Modeling frost heave damages throughout the asphalt layer

There are various distresses arising from traffic loads and the surrounding environment to whichan asphalt pavement is subjected during its life span. The environment-associated damages aremore severe during winter when abundant moisture and freezing temperature are presentsimultaneously. Damage caused by frost heave is one of the important winter-related damagesresulting in severe cracks and bumpy road surfaces. Since the frost heave-induced cracks areusually wide, they can make the pavement more prone to other types of damage by leaving theopen space for water and moisture penetration. Simulating the response of the pavement whenit is subjected to frost heave is the aim of this licentiate thesis. Attaining this objective requirescoupling a frost heave model with a damage model representing the mechanistic behavior ofthe asphalt material. With regard to the brittle behavior of the asphalt at cold temperatures, aviscoelastic damage model for asphalt material is coupled with a thermomechanical frost heavemodel. The thermomechanical approach couples the physical processes involved in frost actioninside the soil. To elucidate more, in this method the thermal and mechanical fields are coupledby the porosity evolution function which implicitly takes into account the effect of the hydraulicfield. On the other hand, the continuum viscoelastic damage model for asphalt material isdeveloped within the infinitesimal strain context by applying the thermodynamical restrictionsof irreversible processes. The suggested framework was employed in different finite elementmodels to simulate damages caused by frost heave in asphalt pavements. The results indicatethat it predicts the damage distribution and evolution in the asphalt. Furthermore, it was shownthat the uneven frost heave and physical processes taking place in the soil during frost actionsuch as cryogenic suction force creation, porosity evolution, ice formation, etc., can also besimulated.Det finns olika typer av påfrestningar som uppstår från trafikbelastningar och den omgivandemiljön som en asfaltbeläggning utsätts för under sin livslängd. De miljörelaterade skadorna ärallvarligare under vintern när fukt och kalla temperaturer är närvarande samtidigt. Skadororsakade av tjällyft är en av de allvarliga vinterrelaterade skadorna som resulterar i sprickor ochskadade vägsytor. Eftersom de tjällyftsinducerade sprickorna vanligtvis är breda kan de görabeläggningen mer utsatt för andra typer av skador genom vatten- och fuktinträngning. Syftetmed denna licentiatavhandling är att simulera beläggningens reaktion när den utsätts för tjällyft.För att uppnå detta mål krävs att en tjällyftsmodell kopplas till en skademodell somrepresenterar asfaltmaterialets mekanistiska beteende. När det gäller asfaltens spröda beteendevid kalla temperaturer, är en viskoelastisk skademodell för asfaltmaterial kopplad till entermomekanisk tjällyftsmodell. Det termomekaniska tillvägagångssättet kopplar de fysiskaprocesserna som är involverade i frostverkan inuti jorden. För att klarlägga detta mer, är determiska och mekaniska fälten kopplade med porositetsutvecklingsfunktionen som implicit tarhänsyn till effekten av det hydrauliska fältet. Å andra sidan är den kontinuumviskoelastiskaskademodellen för asfaltmaterial utvecklad inom det oändliga töjningssammanhanget genomatt tillämpa de termodynamiska begränsningarna av irreversibla processer. Det föreslagnaramverket användes i olika finita elementmodeller för att simulera skador orsakade av tjällyft iasfaltbeläggningar. Resultaten indikerar att den förutsäger skadefördelningen och utvecklingeni asfalten. Dessutom har det visat sig att det ojämna tjällyft och fysiska processer som äger rumi marken under frostpåverkan, såsom skapande av kryogen sugkraft, porositetsutveckling,isbildning, etc., också kan simuleras.QC 20221124