Proposta di un modello mesostrutturale per l’analisi dei meccanismi di rottura delle miscele bituminose delle sovrastrutture stradali flessibili

This thesis proposes an innovative study on the asphalt mixture internal structure. This material, notoriously heterogeneous, anisotropic and with a visco-elasto-plastic behavior, is influenced by a large amount of parameters that complicate its rheological defintion and its durability estimate. The author, after an examination of the most recent studies in literature, proposes an unconventional mesostructural modeling approach through a "voxel-based" reinterpretation of finite element models. The asphalt mixture is no longer modeled as particles dispersed in a bituminous matrix, rather as aggregates wrapped by the binder and in close contact with each other. A specifically designed algorithm, in fact, allows aggregates to fill over 75% of the volume, with minimal computational efforts. With its new definition, the proposed model is able to consider three phases (coarse aggregates, asphalt mastic and voids) to which is added the bitumen film to take into account the intergranular contacts. For the fracture simulation, a Cohesive Zone Model (CZM) was also implemented within the asphalt mastic and between the aggregates in contact. The results obtained show that the proposed approach has an excellent adaptability for modeling of both open and dense-graded mixtures and is useful for assessing the importance of the mesostructural factors as granulometric distribution, bitumen and voids content.

La presente tesi propone uno studio innovativo sulla struttura granulare del conglomerato bituminoso. Tale materiale, notoriamente eterogeneo, anisotropo ed a comportamento visco-elasto-plastico, è condizionato da una moltitudine di parametri che ne complicano notevolmente la definizione reologica e la stima della sua durabilità. L’autore, dopo un esame dei più recenti studi di letteratura, propone un approccio non convenzionale di modellazione mesostrutturale tramite una reinterpretazione “voxel-based” dei modelli ad elementi finiti. Il conglomerato bituminoso non è più modellato come delle particelle disperse in una matrice bituminosa, bensì come un insieme di aggregati avvolti da un legante ed in stretto contatto tra loro. Un algoritmo appositamente studiato consente, infatti, agli aggregati di occupare oltre il 75% del volume modellato, minimizzando gli oneri computazionali. Con la sua nuova definizione, il modello proposto è in grado di contemplare le tre fasi (aggregati grossi, mastice di bitume e vuoti), alle quali si aggiunge il film di bitume, introdotto ad hoc per modellare i contatti intergranulari. Per la simulazione del fenomeno della frattura, inoltre, è stata implementata una Cohesive Zone Model (CZM) all’interno del mastice di bitume e tra gli aggregati a contatto. I risultati ottenuti evidenziano che la metodologia proposta possiede un’ottima adattabilità per la modellazione di miscele caratterizzate da diverse percentuali dei vuoti ed è applicabile per analizzare il comportamento meccanico delle stesse al variare dei fattori mesostrutturali che le caratterizzano (distribuzione granulometrica, contenuto di bitume e percentuale dei vuoti).