Non-linear Fracture Analysis of Hot Mix Asphalts

Öz

The use of cubic or cylindrical compact samples has been increasing in order to determine the fracture parameters of quasi-brittle materials such as concrete, rock and asphalt. On the other hand, semi-circular bending (SCB) samples are widely used in fracture mechanics tests of asphalt and rock materials. However, in these fracture tests, the deformation of the stroke of the test machine is commonly taken into account in measuring the load-deformation relationship. Therefore, a frame system, which provides more permanent deformation, was developed and subsequently tested on bituminous hot mixture samples. The test apparatus developed in the presented work will be used to evaluate the performance of notched SCB samples manufactured from bituminous hot mixtures at normal and low temperatures. The output of this study will also enable the analysis of the road damages observed in earthquake zones as a result of the severe earthquakes which occurred in the winter months in the last 5 years in our country with the principles of fracture mechanics, and will enable the realization of highly reliable designs not only at the national but also at the international level. In this study, it was determined that there was a difference of around 50% between linear and non-linear fracture toughness in YDE specimens tested at room temperature.

Anahtar Kelimeler

• Hot Mix Asphalt
• Fracture mechanics
• Semi-Circular Bending (SCB) Samples

Bitümlü Sıcak Karışımların Lineer Olmayan Kırılma Analizi

Öz

Son yıllarda beton, kaya ve asfalt gibi yarı-gevrek malzemelerin kırılma parametrelerini tayin etmek için, kübik veya silindirik kompakt numunelerin kullanımı artmaktadır. Diğer taraftan, asfalt ve kaya malzemelerinin kırılma mekaniği testlerinde yarım daire eğilme (YDE) numuneleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu testlerde yük-deformasyon ilişkisinin tespitinde genellikle makinenin yükleme çenesinin deformasyonu dikkate alınmaktadır. Bu nedenle sunulan çalışmada, daha gerçekçi deformasyon ölçümü sağlayan bir çerçeve sistemi geliştirilerek bitümlü sıcak karışım numuneleri üzerinde test edilmiştir. Burada geliştirilen bu deney düzeneği sayesinde, bitümlü sıcak karışımlardan imal edilen çentikli YDE numunelerinin normal ve düşük sıcaktaki performansını değerlendirmek için kullanılması hedeflenmiştir. Bu çalışmanın çıktısı, aynı zamanda Ülkemizde son 5 yılda kış aylarında meydana gelen şiddetli depremler neticesinde, deprem bölgelerinde gözlemlenen karayolu hasarlarının kırılma mekaniği prensipleriyle analizini mümkün kılacağından, sadece ulusal değil uluslararası düzeyde güvenirliği yüksek tasarımların gerçekleştirilmesini sağlayacaktır. Bu çalışmada, oda sıcaklığında test edilen YDE numunelerinde lineer ve lineer olmayan kırılma tokluğu arasında %50 civarında farkın olduğunu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Bitümlü Sıcak Karışım
• Kırılma mekaniği
• Yarım Daire Eğilme (YDE) Numuneleri

Kaynakça

1. AASHTO Designation: TP 105-13. 2015. Standard Method of Test for Determining the Fracture Energy of Asphalt Mixtures Using the Semicircular Bend Geometry (SCB), American Association of State and Highway Transportation Officials.
2. Nallathambi P, Karihaloo BL. Determination of the specimen size independent fracture toughness of plain concrete. Mag of Conc Res 1986; 38: 67-76.
3. Ince R, Yalcin E, Yilmaz M. Quantifying nonlinear fracture parameters in bituminous SCB specimens: A compliance-based approach. Case Stud Const Mater 2024; 21, e03437.
4. Griffith AA. The phenomena of rupture and flow in solids. Phil Trans Roy Soc.1920; A221: 163-198.
5. Kaplan MF. Crack propagation and the fracture of concrete. J of ACI 1961; 58: 591-610.
6. Hillerborg A, Modeer M, Petersson PE. Analysis of crack formation and growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements. Cem & Conc Res 1976; 6: 773-782.
7. Jenq YS. Shah SP. A two-parameter model for concrete. J Eng Mech- ASCE 1985; 111: 1227-1241.
8. Bazant ZP, Kazemi MT. Determination of fracture energy, process zone length, and brittleness number from size effect with application to rock and concrete. Int J Fract 1990; 44(2): 111-131.

9. Xu S, Reinhardt HW. Determination of double-K criterion for crack propagation in quasi-brittle fracture, Part I: Experimental investigation of crack propagation. Int J of Fract 1999; 98: 111-149.
10. Hu X, Duan K. Size effect and quasi-brittle fracture: the role of FPZ. Int J Fract 2008; 154: 3-14.
11. Özdemir AM, Yalçın E, Yılmaz M, Yılmaz B. Farklı çentik derinliklerine sahip asfalt karışımlarının orta sıcaklıklarda kırılma özelliklerinin incelenmesi: Sonlu elemanlar yaklaşımı. Pamukkale Üniv Müh Bil Der 2024; 30(6): 808-818.
12. Brühwiler E, Wittmann FH. The wedge splitting test, a method of performing stable fracture tests. Eng Fract Mech 1990; 35: 117–126.
13. Ince R. Determination of concrete fracture parameters based on two-parameter and size effect models using split-tension cubes. Eng Fract Mech 2010; 77: 2233-2250.
14. Ince R. Determination of concrete fracture parameters based on peak-load method with diagonal split-tension cubes. Engineering Eng Fract Mech 2012; 82: 100-114.
15. Ince R. Determination of the Fracture Parameters of the Double-K Model Using Weight Functions of Split-Tension Specimens. Eng Fract Mech 2012; 96: 416-432.
16. Ince R. Usage of compact compression specimens to determine non-linear fracture parameters of concrete. Fatig Fract Eng Mater Struct 2021; 44: 410-426.
17. Ince R. Utilization of Splitting-Strips in Fracture Mechanics Tests of Quasi-Brittle Materials. Arch Appl Mech 2021; 91: 2661–2679.
18. Ince R, Bildik AT. A preliminary concrete mixture design based on fracture toughness. Mater Struct 2021, 54: 11.
19. Ince R, Bildik AT. Batch design of cementitious composites for the double-K fracture model. Mater Struct 2023; 56: 145.
20. Lim IL, Johnston W, Choi SK. Stress intensity factors for semi-circular specimen under three-point bending. Eng Fract Mech 1993; 44: 363 382.
21. Li XJ. Marasteanu MO. Using Semi Circular Bending Test to Evaluate Low Temperature Fracture Resistance for Asphalt Concrete Exper Mech 2010; 50: 867–876.