Summary This research focuses on testing and modelling the viscoelastic response of bituminousbinders.Themaingoalistofindanappropriateresponsemodelfor bituminous binders. The desired model should allow implementation into numerical environments such as ABAQUS. On the basis of such numerical environment, Delft University of Technology (TU) is developing mechanistic asphalt mixture design tools. These tools are based on Meso scale mechanics. For Porous Asphalt (PA) performance, such a tool is readily available in ABAQUS. Implementation of an accurate viscoelastic response model for bituminous mortar will improve the tool’s capability in explaining PA performanceatvarioustemperaturesanditisthereforeaprimarygoalofthis research. In addition the response model is also thought to be of equal importance for other meso mechanics tools for asphalt concrete mixtures that willbedevelopedinthenearfuture. To realise the main objective of the study, first an extensive Dynamic Shear Rheometer (DSR) testing program was carried out on bituminous binder, masticandmortar.Theprogramwascarriedouttogetabetterunderstanding of the response behaviour of binders for various loading conditions. For the purebinderandmastictesting,aconeandplatesetupwasdeveloped.Forthe mortar testing, a specially designed mortar column setup was utilized. The frequency and time domain response of the binders was first analysed in the linear viscoelastic range. Hereafter the frequency domain response of the bindersbeyondthelinearrangeresponsewasinvestigated.Theresultsshowed that binders exhibit nonlinear behaviour at higher levels of shear stress. At relativelyhightemperatures,intherangeof30°Candabove,mortarandmastic show nonlinear behaviour at shear stresses as low as 10 kPa. At low temperaturesof0°Candbelow,highshearstressesintherangeof1MPawere observedtocausenonlinearbehaviour. Thesecondpartofthestudycoversextensivemodellingwork.Afteraliterature survey,tworesponsemodelswerefirstselectedasabasisforfurtherresearch; i.e. the HuetSayegh (HS) and the Burgers’ model. These models were then utilised to describe the frequency domain response data. It was observed that the Burgers’ model requires a number of KelvinVoigt elements to accurately describe experimental data. The HS model on the other hand presented an accurate description of response data. However, the HS model lacks the capabilityofexplainingviscousdeformation.ForthisreasontheHSmodelwas extended by adding a linear dashpot in series. The modified HuetSayegh (MHS) and the generalized Burgers’ model were then used to describe the frequency domain response of various materials. Results have shown that the
MHS description of the response data excels that of the generalized Burgers’ model. For time domain use in numerical environments, incremental formulations of the response models were obtained. The formulations were coded and the numericaloutputswerethenvalidatedbyperformingvarioussimulations.The formulationswereusedtosimulatetimedomainresponsetests.Inthisprocess parameterdeterminationwasfirstperformedonthebasisoffrequencydomain data. The parameters were then used to simulate time domain creep and relaxation tests. The simulation results showed that the frequency domain master curve data provided accurate material information for simulating the time domain response. The result further underlines the fact that binder’s behaviour is intrinsic, and as such their behaviour in frequency and time domainisrelated.Itisthisintrinsicbehaviourofthebindersthatwasdescribed bythegeneralizedBurgers’andtheMHSmodels. Hereafter the models were finally implemented into ABAQUS, and they are madeavailableforuseinthemesomechanicsPAdesigntool.Theresultsfrom the PA design tool showed that both models lead to comparable results. The pros and cons of the models for practical application were evaluated. For relativelysmallnumericalmodels,theMHSmodelissuggestedbecauseofits simplicity in the number of model parameters and its high accuracy in describing material response. However, for computationally intensive numerical models, the use of the generalized Burgers’ model is suggested becauseofitshighcomputationalefficiencyinnumericalenvironments. Finally, the nonlinear response of binders was analyzed using Schapery’s nonlinear theory. Numerical formulation of the theory that incorporates the generalized Burgers’ model was adopted. The formulation was coded into a UserSubroutineMaterialcode(UMAT)foruseinABAQUS.IntheUMATcode an iterative scheme for obtaining correct stress state was incorporated at the material level. Results from the code were verified by performing various simulations. Application of the Schapery’s nonlinear theory in the PA design tool showed that the effects of nonlinear behaviour are negligible at temperatures of 10°C and below. However, at 20°C and above, distinct and significant differences between linear and nonlinear simulations are observed. Fromtheresultsitisconcludedthatcommonbindersmaybemodelledasbeing linear viscoelastic for temperatures of 10°C and below. At 20°C and above nonlinearresponsebecomessignificantand,itneedstobeconsideredinmeso mechanisticcomputations.
iv
Samenvatting Dit onderzoek concentreert zich op het meten en modelleren van de visco elastischeresponsvanbitumineuzebindmiddelen.Hetdoelisdeontwikkeling van een bruikbaar respons model voor bitumineuze bindmiddelen. Dit model moet geschikt zijn voor implementatie in numerieke analyse systemen als ABAQUS. Op basis van dergelijke numerieke systemen ontwikkelt de Technische Universiteit Delft (TUD) een mechanistisch mengselontwerp instrument op meso schaal. Voor het ontwerp van Zeer Open Asfalt Beton, ZOAB, is zo’n instrument beschikbaar in ABAQUS. Implementatie van een nauwkeurig viscoelastisch respons model voor mastiek zal de mogelijkheden voorhetverklarenvanZOABgedragbijverschillendetemperaturenvergroten en is daarom een tweede hoofddoel van dit onderzoek. Bovendien is de verwachting dat een nauwkeurig viscoelastisch respons model voor bindmiddelen ook van belang is voor andere mechanistische mengselontwerp methodiekenopmesoschaaldieindetoekomstzullenwordenontwikkeld. Om het hoofddoel te bereiken is begonnen met een uitgebreid onderzoeksprogramma op bitumineuze bindmiddelen met de Dynamic Shear Rheometer(DSR).Hetdoelvanditprogrammawasombeterinzichttekrijgen in het respons gedrag van bindmiddelen bij verschillende lastcondities. Voor het testen van puur bitumen en mortel is een Cone & Plate geometrie ontwikkeld. Voor het testen van mastiek is gebruik gemaakt van speciaal ontworpen proefstukjes in de vorm van mastiekkolommetjes. Eerst is de lineaire viscoelastische respons van bindmiddelen in het frequentie en tijdsdomein geanalyseerd. Daarna is, in het frequentiedomein, de respons buiten de lineair elastische range onderzocht. De resultaten maakten duidelijk dat bindmiddelen niet lineair gedrag vertonen bij hogere schuifspanningniveaus. Bij relatief hoge temperaturen, 30°C en daarboven, vertonenmastiekenmortelnietlineairgedragbijlagespanningenvan10kPa. Bijlagetemperaturenvan0°Cenlager,zijnschuifspanningenindeordevan1 MPanodigomnietlineairgedragteveroorzaken. Het tweede deel van de studie behelst omvangrijk modelleringwerk. Na een literatuurstudiezijntweeresponsmodellengeselecteerdvoorverdergebruikin deze studie, het betreft het HuetSayegh (HS) en het Burgers’ model. Beide modellenzijneerstgebruiktomfrequentiedomeindatatebeschrijven.Gebleken is dat het gegeneraliseerde Burgers’ model meerdere KelvinVoigt elementen moet bevatten om de laboratorium data nauwkeurig te beschrijven. Het HS model laat een nauwkeurige beschrijving van laboratorium data zien. Maar helaas kan het HS de ontwikkeling van viskeuze vervorming niet beschrijven. HieromishetHSmodeluitgebreidmeteenlineaireviskeuzedemperinserie. Het aangepaste HuetSayegh model (MHS) en het gegeneraliseerde Burgers’
model zijn hierna gebruikt om de frequentiedomein data van diverse materialentebeschrijven.DeresultatentonendathetMHSmodeldedatabeter beschrijftdanhetgegeneraliseerdBurgers’model. Voor numerieke simulaties in het tijdsdomein zijn de responsmodellen incrementeel geformuleerd. De incrementele formulering in het tijdsdomein is gevalideerd met verschillende numerieke simulaties. Hierna zijn diverse tijddomein respons tests gesimuleerd. Hierbij zijn tijdsdomein kruip en relaxatietestsgesimuleerdopbasisvanresponsparametersdiebepaaldzijnuit frequentiedomein data. De resultaten van dit werk geven aan dat frequentiedomein master curve data een nauwkeurig inzicht geven in het tijdsdomein respons gedrag. De resultaten onderstrepen het feit dat bindmiddeleneenintrinsiekgedragkennenendathungedraginfrequentieen tijdsdomeindusgerelateerdis.Hetintrinsiekegedragvanbindmiddelenwordt beschreven door zowel het gegeneraliseerde Burgers’ model en het MHS model. Hierna zijn de modellen geïmplementeerd in ABAQUS en gebruikt in een mechanistischZOABontwerpinstrumentopmesoschaal.Deresultatenvanhet ontwerpinstrument tonen dat de modellen vergelijkbare resultaten geven. De voor en nadelen van de modellen voor praktisch gebruik zijn bekeken. Voor relatief kleine numerieke modellen wordt het MHS geadviseerd omdat dit model met een beperkt aantal parameters een zeer nauwkeurige beschrijving van het respons gedrag geeft. Voor modellen die meer rekenkracht vragen wordt het gegeneraliseerde Burgers’ model geadviseerd omdat dit model rekenkundigzeerefficiëntis. Alslaatsteishetnietlineaireresponsgedragvanbindmiddengeanalyseerdmet behulpvanSchapery’stheorie.Bijdenumeriekeformuleringvandezetheorie is gebruik gemaakt van het gegeneraliseerdeBurgers’model.Opbasisvande formulering is een User Subroutine Material code (UMAT) voor gebruik in ABAQUS geschreven. De UMAT code bevat en iteratie proces voor het verkrijgen van de juiste spanningssituatie. De UMAT code is met diverse simulaties geverifieerd. Toepassing van het niet lineaire gegeneraliseerde Burgers’modelinhetZOABontwerpinstrumenttoontdatdeeffectenvanniet lineair gedrag verwaarloosbaar zijn bij temperaturen van 10°C en lager. Bij temperaturenvan20°Cenhogerwordenduidelijkverschillentussenlineaireen niet lineaire simulaties gevonden. De resultaten geven aan dat reguliere bindmiddelen lineair viscoelastisch gemodelleerd kunnen worden bij temperaturen van 10°C en lager. Bij 20°C en hoger wordt de nietlineaire respons van belang in mechanistische mengselontwerp methodieken op meso schaal.
vi
