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.

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.

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.