پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

مدلسازی غیرهمگن مخلوط آسفالتی با بکارگیری الگوریتم تولید و توزیع تصادفی سنگدانه‌ها

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی ومهندسی‌، دانشگاه جیرفت‌، جیرفت، ایران
2 دانشجوی دکتری، گروه راه و ترابری، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
3 استاد، گروه راه و ترابری، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
در این تحقیق، رفتار رشد ترک در قطعات غیرهمگن آسفالتی (متشکل از سنگدانه، ماستیک و فضای خالی) به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور ابتدا نمونه‌های آسفالتی با استفاده از الگوریتم تولید و توزیع سنگدانه‌ها به صورت عددی ساخته شدند. سپس، با استفاده از شبیه‌سازی المان محدود نمونه‌های آسفالتی، تاثیر طول ترک، مدول الاستیسیته و نسبت پواسون ماستیک، مدول الاستیسته و نسبت پواسون سنگدانه‌ها، توزیع سنگدانه‌ها و موقعیت قرارگیری نوک ترک بر ضرایب شدت تنش
(که نشان‌دهنده میدان شدت تنش نوک ترک می‌باشند) تعیین گردید. نتایج نشان می‌دهند، ضرایب شدت تنش بدست آمده از مدلسازی غیرهمگن، می‌توانند بیش از 50 درصد با ضرایب شدت تنش بدست آمده از مدلسازی همگن متقاوت باشند. در میان عوامل بررسی شده، موقعیت نوک ترک، مدول الاستیسته ماستیک و سنگدانه‌ها بیشترین تاثیر بر ضرایب شدت تنش را دارند.
در حالیکه، نسبت پواسون ماستیک و سنگدانه‌ها تاثیر چندانی بر ضرایب شدت تنش ندارند. از طرفی، هنگامیکه نوک ترک درون ماستیک قرار داشته باشد، ضرایب شدت تنش مود
I در مدلسازی همگن، بیشتر از مقادیر متناظر ضرایب شدت تنش در مدلسازی غیرهمگن می‌باشند. درحالیکه اگر نوک ترک درون سنگدانه‌ها قرار داشته باشد، ضرایب شدت تنش در مدلسازی غیرهمگن بیشتر از ضرایب شدت تنش مدلسازی همگن می‌باشند. علاوه بر این مسیر رشد ترک با استفاده از معیار حداکثر تنش مماسی تعیین گردید. نتایج نشان می‌دهند، سنگدانه‌ها می‌توانند مسیر رشد ترک را به صورت محلی تغییر دهند، اما مسیر کلی رشد ترک در نمونه‌های همگن و غیرهمگن مشابه ‌می‌باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Simulation of Heterogeneous Asphalt Mixture Using Random Aggregate Generation and Packing Algorithm

نویسندگان English

Majid Jebalbarezi 1
Ehsan Sobhanifard 2
Hassan Ziari 3
1 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, University of Jiroft, Jiroft, Iran.
2 Ph.D., Student, School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology (IUST), Tehran, Iran.
3 Professor, School of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology (IUST), Tehran, Iran.
چکیده English

In this study, the cracking growth behavior of heterogeneous asphalt mixture was investigated numerically. To reach this goal, at first, a numerical asphalt mixture sample was created using the random aggregate generation and packing algorithm. Then using extensive two-dimensional finite element analyses, the effects of crack length, elastic modulus and Poisson’s ratios of aggregates and mastic parts, distribution of aggregates, and crack tip location on stress intensity factors (KI and KII) were investigated. The results show that crack tip location, the elastic modulus of aggregates and mastic parts has a significant effect on the magnitude and sign of stress intensity factors while their Poisson’s ratios had no sound influence on stress intensity factors of modes I and II. When the crack tip is located inside the aggregates, the mode I stress intensity factor of crack will be greater than that of homogeneous case. Conversely, if the crack tip is located in the mastic part, the mode I geometry factor of heterogeneous models will be less than that of the homogenous model. The crack growth path was also predicted using the maximum tensile stress criterion. The results show that the aggregates could change the crack growth path locally; however, the general direction of crack growth in heterogeneous and homogeneous modeling is the same.

کلیدواژه‌ها English

Mixed Mode I/II Stress Intensity Factors
Two-Phase Aggregate/Mastic Asphalt Mixtures
Crack Trajectory
Mechanical Property Effects
-AASHTO, T. (2013). Standard method of test for determining the fracture energy of asphalt mixtures using the semicircular bend geometry (SCB). American Association of State and Highway Transportation Officials, Washington 105-113.
-Aliha MR, Sarbijan MJ. (2016). Effects of loading, geometry and material properties on fracture parameters of a pavement containing top-downand  bottom-up  cracks.  Engineering  Fracture Mechanics. 166:182-97.
-Aliha MR, Sarbijan MJ, Bahmani A.  (2017). Fracture toughness determination of modified HMA mixtures with two novel disc shape configurations. Construction and Building Materials. 155,789-99.
-Aliha, M. R. M., Ziari, H., Sobhani Fard, E., & Jebalbarezi Sarbijan, M. (2021). Heterogeneity effect on fracture parameters of a multilayer asphalt pavement structure containing a top‐down crack and subjected to moving traffic loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures44(5), 1349-1371.
-Artamendi I, Khalid HA. A. (2006). comparison between beam and semi-circular bending fracture tests for asphalt. Road Materials and Pavement Design. 7(sup1),163-80.
-Aragão FT, Kim YR, Lee J, Allen DH. (2010). Micromechanical model for heterogeneous asphalt concrete mixtures subjected to fracture failure. Journal of Materials in Civil Engineering. 23(1), 30-8.
-Chen J, Wang H, Li L. (2017). Virtual testing of asphalt mixture with two-dimensional and
three-dimensional random aggregate structures. International Journal of Pavement Engineering. 18(9):824-36.
-Dai Q, Sadd MH, Parameswaran V., (2005). Shukla A. Prediction of damage behaviors in asphalt materials using a micromechanical finite-element model and image analysis. Journal of Engineering Mechanics. 131(7):668-77.
-Erdogan F, Sih GC. (1963). On the crack extension in plates under plane loading and transverse shear. Journal of Basic Engineering,85,4, 519-525.
-Kim H, Wagoner MP, Buttlar WG. (2009). Numerical the   specimen   size         on
-fracture analysis concrete  using  a   asphalt dependency  ofcohesive  softening  model.  Construction  and Building Materials. 23(5), 2112-2120.
-Ng K, Dai Q. (2011). Investigation of fracture behavior of heterogeneous infrastructure materials with extended-finite-element method and image analysis. Journal of Materials in Civil Engineering. 23(12):1662-71.
-Pirmohammad S, Kiani A. (2016). Effect of temperature variations on fracture resistance of HMA mixtures under different loading modes. Materials and Structures. 49(9):3773-84.
-Rooholamini, H., A. Hassani, and M. R. M. Aliha (2018). Fracture properties of hybrid fibre-reinforced roller-compacted concrete in mode I with consideration of possible kinked crack. Construction and Building Materials 187, 248-256.
-Ren J, Sun L. (2017). Characterizing air void effect on fracture of asphalt concrete at low-temperature using discrete element method. Engineering Fracture Mechanics. 170, 23-43.
-Saha G, Biligiri KP. (2016). Homothetic behaviour investigation on fracture toughness of asphalt mixtures using semicircular bending test. Construction and Building Materials. 114, 423-433.
-Stewart CM, Oputa CW, Garcia E. (2018).  Effect of specimen thickness on the fracture resistance of hot mix asphalt in the disk-shaped compact tension (DCT) configuration. Construction and Building Materials. 160:487-496.
-Somé SC, Feeser A, Pavoine A. (2018). Numerical and experimental investigation of mode I cracking of asphalt concrete using semi-circular bending test. Construction and Building Materials. 169:34-46.
-Salemi M, Wang H. (2018). Image-aided random aggregate packing for computational modeling of asphalt concrete microstructure. Construction and Building Materials. .177, 467-477.
-Kim H, Wagoner MP, Buttlar WG. (2008). Simulation of fracture behavior in asphalt concrete using a heterogeneous cohesive zone discrete element model. Journal of Materials in Civil Engineering. 20(8):552-63.
-Li XJ, Marasteanu MO. (2010). Using semi circular bending test to evaluate low temperature fracture resistance for asphalt concrete. Experimental mechanics. 50(7):867-76.
-Li W, Guo L. (2018). Meso-fracture simulation of cracking process in concrete incorporating three-phase characteristics by peridynamic method. Construction and Building Materials. 161:665-75.
-Mansourian, Ahmad, Shabnam Hashemi, and Mohammad Reza Mohammad Aliha. (2018). Evaluation of pure and mixed modes (I/III) fracture toughness of Portland cement concrete mixtures containing reclaimed asphalt pavement. Construction and Building Materials 178, 10-18.
-Mubaraki M, Abd-Elhady AA, Sallam HE. (2013). Mixed mode fracture toughness of recycled tire rubber-filled concrete for airfield rigid pavements. International Journal of Pavement Research and Technology. 6(1):8-14.
-Mull MA, Stuart K, Yehia A. (2002). Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement. Journal of Materials Science. 37(3):557-66.
-Mahmoud E, Masad E. Nazarian S. (2009). Discrete element analysis of the influences of aggregate properties and internal structure on fracture in asphalt mixtures. Journal of Materials in Civil Engineering. 22(1):10-20.
-Wang H, Wang J, Chen J. (2014). Micromechanical analysis of asphalt mixture fracture with adhesive and cohesive failure. Engineering Fracture Mechanics, 104-132.
-Wang H, Wang J, Chen J. (2018). Fracture simulation of asphalt concrete with randomly generated aggregate microstructure. Road Materials and Pavement Design. 19(7):1674-1691.
-Williams, M. L. (1997). On the stress distribution at the base of a stationary crack.
-Yin A. Yang X, Zeng G. Gao H. (2015). Experimental and numerical investigation of fracture behavior of asphalt mixture under direct shear loading. Construction and Building Materials 86, 21-32.
-Zhang C. Yang X. Gao H. Zhu H. (2016). Heterogeneous fracture simulation of three-point bending plain-concrete beam with double notches. Acta Mechanica Solida Sinica. 29(3):232-44.
-Ziari, H., Aliha, M. R. M., Fard, E. S., & Sarbijan, M. J. (2022). Mixed mode I+ II fracture parameters and cracking trajectory of heterogeneous multilayer pavement structure containing reflective crack. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures45(10), 2958-2977.