Micromechanical Finite Element Model Investigation of Cracking Behavior and Construction-Related Deficiencies in Asphalt Mixtures

级配 材料科学 沥青 开裂 极限抗拉强度 复合材料 空隙(复合材料) 骨料(复合) 有限元法 压实 断裂(地质) 耐久性 结构工程 岩土工程 工程类 计算机科学 计算机视觉
作者
Yang Liu,Suwei Hou,Haibo Yu
出处
期刊:Materials [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:18 (15): 3426-3426
标识
DOI:10.3390/ma18153426
摘要

This study investigated the fracture behavior of asphalt mixtures under indirect tensile loading by comparing the performance of homogenized and micromechanical finite element (FEMs) models based on the cohesive zone model (CZM). Five asphalt mixture types were tested experimentally, and both models were calibrated and validated using load-displacement curves from indirect tensile tests (IDTs). The micromechanical model, incorporating random aggregate generation and three-phase material definition, exhibited significantly higher predictive accuracy (R2 = 0.86-0.98) than the homogenized model (R2 = 0.66-0.77). The validated micromechanical model was further applied to quantify the impact of construction-related deficiencies-namely, increased air voids, non-continuous gradation, and aggregate segregation. The simulation results showed that higher void content (from 4% to 10%) reduced peak load by up to 35% and increased localized stress concentrations by up to 40%. Discontinuous gradation and uneven aggregate distribution also led to premature crack initiation and more complex fracture paths. These findings demonstrated the value of micromechanical modeling for evaluating sensitivity to mix design and compaction quality, providing a foundation for performance-based asphalt mixture optimization and durability improvement.
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