för att minska krossning av aggregat i obundet granulärt material.