Monte Carlo simulations of the fracture resistance degradation of asphalt concrete subjected to environmental factors

• Autorzy: Szydłowski Cezary , Smakosz Łukasz , Stienss Marcin , Górski Jarosław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.144171

Warianty tytułu

PL

Symulacje Monte Carlo degradacji odporności na pękanie betonu asfaltowego pod wpływem czynników środowiskowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the results of laboratory tests of SCB (semi-circular beam) samples of asphalt concrete, subjected to the destructive effect of water and frost as well as the aging processes. The determined values of material parameters show significant dispersions, which makes the design of mixtures difficult. Statistical analysis of the test results supplemented by computer simulations made with the use of the proprietary FEM model was carried out. The main distinguishing feature of the model is the assignment of material parameters of coarse aggregate and bituminous mortar to randomly selected finite elements. The parameters of the mortar are selected by trial and error to match the numerical results to the experimental ones. The stiffness modulus of the bituminous mortar is, therefore, a substitute parameter, taking into account the influence of many factors, including material degradation resulting from the aging and changing environmental conditions, the influence of voids, and contact between the aggregate and the bituminous mortar. The use of the Monte Carlo method allows to reflect the scattering of the results obtained based on laboratory tests. The computational algorithm created in the ABAQUS was limited only to the analysis of the global mechanical bending response of the SCB sample, without mapping the failure process in detail. The combination of the results of laboratory tests usually carried out on a limited number of samples and numerical simulations provide a sufficiently large population of data to carry out a reliable statistical analysis, and to estimate the reliability of the material designed.

PL

Odziaływanie czynników środowiskowych zmienia parametry mieszanek mineralno-asfaltowych mających wpływ na odporność na pękanie. W celu oceny zjawiska wykonano badania laboratoryjne z uwzględnieniem niszczącego oddziaływania wody i mrozu oraz procesów starzenia eksploatacyjnego mieszanek. Weryfikacji poddano również wpływ obu czynników występujących jednocześnie. Wyniki badań laboratoryjnych charakteryzują się rozrzutami. Zmienność cech powinna być uwzględniona w modelu materiałowym. Zaproponowany autorski model materiałowy pozwala uwzględnić tę cechę w symulacjach numerycznych poprzez wykorzystanie losowego rozkładu kruszywa grubego oraz zaprawy asfaltowej. Na podstawie otrzymanych wyników laboratoryjnych stworzono algorytm losowo zmieniający parametry materiałowe zaprawy asfaltowej. W rezultacie umożliwiło to uzyskanie rozwiązań numerycznych uwzględniających jednocześnie rozrzuty wyników spowodowane niejednorodnością materiału oraz degradacją betonu asfaltowego pod wpływem oddziaływania czynników środowiskowych. Z uwagi na różne metody oceny odporności na oddziaływanie wody i mrozu badania przeprowadzono według kilku wybranych wariantów kondycjonowania próbek. Oceny wpływu starzenia mieszanek na odporność na pękanie dokonano na podstawie metody AASHTO R 30-02. Dla oceny jednoczesnego wpływu obu czynników część próbek poddano starzenieu długoterminowemu przed symulacją oddziaływania wody i mrozu. Badania zostały przeprowadzone na próbkach betonu asfaltowego do warstwy ścieralnej AC 11 S 50/70 KR3÷4. Ocenę zmian odporności na pękanie przeprowadzono na podstawie badania próbek SCB z nacięciem 10 mm w temperaturze +10°C, przy prędkości deformacji 1 mm/min.

Słowa kluczowe

EN

asphalt concrete; numerical modelling; Monte Carlo method; fracture resistance; degradation

PL

beton asfaltowy; modelowanie numeryczne; metoda Monte Carlo; degradacja; odporność na pękanie

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 1
• Strony: 245--257
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Szydłowski Cezary

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Department of Highway and Transportation Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6141-9839

autor

Smakosz Łukasz

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Department of Structural Mechanics, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3731-1681

autor

Stienss Marcin

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Department of Highway and Transportation Engineering, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1811-1086

autor

Górski Jarosław

• Gdańsk University of Technology, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Department of Structural Mechanics, Gdańsk, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6478-0216

Bibliografia

• [1] G. Nsengiyumva, T. You, and Y.-R. Kim, “Experimental-Statistical Investigation of Testing Variables of a Semicircular Bending (SCB) Fracture Test Repeatability for Bituminous Mixtures”, Journal of Testing and Evauation, vol. 45, no. 5, art. no. 20160103, 2017, DOI: 10.1520/JTE20160103.
• [2] N. Bala and M. Napiah, “Fatigue life and rutting performance modelling of nanosilica/polymer composite modified asphalt mixtures using Weibull distribution”, International Journal of Pavement Engineering, vol. 21, no. 4, pp. 497-506, 2020, DOI: 10.1080/10298436.2018.1492132.
• [3] P. Singh and A.K. Swamy, “Probabilistic approach to characterise laboratory rutting behaviour of asphalt concrete mixtures”, International Journal of Pavement Engineering, vol. 21, no. 3, pp. 384-396, 2020, DOI: 10.1080/10298436.2018.1480780.
• [4] P.J. Haghighat Pour, M.R.M. Aliha, and M. R. Keymanesh, “Evaluating mode I fracture resistance in asphalt mixtures using edge notched disc bend ENDB specimen with different geometrical and environmental conditions”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 190, pp. 245-258, 2018, DOI: 10.1016/ j.engfracmech.2017.11.007.
• [5] H.R. Radeef, et al., “Linear viscoelastic response of semi-circular asphalt sample based on digital image correlation and XFEM”, Measurement, vol. 192, art. no. 110866, 2022, DOI: 10.1016/j.measurement.2022.110866.
• [6] B. Doll, H. Ozer, J. Rivera-Perez, I.L. Al-Qadi, and J. Lambros, “Damage zone development in heterogeneous asphalt concrete”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 182, pp. 356-371, 2017, DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.06.002.
• [7] Y. Huang, D. Yan, Z. Yang, and G. Liu, “2D and 3D homogenization and fracture analysis of concrete based on in-situ X-ray Computed Tomography images and Monte Carlo simulations”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 163, pp. 37-54, 2016, DOI: 10.1016/j.engfracmech.2016.06.018.
• [8] J. Wimmer, B. Stier, J.-W. Simon, and S. Reese, “Computational homogenisation from a 3D finite element model of asphalt concrete-linear elastic computations”, Finite Elements in Analysis and Design, vol. 110, pp. 43-57, 2016, DOI: 10.1016/j.finel.2015.10.005.
• [9] H. Li, Z. Yang, B. Li, and J. Wu, “A phase-field regularized cohesive zone model for quasi-brittle materials with spatially varying fracture properties”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 256, art. no. 107977, 2021, DOI: 10.1016/j.engfracmech.2021.107977.
• [10] S. M. Motevalizadeh and H. Rooholamini, “Cohesive zone modeling of EAF slag-included asphalt mixtures in fracture modes I and II”, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 112, art. no. 102918, 2021, DOI: 10.1016/j.tafmec.2021.102918.
• [11] J. Kollmann, et al., “Parameter optimisation of a 2D finite element model to investigate the microstructural fracture behaviour of asphalt mixtures”, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 103, art. no. 102319, 2019, DOI: 10.1016/j.tafmec.2019.102319.
• [12] M.O. Hamzah, B. Golchin, and J. Voskuilen, “The combined effects of aging and moisture conditioning on the indirect tensile strength, flowand fracture energy of warm mix asphalt”, in Bituminous Mixtures and Pavements VI, A. Nikolaides, Ed. London: Taylor&Francis Group, 2015, pp. 255-264, DOI: 10.1201/b18538-38.
• [13] P.K. Das, Y. Tasdemir, and B. Birgisson, “Evaluation of fracture and moisture damage performance of wax modified asphalt mixtures”, Road Materials and Pavement Design, vol. 13, no. 1, pp. 142-155, 2012, DOI: 10.1080/14680629.2011.644120.
• [14] C. Szydłowski, Ł. Smakosz, M. Stienss, and J. Górski, “The use of a two-phase Monte Carlo material model to reflect the dispersion of asphalt concrete fracture parameters”, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 119, art. no. 103326, 2022, DOI: 10.1016/j.tafmec.2022.103326.
• [15] M. Smith, ABAQUS/Standard User’s Manual, Version 6.9. Providence, RI: Dassault Systèmes Simulia Corp, 2009.
• [16] C.A. Bell, A.J. Wieder, and M.J. Fellin, “Laboratory Aging of Asphalt-Aggregate Mixtures: Field Validation”, Strategic Highway Research Program A-390, National Research Council, Washington, DC, 1994.
• [17] S. Amani, A. Kavussi, and M. M. Karimi, “Effects of aging level on induced heating-healing properties of asphalt mixes”, Construction and Buildings Materials, vol. 263, art. no. 120105, 2020, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120105.
• [18] M.C. Villeneuve, et al., “Estimating in situ rock mass strength and elastic modulus of granite from the Soultz-sous-Forêts geothermal reservoir (France)”, Geothermal Energy, vol. 6, no. 1, art. no. 11, 2018, DOI: 10.1186/s40517-018-0096-1.
• [19] G. Mazurek, “Effect of filler type on non-linear viscoelastic characteristics of asphalt mastic”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 2, pp. 247-259, 2021, DOI: 10.24425/ace.2021.137166.