A study on fatigue damage of asphalt mixture under different compaction using 3D-microstructural characteristics

Abstract

The aim of this paper is investigating the microstructural characteristics of asphalt mixture under different compaction powers. In order to achieve this aim, a test track was built to provide asphalt mixture specimens and X-ray computed tomography (XCT) device was used to scan the internal structure. The aggregate particles and air-voids were extracted using Digital Image Processing (DIP), so the relationship between compaction and air-voids was determined at first, and then, the effect of aggregate particles on the morphology of air-voids can be evaluated, finally, fatigue properties of asphalt mixture with different air-void ratio were measured by indirect tensile fatigue test as well. The research results release the distribution of microstructures in asphalt pavement. 3D fractal dimension is an effective indicator to quantize the complexity of aggregate particles and air-voids; suffering the same compaction power, aggregates cause different constitutions of air-voids in asphalt mixture; investigation in this paper can present the essential relationship between microstructures and fatigue properties.

Keywords

asphalt mixture / microstructure / morphology / digital image processing / fatigue damage

References

[1] Hou Y, Wang  L, Pauli T ,  Sun W. Investigation of the asphalt self-healing mechanism using a phase-field model. Journal of Materials in Civil Engineering, 2015, 27(3): 04014118

[2] Apeagyei A K, Grenfell  J R A, Airey  G D. Observation of reversible moisture damage in asphalt mixtures. Construction & Building Materials, 2014, 60: 73–80

[3] Presti D. L, Hassan  N. A, Khan  R, Airey G. Reclaimed Asphalt aest specimen preparation assisted by image analysis. Journal of Materials in Civil Engineering, 2014, 27(8): C4014005

[4] Mohajeri M, Molenaar  A A A, Van de Ven  M F C. Experimental study into the fundamental understanding of blending between reclaimed asphalt binder and virgin bitumen using nanoindentation and nano-computed tomography. Road Materials and Pavement Design, 2014, 15(2): 372–384

[5] Arega Z A, Bhasin  A, Kesel T D . Influence of extended aging on the properties of asphalt composites produced using hot and warm mix methods. Construction & Building Materials, 2013, 44: 168–174

[6] Braz D, Barroso  R C, Lopes  R T, Motta  L M G. Crack detection in asphaltic mixtures by computed tomography. NDT & E International, 2011, 44(2): 195–201

[7] Moriyoshi A, Takahashi  N, Ikeda O ,  Kawashima M ,  Akabane T . Strain distribution in asphalt mixtures during the wheel tracking test at high temperatures. Construction & Building Materials, 2013, 40: 1128–1135

[8] Liu P, Hu  J, Wang D ,  Oeser M ,  Alber S ,  Ressel W ,  Canon Falla G . Modelling and evaluation of aggregate morphology on asphalt compression behavior. Construction & Building Materials, 2017, 133: 196–208

[9] Castillo D, Caro  S, Darabi M ,  Masad E . Studying the effect of microstructural properties on the mechanical degradation of asphalt mixtures. Construction & Building Materials, 2015, 93: 70–83

[10] Aliha M R M ,  Fazaeli H ,  Aghajani S ,  Moghadas Nejad F . Effect of temperature and air void on mixed mode fracture toughness of modified asphalt mixtures. Construction & Building Materials, 2015, 95: 545–555

[11] Yan K, Ge  D D, You  L Y, Wang  X L. Laboratory investigation of the characteristics of SMA mixtures under freeze–thaw cycles. Cold Regions Science and Technology, 2015, 119: 68–74

[12] Khosravi H, Abtahi  S M, Koosha  B, Manian M . An analytical–empirical investigation of the bleeding mechanism of asphalt mixes. Construction & Building Materials, 2013, 45: 138–144

[13] Kodippily S, Henning  T F P, Ingham  J M, Holleran  G. Computed tomography scanning for quantifying chipseal material volumetrics. Journal of Computing in Civil Engineering, 2014, 28(3): 04014002

[14] Coleri E, Harvey  J T, Yang  K, Boone J M . A micromechanical approach to investigate asphalt concrete rutting mechanisms. Construction & Building Materials, 2012, 30: 36–49

[15] Coleri E, Harvey  J T, Yang  K, Boone J M . Micromechanical investigation of open-graded asphalt friction courses’rutting mechanisms. Construction & Building Materials, 2013, 44: 25–34

[16] Sefidmazgi N. R ,  Tashman L ,  Bahia H. Internal structure characterization of asphalt mixtures for rutting performance using imaging analysis. Road Materials and Pavement Design, 2012, 13(sup1 S1): 21–37

[17] Khan R, Grenfell  J, Collop A ,  Airey G ,  Gregory H . Moisture damage in asphalt mixtures using the modified SATS test and image analysis. Construction & Building Materials, 2013, 43: 165–173

[18] Khan R, Grenfell  J, Collop A . Micromechanical modelling of typical Dense Bitumen Macadam (DBM) from laboratory testing and X-ray Computed Tomography (CT). Construction & Building Materials, 2015, 77: 1–6

[19] Zhang Y Q, Luo  X, Luo R ,  Lytton R L . Crack initiation in asphalt mixtures under external compressive loads. Construction & Building Materials, 2014, 72: 94–103

[20] Liu P, Wang  D, Otto F ,  Hu J, Oeser  M. Application of semi-analytical finite element method to evaluate asphalt pavement bearing capacity. International Journal of Pavement Engineering, 2017 

[21] Tashman L, Pearson  B. Characterisation of stone matrix asphalt mixtures. International Journal of Pavement Engineering, 2012, 13(4): 297–309

[22] Zelelew H M, Papagiannakis  A T. A volumetrics thresholding algorithm for processing asphalt concrete X-ray CT images. International Journal of Pavement Engineering, 2011, 12(6): 543–551

[23] Kutay M E, Arambula  E, Gibson N ,  Youtcheff J . Three-dimensional image processing methods to identify and characterise aggregates in compacted asphalt mixtures. International Journal of Pavement Engineering, 2010, 11(6): 511–528

[24] Xu X Y, Xu  S Z, Jin  L H, Song  E. Characteristic analysis of Otsu threshold and its applications. Pattern Recognition Letters, 2011, 32(7): 956–961

[25] Mizushima A, Lu  R. An image segmentation method for apple sorting and grading using support vector machine and Otsu’s method. Computers and Electronics in Agriculture, 2013, 94: 29–37

[26] Arasan S, Yener  E, Hattatoglu F ,  Akbulut S ,  Hinislioglu S. The relationship between the fractal dimension and mechanical properties of asphalt concrete. International journal of civil and structural engineering, 2010, 1(2):165–70

[27] Baer J U, Kent  T F, Anderson  S H. Image analysis and fractal geometry to characterize soil desiccation cracks. Geoderma, 2009, 154(1–2): 153–163

[28] Farhidzadeh A, Dehghan-Niri  E, Moustafa A ,  Salamone S ,  Whittaker A . Damage assessment of reinforced concrete structures using fractal analysis of residual crack patterns. Experimental Mechanics, 2013, 53(9): 1607–1619

Acknowleagement

The work underlying this project was carried out under the research grant number FOR 2089, on behalf of the grant sponsor, the German Research Foundation (DFG).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg