Computational tool for self-healing asphalt mixture modeling

Abstract

Encapsulated rejuvenators are a promising approach to improving the self-healing capac- ity of asphalt pavements and extending their service life. Rigid particle models, based on the Discrete Element Method (DEM), provide a solution to assess their effects on asphalt mixtures. This thesis aimed to develop a three-dimensional DEM model, Virtu- alPM3DLab, for analyzing self-healing asphalt mixtures, directly representing aggregates and mastic. Contact models were developed to assess the viscoelastic properties, mechani- cal strength, damage evolution, and the post-healed state behavior of these materials. The VirtualPM3DLab incorporates a new viscoelastic generalized Kelvin (GK) contact model, which offers an improved rheological representation over a wider range of frequencies and temperatures compared to the commonly used Burgers model. New contact models, coupled with the GK model, were proposed to account for damage. A macroscopic calibration tool and a visualization program were developed to calibrate the GK contact parameters and evaluate the pre and post-processing. Simulations were carried out for validating the models under different loading conditions. The results were consistent with laboratory observations, particularly in predicting the stiffness and fracture proper- ties. The numerical findings provided significant insights into the impact of rejuvenator oil on the post-healed state of mixtures, especially on the stiffness and the content of capsules that could be adopted without compromising their rheological properties. The work developed in this thesis established the basis for an efficient numerical approach to modeling self-healing asphalt mixtures, paving the way for the development of more efficient pavements.

Os rejuvenescedores encapsulados são uma abordagem promissora para melhorar a ca- pacidade de autorreparação dos pavimentos betuminosos e prolongar a sua vida útil. Os modelos de partículas rígidas, baseados no Método dos Elementos Discretos (MED), oferecem uma solução para avaliar os seus efeitos nas misturas betuminosas. Esta tese teve como principal objetivo desenvolver um modelo MED tridimensional, o VirtualPM3DLab, para avaliar misturas betuminosas autorreparáveis, representando diretamente agregados e mastique. Foram desenvolvidos modelos de contacto para avaliar as propriedades vis- coelásticas, a resistência mecânica, a evolução do dano e o comportamento pós-reparação desses materiais. O VirtualPM3DLab incorpora um novo modelo de contacto viscoelástico generalizado de Kelvin (GK), que oferece uma melhor representação reológica numa gama mais ampla de frequências e temperaturas, em comparação ao modelo de Burgers comum- mente utilizado. Novos modelos de contacto, associados ao modelo GK, foram propostos para contabilizar o dano. Uma ferramenta de calibração macroscópica e um programa de visualização foram desenvolvidos para calibrar os parâmetros de contacto GK e avaliar o pré e pós-processamento. Foram realizadas simulações para validação dos modelos sob diferentes condições de carregamento. Os resultados foram concordantes com as observações laboratoriais, particularmente na previsão da rigidez e das propriedades de fratura. Os resultados numéricos forneceram informações significativas sobre o impacto do óleo rejuvenescedor no estado pós-reparação das misturas, especialmente na rigidez e no conteúdo de cápsulas que poderia ser adotado sem comprometer as propriedades reológicas. O trabalho desenvolvido nesta tese estabeleceu a base para uma abordagem numérica eficiente para as misturas betuminosas autorreparáveis, abrindo caminho para o desenvolvimento de pavimentos mais eficientes.