Particle model for crushable aggregates which includes size, time and relative humidity effects
Authors:   , Tapias Camacho Mauricio Alberto 
Published: July 2023

This thesis presents a study of the mechanical behaviour of coarse-crushable aggregates, using the discrete element method (DEM). A novel DEM model has been developed taking into account particle breakage, the influence of the relative humidity, time-dependent behaviour and the effect of particle size.
A criterion of particle breakage has been proposed based in fracture mechanics and the theory of subcritical crack propagation. Three theoretical models for the crack propagation are proposed taking into account the relative humidity.
Pyramidal macroparticles, which behave like clumps and can break, were selected for the DEM model, in view of the results of the analysis performed on the effect of particle shape. The model has been implemented using the commercial software PFC3D, through the incorporation of functions programmed in FISH language.
The proposed DEM model is mainly based on three parameters: the inter-granular contact stiffness (kn), the inter-particle friction (μ) and the fracture toughness of the material (Kc). It also takes into account the surface roughness of the particles through the solid angle describing contact stresses (θ0) and the yield stress of the aggregates (σy).
In order to calibrate the parameters of the model, some laboratory tests were performed. The basic (φb) and mineral (φm) friction angles were determined by means of shear tests using Tilt table test and a Direct shear cell. Contact stiffness tests in one-directional compression on prismatic specimens allowed the determination of kn. θ0 was found by means of an estimation of mean roughness (Ra) and by microscope examination of grain surfaces.
The calibration of the DEM parameters was also carried out by means of a back analysis oedometer tests and experimental data. Compressibility, the evolution of grain size distribution curves and the calculation of breakage indices helped to perform the calibration.
Additionally, several oedometer tests were performed on a brittle-crushable material -sugar cubes- in order to investigate the mechanisms of breakage. Two types of arrangements were used to obtain two very different initial void ratios: 0.80 and 0.20. Two mechanisms of breakage were determined: Comminution crushing and particle splitting. An analysis of time-dependent behaviour was also carried
out. These considerations were taken into account in the DEM model.
Blind numerical triaxial tests were also performed using parameters previously calibrated in the back analysis of oedometer tests. The prediction was quite accurate and it shows the capability of the DEM model developed to reproduce the constitutive behaviour of crushable aggregates compared with experimental results from the literature.
The DEM simulations of the oedometer and triaxial tests were consistent and accurate. The influence of the relative humidity on the mechanical behaviour, particle size effects, time-dependent behaviour and the evolution of the grain size distribution were well reproduced.
Esta tesis presenta un estudio del comportamiento mecánico de los agregados gruesos a partir de la modelación numérica utilizando el método de Elementos Discretos (DEM). Se ha desarrollado un novedoso modelo DEM que tiene en cuenta la rotura de las partículas, la humedad relativa, la influencia del tiempo y el efecto del tamaño de las partículas.Se propone un criterio de rotura de partículas con base en la mecánica de fracturas y la teoría de propagación subcrítica de grietas. Tres modelos teóricos para la propagación de grietas se proponen teniendo en cuenta la influencia de la humedad relativa.Después de realizar un análisis de sensibilidad de formas de las partículas, para el modelo DEM se seleccionaron macropartículas con formas piramidales que se comportan como clumps (totalmente rígidas) y pueden romper. El modelo ha sido implementado utilizando el software comercial PFC3D, mediante la incorporación de funciones programadas en lenguaje FISH.El modelo DEM propuesto trabaja principalmente con tres parámetros: la rigidez de los contactos (kn), la fricción entre las partículas (µ) y la tenacidad de Fractura del material (Kc). También tiene en cuenta la rugosidad superficial de las partículas a través del parámetro ¿o (ángulo sólido-solid angle) y la tensión de fluencia de los agregados.Con el fin de calibrar los parámetros del modelo se realizaron algunos ensayos de laboratorio. Para la estimación de µ: ensayos para determinar el ángulo de fricción básico y mineral de los agregados a partir de ensayos de corte utilizando la Mesa Inclinada y el Corte Directo. Para la determinación de kn: ensayos de Rigidez de Contactos a partir de compresión uni-direccional sobre muestras prismáticas con uno de sus extremos de forma piramidal apoyado sobre una superficie plana. Para la determinación de ¿o: estimación de la Rugosidad media (Ra) medida a partir de observaciones con el microscopio.La calibración de los parámetros del modelo DEM también se llevó a cabo a partir de un análisis retrospectivo (back analysis) de los ensayos numéricos edométricos comparados con datos experimentales ¿realizando un análisis de sensibilidad de diferentes parámetros-. Se tuvieron en cuenta la compresibilidad, la evolución de las curvas granulométricas y el cálculo de índices de rotura.Adicionalmente, con el fin de investigar sobre los mecanismos de rotura, se realizaron ensayos edométricos sobre un material frágil: cubos de azúcar. Se utilizaron dos tipos de arreglos de los cubos obteniéndose dos relaciones de vacíos iniciales muy diferentes: 0.80 y 0.20. Se determinaron dos mecanismos de rotura: Rotura local (comminution crushing) y divisiones en dos partes que se aproximaron a mitades (particle splitting). Así mismo se realizó un análisis del comportamiento en el tiempo. Estas consideraciones fueron tenidas en cuenta en el modelo DEM.También se ejecutaron ensayos triaxiales numéricos con los parámetros calibrados previamente en los ensayos edométricos y se compararon con resultados experimentales de la literatura. La predicción del comportamiento fue bastante acertada mostrando de esta forma la fiabilidad del modelo desarrollado. Las simulaciones DEM de los ensayos edométricos y triaxiales fueron consistentes y bastante ajustadas con los resultados experimentales. La influencia de la humedad relativa en el comportamiento mecánico, el efecto del tamaño de las partículas, el comportamiento dependiente del tiempo y la evolución de la curvas de distribución granulométrica fueron bien reproducidas.