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Contribution à la modélisation du comportement rhéologique des enrobés bitumineux : influence des conditions extrêmes de température et de trafic en fatigue

De
264 pages
Sous la direction de Denys Breysse
Thèse soutenue le 21 décembre 2010: Bordeaux 1
Les particularités de climat et les nouveaux avions très gros porteurs, imposent des effets cycliques dangereux sur les couches de roulement. Les simulations en laboratoire de ces phénomènes ont montrées leur influence sur les qualités viscoélastiques du bitume et enrobé, qui sont fonctions des variations de la température. Telles que les déformations permanentes avec perte de résistance et le durcissement du bitume associé au vieillissement accéléré. Les lois de comportement en fatigue sous trafic prouvent que les grandes amplitudes de déformation en tandem endommagent sévèrement l’enrobé. Les informations recueillies permettent de mieux prévoir l’évolution du comportement in situ du bitume et enrobé.
-Bitume
-Enrobé
-Variation de température
-Tandem
-Cycles
-Comportement
-Fatigue
Abstract
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14214/document
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N° d'ordre: 4214 Année 2010

THÈSE


présentée à


L'UNIVERSITE BORDEAUX-I


Par M. M’hammed MERBOUH


pour l’obtention du grade de DOCTEUR


SPÉCIALITÉ : MECANIQUE ET INGENIERIE




CONTRIBUTION A LA MODELISATION DU
COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE DES
ENROBÉS BITUMINEUX
Influence des conditions extrêmes de température
et de trafic en fatigue




Soutenue le 21 décembre 2010

Devant la commission d'Examen :
Pr Christophe Petit..............L3MSGC..U de Limoges.........................................Rapporteur
Mr Pierre Hornych......Directeur d'unité Manège de fatigue, HdR LCPC …Rapporteur
Pr Belkacem Draoui............Université de Bechar Algérie................................Examinateur
Pr Denys Breysse................GhyMac.U. Bordeaux1.................................Directeur de thèse
Mme Sylvie. Yotte………..........McF GhyMac U. Bordeaux1..........................Examinateur
Mr Touhami Abdelhamid…....McF HdR..U. de Bechar……………… ..….Examinateur
Mme Fatima Allou……………..McF L3MSGC U. de Limoges……………… ….Invitée






















2


Remerciements

Arrivé au bout de ce travail effectué au sein du laboratoire Géoscience Hydraulique et
Matériaux de Construction, à l’université Bordeaux-1, je tiens à exprimer ma sincère
reconnaissance à l’ensemble des personnes qui m’ont permis de le mener à terme.
Je tiens à remercier tout d’abord Denys Breysse, Professeur à l’université Bordeaux-1,
mon directeur de thèse, de m’avoir intégré à son équipe au sein du GHyMaC, pour m’avoir
mis le pied à l’étrier pour toute les parties de ce travail, de m’avoir fait bénéficier aussi bien
de ses conseils et compétences scientifiques que ses qualités humaines, et me donner toute
l’autonomie nécessaire pour mener à bien ce projet et sans qui ce manuscrit ne serait pas ce
qu’il est, ainsi pour ses réponses à mes nombreuses « petites questions ». Merci à mon frère,
amis et co-encadreur, le défunt Pr N. Laradi, qui nous a quitté depuis 2007. Que dieu
l’accepte dans son paradis.
Je remercie les rapporteurs, le Pr. C. Petit et Mr Pierre Hornych, pour avoir expertisé avec
attention ce manuscrit ainsi qu’aux membres du jury.
Je suis reconnaissant à C. Such et E. Chailleux pour m’avoir accueilli dans leur unité
LMR au sein de la division MSC, lors de mon séjour en plusieurs reprises au LCPC-Nantes
pour les essais rhéologiques et mécaniques sur bitumes. A L. Moriceau au LRPC-Bordeaux
lors de mon stage pour essais de fatigue sur enrobé. Je souhaite remercier J. Riss directrice du
laboratoire GHyMaC de m’avoir facilité les procédures administratives.
Je voudrais remercier S. M. Elachachi pour ses conseils et ses compétences scientifiques,
à S. Yotte, H. Niandou, Pr R. Fabre, M.C. Lavenier et J. Chambert pour leur soutien, leur
bonne humeur lors de mon séjour au GHymac et leur disponibilité offrant un bon cadre de
travail.
Sans oublier mes collègues doctorants, j’ai beaucoup apprécié leur joie de vivre, les
nombreuses pauses et discussions notamment leur soutien. Ces quelques années sont pour moi
inoubliables.
Je ne saurais exprimer tout l’amour et la reconnaissance que j’ai pour mes parents, ma
femme, et mes enfants, pour la paine qui l’ont pris pour moi, ainsi que le soutien qu’ils m’ont
apporté, pour m’avoir donné leurs moyens, leur patience et sacrifice depuis le début de
réaliser mon devoir et ma passion.
Enfin un merci affectueux à B. Z. qui est le pilier indispensable à ce travail.


3


RESUME

La stabilité et la durabilité des chaussées routières et aéronautiques en enrobé bitumineux
dépendent principalement de sa résistance aux sollicitations, dans le temps et sur le site pour
des conditions spécifiques extrêmes, telles que les particularités de climat dans les différentes
régions et les chargements des nouvelles conceptions d’avions très gros porteurs.
Ces types de sollicitation entraînent des dégradations dangereuses dans les couches de
roulement et demeurent des préoccupations majeures des maîtres d’ouvrages, en particulier
avec l’accroissement de l’agressivité du trafic.
Les simulations en laboratoire de ces phénomènes ont montré que les qualités
viscoélastiques du bitume sont fonction des variations extrêmes de la température que subit la
couche de surface. Elles influent directement sur les propriétés rhéologiques et mécaniques de
l’enrobé. Les déformations permanentes et le durcissement du bitume sont associés à une
perte de résistance et un vieillissement accéléré dus aux cycles thermiques.
En ce qui concerne les sollicitations sous trafic en fatigue, les lois de comportement
déterminées prouvent que les grandes amplitudes de déformations et la forme des signaux
tandem endommagent sévèrement la couche d’enrobé en comparaison avec les signaux
classiques.
L’évaluation des propriétés rhéologiques et mécaniques intrinsèques de ces matériaux,
sous l’influence des conditions extrêmes de climat et de trafic, permet de mieux prévoir
l’évolution du comportement in situ de l’enrobé et la durée de vie des chaussées.
Mots clés : bitume, enrobé, variation de température, tandem, cycles, comportement,
fatigue.







4
TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES………………………………………………………………05
INTODUCTION GENERALE…………………………………………………………10

CHAPITRE I :
COMPOSITION ET COMPORTEMENT DES BITUMES ET ENROBES……..…12
1- INTRODUCTION………………………………………………………………..…12
2- COMPOSITION, STRUCTURE ET PROPRIETES DES BITUMES……….....13
2.1.- Origine et grandes catégories…………………………………….………………13
2.2.- Structure colloïdale du bitume…………………………………………………...13
2.3.- Caractéristiques chimiques du bitume………………………………………….. 17
2.3.1.- Séparation par précipitation…………………………………………………....17
2.3.2.- Séparation par chromatographie d'adsorption…………………………............18
2.3.3.- La chromatographie sur gel perméable (GPC)………….……………………..19
2.3.4.- La spectroscopie infra–rouge………………………………..…………………20
2.4.- Propriétés thermo-physiques des bitumes……………………….……………….20
3 - METHODES DE MESURE DES PROPRIETES RHEOLOGIQUES………....21
3.1.- Les différentes familles d’essais………………….……………….……….…….21
3.2.- Les essais « technologiques » ………………………….………………. ….….. 21
3.2.1.- Mesure de la fragilité…………………………….……………. ….….………21
3.2.2.- Mesure de la pénétration……………………………..…………… .……….…22
3.2.3.- Mesure du point de ramollissement………………………….….. ……………23
3.2.4.- Influence de la température sur les propriétés……………..…………..………23
3.3.- Essais mécaniques………………………………………… ……………………28
3.3.1.- Essais à vitesse imposée………………………………………… ……………29
3.3.2.- Essai à charge imposée………………………………………….. ……………..31
3.3.3.- Essai de module complexe………………………………………… ……….…34
3.3.4.- Mesure de la viscosité………………………………………………………….37
3.3.5.- Présentation des résultats : isothermes et isochrones……………….………….37
4- LES MODELES DE COMPORTEMENT………………………..………………38
4.1.- Les familles de modèles…………………………………………… ……………38
4.2.- Influence de la composition sur la rhéologie des bitumes……………....… …… 40

5
5- CARACTERISATION ET FORMULATION DES ENROBES
BITUMINEUX………………………..…………………………………..……………41
5.1- Méthodes de formulation basées sur les essais mécaniques traditionnels…….… 42
5.2- Méthodes de formulation basées sur les essais mécaniques « modernes » …...… 42
5.2.1.- Essai de module complexe……………………………………………. ………42
5.2.2.- Essais de fatigue ………………………………………...… ………….………43
5.2.3.- Essais de fluage dynamique……………………………..…………… .………44
5.3.- Méthodes analytiques de formulation………………………..…….…………… 44
6- INFLUENCE DES CARACTERISTIQUES DES LIANTS SUR
LES PROPRIETES MECANIQUES DES ENROBES……..……….………………44
6.1.- Rôle de la température, fragilité, rigidité et viscosité……………….….……… 45
6.2.- Propriétés rhéologiques et spécifications……………………………….………. 45
6.3.- Du liant à l´enrobé : prévision du module et de la résistance…………….………46
6.4.- Influence du bitume sur la fatigue des enrobés…………………….…………....47
6.5.- Résistance aux déformations permanentes et orniérage…………….…………....48
7- EVOLUTION ET VIEILLISSEMENT DES BITUMES………….……………...48
7.1.- Mécanismes de vieillissement et facteurs influents……………...……………….48
7.1.1.- Le vieillissement physique……………………………….…..…….…… ……49
7.1.2.- Le vieillissement chimique…………………………….………….…… ………49
7.2.- Essais de vieillissement accéléré des bitumes………….…………………………50
7.2.1.- Essai RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) ……………..….…….………… 50
7.2.2.- Autres essais de vieillissement du bitume……………………….….…………. 51
8- FATIGUE MECANIQUE DES ENROBES BITUMINEUX………...……………53
8.1- Comportement en fatigue des chaussées bitumineuses…………....………………53
8.1.1.- Les chaussées : structures soumises à des chargements répétés….……… …….53
8.1.2.- Phénomènes résultant de la fatigue…………………………….…………… … 55
8.1.3.- L’essai normalisé de fatigue et son exploitation………………..……… ………56
8.2.- Paramètres influençant le comportement en fatigue…………….….……… …….61
8.2.1.- Effet du mode de sollicitation et critère de rupture…………….…….…… ……62
8.2.2.- Effet de l’échauffement………………………………………...… …… ………62
8.2.3.- Effet de la forme du signal et de la fréquence de sollicitation…….…… ………63
8.2.4.- Effet de la température d’essai……………………………….….……... ………64
8.2.5.- Effet du temps de repos………………………………………...… …… ………67
9- CONCLUSION …………………………………………..…….……… …………….67

6
CHAPITRE II :
ESSAIS RHEOLOGIQUES ET MECANIQUES SUR BITUMES FATIGUES
THERMIQUEMENT………………..……………………………………………….....70
1- INTRODUCTION……………………………………………………………….....70
2- CARACTERISATION DU COMPORTEMENT VISCO-ELASTIQUE DE
BITUMES FATIGUES THERMIQUEMENT: ESSAIS DE FLUAGE-
RECOUVRANCE…………………………………………………………………….71
2.1.- Phénomène de fatigue thermique et conséquences sur les propriétés du bitume.71
2.2.- Fatigue thermique et fissuration des chaussées : expression des besoins…….…73
2.3.- Etat de l’art sur la fatigue thermique…………………………………………....74
2.4.- Approche expérimentale des effets de la fatigue thermique……………………76
2.4.1.- Matériau……………………………………………………… …...…………76
2.4.2.- Programme expérimental : simulation de la fatigue thermique……………...76
2.4.3.- Programme expérimental : essais de fluage-recouvrance…………………....78
2.5.- Analyse des résultats expérimentaux………………………………….……….. 81
2.5.1.- Procédure de traitement de la réponse des échantillons……………………...81
2.6.- Analyse des résultats – influence de la fatigue thermique………………………91
2.6.1.- Identification en fluage et analyse…………………………………………….91
2.6.2.- Analyse du modèle en recouvrance…………………………………… ..….99
2.7.- Analyse des résultats – influence du phénomène de gel-dégel…………..…….102
2.7.1.- En fluage……………………………………...……………… …….……….102
2.7.2.- En recouvrance……………………………………...……………….………104
2.7.3.- Conclusion sur l’effet du gel-dégel…………………………….…………….105
2.8.- Influence du phénomène d’échauffement/refroidissement…….………..…….105
2.8.1.- En fluage……………………………………………………….………….....105
2.8.2.- En recouvrance…………………………………………...…….……………108
2.8.3.- Conclusion sur l’effet d’Echauffement/refroidissement………………...……108
3- COMPORTEMENT EN TRACTION UNIAXIALE DES BITUMES FATIGUES
THERMIQUEMENT……………………………………………..……….…………109
3.1.- Introduction…………………………………………………………….……....109
3.2.- Approche expérimentale du comportement en traction uniaxiale….…….…….110
3.2.1. - Matériel d’essai………………………………………… …….….…………110
3.2.2.- Programme expérimental………………………………………………….....112
3.3.- Analyse des résultats expérimentaux…………………………………………..114
3.3.1.- Types de comportements observés……………………………… …………..114
7
3.3.2.- Influence de la vitesse de sollicitation………………….……… ……………118
3.3.3.- Exploitation synthétique des résultats………………………….……….……120
3.3.4.- Influence de la fatigue thermique……………………………….………… ...127
3.4.- Conclusions sur le comportement uniaxial en traction…………..……………..129
4- CONCLUSION GENERALE: EFFET DE LA FATIGUE THERMIQUE...….129

CHAPITRE III :
FATIGUE MULTIPIC SOUS SOLLICITIONS MECANIQUES
A GRANDE DEFORMATION………………………….………………….……..……132
1- INTRODUCTION………………………………….…………….…….…..………132
2- ENJEUX ET OBJECTIFS……………………….……………….……..………....133
3- APPROCHE EXPERIMENTALE DE LA FATIGUE SOUS
CHARGEMENT COMPLEXE…………………………………………………........135
3.1.- Moyens expérimentaux……………………………………………… …………135
3.1.1.- Le matériau…………………………….……….…..… .……………………135
3.1.2.- Eprouvettes et sollicitations expérimentales………………………………...136
3.1.3. Matériels d’essai……………………………….…………… ….……………142
3.1.4.- Caractérisation des éprouvettes - mesure du module complexe….…… ……144
3.1.5.- Programme d’essai de fatigue à grande déformation………………… …….145
3.1.6.- Mesure du module complexe : effet de la fréquence…..………… …………146
4. PROCEDURE DE DEPOUILLEMENT DES ESSAIS…………….… ……….....149
4.1.- Analyse des sollicitations effectives…………...…………………….….……… 149
4.1.1.- Des essais individuels aux caractéristiques de la loi de fatigue…….… .……149
4.1.2.- Des enregistrements bruts aux résultats consolidés…..….……….… ………150
4.2.- Procédure de traitement des résultats sur un essai…..…………….…… …......153
4.2.1.- Détermination de la durée de vie………..…………………….…… …….....154
4.2.2- Détermination du niveau de déformation….………………..….…… ………155
5. - ANALYSE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX……….…….…… ………157
5.1.- Droites de fatigue pour l’ensemble des essais…………………….….… …….....157
5.2.- Effets de la fréquence et de la forme du signal tandem………………… ……….161
5.3.- Analyse de l'agressivité de la sollicitation en tandem…………..……… .………163
6. - CONCLUSIONS…………..………………..……………..…………… ………… 165



8
CHAPITRE IV :
MODELISATION DE L’EFFET DES VARIATIONS JOURNALIERES
DE LA TEMPERATURE……...……………………………………….………………...167
1- INTRODUCTION……………..…………………………………………………167
2- POSITION DU PROBLEME……………………………………………………168
3- APERÇU HISTORIQUE……………………...…………………………………169
4- EQUATIONS DE BASE POUR LE COMPORTEMENT
THERMO-MECANIQUE DES BITUMES ET ENROBES……………………...171
4.1- Sollicitation thermique………………………………………………………....171
4.2- Equation de la chaleur………………………………….………………………174
4.3- Coefficient de dilatation/contraction thermique linéique……………………....174
5- COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE AU COURS
D’UN CYCLE DE GEL…………………………………..…………………………177
5.1- Modélisation numérique de l’évolution de la température au cours
d’un cycle de gel……………………………………………………………….……177
5.2- Analyse thermomécanique au cours d’un cycle de refroidissement…………...178
5.2.1- Retrait thermique empêché…………………………………………………178
5.2.2- Contrainte thermique…………………………………………… …………178
5.2.3- Procédure de calcul de la contrainte thermique……………….……………181
5.3- Simulation des cycles thermiques………………………………………………191
5.3.1. Simulation d’un refroidissement brusque, progressif suivie
d’une stabilisation de la température…………………… ……………..…………191
5.3.2- Cas d’une variation sinusoïdale de la température………..………………..202
6. ANALYSE QUALITATIVE ET QUANTITATIVE
DES RESULTATS - BILAN………………………………………………………...214
7- CONCLUSION………………………………………… …………………..…… 215
CONCLUSION GENERALE………………..………………….…..…………………217
ANNEXE A1 :
Courbes de traction directe sur bitumes……………………………………………222
ANNEXE A2.a- :
Courbes de déformation et de raideur……………………………………………...226
ANNEXE A2.b- :
Critères de fatigue, Lois de fatigue………………………………………………....244


9

INTRODUCTION GENERALE
La croissance économique agressive des pays a engendrée un développement très
important des moyens et des infrastructures de transport, même dans les zones à climat
spécifique, telles que les régions sahariennes chaudes ou à climat continental et les régions
froides. Ainsi, plus récemment, le besoin aux engins de transport géants assurant de grandes
capacités à conduit à des modifications significatives dans la conception des appareils.
Cependant les aspects dimensionnement et optimisation du choix des matériaux routiers,
en particulier le liant bitumineux, reste pratiquement limité. Il suffit d’observer la surface de
certaines chaussées à faible trafic, mais situées dans des régions à fortes amplitudes
thermiques journalières ou saisonnières, pour constater qu’elles sont parfois le siège de graves
dégradations dés les premières années de mise en service. Ce phénomène s’est en plus
aggravé par l’intensification du trafic et des charges supportées par les structures de chaussée,
étant due en particulier à l’accroissement du trafic Poids Lourds. Ces dégradations
préoccupent les maîtres d’ouvrages et posent un gène voire des risques aux usagers, la
durabilité et la rentabilité des investissements sont un défit permanent.
Le comportement mécanique en contrainte-déformation du bitume et enrobé dépond des
conditions de chargement « thermiques et mécaniques), comme il dépond aussi de son histoire
(thermique et mécanique).
Il apparaît donc nécessaire d’approfondir les connaissances concernant les propriétés des
bitumes et enrobés, ainsi que leur évolution dans le temps, qui permettra à terme de formuler
des enrobés durable dans leur environnement climatique et suffisamment performant face aux
exigences modernes.
Cette étude décrit la simulation en laboratoire de deux phénomènes de fatigue sur bitume
et sur enrobés. Le premier concerne l’effet cyclique des variations de la température sur le
bitume, souvent rencontrés dans les régions à climats spécifiques. Le deuxième s’intéresse à
la reproduction de l’effet cyclique des grandes déformations, sur l’enrobé, imposées par les
nouveaux avions très gros porteurs.
Dans le matériau composite, le liant bitumineux est l’élément le plus sensible aux effets
thermiques. Lors de la caractérisation des bitumes soumis à la fatigue thermique deux types
d’essais ont été réalisés, l’essai de fluage-recouvrance et l’essai de traction directe à froids
« DTT », pour évaluer les différences de comportement en fonction des plages thermiques
d’une part et le nombre de cycle de température de l’autre part.
La proposition d’un modèle analologique cohérant a permis d’analysée et de déduire les
paramètres de la réponse viscoélastique des bitumes testés en fluage-recouvrance, ainsi que le
comportement en traction directe à basse température et la rupture ductile/fragile sont
également étudiées. Une comparaison des résultats conduit à des constations qui expliquent
les différences enregistrées entre les bitumes fatigués thermiquement et le bitume neuf à
l’origine.

A fin de déterminer l’effet des grandes intensités sur les couches d’enrobé de surface, des
essais de fatigue mécanique ont été effectués sur des éprouvettes prismatiques d’enrobé
bitumineux de classe « 0/6 », selon la méthode française. La dépendance de la réponse du
10