A multiscale approach for predicting freeze-thaw damage in asphalt mixtures

Abstract

Kalla och blöta klimat är kända hot för asfaltsvägar och orsakar både försprödning av materialet, vilket gör det mer benäget att fallera, och ökar risken för skada på grund av förekomsten av vatten i materialet och frys-tö cykler som orsakar en expandering och sammandragning av hålrummen när vattnet i dem fryser och töar. Denna skada kan leda till en övergripande försämring av materialegenskaperna och till slut visa sig som stensläpp, potthål och sprickor. För att minska effekten av kombinationen av dessa skademekanismer är det viktigt att kunna förstå och karakterisera skadeinitieringen och dess utveckling. Detta görs vanligen genom empirisk kunskap och experimentella test. Dessa test har dock begränsningar när det gäller både möjligheten att separera skademekanismerna från varandra för att kunna identifiera de dominanta parametrarna och de långa tidsperioder som krävs för att kunna reflektera klimatkonditioneringen i fält. Istället kan matematiska och numeriska modeller vara ett bra tillägg för att bättre karakterisera skadeutvecklingen och förstå vilka parametrar som är mest dominanta. Arbetet i denna avhandling har därför fokuserat på att utveckla en numerisk modell som kan förutsäga skadeutvecklingen på grund av en kombination av klimateffekter såsom vatten/fukt och frys-tö cykler samt andra laster från till exempel trafiken.

För att möjliggöra en förståelse av hur de olika materialkomponenterna påverkar skadeutvecklingen, och samtidigt kunna förutsäga skadeutvecklingen på vägskalan, utvecklas en multiskalemodell som består av två olika modellskalor: en lokal mikroskala som inkluderar mastic, stenar och hålrum, och en global makroskala av den homogeniserade asfalten. På mikroskalan modelleras expansionen av hålrummen under frysning explicit och den inkluderar dess effekt på både skada i gränsskiktet mellan mastic och stenar och i masticen själv. Makroskadan modellerar inte expansionen explicit men innefattar dess nedbrytande effekt på det globala beteendet av asfalten. Förutom frys-töskada, inkluderar modellerna på båda skalorna skada på grund av långsiktig förekomst av fukt i det samt andra externa laster som appliceras på materialet, t.ex. från trafik. De två skalorna kopplas till varandra genom att låta skadebeteendet på makroskalan bero på det effektiva skadebeteendet av mikroskalan. Den utvecklade modellen visas kunna förutsäga en realistisk skadeutveckling och den samhörande nedbrytningen av materialegenskaper som överensstämmer med tidigare rapporterad experimentell data.   

I tillägg till en utförlig beskrivning av den utvecklade modellen presenterar denna avhandling också hur modellen kan användas. I det första exemplet används modellen för att utvärdera en existerande experimentell standard som undersöker asfalts resistens mot avisningsmedel. Det andra exemplet handlar om den viktiga aspekten av att koppla effekten av de olika skademekanismerna, vilket visas genom att förutsäga skadeutvecklingen för en uppsättning olika väderscenarion.  

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-294576