Apport du multi-échelle dans l’étude de la durabilité des ...

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Apport du multi-eacutechelle dans lrsquoeacutetude de la durabiliteacute desmateacuteriaux de chausseacutees

Ferhat Hammoum

To cite this versionFerhat Hammoum Apport du multi-eacutechelle dans lrsquoeacutetude de la durabiliteacute des mateacuteriaux de chausseacuteesMateacuteriaux et structures en meacutecanique [physicsclass-ph] Universiteacute Nantes Angers Le Mans 2010tel-00961957

Pocircle de recherche et drsquoenseignement supeacuterieur (PRES) Univ Nantes Angers Le MansUniversiteacute de Nantes - ED SPIGASpeacutecialiteacute CNU 60 Geacutenie Civil

MEMOIRE DrsquoHABILITATION A DIRIGER LES RECHERCHES

de Ferhat HAMMOUMLaboratoire Central des Ponts et Chausseacutees

sur

Apport du multi-eacutechelle dans lrsquoeacutetude de

la durabiliteacute des mateacuteriaux de chausseacutees

HDR soutenue le 03 mars 2010devant le jury composeacute de

PreacutesidentPierre-Yves Hicher Ecole Centrale de Nantes

RapporteursYves Berthaud Universiteacute Pierre et Marie Curie Paris VI

Manfred Partl KTH- Stockholm amp EMPA ZurichChristophe Petit Universiteacute de Limoges

ExaminteursClaude Boutin ENTPE

Abdelhafid Khelidj Universiteacute de NantesPierre Hornych LCPC

Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees - tel0240845767 - e-mail ferhathammoumlcpcfr

Table des matiegraveres

1 Thegravemes de recherche personnels 511 Preacuteambule Mon parcours 512 Introduction 1313 Durabiliteacute des couches superficielles 14

131 Introduction 14132 Les effets drsquoune charge roulante sur une structure 15133 Les effets drsquoune force tangentielle sur une couche de roulement 21134 Les effets des conditions climatiques sur les enrobeacutes bitumineux 31

14 Les meacutelanges bitumineux agrave lrsquoeacutechelle granulaire identification geacuteomeacutetrique et ca-racteacuterisation meacutecanique 33141 Introduction 33142 Le recours agrave lrsquoanalyse drsquoimage 34143 Identification de la structure interne des mateacuteriaux bitumineux 34144 Application drsquoune technique de changement drsquoeacutechelle pour deacuteterminer les

proprieacuteteacutes meacutecaniques du meacutelange 40145 Les deacuteformations locales dans les enrobeacutes bitumineux facteur de localisation 45

15 Comportement drsquoun film de liant au pseudo-contact intergranulaire 48151 Introduction 48152 Les deacuteveloppements expeacuterimentaux 49153 Les deacuteveloppements numeacuteriques 63

16 Perspectives de recherche 75

Bibliographie 79

2 Publications Scientifiques et Techniques 8721 Brevets 8722 Chapitres drsquoouvrages 8723 Articles parus dans des revues internationales agrave comiteacute de lecture 8724 Articles dans des revues nationales agrave comiteacute de lecture 8825 Articles dans diverses revues technico-professionnelles 8826 Rapports drsquoeacutetude de recherche et drsquoexpertise 88

2

3 Participations agrave des colloques congregraves et seacuteminaires 9131 Communications agrave des congregraves avec publications des actes 9132 Autres communications dans des congregraves sans actes 93

4 Principales collaborations scientifiques 94

5 Principales missions sur le terrain 95

6 Actions de formation et drsquoencadrement 9661 Actions de formation 9662 Actions de co-encadrement de doctorants 9663 Actions drsquoencadrement de stagiaires et chercheurs 97

7 Contrats et collaborations avec les industriels 99

8 Actions de valorisation 10081 Logiciels 10082 Mode opeacuteratoire et Meacutethode drsquoessai 10083 Conception et Deacuteveloppement de moyen drsquoessai 100

9 Administration de la recherche et autres activiteacutes scientifiques 10191 Relecture drsquoarticles activiteacutes eacuteditoriales 10192 Animation de groupe de travail 10193 Participation agrave des comiteacutes agrave des commissions et organisation des colloques 101

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Le livre de la vie est le livre suprecircmeQursquoon ne peut ni fermer ni ouvrir agrave son choix Le passage attachant ne srsquoy lit pas deux foisMais le feuillet fatal se tourne de lui-mecircme On voudrait revenir agrave la page ougrave lrsquoon aimeEt la page ougrave lrsquoon meurt est deacutejagrave sous vos doigts

Le livre de la vieAlphonse de LAMARTINE (1790-1869)

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1Thegravemes de recherche personnels

11 Preacuteambule Mon parcours

Degraves ma thegravese de doctorat je me suis inteacuteresseacute au comportement des geacuteomateacuteriaux et audeacuteveloppement drsquooutils de modeacutelisation et de caracteacuterisation des mateacuteriaux heacuteteacuterogegravenes et non-lineacuteaires Ma double formation (mateacuteriaux et meacutecanique) mrsquoa permis de travailler sur plusieurstypes de mateacuteriaux doueacutes de proprieacuteteacutes inteacuteressantes et largement utiliseacutes en geacutenie civil tantau niveau du sous-sol (geacuteomateacuteriaux) qursquoau niveau de la structure elle-mecircme (bois granulatsbitume) Ces mateacuteriaux constituent non seulement le terrain drsquoexpression pour de nombreusesdisciplines scientifiques comme la science des mateacuteriaux la physico-chimie la meacutecanique et larheacuteologie mais eacutegalement un vecteur de deacuteveloppement eacuteconomique et social

Peacuteriode doctorale ⊲ Les grandes deacuteformations des mateacuteriaux ineacutelastiques anisotropesMon travail de thegravese concerne la modeacutelisation de mateacuteriaux ineacutelastiques en deacuteformations finiesqui neacutecessite la description de lrsquoeacutevolution de la sous-structure mateacuterielle Cette sous-structurepeut ecirctre repreacutesenteacutee macroscopiquement par des variables tensorielles La notion de deacuteformationfinie repose sur le concept de configuration intermeacutediaire Mandel (1971) a proposeacute une theacuteoriemacroscopique des grandes transformations reposant sur ce concept de configuration intermeacute-diaire Son approche montre la distinction agrave faire entre la vitesse de rotation de la sous-structureet la vitesse de rotation mateacuterielle du milieu continu Introduisant la notion de vecteur-directeuril a clarifieacute le choix drsquoune configuration intermeacutediaire qursquoil a implicitement introduite par unedeacutecomposition multiplicative du gradient de deacuteformation en une partie eacutelastique et une partieplastique

Le point capital de cette deacutemarche est la mise en eacutevidence de configurations intermeacutediairesparticuliegraveres dites isoclines Ce nrsquoest qursquoen 1983 que lrsquoefficaciteacute de cette theacuteorie est exposeacutee in-deacutependamment par Loret (1983) et Dafalias (1983) Ces deux auteurs preacutesentent un cadre detravail dans lequel entre une large famille de mateacuteriaux eacutelastoplastiques exhibant une anisotropiedite induite par les deacuteformations ou une anisotropie de structureLa formulation de ces lois de comportement en grandes transformations neacutecessite certaines preacute-cautions sous peine drsquoobtenir des pheacutenomegravenes parasites sans signification physique Poursuivantcette approche nous avons proposeacute et analyseacute numeacuteriquement les eacutequations constitutives eacutecritesdans une configuration intermeacutediaire particuliegravere pour des mateacuteriaux preacutesentant une anisotropieinduite ouet de structure (Hammoum 1993)

Les deacuteveloppements matheacutematiques et numeacuteriques de la thegravese ont permis de proposer des algo-rithmes drsquointeacutegration des eacutequations eacutelastoplastiques Ces algorithmes ont eacuteteacute testeacutes pour deacutecrirele comportement de mateacuteriaux anisotropes en y incluant les effets de la vitesse de rotation plas-

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tique pour des chemins de chargement classiques (Loret Hammoum and Dafalias 1993)Cette description est suivie drsquoune eacutetude sur la preacutecision la convergence des diffeacuterents algorithmesmet en eacutevidence les effets dus aux fortes variations de courbure des fonctions de charge carac-teacuteristique des mateacuteriaux agrave anisotropie de structure Cette eacutetude a montreacute en particulier que lapreacutecision minimale correspond agrave des increacutements de contraintes qui traversent la surface de charge(Loret Hammoum and Dafalias 1992)A titre drsquoapplication nous avons consacreacute eacutegalement une partie de ce travail de thegravese pour deacutecriredrsquoune maniegravere simplifieacutee lrsquoeacutevolution drsquoun pli avec conditions aux limites donnant lieu agrave de grandestransformations 12 Cet exemple srsquoinspire du problegraveme tregraves complexe des plis geacuteologiques bienconnus des geacuteologues

Figure 11 ndash Diffeacuterents types de plis geacuteologiques (Tarbuck and Lutgens 1987)

En effet il est freacutequent de voir des massifs rocheux preacutesentant des formes geacuteomeacutetriques extraordi-naires (Figure 11) Les roches subissent des contraintes eacuteleveacutees sur une longue peacuteriode de tempselles se deacuteforment souvent par plis ou se fracturent en plusieurs morceaux si le temps drsquoappli-cation de la charge est relativement court (Tarbuck and Lutgens 1987) Quand on applique unchargement avec une faible vitesse de charge les roches se deacuteforment drsquoune maniegravere eacutelastique leschangements qui en reacutesultent sont reacuteversibles le massif rocheux revient agrave sa forme initiale et lescontraintes srsquoannulent Cependant quand la limite drsquoeacutelasticiteacute est deacutepasseacutee la roche se deacuteformeplastiquement le massif se transforme en plis Si la deacuteformation se poursuit il y a creacuteation drsquoundocircme plus ou moins arrondi ougrave il y a apparition de contraintes de traction En conseacutequenceles zones concerneacutees par ces tractions se fracturent et deviennent vulneacuterables agrave lrsquoeacuterosion Dans

Figure 12 ndash Geacuteomeacutetrie drsquoun pli symeacutetrique et conditions aux limites

le travail de thegravese nous nrsquoavons pas eacutetudieacute numeacuteriquement les plis geacuteologiques ougrave les conditionsaux limites sont difficiles agrave estimer de plus il faudrait tenir compte des dimensions reacuteelles desstructures geacuteologiques et de la graviteacute Neacuteanmoins nous avons proposeacute un exemple tregraves simple

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pour une utilisation pratique des lois constitutives deacutecrites dans ma thegravese (Hammoum 1993)Drsquoun point de vue comportement du mateacuteriau cette eacutetude constitue un point de deacutepart dans lasimulation des plis geacuteologiques

Afin de modeacuteliser lrsquoexemple deacutecrit ci-dessus jrsquoai ducirc construire les modules neacutecessaires en grandesdeacuteformations puis les inseacuterer dans un code de calcul Le mateacuteriau constitutif obeacuteit agrave la loi decomportement eacutelasto-plastique deacutefinie par le critegravere de Hill et deacutecrite dans ma thegravese (cf Ham-moum 1993 Chap3) Le calcul est effectueacute agrave lrsquoaide de la meacutethode des eacuteleacutements finis suivantun scheacutema lagrangien Il fait apparaicirctre clairement lrsquoinfluence capitale de la vitesse de rotationplastique sur lrsquoorientation des axes privileacutegieacutes et le pheacutenomegravene est drsquoautant plus marqueacute que ledegreacute drsquoanisotropie est eacuteleveacute

Figure 13 ndash Visualisation des maillages deacuteformeacutes en fonction de lrsquoaccourcissement cas dissy-meacutetrique

Apregraves avoir examineacute lrsquoinfluence des paramegravetres mateacuteriaux sur un exemple de pli symeacutetrique (cfHammoum 1993 Chap5) jrsquoai consideacutereacute un cas dissymeacutetrique ougrave la somme des angles θ1 + θ2

nrsquoest pas eacutegale agrave 180 Cette dissymeacutetrie de lrsquoorientation des axes drsquoorthotropie apparaicirct dansles maillages deacuteformeacutes de la figure 13 On observe le deacuteversement du docircme agrave partir de 30 drsquoaccourcissement On relegraveve eacutegalement des contraintes de traction au sommet du docircme du faitde lrsquoexistence de ce deacuteversementEn conclusion cette eacutetude montre que le concept de configuration isocline introduit par Mandel(1971) eacutelimine plusieurs difficulteacutes numeacuteriques rencontreacutees dans la configuration actuelle ougrave leseacutequations constitutives exprimeacutees en vitesse introduisent une deacuteriveacutee objective Dans ce travail dethegravese jrsquoai adopteacute la mecircme deacutemarche dans lrsquoeacutecriture de la loi eacutelastoplastique pour nrsquoutiliser que ladeacuteriveacutee mateacuterielle Lrsquoeacutecriture des expressions est simplifieacutee et lrsquoutilisation de la deacuteriveacutee mateacuteriellepermet de retrouver des reacutesultats coheacuterents avec la reacutealiteacute Les possibiliteacutes drsquoapplication sontnombreuses moyennant quelques ameacuteliorations agrave apporter dans la reacutesolution des problegravemes avecla meacutethode des eacuteleacutements finis Ce type de problegraveme suggegravere le recours agrave la meacutethode quasi-newtonou au gradient conjugueacute qui nrsquoexigent ni lineacutearisation ni stockage ni inversion de matrices et unscheacutema mixte Euleacuterien-Lagrangien (ALE) pour obtenir un maillage avec moins de distorsionsdans les zones les plus solliciteacutees

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Peacuteriode post-doctorale ⊲ Le seacutechage sous vide du bois Pourquoi et comment Depuis lrsquoapparition du seacutechoir traditionnel les solutions des constructeurs leaders ont connupeu de progregraves car il subsiste le gaspillage drsquoeacutenergie et la pollution qui srsquoen suit le seacutechage agravelrsquoair libre est le processus qui preacutesente le plus drsquoinconveacutenient avec le surcoucirct lieacute au stockage lacoloration lrsquoapparitition des fentes lors du retrait la deacutegradation par les insectes sans compterlrsquoimmobilisation du capital Les temps de seacutechage beaucoup trop longs entraicircnent un manque deflexibiliteacute pour pourvoir srsquoadapter aux besoins du marcheacuteLe deacuteveloppement des seacutechoirs vous vide constitue une piste de progregraves dans ce domaine drsquoacti-viteacute De nombreuses possibiliteacutes de pilotage de lrsquoinstallation srsquooffrent agrave lrsquoexploitant en vue drsquounmeilleur aspect et drsquoune moindre sollicitation du bois lors du seacutechage Cependant le seacutechage agravela vapeur sous vide nrsquoa pu percer par rapport au seacutechoir traditionnel meilleur marcheacute qursquoenraison drsquoinnovations importantes (Brunner 1991)Depuis 1993 plus de 50 seacutechoirs de tailles diverses dont 25 seacutechoirs agrave vide ont eacuteteacute suivis etanalyseacutes (Brunner 1997) Environ 1200 cycles de seacutechage de checircnes de hecirctres de sapins de 27 agrave240 mm drsquoeacutepaisseur ont permis drsquoeacutetudier systeacutematiquement la dureacutee de seacutechage la dispersion dutaux drsquohumiditeacute finale la courbe de tempeacuterature du bois et le comportement du seacutechoir Lrsquoen-quecircte deacutetailleacutee a porteacute sur les deacuteformations de tous types les deacutecolorations ou les fissures Crsquoestla premiegravere fois qursquoune eacutetude aussi complegravete et aussi cibleacutee est reacutealiseacutee dans ce domaine Elledonne des reacutesultats pratiques de seacutechage en fonction des essences et des eacutepaisseurs et offre unebase de comparaison entre seacutechage conventionnel et seacutechage sous vide Dans certaines limitesdes consignes de tempeacuterature et de vitesse de seacutechage rapides permettent des dureacutees de seacutechagetregraves reacuteduites Malheureusement elles entraicircnent aussi des deacutefauts de qualiteacute lieacutes au seacutechage deacuteformations fissures eacutecarts drsquohygromeacutetrie deacutecolorations et tensions

a) Seacutechoir industriel sous vide avec emplacement des capteurs b) Geacuteomeacutetrie du problegraveme et conditions aux limites

Figure 14 ndash Seacutechage sous vide des planches et modeacutelisation du problegraveme avec conditions auxlimites

Ma contribution srsquoinscrit dans le contexte des recherches entreprises dans le domaine de la rheacuteolo-gie du bois par le Laboratoire drsquoeacutetudes et de Recherche en Meacutecanique des Structures agrave Montluccedilon(Temmar 1994 Audebert and Temmar 1997) et (Audebert et al 1997) Il srsquoagit de mettre enœuvre puis de valider un modegravele thermomeacutecanique qui permet de preacutevoir lrsquoapparition des fenteset autres imperfections au cours drsquoun seacutechage rapide sous vide Le bois se preacutesente comme unmateacuteriau avec une microstructure cellulaire on distingue essentiellement les fibres longitudinaleset une sous-structure poreuse ougrave les transferts drsquoeau srsquoopegraverent au cours des cycles drsquohumidifica-tion et de seacutechage Le taux de saturation de la sous-structure poreuse est en moyenne proche de12 et varie avec lrsquoessence du bois lrsquoacircge et la provenanceSelon lrsquoessence du bois destineacute au seacutechage une valeur critique du taux drsquohumiditeacute permet dedeacutefinir lrsquoexistence drsquoun front drsquoeacutevaporation Au cours drsquoun processus de seacutechage il existe unezone segraveche avec un taux drsquohumiditeacute proche du taux de saturation (asymp 10) et une zone humide

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ougrave le taux drsquohumiditeacute reste proche du taux drsquohumiditeacute initial apregraves entreposage (asymp 40) En sebasant sur lrsquoexistence du front de seacutechage nous proposons une analyse simplifieacutee sur le transfertde masse et le transfert de chaleur (Audebert Temmar Hammoum and Basilico 1997)Jrsquoai compleacuteteacute la modeacutelisation du problegraveme de seacutechage avec un modegravele rheacuteologique ougrave sont prisen consideacuteration le retrait libre la relation entre la contrainte et la deacuteformation instantaneacutee(eacutelastique) le fluage induit par le temps (fluage viscoeacutelastique) et le fluage induit par la varia-tion drsquohumiditeacute (fluage meacutecanosorptif) La loi constitutive du modegravele rheacuteologique est baseacutee surun comportement visco-eacutelastique et lrsquoanisotropie a eacutegalement eacuteteacute prise en consideacuteration dans lamodeacutelisation Pour les besoins de lrsquoeacutetude le calcul montre qursquoau cours drsquoun seacutechage seacutevegravere visantagrave abaisser le taux drsquohumiditeacute de 70 agrave 10 le mateacuteriau peut subir des contraintes internes tregravesimportantes qui deacutepassent les valeurs limites en contrainte du boisAfin drsquointroduire la notion de contrainte limite jrsquoai proposeacute par la suite une loi de comportement

a) Profils de la contrainte longitudinale b) Profils de la contrainte transversale

Figure 15 ndash Evolution au cours du seacutechage du profil des contraintes σxx et σyy suivant lrsquoeacutepaisseurde la planche de bois

eacutelasto-visco-plastique prenant en compte la deacutependance des caracteacuteristiques du bois en fonctiondu taux drsquohumiditeacute (Hammoum and Audebert 1999) Lrsquoobjectif de ce deacuteveloppement est derendre plus reacutealiste le comportement meacutecanique du bois au cours du seacutechage A partir des carac-teacuteristiques physiques et meacutecaniques du bois les travaux de recherche effectueacutes au LERMES ontpermis drsquoaffiner la meacutethode drsquooptimisation du processus du seacutechage sous vide en tenant comptedes contraintes internes deacuteveloppeacutees au cours du seacutechage Lrsquoajustement des paramegravetres pressionet tempeacuterature permet de reacuteduire ainsi le risque de deacuteformation et de fissuration des piegraveces enbois

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Peacuteriode professionnelle ⊲ La durabiliteacute des mateacuteriaux de chausseacuteesEn septembre 1996 jrsquoai rejoint lrsquoeacutequipe de la Division Structures et Mateacuteriaux pour les Infrastruc-tures de Transport (SMIT) du Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees en tant que chargeacute derecherche du ministegravere Mon inteacutegration a coiumlncideacute avec lrsquoextension des activiteacutes du laboratoiresur les liants bitumineux Lrsquoobjectif est de regrouper geacuteographiquement tous les moyens humainset mateacuteriels dans le mecircme laboratoireLes activiteacutes du laboratoire eacutetaient agrave cette eacutepoque uniquement orienteacutees vers la technique routiegravere(caracteacuterisation des constituants formulation des meacutelanges essais meacutecaniques et dimensionne-ment) Ces activiteacutes sont essentiellement centreacutees sur des approches classiques Mon position-nement sur le thegraveme principal de la durabiliteacute des mateacuteriaux de chausseacutees nrsquoeacutetait pas directet comme activiteacute de transition jrsquoai eacuteteacute ameneacute mrsquoadapter aux activiteacutes du laboratoire (agrave cetteeacutepoque il nrsquoy avait pas de moyens pour caracteacuteriser et eacutevaluer la durabiliteacute des couches superfi-cielles ou pour lancer des travaux sur la fissuration et lrsquoautoreacuteparation agrave une eacutechelle plus fine)Pour contribuer au deacuteveloppement du laboratoire jrsquoai suivi une formation sur la spectrophoto-meacutetrie infrarouge agrave transformeacutee de Fourier agrave la Faculteacute des sciences de Nantes Une formationqui srsquoavegravere utile et efficace car elle mrsquoa faciliteacute la mise en place des meacutethodes drsquoidentification etde dosage des eacuteleacutements chimiques contenus dans le bitume Jrsquoai eacutegalement eacutelaboreacute une base dedonneacutees des polymegraveres utiliseacutes dans le domaine routier La prise en main de la spectrophotomeacute-trie infrarouge fucirct ma premiegravere tacircche dans le laboratoire Ensuite jrsquoai poursuivi ma mission dedeacuteveloppement du laboratoire des liants avec la mise en place drsquoautres essais de caracteacuterisation(traction directe pelage ductiliteacute etc) Par rapport agrave mon profil centreacute sur la modeacutelisationnumeacuterique cette phase de deacuteveloppement du laboratoire fucirct une expeacuterience nouvelle et tregraves en-richissante pour moiEn tenant compte de ma double formation (mateacuteriaux et meacutecanique) mon positionnement scien-tifique srsquoest fait ensuite sur le thegraveme central de la durabiliteacute des mateacuteriaux de chausseacutees

Pourquoi ce sujet de recherche Tout simplement ce sujet constitue une voie drsquoinvestigation inteacuteressante pour appreacutehender agrave lafois le fonctionnement meacutecanique des mateacuteriaux routiers les couplages physico-chimiques et ledeacuteveloppement drsquooutils expeacuterimentaux et numeacuteriquesDepuis les anneacutees 70 les gestionnaires routiers utilisent des regravegles empiriques pour deacuteterminerle revecirctement adeacutequat pour un tronccedilon routier Ces reacutegles proviennent de lrsquoexpeacuterience terrainaccumuleacutee depuis plusieurs anneacutees Pour consolider lrsquoexpeacuterience acquise une approche plus ra-tionnelle est neacutecessaire pour la transmission des connaissances et du savoir-faire Cette reacuteflexionpermet drsquoexpliquer pourquoi ce thegraveme de recherche preacutesente potentiellement des possibiliteacutes dedeacuteveloppement et drsquoinnovationAbordons lrsquoobjectif principal un tronccedilon routier doit ecirctre optimiseacute pour reacutepondre aux nouvellesattentes des usagers Pour y parvenir les chausseacutees doivent ecirctre correctement dimensionneacuteesmises en place et entretenues dans les regravegles de lrsquoart preacuteconiseacutees par la technique routiegravereMais au delagrave du calcul de dimensionnement et de la mise en œuvre drsquoune structure de chausseacuteesa durabiliteacute deacutepend eacutegalement du choix et de la qualiteacute des mateacuteriaux utiliseacutes Dans notre egraveredrsquoinnovation technologique et de preacuteoccupations environnementales la qualiteacute des mateacuteriaux etla reacuteutilisation des deacutechets routiers constituent le terrain drsquoexpression des acteurs du domaineroutier qui proposent des proceacutedeacutes de construction performants et durables Pour ameacuteliorer lesproceacutedeacutes actuels tout en respectant les critegraveres environnementaux il faut favoriser une certainesynergie entre les diffeacuterentes disciplines scientifiques concerneacutees

Quel est lrsquoapport du multi-eacutechelle Le muti-eacutechelle un dernier mot agrave la mode Jrsquoai utiliseacute lrsquoapproche multi-eacutechelle afin de fairele lien entre les pheacutenomegravenes physiques et meacutecaniques observables agrave lrsquoeacutechelle drsquoune couche de

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chausseacutee ou drsquoun eacutechantillon drsquoenrobeacute bitumineux et les aspects physiques et physico-chimiquesdeacutecrits agrave une eacutechelle micromeacutetrique et nanomeacutetrique Il existe des travaux dans ce sens avec lesmateacuteriaux cimentaires qui deacutecoulent des recherches sur les approches nanotechnologiques (projeteuropeacuteen NanoConex et travaux du groupe RILEM TC197 sur la nanotechnologie dans les ma-teacuteriaux de construction) Les nanotechnologies peuvent-elles apporter une avanceacutee significativedans le domaine des mateacuteriaux bitumineux Des reacuteflexions dans ce sens ont eacuteteacute abordeacutees lorsdrsquoun workshop qui srsquoest deacuterouleacute agrave lrsquouniversiteacute de Floride en 2006 (Partl et al 2006)Depuis les anneacutees 70 lrsquoeacutechelle macroscopique utiliseacutee par lrsquoingeacutenieur routier a permis de lancerles bases de la technique routiegravere actuelle Par souci de simplification on a ainsi assimileacute lrsquoen-robeacute bitumineux agrave un milieu macroscopiquement homogegravene avec un comportement eacutelastique puisreacutecemment visco-eacutelastoplastique Des modegraveles macroscopiques ont eacuteteacute proposeacutes pour deacutecrire lefonctionnement de la structure (Balay et al 1998 Heck et al 1998) et eacutevaluer sa dureacutee de vie(Moutier 1991 de La Roche 1996 Breysse et al 2004)Parallegravelement la chimie des liants bitumineux srsquoest deacuteveloppeacutee pour appreacutehender la structuredes bitumes pour eacutevaluer leurs eacutetats rheacuteologiques et leurs eacutevolutions dans le temps Lrsquoeacutechellenanomeacutetrique utiliseacutee par les chimistes a permis drsquoeacutetablir quelques relations entre la structuredu bitume et ses proprieacuteteacutes physiques et rheacuteologiques (Lesueur 1996) Les recherches entreprisesavec les techniques drsquoanalyse modernes (rheacuteomegravetre spectrophotomeacutetrie Infrarouge agrave transformeacuteede Fourier (Mouillet 1998 Lamontagne et al 2001) analyse calorimeacutetrique diffeacuterentielle (ACD)diffraction aux rayons X et fluorescense UV par excitation et eacutemission Synchrones (EES)) ontpermis de caracteacuteriser la nature chimique du bitume et de deacutecrire plus finement le rocircle joueacutepar les constituants de base du bitume bien connus sous lrsquoacronyme composition SARA 1 Alrsquoheure actuelle les progregraves accomplis en matiegravere de techniques analytiques permettent de mieuxcomprendre la chimie et la physico-chimie des bitumes mecircme srsquoil faut se rendre agrave lrsquoeacutevidence quela structure moleacuteculaire du bitume reste trop complexe pour ecirctre parfaitement deacutefinie (Lesueur2009)Je me suis alors interrogeacute sur le chaicircnon manquant pour compleacuteter la compreacutehension du com-portement des meacutelanges bitumineux Il est plus que neacutecessaire de deacutevelopper des travaux agrave uneeacutechelle intermeacutediaire pour comprendre non seulement les meacutecanismes de deacuteformation de fissu-ration drsquoautoreacuteparation des meacutelanges bitumineux mais eacutegalement construire par la suite unedeacutemarche plus rationnelle qui englobe les mateacuteriaux recycleacutes et les mateacuteriaux alternatifs Crsquoestpourquoi le thegraveme principal de la durabiliteacute des mateacuteriaux de chausseacutee doit prendre en comptele caractegravere multi-eacutechelle du problegravemeApregraves ce preacuteambule utile pour situer un peu le contexte et la motivation qui mrsquoont ameneacutes agravetravailler sur ce sujet de recherche je vais deacutecrire ici un ensemble de projets de recherche en rela-tion avec la technique routiegravere auxquels jrsquoai participeacute depuis mon entreacutee au Laboratoire Centraldes Ponts et Chausseacutees Ces travaux de recherche srsquoinscrivent dans les deux axes de recherchedu scheacutema directeur du LCPC que sont la conservation du patrimoine bacircti correspondant auxinfrastructures et lrsquoutilisation des nouvelles technologies

Afin de preacutesenter les diffeacuterents travaux et de les situer dans le contexte geacuteneacuteral jrsquoai pris leparti de reacutediger des textes introductifs Jrsquoai eacutegalement ajouteacute quelques compleacutements concernantdes projets en cours Jrsquoespegravere que cela facilitera la lecture de ce meacutemoire Lrsquoensemble de mestravaux sont baseacutes sur les meacutethodes de calcul et les expeacuterimentations deacuteveloppeacutees et employeacuteesau sein du Laboratoire Je nrsquoai pas rappeleacute ici le deacutetail de ces meacutethodes ce qui prendrait tropde place Mais la plupart des articles citeacutes comportent les points essentiels des deacuteveloppementset des reacutesultats preacutesenteacutes iciPour garder une certaine lisibiliteacute dans la description de mes travaux je preacutesenterais donc uni-quement les travaux consolideacutes autour de quelques theacutematiques deacutefinies dans les orientations du

1 S Satureacute A Aromatique R Reacutesine et A Asphalthegravenes

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laboratoire puis jrsquoexposerais le projet scientifique que je compte deacutevelopper et animer agrave lrsquoavenir

Enfin la derniegravere partie reacutecapitule lrsquoensemble de ma production scientifique Jrsquoy distingue lesarticles dans des revues agrave comiteacute de lecture (3) les actes de colloques et les communicationsorales preacutesenteacutees lors des colloques (4) les principales actions de formation et drsquoencadrement (7)et enfin lrsquoadministration de la recherche et autres activiteacutes scientifiques (9)

Il y a eacutegalement les reacutesultats de recherche issus des contrats avec les industriels (8) une occa-sion drsquoutiliser lrsquoexpertise acquise gracircce aux travaux de recherche meneacutes ici dans des applicationsindustrielles La plupart de ces contrats concernent les eacutetudes sur les liants modifieacutes avec uneoptimisation des performances et un proceacutedeacute de fabrication Ces reacutesultats ne sont pas preacutesenteacutesdans ce meacutemoire et nrsquoont pas fait lrsquoobjet de publications

Je termine ce preacuteambule en insistant sur le fait que le travail preacutesenteacute ne se serait jamais fait sanslaquoguidesraquo scientifiques et peacutedagogiques sans chercheurs collegravegues passionneacutes sans doctorants mo-tiveacutes sans industriels compeacutetents sans techniciens disponibles et sans secreacutetaires efficaces Qursquoilset qursquoelles soient de Grenoble Californie Montluccedilon Lyon Strasbourg Nantes Aix-en-ProvenceGreenwich Stellenboch Santander Washington Lausanne Angers Rennes Queacutebec ou Paris jeles en remercie tregraves sincegraverement

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12 Introduction

Le bitume mateacuteriau issu de la distillation du peacutetrole est sans conteste parmi les mateacuteriauxles plus reacutepandus et le plus utiliseacute dans les infrastructures de transport ougrave il sert de liant auxgranulats pour former un enrobeacute bitumineux Bien que repreacutesentant typiquement 5 en massedrsquoun meacutelange bitumineux son impact sur les performances meacutecaniques de la couche bitumineuseest consideacuterable (Anderson et al 1993) Les proprieacuteteacutes rechercheacutees sont la tenue meacutecanique agravefroid pour eacuteviter les pheacutenomegravenes de fissuration et la tenue meacutecanique agrave chaud pour reacutesister agravelrsquoornieacuterage La couche de roulement subit agrave la fois lrsquoagressiviteacute des charges lourdes avec la pro-bleacutematique du contact pneumatique-chausseacutee et les conditions environnementales (ensoleillementUV oxydation par lrsquoair eau et polluants) Neacuteanmoins la couche de roulement occupe une placeparticuliegravere dans une structure de chausseacutee dans la mesure ougrave lrsquoon recherche eacutegalement certainesproprieacuteteacutes de surface essentielles pour assurer une seacutecuriteacute et un confort de conduite quelque soitles conditions climatiques Elle constitue ainsi une couche protectrice pour la structure et un bonsupport pour la circulation des veacutehiculesLe retour drsquoexpeacuterience dans lrsquoemploi des liants et des meacutelanges bitumineux dans les couchesde roulement reste relativement limiteacute dans la mesure ougrave les interactions entre les diffeacuterentspheacutenomegravenes physico-chimiques et meacutecaniques sont nombreuses Neacuteanmoins une des questionsessentielles agrave laquelle il faut reacutepondre est la durabiliteacute globale drsquoune couche de roulement entenant compte agrave la fois de lrsquointeacutegriteacute de la couche vis agrave vis des conditions environnementales etla conservation des proprieacuteteacutes de surfaceLe thegraveme de la durabiliteacute des couches superficielles ne peut ecirctre traiteacute correctement sans intro-duire la notion drsquoeacutechelle drsquoinvestigation Mes travaux prennent en compte drsquoune part lrsquoobservationavec lrsquoeacutetude des pheacutenomegravenes agrave diffeacuterentes eacutechelles et les expeacuterimentations en laboratoire et sursite Mes travaux incluent eacutegalement le deacuteveloppement de moyens drsquoessai innovants et de mo-degraveles de preacutediction des caracteacuteristiques des mateacuteriaux afin de prendre en compte le caractegravereheacuteteacuterogegravene et complexe des meacutelanges bitumineux Je preacutesente donc mes travaux de rechercheselon les trois volets suivants qui correspondent aux trois eacutechelles drsquoobservation

1 Volet 1 Echelle drsquoune structure pour aborder la durabiliteacute des couches superficielles vis agravevis des efforts tangentiels et des conditions climatiques

2 Volet 2 Echelle drsquoun eacutechantillon drsquoenrobeacute bitumineux pour deacutefinir la structure interne drsquounmeacutelange bitumineux pour une meilleure identification du mateacuteriau Gracircce aux techniquesdrsquohomogeacuteneacuteisation on peut construire un modegravele pour preacutedire les proprieacuteteacutes meacutecaniquesdes meacutelanges bitumineux

3 Volet 3 Echelle drsquoun film de bitume au pseudo-contact intergranulaire pour cerner lecomportement du bitume dans les conditions dans lesquelles il se trouve au sein du mateacuteriaubitumineux

13

13 Durabiliteacute des couches superficielles

131 Introduction

La peacuterenniteacute des couches de roulement prend en compte non seulement la durabiliteacute des ma-teacuteriaux vis agrave vis des pathologies (LCPC 1998) dont quelque unes seront eacutenumeacutereacutees ci-apregraves maisaussi le maintien des proprieacuteteacutes drsquousage des revecirctements routiers (uni adheacuterence bruit projec-tion drsquoeau etc) agrave un niveau satisfaisant pour les usagers La preacuteoccupation des gestionnaires dureacuteseau routier consiste alors agrave proposer des solutions durables et eacuteconomiquement acceptables etpouvant assurer un bon niveau de seacutecuriteacute et un bon confort de conduite quelles que soient lesconditions environnementalesReacutecemment ces preacuteoccupations ont rejoint de nouvelles exigences des pouvoirs publics en matiegraverede deacuteveloppement durable et du respect de lrsquoenvironnement La croissance du transport urbainet peacuteriurbain deacutemontre encore une fois que le transport des biens et des personnes reste il fautle rappeler une neacutecessiteacute pour le deacuteveloppement eacuteconomique et social Lrsquoenvironnement et lapreacuteservation des ressources naturelles doivent ecirctre pris en compte dans les regravegles de conceptiondes infrastructures de transportMis agrave part le cas des couches de roulement tregraves minces les couches bitumineuses eacutepaisses rem-plissent un rocircle structurel dans la chausseacutee On peut se reporter agrave lrsquoouvrage de di Benedettoand de La Roche (1998) pour donner une ideacutee des caracteacuteristiques rheacuteologiques et meacutecaniquesdes mateacuteriaux bitumineux utiliseacutees dans le domaine des chausseacutees Pour simplifier on relegraveveessentiellement trois types de pathologies sur une structure de chausseacutee

1 La fissuration qui peut-ecirctre soit drsquoorigine thermique lorsque le mateacuteriau subit une varia-tion de tempeacuterature importante et qui se traduit par des contraintes de traction dans lemateacuteriau soit drsquoorigine meacutecanique par le passage drsquoune charge lourde creacuteant ainsi desefforts de flexion avec des contraintes de traction agrave la base des couches lieacutees (de La Roche1996 Bodin 2002) La fissuration dans la couche de roulement constitue un point drsquoentreacuteedes eaux de pluie et agrave terme cette fissure est preacutejudiciable pour la peacuterenniteacute de la struc-ture Plusieurs eacutetudes ont montreacute lrsquoinfluence des paramegravetres de composition drsquoun enrobeacutebitumineux (type de liant teneur en liant et nature des fines) sur le comportement agrave larupture Toutefois mecircme srsquoil a eacuteteacute montreacute que la fissure qui se propage dans lrsquoenrobeacute sedeacuteveloppe dans le film de liant collant les granulats entre eux la contribution de la naturedu liant reste encore mal connue Une eacutechelle drsquoinvestigation plus fine se reacutevegravele neacutecessairepour aborder ce problegraveme

2 La deacuteformation permanente des couches de la chausseacutee en geacuteneacuteral et de la couche de rou-lement en particulier Ce problegraveme est assez proche du comportement eacutelastoplastique desmilieux granulaires lieacutes ou non lieacutes sous sollicitations cycliques Les graves non traiteacutees parexemple sont largement abordeacutees dans la litteacuterature (Hornych et al 1993 Hicher 1998Hicher et al 1999 Abd et al 2004)Le risque drsquoapparition des deacuteformations permanentes dans les couches de roulement aug-mente dans les reacutegions chaudes Neacuteanmoins drsquoautres facteurs contribuent agrave favoriser lrsquoor-nieacuterage comme la thermo-susceptibiliteacute du bitume la forme des granulats ou encore unedensification insuffisante du squelette granulaire lors de la mise en œuvre Lrsquoapparitionde lrsquoornieacuterage mecircme de faible importance est synonyme drsquoune multiplication du facteurrisque pour les usagers avec les problegravemes drsquoaccumulation drsquoeau et drsquoaquaplaning

3 Un endommagement avec perte de mateacuteriaux agrave la surface des couches de roulement Deseffets drsquoorigine meacutecanique et physico-chimique peuvent expliquer ce type de deacutesordre i) lrsquoeffet de lrsquoeau sur lrsquointerface liant-granulat Ce problegraveme touche particuliegraverement les reacute-

14

gions pluvieuses ouet les reacutegions ougrave les granulats locaux preacutesentent une mauvaise adheacutesionavec les liants bitumineuxii) lrsquoeffet du geldeacutegel qui aboutit agrave terme agrave la formation des nids de poule Lrsquoeffet dugel-deacutegel est bien connu des gestionnaires routiers et la technique routiegravere franccedilaise a sur-monteacute ce problegraveme Seulement les aspects geldeacutegel ont reacuteapparu ces derniegraveres anneacutees dansle Nord-est de la France et avec le pheacutenomegravene du changement climatique et il semble quelrsquoeffet du geldeacutegel peut devenir une des principales preacuteoccupations du gestionnaire routieriii) Enfin lrsquoeffet des efforts tangentiels et les arrachements de granulats en surface constateacutesau niveau des carrefours giratoires et autres points singuliers Cependant la reproductionen laboratoire du pheacutenomegravene drsquoarrachement est relativement difficile agrave faire car non seule-ment il faut faire un choix sur le type drsquoessai qui servira pour le classement des mateacuteriauxentre eux mais il faut eacutegalement cerner les principaux facteurs qui deacuteclenchent lrsquoarrache-ment de granulats

On voit bien que la durabiliteacute des couches de roulement est un sujet de recherche assez vaste etnous avions tenteacute drsquoapporter quelques contributions dans ce sensJe commence cette partie par un travail sur les aspects structurels avec une charge roulanteisoleacutee sous diffeacuterentes conditions de chargement Sans donner drsquoembleacutee au lecteur une descrip-tion complegravete du problegraveme de contact pneumatique-chausseacutee je preacutesente quelques reacutesultats pourintroduire les effets des conditions de chargement sur une structure au travers drsquoune analyse delrsquoeacutetat de contrainte Ensuite jrsquoaborde les travaux expeacuterimentaux effectueacutes en laboratoire pourexpliquer certaines pathologies observeacutees dans les couches de chausseacutee

132 Les effets drsquoune charge roulante sur une structure

Le passage drsquoune charge roulante engendre un eacutetat de contraintes dans la structure Cet eacutetatde contraintes meacutecanique deacutepend de la nature des couches de la structure mais eacutegalement descaracteacuteristiques de la charge Les couches bitumineuses se deacuteforment par flexion sous le passage dela charge Comme les mateacuteriaux preacutesentent un comportement viscoeacutelastique lrsquoeacutetat de contraintesdeacutepend de la vitesse de passage de la charge et de la tempeacuterature qui regravegne dans la structureLe dimensionnement drsquoune structure est baseacutee sur le calcul des eacutepaisseurs des diffeacuterentes couchesen fonction du type de trafic de la portance des sols et des mateacuteriaux utiliseacutes Dans ce cadreles organismes techniques (LCPC et SETRA 1994) ont conccedilu un catalogue des structures pourapporter une aide dans la conception drsquoune structure de chausseacutee

Ce dimensionnement concerne essentiellement les couches de base et les couches de fondationcar ces derniegraveres remplissent la fonction de portance de la structure Cependant les couchessuperficielles avec notamment la couche de liaison et la couche de roulement occupent une placeimportante dans le scheacutema de conception des infrastructures de transport Les couches superfi-cielles constituent une surface drsquoeacutechange de nature meacutecanique avec les conditions de chargement(freinage acceacuteleacuteration changement de direction etc) et une surface drsquoeacutechange de nature physico-chimique avec les conditions environnementalesLa collaboration avec lrsquoINRETS lrsquoENS de Cachan et LOHR (Projet National du groupe 10 duPredit DEVIN Durabiliteacute E t Interaction V eacutehicules-IN frastructure) a eacuteteacute lrsquooccasion drsquoexami-ner lrsquoeffet des conditions de chargement (acceacuteleacuteration freinage et roulement libre) sur lrsquoeacutetat decontraintes meacutecanique dans la couche de roulement A lrsquoorigine de ce projet il y a le conceptde tramway sur pneus qui est preacutesenteacute comme un systegraveme de transport moderne et adapteacute agrave lacirculation des personnes dans des villes de taille moyenne et plus grandeSur ce type drsquoinfrastructure on adapte la conception de la structure pour tenir compte des speacute-cificiteacutes propres au tramway sur pneus Le traceacute est une de ces speacutecificiteacutes requises pour desservir

15

les quartiers reacutesidentiels Neacuteanmoins avec un traceacute sinueux le tramway aura besoin drsquoacceacuteleacutererde freiner et de srsquoarrecircter au niveau des nombreuses stations placeacutees sur le traceacute La recherchedrsquoun compromis entre le temps de parcours du circuit la desserte locale et la durabiliteacute de lastructure constitue lrsquoenjeu principal de ce projetPlus preacuteciseacutement lrsquoexpeacuterience montre que les effets de variation de la vitesse agrave lrsquoapproche desstations et le trafic canaliseacute peuvent influencer la reacuteponse de la structure et agrave terme reacuteduire ladureacutee de vie de la couche de roulement Le projet DEVIN a donneacute lrsquooccasion aux participantsdrsquoeacutetudier la cineacutematique et les conditions de chargement du tramway de Clermont-Ferrand Ceseacuteleacutements serviront agrave simuler la reacuteponse de la structure et agrave eacutevaluer les contraintes du traceacuteLrsquoun des volets du projet DEVIN est consacreacute agrave lrsquoeacutetude des effets des variations de vitesse dansle sens longitudinal (freinage acceacuteleacuteration ou roulement libre) sur la structure

Afin drsquoobtenir les efforts appliqueacutes par la roue motrice on utilise le signal acceacuteleacuteromeacutetriquelongitudinal en caisse (Figure 16) Le signal vitesse reacuteelle au sol mesureacute par dynamo tachymeacute-trique est pris comme consigne vitesse fonction de lrsquoabscisse pour les simulations

Figure 16 ndash Enregistrement du signal acceacuteleacuteration longitudinal entre les stations Champratelet Croix de Neyrat

Pour exploiter les courbes on se rend compte que la difficulteacute consiste agrave bien recaler la consignede vitesse sur le traceacute Par prudence nous avons utiliseacute un systegraveme GPS afin drsquoeacuteviter les erreursde positionnement De mecircme on a ducirc prendre en compte les conditions initiales non nulles delrsquoeffort horizontal pour inteacutegrer la pente au niveau de la station Champratel Ceci a entraicircneacutequelques modifications dans le logiciel VOCOLIN agrave lrsquoINRETS pour tenir compte de tous lesaspects lieacutes au projet de tramwayLa campagne drsquoessai reacutealiseacutee le mecircme jour pour deux allers-retours complets le long de la lignedu tramway a permis drsquoobserver que le comportement du conducteur dans la conduite du tram-way peut influencer un peu les reacutesultats de mesureLes efforts obtenus sur une roue de lrsquoessieu moteur le long des 200 premiers megravetres de lrsquointer-station Champratel-Croix de Neyrat sont reporteacutes sur la figure (18) Les courbes de force sontdonneacutees en fonction de la distance parcourue par le tramway on voit que la zone ougrave la force hori-zontale atteint une valeur maximale est assez courte une dizaine de megravetres en sortie de stationCette portion du traceacute solliciteacutee dans des conditions particuliegraveres a eacuteteacute prise en consideacuteration

Ce premier cas retenu comme repreacutesentatif drsquoun effort tangent eacuteleveacute est obtenu dans une situa-tion ougrave le veacutehicule acceacutelegravere agrave 1 5ms2 en ligne droite soit un effort longitudinal par pneu de14000N pour une charge reacuteduite sans doute par le cabrage agrave 36500N (Balay et al 2008) Lerapport entre lrsquoeffort horizontal et lrsquoeffort vertical est de 0 39 A noter au passsage que lrsquoeffort

16

y (m)x (m)

x (m)

DAT LO HR S T E 4C N4pm2L22DAT LO HR S T E 4C N4pm2L22DAT LO HR S T E 4C N4pm2L22

z (

m)

0 5-5-10-15-20-25-30-350

2

3

1

VOCOLIN Software - INRETS

-10

-50

-15

-10

1

0

2

3

1

Figure 17 ndash Configuration du tramway STE 4 pour la modeacutelisation avec le logiciel Vocolin-INRETS

Figure 18 ndash Forces agissant au niveau de lrsquoessieu moteur (calcul de dynamique des veacutehicules-INRETS

de guidage reste faible avec 200NLes forces engendreacutees par la roue motrice agrave la sortie de la station seront utiliseacutees comme donneacuteesdrsquoentreacutee pour le calcul des efforts internes dans la structureDans la deuxiegraveme phase de ce travail nous avions meneacute les calculs avec les outils numeacuteriques lesplus avanceacutes au LCPC (CVCR) (Heck et al 1998) et VISCOROUTE (Duhamel et al 2005Chabot et al 2006) pour prendre en compte le caractegravere viscoeacutelastique des mateacuteriaux en placeet la cineacutematique de la roue sur la structureLes pressions de contact normale et tangente sous la roue sont consideacutereacutees comme uniformesCertes cette consideacuteration nrsquoest pas reacutealiste mais le travail de repreacutesentation du champ de pres-sions reacuteel nrsquoest pas encore en place pour qursquoil soit exploiteacute iciQuoiqursquoil en soit le calcul des efforts internes dans la structure se veut avant tout qualitatifet nous avons consideacutereacute un cas similaire agrave la structure utiliseacutee sur le circuit de tramway deClermont-Ferrand constitueacutee drsquoune couche de roulement BBME de 7cm et drsquoune couche de baseavec un enrobeacute agrave module eacuteleveacute de 19cm drsquoeacutepaisseur au total drsquoune couche de GNT de 30cmet drsquoun sol de portance moyenne Les mateacuteriaux non lieacutes sont supposeacutes eacutelastiques lineacuteaires etles couches bitumineuses assimileacutees agrave un mateacuteriau viscoeacutelastique sont deacutefinies par le modegravele de

17

Huet-Sayegh (Hammoum et al 2010)La simulation numeacuterique montre que la deacuteflexion verticale en surface semble deacutependre prin-

cipalement de la vitesse du veacutehicule La couche de roulement est soumise agrave une deacuteflexion plusmarqueacutee lorsque le tramway avance agrave une vitesse reacuteduite agrave lrsquoapproche et au deacutepart de la stationPar contre la deacuteflexion verticale semble peu influenceacutee par les effets dus aux variations de lavitesse (acceacuteleacuteration et freinage)

250

200

150

100

50

0

-10 -05 00 05 10

X (m)

Uz (

x 00

00

) (micro

m)

Free rolling (9 kmh)

Deceleration (9 kmh)

Acceleration (9 kmh)

z

x

V

Ai

Figure 19 ndash Deacuteflexion sous la roue en fonction des conditions de chargement (θ = 20C)

Lrsquoexamen des champs de contrainte dans la couche de roulement reacutevegravele un effet majeur de laforce horizontale due aux changements de vitesse du tramway La contrainte de cisaillement σxzsemble deacutependre directement de la cineacutematique du veacutehicule Contrairement au roulement libreougrave la contrainte σxz est localiseacutee au voisinage des bords du pneumatique les changements devitesse se traduisent ainsi par une contrainte de cisaillement non neacutegligeable et reacutepartie sur toutela surface de contact Ces efforts de cisaillement qui peacutetrissent le mateacuteriau srsquoajoutent agrave lrsquoeffetde la seule contrainte verticale et peuvent expliquer dans certains cas lrsquoapparition des deacuteforma-tions permanentes La contrainte longitudinale σxx est eacutegalement affecteacutee par les conditions de

00-05-10 05 10

00

-02

-03

-01

01

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

z

02

03

z

x

Ai

V

Figure 110 ndash Effets des conditions de chargement sur la contrainte de cisaillement dans lacouche de roulement (θ = 20oC)

18

chargement Une acceacuteleacuteration ou un freinage accentue un peu plus la contrainte longitudinaleσxx

00-05-10 05 10

00

-02

-04

-06

-08

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

x

z

x

Ai

V

Le seul examen de ces eacutetats de contraintes ne rend toutefois qursquoimparfaitement compte dufonctionnement sous trafic des couches bitumineuses dans les structures de chausseacutee Notammentils ne rendent pas compte en un point donneacute de lrsquohistorique de chargement ou du chemin decontraintes lieacute agrave lrsquoapproche puis agrave lrsquoeacuteloignement drsquoune charge roulante (Heck 2001)

Pour donner une ideacutee plus preacutecise au lecteur sur lrsquoeacutetat de contraintes sous une charge roulanteon propose la repreacutesentation tensorielle des eacutetats de contrainte deacutejagrave adopteacutee dans la thegravese de J-VHeck (Heck 2001) Sans deacutenaturer exageacutereacutement le pheacutenomegravene nous convenons de restreindre ladescription agrave partir des invariants classiques p q de la Meacutecanique des Sols ou des Roches ougrave pest la pression moyenne et q la contrainte deacuteviatoire associeacutees au tenseur de contrainte en unpoint donneacute de la chausseacutee

Afin de mieux saisir la globaliteacute du pheacutenomegravene au passage drsquoune charge nous adoptons dansle plan (p q) une repreacutesentation de type chemin de contraintes obtenue par eacutelimination enun point donneacute M de la variable temps t entre les quantiteacutes p(M t) et q(M t) La constructionde ces chemins de contraintes est particuliegraverement simple dans le cas preacutesent de lrsquoeacutetude drsquounesection courante de chausseacutee ougrave un unique calcul opeacutereacute dans le repegravere de la charge roulantesuffit Si x deacutesigne lrsquoaxe de la chausseacutee et si les coordonneacutees du point M sont (x y z) le cheminde contraintes srsquoobtient en eacuteliminant x entre les quantiteacutes p(x y z) et q(x y z) agrave y et z fixeacutes Onrappelle que tout autre point M prime de coordonneacutees (xprime y z) voit le mecircme chemin de contraintesque M

Par convention nous consideacuterons toujours dans la suite contraintes et deacuteformations neacutegativesen traction (resp en extension) et positives en compression (resp en contraction)

Les travaux proposeacutes dans ce sens dans Hammoum et al (2010) comblent en partie le manquedrsquoinformation sur les effets des conditions de chargement dans le plan bidimensionnel (p q) Lafigure (112) illustre les chemins de contraintes engendreacutes aux points Ai agrave diffeacuterentes profondeursZ au passage de la charge isoleacutee Les chemins sont obtenus par repreacutesentation parameacutetrique dansle plan (p q) des quantiteacutes p(t) et q(t) aux points Ai lorsque la charge roulante se deacuteplace lelong de lrsquoaxe de la chausseacutee de + infin agrave - infin Les courbes de la figure (112) sont typiques des chemins de contraintes obtenus au voisinage dela surface des chausseacutees Elles preacutesentent dans le plan (p q) lrsquoallure drsquoune demi-sinusoiumlde tron-queacutee dans sa partie descendante Le point α est obtenu agrave la verticale du centre de la charge Le

19

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

Figure 112 ndash Chemin de contraintes dans le plan (PQ) au voisinage de la surface des chausseacutees(θ = 20oC)

sommet β est obtenu quant agrave lui pour les points situeacutes approximativement au voisinage de lapeacuteripheacuterie de la charge Tout au long du deacuteplacement de la charge roulante le mateacuteriau subit unepression de confinement correspondant agrave une compression Les conditions de chargement influentsur le degreacute de confinement repreacutesenteacute par le paramegravetre p mais les effets sont plus visibles surla partie deacuteviatorique La valeur maximale du deacuteviateur q subit une augmentation de lrsquoordre de55 lorsque la roue freine ou acceacutelegravere Les travaux meneacutes dans ce sens montrent que lrsquoeffet desconditions de chargement augmente au fur et agrave mesure qursquoon srsquoapproche de la surface

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

Lorsque la tempeacuterature passe de 20C agrave 40C les valeurs de la contrainte sont plus faibles maissurtout la partie deacuteviatorique apregraves le point α est plus marqueacutee Lorsque la charge srsquoeacuteloigne lerapport PQ diminue avec lrsquoaugmentation de la tempeacuterature La valeur maximale du deacuteviateurq subit une augmentation de lrsquoordre de 69 lorsque la roue freine ou acceacutelegravere Certes les valeursde la contrainte sont plus faibles mais lrsquoeacutecart constateacute est encore plus grand avec lrsquoaugmentationde la tempeacuteratureComme on peut srsquoy attendre les reacutesultats proposeacutes dans Hammoum et al (2010) montrent qursquoil

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y a peu drsquoamplitude du deacuteviateur agrave la base drsquoune couche structurelle et donc peu de rotationde contraintes et que le tenseur de contraintes conserve quelle que soit la position de la chargela typologie caracteacuteristique drsquoune traction biaxiale dans le plan horizontal associeacutee agrave la flexiondrsquoune plaqueLorsque la tempeacuterature passe de 20C agrave 40C les valeurs de contraintes sont plus faibles et leschemins de contraintes sont agrave peu pregraves superposables Avec lrsquoaugmentation de la tempeacuteratureles effets des conditions de chargement agrave une profondeur plus importante sont peu significatifsen comparaison avec la couche superficielleOn voit bien au travers de cette eacutetude que les conditions de chargement affectent essentiellementla couche superficielle Les effets combineacutes de la tempeacuterature et des conditions de chargementdoivent ecirctre pris en compte lors drsquoune eacutetude en laboratoirePour les charges multi-pics il serait utile drsquoexaminer lrsquoimpact du cumul des charges sur le cheminde contraintes Si lrsquoon tient compte du temps de relaxation relativement long du mateacuteriau vis-coeacutelastique vis agrave vis du temps de passage de la charge on peut supposer que lrsquoaccumulation descharges avec un multi-essieu peut modifier drsquoune maniegravere significative le chemin de contraintesdans le plan (p q)Actuellement il nrsquoexiste pas encore drsquoappareils de laboratoire susceptibles de solliciter de maniegraverehomogegravene des eacuteprouvettes de mateacuteriau pour des historiques de sollicitation aussi complexes queceux observeacutees pregraves de la surface de la chausseacutee Il nrsquoexiste donc pas de reacuteponse expeacuterimentalecomplegravete aux questions que nous nous posons au regard du comportement visco-eacutelasto-plastiquedes enrobeacutes bitumineux et des conditions de chargementToutefois on peut en parallegravele proposer des eacutetudes expeacuterimentales reposant sur des chemins decontraintes plus simples tirer certaines interpreacutetations des historiques preacutesenteacutes et comprendrele fonctionnement des couches de surface dans une structure

133 Les effets drsquoune force tangentielle sur une couche de roulement

Nous avons vu preacuteceacutedemment que les conditions de chargement peuvent jouer un rocircle im-portant dans le comportement meacutecanique de la couche superficielle drsquoun tronccedilon urbain pourtramway sur pneu Il faut eacutegalement mentionner que nous pouvons rencontrer des conditionsde chargement similaires sur le reacuteseau routier en geacuteneacuteral et au niveau des points singuliers enparticulierCependant la question sur la quantification des effets des conditions de chargement dans lespoints singuliers reste ouverte et nous nous sommes alors pencheacutes sur les questions lieacutees aux ef-fets des conditions de chargement qursquoon repreacutesentera ici par une composante horizontale ou forcetangentielle aux abords des points singuliers dans le cadre drsquoun projet de recherche deacutenommeacuteTriboRoute

Introduction

Les points singuliers soumis agrave la circulation des poids lourds ont fait lrsquoobjet de plusieurseacutetudes traitant des aspects lieacutes agrave la circulation routiegravere et au traceacute geacuteomeacutetrique dans lesquellesla meacutecanique de surface est totalement absente Il suffit pourtant drsquoobserver les chausseacutees desouvrages existants pour constater qursquoelles sont parfois le siegravege de deacutegradations importantes degravesles premiers mois de mise en service Ces points singuliers posent alors des problegravemes drsquoentretienaux gestionnaires routiers et par la mecircme occasion une certaine gecircne aux usagers pendant lestravauxExaminons ce problegraveme de plus pregraves En section droite la surface de la chausseacutee eacutevolue au jeuneacircge avec un deacutecapage du bitume preacutesent sur les granulats et un reacutearrangement des granulats lesuns par rapport aux autres sans perte de mateacuteriau Les variations saisonniegraveres et la susceptibiliteacute

21

thermique des liants interviennent sur le reacutearrangement des granulats en surfaceCependant il existe aussi un autre type de reacutearrangement de granulats plus rapide et accentueacutepar les sollicitations tangentielles des pneumatiques dans les points singuliers Dans certainesconditions qui restent agrave expliciter ces efforts tangentiels peuvent donner lieu agrave la formationde plis agrave la surface dans les zones de freinage ou simplement agrave un deacuteplacement horizontal desgranulats avec ou sans deacutepart de mateacuteriauLes zones concerneacutees par le problegraveme drsquoarrachement ne constituent pas des cas isoleacutes mais cor-respondent potentiellement agrave tous les points singuliers (giratoire courbe serreacutee intersectionetc) ougrave la couche de roulement peut subir des efforts tangentiels intenses lors des manœuvresdes conducteurs (freinage acceacuteleacuteration changement de direction) Selon les caracteacuteristiques desurface de la couche de roulement ces efforts peuvent produire soit

1 Une rupture brutale dans le mastic (ou le liant) et un deacutechaussement du granulat (lepheacutenomegravene peut se produire agrave froid par rupture fragile ou agrave chaud si lrsquoeacutenergie de coheacutesionest insuffisante) Cette description se retrouve principalement sur les surfaces agrave texturepositive comme les enduits superficiels ou les textures tregraves ouvertes comme les enrobeacutesdrainants

2 Un endommagement progressif apregraves un nombre important de passages de charge roulanteavec agrave terme un deacutepart de mateacuteriau La preacutesence de lrsquoeau est un facteur aggravant Onretrouve la grande famille des enrobeacutes qui preacutesentent une surface agrave texture neacutegative plusou moins fermeacutee avec les semi-grenus les enrobeacutes minces et tregraves minces

Au delagrave des aspects strictement mateacuteriaux qui seront traiteacutes ici il faut savoir que lrsquoendomma-gement de surface peut-ecirctre favoriseacute ou acceacuteleacutereacute par les deacutefauts de mise en œuvre (mateacuteriausous-compacteacute seacutegreacutegation locale enrobage insuffisant des granulats mauvaise jonction au ni-veau du joint longitudinal etc)Examinons ce qui a eacuteteacute entrepris dans le domaine pour appreacutehender le pheacutenomegravene drsquoarrache-ment Le manegravege Total constitue lrsquoune des premiegraveres tentatives pour appreacutehender le problegravemedrsquoarrachement en laboratoire (Jolivet and Malot 1999) Les eacutetudes meneacutees dans ce sens montrentqursquoil existe bel et bien une deacutependance vis agrave vis du liant mecircme si le protocole expeacuterimental a eacuteteacuteadapteacute pour faciliter le pheacutenomegravene drsquoarrachement (reacuteduction de la teneur en liant et compaciteacuteplus faible) Les bancs drsquoessais classiques avec une roue muni drsquoun bras permettant drsquoimposer unfreinage ou un angle drsquoenvirage ne remplissent pas certaines conditions pour reproduire le pheacute-nomegravene drsquoarrachement sur site Prenons le cas drsquoun manegravege muni drsquoune roue la force centrifugeest reprise par le bras qui relie la roue agrave lrsquoaxe de rotation et lrsquoeffort de cisaillement engendreacute parlrsquoangle de deacuterive nrsquoest pas controcircleacuteOn recense eacutegalement lrsquoessai Cantabro (Jimeacutenez and Recasens 1993) qui est un essai de chocDrsquoun point de vue meacutecanique lrsquoessai relativement empirique est tregraves eacuteloigneacute du problegraveme decontact roue-chausseacutee et ne peut fournir un indice de performance pertinent par rapport agrave ladescription du pheacutenomegravene drsquoarrachementAu travers de ces exemples il apparaicirct un besoin drsquoun test pertinent et reacutealiste Un test avec lapossibiliteacute de controcircler quelques paramegravetres pour en deacuteduire certaines interpreacutetations en relationavec le terrainDans le cadre drsquoune collaboration avec le Professeur Pierre-Yves Hicher de lrsquoEcole Centrale deNantes un financement de thegravese associant la reacutegion Pays de Loire et le LCPC a pu ecirctre obtenupour permettre agrave Monsieur Hamlat de travailler sur lrsquoeacutevaluation de la reacutesistance aux efforts tan-gentiels des enrobeacutes bitumineuxLa thegravese de Smail Hamlat (Hamlat 2007) rattacheacutee agrave lrsquoEcole Doctorale MTGC de lrsquouniversiteacutede Nantes a eacuteteacute reacutealiseacutee agrave la division SMIT du Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees souslrsquoencadrement du Professeur Pierre-Yves Hicher et moi-mecircme Ce travail a deacuteboucheacute en mars2007 agrave une soutenance de thegravese

22

Principe de lrsquoessai retenu pour reproduire les efforts tangentiels en laboratoire

Le deacutemarrage de la thegravese coiumlncide avec la mise au point drsquoun moyen drsquoessai innovant proposeacutepar Steacutefani (Steacutefani 2000) Cet essai est capable de reproduire en laboratoire le pheacutenomegravene dedeacutegradation de surface par arrachement La phase conception du moyen drsquoessai qursquoon peut as-similer agrave un tribomegravetre particulier a mobiliseacute une eacutequipe projet de 7 personnes (ingeacutenieurs ettechniciens) pour prendre en compte agrave la fois les aspects techniques et pratiques qursquoexige un telprojet Ce travail original a deacuteboucheacute sur un brevet international (No FR 06 50 054 du 06 janvier2006)Contrairement aux tribomegravetres usuels qui imposent un deacuteplacement relatif le nouvel essai

HF

FV

Echantillon fixeCapteur

de

force

Bande de gomme

(68degShore)

Force imposeacutee

F = Fo + ∆F SIN (ω t)

Position haute

Position basse

Position

intermeacutediaire

Zone daction

Un

pa

ssa

ge

du

pa

tin

sur

la z

on

e d

act

ion

Patin logarithmique

Figure 114 ndash Principe de lrsquoessai retenu pour lrsquoeacutevaluation de la reacutesistance aux efforts tangentiels

utiliseacute pour la premiegravere fois durant ce travail de thegravese permet de maintenir un niveau de charge-ment controcircleacute quel que soit lrsquoeacutetat de deacutegradation de la surface Plus preacuteciseacutement lrsquoutilisation drsquounapplicateur de charge dont la forme suit une loi logarithmique permet de maintenir le couple deforce (verticale et horizontale) avec un rapport quasi-constant quelle que soit la position du pa-tin logarithmique(figure 114) On aura compris que lrsquoinnovation principale provient de la formeparticuliegravere du patin de gomme Elle constitue en quelque sorte un eacuteleacutement de reacuteponse pourreproduire en laboratoire un trajet de chargement relativement complexeOn impose une force de contact cyclique sans changement de signe drsquoinclinaison deacutetermineacuteepour provoquer une deacutegradation de surface par deacutechaussement ou bris de granulats le patin neglisse que par agrave-coups agrave la survenue de tels eacuteveacutenements la zone de contact se trouve alors automa-tiquement deacutecaleacutee vers lrsquoarriegravere et les deacutebris eacutejecteacutes dans la direction opposeacutee Le patin attaqueainsi successivement diverses bandes eacutetroites drsquoun long rectangle sans interposition de deacutebrisLorsque le veacuterin atteint sa buteacutee basse la phase cyclique est arrecircteacutee Cette phase correspond agraveun passage de lrsquoapplicateur de charge

Mise en œuvre de lrsquoessai

Le dispositif deacutenommeacute Tribomegravetre pour Revecirctement Routier (T2R) ou LCPC Raveling tes-ter est un banc drsquoessai agrave deux axes perpendiculaires poseacute sur un socle rigide et lourd (figure115) Il se compose drsquoune colonne verticale contreventeacutee supportant lrsquoensemble (applicateur decharge et veacuterin verticale) et drsquoune table horizontale sur roulement Cette table peut accueillir uneeacuteprouvette paralleacuteleacutepipeacutedique (185 mm x 247 mm) ou une carotte de chantier de diamegravetre eacutegalagrave 300 mm La hauteur des eacuteprouvettes nrsquoexcegravede pas 150 mm Lrsquoapplicateur de charge de largeureacutegale agrave 140 mm est revecirctu drsquoune gomme de 8 mm drsquoeacutepaisseur de caracteacuteristiques rheacuteologiquesproches de celles de la bande de roulement des pneumatiques (figure 115) Cette gomme preacutesente

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Veacuterin verticale

Capteur de force Fv

Echantillon agrave tester

cylindrique ou paralleacuteleacutepipeacutedique

Capteur de force Fh

Applicateur de charge

de forme logarithmique

Bande de gomme

sculpteacutee (eacutepaisseur 8mm)

Table

sur roulement

Figure 115 ndash Vue drsquoensemble du dispositif drsquoessai pour eacutevaluer la reacutesistance aux efforts tan-gentiels

sur sa surface des sculptures en forme de losanges et sa dureteacute agrave tempeacuterature ambiante est de 68Shore environ Le systegraveme de pilotage du banc drsquoessai preacutevoit les deux types drsquoasservissement soit un controcircle en force pour les essais drsquoarrachement soit un controcircle en deacuteplacement du patinpour drsquoautres types drsquoessai Lrsquoessai de reacutesistance aux efforts tangentiels consiste agrave appliquer unecharge moyenne repreacutesentant la sollicitation drsquoun pneumatique de poids lourd sur le revecirctementLe glissement de la gomme est obtenu agrave partir drsquoune modulation de la charge verticale autourdrsquoune valeur moyenne

Le banc drsquoessai est muni de capteurs de force de deacuteplacement et de tempeacuterature Le deacuteplace-ment du veacuterin vertical traduit le glissement sporadique ou reacutepeacuteteacute du patin La force horizontalesubie par lrsquoeacutechantillon est enregistreacutee tout au long de lrsquoessai traduisant lrsquoeacutetat du contact meacuteca-nique entre le patin de gomme et le revecirctement agrave eacuteprouverLe protocole drsquoessai comporte trois phases dont une pour lrsquoeacutevacuation des deacutebris produits eacuteven-tuellement au cours des sollicitations

ndash Phase de preacutechargement Le patin est mis en contact avec la surface du revecirctementpar application drsquoun deacuteplacement imposeacute Puis on passe agrave un asservissement en force pourpoursuivre le chargement sur lrsquoeacutechantillon jusqursquoagrave atteindre la force verticale moyenneimposeacutee Le temps drsquoaccrochage neacutecessaire reste en moyenne eacutegal agrave 40 s Les conditionsdrsquoaccrochage deacutependent de lrsquoeacutetat de surface du revecirctement de la rigiditeacute des mateacuteriaux encontact et de la tempeacuterature de lrsquoessai

ndash Phase de chargement cyclique Une fois la consigne atteinte on impose une sollicitationsinusoiumldale dont lrsquoamplitude a eacuteteacute fixeacutee agrave 13 de la force moyenne pour assurer un bonaccrochage du patin agrave savoir une vitesse de glissement stable et un frottement le pluseacuteleveacute possible La charge verticale moyenne est fixeacutee agrave 2500 N de maniegravere agrave reproduire unepression de contact apparente eacutequivalente agrave celle produite par un poids lourd La freacutequencede sollicitation est eacutegale agrave 1 Hz Partant drsquoune position haute du patin noteacutee Ph et drsquouneposition basse du patin noteacutee Pb le patin sollicite la surface de lrsquoeacuteprouvette sur une longueurLs eacutegale agrave la diffeacuterence entre les positions limites du veacuterin vertical Ph minusPb Sur une surface

24

contenant des granulats de taille D il faut srsquoassurer que la longueur solliciteacutee soit au moins8 fois la taille D du plus gros granulat Les dimensions du patin sont fixeacutees de telle maniegravereagrave tester tous les types de revecirctements utiliseacutes sur le reacuteseau routier Le patin logarithmiqueeffectue un passage sur une longueur Ls pendant un temps deacutetermineacute ts La vitesse deglissement moyenne du patin entre les deux positions Ph et Pb est Vmoy = Lsts

ndash Phase de relegravevement du patin Le patin est replaceacute en position haute Cette positionpermet de deacutegager un espace de lrsquoordre de 15 mm sous le patin pour eacutevacuer eacuteventuellementles granulats arracheacutes agrave lrsquoaide drsquoun systegraveme drsquoeacutejection par air comprimeacute Ce systegraveme estplaceacute agrave la mecircme hauteur que la surface de lrsquoeacuteprouvette afin que lrsquoair comprimeacute puissebalayer la surface de lrsquoeacuteprouvette avec un angle rasant La pression de sortie doit ecirctre aumoins eacutegale agrave 06 MPa de pression Cette phase dure environ 10 s Apregraves le nettoyage de lasurface on relance lrsquoessai avec la mecircme force de contact cyclique Cette proceacutedure deacutecriteavec les trois phases est reacutepeacuteteacutee le nombre de fois neacutecessaire agrave lrsquoobtention drsquoun certain degreacutede deacutegradation (figure 116) Lrsquoessai doit ecirctre effectueacute sur au moins deux eacuteprouvettes poursrsquoassurer de la reacuteponse du mateacuteriau

Controcircle en force Controcircle en

deacuteplacement

Preacutechargement force Fo Chargement cyclique Relevement du patin

eacutevacuation des deacutebris

Deacutep

lace

men

t v

erti

cal

(mm

)

Fo

rce

ver

tica

le F

v (

N)Position haute

du patin logarithmique P

Position Basse

Temps

F = Fo + ∆F Sin (ωt)

90

Figure 116 ndash Protocole de lrsquoessai de reacutesistance aux efforts tangentiels avec les trois phases

Lrsquoessai de reacutesistance aux efforts tangengiels preacutesente une bonne reacutepeacutetabiliteacute Pour obtenir desessais reacutepeacutetables sur une formule drsquoenrobeacute bitumineux il faut respecter les deux points suivants

ndash Les eacutechantillons doivent avoir la mecircme compaciteacute et doivent preacutesenter la mecircme texture ensurface

ndash Lors des essais il faut srsquoassurer que la tempeacuterature est constante et que la vitesse deglissement moyenne drsquoun essai agrave un autre est comparable

Action meacutecanique du patin logarithmique sur un eacutechantillon

Examinons lrsquoaction meacutecanique du patin logarithmique sur des eacutechantillons drsquoenrobeacute bitumi-neux On srsquointeacuterroge alors sur les efforts internes engendreacutes par la passage du patin agrave la surfacede lrsquoeacutechantillonLa visualisation des efforts transmis par le patin logarithmique agrave lrsquoeacutechantillon est neacutecessaire poureacutevaluer les niveaux de deacuteformations dans lrsquoeacutechantillon et expliquer ainsi lrsquoendommagement desurface Comme la structure interne du mateacuteriau est relativement complexe nous nous sommestourneacute vers une technique de mesure de champ de deacuteplacement par correacutelation drsquoimages car ellepermet de fournir des informations assez preacutecises de ce qui se passe sous un patin qui acceacutelegravere

25

ou qui freineEn collaboration avec le Laboratoire de Meacutecanique et de Technologie de Cachan nous avons misen place un dispositif expeacuterimental de mesure par correacutelation drsquoimages constitueacute drsquoune cameacuteraCCD de reacutesolution (1280x1024) pixels munie drsquoun objectif adapteacute (Figure ) La zone de mesureest eacuteclaireacutee de maniegravere agrave restituer une image relativement claire de la surface de lrsquoeacutechantillonPour la mesure et lrsquoexploitation nous avons utiliseacute le logiciel drsquoanalyse des champs de deacuteplace-ment (Correli) (Berthaud et al 1998 Cuisinier et al 2006) pour obtenir la reacutepartition du champde deacuteplacement engendreacute par lrsquoaction du patin logarithmique Cette meacutethode permet de mesurerle champ de deacuteplacement suivant un plan vertical au droit du patin logarithmique Nous avonscompleacuteteacute le systegraveme de mesure avec un capteur de deacuteplacement pour mesurer le deacuteplacementhors plan en un pointLe principe de correacutelation drsquoimages est baseacute sur la construction drsquoune grille virtuelle dans lazone de mesure ROI Region Of Interest de lrsquoimage numeacuteriseacutee (Figure 117 ) Le deacuteplacementde chaque point de la zone de mesure ROI correspond agrave la valeur moyenne du deacuteplacement ducentre de la zone drsquoeacutetude appeleacutee ZOI Zone Of Interest Si lrsquoon considegravere une zone drsquoeacutetudeplus grande que la taille des granulats avec des valeurs de ZOI de 128x128 pixels on obtientune vision macroscopique du champ de deacuteplacementPour reacutecapituler la meacutethode de mesure la deacutetermination du champ de deacuteplacement repose surles trois eacutetapes suivantes

1 Deacutefinir la zone de mesure ROI qui nrsquoest pas neacutecessairement toute lrsquoimage acquise

2 Deacutecouper la zone de mesure en zones drsquoeacutetudes ZOI plus petites avec un choix sur lataille de la zone drsquoeacutetude

3 Calculer le coefficient de correacutelation des zones drsquoeacutetude

90

450deg

BBTM 010 Image 12

Zone drsquoeacutetudeZOI

Centre de la zone drsquoeacutetudeZOI

Zone de mesure

ROI

Deacuteplacement vertical U2

Fh

Fv

Mesure du deacuteplacement local

par correacutelation drsquoimage

75 mm

60

mm

Image 12

1

2

Deacute

pla

ce

me

nt ve

rtic

al U

2 (

mm

)

Tempeacuterature 19 degC

Figure 117 ndash Principe de correacutelation drsquoimages et deacutefinition des zones de mesure ROI et drsquoeacutetudeZOI

La figure 117 deacutecrit la position de la zone de mesure ROI qui reste fixe tout au long desessais et la position du patin agrave un instant bien deacutetermineacute Nous avions meneacute les essais sur deuxmateacuteriaux de granulomeacutetrie diffeacuterente avec un enrobeacute bitumineux discontinue (BBTM 010)preacutesentant une porositeacute de 23 et un autre mateacuteriau du type (BBTM 06) avec une porositeacute de

26

18 Pour une mecircme eacutenergie de compactage la porositeacute drsquoun mateacuteriau deacutecoule de la discontinuiteacutepreacutesente dans la courbe granulomeacutetrique drsquoun mateacuteriau De mecircme la surface speacutecifique totaledes granulats drsquoun BBTM (06) est plus grande que la surface speacutecifique totale drsquoun BBTM(010) En effet pour une teneur en liant identique sur les deux mateacuteriaux lrsquoeacutepaisseur du liantautour des granulats est moins importante sur le BBTM (0-6) On peut alors srsquoattendre agrave uneplus grande concentration des efforts internes sur le mateacuteriau de granulomeacutetrie (06)On impose un deacuteplacement au patin logarithmique de type pente-palier puis on mesure lestrois composantes du champ de deacuteplacement dans la zone de mesure (75 mm X 60 mm) Atitre drsquoexemple on effectue la correacutelation sur lrsquoimage 12 drsquoun enrobeacute de granulomeacutetrie 010 parrapport agrave lrsquoimage de reacutefeacuterence prise avant chargement Lrsquoimage 12 correspond agrave un niveau dechargement de lrsquoeacuteprouvette avec une force verticale de 3070 N Ce qui correspond agrave une pressionmoyenne verticale de 07 MPa sur lrsquoaire de contact entre le patin logarithmique et la surface delrsquoeacutechantillon

Figure 118 ndash Champ de deacuteplacement vertical U2 mesureacute au passage du patin logarithmique Fv

= 3070 N

Lrsquoexamen du champ de deacuteplacement vertical (figure 118) montre que lrsquoenveloppe du champ dedeacuteplacement est inclineacutee suivant un angle imposeacute par le patin logarithmique Cette figure fournitun aperccedilu macroscopique du champ de deacuteplacement si lrsquoon tient compte de la taille de la zonedrsquoeacutetude Ce champ diminue rapidement avec la profondeur pour atteindre des valeurs tregraves faiblesagrave 60 mm de la surface de contact A cause de la visco-eacutelasticiteacute du mateacuteriau cette zone drsquoactiondiminue eacutegalement avec la vitesse de passage du patin (Cuisinier et al 2006)Lrsquoanalyse du champ de deacuteplacement horizontal U1 semble ecirctre une bonne meacutethode pour examinerle rocircle du squelette granulaire dans la transmission et la diffusion des efforts horizontaux Sur lafigure 119 lrsquoexamen du champ de deacuteplacement horizontal sur les deux mateacuteriaux montre que lareacutepartition deacutepend bel et bien de la granulomeacutetrie du mateacuteriau Malgreacute une eacutepaisseur de liantplus importante on remarque que le gradient de deacuteplacement est plus marqueacute avec le mateacuteriaude granulomeacutetrie 010 On peut deacuteduire que la reacutepartition des efforts internes deacutepend de la tailleDmax du granulat On peut supposer aussi que la localisation est encore plus accentueacutee lorsquele squelette granulaire preacutesente une discontinuiteacute au niveau de la courbe granulomeacutetrique ouune porositeacute importante Des eacutetudes compleacutementaires seront utiles pour compleacuteter ces premiegraveresobservations

On reporte sur la figure 120 la composante de deacuteformation ǫ12 traduisant le cisaillement dans

27

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

0

01

02

03

04

05

06

07

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

600

01

02

03

04

05

06

07

BBTM 010 (bitume pur)BBTM 06 (bitume pur)

Champ de deacuteplacement horizontal - Effet de la granulomeacutetrie

Figure 119 ndash Champ de deacuteplacement horizontal U1 mesureacute au passage du patin logarithmiquesur deux formules drsquoenrobeacute

le mateacuteriau On observe alors pregraves de la surface de contact un gradient de deacuteformation localiseacutedans le mastic la deacuteformation maximale de lrsquoordre de 1 est localiseacutee sous le patin agrave uneprofondeur qui correspond agrave la taille Dmax du granulat Le mateacuteriau est-il agrave ce stade encoredans son domaine de comportement viscoeacutelastique reacuteversible Les mesures effectueacutees montrent

Composante ε 12

Figure 120 ndash Champ de deacuteformation ǫ12 mesureacute au passage du patin logarithmique

bien que les deacuteformations sont importantes dans la zone proche de la surface Drsquoautres calculs decorreacutelation avec une zone drsquoeacutetude de 16x16 pixels plus petite que la taille des granulats montrentnettement que les gradients de deacuteformations sont localiseacutes dans la phase du mastic ou du liantIl semble bien que les performances meacutecaniques du liant joue un rocircle cruciale dans la peacutereacutenniteacutede la couche de roulementLes observations et les eacutetudes meneacutees au niveau du reacuteseau technique du ministegravere sur le problegravemedes arrachements confirment bien le rocircle primordial de la nature du liant sur la reacutesistance auxefforts tangentiels et que le choix du liant est encore plus deacuteterminant avec la taille Dmax dugranulat Par conseacutequent les mesures reacutealiseacutees avec la correacutelation drsquoimage corroborent bien avecles observations sur le terrainCe travail tend agrave confirmer que la performance exigeacutee pour les liants destineacutes aux couches deroulement deacutepend non seulement de la charge imposeacutee par le trafic des poids lourd mais deacutepend

28

eacutegalement du squelette granulaire deacutefini par sa compaciteacute et sa granulomeacutetrie

Effet de la nature du liant sur la reacutesistance aux arrachements

Pour une mecircme formule granulomeacutetrique peut-on eacutetablir un classement drsquoun ensemble deliant bitumineux sur le critegravere reacutesistance aux efforts tangentiels A titre drsquoapplication des essais drsquoarrachement ont eacuteteacute reacutealiseacutes sur un ensemble de liants decaracteacuteristiques tregraves diffeacuterentes En premiegravere approximation on montre que lrsquoarrachement croicirctlineacuteairement avec les cycles de chargement et deacutepend en grande partie des caracteacuteristiques duliant (Hamlat et al 2007)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Nombre de cycles de chargement

Pe

rte

de

mas

se p

ar u

nit

eacute d

e s

urf

ace

so

llici

teacutee

(K

gm

2)

Bitume A

Bitume B

Bitume CBitume DBitume A

Bitume C

Bitume B

Bitume D

Classe III

Classe I

Classe II

Figure 121 ndash Reacutesistance agrave lrsquoarrachement des enrobeacutes bitumineux effet de la nature du liant

Nous nous sommes alors poseacutes la question sur la proprieacuteteacute du liant capable de donner une in-dication sur cette reacutesistance aux arrachements La reacuteponse nrsquoest pas simple car il existe beaucoupde tests sur liant qui sont utiliseacutes pour classer identifier le caractegravere viscoeacutelastique et eacutevaluer lesperformances meacutecaniques mais il nrsquoexiste pas de test sur liant permettant de se fixer une ideacuteesur cette reacutesistance aux arrachements

29

Pour avancer sur ce sujet de nombreuses expeacuterimentations ont eacuteteacute meneacutees sur lrsquoenrobeacute bitumi-neux afin drsquoeacutevaluer le potentiel de ce nouvel essai et rechercher la ou les proprieacuteteacutes des liants enlien avec la reacutesistance aux arrachementsAinsi nous avons testeacute la plupart des formules drsquoenrobeacute bitumineux utiliseacutees dans les couches deroulement en France et en Europe Certaines expeacuterimentations proviennent de contrats passeacutesavec les peacutetroliers et les entreprises routiegraveres Sur la base des essais reacutealiseacutes nous avons ainsiproposeacute trois classes de reacutesistance avec la classe I pour les mateacuteriaux de grande reacutesistancela classe III pour les mateacuteriaux de faible reacutesistance aux efforts tangentiels et enfin la classeintermeacutediaire II dont les mateacuteriaux offrent une reacutesistance plutocirct moyenneGlobalement nous nrsquoavons pas pu trouver un essai sur le liant seul capable de traduire la reacute-sistance aux arrachements Toutefois la recherche de correacutelations a permis de proposer lrsquoeacutenergieconventionnelle agrave 200 obtenue agrave partir drsquoun essai de traction H2 Mecircme srsquoil y a une tendanceplus ou moins preacutecise sur un ensemble de produit bitumineux Cette recherche de correacutelationsemble deacutelicate si lrsquoon tient compte de lrsquoeacutequivalence temps-tempeacuterature Les tentatives infruc-tueuses pour trouver un essai sur le liant seul conforte lrsquoideacutee que lrsquoessai drsquoarrachement sur lesmeacutelanges bitumineux reste essentiel pour eacutevaluer la reacutesistance agrave lrsquoendommagement de surfacepar arrachement de granulats La reacutesistance aux arrachements doit ecirctre eacutevalueacutee directement surun enrobeacute bitumineux pour prendre en compte la compaciteacute la reacutepartition du bitume la tailleDmax des granulats et lrsquoarrangement granulaire

Pour avancer dans la compreacutehension du problegraveme drsquoarrachement une eacutetude deacutetailleacutee sur lechamp de deacuteformation local est essentielle pour eacutevaluer la localisation des deacuteformations sous unesollicitation meacutecanique Ce point sera abordeacute dans le paragraphe 145 du volet 2Drsquoautres expeacuterimentations ont eacuteteacute reacutealiseacutees pour eacutevaluer les effets combineacutes des efforts tangentielset de la sensibiliteacute vis agrave vis de lrsquoeau Cette eacutetude a eacuteteacute meneacutee dans le cadre drsquoune collaborationscientifique entre le LCPC et lrsquouniversiteacute drsquoAnvers (Artesis College of Antwerp) (Seghers et al2010)

Conclusions

Lrsquoessai de reacutesistance aux efforts tangentiels constitue une meacutethode reacutealiste et pertinente poureacutetudier en laboratoire la tenue sous circulation des enrobeacutes de surface dans des conditions controcirc-leacutees Le moyen drsquoessai proposeacute possegravede de nombreux avantages car il permet de maintenir unniveau de chargement stable quel que soit lrsquoeacutetat de deacutegradation de la surface Lrsquoasservissement delrsquoapplicateur de charge ne neacutecessite qursquoun seul veacuterin et le pheacutenomegravene drsquoarrachement ne se produitque dans un seul sens par deacutechaussement de granulats Les possibiliteacutes drsquoeacutetude sont nombreuseset lrsquoexploitation des reacutesultats des essais drsquoarrachement permettra de reacutepondre aux interrogationssur le choix des mateacuteriaux et lrsquooptimisation des meacutelanges (effet de la granulomeacutetrie de la naturedu liant de lrsquoadheacutesion liantgranulat de lrsquoeffet de la compaciteacute etc)Lrsquoeacutetude des conditions de chargement dans la couche superficielle a permis de proposer un essaidrsquoarrachement comme un essai meacutecanique speacutecifique aux enrobeacutes de surface pour eacutevaluer nonseulement lrsquoeffet de la force tangentielle mais eacutegalement les effets des conditions environnemen-tales (oxydation par lrsquoair et rayonnement solaire preacutesence de lrsquoeau et eacuteventuellement des produitschimiques) sur la durabiliteacute des revecirctements routiersLes expeacuterimentations qui sont meneacutees jusqursquoagrave maintenant permettent drsquoappreacutecier lrsquoapport de cemoyen drsquoessai agrave lrsquoeacutevaluation des liants bitumineux A la lumiegravere des reacutesultats obtenus le nouveaumoyen drsquoessai proposeacute constitue un outil inteacuteressant pour eacutetudier les caracteacuteristiques meacutecaniqueset tribologiques des revecirctements utiliseacutes dans les couches de roulement des infrastructures detransport

30

134 Les effets des conditions climatiques sur les enrobeacutes bitumineux

Dans le cadre des programmes de coopeacuteration et drsquoeacutechanges Franco-Ameacuterique Latine (Pro-gramme de coopeacuteration Post-gradueacutee Franco-Colombien) de dureacutee limiteacutee (1998-2003) un finan-cement a pu ecirctre obtenu pour permettre agrave Monsieur E Castantildeeda Professeur de lrsquoUniversiteacuteindustrielle de Santander agrave BucaraManga de seacutejourner en France et de se former aux meacutethodesdrsquoeacutetudes et de recherches sur les chausseacutees franccedilaisesLa thegravese drsquoEduardo Castantildeeda rattacheacutee agrave lrsquouniversiteacute de Nantes a eacuteteacute reacutealiseacutee dans la di-vision SMIT du Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees sous lrsquoencadrement de MonsieurChristian Such et moi-mecircme pour la partie modeacutelisation Ce travail a pu ecirctre reacutealiseacute agrave tempspartageacute et a deacuteboucheacute en novembre 2004 agrave la soutenance drsquoun meacutemoire qui a reccedilu les vivesfeacutelicitations des membres du juryCompte tenu du climat particulier de la Colombie (tropicale pour sa majeure partie) on enre-gistre des hauteurs de pluie annuelles 10 fois supeacuterieures agrave celles habituellement observeacutees enFrance Dans les pays tropicaux les enrobeacutes bitumineux peacuterissent rapidement par peacuteneacutetrationde lrsquoeau et par deacutesenrobage (rupture de liaison entre granulats et film de bitume) La plupartdes essais traditionnels sont destructifs et neacutecessitent de nombreuses eacuteprouvettes pour qualifierune formule drsquoenrobeacute De plus la reacutesistance et la rigiditeacute des mateacuteriaux bitumineux sont alteacutereacuteespar les processus thermiques de conditionnement Des interpreacutetations hacirctives ou erroneacutees de lasensibiliteacute agrave lrsquoeau des enrobeacutes peuvent ecirctre alors donneacutees si lrsquoon ne prend pas suffisament de preacute-cautions expeacuterimentales Dans le registre des essais destructifs il y a la contribution de Gubleret al (2005) qui preacutesente une comparaison entre les diffeacuterentes meacutethodes drsquoessai utiliseacutees poureacutevaluer la susceptibiliteacute agrave lrsquoeau des enrobeacutes bitumineux Les enrobeacutes avec une teneur en videspeu eacuteleveacutee preacutesentent des dommages moins importants ce qui est probablement ducirc au fait quela quantiteacute drsquoeau pouvant peacuteneacutetrer dans les eacuteprouvettes est faible (Gubler et al 2005)

Peacuteneacutetration de leau

dans

la porositeacute des enrobeacutes

Intrusion

agrave linterfaceDiffusion

dans le bitume

Affaiblissement

local

Figure 122 ndash Pheacutenomegravene de deacutesenrobage - Tenue agrave lrsquoeau des enrobeacutes bitumineux

Pour eacutevaluer lrsquoendommagement des enrobeacutes par lrsquoeau il faut adopter un suivi continu de la deacute-gradation des caracteacuteristiques meacutecaniques afin drsquoanalyser les pertes de raideur et la restaurationdes caracteacuteristiques par lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau durant les phases de seacutechage Le travail de thegraveseentrepris par E Castantildeeda montre que les tests baseacutes essentiellement sur des mesures de modulesen traction indirecte conduisent agrave des eacutevolutions agrave priori soit de raidissement de lrsquoeacuteprouvettesoit de perte de raideur En fait les peacuteriodes drsquohumidification et de seacutechage qui se succegravedentconduisent simultaneacutement agrave une deacuteteacuterioration par lrsquoeau de la liaison bitume-granulat et agrave undurcissement du liant ces deux processus megravenent agrave des reacuteponses opposeacutees et empecircchent uneeacutevaluation claire de la perte de la capaciteacute du meacutelange bitumineux agrave reacutesister agrave lrsquoaction de lrsquoeauUne analyse de ces observations a eacuteteacute compleacuteteacutee et expliqueacutee par lrsquoutilisation drsquoun modegravele mi-cromeacutecanique qui permet de prendre en compte les effets de perte drsquoadheacutesion entre le bitume etla surface des granulats (Pinzon and Such 2004) Ce modegravele est deacutecrit plus preacutecisement dans leparagraphe

31

Une meacutethode non-destructive permet de rassembler plus drsquoinformations avec un nombre drsquoeacuteprou-vettes plus reacuteduit Nous avions proposeacute lrsquoessai de module complexe qui permet un suivi descaracteacuteristiques meacutecaniques Cet essai apparaicirct plus preacutecis et peut fournir plus drsquoinformationssur lrsquoeacutetat meacutecanique reacutesiduel de lrsquoeacuteprouvette Une eacutevolution du module complexe du mateacuteriaupeut ecirctre ainsi mise en relation avec la perte drsquoadheacutesion du bitume agrave la surface du granulatLrsquoindicateur choisi pour suivre lrsquoeacutetat drsquoendommagement traduit bien une diminution du module

0

1000

2000

3000

4000

0 10000 20000 30000 40000

Calcul avec le modegravele dHerveacute-Zaoui

Calcul avec le modegravele Huet-Sayegh

D=00010203

04

06

0808

Endommagement croissant

Module eacutelastique (MPa)

Mod

ule

visq

ueux

(MP

a)

Figure 123 ndash Tenue agrave lrsquoeau Suivi de lrsquoendommagement dans le plan Cole-Cole

complexe Sur la figure 123 on visualise les diffeacuterentes courbes du module complexe avec lrsquoen-dommagement du mateacuteriau Cet indicateur peut ecirctre utiliseacute dans les essais de tenue agrave lrsquoeau poursituer lrsquoeacutetat drsquoendommagement et suivre son eacutevolution au cours des cycles drsquoimbibition et de seacute-chage Ce travail constitue une approche non destructive pour eacutevaluer la sensibiliteacute drsquoun mateacuteriau

Les travaux de thegravese ont permis eacutegalement de montrer que lrsquoendommagement eacutevolue de ma-niegravere appreacuteciable avec la tempeacuterature les temps drsquoimmersion et de seacutechage Avec le modegraveledrsquoHuet-Sayegh on propose un facteur drsquoendommagement (D) pour quantifier et suivre lrsquoendom-magement produit par lrsquoeau La comparaison avec le modegravele micromeacutecanique a permis de consta-ter un deacutecalage pour des facteurs drsquoendommagement supeacuterieurs agrave 02 Globalement lrsquoassociationdu modegravele rheacuteologique de Huet avec lrsquoapproche micromeacutecanique est une voie inteacuteressante pourrendre compte de la deacutegradation par immersion dans lrsquoeau Finalement la meacutethodologie proposeacuteedans cette thegravese peut ecirctre eacutetendue agrave drsquoautres mateacuteriaux et elle peut ecirctre adapteacutee facilement pourreproduire des conditions similaires agrave celles des climats chauds et humides

32

14 Les meacutelanges bitumineux agrave lrsquoeacutechelle granulaire identification

geacuteomeacutetrique et caracteacuterisation meacutecanique

141 Introduction

Les mateacuteriaux granulaires lieacutes utiliseacutes dans le domaine des infrastructures de transport com-portent un assemblage granulaire relativement dense Lrsquoassemblage comporte un liant qui permetde confeacuterer agrave lrsquoensemble des proprieacuteteacutes inteacuteressantes comme la coheacutesion et lrsquoimpermeacuteabiliteacute Ilexiste une grande varieacuteteacute de liants pour former une matrice organique (bitume reacutesine bitumeeacutepoxy liant veacutegeacutetal etc) ou une matrice mineacuterale (mortier de ciment) ou encore une combinaisondes deux mateacuteriaux

Phase granulaire Porositeacute

Grave Bitume 014

Figure 124 ndash Reacutesultat de la discreacutetisation de Voronoiuml sur une coupe drsquoenrobeacute bitumineux

La structure interne drsquoun mateacuteriau granulaire lieacute deacutepend non seulement des constituants utiliseacutesmais eacutegalement des conditions de fabrication et de mise en œuvre La disposition des diffeacuterentesphases du mateacuteriau lieacute et lrsquoarrangement granulaire ont une influence directe et deacuteterminante surles proprieacuteteacutes meacutecaniques du meacutelange Drsquoune maniegravere compleacutementaire la physico-chimie de cer-tains constituants deacutependra de la nature des mateacuteriaux utiliseacutes des conditions de fabrication lorsde lrsquoeacutetape drsquoenrobage (proceacutedeacute agrave chaud tiegravede semi-tiegravede eacutemulsion et mousse) et des conditionsenvironnementales pendant la dureacutee de mise en service (ensoleillement eau polluants etc)La couche de roulement est plus directement concerneacutee par les conditions environnementales ougravele vieillissement du liant par oxydation joue un rocircle non-neacutegligeable sur les proprieacuteteacutes meacutecaniqueset rheacuteologiques des mateacuteriaux de surface

Les techniques de caracteacuterisation des mateacuteriaux routiers se sont consideacuterablement deacuteveloppeacuteespour pouvoir deacutecrire et identifier les constituants seacutepareacutemment (forme texture densiteacute absorp-tion raideur consistance susceptibiliteacute thermique etc) Parallegravelement on eacutevalue les perfor-mances des meacutelanges routiers avec des tests destructifs (fluage fatigue retrait empecirccheacute rupturepar traction etc)

Au delagrave des caracteacuteristiques macroscopiques mesureacutees sur un eacutechantillon de mateacuteriau lieacute cesmeacutethodes destructives ne permettent pas drsquoapprendre plus sur la structure interne des mateacute-riaux et drsquoen deacuteduire des informations preacutecieuses Avec le deacuteveloppement des nouveaux proceacutedeacutesdrsquoenrobage et la valorisation des mateacuteriaux alternatifs et des fraisats issus de la deacuteconstructionnous voyons bien que les applications ne manquent pas Il semble que lrsquoanalyse de la struc-ture interne agrave lrsquoeacutechelle meacutesoscopique et microscopique preacutesente un inteacuterecirct certain et constituepotentiellement une voie de progregraves

33

142 Le recours agrave lrsquoanalyse drsquoimage

La technique la plus adapteacutee pour lrsquoeacutetude des structures granulaires est la tomographie auxrayons X Elle permet drsquoeffectuer un examen tridimensionnel des eacutechantillons par rotation rela-tive de lrsquoobjet entre la source et le deacutetecteur dont le principe a eacuteteacute proposeacute par Ellengton andBerger (1980) On retrouve dans la litteacuterature des applications concregravetes dans le domaine dugeacutenie civil (Guinez 1987) ou plus reacutecemment une utilisation directe de la tomographie pour ana-lyser la structure tridimensionnelle des meacutelanges bitumineux (Ketcham and Shashidhar 2001Shashidar 2000)Il existe une autre technique moins oneacutereuse que la tomographie aux rayons X comme lrsquoima-gerie optique Durant les dix derniegraveres anneacutees lrsquoimagerie optique a connu un essor importantpermettant drsquoobtenir des images numeacuteriques avec une excellente reacutesolution atteignant lrsquoeacutechellemicromeacutetrique Pour un coucirct raisonnable les laboratoires de recherche peuvent se doter drsquouneacutequipement drsquoimagerie de bonne qualiteacute Avec cette meacutethode de nombreuses applications ontvu le jour dans pratiquement tous les domaines drsquoactiviteacute (biologie biomeacutetrie meacutetallurgie etscience des mateacuteriaux) Certes cette technique ne permet drsquoobserver que la surface drsquoun eacutechan-tillon mais elle permet drsquoobtenir des informations rapides et fiables (Masad et al 2001)Lrsquoanalyse tridimensionnelle reste possible avec lrsquoimagerie optique gracircce agrave lrsquoapport de la steacutereacuteomeacute-trie et des lois probabilistes (Russ and Dehoff 2001) Ces outils matheacutematiques permettent ainside caracteacuteriser la structure volumeacutetrique et interne drsquoun mateacuteriau agrave partir drsquoun recoupementdrsquoinformations recueillies sur une ou plusieurs faces externes de lrsquoeacutechantillonLa bibliographique sur le sujet est relativement riche et au regard des avantages et des inconveacute-nients de chaque technique drsquoobservation jrsquoai opteacute pour lrsquoimagerie optique avec la lumiegravere visiblepour analyser les diffeacuterentes phases drsquoun meacutelange bitumineux Jrsquoai entrepris alors la mise en placedrsquoune plate-forme drsquoimagerie au laboratoire SMIT afin drsquoeacutevaluer lrsquoapport de cette technique dansnotre domaine drsquoactiviteacute

Pour compleacuteter la technique drsquoimagerie jrsquoai mis en place eacutegalement les meacutethodes de trai-tement et drsquoanalyse des images obtenues en associant les meacutethodes matheacutematiques robustespermettant de deacuteterminer plusieurs quantificateurs de la structure des mateacuteriaux heacuteteacuterogegravenes(Coster and Chermant 1985 Boitier et al 1997) avec notamment

ndash lrsquoidentification des phases du mateacuteriau heacuteteacuterogegravene Le contraste des phases garantit lesuccegraves de cette eacutetape drsquoidentification Cependant il existe quelques techniques drsquoacquisitionavec un eacuteclairage en lumiegravere monochromatique (exemple microscopie en fluorescence UVpour identifier les phases drsquoun bitume modifieacute par les polymegraveres)

ndash la description de la distribution spatiale qui reste le point le plus difficile Le recours agrave desmeacutethodes statistiques et probabilistes peut ecirctre utile dans certains cas pour reacutepondre agravecette question

143 Identification de la structure interne des mateacuteriaux bitumineux

Lrsquoidentification de la structure interne drsquoun assemblage dense comme les mateacuteriaux routierspasse geacuteneacuteralement par une caracteacuterisation pratique pour lrsquoingeacutenieur routier comme la granulo-meacutetrie la teneur en liant et la porositeacute Cependant une identification complegravete de la structureinterne peut ecirctre tregraves utile pour la recherche (mise au point de nouveaux mateacuteriaux ou de modegravelesmicromeacutecaniques prise en compte des mateacuteriaux recycleacutes etc) ou pour lrsquoexpertise (homogeacuteneacuteiteacutedu mateacuteriau pour cerner un problegraveme de seacutegreacutegation qualiteacute de fabrication etc)

Identification des phases drsquoun mateacuteriau bitumineux

Les surfaces obtenues apregraves sciage doivent ecirctre propres Les traces eacuteventuelles laisseacutees par lascie seront supprimeacutees en proceacutedant agrave un leacuteger polissage de la surface Avant de passer agrave lrsquoeacutetape

34

drsquoacquisition de lrsquoimage veacuterifier au preacutealable le calibrage du systegraveme drsquoimagerie afin de pouvoireffectuer ulteacuterieurement des mesures de certaines caracteacuteristiques de la phase agrave eacutetudier Lrsquoer-reur de mesure est minime si lrsquoon procegravede agrave des acquisitions drsquoimages de haute reacutesolution (lt 10micrompixel) La deacutefinition drsquoune telle image permet de mieux distinguer les contours des granulatsde petites tailles et les faibles eacutepaisseurs de mastic entre deux granulats tregraves proches (cas typiquedes assemblages denses) De la mecircme maniegravere il faut srsquoassurer de la repreacutesentativiteacute des plus grosgranulats en choisissant une surface drsquoacquisition suffisamment grande par rapport agrave la taille desgranulats Ces exigences sont satisfaites si lrsquoon utilise une table XY automatique et un eacuteclairageuniforme On effectue une seacuterie drsquoacquisitions drsquoimages eacuteleacutementaires en 256 niveaux de gris avecun codage sur 8 bits Les caracteacuteristiques de la surface eacuteleacutementaire deacutependent directement descaracteacuteristiques de la cameacutera CCD Pour obtenir lrsquoimage finale de la coupe consideacutereacutee on reacutealiseun assemblage de toutes les images eacuteleacutementairesLrsquoimage finale doit ecirctre repreacutesentative de lrsquoeacutechantillon agrave analyser La taille minimale des imagesest drsquoenviron 50 cm2 Les dimensions de lrsquoimage finale deacutepend de la taille des granulats contenusdans le meacutelange bitumineux En reacutegle geacuteneacuterale plus la taille de lrsquoimage finale est grande plusgrande sera sa repreacutesentativiteacute Certes les moyens drsquoacquisition et de traitement de lrsquoimage finaleconstituent une limitation dans les dimensions de lrsquoimage

On utilise ensuite des opeacuterations de traitement drsquoimages pour optimiser le contraste entre lesgranulats et la matrice bitumineuse Ces opeacuterations sont neacutecessaires si le mateacuteriau contient desgranulats de couleur sombre avec un niveau de gris compris entre 150 et 50 La deuxiegraveme eacutetapeest le seuillage de lrsquoimage Ce seuillage permet drsquoeacuteliminer le bruit de fond pour ne prendre encompte que les pixels appartenant agrave la phase agrave identifier Lrsquoimage obtenue apregraves traitement estune image binaire ougrave lrsquoon distingue nettement une des phases du meacutelangeOn obtient les diffeacuterentes phases du meacutelange bitumineux (phase granulats phase mastic et phaseporositeacute) agrave partir de 3 opeacuterations de seuillage agrave faire pour localiser chacune des phases (figure125)

Figure 125 ndash Identification des diffeacuterentes phases drsquoun enrobeacute bitumineux par analyse drsquoimagedrsquoune coupe drsquoeacutechantillon

Lrsquoidentification des diffeacuterentes phases permet drsquoobtenir la reacutepartition surfacique des phasesdu mateacuteriau Cette reacutepartition surfacique est agrave relier ensuite avec la composition pondeacuterale desdiffeacuterents constituants ayant servi agrave eacutelaborer lrsquoeacutechantillon

Deacutetermination de la granulomeacutetrie pondeacuterale par analyse drsquoimage

Lrsquoanalyse granulomeacutetrique est utiliseacutee depuis longtemps dans beaucoup de disciplines scien-tifiques Dans le domaine du geacutenie civil on utilise couramment lrsquoanalyse granulomeacutetrique enmesure qui consiste en une peseacutee (mesure de la masse) du contenu de chaque tamis Pour sa

35

repreacutesentation graphique cette masse est traceacutee en fonction de la taille du tamis Ce type drsquoana-lyse est aussi appeleacute granulomeacutetrie pondeacuterale Dans un premier temps nous avons examineacute lesmeilleures conditions pour mener agrave bien lrsquoeacutetude de la granulomeacutetrie Nous avons ainsi eacutevalueacuteles effets de la taille de lrsquoimage et de la reacutesolution de celle-ci sur la granulomeacutetrie Pour unereacutesolution donneacutee la repreacutesentativiteacute de toutes les tailles de granulats est directement lieacutee agrave lataille de lrsquoimage finale Pour assurer une bonne repreacutesentativiteacute des informations contenues dansune image on propose que les dimensions de lrsquoimage finale soient au moins 16 fois plus grandesque la taille maximale des plus gros granulatsLa caracteacuterisation de la granulomeacutetrie pondeacuterale par analyse drsquoimage srsquoeffectue en trois eacutetapes

ndash a) apregraves traitement et analyse de lrsquoimage de la coupe consideacutereacutee on obtient une distributiondes aires des granulats intercepteacutes dans la coupe Les aires placeacutees sur le bord de lrsquoimagesont exclues

ndash b) on effectue le passage entre la distribution des aires et la distribution en volume agrave partirdrsquoune meacutethode baseacutee sur la steacutereacuteomeacutetrie (Russ and Dehoff 2001 Chan 1989) Un systegravemedrsquoeacutequations dont le nombre deacutepend de la discreacutetisation en classes de particules permet derelier le nombre de sphegraveres de classe i au nombre de disques de la mecircme classe Cet outilmatheacutematique bien deacutecrit dans (Chan 1989 cf pp 147-162) permet ainsi de reconstruire lagranulomeacutetrie 3D drsquoun ensemble de sphegraveres agrave partir de la distribution des aires intercepteacuteesdans une coupe donneacutee Les granulats utiliseacutes dans le domaine du geacutenie civil sont de formepolyeacutedrique Cette forme est lieacutee au mode drsquoeacutelaboration par concassage utiliseacute dans lescarriegraveres Cependant on appliquera une repreacutesentation des aires de la coupe agrave partir dudiamegravetre eacutequivalent agrave un grain reacuteel (Coster and Chermant 1985) On assimilera notrecoupe de granulats agrave un ensemble de particules spheacuteriques ayant les mecircmes surfaces queles granulats reacuteels

ndash c) On deacutetermine la masse des granulats pour chaque classe agrave partir du volume des sphegraverespuis on calcule la proportion massique de chaque classe La connaissance de la densiteacutenrsquoest pas neacutecessaire si les granulats ont la mecircme densiteacute

Plane cross section

Distribution of spheres of three size classes

Size 2 r12 r2 2 r3

Number of circles N (1)AN (2)A N (3)

A

Three-dimensional grain size distribution

Size 2 R1 2 R2 2 R3

Number of spheres N (1)V N (2)VN (3)V

Circles come from

Figure 126 ndash Principe de la steacutereacuteomeacutetrie utiliseacute pour retrouver la granulomeacutetrie pondeacuterale desenrobeacutes bitumineux

36

Les reacutesolutions et les tailles des images varient peu drsquoune acquisition agrave une autre suivant lestrois coupes de la figure 127 Les reacutesultats obtenus sont globalement satisfaisants agrave partir drsquounecertaine reacutesolution qui deacutepend directement du mateacuteriel drsquoacquisition utiliseacute En effet les reacutesultatsmontrent qursquoune reacutesolution de lrsquoordre de 35 micrompixel permet de retrouver la granulomeacutetriepondeacuterale de lrsquoeacutechantillon Sur la coupe Z on observe des eacutecarts de lrsquoordre de 8 agrave 9 pourles tailles de granulats de 2 mm et 14 mm Ces valeurs constituent les limites fixeacutees pour ladeacutetermination de la granulomeacutetrie La limite infeacuterieure est fixeacutee par le seuil de deacutetection desgranulats de petites tailles En prenant en compte la reacutesolution de lrsquoimage une taille minimalede 2 mm est significative pour la deacutetermination de la granulomeacutetrie Globalement les diffeacuterences

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

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120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve Size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

Grading curve - GB 020

Digital image processing

Section YSection X Section Z

Digital image processingDigital image processing

Figure 127 ndash Granulomeacutetrie pondeacuterale du mateacuteriau obtenue par analyse drsquoimage des 3 plansprincipaux

restent relativement faibles sur les coupes X Y et Z et les reacutesultats peuvent ecirctre ameacutelioreacute avecune reacutesolution plus fine lors de lrsquoacquisition sur une surface plus grande Au delagrave des premiersreacutesultats preacutesenteacutes ici lrsquoapproche est relativement puissante sur un mateacuteriau qui contient desgranulats de forme complexe et qui preacutesente parfois des fluctuations locales dans la reacutepartitiondes diffeacuterentes tailles de granulatJrsquoai voulu deacutemontrer ici qursquoil existe une autre approche plus rapide et respectueuse vis agrave visde lrsquoenvironnement En effet cette technique par analyse drsquoimage est capable de caracteacuteriserrapidement et avec une preacutecision suffisante la granulomeacutetrie drsquoun mateacuteriau sans destructioncomplegravete de lrsquoeacutechantillon Lrsquoexistence drsquoune alternative aux meacutethodes traditionnelles comme ladissolution par des solvants chloreacutes est donc deacutemontreacutee Toutefois on ne peut pas eacutevaluer lagranulomeacutetrie des granulats de taille infeacuterieure agrave 1 mm

Orientation des granulats - anisotropie de structure

Le mode de mise en œuvre par couches des mateacuteriaux bitumineux sur une chausseacutee (reacutepandagedu mateacuteriau foisonneacute agrave lrsquoaide drsquoun finisseur et compactage par passages successifs du compacteur)confegravere au mateacuteriau une certaine anisotropie avec une orientation privileacutegieacutee des granulats De lamecircme faccedilon les eacuteprouvettes fabriqueacutees en laboratoire preacutesentent une anistropie de structure Desmesures de module en traction-compression reacutealiseacutees sur des eacutechantillons cylindriques preacuteleveacutessuivant trois axes de carottage dans des plaques drsquoenrobeacute fabriqueacutees en laboratoire ont montreacutedes variations pouvant atteindre 20 (Doubbaneh 1995) Plus reacutecemment Masad and Button(2000) ont montreacute sur des eacutechantillons preacuteleveacutes sur chantier que la rigiditeacute dans lrsquoaxe horizontalest 30 supeacuterieure agrave la rigiditeacute selon lrsquoaxe vertical axisymeacutetriquePrenons la mecircme plaque que dans le paragraphe preacuteceacutedent obtenue agrave lrsquoaide du compacteur deplaques LPC On analyse les donneacutees issues des images prises suivant les plans principaux delrsquoeacuteprouvette Puis on en deacuteduit une information sur lrsquoorientation moyenne et tridimensionnelledes granulats dans lrsquoeacuteprouvette Lrsquoexamen de lrsquoorientation preacutefeacuterentielle des granulats dans laplaque montre que le mateacuteriau preacutesente une anisotropie de structure Les granulats sont bienorienteacutes suivant les plans verticaux (Coupes X et Y) (cf figure 128) Le passage de la charge a

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tendance agrave faire coucher les granulats Neacuteanmoins lrsquoorientation reste aleacuteatoire suivant la coupeZ (Hammoum and Hornych 2004)

0

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1020

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350360

Section X

Y axis

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350360

Section Z

Y axis

X

YSection Z

Section X

Sect

ion Y

Tire of plate compactor

Deacutetermination de lorientation des granulats par analyse dimage

Plaque denrobeacute bitumineux

Figure 128 ndash Orientation des granulats dans un eacutechantillon drsquoenrobeacute obtenu au compacteur deplaques LPC

Lorsqursquoon examine les proprieacuteteacutes meacutecaniques drsquoun enrobeacute bitumineux il est neacutecessaire de prendreen consideacuteration lrsquoanisotropie des mateacuteriaux bitumineux pour deacutevelopper des modegraveles de com-portement plus reacutealistes en tenant compte des aspects rotation des contraintes principales parexemple et pour mieux interpreacuteter les campagnes de mesures En se basant sur lrsquohypothegravese drsquoho-mogeacuteneacuteiteacute des lois de comportement eacutelastiques on peut exploiter la matrice de rigiditeacute proposeacuteepar Zysset and Curnier (1995) afin de prendre en compte les proprieacuteteacutes microstructurales

Description de lrsquoarrangement granulaire - Meacutethode de Voronoiuml

Le deuxiegraveme niveau drsquoinvestigation consiste agrave deacutecrire la reacutepartition locale et globale de cesparticules dans lrsquoespace 2D On peut ainsi analyser le nombre de voisins pour chaque grain oupour une famille de grains rangeacutee suivant la taille suivant la forme ou suivant lrsquoorientation Cesnotions sont tregraves utiles pour deacutecrire un assemblage dense de grains

10 mm10 mm

Discreacutetisation Voronoiuml

y = 20847x0393

R2 = 08256

1

10

100

1000

001 01 1 10 100 1000

Aggregate Area intercept (mmsup2)

Nu

mb

er

of

ne

igh

bo

urg

ing

ele

me

nt

Geacuteneacuteration dun VER

agrave partir dune loi logarithmique

(Thegravese A Lachihab 2004)

Reacutepartition logarithmique

de leacutepaisseur du mastic (Hammoum Bertaud Bonnet 2002 et 2003)

Pour acceacuteder agrave ces informations on utilise une discreacutetisation du type Dirichlet-Voronoiuml On traceles segments de droite pour relier les barycentres des granulats intercepteacutes par la coupe On forme

38

ainsi la triangulation de Delaunay Puis on deacutefinit la meacutediatrice de chaque segment de droiteLrsquoensemble de ces meacutediatrices forme ainsi la discreacutetisation de Voronoiuml Pratiquement lrsquoimagesera deacutecomposeacutee en une sorte de mosaiumlque de petits paveacutes qui recouvrent totalement la surfacede lrsquoimage Un paveacute est une partie de lrsquoimage constitueacutee drsquoune couronne de mastic drsquoeacutepaisseurvariable entourant un granulat Le mastic entourant le granulat est deacutefini comme la reacutegion deVoronoiuml La Fraction Volumique Locale drsquoune inclusion (FVL) est deacutefinie comme eacutetant le rapportentre le volume de lrsquoinclusion et celui de sa reacutegion de VoronoiumlAvec cette approche la caracteacuterisation des mateacuteriaux heacuteteacuterogegravenes tregraves complexes comme lesmateacuteriaux bitumineux devient aiseacutee pour eacutetudier lrsquoincidence de la reacutepartition du mastic au seindu squelette granulaire et relier ainsi ces caracteacuteristiques morphologiques avec les performancesvis agrave vis de la fatigue ou de la fissuration Pour plus de deacutetails on peut se reporter aux travauxde lrsquouniversiteacute de Southampton (Boselli et al 1998) ainsi qursquoaux travaux de Ghosh et al (1997)Lrsquoeacutetude meneacutee sur les mateacuteriaux bitumineux montre que la fraction locale suit une loi lineacuteairedans le plan semi-logarithmique Dans une coupe la fraction surfacique locale drsquoune inclusion(LAF) est deacutefinie comme eacutetant le rapport entre le volume de lrsquoinclusion et celui de sa reacutegion deVoronoiuml (cellule)(Hammoum et al 2003)Les eacutetudes meneacutees sur les diffeacuterentes coupes permettent de proposer une loi de variation de lafraction volumique en fonction des volumes des granulats de diffeacuterentes tailles i du volume moyenlt Vg gt et des paramegravetres γ et η

FV Li(l) =V i

g

V iv

= γ Log

(

V ig

lt Vg gt

)

+ η (11)

Les paramegravetres γ et η deacutecrivent la reacutepartition du mastic autour des granulats ainsi quelrsquoarrangement des granulats les uns par rapport aux autres Lorsqursquoon augmente la teneur enliant pour obtenir un mastic plus riche on augmente le volume de ce dernier Dans ces conditionsle paramegravetre γ diminue et inversement le paramegravetre η augmente Les reacutesultats obtenus montrent

Mateacuteriau GB 020 γ η Coefficient de correacutelationProvenance Compacteur de plaque

Coupe X 108 441 079Coupe Y 101 390 083Coupe Z 107 424 084

Table 11 ndash Paramegravetres de reacutepartition du mastic autour des granulats selon les trois plansprincipaux de la plaque

que la reacutepartition du mastic est comparable suivant les trois plans principaux de la plaquedrsquoenrobeacute bitumineux Par rapport agrave cet exemple on montre bien qursquoun eacutechantillon drsquoenrobeacutebitumineux peut preacutesenter une anisotropie de structure dont lrsquoorigine provient de la forme desgranulats et de leurs orientations mais le mecircme eacutechantillon peut garder une certaine isotropiedans la reacutepartition du mastic Les deux caracteacuteristiques semblent indeacutependantes lrsquoune de lrsquoautreLa thegravese de A Lachihab (Lachihab 2004) effectueacutee au LAMI srsquoest inspireacutee des reacutesultats obtenusavec lrsquoanalyse drsquoimage des enrobeacutes bitumineux (Hammoum et al 2003 Hammoum and Hornych2004) En effet Lachihab (2004) a utiliseacute cette reacutepartition de la fraction locale pour geacuteneacuterernumeacuteriquement une microstructure agrave partir du pavage de Voronoiuml drsquoun ensemble de sphegraveres Audelagrave des aspects numeacuteriques pour eacutetudier la deacuteformabiliteacute des mateacuteriaux bitumineuxil apparaicirctque la repreacutesentation de Voronoiuml soit la plus pertinente pour deacutecrire un tel mateacuteriau avec unestructure interne aussi complexe

Il est possible eacutegalement de deacuteterminer drsquoautres caracteacuteristiques pour deacutecrire la structureinterne drsquoun meacutelange bitumineux comme le nombre de voisins ou encore le nombre de contacts

39

Drsquoautres deacuteveloppements sont possibles pour mieux cerner le comportement des mateacuteriaux in-corporant les mateacuteriaux recycleacutes ou encore pour deacutevelopper des modegraveles micromeacutecaniques plusreacutealistesLes travaux deacutecrits ici visent agrave montrer les quelques possibiliteacutes de lrsquoanalyse drsquoimage pour lacaracteacuterisation des assemblages granulaires denses comme les mateacuteriaux routiers Le caractegravereinnovant de ce travail reacuteside dans lrsquoapplication des meacutethodes drsquoanalyse drsquoimage sur les mateacuteriauxroutiers avec notamment la possibiliteacute de deacutecrire la reacutepartition dans lrsquoespace des constituants agravepartir de la discreacutetisation de Dirichlet-VoronoiumlLes applications qursquoelles permettent de traiter leur souplesse les rendent attractives Crsquoest eacutega-lement un champ de recherche inteacuteressant pour la formulation de nouveaux mateacuteriaux aux pro-prieacuteteacutes optimiseacutees pour eacutevaluer lrsquoefficaciteacute des diffeacuterents proceacutedeacutes drsquoenrobage sur la structureinterne ou encore pour la modeacutelisation numeacuterique des mateacuteriaux car bon nombre de problegravemespratiques comme le recyclage des mateacuteriaux ou encore le deacuteveloppement de nouveaux mateacuteriauxsont poseacutes

Afin de reacutepondre aux problegravemes de valorisation des mateacuteriaux dont les caracteacuteristiques meacute-caniques et physico-chimiques sont moins bonnes il est preacutevu drsquoassocier les eacutetudes classiques etlrsquoapproche nouvelle deacutecrite ici pour tenter drsquoidentifier la structure interne et de cerner les cou-plages physico-chimiques agrave lrsquoeacutechelle drsquoun film de liant Ainsi nous avons deacutemarreacute une nouvelleopeacuteration de recherche AGREGA-(11L091) mAteacuteriaux Granulaires Et Granulats Alternatifs avecla division DDGC pour traiter ces questions

144 Application drsquoune technique de changement drsquoeacutechelle pour deacuteterminer

les proprieacuteteacutes meacutecaniques du meacutelange

Le terme mecircme drsquoenrobeacute bitumineux eacutevoque la description morphologique de ce mateacuteriauformeacute de particules solides (les granulats et les fines) enrobeacutees drsquoune matrice (le bitume) Lrsquoen-robeacute bitumineux constitue de ce point de vue un mateacuteriau composite particulier auquel on peutecirctre tenteacute drsquoappliquer diffeacuterentes meacutethodes de passage micro-macro pour deacuteterminer ses proprieacute-teacutes meacutecaniques et en particulier son module A lrsquoorigine de ce type drsquoapproche Hashin (1968)eacutetudie un composite agrave deux phases constitueacute de particules spheacuteriques dans une matrice continueDe telles sphegraveres de taille variable peuvent remplir tout lrsquoespace assurant la continuiteacute de lamatrice et le caractegravere inclusionnaire de la phase de renforcement La distribution spatiale dessphegraveres composites est supposeacutee isotropeDiffeacuterents auteurs ont montreacute par la suite lrsquointeacuterecirct drsquoidentifier dans un mateacuteriau heacuteteacuterogegravenedes motifs repreacutesentatifs de taille finie permettant de mieux deacutecrire certaines caracteacuteristiquesmorphologiques de la distribution spatiale des phases constitutives difficiles agrave traduire simple-ment par lrsquoapproche classique telle qursquoune morphologie de type imbriqueacutee ou un modegravele agrave troisphases selon lequel lrsquoune des phases a une morphologie inclusionnaire lrsquoautre jouant le rocircle dematrice continue (morphologie de type inclusion-couronne) Les modegraveles autocoheacuterents eacutetendusaux mateacuteriaux viscoeacutelastiques selon le principe de correspondance (Mandel 1995) donnent lesvaleurs theacuteoriques du module complexe et de lrsquoangle de phase deacutetermineacutees au moyen du modegravelede Christensen (1979) en bon accord avec les valeurs expeacuterimentales pour des taux de particulesinfeacuterieurs agrave 20 Cependant Alberola et al (1994) ont montreacute que pour des taux supeacuterieurs lesreacutesultats srsquoeacutecartent notablement des valeurs expeacuterimentalesLe beacuteton bitumineux semble a priori proche du modegravele de type inclusion-couronne Jrsquoai supposeacuteque la matrice de bitume est connexe (chaque granulat est enrobeacute par un film de bitume) ce quisignifie que la phase continue est le bitume ou le mastic si lrsquoon considegravere que le constituant eacuteleacute-mentaire est le mastic agrave lrsquoeacutechelle micromeacutetrique De plus en premiegravere approximation on assimileles grains agrave des sphegraveres Crsquoest ce type de description que jrsquoai appliqueacute aux enrobeacutes bitumineuxdans ce travail

40

Modegravele agrave trois phases Dans un premier temps nous avons utiliseacute le modegravele agrave trois phasesou inclusion-couronne deacuteveloppeacute par Herveacute and Zaoui (1990) Ce modegravele apparaicirct comme unscheacutema autocoheacuterent pour lequel le problegraveme de localisation concerne une inclusion spheacuteriqueeacutelastique isotrope de rayon d Cette sphegravere est surmonteacutee drsquoune couronne de rayon exteacuterieurd + e La sphegravere composite est situeacutee dans un milieu homogegravene eacutequivalent dont le module decompressibiliteacute est keff et le module de cisaillement microeff La preacutediction des proprieacuteteacutes eacutelastiques ou viscoeacutelastiques de ces mateacuteriaux repose sur la deacuteter-mination des champs de contraintes et de deacuteformations dans un milieu infini Pour un niveaude deacuteformation fixeacute la donneacutee de deux problegravemes eacuteleacutementaires (compression hydrostatique P1et cisaillement simple P2) permet de deacuteterminer les modules effectifs keff et microeff en consideacute-rant que la deacuteformation moyenne du systegraveme inclusion-couronne est eacutequivalente agrave la deacuteformationdans le milieu eacutequivalent On retrouve drsquoailleurs la validiteacute de cette eacutequivalence dans les travauxde Herveacute and Zaoui (1990) en faisant le bilan eacutenergeacutetique drsquoun problegraveme eacutelastique lineacuteaire Lemodule de compressibiliteacute keff de lrsquoenrobeacute est alors donneacute par la relation (12)

keff = km +c(ki minus km)

1 + (1 minus c)(ki minus km)(km + (43)microm)(12)

avecndash keff module de compressibiliteacute effectif du meacutelange bitumineuxndash km module de compressibiliteacute de la matricendash ki module de compressibiliteacute de lrsquoinclusionndash c fraction volumique de renfort (rapport volumique entre lrsquoinclusion et la matrice)Le module de cisaillement complexe est donneacute par la solution de lrsquoeacutequation quadratique

suivante

A

(

microeff

microm

)2

+ 2B

(

microeff

microm

)

+ C = 0 (13)

avecndash microeff module de cisaillement effectif du meacutelange bitumineuxndash microm module de compressibiliteacute de la matriceLes valeurs des constantes complexes A B et C sont deacutetermineacutees agrave partir des expressions

proposeacutees par Herveacute and Zaoui (1990) Ces constantes deacutependent de la fraction volumique (in-clusionmatrice) et des caracteacuteristiques meacutecaniques des constituantsJrsquoai appliqueacute le modegravele agrave trois phases agrave un meacutelange bitumineux de granulomeacutetrie continue (BBSG014 et EME 014) Les reacutesultats montrent que la preacutediction du module de lrsquoenrobeacute deacutepend for-tement du rapport volumique entre les granulats et le volume total A basse tempeacuterature lesvaleurs de module calculeacutees avec le modegravele agrave trois phases sont de lrsquoordre de grandeur des valeursmesureacutees Lrsquoeacutecart entre le modegravele et les mesures expeacuterimentales augmente sensiblement avecla tempeacuterature Les mesures expeacuterimentales reacutealiseacutees sur les enrobeacutes bitumineux montrent quelrsquoangle de phase tend agrave diminuer agrave partir drsquoune tempeacuterature de lrsquoordre de 40C pour un EME014 Cette diminution semble ecirctre lieacutee aux interactions avec le squelette granulaire Neacuteanmoinsle modegravele agrave trois phases ne traduit pas cette diminution de lrsquoangle de phaseAu delagrave des interactions intergranulaires que le modegravele ne semble pas reproduire le modegravele agravetrois phases preacutesente quelques limitations Pour ameacuteliorer le modegravele on doit tenir compte descaracteacuteristiques suivantes

1 Une quatriegraveme phase avec la porositeacute La porositeacute des enrobeacutes bitumineux peut varier dequelques jusqursquoagrave 25 agrave 30 avec les enrobeacutes drainants

41

2 La reacutepartition complexe du meacutelange bitumineux avec une imbrication drsquoune phase parrapport agrave une autre phase

3 La reacutepartition du film de bitume qui varie avec la taille des granulats ExpeacuterimentalementDuriez (1950) a trouveacute que la variation de lrsquoeacutepaisseur de la pellicule drsquoenrobage de liantest pratiquement lineacuteaire en coordonneacutees logarithmiques avec la taille des granulats

Jrsquoai proposeacute dans la thegravese de (Pinzon 2004) et dans le stage de (Alam 2007) une modificationdans la maniegravere dacuteassembler les phases du mateacuteriau et les volumes eacuteleacutementaires repreacutesentatifsLes eacutetapes drsquoimbrication des phases deacutecoule des observations visuelles des meacutelanges bitumineuxCette meacutethode a permis drsquoameacuteliorer la preacutecision du modegravele

En effet dans une coupe drsquoun eacutechantillon bitumineux on distingue en premier lieu majoritaire-ment le squelette granulaire qui occupe entre 70 et 72 en moyenne la surface de lrsquoeacutechantillonLa phase granulaire est contenue par la mastic formeacute par le meacutelange du bitume avec les finesmineacuterales Le mastic occupe entre 16 et 24 en moyenne Le mastic enrobe chaque granulatdu squelette granulaire avec une eacutepaisseur variable deacutependant de la teneur en liant et de la tailledu granulat Enfin le reste de la surface intercepteacutee dans la coupe est constitueacutee par la porositeacuteCette phase des vides est reacutepartie dans le meacutelange bitumineux avec des dimensions variablesallant drsquoune eacutechelle milimeacutetrique agrave une eacutechelle micromeacutetriqueA partir de cette decription des meacutelanges bitumineux on propose une modification dans la repreacute-sentation du modegravele auto-coheacuterent On deacutefinit alors le meacutelange bitumineux comme un compositeconstitueacute de 4 phases avec les fines les granulats le liant bitumineux et les videsLes fines preacutesentent des caracteacuteristiques meacutecaniques assez diffeacuterentes des granulats Les finescontribuent agrave la coheacutesion de lrsquoensemble alors que les granulats apportent la rigiditeacute structurelleneacutecessaire au meacutelange Les exigences en terme de caracteacuteristiques meacutecaniques nrsquoest pas identiqueLe choix de distinguer le phase fines de la phase granulat est justifieacute iciA lrsquoaide du modegravele agrave 3 phases le calcul du module complexe de lrsquoenrobeacute bitumineux se deacuterouleen trois eacutetapes correspondant agrave lrsquoimbrication des phases les uns par rapport aux autres (130A lrsquoeacutetape 1 on considegravere le bitume entourant les fines comme inclusion et le bitume est consideacutereacutecomme la matrice On reacutesout le problegraveme pour deacuteterminer le module effectif du masticA lrsquoeacutetape 2 on considegravere le mastic entourant le granulat comme inclusion et le mastic est consi-deacutereacute comme la matrice A cette eacutetape on reacutesout le problegraveme pour deacuteterminer le module effectifdu meacutelange bitumineux sans la porositeacuteA lrsquoeacutetape 3 on considegravere le meacutelange bitumineux entourant une porositeacute comme une inclusion demodule nulle et le meacutelange bitumineux est consideacutereacute comme la matrice

FINES

BITUME

Mateacuteriau eacutequivalent

MASTIC

GRANULAT

GRANULAT + MASTIC

PORE

ENROBE BITUMINEUX

Rbitume

Rfines

Rgranulat

Rmastic Rmastic+granulat

Rpores

Etape 1 Etape 2 Etape 3

Figure 130 ndash Modegravele auto-coheacuterent avec imbrication des phases lrsquoune par rapport lrsquoautre

Pour preacutedire les proprieacuteteacutes meacutecaniques du meacutelange bitumineux on introduit les informationssur les caracteacuteristiques geacuteomeacutetriques et meacutecaniques des quatres phases deacutefinies plus haut

Les caracteacuteristiques meacutecaniques des constituants solides ndash Module eacutelastique et coefficient de Poisson des granulats

42

ndash Module eacutelastique et coefficient de Poisson des finesndash Module complexe du bitume pour diffeacuterentes tempeacuteratures et pour diffeacuterents temps de

chargendash Coefficient de Poisson pour diffeacuterentes tempeacuteratures et pour diffeacuterents temps de chargeLes caracteacuteristiques lieacutees agrave la formulation du mateacuteriau ndash Masse volumique apparentendash Compaciteacute du mateacuteriau Porositeacutendash Teneur en liant (exprimeacutee en ppc) par rapport agrave la masse de granulats ou du meacutelangendash Masse volumique reacuteelle des granulatsndash Masse volumique reacuteelle des finesndash Courbe granulomeacutetrique du squelette granulairendash Densiteacute du bitume

Caracteacuteristiques des mateacuteriaux Formule F-10 F-20 F-30 F-40Deacutesignation 06 06 06 06Grade et nature du Bitume pur 5070 pur 5070 pur 5070 pur 5070Teneur en liant (ppc) 688 520 688 520Compactage moyen moyen faible faiblePorositeacute ( des vides) 36 78 491 104Masse volumique apparente (gcm3) 247 242 243 235

Table 12 ndash Les caracteacuteristiques des formules drsquoenrobeacute bitumineux utiliseacutees

Le modegravele preacutesenteacute ici a eacuteteacute utiliseacute pour preacutedire le module complexe des meacutelanges F-10F-20 F-30 et F-40 dans la gamme de tempeacuterature utiliseacutee pour les mesures expeacuterimentales Lesreacutesultats pour la formule F-10 sont illustreacutes sur la figure 131 Le modegravele utiliseacute avec imbrication

An

gle

de

ph

ase

ϕ

(deg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 100 1000 10000 100000

Enrobeacute bitumineux 06 et bitume pur de grade 5070

Module complexe |E| (MPa)

Modegravele

Mesures expeacuterimentales

Mo

du

le v

isq

ue

ux

(MP

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5000 10000 15000 20000 25000

Modegravele

a) Espace de Black b) Espace Cole-Cole

Figure 131 ndash Comparaison entre les valeurs expeacuterimentales et le modegravele auto-coheacuterent pour laformule F-10

permet de preacutedire le module complexe du meacutelange avec une bonne preacutecision Cependant onrelegraveve une divergence des valeurs de lrsquoangle de phase vers les tempeacuteratures eacuteleveacutees Il existe deuxraisons pour expliquer cette divergence

ndash La premiegravere lieacutee au modegravele tient agrave la deacutefinition du champ moyen dans un volume eacuteleacutementairerepreacutesentatif Vers les tempeacuteratures plus eacuteleveacutees le module du bitume chute agrave raison de 10 par degreacute Celsius Comme le module du granulat reste inchangeacute on se retrouve avec uncomposite dont le contraste de modules devient important pour atteindre un rapport demodule entre le bitume et le granulat de lrsquoordre de 20 000

ndash La deuxiegraveme est lieacutee au comportement du mateacuteriau lui-mecircme Vers les tempeacuteratures eacutele-veacutees (ge 30C les interactions intergranulaires limitent lrsquoangle de phase et tendent agrave faire

43

diminuer ce paramegravetre avec lrsquoaccroissement de la tempeacuterature Il semble que le modegravelepreacutesenteacute ici ne prend pas en compte suffisamment les interactions intergranulaires

Maintenant on suppose qursquoon fournit la mecircme eacutenergie de compactage pour les formules F10 etF20 On observe qursquoune augmentation de la teneur en liant bitumineux permet de reacuteduire laporositeacute du meacutelange Il y a substitution drsquoune partie de la porositeacute de la formule F20 par duliant bitumineux Expeacuterimentalement on constate une augmentation moyenne de 14 sur lesvaleurs du module complexe sur une gamme de tempeacuteratures comprise entre -10 C et 20 C

a) Courbes expeacuterimentales b) Courbes obtenues avec le modegravele

Figure 132 ndash Comparaison entre le modegravele et les valeurs expeacuterimentales pour les formules F10et F20

Les meacutethodes autocoheacuterentes permettent de calculer le module et lrsquoangle de phase drsquoun enrobeacutepour une gamme donneacutee de tempeacuterature et de freacutequence agrave partir des caracteacuteristiques des consti-tuants moyennant une description morphologique locale adapteacutee aux enrobeacutes bitumineux Ceciconstitue une avanceacutee par rapport aux meacutethodes empiriques classiques La deacutemarche adopteacuteedans cette eacutetude par rapport aux travaux anteacuteceacutedents ne consiste pas seulement agrave appliquer unmodegravele micromeacutecanique existant mais nous proposons drsquoaller plus loin dans la description mor-phologique de lrsquoenrobeacute en prenant en compte la variation locale du taux de renfort Cependantla prise en compte des interactions intergranulaires dans le modegravele micromeacutecanique paraicirct neacuteces-saire pour pouvoir deacutecrire le comportement avec une meilleure preacutecision vers les tempeacuteraturesplus eacuteleveacutees

44

145 Les deacuteformations locales dans les enrobeacutes bitumineux facteur de lo-

calisation

Les essais meacutecaniques sur les enrobeacutes bitumineux sont complexes agrave plus drsquoun titre Outre leseffets dus agrave la preacutesence de la viscositeacute mecircme agrave basse tempeacuterature il est geacuteneacuteralement deacutelicat dechiffrer les deacuteformations locales effectivement mesureacutees dans la phase mastic voir dans la phasebitume pour diffeacuterentes raisons

ndash la zone de mesure restreinte de la phase mastic et la trop faible rigiditeacute interdit le collagede tout type de jauges

ndash la localisation de la deacuteformation geacutenegravere une heacuteteacuterogeacuteneacuteiteacute du champ mesureacute et ne permetpas de revenir aux caracteacuteristiques du mateacuteriau

ndash les grandes deacuteformations interdisent lrsquoutilisation drsquoextensomegravetres classiquesToutes ces raisons imposent de mesurer la deacuteformation locale par des moyens optiques ne pertur-bant pas la mesure Il existe plusieurs eacutequipes en France et dans le monde qui ont deacuteveloppeacute cettetechnique de mesure de champ Dans mes travaux jrsquoai collaboreacute et utiliseacute un outil de mesure dechamp de deacuteplacement par analyse drsquoimages deacuteveloppeacute par Hild du Laboratoire de Meacutecanique etTechnologique de Cachan pour cerner le champ de deacuteformation sous une force tangentielle Cestravaux entrent dans le cadre de la thegravese de Hamlat (Hamlat 2007) pour reacutepondre aux interro-gations poseacutees sur le problegraveme drsquoarrachement Jrsquoai eacutegalement collaboreacute avec Michel Bornert duLaboratoire de Meacutecanique des Solides agrave lrsquoeacutepoque avec le stage de master de Martelin (2003)Ce stage vise agrave deacutetecter le mode de localisation de la deacuteformation et les niveaux de chargementconduisant agrave des irreacuteversibiliteacutes locales de la reacuteponse meacutecanique agrave lrsquoorigine de lrsquoendommagementet de la ruine du mateacuteriau sous sollicitation reacuteelleLa technique de correacutelation drsquoimages permet de deacuteterminer le champ de deacuteplacement sur touteune zone plane en comparant lrsquoimage de la surface deacuteformeacutee avec lrsquoimage non deacuteformeacutee Sur lasurface photographieacutee on deacutepose au preacutealable un mouchetis aleacuteatoire Crsquoest le deacuteplacement despoints de ce mouchetis qui permet de construire les cartes drsquoiso-deacuteplacement

A titre de rappel jrsquoai preacutesenteacute preacuteceacutedemment la microstructure des enrobeacutes bitumineux avec lesdiffeacuterentes phases qursquoon peut identifier et caracteacuteriser geacuteomeacutetriquement par un moyen optiqueLa phase mastic repreacutesente en moyenne 16 par rapport agrave la surface totale drsquoun eacutechantillon(exemple avec la figure 125) et le bitume repreacutesente une part encore plus petite avec 10 enmoyenne Le rapport de rigiditeacute entre la phase mastic et les granulats est particuliegraverement im-portant Le contraste de raideur implique des heacuteteacuterogeacuteneacuteiteacutes locales du champ de deacuteformationet permet drsquoexpliquer alors que les deacuteformations locales dans le bitume sont nettement plus im-portantes que les deacuteformations macroscopiques appliqueacutees agrave lrsquoeacuteprouvette drsquoenrobeacute bitumineuxEn effet les eacutetudes meneacutees agrave partir de la technique de correacutelation drsquoimage (Kose et al 2000 Ma-sad et al 2001) montrent que la reacutepartition du champ de deacuteformation est tregraves localiseacutee dans laphase mastic Cette reacutepartition entraicircne la formation de bandes de localisation des deacuteformationsdans une zone tregraves proche de lrsquointerface masticgranulat Pour caracteacuteriser drsquoune certaine maniegraverecette bande de localisation on utilise le terme de facteur de localisation comme le rapport entrela deacuteformation locale dans le mastic sur la deacuteformation macroscopique de lrsquoeacuteprouvette drsquoenrobeacuteLes mesures effectueacutees par Kose et al (2000) montrent que le facteur de localisation est de lrsquoordrede 10 sur un meacutelange bitumineux de granulomeacutetrie 020 Le domaine de correacutelation utiliseacute avec20x20 pixels me semble suffisant pour deacutecrire finement la reacutepartition de la deacuteformation localedans le mastic Cependant la reacutesolution de lrsquoimage me paraicirct insuffisante pour accompagner lecalcul de correacutelation avec une bonne preacutecision

Il existe eacutegalement une approche numeacuterique pour deacutecrire la reacutepartition de la deacuteformation lo-cale A partir drsquoune discreacutetisation par eacuteleacutements finis de la microstructure du mateacuteriau le calcul

45

numeacuterique effectueacute par Bahia et al (1999) permet drsquoobtenir le champ de deacuteformation local Ba-hia et al (1999) indique que la reacutepartition du champ de deacuteformation local deacutepend de lrsquoeacutepaisseurdu mastic autour des granulats Autrement dit la variation du facteur de localisation deacutependde cette eacutepaisseur du mastic Dans une microstructure composeacutee de 22 de mastic et 78 degranulats le facteur de localisation varie entre 03 et 32 entre le mastic et lrsquoenrobeacute bitumineux(Bahia et al 1999) Drsquoapregraves ces auteurs le facteur de localisation est compris entre 10 et 100dans le bitume

Jrsquoai voulu analyser expeacuterimentalement la reacutepartition du champ de deacuteformation par analysedrsquoimage lorsqursquoon sollicite le mateacuteriau drsquoune maniegravere homogegravene pour ne faire intervenir queles effets micro-structurels du mateacuteriau agrave lrsquoaide de deux types drsquoessais compression simple ettraction simple dans le cadre du stage de master de Martelin (2003) Un travail preacuteliminaire surle choix du domaine de correacutelation est neacutecessaire Ce domaine doit ecirctre infeacuterieur ou eacutegal agrave lataille des eacuteleacutements ou le plus proche possible si ces derniers sont trop petits En effet plus ledomaine de correacutelation est petit plus il faudra effectuer des eacutetapes intermeacutediaires de correacutelationcar ce sera alors beaucoup plus sensible aux variations de contraste ou agrave lrsquoabsence de contrastelocal dans certaines zones Ce travail preacuteliminaire a permis de fixer un domaine de correacutelationde 30x30 pixels et une reacutesolution de 10microm pixel pour lrsquoacquisition des images (Martelin 2003)Prenons lrsquoexemple de lrsquoessai de traction simple et appliquons cette technique de correacutelationdrsquoimage Le mateacuteriau retenu pour le stage de Martelin (2003) est un sable-enrobeacute composeacute desable de Cusset de granulomeacutetrie 02 avec des fines de la Noubleau (microdiorite) La tailledes granulats est suffisamment petite en regard des dimensions de la zone de mesure (57mm x76mm) La vitesse de deacuteplacement imposeacutee est de 7micro ms et lrsquoessai est reacutealiseacute agrave tempeacuteratureambiante (24C)

Figure 133 ndash Suivi de la deacuteformation locale sur un eacutechantillon de sable-enrobeacute en tractionsimple

46

Il semble au vu des reacutesultats des essais de traction (figure 133) que la localisation en trac-tion se ferait plutocirct sous forme de bandes perpendiculaires agrave lrsquoaxe de traction Degraves la mise encharge de lrsquoeacuteprouvette en traction la deacuteformation est immeacutediatement reacutepartie sur toute la phasemastic drsquoune maniegravere plus ou moins uniforme comme le montre le champ de deacuteformation de lafigure 133 agrave un niveau de deacuteformation macroscopique de 02 On distingue nettement la phasemastic et le contour des granulats A partir du maximum de la force de traction sur la courbereliant la force et la deacuteformation macroscopique on remarque que les bandes de localisation sedeacuteveloppent agrave certains endroits du mastic pour arriver agrave une discontinuiteacute des contraintes et desdeacuteformations Les fissures macroscopiques apparaissent preacuteciseacutemment lagrave (figure 133)Lrsquoeacutechelle de variation du facteur de localisation est rigoureusement identique tout au long delrsquoessai de traction On srsquoaperccediloit que le facteur de localisation dans la zone drsquoapparition de lafissure macroscopique augmente progressivement de 1 agrave 10 avant drsquoatteindre le pic de force puisaugmente rapidement pour arriver agrave un facteur de localisation maximum de 20 La valeur maxi-male du facteur de localisation semble ecirctre lieacutee agrave la reacutepartition geacuteomeacutetrique du mastic et auxcaracteacuteristiques meacutecaniques du liant utiliseacute

Conclusions Lrsquoobjectif de cette eacutetude est de pouvoir remonter aux conditions de sollicitationde la phase mastic concerneacutee par lrsquoapparition drsquoune fissure macroscopique Les eacuteleacutements qua-litatifs et quantitatifs fournis dans ce travail montrent que le facteur de localisation dans lesenrobeacutes bitumineux est un bon indicateur des performances du liant en lien avec la reacutepartitionde ce dernier au sein du squelette granulaire Intuitivement on peut penser que le facteur delocalisation augmente tregraves vite avec une phase de mastic tregraves confineacutee (cas des mateacuteriaux avecune teneur en liant relativement faible)Jrsquoai voulu ici focaliser les efforts sur lrsquoapproche expeacuterimentale deacuteterminer les limites de la meacute-thode utiliseacutee pour cerner le domaine de lineacuteariteacute des mastics et des enrobeacutes bitumineux On serend compte qursquoil reste beaucoup de marge de progregraves sans oublier la question de lrsquoirreacuteversibiliteacutelocale car elle permet drsquoexpliquer preacutecisemment la courbe effort-deacuteformation et de remonter aucomportement macroscopique du meacutelange bitumineuxLa preacutesence de deacutefauts (pore seacutegreacutegation mauvais enrobage etc) peut influencer la reacutepartitiondu champ de deacuteformation local Cependant lrsquoeacutetude des deacutefauts qui nrsquoa pas eacuteteacute abordeacutee dans mestravaux constitue une voie de progregraves pour le futurLe travail deacuteveloppeacutee ici meacuterite plus de deacuteveloppements avec des applications sur diffeacuterents typesdrsquoessais (module fatigue relaxationfluage compressiontraction fissuration) pour mieux com-prendre le fonctionnement meacutecanique des enrobeacutes et le rocircle du film de bitumemastic dans lecomportement drsquoun meacutelange bitumineux

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15 Comportement drsquoun film de liant au pseudo-contact intergra-

nulaire

151 Introduction

Lrsquoexamen des carottes drsquoenrobeacutes bitumineux extraites de chausseacutees montre que les fissuressrsquoinitient principalement dans la partie de lrsquoenrobeacute la plus fortement solliciteacutee le film de masticcontenu entre les granulats ou plus directement le film de bitume preacutesent au sein du meacutelangebitumineux Certaines observations sur site ont permis de noter eacutegalement que les fissures serefermaient entre deux passages de poids lourds Le bitume a donc la faculteacute de recoller les legravevresde la fissure contribuant ainsi agrave augmenter la dureacutee de vie drsquoun enrobeacuteLes observations qui deacutecoulent des essais drsquoarrachement en laboratoire montrent que les granulatsarracheacutes sont recouverts de bitume Pour une mecircme composition granulaire la reacutesistance auxarrachements deacutepend des proprieacuteteacutes du liant bitumineux ()Hamlat2007b)On recense dans la litteacuterature drsquoautres exemples de fissuration thermique ou thermo-meacutecaniquequi renforcent lrsquoideacutee que le bitume contribue pleinement aux performances des enrobeacutes bitumi-neux Le problegraveme de durabiliteacute drsquoune structure de chausseacutee vis agrave vis des pathologies deacutecrites icisemble donc ecirctre lieacute agrave ce qui se passe agrave lrsquoeacutechelle drsquoun granulat et en particulier au comportementdrsquoun film de bitume

Comment aborder le volet sur le comportement drsquoun film de bitume Ce dernier volet sur le comportement drsquoun film de liant constitue la plus petite eacutechelle drsquounproblegraveme de meacutecanique des mateacuteriaux bitumineux Pour pouvoir aborder ce type de problegravemenous devons disposer

ndash des observations et des reacutesultats obtenus dans le volet 2 sur la structure interne des mateacute-riaux bitumineux

ndash drsquoun modegravele physique permettant lrsquoeacutetude en laboratoire drsquoun film de bitume dans desconditions bien controcircleacutees

Lrsquoeacutetude sur la reacutepartition du mastic et du bitume au sein du squelette granulaire a orienteacute nosdeacuteveloppements expeacuterimentaux et numeacuteriques autour drsquoune jonction de bitume ou de mastic entredeux granulats Cette jonction est deacutefinie ici comme un pseudo-contact intergranulaire Degraves lorsla performance des enrobeacutes bitumineux vis agrave vis de la fissuration deacutependra des caracteacuteristiquesmeacutecaniques de la jonction granulat-granulat Lors drsquoun chargement la ruine de cette jonction peutse produire soit par rupture coheacutesive dans le mastic ou le bitume soit agrave lrsquointerface liant-granulatsi les conditions drsquoadheacutesiviteacute ne sont suffisantes Il se trouve que cette jonction srsquoautoreacuteparelocalement lors drsquoune phase de repos Cette caracteacuteristique bien connue avec les liants bitumineuxsera eacutegalement prise en compte dans les recherches meneacutees au LCPC sur le comportement drsquounfilm minceAfin de mieux appreacutehender la contribution du bitume dans lrsquoendommagement des enrobeacutes nouspreacutesentons les principaux deacuteveloppements theacuteoriques expeacuterimentaux et numeacuteriques effectueacutesau Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees pour eacutetudier les conditions drsquoinitiation et depropagation drsquoune fissure

Je preacutesente dans ce meacutemoire lrsquoapproche utiliseacutee pour reproduire physiquement cette jonctionintergranulaire en laboratoire les deacuteveloppements expeacuterimentaux qui deacutecoulent de lrsquoeacutetude dela rupture coheacutesive au sein de cette jonction et les meacutethodes non-destructives utiliseacutees pouridentifier la rupture et suivre la cineacutetique drsquoautoreacuteparation Les deacuteveloppements expeacuterimentauxont pu ecirctre meneacutes dans le cadre de la thegravese de Maillard (2006) (la thegravese a eacuteteacute soutenue le 24 juin2006)

Concernant les deacuteveloppements numeacuteriques je preacutesente les travaux de thegravese de Nguyen (2009)(la thegravese a eacuteteacute soutenue le 05 deacutecembre 2008) pour eacutevaluer les critegraveres locaux et eacutenergeacutetiques

48

drsquoune fissure dans un film de bitume lors drsquoun cycle de chargement dans le cadre de la meacutecaniquelineacuteaire de la rupture avec une extension aux mateacuteriaux viscoeacutelastiques

152 Les deacuteveloppements expeacuterimentaux

Pour comprendre les phases drsquoinitiation de propagation et drsquoarrecirct drsquoune fissure dans un filmde bitume un essai de rupture speacutecifique a eacuteteacute mis au point au laboratoireEn effet Steacutefani (1988) propose un modegravele physique afin de reproduire au mieux lrsquoeacutetat meacutecaniquedu bitume dans un enrobeacute bitumineux une quantiteacute de bitume est placeacutee entre deux protubeacute-rances convexes en acier formeacutees chacune drsquoun tronc de cocircne et termineacutees par une demi-sphegravere de6 mm de rayon qui repreacutesente le granulat (figure 134) Apregraves refoidissement le bitume forme unejonction bitumineuse qui relie les deux protubeacuterances convexes Cet eacutechantillon est alors soumisagrave une traction uniaxiale reacutepeacuteteacutee selon une loi de deacuteplacement imposeacutee de faccedilon agrave simuler ce quise passe entre deux granulats au sein drsquoun meacutelange bitumineux Le porte eacutechantillon a eacuteteacute conccedilude telle sorte que lorsqursquoaucun chargement nrsquoest appliqueacute lrsquoeacutepaisseur de bitume au centre delrsquoeacutechantillon peut ecirctre fixeacutee agrave une valeur comprise entre 01 et 03 mm agrave une tempeacuterature de 0CCette eacutepaisseur est de lrsquoordre de grandeur de celle drsquoun film de bitume entourant les granulatsdans les enrobeacutes bitumineux comme cela a eacuteteacute montreacute par Duriez (1950) et plus reacutecemment parKose et al (2000)

Ce modegravele physique drsquoun film de liant au pseudo contact intergranulaire permet lrsquoeacutetude delrsquoinitiation drsquoune fissure interne au film de liant sous un effort de traction monotone dans lesconditions dans lesquelles se trouve le bitume au sein du mateacuteriau bitumineux Lorsque le filmde liant est soumis agrave des tractions reacutepeacuteteacutees lrsquoeacutevolution de la rigiditeacute de lrsquoeacuteprouvette traduit lafissuration interne du mateacuteriauUne telle geacuteomeacutetrie assure dans une eacuteprouvette non fissureacutee une concentration de 90 descontraintes dans un cylindre de rayon 3 mm et drsquoaxe confondu avec celui des protubeacuterances(Hammoum et al 2002) Cette geacuteomeacutetrie favorise ainsi lrsquoapparition de la fissure au centre delrsquoeacuteprouvette Ce nouvel essai est appeleacute Essai de Rupture Locale Reacutepeacuteteacutee sur BitumeUn premier dispositif a eacuteteacute conccedilu et la faisabiliteacute drsquoun tel essai a eacuteteacute confirmeacutee avec diffeacuterentsmateacuteriaux dans plusieurs configurations Roth (1997) Brachet (1999) Jurine (2000) A partirde ces reacutesultats et afin drsquooptimiser les conditions drsquoessai des modifications ont eacuteteacute apporteacutees audispositif expeacuterimental (Chenevez 2001)Lrsquoessai de rupture locale reacutepeacuteteacutee sur bitume a eacuteteacute utiliseacute dans le cadre de la thegravese de Maillard(2006) Par la suite je deacutecris le deacuteroulement drsquoun essai de rupture locale lrsquoexploitation des reacute-sultats des essais pour cerner le comportement viscoeacutelastique du mateacuteriau et expliciter la phasede propagation de la fissure Puis jrsquoaborde la meacutethodologie suivie pour mettre en eacutevidence lrsquoau-toreacuteparation du mateacuteriau apregraves une phase de repos

A-Deacuteroulement drsquoun essai

La meacutethode de preacuteparation de lrsquoeacuteprouvette et la deacutefinition des diffeacuterentes phases de lrsquoessaiavec les paramegravetres de pilotage ont eacuteteacute optimiseacutees durant les travaux de thegravese de Maillard (2006)

Lors des phases de sollicitation nous imposons agrave lrsquoeacutechantillon une loi de deacuteplacement per-mettant drsquoobtenir une vitesse de deacuteformation ε(t) = l

l constante au cours de lrsquoessai

ε(t) =l

l=

d

dtln

(

l(t)

li

)

= constante (14)

Drsquoougrave

49

Porte eacutechantillon

supeacuterieur

(fixe)

Porte

eacutechantillon

infeacuterieur

(mobile)

Cale deacutepaisseur

(3 agrave 120deg)

Silastegravene

Echantillon

de bitume

Direction

et sens de traction

Surface dappui

infeacuterieure

Protubeacuterances

Figure 134 ndash Dispositif utiliseacute pour lrsquoeacutetude du comportement du liant en film mince

l(t) = αeβt (15)

avec l(0) = li et l(tf ) = lf La loi de deacuteplacement retenue est alors donneacutee par lrsquoeacutequation 16

l(t)

li=

(

lfli

)t

tf(16)

ougrave ndash l(t) est la distance entre les protubeacuterances dans lrsquoaxe de traction agrave lrsquoinstant t ndash li repreacutesente lrsquoeacutepaisseur initiale de bitume ndash lf est la distance entre les protubeacuterances agrave la fin de la phase de traction ndash tf est la dureacutee de la phase de traction

Avant le deacutemarrage de lrsquoessai proprement dit lrsquoeacutechantillon est mis en compression agrave minus5 daN Au deacutebut de la phase de traction pour les valeurs de force comprises entre minus5 et 0 daN quellesque soient les conditions drsquoessai lrsquoeacutevolution de la force est lineacuteaire en fonction du deacuteplacementCeci correspond agrave une deacutecompression progressive des cales drsquoeacutepaisseur La sollicitation delrsquoeacutechantillon de bitume ne commence qursquoagrave partir des valeurs de force positives

A lrsquoissue de la phase de traction et afin de solliciter plusieurs fois le mecircme eacutechantillon ledispositif est rameneacute dans sa configuration initiale crsquoest agrave dire que les cales reviennent en leacutegegraverecompression (minus5 daN) sur le porte-eacutechantillon supeacuterieur

Cette phase de dureacutee variable est appeleacutee temps de repos et est censeacutee permettre le recolle-ment des legravevres de la fissure qui se serait creacuteeacutee pendant la phase de traction

A la fin de lrsquoessai lrsquoeacutechantillon est rompu au cours drsquoune phase de traction agrave une vitesse dedeacuteplacement eacuteleveacutee pour permettre lrsquoanalyse des surfaces de rupture

Au cours drsquoun essai de Rupture Locale Reacutepeacuteteacutee sur bitume les seacutequences de traction agrave unevitesse de deacuteplacement imposeacutee et les phases de repos sont enchaineacutees pendant les nminus1 premierscycles (figure 135a)

Lors du dernier cycle ou lors drsquoun chargement monotone (figure 135b) la seacutequence de trac-tion agrave une vitesse de deacuteplacement imposeacutee est directement enchaicircneacutee avec la traction finale

50

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

trepos

Phase 2

Temps

de repos

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

Phase 2-bis

Traction

finale

trupt finale

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

a) Phases du cycle 1 agrave n minus 1 b) Phases du cycle n ou du cycle unique

Figure 135 ndash Les diffeacuterentes phases de chargement pour un essai agrave 1 cycle unique ou agrave plusieurscycles n

B- Comportement viscoeacutelastique de la jonction bitumineuse

Le bitume est un mateacuteriau viscoeacutelastique crsquoest agrave dire que son comportement meacutecanique varieavec les conditions de sollicitation vitesse temps de chargement Il est eacutegalement thermiquementsusceptible

Les essais conventionnels tels que la tempeacuterature de ramollissement ou la peacuteneacutetrabiliteacute agravelrsquoaiguille ne permettent de deacuteterminer les caracteacuteristiques des bitumes que pour une tempeacuteratureet un temps de charge donneacutes

Afin de caracteacuteriser lrsquoeacutevolution du comportement du bitume depuis lrsquoeacutetat liquide jusqursquoagrave celuidrsquoun solide viscoeacutelastique lrsquoessai de mesure du module complexe est le plus approprieacute (Huet 1963Christensen and Anderson 1992 The 1990 Ramond and Such 2003) Il permet de deacuteterminerles caracteacuteristiques intrinsegraveques du mateacuteriau (module et angle de phase) pour un grand nombrede couples tempeacuteraturefreacutequence

Si les liants bitumineux veacuterifient le principe drsquoeacutequivalence tempstempeacuterature (Mandel (1955))il est alors possible de connaicirctre les proprieacuteteacutes du bitume pour nrsquoimporte quelle tempeacuterature parconstruction de sa courbe maicirctresse (Chambard et al (2003))A partir des reacutesultats de module complexe diffeacuterentes repreacutesentations du comportement rheacuteologi-que sont couramment employeacutees Les exemples proposeacutes ici correspondent aux reacutesultats obtenussur un bitume pur 5070 (Chambard et al (2003))Pour chaque tempeacuterature il est possible de tracer lrsquoeacutevolution de la norme du module complexe|Elowast| (ou |Glowast|) et de lrsquoangle de phase en fonction de la freacutequence de sollicitation Les isothermesdrsquoun bitume pur 5070 sont repreacutesenteacutees sur la figure 136

A une tempeacuterature donneacutee la pente drsquoune courbe isotherme renseigne sur la susceptibiliteacutecineacutetique du bitume consideacutereacute

A lrsquoaide drsquoun modegravele rheacuteologique il est alors possible de deacutecrire le comportement drsquoun bitumedans le domaine freacutequentiel et temporel tout en tenant compte de sa susceptibiliteacute thermique

Toutefois il faut preacuteciser que les bitumes modifieacutes (par soufflage ou par adjonction depolymegraveres) ont des angles de phase agrave haute tempeacuterature qui ne deacutecrivent pas une courbe

51

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

No

rme I

GI

(Pa)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

An

gle

de p

hase (

deg)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

Isothermes du module complexe |Elowast| Isothermes de lrsquoangle de phase δ

Figure 136 ndash Isothermes de la norme du module complexe |Elowast| et de lrsquoangle de phase δ pourun bitume de grade 5070 )

unique dans lrsquoespace de Black et dans ce cas les modegraveles fondeacutes sur le principe drsquoeacutequivalencetempstempeacuterature donnent de moins bons reacutesultats

Lrsquoessai de rupture locale (RULOB) est un essai de traction sur une eacuteprouvette de bitume enfilm mince qursquoon appelle donc une jonction bitumineuse reliant les deux protubeacuterances convexesCette jonction bitumineuse est caracteacuteriseacutee drsquoune part par sa geacuteomeacutetrie et drsquoautre part par lesproprieacuteteacutes viscoeacutelastiques du mateacuteriauLa reacuteponse drsquoune telle eacuteprouvette est fortement influenceacutee par la capaciteacute de contraction du ma-teacuteriau Cette capaciteacute de contraction est appeleacutee coefficient de Poisson et est noteacutee ν Sa deacutetermi-nation expeacuterimentale reste deacutelicate ce paramegravetre est tregraves souvent pris eacutegal agrave 05 aux moyenneset hautes tempeacuteratures pour les liants bitumineux le bitume est alors consideacutereacute comme un ma-teacuteriau incompressible dans les conditions pratiques pour lrsquoingeacutenieurCependant quelques eacutetudes theacuteoriques (Tschoegl et al 2002) et expeacuterimentales sur des mateacute-riaux polymegraveres (Kumar et al 2003 Pritz 2000) ont montreacute que le coefficient de Poisson drsquounmateacuteriau viscoeacutelastique thermo-susceptible deacutepend des conditions de sollicitations Pour eacutetu-dier la rupture des liants bitumineux agrave basse tempeacuterature les chercheurs du programme SHRPameacutericain (the Strategic Highway Research Program (SHRP 1994) remettent en cause cetteincompressibiliteacute du bitume et proposent des valeurs proches de 03 mais sans justification ex-peacuterimentale Plus reacutecemment di Benedetto et al (2007) ont eacutetudieacute la deacutependance du coefficientde Poisson avec la tempeacuterature agrave lrsquoaide drsquoun essai de traction uniaxiale sur une eacuteprouvette debitume ou de mastic Les auteurs preacutesentent le comportement des mateacuteriaux bitumineux dansle domaine lineacuteaire et fournissent quelques preacutecisions sur le caractegravere complexe du coefficient dePoisson La norme du coefficient de Poisson |νlowast| deacutepend de la freacutequence et de la tempeacuteratureCe coefficient varie de 05 agrave basse freacutequence etou tempeacuteratures eacuteleveacutees agrave 035 agrave haute freacutequenceetou basses tempeacuteraturesEn tenant compte des recommandations donneacutees dans la litteacuterature (Ferry 1980) (Tschoeglet al 2002) afin de mesurer le coefficient de Poisson des mateacuteriaux viscoeacutelastiques des dis-positifs expeacuterimentaux ont eacuteteacute utiliseacutes dans la thegravese de Maillard (2006) (mesure du champ dedeacuteplacement sur une eacuteprouvette haltegravere soumise agrave une traction uniaxiale et mesures ultrasonssur des eacuteprouvettes cylindriques) pour eacutevaluer la deacutependance du coefficient de Poisson du bitumeavec la tempeacuterature

Revenons agrave lrsquoessai RULOB afin drsquoexaminer la reacuteponse viscoeacutelastique du bitume ce test rendbien compte de la deacutependance de la rigiditeacute du bitume vis agrave vis de la tempeacuterature et de la vitessede deacuteformation La pente de la courbe dans la premiegravere phase de reacuteponse du mateacuteriau deacutecroicirctnotablement avec la tempeacuterature (Fig 137)a

52

Pour une tempeacuterature drsquoessai fixeacute agrave 0C la figure 137b illustre les diffeacuterentes reacuteponses du

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

Tempeacuterature =15degC

Tempeacuterature = 5degC

Deacuteplacement ( microm)

Forc

e (

N)

0

Bitume pur 5070 vitesse 11microms

0 10 20 30 400

50

100

150

Deacuteplacement (microm)

Forc

e (

N)

11 microms

55 microms

20 microms

11 microms

Cavitation et initiation de la fissure

Pro

pa

ga

tion

du

ne

fissure

con

fineacute

e

Arrecirct de la fissure

a) Effet de la tempeacuterature drsquoessai b) Effet de la vitesse de deacuteformation

Figure 137 ndash Effets des conditions drsquoessais sur le comportement du film de bitume

mateacuteriau lorsqursquoil est soumis agrave une vitesse de chargement croissante Lrsquoanalyse de la phase drsquoeacuteti-rement permet drsquoappreacutecier le comportement rheacuteologique du bitume une diminution de la vitessede chargement se traduit par une diminution de la raideur de lrsquoeacutechantillon

A cette tempeacuterature autour de 0C et apregraves lrsquoamorccedilage et lrsquoouverture drsquoune fissure il subsisteune force reacutesiduelle qui srsquoexplique par le fait que lrsquoeacuteprouvette nrsquoest pas complegravetement rompue Lafissure qui srsquoest propageacutee agrave partir du centre nrsquoa pas atteint la surface exteacuterieure de lrsquoeacuteprouvetteet reste ainsi confineacutee agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoeacutechantillon Lrsquoanalyse post-mortem de lrsquoeacutechantillon reacutevegraveleune surface de rupture bien lisse et bien deacutelimiteacutee par un anneau circulaire contenu agrave lrsquointeacute-rieur de lrsquoeacutechantillon (figure 138) On peut supposer que la fissure srsquoest propageacute en une seulefois pour former un anneau circulaire drsquoun diamegravetre deacutependant de la vitesse de chargement Onnote que le diamegravetre de lrsquoanneau circulaire augmente avec la vitesse de chargement (figure 138)On remarque eacutegalement sur la figure 138 que la force de traction neacutecessaire pour deacuteclencher

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 E-03 10 E-02 10 E-01

Vitesse de deacuteformation (s-1)

Fo

rce

de

tra

cti

on

(N

)

φ = 56 mm

φ = 78 mm

φ = 92 mm

φ = 122 mm

Figure 138 ndash Influence de la vitesse de chargement sur la taille de la fissure (tempeacuterature =0C)

lrsquoouverture de la fissure augmente avec la vitesse de chargement Vers les faibles vitesses lrsquoou-verture de la fissure se produit agrave un niveau de deacuteformation plus important ce qui teacutemoigne drsquoune

53

certaine ductiliteacute du mateacuteriau Ces essais montrent que les conditions de deacuteclenchement de lafissure deacutependent des proprieacuteteacutes viscoeacutelastiques du mateacuteriau qui elles-mecircmes interagissent avecles conditions de confinement au centre de lrsquoeacutechantillon

Au delagrave drsquoune certaine vitesse de deacuteformation on observe une diminution de la force de tractionet lrsquoanalyse post-mortem reacutevegravele un des deux sommets de la protubeacuterance en acier non recouvertpar du bitume (figure 138) Initialement on a supposeacute que la rupture srsquoest amorceacutee agrave lrsquointerfaceacierbitume puis srsquoest propageacutee dans le mateacuteriau Lrsquoutilisation drsquoune technique non-destructiveavec les eacutemissions acoustiques confirme lrsquohypothegravese drsquoun amorccedilage agrave lrsquointerface acierbitume(Maillard et al 2004) Dans les cas similaires on qualifie alors lrsquoessai de rupture avec un amor-ccedilage adheacutesif

C- Etude de la propagation drsquoune fissure interne

Compte tenu de la geacuteomeacutetrie retenue et des conditions expeacuterimentales on a bien vu que cetterupture prend naissance agrave lrsquointeacuterieur du film de bitume avec dans un premier temps la naissancedrsquoune caviteacute au centre de lrsquoeacuteprouvette par cavitation La preacutesence drsquoune bulle drsquoair macroscopiquedans le mateacuteriau peut perturber les conditions drsquoamorccedilage de la fissure Face agrave ce problegraveme nousavions pris quelques preacutecautions pour eacuteviter la preacutesence des bulles drsquoair dans lrsquoeacuteprouvette et enrespectant la proceacutedure de nettoyage des protubeacuterances Ainsi le pheacutenomegravene de cavitation restelieacute uniquement aux conditions de confinement et aux proprieacuteteacutes rheacuteologiques du mateacuteriau

Tant que cette fissure ne deacutebouche pas agrave lrsquoexteacuterieur elle est proteacutegeacutee de toutes pollutionsexternes (air poussiegraveres) Afin drsquoeacutetudier lrsquoeffet de la reacutepeacutetition des chargements il est doncpreacutefeacuterable drsquoeacuteviter de se mettre dans des conditions expeacuterimentales qui amegravenent la fissure agraveatteindre la surface exteacuterieure de lrsquoeacuteprouvette

Si on poursuit lrsquoeacutetirement avec une faible vitesse de deacuteformation la fissure se deacuteforme etsrsquoeacutetire dans le sens de la traction sans pour autant se rompre

Si on applique une vitesse de deacuteformation plus importante la caviteacute centrale se fissure ra-dialement (portion de courbe AB sur la figure 139) et se propage en formant des anneauxconcentriques du centre vers lrsquoexteacuterieur de lrsquoeacuteprouvette (Fig 139)

0 10 20 30 400

50

100

150

Elongation (microm)

Fo

rce

(N

)

12 mm

Reacutesp

on

se v

isco

eacutelas

tiq

ue

arrecirct de la

chute de force

Deacutebut de la chute de force

Chute de la force

Vitesse de chargement = 11microms

A

B

C

O

Poursuite du chargement

Bitume pur 5070

Figure 139 ndash Interpreacutetation drsquoun essai type de rupture locale avec un bitume pur de grade5070

Lrsquoessai deacutecrit ici fournit des informations sur le comportement du film de bitume lorsqursquoil estsoumis agrave un chargement monotone Le rayon de lrsquoanneau concentrique traduit lrsquoaire de la fissure

54

obtenue durant la chute de force observable sur la portion de courbe AB

Pour analyser plus finement lrsquoamorccedilage et la propagation de la fissure nous avons exploiteacute unetechnique drsquoanalyse non-destructive tregraves reacutepandue dans le domaine des mateacuteriaux avec lrsquoeacutemissionacoustique Elle consiste agrave eacutetudier les caracteacuteristiques des eacuteveacutenements acoustiques en fonctiondu temps ou de tout paramegravetre drsquoessai (contrainte deacuteplacement tempeacuterature etc) Apregraves avoireacuteteacute largement utiliseacutee pour le controcircle des meacutetaux cette technique commence agrave trouver des ap-plications dans le domaine du geacutenie-civil (Jolivet et al 1993 Lenain et al 1999 Gaillet et al2004) et plus particuliegraverement avec les mateacuteriaux bitumineux (SHRP 1994 Xolin 2002 Cordelet al 2003)La mesure des eacutemissions acoustiques est tregraves utiliseacutee par exemple dans le suivi de la propagationdrsquoune fissure car elle preacutesente lrsquointeacuterecirct qursquoun deacutefaut rendu actif (en se deacuteveloppant) signale sapreacutesence agrave un observateur passif par lrsquoapparition drsquoune onde meacutecaniqueLa deacutetection de cette onde permet alors de repeacuterer les instants ougrave un deacutefaut se creacuteeacute ou se pro-page dans la geacuteomeacutetrie consideacutereacutee et lrsquoanalyse des caracteacuteristiques de la salve mesureacutee permet decaracteacuteriser la propagation de la fissureUne repreacutesentation eacutegalement souvent utiliseacutee est lrsquoeacutevolution de la distribution cumuleacutee de lrsquoeacutener-gie ou du nombre de coups des salves (Fantozzi 1995 Quispitupa et al 2004) De telles eacutetudespermettent alors de qualifier la rupture rencontreacutee dans le bitume Cette technique est utiliseacuteeeacutegalement pour examiner la reacuteouverture drsquoune fissure sous un chargement reacutepeacuteteacute (Xolin 2002)

C1- Suivi des eacuteveacutenements acoustiques lors de la propagation drsquoune fissure Nous avonsutiliseacute cette technique non-destructive dans lrsquoessai de Rupture Locale Reacutepeacuteteacutee Les mesures onteacuteteacute reacutealiseacutees en collaboration avec la division Mateacuteriaux Armatures et Cacircbles pour OuvragesdrsquoArt du LCPC agrave NantesNous avons utiliseacute un seul capteur qui nous permet de deacutetecter les instants ougrave le deacutefaut eacutevolueLes caracteacuteristiques de ce capteur et de la chaicircne drsquoacquisition des eacutemissions acoustiques sontdonneacutees dans la thegravese de Maillard (2006)

Capteur

deacutemission

acoustique

Figure 140 ndash Photographie du dispositif expeacuterimental avec un capteur drsquoeacutemissions acoustiques

Les instants drsquoenregistrement des eacutemissions acoustiques sont relieacutes aux signaux de force etde deacuteplacement utiliseacutes comme entreacutee parameacutetrique du dispositif drsquoacquisition Les eacutemissionsacoustiques sont enregistreacutees lorsqursquoelles deacutepassent un seuil fixeacute agrave 35 dB Mais certains bruitsparasites qui ne correspondant pas agrave une eacutemission lieacutee agrave une propagation de fissure peuventavoir une amplitude supeacuterieure agrave cette limite et sont enregistreacutes dans le fichier de reacutesultatsToutefois de telles mesures sont facilement identifiables les signaux temporels et les composantesfreacutequentielles drsquoun bruit parasite sont tregraves diffeacuterents des proprieacuteteacutes drsquoune eacutemission acoustique(figure 141)

Une telle analyse permet de filtrer les signaux pour ne conserver que ceux qui traduisentlrsquoactiviteacute acoustique lieacutee agrave lrsquoeacutevolution du deacutefaut dans lrsquoeacutechantillon

55

0 200 400 600 800minus003

minus002

minus001

0

001

002

003

Temps (micros)

Ten

sion

(V

)

Emission AcoustiqueBruit parasite

0 100 200 300 400 500 6000

05

1

15

2

25x 10minus3

Freacutequence (kHz)

Spe

ctre

de

puis

sanc

e de

la F

FT

Comparaison des signaux bruts Spectre de puissance de la FFT des signaux

Figure 141 ndash Caracteacuteristiques des signaux entre un bruit parasite et une eacutemission acoustiquelieacutee agrave une propagation de fissure

C2-Exemple de mesure des eacutemissions acoustiques Pour chaque cycle nous pouvonsanalyser lrsquoeacutevolution de lrsquoactiviteacute acoustique en fonction du deacuteplacement appliqueacute agrave lrsquoeacutechantillonLes instants drsquoapparition des eacutemissions acoustiques signifient que le deacutefaut eacutevolue Un exempledrsquoactiviteacute acoustique est repreacutesenteacute sur la figure 142 pour deux cycles de chargement successifs

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 1EA Cycle 1

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 2EA Cycle 2

Cycle 1 Cycle 2

Figure 142 ndash Exemple de mesures drsquoeacutemissions acoustiques enregistreacutees pour deux cycles dechargement

Au deacutebut de la campagne de mesure nous avons effectueacute quelques enregistrements lors dela mise agrave la tempeacuterature drsquoessai de lrsquoeacutechantillon afin de veacuterifier qursquoaucune fissure ne se produitpendant cette phase de preacuteparation de lrsquoeacutechantillon et avant lrsquoessai de rupture proprement dit Cereacutesultat conforte le choix drsquoune vitesse de refroidissement de lrsquoeacuteprouvette adapteacutee aux exigencesde lrsquoessaiLors du premier cycle de chargement(figure 142a) une seule eacutemission est enregistreacutee agrave lrsquoins-tant ougrave la rigiditeacute de lrsquoeacuteprouvette diminue brutalement Lrsquoeacutemission ainsi deacutetecteacutee par le capteura une intensiteacute de 100dB Ceci correspond agrave lrsquoamorccedilage puis agrave la propagation de la fissureEn revanche pendant le second chargement (figure 142b) les eacutemissions enregistreacutees sont plusnombreuses et reacuteparties pendant toute la phase de traction Cette reacutepartition des eacuteveacutenementsacoustiques traduit une propagation progressive de la fissure pas agrave pas tout au long de la phasede chargement

56

Lrsquointeacuterecirct de la mesure des eacutemissions acoustiques reacuteside eacutegalement dans la mise en relation entreles caracteacuteristiques de la premiegravere salve acoustique enregistreacutee et le lieu drsquoamorccedilage de la fissuredeacutefinissant ainsi le type de rupture (coheacutesive ou adheacutesive) tout au moins au deacutebut de la propa-gation de la fissureLorsque lrsquoamorccedilage de la fissure se produit dans le liant bitumineux lrsquoamplitude de la salve estde lrsquoordre de 99dB et le nombre de coups est supeacuterieur agrave 500 Lorsque la fissure srsquoest initieacuteeagrave lrsquointerface acierbitume lrsquoamplitude de la salve diminue pour atteindre une valeur autour de50dB et le nombre de coups est plus faible ne deacutepassant pas quelques dizaines

D- Mise en eacutevidence de lrsquoautoreacuteparation

En faisant suivre chaque phase de traction par une peacuteriode ougrave le dispositif retrouve sa confi-guration initiale nous simulons le retour agrave la position de repos de la jonction bitumineuse entredeux chargements Ces phases de repos drsquoune dureacutee variable permettent agrave la fois drsquoeacutetudier lrsquoeffetdes sollicitations reacutepeacuteteacutees et les proprieacuteteacutes drsquoautoreacuteparation du mateacuteriau testeacute

La phase de repos seacuteparant chaque traction a pour but de favoriser le recollement des legravevresde la fissure A lrsquoissue de cette phase la taille du deacutefaut reacutesiduel peut ecirctre estimeacutee au moyen dela rigiditeacute initiale de lrsquoeacuteprouvette

Ainsi au deacutebut de chaque phase de chargement n la pente de la courbe effortdeacuteplacementKexpn (Maillard et al 2005) est calculeacutee pour les points situeacutes au voisinage du zeacutero de force pourdes deacuteplacements de lrsquoordre de 1 microm (fig 143)

La valeur de la rigiditeacute de lrsquoeacutechantillon au premier cycle Kexp1est prise comme une valeur de

reacutefeacuterence et son eacutevolution relative KFd(n) =Kexpn

Kexp1

est deacutetermineacutee agrave chaque cycle de chargementn

0 2 4 6 8 10minus5

0

5

10

For

ce (

daN

)

larr Kexp

(n) Cycle 1ν = 049 φ = 0mmCycle 2ν = 049 φ = 16mmCycle 10ν = 049 φ = 25mm

Figure 143 ndash Estimation de la rigiditeacute Kexpn et de la taille de la fissure φini initiales lors desphases de traction 1 2 et 10

En utilisant un modegravele rheacuteologique Maxwell geacuteneacuteraliseacute Huet-Sayegh modifieacute il est eacutegalementpossible de deacuteterminer la taille du deacutefaut reacutesiduel par ajustement de la courbe expeacuterimentaleavec la reacuteponse du modegravele rheacuteologique On deacutetermine alors la rigiditeacute de lrsquoeacuteprouvette mesureacuteeau deacutebut de chaque cycle (figure 143) Le diamegravetre de la fissure φini(n) est calculeacute au deacutebut dechaque sollicitation n

La figure 144 donne les eacutevolutions de la rigiditeacute relative KFd et de la taille de la fissureφini en fonction du nombre de cycles de chargement Lors des premiers cycles de chargement

57

la rigiditeacute initiale relative de lrsquoeacuteprouvette diminue et la taille de la fissure reacutesiduelle augmenteEnsuite agrave partir du dixiegraveme cycle ces deux grandeurs deviennent stables

5 10 15 20 25 30000

025

050

075

100

Cycle

KF

d

1 5 10 15 20 25 300

05

1

15

2

25

φ ini (

mm

)

KFd

φini

Figure 144 ndash Evolution de la rigiditeacute relative KFd de lrsquoeacuteprouvette et de la taille de la fissureinitiales φini en fonction du nombre de cycles

D1- Suivi de lrsquoautoreacuteparation agrave partir de la quantiteacute de signal ultrason Le controcirclenon destructif agrave lrsquoaide de meacutethodes ultrasons est couramment pratiqueacute pour mettre en eacutevidencelrsquoapparition et lrsquoaccroissement de la taille drsquoun deacutefaut Cette meacutethode fondeacutee sur lrsquoeacutetude de lrsquoeacutevo-lution des proprieacuteteacutes dun signal ultrasonore dans lrsquoeacutepaisseur du corps drsquoeacutepreuve permet drsquoestimerla position et la taille du deacutefaut (Saka and Uchikawa 1995) Cet outil nous est apparu inteacuteressantpour le suivi de la taille du deacutefaut au cours de lrsquoessai de Rupture Locale ReacutepeacuteteacuteePour effectuer de telles mesures il faut faire passer une onde longitudinale dans lrsquoaxe de tractionde lrsquoeacuteprouvette et recueillir ce mecircme signal apregraves transmission agrave travers lrsquoeacutechantillon Le capteurplaceacute sur la protubeacuterance supeacuterieure est lrsquoeacutemetteur Le reacutecepteur ultrason est placeacute sur la protu-beacuterance infeacuterieureToute eacutevolution de la taille du deacutefaut pourra se traduire par une variation de la quantiteacute designal ultrason Lors des phases de repos (figure 152) la quantiteacute de signal ultrasonore qUS

traversant lrsquoeacutechantillon augmente traduisant le recollement des legravevres de la fissure Lorsque lataille de la fissure devient infeacuterieure agrave la surface drsquoeacutetude couverte par le capteur ultrason uneeacutetude speacutecifique de lrsquoeacutevolution de ce signal lors des phases de repos permet de srsquointeacuteresser agrave deuxcaracteacuteristiques de lrsquoautoreacuteparation

ndash la cineacutetique du pheacutenomegravene de recollement des legravevres de la fissure ndash la capaciteacute du mateacuteriau agrave srsquoautoreacuteparerLa quantiteacute de signal traversant lrsquoeacutechantillon est lieacutee agrave la taille de la fissure preacutesente au cœur

de lrsquoeacutechantillon Le niveau atteint agrave la fin de la phase de repos traduit alors la capaciteacute du bitumeagrave srsquoautoreacuteparer durant un laps de temps donneacute pour des conditions drsquoessais fixeacutees

ndash un retour agrave une amplitude de signal maximale traduit une cicatrisation complegravete de lafissure

ndash lorsque juste avant la phase de traction la vitesse de reacuteparation est nulle la quantiteacute designal traversant lrsquoeacutechantillon traduit la valeur limite de la capaciteacute de reacuteparation

D2- Relation entre la quantiteacute de signal ultrasonore qUS et la taille de la fissure φLes indicateurs de la fissuration et de lrsquoautoreacuteparation qui sont deacutefinis dans la thegravese de Maillard(2006) deacutecrivent lrsquoeacutetat meacutecanique de la fissure agrave chaque instant de lrsquoessai

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0 20 40 60 80 100 12000

05

10

Temps (s)

q US

q1

q2

q10

Cycle 1Cycle 2Cycle 10Phase de tractionPhase de repos

Figure 145 ndash Comparaison de lrsquoeacutevolution du signal ultrasons lors des cycles 1 2 et 10 de lrsquoessaide reacutefeacuterence (T=0C et V= 11microm)

Parmi ceux-ci lrsquoeacutevaluation expeacuterimentale KFd de la rigiditeacute initiale de lrsquoeacuteprouvette lrsquoesti-mation de la taille φ de la fissure reacutesiduelle agrave lrsquoaide du modegravele et la quantiteacute du signal ultrasonoreqUS au deacutebut de chaque traction donnent toutes trois des informations sur la taille du deacutefaut agraveplusieurs instants identiques de lrsquoessai

Dans la thegravese de Maillard (2006) nous avons compareacute ces grandeurs pour des essais agrave dif-feacuterentes tempeacuteratures et sur diffeacuterents mateacuteriaux Lrsquoeacutevolution de la rigiditeacute initiale relative delrsquoeacuteprouvette et celle de la quantiteacute relative du signal ultrasonore mesureacutee au deacutebut de chaque cyclesont reporteacutees sur la figure 146 Lrsquoeacutecart maximal observeacute est de lrsquoordre de 01 Nous consideacuteronsalors que les valeurs de KFd et qUS sont correacuteleacutees lorsque la taille de la fissure est infeacuterieure agrave70 mm Cette limite supeacuterieure de la taille de fissure est fixeacutee par les caracteacuteristiques du capteurultrason Au deacutelagrave de cette taille limite la quantiteacute de signal est nulle A partir de ces reacutesultats

1 5 10 15 20 25 300

025

05

075

1

Cycle

Evo

lutio

n re

lativ

e

qUS

5070 0degCK

Fd 5070 0degC

qUS

BMP minus5degCK

Fd BMP minus5degC

Figure 146 ndash Evolution de la rigiditeacute initiale relative KFd et de la quantiteacute de signal initialrelative qUS en fonction du nombre de cycles

nous avons traceacute lrsquoeacutevolution de la taille de la fissure φ estimeacutee agrave lrsquoaide du modegravele en fonctionde la quantiteacute de signal ultrasonore qUS traversant lrsquoeacutechantillon (figure 147) et nous proposons

59

une relation lineacuteaire entre lrsquoeacutevolution de qUS et le diamegravetre φ de la fissure lorsque celui-ci estinfeacuterieur agrave sim 70 mm

0 02 04 06 08 10

1

2

3

4

5

6

7

8

φ = 717(1minusqUS

) rarr

qUS

(minus) KFd

(minus)

φ (m

m)

qUS

5070 0degCq

US BMP minus5degC

qUS

BMP 0degCq

US 1020M +5degC

KFd

Figure 147 ndash Estimation de la taille φ de la fissure en fonction de la quantiteacute de signal ultra-sonore qUS et de la rigiditeacute initiale relative KFd

Nous remarquons alors que lrsquoeacutecart maximal de 01 entre les rigiditeacutes relatives et la quantiteacute designal ultrasonore (figure 146) correspond agrave une erreur drsquoenviron 10 mm sur le diamegravetre estimeacutede la fissure Ainsi en utilisant les mesures ultrasons (ou lrsquoestimation de la rigiditeacute initiale relativede lrsquoeacuteprouvette) et lrsquoeacutequation donneacutee sur la figure 147 il est possible drsquoestimer la taille de lafissure agrave chaque instant de lrsquoessai Par la suite celle-ci sera noteacutee φUS signifiant que cette taillede fissure est obtenue agrave partir des reacutesultats ultrasons coupleacutes avec les reacutesultats du modegravele

Les mesures ultrasonores constituent alors un indicateur privileacutegieacute de lrsquoeacutevolution de la taillede la fissure agrave chaque instant de lrsquoessai lorsque le diamegravetre de la fissure est infeacuterieur agrave 70 mm Enrevanche la comparaison entre les essais doit tenir compte drsquoune marge drsquoerreur de plusmn sim 10 mmNous repreacutesentons sur la figure lrsquoeacutevolution de la taille de la fissure agrave partir drsquoun indicateurissu des mesures ultrasonsLa quantiteacute de signal ultrasonore ainsi traduite en taille de fissure il est eacutegalement possible derecalculer la cineacutetique de refermeture de la fissure exprimeacutee en mm2sminus1

E- Exploitation de lrsquoessai de rupture locale pour une eacutetude comparative des produitsbitumineux Les eacutetudes meneacutees dans le cadre de la thegravese de Maillard (2006) ont permis demontrer que la cineacutetique de recollement des legravevres de la fissure deacutepend de la structure physico-chimique des liants bitumineux pour des conditions expeacuterimentales comparables Les bitumeseacutetudieacutes sont preacutesenteacutes en deacutetail dans la thegravese de Maillard et les modifications au niveau de lastructure interne concernent soit lrsquoajout de polymegravere (bitume BMP reacuteticuleacute agrave 35) soit le re-cours agrave un proceacutedeacute industriel drsquooxydation par soufflage (1020M)Il semble donc que les bitumes purs (5070 et 1020) ont un comportement agrave lrsquoautoreacutepara-tion diffeacuterent de celui des bitumes modifieacutes BMP et 1020M Les modifications de la structurephysico-chimique des liants ont donc un effet sur les interactions moleacuteculaires et sur lrsquointerdiffu-sion supposeacutee lors de la phase drsquoautoreacuteparationEn reacutegle geacuteneacuterale cette meacutethode de mesure permet de comparer les liants bitumineux entre eucet de deacutefinir un classement des performances des liants bitumineux

60

Sur la figure 148 nous montrons lrsquoeacutevolution de la vitesse de recollement des legravevres de la fissureapregraves reacutepeacutetition des cycles de chargementrepos pour des conditions identiques Ainsi la vi-tesse maximale drsquoautoreacuteparation diminue avec la reacutepeacutetition des chargements tandis que le tempsdrsquoeacutevolution de la taille de la fissure augmente Il semble donc qursquoapregraves plusieurs chargements

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

10

12

Temps (s)

v auto

reacutep (

mm

2 sminus

1 )

Cycle 1Cycle 2Cycle 10

Figure 148 ndash Evolution de la vitesse de recollement des legravevres de la fissure (en mm2sminus1) aucours des phases de repos des cycles 1 2 et 10

les proprieacuteteacutes drsquoautoreacuteparation soient deacutegradeacutees Toutefois il est inteacuteressant de noter que pourtous les essais et pour chacun des cycles la vitesse drsquoeacutevolution de la fissure est nulle pendant aumoins 60 secondes au cours de la phase de repos Pour toutes les configurations expeacuterimentalesla taille de la fissure est donc stabiliseacutee avant la fin de la phase de reposIl pourrait ainsi ecirctre inteacuteressant de diminuer la dureacutee de la phase de repos et drsquoestimer la rigiditeacutede lrsquoeacuteprouvette et donc la taille du deacutefaut lors drsquoune phase de traction alors que la vitesse dereacuteparation est encore en train drsquoeacutevoluer A contrario lrsquoaugmentation de la dureacutee de cette phasede repos pourrait permettre drsquoeacutetudier si un temps de contact plus long contribue agrave une augmen-tation de la rigiditeacute lieacutee agrave une meilleure interdiffusion des moleacuteculesLe lien avec la fatigue des enrobeacutes bitumineux a eacutegalement eacuteteacute abordeacute Bien que lrsquoessai de rup-ture locale reacutepeacuteteacutee soit reacutealiseacute agrave des tempeacuteratures infeacuterieures et sur un faible nombre de cycle parrapport agrave lrsquoessai de fatigue sur les enrobeacutes bitumineux un premier croisement du comportementdes bitumes entre lrsquoessai de rupture locale et lrsquoessai de fatigue a eacuteteacute reacutealiseacute dans la thegravese deMaillard (2006) Le classement obtenu semble coheacuterent et les investigations effectueacutees agrave lrsquoeacutechelledrsquoun film de bitume reflegravetent bien ce qui se passe agrave cette eacutechelle lors drsquoun essai de fatigue sur unenrobeacute bitumineux

Conclusions Le travail important en volume et en qualiteacute reacutealiseacute durant la thegravese (Maillard2006) a permis de fixer les modaliteacutes pratiques pour lrsquoeacutevaluation des pheacutenomegravenes de fissurationet drsquoautoreacuteparation A travers la synthegravese qui est donneacutee ici on peut eacutenoncer quelques pistespour lrsquoeacutetude de ces pheacutenomegravenes

1 Lrsquoeacutemission acoustique est lrsquooutil adeacutequat pour deacutetecter et suivre la fissuration dans les mateacute-riaux bitumineux Si lrsquoon considegravere le meacutelange bitumineux comme un ensemble de plusieurs

61

jonctions bitumineuses de diffeacuterentes tailles on peut supposer qursquoune ou plusieurs fissurespeuvent se propager dans la microstructure du mateacuteriau Dans ce cas lrsquoenregistrement deseacutevenements acoustiques constitue un bon outil pour suivre la fissuration dans les enrobeacutesbitumineux

2 Le suivi de lrsquoeacutevolution du signal ultrason pendant la phase repos est un bon moyen poureacutevaluer lrsquoautoreacuteparation et quantifier la vitesse de recollement des legravevres de la fissureCette technique semble reacutepondre aux problegravemes de quantification de lrsquoautoreacuteparation desbitumes dans les conditions controcircleacutees Il semble eacutegalement que lrsquoeacutetude sur une jonctionbitumineuse seule permet de reacutepondre aux attentes des fournisseurs de liant bitumineux etdes entreprises routiegraveres Lrsquooutil deacuteveloppeacute ici permet de classer les liants agrave la fois sur lareacutesistance agrave la fissuration mais eacutegalement sur la capaciteacute agrave srsquoautoreacuteparer

Les techniques expeacuterimentales deacuteveloppeacutees dans la thegravese de Maillard (2006) ont permis de com-prendre et de caracteacuteriser les deux principaux pheacutenomegravenes susceptibles de modifier la reacuteponsemeacutecanique de la jonction bitumineuse Ce travail de recherche a permis de deacuteduire un premierindicateur pour eacutevaluer les performances des liants bitumineux vis agrave vis de la fissuration et undeuxiegraveme indicateur pour cerner la capaciteacute drsquoautoreacuteparation des liants bitumineux Lrsquooriginaliteacutede ce travail reacuteside dans la meacutethode de deacutetermination de ces deux indicateurs agrave partir drsquoun essaiunique Sur le plan de la valorisation lrsquoessai de rupture locale a eacuteteacute utiliseacute dans plusieurs contratsindustriels pour classer les liants bitumineux entre eux

62

153 Les deacuteveloppements numeacuteriques

En collaboration avec Monsieur Alain Ehrlacher de lrsquoInstitut Navier on a poursuivi nosrecherches sur le comportement de la jonction bitumineuse avec la thegravese de Hoai Nam Nguyen(soutenue le 05 deacutecembre 2008)Cette thegravese vise agrave examiner les aspects theacuteoriques et numeacuteriques pour modeacuteliser la fissurationdans un milieu viscoeacutelastique comme le bitumeLe code de calcul Abaqus a eacuteteacute utiliseacute pour exploiter les approches numeacuteriques de la meacutecaniquede la rupture Lrsquoobjectif eacutetait de compleacuteter et de preacuteciser les interpreacutetations de lrsquoessai de rupturelocale agrave lrsquoaide drsquoindicateurs speacutecifiques de fissuration comme le facteur drsquointensiteacute de contrainteet le facteur drsquoouverture de la fissure

2531 Simulation de lrsquoessai de rupture locale avec la meacutethode des eacuteleacutements finis

a- Mateacuteriau Dans le code Abaqus on peut repreacutesenter le comportement viscoeacutelastique dansle domaine temporel agrave lrsquoaide des seacuteries de Prony

Consideacuterons un essai en petites deacuteformations dans lequel on applique une deacuteformation γ(t)au mateacuteriau viscoeacutelastique La reacuteponse en contrainte de cisaillement τ(t) est deacutefinie comme suit

τ(t) =

int t

0

GR(ts)γ(s)ds (17)

drsquoougrave GR(t) est le module relaxeacute de cisaillement caracteacuterisant la reacuteponse du mateacuteriau visco-eacutelastique Ce module de relaxation peut srsquoeacutecrire sous forme unidimensionnelle

gR(t) =GR(t)

G0

(18)

ougrave G0 = GR(t = 0) est le module relaxeacute de cisaillement instantaneacute Lrsquoeacutequation constitutive(17) devient alors

τ(t) = G0

int t

0

gR(t minus s)γ(s)ds (19)

Le mateacuteriau utiliseacute dans les simulations numeacuteriques est un liant pur de grade 5070 (peacuteneacute-trabiliteacute agrave lrsquoaiguille exprimeacutee en 110 mm agrave 25C) Les proprieacuteteacutes rheacuteologiques de ce liant sontrepreacutesenteacutees sous forme drsquoune seacuterie de Prony et ont eacuteteacute identifieacutees pour chaque tempeacuterature delrsquoessai dans la thegravese de Nguyen (2009)

Agrave titre drsquoexemple pour une tempeacuterature T = 0C on introduit dans le code de calcul Abaqusun module eacutelastique isotrope instantaneacute E0 = 192496MPa et la seacuterie de Prony est donneacutee dansle tableau 13

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

τi(s) 4519e-7 277e-6 2261e-5 8647e-5 4893e-4 3811e-3 2595e-2 01692 11961 10372 3952 2122 1650

gi 01088 00882 01255 00945 01878 01369 01125 00795 00427 00167 00045 0002 3e-4

Table 13 ndash Tableau reacutecapitulatif des valeurs des seacuteries de Prony agrave tempeacuterature T = 0C Lemodule infini Einfin = 00624MPa

63

b- Maillage Geacuteneacuteralement le coucirct de calcul drsquoun modegravele de fissuration peut srsquoaveacuterer impor-tant Un travail drsquooptimisation du maillage a eacuteteacute meneacute Nous avons choisi un maillage plus finuniquement dans la zone voisine de la ligne de propagation de la fissure ougrave apparaissent les fortesconcentrations de contraintes Cependant le geacuteneacuterateur de maillage Abaqus preacutesente certaineslimitations dans la construction drsquoun maillage reacutegulier adapteacute agrave la geacuteomeacutetrie speacutecifique de lrsquoes-sai Pour surmonter cette limitation nous avons utiliseacute le code drsquoeacuteleacutements finis Cast3M-CEA(2005) pour discreacutetiser le domaine deacutefini par la geacuteomeacutetrie de lrsquoeacuteprouvette Le maillage obtenupar Cast3M est ensuite transformeacute dans un format compatible avec le code Abaqus gracircce agrave unscript eacutecrit en Perl

Lrsquoeacutetude sur la deacutependance du maillage avec la fissure vis agrave vis du calcul a eacuteteacute meneacutee dansla thegravese de Nguyen (2009) Cette eacutetude a permis drsquoadopter les eacuteleacutements reacuteguliers rectangulaires(CPE4 CAX4 etc) qui donnent les meilleurs reacutesultats Etant donneacute que le nombre maximaldrsquoeacuteleacutements pris en compte par lrsquohistoire de chargement est limiteacute dans le code de calcul nousavons retenu lrsquoeacuteleacutement bilineacuteaire axisymeacutetrique avec quatre nœuds CAX4

Etant donneacute la geacuteomeacutetrique particuliegravere de lrsquoeacuteprouvette de lrsquoessai Rulob 2 on ne considegravereqursquoun quart de lrsquoeacutechantillon dans la modeacutelisation En fonction de son eacutepaisseur e 3 (L6) lesdimensions de ce maillage 2D axisymeacutetrique indiqueacutees dans la figure 149 sont donneacutees dans letableau 14 ci-dessous

Maillage drsquoeacuteleacutements finis 2D axisymeacutetrique Maillage axisymeacutetrique rendu en 3D

Figure 149 ndash La discreacutetisation les dimensions (cf tableau 14) et le rendu 3D

L6 L1 L2 L3 L4 L5

e = 00720220032 80 8586+e 1245 40308 80624

Table 14 ndash Les dimensions du modegravele Rulob en mm

2 La geacuteomeacutetrie de lrsquoeacutechantillon preacutesente agrave la fois un axe de symeacutetrie horizontal et une axisymeacutetrie autour delrsquoaxe vertical (cf la figure 134)

3 Lrsquoeacutepaisseur indiqueacutee correspond agrave lrsquoune des trois cales drsquoeacuteprouvette de 70 220 ou 320microm

64

En tenant compte du temps de calcul lrsquoeacutetude de la deacutependance du maillage vis agrave vis du calcula permis de proposer une discreacutetisation optimiseacutee avec les caracteacuteristiques suivantes

ndash Lrsquoeacuteleacutement axisymeacutetrique bilineacuteaire CAX4 ndash Le nombre total de nœuds 2474 ndash Le nombre total drsquoeacuteleacutements 2330 ndash Le nombre total de variables geacuteneacutereacutees par le modegravele 2337 ndash Le plus petit eacuteleacutement se trouve au centre de lrsquoeacuteprouvette avec une taille de 728x824 microm

Figure 150 ndash Le maillage et le chargement du modegravele de validation

En tenant compte des caracteacuteristiques de lrsquoessai de rupture locale deacutecrites dans le paragraphe152 la fissure srsquoinitie au centre de lrsquoeacuteprouvette et se propage concentriquement vers lrsquoexteacuterieurLrsquoaxe de propagation de la fissure coiumlncide donc avec lrsquoaxe de symeacutetrie (L1) Dans ce cas nousavons besoin de raffiner le centre de lrsquoeacuteprouvette lieu drsquoamorccedilage de la fissure Pour le maillageretenu les plus gros eacuteleacutements se trouvent loin du centre de lrsquoeacuteprouvette (figure 149)

C- Chargement et conditions aux limites Avec le maillage retenu preacuteceacutedemment on prenden compte les axes de symeacutetrie et drsquoaxisymeacutetrie de lrsquoeacuteprouvette (voir figure 153 dans la deacutefinitiondes conditions aux limites les coordonneacutees locales sont illustreacutees par la figure 151

U2

U1

U3

UR3

O

Figure 151 ndash Coordonneacutees locales utiliseacutees pour les conditions aux limites

Condition de symeacutetrie U2 = UR1 = UR3 = 0 sur L1 Les nœuds font partie du chemin depropagation preacutedeacutefini et ils se trouvent entre deux surfaces lrsquoune esclave lieacutee au mateacuteriau etlrsquoautre maicirctresse lieacutee agrave lrsquoaxe de symeacutetrie La surface maicirctresse se caracteacuterise par un corpsrigide fixeacute par un point de reacutefeacuterence Ces nœuds sont donc bloqueacutes suivant la normale cequi est neacutecessaire dans un problegraveme de fissuration en mode I

Condition drsquoaxisymeacutetrie (U1 = U2 = UR3 = 0) sur lrsquoaxe drsquoaxisymeacutetrie L6

Bords libres Il nrsquoy a aucun chargement sur les bords L2 et L3

65

Figure 152 ndash Les conditions aux limites appliqueacuteesagrave lrsquoeacutechantillon

Figure 153 ndash Le chargement et lesconditions aux limites au centre dumaillage

Lors de la phase de traction on applique une loi de deacuteplacement exponentielle imposeacutee sur lasurface libre supeacuterieure de lrsquoeacutechantillon Ce deacuteplacement imposeacute varie en fonction de lrsquoeacutepaisseurde lrsquoeacutechantillon (correspondant agrave 72 220 et 320 microm) de telle sorte que la vitesse de deacuteformationreste constante et que sa valeur critique se trouve dans la plage de la vitesse de deacuteformation delrsquoessai introduite dans le paragraphe sect152 La figure 154 montre les eacutevolutions du deacuteplacementimposeacute et de la vitesse de deacuteformation correspondante en fonction du temps pour les trois calesqui correspondent aux trois eacutepaisseurs 72 220 et 320 microm

0 2 4 6 8 10005

01

015

02

025

03

035

04

045

Temps (s)

Deacutep

lace

men

t (m

m)

l(t)320

= 032et33845

l(t)220

= 022et24663

l(t)72

= 0072et107835

Deacuteplacement uniforme

0 2 4 6 8 100006

0008

001

0012

0014

0016

0018

002

Temps (s)

Vite

sse

de d

eacutepla

cem

ent (

mm

s)

dl(t)

320dt = 00094549et33845

dl(t)220

dt = 00089202et24663

dl(t)72

dt = 00066769et107835

Vitesse constante

(a) Deacuteplacement (b) Vitesse de deacuteplacement

Figure 154 ndash Comparaison du deacuteplacement (a) et de la vitesse de deacuteplacement exponentielle(b) pour les diffeacuterentes eacutepaisseurs de cales lors drsquoun eacutetirement df = 110microm pendant tf = 10s

D- Mise en œuvre dans le code de calcul Dans lrsquoessai de rupture locale les deacuteplacementslieacutes agrave lrsquoinitiation et agrave lrsquoarrecirct de la fissure sont deacutetermineacutes agrave partir des mesures expeacuterimentales On

66

connaicirct donc le temps drsquoinitiation et le temps drsquoarrecirct de la fissure au cours de lrsquoessai En adop-tant lrsquohypothegravese simplificatrice sur une vitesse de propagation uniforme pendant cette phase onimpose une progression de la taille de la fissure deacutetermineacutee agrave partir des mesures expeacuterimentalesen fonction du temps

Agrave titre drsquoexemple nous consideacuterons les tests reacutealiseacutes sur un film de bitume dont lrsquoeacutepaisseurminimale est de 320 microm agrave la tempeacuterature T = 0C On impose une vitesse de deacuteplacementmoyenne de v = 11 microms Les reacutesultats de ces tests sont preacutesenteacutes dans le paragraphe sect152Avec une vitesse de deacuteplacement imposeacutee et une vitesse de propagation supposeacutee uniforme nousen deacuteduisons les temps lieacutes agrave lrsquoinitiation et agrave lrsquoarrecirct ainsi que la vitesse de propagation (tableau15)

θ tf dinia tini

b darrc tarr

d afe va

f

(C) (s) (microm) (s) (microm) (s) (mm) (mms)0 10 706 0642 1065 0965 1165 1802

a La valeur du deacuteplacement au point drsquoinitiation de la fissureb Le temps au point drsquoinitiation de la fissurec La valeur du deacuteplacement au point drsquoarrecirct de la fissured Le temps au point drsquoarrecirct de la fissuree La taille de la fissure finale apregraves la rupturef La vitesse moyenne de propagation de la fissure

Table 15 ndash Les temps lieacutes agrave lrsquoouverture et agrave lrsquoarrecirct de la fissure agrave une tempeacuterature de 0C et agraveune vitesse de 11 microms

Agrave partir de ces temps drsquoinitiation et drsquoarrecirct de la fissure et de la vitesse drsquoouverture nouspouvons discreacutetiser la longueur de la fissure en fonction du tempsAu niveau du maillage lrsquoouverture drsquoune fissure se traduit par une libeacuteration des nœuds Degravesle relacircchement drsquoun nœud sur la ligne drsquoouverture de la fissure la force interne est remplaceacuteepar une force de traction opposeacutee sur les deux nouvelles surfaces creacuteeacutees Ces forces de tractionse reacuteduisent agrave zeacutero apregraves un temps relatif qui reste agrave deacutefinir Pour ce faire on introduit dans lecode de calcul Abaqus une fonction lineacuteaire en fonction du temps de relacircchement du nœud situeacuteagrave la pointe de la fissure La valeur de la fonction est initialement prise eacutegale agrave 1 puis se reacuteduitrapidement agrave 0

E- Analyse de lrsquoessai de rupture locale Lrsquoidentification rheacuteologique du bitume expliqueacuteedans la thegravese de Hoai-Nam permet lrsquoobtention de la loi de comportement viscoeacutelastique Avec13 eacuteleacutements de Maxwell on repreacutesente la loi viscoeacutelastique du bitume avec la seacuterie de PronyassocieacuteeDans la reacutesolution du problegraveme on suppose que les temps de relaxation volumique et deacuteviato-rique sont identiques (τi = τ i

K = τGi )

Puis on discreacutetise le domaine deacutefini par la geacuteomeacutetrie de lrsquoeacutechantillon de lrsquoessai Rulob agrave lrsquoaidedu code Abaqus version 64 Abaqus (2004) et de Cast3M-CEA (2005) Le maillage contient 940eacuteleacutements 2D axisymeacutetriques bilineacuteaires (CAX4) Le rapport entre lrsquoeacuteleacutement le plus petit situeacuteau centre a et le rayon de lrsquoeacuteprouvette R est de lrsquoordre de aR = 91e minus 4Les proprieacuteteacutes rheacuteologiques sont caleacutees agrave partir des essais uniaxiaux Meacutetravib sous forme drsquouneseacuterie de Prony agrave tempeacuterature T = 0C (tableau 13)On effectue alors la simulation numeacuterique des diffeacuterentes phases de lrsquoessai de rupture localesuivant la meacutethodologie adopteacutee lors de la mise en œuvre du modegravele numeacuterique comme suit

67

E1- Phase eacutetirement calage du coefficient de Poisson Lors de la phase drsquoeacutetirement delrsquoeacutechantillon la reacuteponse du bitume deacutepend fortement de sa capaciteacute de contraction On rappeleque le coefficient de Poisson constitue un des paramegravetres importants dans la simulation de lrsquoessaiLorsque le bitume est dans un eacutetat fluide plus ou moins visqueux la valeur absolue du coefficientde Poisson est prise eacutegale agrave 05 Lorsque la tempeacuterature baisse ce paramegravetre deacutecroicirct jusqursquoagrave ceque le bitume atteigne un eacutetat vitreux Le coefficient de Poisson atteint alors une valeur prochede 035 (Shaterzadeh 1997 Maillard et al 2005)

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

Displacement (microm)

Load

(da

N)

Test 1Test 2ABAQUS minus ν = 0497

Figure 155 ndash Calage du coefficient de Poisson sur la phase eacutetirement - Essai agrave 0 C - tf = 55s

En se basant sur les reacutesultats expeacuterimentaux la taille de la fissure est nulle au deacutebut de lrsquoes-sai Par conseacutequent la phase drsquoeacutetirement traduit la reacuteponse rheacuteologique du mateacuteriau et la formeparticuliegravere de lrsquoeacuteprouvette Le coefficient de Poisson est fixeacute alors de telle maniegravere agrave reproduirela phase drsquoeacutetirement de la courbe expeacuterimentale (force-deacuteplacement) La valeur du coefficientde Poisson ainsi trouveacutee constitue une deacutetermination drsquoune caracteacuteristique du mateacuteriau deacutepen-dant des conditions de lrsquoessai (tempeacuterature vitesse de sollicitation) Cette approche constitue unmoyen indirect et original pour deacuteterminer le coefficient de Poisson

A titre drsquoexemple la figure 155 preacutesente un ajustement du coefficient de Poisson sur des es-sais agrave 0C et agrave une vitesse de deacuteplacement v = 2 microms Apregraves calage du calcul numeacuterique surla courbe expeacuterimentale la valeur du coefficient de Poisson retenue est eacutegale agrave ν = 0497

E2- Phase drsquoouverture de la fissure Les nombreux calculs meneacutes sur des maillages plus oumoins fins montrent qursquoune bonne preacutecision du calcul peut-ecirctre obtenue sur des maillages preacute-sentant un raffinement autour de la zone drsquoouverture de la fissure Dans la simulation numeacuteriqueon impose une vitesse constante drsquoouverture de la fissure Cette vitesse moyenne est estimeacutee agravepartir de la dureacutee de la chute de force et de la taille de la fissure On repreacutesente sur la figure 156le champ de contrainte verticale dans le mateacuteriau au pas de temps t=06557s Sur cette figureon observe un deacutechargement local au droit de la fissure et une concentration de la contrainte auniveau de la pointe de la fissure

Le champ de contrainte est majoritairement orienteacute dans le sens normal agrave la surface de lafissure et contribue ainsi agrave la force de traction globale Le champ de contrainte forme ainsi unereacutegion ellipsoiumldale autour de la pointe de fissure On remarque eacutegalement que cette reacutegion est

68

Figure 156 ndash Distribution du champ de contrainte verticale autour de la pointe de fissure (Temp= 0C et vitesse moyenne v = 11microms)

relativement large par rapport agrave lrsquoeacutepaisseur du film de bitume Le champ de contrainte danscette reacutegion proche de la pointe deacutecroit tregraves vite avec lrsquoouverture de la fissure Cette observationlocale corrobore la chute de force brutale observeacutee sur la courbe force-deacuteplacement

E3- Phase de poursuite de lrsquoessai apregraves rupture Apregraves cette chute de force qui traduitlrsquoouverture drsquoune fissure dans le mateacuteriau la figure 157 montre que la courbe de traction repartavec une raideur plus faible que celle releveacutee lors de la phase eacutetirement Cette nouvelle rigiditeacutecorrespond agrave une raideur reacutesiduelle drsquoune eacuteprouvette fissureacutee Comme le coefficient de Poissonest deacutetermineacute preacuteceacutedemment la taille finie de la fissure peut-ecirctre deacutetermineacutee par un calage de lasimulation sur la portion de la courbe expeacuterimentale BC (figure 139) La taille de la fissure ainsicalculeacutee peut-ecirctre compareacutee avec la valeur issue de lrsquoanalyse post-mortem de lrsquoanneau circulairevisible sur la surface de ruptureLa figure 139 montre la surface de rupture obtenue agrave la fin de lrsquoessai On observe un anneaucirculaire drsquoun diamegravetre de 12mm qui deacutelimite la propagation de la fissure durant la premiegraverechute de force Cette mesure confronteacutee avec le calcul par la meacutethode des eacuteleacutements finis tend agravevalider complegravetement la meacutethode de deacutetermination de la taille de la fissure lieacutee agrave la chute deforceA ce stade la modeacutelisation adopteacutee ici permet de reproduire les trois phases de lrsquoessai de rupturelocale Le calcul effectueacute a permis de retrouver le coefficient de Poisson du mateacuteriau et de veacuterifierla bonne correspondance entre la taille de la fissure mesureacutee sur lrsquoeacutechantillon post-mortem et lataille de la fissure calculeacutee agrave partir de lrsquoajustement sur la portion de courbe BCDans ce travail de simulation quelques hypothegraveses simplificatrices ont eacuteteacute prises En effet onconsidegravere que la vitesse de propagation de la fissure est uniforme et que le problegraveme peut-ecirctretraiteacute en petites deacuteformations Ces deux hypothegraveses ont eacuteteacute examineacutees dans la thegravese de Hoai-Nam(2009) Avec la premiegravere hypothegravese il semble que la cineacutematique drsquoouverture nrsquoa pas drsquoincidencesur la reacuteponse de la jonction bitumineuse et en particulier sur la chute de force qui correspond agravela portion de courbe AB La deuxiegraveme hypothegravese nrsquoa pas eacuteteacute veacuterifieacutee complegravetement Il faut savoirque le pheacutenomegravene drsquoeacutemoussement de la fissure peut se produire sur des liants modifieacutes par lespolymegraveres dans des conditions de chargement bien deacutetermineacutees Une eacutetude en grandes deacuteforma-tions serait necessaire pour veacuterifier lrsquoincidence sur le comportement drsquoune jonction bitumineuse

F- Calcul des facteurs drsquointensiteacute En meacutecanique de la rupture on utilise souvent la meacute-thode des eacuteleacutements finis pour deacuteterminer les paramegravetres de fissuration avec le taux de restitutiondrsquoeacutenergie (G) ou le facteur drsquointensiteacute de contraintes (Kσ

I ) Cette meacutethode est plus adapteacutee pour

69

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

For

ce (

daN

)

Essai 1Essai 2Vitesse uniformeVitesse nonminusuniforme

Figure 157 ndash Modeacutelisation de lrsquoessai de rupture locale avec le code Abaqus

reacutesoudre des problegravemes de structures preacutesentant une geacuteomeacutetrie complexeHabituellement le facteur drsquointensiteacute de contrainte critique est deacutefini pour les conditions drsquoini-tiation quasi-statique Cependant la rupture locale se preacutesente comme une fissure qui se propagejuste apregraves une cavitation dans le film de bitume Les conditions drsquoinitiation de la fissure sontdonc relativement diffeacuterentesPar ailleurs on ne reproduit pas le pheacutenomegravene de cavitation dans la simulation mais on preacutevoitdans le maillage une caviteacute initiale eacutequivalente agrave la taille du plus petit eacuteleacutement (7microm) Cettefissure initiale est tregraves pratique pour lrsquoeacutetude de la phase drsquoouverture de la fissure et les veacuterifica-tions neacutecessaires ont eacuteteacute reacutealiseacutees pour eacutevaluer son incidence sur la reacuteponse du mateacuteriau durantla phase drsquoeacutetirementEn prenant en compte les aspects lieacutes agrave lrsquoinitiation on deacutetermine le facteur drsquointensiteacute decontrainte connaissant le champ des contraintes proche de la pointe de fissure On deacuteterminede la mecircme maniegravere le facteur drsquointensiteacute en deacuteplacement agrave partir du champ des deacuteplacementsdes nœuds proches de la pointe de fissure Le mode I qui est le mode drsquoouverture de la fissurecorrespond bien au mode de rupture de lrsquoessai RULOB Avec ce mode drsquoouverture on exploiteainsi le reacutesultat donneacute par la meacutecanique de la rupture agrave lrsquoaide de lrsquoexpression du facteur drsquointen-siteacute de contrainte drsquoune fissure interne

KσI (a) = limrrarra+

radic

2π(r minus a)σ22(r 0) (110)

KuI (a) = limrrarra+

2radic

2π(r minus a)u2(r 0) (111)

La solution asymptotique srsquoobtient agrave partir de la reacutesolution de lrsquoeacutequation inteacutegrale du casaxisymeacutetrique drsquoun problegraveme de rupture avec les eacutequations (110) et (111) En exploitant lesreacutesultats du champ des contraintes σ22 obtenu par la meacutethode des eacuteleacutements finis on peut deacuteduirele facteur drsquointensiteacute de contrainte agrave la pointe de la fissure

70

Sanford (2002) suggegravere une meacutethode baseacutee sur le calcul par eacuteleacutements finis Cette meacutethode adeacutejagrave eacuteteacute appliqueacutee sur un essai de flexion 3 points par Chailleux (2006) pour eacutevaluer le facteurdrsquointensiteacute de contrainte Ce facteur est deacutetermineacute agrave partir du champ des contraintes proche dela pointe de la fissure Si on trace la contrainte normale suivant la distance agrave partir de la pointede fissure on montre que le profil de la contrainte dans la zone de validiteacute suit une loi lineacuteaire

La contrainte agrave proximiteacute de la pointe de la fissure peut ecirctre deacuteveloppeacutee en seacuterie comme suit(voir la thegravese de Nguyen (2009))

σ =Aminus1radic

r+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) =K1radic2πr

+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) (112)

Soit encore σradic

2πr = K1 + B1

radicr + B2r

3

2 (113)

Le facteur drsquointensiteacute de contrainte est deacutetermineacute agrave partir de lrsquointersection de la portion lineacuteairede la courbe de contrainte avec lrsquoaxe des ordonneacutees Cette meacutethode permet ainsi drsquoobtenir unebonne approximation du facteur drsquointensiteacute de contrainte mais sa deacutetermination deacutepend beaucoupdu choix de la reacutegion lineacuteaire

0 05 1 15 2 25 30

5

10

15

20

25

30

r (mm)

σ yy (

MP

a)

t8 = 06424 s

t28

= 064723 s

t60

= 0654 s

t85

= 06634 s

t106

= 067656 s

t129

= 069495 s

t149

= 072086 s

t183

= 075729 s

t212

= 080819 s

t235

= 087862 s

σ22

r

Figure 158 ndash Deacutetermination du facteur drsquointensiteacute de contrainte agrave partir du champ descontraintes

Dans cette eacutetude la deacutetermination du facteur drsquointensiteacute de contrainte srsquoeffectue gracircce agrave unprogramme de traitement eacutecrit sous lrsquoenvironnement PYTHON Ce programme de traitementutilise comme donneacutees drsquoentreacutee les reacutesultats issus du calcul ABAQUS La figure 160 montre quele facteur Kσ

I deacutecroicirct rapidement avec la taille de la fissure Cette deacutecroissance est observeacutee pourtoutes les vitesses de chargement

Facteur drsquointensiteacute drsquoouverture Le facteur drsquointensiteacute drsquoouverture peut ecirctre deacutetermineacute agravepartir du champ de deacuteplacement des legravevres de la fissure (Nguyen 2009) Cette meacutethode ditecineacutematique permet de reacuteeacutecrire la relation du facteur drsquointensiteacute drsquoouverture et le deacuteplacementdes legravevres de la fissure sous forme drsquoune droite

[u2]2 =

(

1

8π(Kε

I )2

)

r (114)

Nous ne prenons en compte que les premiers points les plus proches de la pointe de la fissure carces points respectent la lineacuteariteacute de la relation (114)

71

0 02 04 06 080

01

02

03

04

05

06

07

KIσ (

MP

am

05

)

v = 11 microms Φ =582 mm

v = 55 Φ =460 mm

v = 20 Φ =390 mm

v = 11 Φ =280 mm

microms microms microms

y = 10974x + 01756

R2 = 09615

00

01

02

03

04

05

06

00E+00 50E-03 10E-02 15E-02 20E-02 25E-02 30E-02 35E-02

Vitesse de deacuteformation (s )-1

KIσ (

MP

am

05

)

Rapport de la taille actuelle sur la taille nale de la ssure

Initiation de la fissure

Figure 159 ndash Effet de la vitesse de deacuteformation sur le facteur drsquointensiteacute des contraintes

0 05 1 15 2 25 3 350

2

4

6

8x 10

-3

r (mm)

U22 (

mm

)

t12

= 064368 s

t39

= 064902 s

t69

= 065648 s

t91

= 06669 s

t115

= 068145 s

t135

= 070177 s

t155

= 073054 s

t193

= 077082 s

t221

= 082708 s

t241

= 090467 s

U22

r

Figure 160 ndash Deacutetermination du facteur drsquointensiteacute drsquoouverture de la fissure agrave partir du champde deacuteplacement

I- Analyse de la propagation de la fissure agrave partir des facteurs drsquointensiteacute Habituel-lement on utilise les trois paramegravetres suivants le taux de restitution drsquoeacutenergie GI le facteurdrsquointensiteacute de contrainte Kσ

I et le facteur drsquoouverture de la fissure KuI Une fissure srsquoinitie et

se propage dans un mateacuteriau lorsque la contrainte dans la zone proche de la pointe de la fissureatteint une valeur critique Cette valeur deacutepend uniquement des caracteacuteristiques du mateacuteriauAvec cette hypothegravese le facteur drsquointensiteacute de contrainte peut-ecirctre deacutefini agrave lrsquoaide du critegravere sui-vant Kσ

I = KσIC (figure 161) ou plus geacuteneacuteralement le critegravere drsquoapparition drsquoune fissure peut

srsquoexprimer comme suit

image(KσI Ku

I ) = 0 (115)

Ougrave image est une fonction deacutependant du mateacuteriau

72

En eacutelasticiteacute le critegravere de Griffith en mode I est deacutefini par une hyperbole KuI Kσ

I = cste etle critegravere classique Kσ

I = KσIC est repreacutesenteacute par une demi-droite verticale ayant pour origine un

point sur la bissectrice Cette repreacutesentation est utiliseacutee par diffeacuterents auteurs pour interpreacuteter lateacutenaciteacute dynamique du verre par exemple (Kobayashi et al 1983) Dans notre cas la descriptionde lrsquoouverture de la fissure dans le mateacuteriau est relativement difficile pour deux raisons i) lafissure est creacutee par cavitation ii) le mateacuteriau est viscoeacutelastique

0 01 02 03 04 05

0

01

02

03

04

05

KI

σ (MPam

05)

KIu (

MP

am

05

)

v = 11 microms = 582 mm

06

K I

σ =K I

uφ

φ

Figure 161 ndash Description de lrsquoouverture de la fissure dans le plan KuI - Kσ

I agrave diffeacuterentes vitessesde deacuteformation

La repreacutesentation sur la figure 161 montre que le facteur drsquointensiteacute de contrainte agrave un instantproche du point drsquoinitiation augmente avec la vitesse de deacuteformation Le facteur drsquoouverture defissure Ku

I atteint une valeur maximale lorsqursquoon obtient lrsquoeacutegaliteacute Aacute partir de la bissectrice lefacteur drsquoouverture Ku

I deacutecroit On note au passage une deacutependance lineacuteaire entre le facteurdrsquointensiteacute de contrainte avec lrsquoaire de la fissure mesureacutee agrave la fin de la phase drsquoouverture de lafissure

KσI = 0078 lowast Sf (116)

avec Sf la surface de la fissure

Cette deacutependance lineacuteaire entre le facteur drsquointensiteacute de contrainte et la surface de ruptureest un reacutesultat satisfaisant car on retrouve ainsi une certaine coheacuterence des reacutesultats obtenusentre les diffeacuterentes vitesses drsquoessaiPour les faibles vitesses de deacuteformation lrsquoapproximation Kσ

I asymp KuI reste valable et peut ecirctre

utiliseacutee dans la reacutesolution des problegravemes de fissuration par fluage par exemple Lorsque la vitessede deacuteformation est plus importante lrsquoeacutegaliteacute entre Kσ

I et KuI nrsquoest plus valable

73

Conclusions

Apregraves avoir proposeacute une approche pour deacuteterminer la valeur du coefficient de Poisson lorsde la phase drsquoeacutetirement drsquoun film de bitume on preacutesente une interpreacutetation de lrsquoouverture de lafissure agrave partir des champs locaux des contraintes et des deacuteplacements dans la zone proche de lapointe de la fissureOn montre eacutegalement que le facteur drsquointensiteacute de contrainte croit lineacuteairement avec la vitesse dedeacuteformation et qursquoil existe une relation lineacuteaire entre la taille de la fissure et le facteur drsquointensiteacutede contrainteEn premiegravere approximation lrsquoeacutegaliteacute entre le facteur drsquoouverture de la fissure et le facteur drsquoin-tensiteacute de contrainte peut-ecirctre admise pour des vitesses de deacuteformation relativement faiblesCette eacutegaliteacute nrsquoest plus valable pour des vitesses de deacuteformation plus eacuteleveacutees

Il serait inteacuteressant de compleacuteter les reacutesultats preacutesenteacutes ici par drsquoautres eacutetudes sur des liants denatures diffeacuterentes De mecircme des essais sur mastic (meacutelange de bitume avec des fines mineacuterales)permettraient drsquoapprocher encore mieux le comportement du bitume dans un enrobeacute Lrsquoeacutetude dumastic bitumineux permet de cerner lrsquoinfluence des fines sur les conditions de propagation drsquounefissure

74

16 Perspectives de recherche

⊙ Contexte et eacutetat des connaissances

Les granulats forment le squelette rigide du meacutelange et preacutesentent des pseudo-contacts intergra-nulaires avec une faible eacutepaisseur de mastic difficilement quantifiable dans lrsquoespace mais suffisantpour assurer un collage entre les granulats Autrement dit la reacutepartition du mastic semble deacutefinirla phase continue drsquoun composite avec les granulats comme inclusions rigidesLrsquoobservation des enrobeacutes bitumineux avec un fort grossissement (X50 agrave X100) permet de distin-guer une phase intermeacutediaire qursquoon ne peut attribuer exclusivement ni au granulat ni au masticElle est constitueacutee par la rugositeacute de surface du granulat et les interstices remplis par le liantbitumineux On peut deacutefinir cette zone intermeacutediaire comme lrsquointerphase entre le granulat et lebitume Lrsquoeacutepaisseur de cette interphase deacutepend de la nature des granulats Elle peut-ecirctre rela-tivement eacutepaisse avec les granulats poreux (cas des calcaires tendres) ou faible voir inexistanteavec drsquoautres granulats comme le quartzite siliceux ou le quartz par exemple Pour aller plusloin lrsquoexamen deacutetailleacute de lrsquointerphase et la connaissance de la physico-chimie des mateacuteriaux encontact permettent de comprendre les problegravemes lieacutes agrave lrsquoadheacutesiviteacute liant-granulat

Cependant lrsquoadheacutesiviteacute deacutepend eacutegalement de la viscositeacute du liant lors de lrsquoenrobage Plus laviscositeacute du bitume est faible meilleure sera le collage agrave lrsquointerface Dans le cas de lrsquoapplication agravechaud on veacuterifie que les granulats sont bien secs puis on procegravede agrave lrsquoenrobage agrave des tempeacuteratureseacuteleveacutees (asymp 160oC) pour former un enrobeacute bitumineux (ce proceacutedeacute drsquoenrobage repreacutesente 60 dumarcheacute en France) La fluiditeacute du bitume agrave cette tempeacuterature permet un mouillage convenabledes granulats pour couvrir et remplir les pores preacutesents agrave la surface du granulat

Lrsquoengouement reacutecent des industriels pour les enrobeacutes tiegravedes et semi-tiegravedes traduit le besoin dereacuteduire agrave la fois les eacutemissions de fumeacutees et le coucirct eacutenergeacutetique lors de la fabrication Par rapportagrave lrsquoapplication agrave chaud on reacuteduit la tempeacuterature drsquoenrobage et on accepte une teneur en eaunon nulle pour les granulatsLors de la fabrication la preacutesence de lrsquoeau va modifier eacutenormeacutement les conditions de mouillagedu liant avec la surface des granulats Les aspects physiques et eacutelectrochimiques interviennentdirectement lors du malaxage des constituants Les caracteacuteristiques physico-chimiques aux in-terfaces seront probablement influenceacutees Toutes choses eacutegales par ailleurs lrsquoeacutecart constateacute surla raideur apregraves murissement entre une grave-eacutemulsion (application agrave froid) et une grave-bitume(application agrave chaud) permet de consideacuterer que cette zone intermeacutediaire ou interphase peut jouerun rocircle non neacutegligeable sur les performances des mateacuteriaux routiers Un examen deacutetailleacute de cequi se passe agrave lrsquointerface liant-granulat Plus geacuteneacuteralement un examen des interfaces y comprisentre liant recycleacute et liant drsquoapport est devenu incontournable

⊙ Nouvelle approche proposeacuteeSi les essais meacutecaniques sur les enrobeacutes bitumineux permettent drsquoappreacutecier les diffeacuterences decomportement selon le proceacutedeacute drsquoenrobage utiliseacute on relegraveve peu drsquoeacutetudes sur lrsquointerface liant-granulat et encore moins sur lrsquointerface liant recycleacute-liant drsquoapportLa complexiteacute du comportement du bitume autorise alors un grand nombre de types drsquoessaisde caracteacuterisation (chimique meacutecanique et physique) Ces essais indeacutependants et donc de ca-racteacuteristiques deacutefinissables ne permettent que difficilement des correacutelations pour expliquer desinteractions et finalement obtenir un indice de qualiteacute et de performance dont la repreacutesentativiteacuteet la pertinence peuvent ecirctre remises en causePlutocirct que de traiter seacutepareacutemment la rheacuteologie (eacutecoulement fluage relaxation) la physico-chimieou la meacutecanique de la rupture il semble qursquoon peut eacutegalement adopter un raisonnement pluri-

75

disciplinaire prenant en compte les deux types drsquointerface

1 Lrsquointerface granulat-bitume affirmer qursquoen sein drsquoun mastic le bitume se preacutesente enpellicule me semble constituer une approche trop simpliste ou affirmer que lrsquoeacutevaluation duliant peut se faire dans la masse est irreacutealiste Drsquoailleurs les essais meacutecaniques et physico-chimiques dans la masse du bitume ne reflegravetent pas les conditions reacuteellesSi on isole un granulat seul on remarque que le mastic forme une couche intimement lieacutee etde faible eacutepaisseur mais variable Nous avons ainsi une interface mixte mineacuteral-organiquetregraves complexe avec des pheacutenomegravenes de restructuration et de migration de certains eacuteleacutementsconstitutifs du bitume dans la porositeacute du granulat Lrsquoeacutetude sur des films de mastic ou deliant me semble plus reacutealiste et les couplages physico-chimiques seront pris en compte toutnaturellement

2 Lrsquointerface liant recycleacute-liant drsquoapport La prise en compte de cet interface permet deprendre en compte agrave la fois le recyclage des fraisats drsquoenrobeacute et les proceacutedeacutes drsquoenrobage (agravechaud tiegravede semi-tiegravedes froid etc)Lorsqursquoon recycle un mateacuteriau on recouvre lrsquoancienne couche de mastic par une nouvellecouche Nous obtenons ainsi une interface organique-organique avec probablement des pheacute-nomegravenes de restructuration et de migration de certains eacuteleacutements chimiques

Par rapport agrave ces deux types drsquointerface la geacuteneacuteralisation agrave drsquoautres cas de figure avec drsquoautrestypes de liant (ciment liant veacutegeacutetal reacutesine) ou une combinaison des proceacutedeacutes drsquoenrobage pourreproduire le recyclage reste possible

00001

0001

001

01

1

10

100

1000

10000

00001 0001 001 01 1 10 100 1000 10000

Echelle Dimension des eacuteleacutements (microm)

Ec

he

lle

D

ime

ns

ion

de

s eacute

leacutem

en

ts (

microm

)

MicroporesAromatiques

Reacutesines

Asphaltegravenes

INTERPHASE

Epaisseur d

u mastic

au pseudo-c

ontact

Rugositeacute de surface

des granulats agrave surface irreacuteguliegravere

des granulats agrave surface lisse

Macropores

Meacutesopores

Granulats

Filler

Ess

ais

de

ru

ptu

re lo

cale

Th

egravese

Ma

illa

rd

20

04

Th

egravese

Ng

uye

n 2

00

8

Au

tre

s e

ssa

is

da

ns

la m

ass

e

Polymegraveres

Migration Restructuration Diffusion exclusion steacuterique

Cas dune interface granulatbitume - Dimensions des diffeacuterents eacuteleacutements caracteacuteristiques

Groupe fo

nctionnel

Affiniteacute

bitume-g

ranulat

Satureacutees

Groupe fonctionnel - affiniteacute avec la surface des granulats (Plancher et al 1977)

(acides carboxyliques anydrides quinoleacuteines sulfoxydes ceacutetones)

Figure 162 ndash Description geacuteneacuterale des eacuteleacutements caracteacuteristiques de lrsquointerface granulatbitume

Cette nouvelle approche srsquoinspire de lrsquoexpeacuterience acquise durant les anneacutees passeacutees au LCPCElle introduit des notions de la physique et de la chimie des interfaces et des films minces qui sontlargement utiliseacutees dans drsquoautres domaines drsquoapplication (optique micro-eacutelectronique et plus geacute-neacuteralement les techniques de traitement de surface)

Les objectifs du projet proposeacute doivent reacutepondre agrave lrsquoattente des gestionnaires routiers et descollectiviteacutes en matiegravere de durabiliteacute et du respect de lrsquoenvironnement Certes il y a le deacutevelop-pement de nouvelles meacutethodes drsquoanalyse et de caracteacuterisation des interfaces mineacuteral-organiquepour le couple granulat-bitume et organique-organique pour lrsquoeacutetude de la compatibiliteacute liant

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recycleacute-liant drsquoapport Mais il faut eacutegalement inteacutegrer la valorisation des travaux de recherchedans le domaine industriel Cette partie valorisation comporte implicitement la recherche de so-lutions innovantes et pratiques pour reacuteduire les eacutemissions de fumeacutees accroitre la compatibiliteacuteliant recycleacute et liant drsquoapport Pour reacutepondre agrave ces objectifs le projet de recherche comporte

Interface mineacuteral-organique

Interface organique-organique

Reacuteactions chimiques

additifs fluxuants tensio actifs

OUINON

Interface - Etat de surface

Physique

Echelle Nanomeacutetrique

Adheacutesion

Effet de leauProprieacuteteacutes physiques

Meacutecanique

de la rupture

Compatibiliteacute

Liant recycleacute et liant dapport

Interfacial Phases

et ou

Interdiffusion

Reacuteactions

cineacutetiques

Thermodynamique

des reacuteactions

Geacuteneacuteralisation n-couchesIdentification Rheacuteologique

ACD Spectro IRTF Chromatographie

MEB Microscopie UV

163deg

C

Mastic recycleacute

Mastic dapport

Surface mineacuterale

163deg

C

Effet de leau Vieillissement

Confection deacutechantillons

Collaborations RST ESPCI Universiteacutes

Deacuteveloppement de nouvelles techniques

de confection deacutechantillon

RuptureAutoreacuteparation

sur bi-couche

liant recycleacuteliant dapport

Ultrason Emission acoustique

Figure 163 ndash Scheacutema de principe pour traiter le volet physico-chimie des interfaces

trois volets

1 Le premier volet est fondamental car il comporte toutes les investigations physico-chimiquessur les liants et les mateacuteriaux routiers Un effort de recherche important reste agrave faire danslrsquoeacutetude des interfaces en utilisant toutes les techniques drsquoanalyse actuelles IRTF-ATR ACDdiffraction aux rayons X Microscopie UV etc Des interpreacutetations de ces techniques sontagrave construire pour suivre et eacutevaluer lrsquointerdiffusion aux interfacesDans cette partie une collaboration avec drsquoautres eacutequipes de recherche tregraves en amont surla chimie des interfaces sera neacutecessaire (ESPCI Institut Sardon etc)Des tests de traction et de rheacuteologie classiques complegravetent les expeacuteriences de probe-tackqui deacuteterminent lrsquoeacutenergie drsquoadheacutesion et les meacutecanismes de deacutecollement agrave lrsquointerface Cettecombinaison de tests permet de comprendre les caracteacuteristiques agrave lrsquointerface des mateacuteriauxet ainsi drsquoorienter la chimie pour ameacuteliorer les proprieacuteteacutes de lrsquointerfacePar ailleurs il y a neacutecessairement des innovations agrave apporter en termes de mateacuteriel drsquoessaipour simuler les opeacuterations de fabrication (eacutemissions de fumeacutees et enrobage du liant recycleacutepar le liant drsquoapport) Elle peut se faire sur un ensemble de granulats mais on peut aussilrsquoeacutetudier plus localement sur une surface plane (granulat scieacute par exemple) et proceacutederensuite agrave un empilement par eacutetalement drsquoun ou de plusieurs films de bitume Lrsquoensemblesera testeacute sous un environnement controcircleacute (tempeacuterature humiditeacute poussiegravere etc) Enexploitant les travaux de thegravese de Valeacuterie Viranaiken(2007-2010) un systegraveme miniaturiseacutede reacutecupeacuteration des fumeacutees ou drsquoeacuteleacutements volatils (COV) agrave lrsquoaide de capteurs approprieacutesdoit eacutegalement ecirctre eacutetudieacute

2 Le deuxiegraveme volet concerne la compatibiliteacute liant recycleacute-liant drsquoapport ou les eacutemissionsde fumeacutees par exemple agrave lrsquoeacutechelle drsquoun meacutelange bitumineux Ce deuxiegraveme volet reposeessentiellement sur les meacutethodes classiques utiliseacutees pour la caracteacuterisation des enrobeacutesbitumineux (module fatigue arrachement etc) On exploitera les reacutesultats des travauxde thegravese E Castaneda sur la tenue agrave lrsquoeau et lrsquoapport des travaux de la thegravese de Maillard(2006) pour identifier la rupture et lrsquoautoreacuteparation des liants bitumineux La capaciteacute

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drsquoautoreacuteparation peut-ecirctre exploiteacutee comme un indicateur de compatibiliteacute liant recycleacute-liant drsquoapport

3 Le troisiegraveme et dernier volet concerne la valorisation des reacutesultats des travaux en labora-toire Dans cette partie il y a un effort agrave faire dans le deacuteveloppement de solutions techniquespour ameacuteliorer la durabiliteacute tout en reacuteduisant lrsquoimpact environnemental des proceacutedeacutes deconstruction Un partenariat avec les entreprises dans le deacuteveloppement des solutions tech-niques paraicirct essentiel pour promouvoir les avanceacutees scientifiques et reacutepondre ainsi auxpreacuteoccupations de notre socieacuteteacute

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24 Articles dans des revues nationales agrave comiteacute de lecture

1 Hamlat S Hammoum F Hicher P-Y Stefani C et Terrier J-P (2007) Evaluation de lareacutesistance aux efforts tangentiels des revecirctements routiers Bulletin de Liaison des Labora-toires des Ponts et Chausseacutees vol 267 pp 49-60 (httpmedialcpcfrextpdfblpcbl267-049pdf)

2 de Larrard F Garcin O Hammoum F Travers F (2005) Essais preacuteliminaires drsquounenduit hydraulique pour couche de roulement agrave longue dureacutee de vie Bulletin de Liaison desLaboratoires des Ponts et Chausseacutees vol 258-259 pp121-128 (httpmedialcpcfrextpdfblpcbl258-259-121pdf)

3 de La Roche C Hammoum F Piau J-M et Stefani C(2003) Comportement du bitumeen film mince au pseudo-contact entre deux granulats Bulletin de Liaison des Labora-toires des Ponts et Chausseacutees vol 242 pp 3-14 (httpmedialcpcfrextpdfblpcbl242-003-enpdf)

4 Hammoum F (1995) Modeacutelisation du comportement du bois soumis agrave des gradients eacutevolutifsdrsquohumiditeacute Les cahiers de rheacuteologie 1995 V14 N 1 pp 305-314

25 Articles dans diverses revues technico-professionnelles

1 Hammoum F Hamlat S Terrier J-P (2008) Deacuteveloppement drsquoun moyen drsquoessai en labo-ratoire pour eacutevaluer la tenue meacutecanique des enrobeacutes de surface Revue Geacuteneacuterale des Routeset Aeacuterodromes 864 Feacutevrier 2008

2 Maillard S de La Roche C Hammoum F Castaneda E Such C (2005) Desarrollo deun ensayo de caracterizacioacuten del comportamiento a la ruptura y a la autoreparacioacuten delasfalto en peliacutecula delgada Rev Asfaltos y Pavimentos 11 14-18 Deacutecembre 2005

26 Rapports drsquoeacutetude de recherche et drsquoexpertise

1 Balay J-M Chollet H Cuisinier D Hammoum F Kuhn F (2008) Bilan du projet DEVIN- Durabiliteacute Et interaction Veacutehicule Infrastructure Rapport final INRETS-LCPC-LMT p82

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2 Alam S Y Hammoum F (2007) Deacutetermination des proprieacuteteacutes meacutecaniques drsquoenrobes bitu-mineux agrave partir des caracteacuteristiques des constituants Rapport de stage Master recherche -Universiteacute Marne La Valleacutee

3 Hammoum F Terrier J-P Buisson S (2006) Reproduction de la texture routiegravere Etudede faisabiliteacute des essais de compactage avec vibration Rapport de recherche interne ODNo 21K06261

4 Hammoum F Terrier J-P Hamlat S (2006) Apport des liants bitumineux sur la reacutesistanceaux efforts tangentiels rapport drsquoeacutetude contrat SHELLLCPC No 13K06252

5 de La Roche C Hammoum F Hamon D (2006) Evaluation of the fatigue resistance ofbituminous mixes with wheel-tracking test Rapport drsquoeacutetude Contrat NYNASLCPC No

11N04253

6 Hammoum F Terrier J-P Burban O (2006) Evaluation of the resistance to shear stressof cement matrix HPCM with the LCPC tribometer Technical report on laboratory testingProject IM3 Economic Evaluation of Long Life pavements - Phase II

7 Hammoum F Travers F de la Roche C Burban O(2006) Resistance to stripping ofCement matrix HPCM with fibre with the LCPC wheel tracking test Technical report onlaboratory testing Project IM3 Economic Evaluation of Long Life pavements - Phase II

8 de La Roche C Hammoum F Cosquer J (2005) Deacutetermination de la transition meacute-canique ductilefragile par lrsquoessai de rupture locale du bitume Rapport drsquoeacutetude ContratSHELLLCPC No 53N05324

9 Tardet R Hamlat S Hammoum F (2005) Caracteacuterisation du frottement sec entre unegomme viscoeacutelastique et un revecirctement routier Rapport de stage TFE - Universiteacute de laRochelle

10 Martelin T Bornert M et Hammoum F(2003) Etude des modes de deacuteformation locaux etdes irreacuteversibiliteacutes drsquoun enrobeacute bitumineux Rapport de stage DEA - Ecole Polytechnique -Ecole des Mines

11 Daouben E Maillard S de La Roche C et Hammoum F(2003) Analyse de lrsquoessai derupture locale reacutepeacuteteacutee du bitume agrave lrsquoaide de meacutethodes de controcircle non destructif Rapportde stage TFE - IUP de Lorient

12 Fresnel H Hammoum F et Cottineau L-M (2003) Mise au point drsquoun banc drsquoessai inno-vant destineacute agrave eacutetudier les problegravemes drsquoendommagement de surface des revecirctements routiersStage TFE - IUP de Poitiers

13 Arnaud L Thinet S Boutin C et Hammoum F(1999) Suivi de lrsquoeacutevolution drsquoune grave-eacutemulsion au jeune acircge Etude de faisabiliteacute au vibroscope Rapport de recherche LCPCENTPESeptembre 1999

14 Hammoum F(1999) Etude des effets de la nature des additifs sur les enrobeacutes Rapportdrsquoeacutetude contrat LHOISTLOGMALCPC No 30242298 Juillet 1999

15 Hammoum F(1998) Expeacuterimentation des meacutethodes reacutesistive et capacitive pour lrsquoeacutevaluationde la prise drsquoune grave-eacutemulsion Rapport de recherche LCPC Laboratoire Central desPonts et Chausseacutees

16 Hammoum F et Detrez M(1998) Identification et dosage des goudrons utilisation de laspectrophotomeacutetrie infrarouge agrave transformeacutee de Fourier Rapport de recherche LCPC 1998Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees

17 Hammoum F et Detrez M (1998) Les polymegraveres utiliseacutes dans le domaine routier base dedonneacutee infrarouge Document de recherche LCPC 1998 Laboratoire Central des Ponts etChausseacutees

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18 Hammoum F et Detrez M(1997) Pratique de la spectrophotomeacutetrie infrarouge agrave transfor-meacutee de Fourier Rapport de recherche LCPC Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees

19 Hammoum F Guilloux R et Ollier S(1997) Evaluation du microductilimegravetre LPC Rap-port interne LCPC Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees

20 Hammoum F et Audebert P(1994) Comportement meacutecanique du bois durant le seacutechageRapport de recherche Laboratoire drsquoeacutetudes et Recherche en Meacutecanique des Structures-Montluccedilon

21 Hammoum F et Loret B (1990) Etude meacutecanique des effets de la viscositeacute sur des structuresgeacuteologiques Rapport de recherche Groupement Scientifique de Meacutecanique des roches

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3Participations agrave des colloques congregraves et seacuteminaires

31 Communications agrave des congregraves avec publications des actes

1 Seghers D and Stoop J and Van den bergh W and Vansteenkiste S and De VisscherJ and Hammoum F and Reynaert R (2010) Research to the applicability of the ITS-Rtest as a ravelling indicator for evaluation of water sensitivity of SMA mixtures - 11thInternational Conference on Asphalt Pavements Nagoya Japan 1 au 6 aoucirct 2010

2 Hamlat S Hammoum F Evaluation de la distribution des pressions locales de contactentre un pneumatique et un revecirctement routier 19egraveme Congregraves Franccedilais de MeacutecaniqueMarseille France 24-28 aoucirct 2009

3 de Larrard F Chandler J Christensen J Hammoum F Henrichsen A Himerik TSliwa N J Tanesi J Thoegersen F Vorobieff G J White J Youtcheff J (2008) ACementitious Long-Life Wearing Course to Reduce Frequency of Maintenance Works onHigh-Traffic Roads Transport Research Arena Europe 2008 Ljubljana

4 Hammoum F Hamlat S et Hicher P-Y (2008) Laboratory evaluation of the resistanceto tangential forces of bituminous surfacing 4th Euroasphalt amp Eurobitume congress Co-penhagen Danemark 20-23 mai 2008 (httpwwweecongressorg)

5 Nguyen H-N Hammoum F Ehrlacher A Chailleux E (2007) Analyse de la rupture drsquounfilm de bitume par la meacutethode des eacuteleacutements finis 18egraveme Congregraves Franccedilais de MeacutecaniqueGrenoble France 27-31 aoucirct 2007

6 Cuisinier D Berthaud Y Francois M Hild F Hammoum F (2006) Utilisation de lacorreacutelation drsquoimages pour deacuteterminer les paramegravetres eacutelastiques drsquoun enrobeacute bitumeux Col-loque National Mecamat Ecole de Meacutecanique des Mateacuteriaux Approches multieacutechelles enmeacutecanique des mateacuteriaux

7 Hamlat S Hammoum F et Hicher P-Y (2006) Contact problem between rubber and roadtexture determination of pressure and contact area distribution 6th European Solid Me-chanics Conference Budapest Hungary

8 Hammoum F Hamlat S Hicher P-Y (2005) Friction of different surface layer of pave-ments in contact with a rubber Proceedings of WTC III World Tribology congress amp Exhi-bition Washington DC USA (http wwwconferencetoolboxorgWTC05pdfsWTCprogrampdf )

9 Hammoum F Stefani C Cottineau L-M Desroches J-P (2005) Quantification of accele-rated wear for road materials by using a new testing apparatus Proceedings of WTC III World Tribology congress amp Exhibition Washington DC USA(httpwwwconferencetoolboxorgWTC05pdfsWTCprogrampdf)

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10 Hamlat S Hammoum F et Hicher P-Y (2005) Caracteacuterisation meacutecanique du contactgomme-revecirctement 17egraveme congregraves Franccedilais de Meacutecanique Troyes

11 Maillard S de La Roche C Hammoum F et Such C (2005) Towards a better unders-tanding of healing in a thin film of bitumen Proceedings of McMat 2005 2005 JointASMEASCESES Conference on Mechanics amp Materials June 1-3 2005 Baton RougeLouisiana USA(httpwwwmcmat2005englsuedutechprogramMcMat2005Proceedingspdf)

12 Cuisinier D Bertaud Y Franccedilois M Hammoum F Hamlat S et Hild F (2005) Re-cherche des paramegravetres eacutelastiques drsquoun enrobeacute bitumineux agrave partir drsquoun essai structurelColloque Meacutethodes et Techniques Optiques pour lrsquoIndustrie Marseille

13 Coiret A Galenne M-L et Hammoum F (2005) Faisabiliteacute de la mesure du torseur deforce appliqueacutee par un veacutehicule leacuteger depuis la chausseacutee Journeacutees Franccedilaise de Tribologie11-13 mai 2005 Tarbes

14 Maillard S de La Roche C Hammoum F Gaillet L Such C (2004) Experimentalinvestigation of fracture and healing of bitumen at pseudo-contact of two contact of twoaggregates 3rd Euroasphalt amp Eurobitume congress Vienne Autriche 12-14 mai 2004

15 Arnaud L Dierkens M and Hammoum F (2004) Rheological measurements on cold bi-tumen mix during setting The AEMA International Symposium on Asphalt EmulsionTechnology October 28 - 31 2004 Washington DC (httpwwwaemaorgnewslettersAEMA20051pdf)

16 Hammoum F and Hornych P (2004) Quantitative study of bituminous materials micro-structure by digital image analysis 3egraveme congregraves Euroasphalt and Eurobitume VienneAutriche 12-14 mai 2004

17 Castenada E Such C Hammoum F (2004) Evaluating the moisture sensitivity of bitu-minous mixtures complex modulus approach 3egraveme congregraves Euroasphalt amp EurobitumeVienne Autriche 12-14 mai 2004

18 Maillard S Hammoum F de La Roche C (2003) Meacutethode expeacuterimentale pour lrsquoeacutetude dela fissuration et de lrsquoautoreacuteparation des liants bitumineux 16egraveme Congregraves franccedilais de meacute-canique Nice France 1-5 septembre 2003

19 Hammoum F de La Roche C Piau J-M and Stefani C(2002) An experimental investiga-tion of fracture and healing in bitumen at the pseudo-contact of aggregate particles NinthInternational Conference on Asphalt Pavements - Copenhagen -August 17-222002

20 Do M-T and Hammoum F(2002) A mechanical model for the prediction of the tireroadfriction BCRA 2002 - Lisbonne

21 Hammoum F(2000) Modeacutelisation micromeacutecanique du beacuteton bitumineux actes des journeacuteesscientifiques sur le changement drsquoeacutechelle Editions du LCPC Octobre 2000

22 Hammoum F et de La Roche C(2000) Utilisation drsquoune approche microstructurelle pour ladeacutetermination du module complexe des enrobeacutes bitumineux Colloque physique et Meacutecaniquedes Mateacuteriaux granulaires- Septembre 2000

23 Hammoum F(2000) Development of a methodology to follow evolution of texture underrepeated loading 2nd Eurasphalt amp Eurobitume Congress- 2000 Barcelone

24 Hammoum F and Tshepe O (1999) New methodology to follow evolution of macro texturein laboratory paper 114 7th conference on Asphalt Pavements for Southern Africa VictoriaFalls Zimbabwe 29 august-2 September 1999

25 Hammoum F de La Roche C Boutin C (1999) A self-consistent estimate of bituminousmixes complex modulus paper 38 Eurobitume Workshop 99 Luxembourg May 1999

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26 Sauger-Vauthier E Hammoum F Ollier S and Such C (1999) Towards a better un-derstanding of binder properties using SHRP direct tensile test Eurobitume Workshop 99Luxembourg May 1999

27 Hammoum F(1995) Effet de la vitesse de rotation plastique sur lrsquoeacutevolution des directionsdrsquoorthotropie 12egraveme Congregraves Franccedilais de Meacutecanique Strasbourg Sept 95

28 Hammoum F (1995) Modeacutelisation du comportement du bois soumis agrave des gradients eacutevolutifsdrsquohumiditeacute 30egraveme Colloque annuel du Groupe Franccedilais de Rheacuteologie Bordeaux Sept 95

29 Hammoum F(1995) Preacutecision des algorithmes de calcul de la contrainte en meacutecanique non-lineacuteaire 27egraveme Congregraves National drsquoAnalyse Numeacuterique Super-Besse Puy de Docircme Mai95

32 Autres communications dans des congregraves sans actes

1 Hammoum F (2008) Description of internal structure by optical imaging TG2 Meeting ofthe Technical Committee 206-ATB Advanced Testing and Characterization of BituminousMaterial Washington DC USA

2 Hammoum F Hamlat S Hicher P-V (2007) A new experimental device to evaluate thetangential force effects on bituminous surfacing Annual Meeting of the Technical Commit-tee 206-ATB Advanced Testing and Characterization of Bituminous Material 3 October2007 Nantes France

3 Brosseaud Y Hammoum F (2007) Techniques routiegraveres innovantes - Meacutethode de for-mulation des mateacuteriaux bitumineux Colloque Franco-Algeacuterien organiseacute par UBI-France etsous lrsquoeacutegide de la mission eacuteconomique de lrsquoAmbassade de France Alger 27 nov 2007 (surinvitation)

4 Cuisinier D Y Berthaud Franccedilois M Hild F Hammoum F (2006) Utilisation de lacorreacutelation drsquoimages pour deacuteterminer les paramegravetres eacutelastiques drsquoun enrobeacute bitumineuxColloque National MECAMAT Ecole de Meacutecanique des Mateacuteriaux -Approches multi-eacutechelles en meacutecanique des mateacuteriaux

5 Hammoum F and Vulcano-Greullet N (2006) Design and Testing of Long Life WearingCourse Evaluation of epoxy asphalt Berkshire - UK

6 Hamlat S Hammoum F Hicher PY (2005) Lrsquoimportance du pheacutenomegravene drsquoindentation danslrsquoadheacuterence gomme-revecirctement Journeacutee drsquoeacutetude theacutematique SF2M Ouest Angers France16-17 mars 2005

7 Hammoum F et Mazars A (2005) Comportement des enrobeacutes sous train drsquoatterrissageJourneacutee drsquoeacutechange STBALCPC 15 mars 2005 - DGAC - Paris

8 Youtcheff Y Elliott R Hammoum F (2005) Epoxy asphalt first results from OCDEgroup 5th Annual Pavement Performance Prediction Symposium Adhesion amp Cohesion ofAsphalt Pavements Cheyenne Wyoming June 22nd and 24th 2005

9 Hammoum F Bertaud V Bonnet P (2003) Critegraveres pour la deacutetermination de la granulo-meacutetrie des composites routiers par analyse drsquoimage 26egraveme journeacutee de la section franccedilaisede la socieacuteteacute internationale de steacutereacuteologie Paris France

10 Hammoum F (2001) Introduction sur les arrachements des granulats dans les revecirctementsroutiers Journeacutee Pleacuteniegravere ECRIN - Abrasifs et processus drsquoabrasion- 20 novembre 2001-ESPCI-Paris

11 Audebert P Temmar K Hammoum F and Basilico C(1996) Seacutechage du bois de checircnesous vide par contact humiditeacute contraintes internes et processus de seacutechage sur un seacutechoirexpeacuterimentale et sur un seacutechoir industriel Journeacutee commune SFT-AFSIA Paris Jan 96

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4Principales collaborations scientifiques

ndash Projet ERA-NET ROAD (Mars 2009 - Feacutev 2011) Optimisation of thin asphalt layersTrans-national project funded by Austria Denmark Norway Sweden Switzerland Franceand United Kingdom - Project Leader Richard Elliot (Scott Wilson Ltd)

ndash Collaboration scientifque LCPCArteris University college of Antwerp (2009-2010) -Influenceof the mixture design method on the raveling os Splitmastic Asphlat mixtures - Corres-pondants Wim Van den bergh et Dieter Seghers

ndash Projet LLP3-OCDE (2009-2010) Membre du groupe de travail sur les revecirctements agrave longuedureacutee de vie - OCDECEMT Economic and technical evaluation of long life pavements dujoint Transport Research Center organisation issue de lrsquoOCDE et du Forum Internationaldes Transports (ex-CEMT)Project leader F de larrard (LCPC) Programme 3 sous label Pocircle de compeacutetitiviteacute PGCOavec la validation sur site des solutions proposeacutees lors de la phase 2 du projet En partenariatavec le conseil geacuteneacuteral de la Sarthe (72) et le centre de recherche drsquoEurovia la solution aubitume-eacutepoxy sera expeacuterimenteacutee sur un giratoire de la RD21 pregraves de lrsquoautoroute A28

ndash Projet DEVIN (2004-2007) Responsabiliteacute scientifique du Projet DEVIN Durabiliteacute Etinteraction Veacutehicules -Infrastructure Groupe 10-VIDI(Leader du Projet Hughes Chollet (INRETS) Ce projet porte sur la durabiliteacute des in-frastructures urbaines des nouveaux systegravemes de transport en commun les tramways surpneumatiques ou systegravemes intermeacutediaires Lrsquoobjectif est drsquoeacutevaluer sur le site de Clermont-Ferrand lrsquoimpact drsquoune combinaison de charges eacuteleveacutees et drsquoefforts tangents importantsnotamment en courbe au freinage ou au deacutemarrage Les observations recueillies sur le sitede Nancy permet de penser que le risque drsquoun endommagement preacutematureacute des couchesproches du contact par usure abrasive par fluage ou par deacutecollement inter-couche est reacuteel

ndash PROJET LLP2-OCDE (2005-2008) Membre du groupe de travail sur les revecirctementsagrave longue dureacutee de vie - OCDECEMT Economic and technical evaluation of long lifepavements du joint Transport Research Center organisation issue de lrsquoOCDE et du ForumInternational des Transports (ex-CEMT)Project Leader (J Christensen) Alors que les corps de chausseacutees sont dimensionneacutes pour20 agrave 30 ans les couches de roulement possegravedent des dureacutees de vie beaucoup plus courtesSoumises agrave de forts trafics elle doivent ecirctre renouveleacutees tous les 7 ans environ ce quipertube la circulation gecircnant usagers de la route et riverains Le LCPC a pris part auxtravaux meneacutes par le groupe de travail qui a eacutetudieacute depuis 2005 deux solutions techniquessusceptibles drsquoassurer pour 30 agrave 40 ans toutes les fonctions des couches superficiellesOCDECEMT (2008) Long Life Surfaces for Busy Roads -Economic evaluation of long-lifepavements-Phase II OECD 77 2007 031 P1ISBN 978-92-821-0158-2

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5Principales missions sur le terrain

ndash Mission Qatar (17 au 20 feacutev 2008) Evaluation des laboratories QGOSM suivant la normeISO 17025 The objective of the audit is to examine the current situation of the threeQGOSM laboratories involved in the field of Roads and Civil Engineering through ISO17025 requirements and to propose recommendations for the improvement of the qualitysystem

ndash Mission Algeacuterie (28 et 29 nov 2007) Assistance technique pour le montage drsquoun laboratoireen geacuteotechnique et construction routiegravere aupregraves de lrsquoEcole Nationale des Travaux Publics- Alger Algeacuterie

ndash Mission France (Septembre 2006) Participation au groupe de travail chausseacutees APRRCETELCPCpour lrsquoexpertise des deacutesordres constateacutes sur un tronccedilon drsquoautoroute A31 Nord

ndash Mission France (Feacutevrier 2005) Expertise et assistance technique sur les deacutegradations desurface constateacutees sur la piste du centre drsquoenseignement de la conduite et de la seacutecuriteacuteroutiegravere de La Wantzenau pregraves de Strasbourg R Civ 0400597 - SAS SIFA PreacuteventionSA Colas Est

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6Actions de formation et drsquoencadrement

61 Actions de formation

Jrsquoai deacutebuteacute mes activiteacutes drsquoenseignant en octobre 1993 sur un demi-poste ATER agrave lrsquoEcole Na-tionale drsquoHydraulique et de Meacutecanique de Grenoble Puis jrsquoai poursuivi sur lrsquoanneacutee universitaire1994-1995 sur un demi-poste ATER agrave lrsquoInstitut Universitaire de Montluccedilon Lorsque jrsquoai rejointle Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees en septembre 1996 jrsquoai maintenu mes activiteacutesdrsquoenseignement agrave lrsquoEcole Centrale drsquoElectronique de 1997 agrave 1999 puis agrave lrsquoIUP de Saint-Nazairede 2005 agrave aujourdrsquohui Vu ma double formation (mateacuteriaux et meacutecanique) et lrsquoensemble des com-peacutetences dans lrsquoutilisation des outils numeacuteriques et des connaissances acquises tout au long deces derniegraveres anneacutees au sein du Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees jrsquoai enseigneacute dansdiverses structures et filiegraveres des eacutetablissements drsquoenseignement

ndash Formation drsquoingeacutenieur - ENHMG agrave Grenoble - 1egravere anneacuteendash Formation drsquoingeacutenieur - ENHMG agrave Grenoble - 2egraveme anneacuteendash DUT geacutenie meacutecanique - IUT de Montluccedilon - 2egraveme anneacuteendash Formation drsquoingeacutenieur - Ecole Centrale drsquoElectronique - 4egraveme anneacuteendash Master 2egraveme anneacutee - IUP Infrastructures du Geacutenie civilndash Formation Doctorale - MTGC - Ecole Centrale de Nantes - Doctorant 1egravere anneacutee

Les diffeacuterentes disciplines enseigneacutees sont les suivantes ndash Meacutecanique des Solides (TD 34han)ndash Introduction aux meacutethodes numeacuteriques lineacuteaires (TD 18han)ndash Reacutesistance des mateacuteriaux (TD 26han)ndash Modegraveles dynamiques appliqueacutes agrave la meacutecatronique (cours 12han)ndash Propagation de contraintes dans les milieux solides (cours 8han)ndash Introduction sur les pathologies des mateacuteriaux de chausseacutees (cours 8han)ndash Notion de modegravele et place de la modeacutelisation physique dans la recherche (Cours 3han)ndash Meacutecanique geacuteneacuterale (30han)

62 Actions de co-encadrement de doctorants

Les diffeacuterentes theacutematiques de recherche que jrsquoai deacuteveloppeacute mrsquoont ameneacute agrave participer agrave lrsquoenca-drement de plusieurs doctorants et drsquoeacutetudiants en master et agrave assurer la supervision scientifiquede diffeacuterents travaux de recherche en France et agrave lrsquoeacutetranger

ndash Hoai-Nam Nguyen (oct 04-dec 08)- Ecole doctorale MODES - Paris

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Sujet de thegravese Approche theacuteorique de la fissuration drsquoun milieu viscoeacutelastique analysedes reacutegimes fragiles et ductiles Directeur de thegravese Alain Ehrlacher (Ecole Nationale desPonts et Chausseacutees)Conseillers drsquoeacutetude F Hammoum et E Chailleux (LCPCSMIT)Financement LCPC - Taux drsquoencadrement 50 - Thegravese soutenue le 05 deacutecembre 2008Devenir du Doctorant Ingeacutenieur dans un bureau drsquoeacutetude de conception des ouvrages drsquoart- Quebec - Canada

ndash Smail Hamlat (oct 03 - mars 07) - Ecole doctorale MTGC -NantesSujet de thegravese Apport de la meacutecanique du contact dans la preacutediction des caracteacuteristiquesde surface drsquoun revecirctement routierDirecteur de thegravese Professeur Pierre-Yves Hicher (Ecole Centrale de Nantes)Conseiller drsquoeacutetude F HammoumFinancement LCPCReacutegion pays de LoireTaux drsquoencadrement 50 - Thegravese soutenue le 08 mars 2007Devenir du doctorant Chargeacute de recherche - co-responsable de lrsquoERA 36 agrave Angers

ndash Samuel Maillard (oct 02 - juin 06)- Ecole doctorale MTGC - NantesSujet de thegravese Etude du comportement agrave la rupture sous chargements reacutepeacuteteacutes du bitumeen film mince Directeur de thegravese Christian Such (LCPCMSC)Conseillers drsquoeacutetudes F Hammoum et C de la Roche (LCPCSMIT)Financement LCPC Taux drsquoencadrement 30 - Thegravese soutenue le 24 juin 2006Devenir du doctorant Ingeacutenieur en controcircle non destructif - CETIM agrave Senlis

ndash Eduardo Alberto Castaneda Pinzon (oct 98 - Nov 04)- Univ de NantesUniv de Santan-derSujet de thegravese Contribution de meacutethodes non destructives drsquoeacutevaluation de lrsquoeffet de lrsquoeausur les enrobeacutes bitumineux Directeur de thegravese Christian SuchConseillers drsquoeacutetude F HammoumFinancement Programme de Coopeacuteration Post-gradueacutee Franco-ColombienTaux drsquoencadrement 20 - Thegravese soutenue le 25 novembre 2004Devenir du doctorant Professeur agrave lrsquoUniversiteacute de Santander en Colombie

63 Actions drsquoencadrement de stagiaires et chercheurs

ndash Hallysson C Nascimento (Avril-aout 2008) - INSA Lyon - TOTAL - LCPCSujet de stage Apport des liants bitumineux dans la durabiliteacute des revecirctements routiers

ndash Eileen France Chane Ki (mars-juillet 2008) - Master 2 en Geacutenie Meacutecanique - LorientSujet de stage Evaluation meacutecanique des meacutelanges bitumineux obtenus avec diffeacuterentsprocessus drsquoenrobage

ndash Yasir Alam (Mars-juillet 2007)- Master 2 Meacutecanique des Structures - Univ Marne la ValleacuteeSujet de stage Deacutetermination des proprieacuteteacutes meacutecaniques drsquoenrobeacutes bitumineux agrave partir descaracteacuteristiques des constituants

ndash Romain Tardet (Mars-juillet 2005)- Master 2 Physique et chimie de la matiegravere - Univ Dela RochelleSujet de stage Caracteacuterisation du frottement sec entre une gomme viscoeacutelastique et unrevecirctement routier

ndash Thibault Martelin (Feacutevrier -Juin 2003) DEA Ecole Polytechnique - Ecole des MinesSujet de stage Etude des modes de deacuteformation locaux et des irreacuteversibiliteacutes drsquoun enrobeacute

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bitumineuxndash Harold Fresnel (Feacutevrier -Juin 2003) 3egraveme anneacutee de lrsquoIUP - Geacutenie des mateacuteriaux de Poitiers

Sujet de stage Mise au point drsquoun banc drsquoessai innovant destineacute agrave eacutetudier les problegravemesdrsquoendommagement de surface des revecirctements routiers

ndash Estelle Daouben (Feacutevrier -Juin 2003) 3egraveme anneacutee de lrsquoIUP -Geacutenie des mateacuteriaux de LorientSujet de stage Analyse de lrsquoessai de rupture locale reacutepeacuteteacutee du bitume agrave lrsquoaide de meacutethodesde controcircle non destructif

ndash Valentine Bertaud (Feacutevrier -Juin 2002) 3egraveme anneacutee de lrsquoIUP -Geacutenie des mateacuteriaux dePoitiersSujet de stage Visualisation de la structure interne des enrobeacutes par analyse drsquoimage controcircle qualiteacute

ndash Olivier Chenevez (Feacutevrieacuter-Juin 2001) - eacutelegraveve- ingeacutenieur 3egraveme anne ENSAIS (Strasbourg)Sujet de stage Essai de rupture locale reacutepeacuteteacutee du bitume Etude de la fissuration et delrsquoautoreacuteparation

ndash Pierre Bonnet (Mai- Aoucirct 2001) eacutelegraveve 2egraveme anneacutee - Ecole Polytechnique de lrsquouniversiteacute deNantesSujet de stage Analyse morphologique des enrobeacutes bitumineux par analyse drsquoimage

ndash Isabelle Jurine (Feacutevrier -Juin 2000)eacutelegraveve- ingeacutenieur ENSAIS (Strasbourg)Sujet de stage Essai de rupture locale reacutepeacuteteacutee du bitume Etude de la fissuration et delrsquoautoreacuteparation

ndash Nicolas Brachet (Mars- Juillet 1999)IUP de Lorient - Geacutenie des systegravemes industriels optionmeacutecanique et mateacuteriauxSujet de stage Essai de rupture locale reacutepeacuteteacutee du bitume effet de la tempeacuterature et dutemps de charge

ndash Otto Tshepe (Mars 1998- Jan 1999)-Ingeacutenieur en geacutenie civil de lrsquouniversiteacute de Pretoria(Afrique du sud)Convention ATLANTEC (Pays de la Loire- Afrique du sud) Sujet de stage Etat actueldes moyens permettant de suivre lrsquoeacutevolution de la macro-texture sur des eacutechantillons delaboratoire eacutetude de lrsquoeffet de la nature du liant

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7Contrats et collaborations avec les industriels

1 Evaluation de la reacutesistance aux cisaillement drsquoun enrobeacute de surface effet du vieillissementchimique Contrat ColasLCPC N 53L08063

2 Apport des liants bitumineux dans la reacutesistance aux efforts tangentiels effet de la tempeacute-rature sur la tenue sous trafic- Contrat TOTALLCPC N 53L08066

3 Effet du vieillissement sur les proprieacuteteacutes eacutelastiques des liants modifieacutes par lrsquoassociation delrsquoacide polyphosphorique- Contrat INNOPHOSLCPC N 53N07026

4 Comportement des liants durs dans la reacutesistance par fatigue des enrobeacutes Essai de fatiguesous charge roulante - Contrat NynasLCPC N 11N04253

5 Evaluation de la reacutesistance aux arrachements des enrobeacutes drainants- Contrat ShellLCPCN 13K06252

6 Deacutetermination de la transition ductilefragile des bitumes- Contrat ShellLCPC N 53N05324

7 Polymers for paving Use of modified bituminous binder (Elvaloy AC and AM) in road pave-ments characteristics and performances- contrat DuPont de NemoursLCPC N 33B03J11

8 Etude des effets de la nature des additifs sur les enrobeacutes 3 chaux hydrateacutee et 2 polymegraveres-contrat LHOISTLOGMALCPC N 30242298

99

8Actions de valorisation

81 Logiciels

ndash PREDICTA Programme sous Scilab de preacutediction des proprieacuteteacutes meacutecaniques drsquoun meacutelangebitumineux par passage micro-macro Version 30 - juin 2007 par Hammoum F et AlamS Y

ndash Programme de calcul du dosage en polymegravere sous Visual Basic par la meacutethode de rapportdes bandes aromatiquealiphatique Avril 1997 par F Hammoum et M Detrez

ndash BigBen Code de calcul en grande deacuteformation - Manual of the Finite Element ProgramBigBen 1992 revised 1992 1993 Laboratoire Sols Solides et Structures- Grenoble parB Loret F Hammoum et O Harireche

mdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash

82 Mode opeacuteratoire et Meacutethode drsquoessai

ndash Meacutethode de deacutetection et de dosage des goudrons par spectrophotomeacutetrie infrarouge - Ham-moum F Detrez M Bertau R (ELF ATOCHEM)

ndash Mode opeacuteratoire de deacutetermination de la granulomeacutetrie pondeacuterale par analyse drsquoimage -Hammoum F

ndash Mode opeacuteratoire de lrsquoessai de rupture locale sur bitume - Hammoum F Maillard S etCosquer J

ndash Mode opeacuteratoire de lrsquoessai drsquoarrachement de granulat - Hammoum F Hamlat S et TerrierJ-P

83 Conception et Deacuteveloppement de moyen drsquoessai

ndash Projet Triboroute Conception drsquoun tribomegravetre pour revecirctement routier - Opeacuteration dedeacuteveloppement N 600297 - 1I024 - termineacute en janvier 2005

ndash Reproduction texture routiegravere Deacuteveloppement drsquoun module vibration sur le compacteurde plaque MLPC - Un exemplaire opeacuterationnel au LRPC drsquoAngers

ndash Mise agrave niveau du microductilimegravetre pour les produits bitumineux (logiciel et mateacuteriel)-Hammoum F Le Pen M et Guilloux R

100

9Administration de la recherche et autres activiteacutes scientifiques

91 Relecture drsquoarticles activiteacutes eacuteditoriales

ndash Depuis 2005 review annuel de 1 agrave 2 articles pour le compte des journaux suivants Mechanics of materials (1)International Journal of Road Materials and Pavement Design (3)Canadian Journal of civil engineering (3)

ndash Depuis 2008 en tant que membre du comiteacute scientifique review des articles proposeacutes pourla confeacuterence EATA (httphttpwwweataconferenceeucommittee)

92 Animation de groupe de travail

ndash Responsable de lrsquoopeacuteration sur la reacuteduction de lrsquoimpact climatique sur les infrastructureslineacuteaires Climat et Infrastructures-(11LEP1) - approuveacute par le Comiteacute drsquoOrientation Stra-teacutegique du LCPC(reacuteunion du 06 juillet 2009) - preacuteparation en 2010 - (2011-2014)

ndash Responsable du sujet sur la relation entre la performance des mateacuteriaux granulaires et lescaracteacuteristiques des granulats de lrsquoOpeacuteration de Recherche AGREGA-(11L091) mAteacuteriauxGranulaires Et Granulats Alternatifs - approuveacute par le COS (reacuteunion du 16 juin 2008)

ndash Responsable du sujet sur la durabiliteacute agrave long terme des couches de roulements de lrsquoopeacuterationde Recherche EcoSurf-(11L102) - approuveacute par le Comiteacute drsquoOrientation Strateacutegique duLCPC

ndash Animation de lrsquoeacutequipe projet (7 personnes) Opeacuteration de deacuteveloppement de mateacuterielMLPC (reproduction de la texture routiegravere au compacteur de plaque - 21K06261) - ledeacutemonstrateur est opeacuterationnel au LRPC drsquoAngers - (Deacutec 2006 - Sept 2009)

ndash Animation de lrsquoeacutequipe projet (7 personnes) Opeacuteration de deacuteveloppement drsquoune proto-type maquette destineacute aux essais drsquoarrachement de granulats - Projet Triboroute - 11I021-OP600297 (Juin 2000 - deacutec 2003)

ndash Co-responsable de lrsquoopeacuteration de recherche 11G021-Proprieacuteteacutes des Mateacuteriaux Heacuteteacuterogegravenesclocircture de lrsquoopeacuteration effectueacutee en 2005

93 Participation agrave des comiteacutes agrave des commissions et organisa-

tion des colloques

ndash Depuis 2008 - Chargeacute de lrsquoorganisation et de lrsquoanimation de la journeacutee drsquoeacutechanges du reacuteseauScientifique et technique en liaison avec la Direction technique Infrastructure et Seacutecuriteacute

101

routiegravere (60 personnes)(httpintralcpcfrpagespartageseminaires)

ndash Membre du comiteacute scientifique de 4rd European Asphalt Technology Association EATAconference - June 15-16th 2010 Italy (httpsedsiivit)

ndash Membre RILEM - Technical Committee Nanotechnology-based bituminous materials - TaskGroup 4 modeling needs and techniques (2008 -2013)

ndash Membre RILEM -Technical Committee 206-ATB Advanced Testing and Characterizationof Bituminous Material - Task Group 2 Evaluation of laboratory compaction methodsand models with respect to field compaction (2004-2009) (httpsmywebspacewisceducmjohnson3RILEMAbout_RILEM_TG2html)

ndash Membre du comiteacute de suivi de thegravese CIFRE TOTALLCPC - Malo Le Guern (2008-2011)ndash Membre du comiteacute scientifique de 3rd European Asphalt Technology Association EATA

conference - April 14-15th 2008 Lyon France (100 participants)(httphebergelcpcfreata08)

ndash Membre eacutelu du comiteacute drsquoeacutevaluation des chercheurs du ministegravere (2004-2008) (membre dejury pour les concours de chargeacute de recherche examen des dossiers de titularisation eacutevalua-tion leacutegegravere et lourde des chargeacutes de recherche participation aux reacuteflexions et agrave lrsquoameacuteliorationdes regravegles de fonctionnement du comiteacute)Conformeacutement agrave lrsquoarticle 11 du deacutecret n 94-943 du 28 octobre 1994 relatif aux statutsparticuliers des corps de Chargeacutes de Recherche et de Directeur de Recherche la nomina-tion des membres du Comiteacute drsquoeacutevaluation a eacuteteacute fixeacutee par deacutecision du ministre chargeacute delrsquoEquipement signeacutee le 30 avril 2004

ndash Depuis 2006 Membre du groupe Mateacuteriaux France - ECTP (European Construction Tech-nology Platform) - Focus Area Mateacuteriaux (httpwwwectporggroupes)

ndash Chairman of session in Joint ASMEASCESES Conference on Mechanics amp Materials -ASCE 2005

102

Thegravemes de recherche personnels
- Preacuteambule Mon parcours
- Introduction
- Durabiliteacute des couches superficielles
- - Introduction
  - Les effets dune charge roulante sur une structure
  - Les effets dune force tangentielle sur une couche de roulement
  - Les effets des conditions climatiques sur les enrobeacutes bitumineux
  - - Les meacutelanges bitumineux agrave leacutechelle granulaire identification geacuteomeacutetrique et caracteacuterisation meacutecanique
    - - Introduction
      - Le recours agrave lanalyse dimage
      - Identification de la structure interne des mateacuteriaux bitumineux
      - Application dune technique de changement deacutechelle pour deacuteterminer les proprieacuteteacutes meacutecaniques du meacutelange
      - Les deacuteformations locales dans les enrobeacutes bitumineux facteur de localisation
      - Comportement dun film de liant au pseudo-contact intergranulaire
        
        Introduction
        
        Les deacuteveloppements expeacuterimentaux
        
        Les deacuteveloppements numeacuteriques
        
        Perspectives de recherche
        
        Bibliographie
        
        Publications Scientifiques et Techniques
        
        Brevets
        
        Chapitres douvrages
        
        Articles parus dans des revues internationales agrave comiteacute de lecture
        
        Articles dans des revues nationales agrave comiteacute de lecture
        
        Articles dans diverses revues technico-professionnelles
        
        Rapports deacutetude de recherche et dexpertise
        
        Participations agrave des colloques congregraves et seacuteminaires
        
        Communications agrave des congregraves avec publications des actes
        
        Autres communications dans des congregraves sans actes
        
        Principales collaborations scientifiques
        
        Principales missions sur le terrain
        
        Actions de formation et dencadrement
        
        Actions de formation
        
        Actions de co-encadrement de doctorants
        
        Actions dencadrement de stagiaires et chercheurs
        
        Contrats et collaborations avec les industriels
        
        Actions de valorisation
        
        Logiciels
        
        Mode opeacuteratoire et Meacutethode dessai
        
        Conception et Deacuteveloppement de moyen dessai
        
        Administration de la recherche et autres activiteacutes scientifiques
        
        Relecture darticles activiteacutes eacuteditoriales
        
        Animation de groupe de travail
        
        Participation agrave des comiteacutes agrave des commissions et organisation des colloques

Page 2: Apport du multi-échelle dans l’étude de la durabilité des ...

Pocircle de recherche et drsquoenseignement supeacuterieur (PRES) Univ Nantes Angers Le MansUniversiteacute de Nantes - ED SPIGASpeacutecialiteacute CNU 60 Geacutenie Civil

MEMOIRE DrsquoHABILITATION A DIRIGER LES RECHERCHES

de Ferhat HAMMOUMLaboratoire Central des Ponts et Chausseacutees

sur

Apport du multi-eacutechelle dans lrsquoeacutetude de

la durabiliteacute des mateacuteriaux de chausseacutees

HDR soutenue le 03 mars 2010devant le jury composeacute de

PreacutesidentPierre-Yves Hicher Ecole Centrale de Nantes

RapporteursYves Berthaud Universiteacute Pierre et Marie Curie Paris VI

Manfred Partl KTH- Stockholm amp EMPA ZurichChristophe Petit Universiteacute de Limoges

ExaminteursClaude Boutin ENTPE

Abdelhafid Khelidj Universiteacute de NantesPierre Hornych LCPC

Laboratoire Central des Ponts et Chausseacutees - tel0240845767 - e-mail ferhathammoumlcpcfr

Bibliographie 79

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

12 Introduction

13

131 Introduction

14

15

16

y (m)x (m)

x (m)

z (

m)

0 5-5-10-15-20-25-30-350

2

3

1

-10

-50

-15

-10

1

0

2

3

1

17

250

200

150

100

50

0

-10 -05 00 05 10

X (m)

Uz (

x 00

00

) (micro

m)

z

x

V

Ai

00-05-10 05 10

00

-02

-03

-01

01

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

z

02

03

z

x

Ai

V

18

00-05-10 05 10

00

-02

-04

-06

-08

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

x

z

x

Ai

V

19

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

20

Introduction

21

22

HF

FV

de

force

Bande de gomme

(68degShore)

Force imposeacutee

Position haute

Position basse

Position

intermeacutediaire

Zone daction

Un

pa

ssa

ge

du

pa

tin

sur

la z

on

e d

act

ion

Patin logarithmique

23

Capteur de force Fv

Capteur de force Fh

Bande de gomme

Table

sur roulement

24

deacuteplacement

Deacutep

lace

men

t v

erti

cal

(mm

)

Fo

rce

ver

tica

le F

v (

N)Position haute

Position Basse

Temps

90

25

90

450deg

BBTM 010 Image 12

Zone de mesure

ROI

Fh

Fv

75 mm

60

mm

Image 12

1

2

Deacute

pla

ce

me

nt ve

rtic

al U

2 (

mm

)

26

= 3070 N

27

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

0

01

02

03

04

05

06

07

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

600

01

02

03

04

05

06

07

Composante ε 12

28

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Pe

rte

de

mas

se p

ar u

nit

eacute d

e s

urf

ace

so

llici

teacutee

(K

gm

2)

Bitume A

Bitume B

Bitume C

Bitume B

Bitume D

Classe III

Classe I

Classe II

29

Conclusions

30

dans

Intrusion

dans le bitume

Affaiblissement

local

31

0

1000

2000

3000

4000

0 10000 20000 30000 40000

D=00010203

04

06

0808

Mod

ule

visq

ueux

(MP

a)

32

141 Introduction

Grave Bitume 014

33

34

35

Plane cross section

Size 2 r12 r2 2 r3

A

Size 2 R1 2 R2 2 R3

Circles come from

36

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve Size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

37

0

20

40

60

80

100

120

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section X

Y axis

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section Z

Y axis

X

YSection Z

Section X

Sect

ion Y

10 mm10 mm

y = 20847x0393

R2 = 08256

1

10

100

1000

001 01 1 10 100 1000

Nu

mb

er

of

ne

igh

bo

urg

ing

ele

me

nt

38

FV Li(l) =V i

g

V iv

= γ Log

(

V ig

lt Vg gt

)

+ η (11)

39

40

suivante

A

(

microeff

microm

)2

+ 2B

(

microeff

microm

)

+ C = 0 (13)

41

FINES

BITUME

MASTIC

GRANULAT

GRANULAT + MASTIC

PORE

ENROBE BITUMINEUX

Rbitume

Rfines

Rgranulat

Rpores

42

An

gle

de

ph

ase

ϕ

(deg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 100 1000 10000 100000

Modegravele

Mo

du

le v

isq

ue

ux

(MP

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5000 10000 15000 20000 25000

Modegravele

43

44

calisation

45

46

47

nulaire

151 Introduction

48

ε(t) =l

l=

d

dtln

(

l(t)

li

)

= constante (14)

Drsquoougrave

49

supeacuterieur

(fixe)

Porte

eacutechantillon

infeacuterieur

(mobile)

(3 agrave 120deg)

Silastegravene

Echantillon

de bitume

Direction

et sens de traction

Surface dappui

infeacuterieure

Protubeacuterances

l(t) = αeβt (15)

l(t)

li=

(

lfli

)t

tf(16)

50

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

trepos

Phase 2

Temps

de repos

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

Phase 2-bis

Traction

finale

trupt finale

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

51

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

No

rme I

GI

(Pa)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

An

gle

de p

hase (

deg)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

52

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

Forc

e (

N)

0

0 10 20 30 400

50

100

150

Forc

e (

N)

11 microms

55 microms

20 microms

11 microms

Pro

pa

ga

tion

du

ne

fissure

con

fineacute

e

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 E-03 10 E-02 10 E-01

Fo

rce

de

tra

cti

on

(N

)

φ = 56 mm

φ = 78 mm

φ = 92 mm

φ = 122 mm

53

0 10 20 30 400

50

100

150

Elongation (microm)

Fo

rce

(N

)

12 mm

Reacutesp

on

se v

isco

eacutelas

tiq

ue

arrecirct de la

chute de force

Chute de la force

A

B

C

O

Bitume pur 5070

54

Capteur

deacutemission

acoustique

55

0 200 400 600 800minus003

minus002

minus001

0

001

002

003

Temps (micros)

Ten

sion

(V

)

0 100 200 300 400 500 6000

05

1

15

2

25x 10minus3

Spe

ctre

de

puis

sanc

e de

la F

FT

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 1EA Cycle 1

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 2EA Cycle 2

Cycle 1 Cycle 2

56

Kexp1

0 2 4 6 8 10minus5

0

5

10

For

ce (

daN

)

larr Kexp

57

5 10 15 20 25 30000

025

050

075

100

Cycle

KF

d

1 5 10 15 20 25 300

05

1

15

2

25

φ ini (

mm

)

KFd

φini

58

0 20 40 60 80 100 12000

05

10

Temps (s)

q US

q1

q2

q10

1 5 10 15 20 25 300

025

05

075

1

Cycle

Evo

lutio

n re

lativ

e

qUS

5070 0degCK

Fd 5070 0degC

qUS

BMP minus5degCK

Fd BMP minus5degC

59

0 02 04 06 08 10

1

2

3

4

5

6

7

8

φ = 717(1minusqUS

) rarr

qUS

(minus) KFd

(minus)

φ (m

m)

qUS

5070 0degCq

US BMP minus5degC

qUS

BMP 0degCq

US 1020M +5degC

KFd

60

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

10

12

Temps (s)

v auto

reacutep (

mm

2 sminus

1 )

61

62

τ(t) =

int t

0

GR(ts)γ(s)ds (17)

gR(t) =GR(t)

G0

(18)

τ(t) = G0

int t

0

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

τi(s) 4519e-7 277e-6 2261e-5 8647e-5 4893e-4 3811e-3 2595e-2 01692 11961 10372 3952 2122 1650

gi 01088 00882 01255 00945 01878 01369 01125 00795 00427 00167 00045 0002 3e-4

63

L6 L1 L2 L3 L4 L5

e = 00720220032 80 8586+e 1245 40308 80624

64

U2

U1

U3

UR3

O

65

0 2 4 6 8 10005

01

015

02

025

03

035

04

045

Temps (s)

Deacutep

lace

men

t (m

m)

l(t)320

= 032et33845

l(t)220

= 022et24663

l(t)72

= 0072et107835

0 2 4 6 8 100006

0008

001

0012

0014

0016

0018

002

Temps (s)

Vite

sse

de d

eacutepla

cem

ent (

mm

s)

dl(t)

320dt = 00094549et33845

dl(t)220

dt = 00089202et24663

dl(t)72

dt = 00066769et107835

Vitesse constante

66

θ tf dinia tini

b darrc tarr

d afe va

f

K = τGi )

67

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

Load

(da

N)

68

69

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

For

ce (

daN

)

radic

2π(r minus a)σ22(r 0) (110)

2radic

2π(r minus a)u2(r 0) (111)

70

σ =Aminus1radic

r+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) =K1radic2πr

+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) (112)

Soit encore σradic

2πr = K1 + B1

radicr + B2r

3

2 (113)

0 05 1 15 2 25 30

5

10

15

20

25

30

r (mm)

σ yy (

MP

a)

t8 = 06424 s

t28

= 064723 s

t60

= 0654 s

t85

= 06634 s

t106

= 067656 s

t129

= 069495 s

t149

= 072086 s

t183

= 075729 s

t212

= 080819 s

t235

= 087862 s

σ22

r

[u2]2 =

(

1

8π(Kε

I )2

)

r (114)

71

0 02 04 06 080

01

02

03

04

05

06

07

KIσ (

MP

am

05

)

v = 55 Φ =460 mm

v = 20 Φ =390 mm

v = 11 Φ =280 mm

y = 10974x + 01756

R2 = 09615

00

01

02

03

04

05

06

00E+00 50E-03 10E-02 15E-02 20E-02 25E-02 30E-02 35E-02

KIσ (

MP

am

05

)

0 05 1 15 2 25 3 350

2

4

6

8x 10

-3

r (mm)

U22 (

mm

)

t12

= 064368 s

t39

= 064902 s

t69

= 065648 s

t91

= 06669 s

t115

= 068145 s

t135

= 070177 s

t155

= 073054 s

t193

= 077082 s

t221

= 082708 s

t241

= 090467 s

U22

r

image(KσI Ku

I ) = 0 (115)

72

0 01 02 03 04 05

0

01

02

03

04

05

KI

σ (MPam

05)

KIu (

MP

am

05

)

06

K I

σ =K I

uφ

φ

73

Conclusions

74

75

00001

0001

001

01

1

10

100

1000

10000

00001 0001 001 01 1 10 100 1000 10000

Ec

he

lle

D

ime

ns

ion

de

s eacute

leacutem

en

ts (

microm

)

Reacutesines

Asphaltegravenes

INTERPHASE

Epaisseur d

u mastic

au pseudo-c

ontact

Macropores

Meacutesopores

Granulats

Filler

Ess

ais

de

ru

ptu

re lo

cale

Th

egravese

Ma

illa

rd

20

04

Th

egravese

Ng

uye

n 2

00

8

Au

tre

s e

ssa

is

da

ns

la m

ass

e

Polymegraveres

Groupe fo

nctionnel

Affiniteacute

bitume-g

ranulat

Satureacutees

76

OUINON

Physique

Adheacutesion

Meacutecanique

de la rupture

Compatibiliteacute

Interfacial Phases

et ou

Interdiffusion

Reacuteactions

cineacutetiques

Thermodynamique

des reacuteactions

MEB Microscopie UV

163deg

C

Mastic recycleacute

Mastic dapport

163deg

C

sur bi-couche

trois volets

77

78

Bibliographie

79

80

81

82

83

84

85

86

21 Brevets

lecture

87

88

11N04253

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

81 Logiciels

100

tion des colloques

101

102

- Introduction
- - Introduction
    - - Introduction
        
        Introduction
        
        
        
        
        Bibliographie
        
        
        Brevets
        
        Chapitres douvrages
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        Logiciels

Page 3: Apport du multi-échelle dans l’étude de la durabilité des ...

Bibliographie 79

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

12 Introduction

13

131 Introduction

14

15

16

y (m)x (m)

x (m)

z (

m)

0 5-5-10-15-20-25-30-350

2

3

1

-10

-50

-15

-10

1

0

2

3

1

17

250

200

150

100

50

0

-10 -05 00 05 10

X (m)

Uz (

x 00

00

) (micro

m)

z

x

V

Ai

00-05-10 05 10

00

-02

-03

-01

01

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

z

02

03

z

x

Ai

V

18

00-05-10 05 10

00

-02

-04

-06

-08

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

x

z

x

Ai

V

19

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

20

Introduction

21

22

HF

FV

de

force

Bande de gomme

(68degShore)

Force imposeacutee

Position haute

Position basse

Position

intermeacutediaire

Zone daction

Un

pa

ssa

ge

du

pa

tin

sur

la z

on

e d

act

ion

Patin logarithmique

23

Capteur de force Fv

Capteur de force Fh

Bande de gomme

Table

sur roulement

24

deacuteplacement

Deacutep

lace

men

t v

erti

cal

(mm

)

Fo

rce

ver

tica

le F

v (

N)Position haute

Position Basse

Temps

90

25

90

450deg

BBTM 010 Image 12

Zone de mesure

ROI

Fh

Fv

75 mm

60

mm

Image 12

1

2

Deacute

pla

ce

me

nt ve

rtic

al U

2 (

mm

)

26

= 3070 N

27

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

0

01

02

03

04

05

06

07

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

600

01

02

03

04

05

06

07

Composante ε 12

28

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Pe

rte

de

mas

se p

ar u

nit

eacute d

e s

urf

ace

so

llici

teacutee

(K

gm

2)

Bitume A

Bitume B

Bitume C

Bitume B

Bitume D

Classe III

Classe I

Classe II

29

Conclusions

30

dans

Intrusion

dans le bitume

Affaiblissement

local

31

0

1000

2000

3000

4000

0 10000 20000 30000 40000

D=00010203

04

06

0808

Mod

ule

visq

ueux

(MP

a)

32

141 Introduction

Grave Bitume 014

33

34

35

Plane cross section

Size 2 r12 r2 2 r3

A

Size 2 R1 2 R2 2 R3

Circles come from

36

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve Size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

37

0

20

40

60

80

100

120

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section X

Y axis

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section Z

Y axis

X

YSection Z

Section X

Sect

ion Y

10 mm10 mm

y = 20847x0393

R2 = 08256

1

10

100

1000

001 01 1 10 100 1000

Nu

mb

er

of

ne

igh

bo

urg

ing

ele

me

nt

38

FV Li(l) =V i

g

V iv

= γ Log

(

V ig

lt Vg gt

)

+ η (11)

39

40

suivante

A

(

microeff

microm

)2

+ 2B

(

microeff

microm

)

+ C = 0 (13)

41

FINES

BITUME

MASTIC

GRANULAT

GRANULAT + MASTIC

PORE

ENROBE BITUMINEUX

Rbitume

Rfines

Rgranulat

Rpores

42

An

gle

de

ph

ase

ϕ

(deg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 100 1000 10000 100000

Modegravele

Mo

du

le v

isq

ue

ux

(MP

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5000 10000 15000 20000 25000

Modegravele

43

44

calisation

45

46

47

nulaire

151 Introduction

48

ε(t) =l

l=

d

dtln

(

l(t)

li

)

= constante (14)

Drsquoougrave

49

supeacuterieur

(fixe)

Porte

eacutechantillon

infeacuterieur

(mobile)

(3 agrave 120deg)

Silastegravene

Echantillon

de bitume

Direction

et sens de traction

Surface dappui

infeacuterieure

Protubeacuterances

l(t) = αeβt (15)

l(t)

li=

(

lfli

)t

tf(16)

50

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

trepos

Phase 2

Temps

de repos

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

Phase 2-bis

Traction

finale

trupt finale

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

51

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

No

rme I

GI

(Pa)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

An

gle

de p

hase (

deg)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

52

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

Forc

e (

N)

0

0 10 20 30 400

50

100

150

Forc

e (

N)

11 microms

55 microms

20 microms

11 microms

Pro

pa

ga

tion

du

ne

fissure

con

fineacute

e

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 E-03 10 E-02 10 E-01

Fo

rce

de

tra

cti

on

(N

)

φ = 56 mm

φ = 78 mm

φ = 92 mm

φ = 122 mm

53

0 10 20 30 400

50

100

150

Elongation (microm)

Fo

rce

(N

)

12 mm

Reacutesp

on

se v

isco

eacutelas

tiq

ue

arrecirct de la

chute de force

Chute de la force

A

B

C

O

Bitume pur 5070

54

Capteur

deacutemission

acoustique

55

0 200 400 600 800minus003

minus002

minus001

0

001

002

003

Temps (micros)

Ten

sion

(V

)

0 100 200 300 400 500 6000

05

1

15

2

25x 10minus3

Spe

ctre

de

puis

sanc

e de

la F

FT

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 1EA Cycle 1

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 2EA Cycle 2

Cycle 1 Cycle 2

56

Kexp1

0 2 4 6 8 10minus5

0

5

10

For

ce (

daN

)

larr Kexp

57

5 10 15 20 25 30000

025

050

075

100

Cycle

KF

d

1 5 10 15 20 25 300

05

1

15

2

25

φ ini (

mm

)

KFd

φini

58

0 20 40 60 80 100 12000

05

10

Temps (s)

q US

q1

q2

q10

1 5 10 15 20 25 300

025

05

075

1

Cycle

Evo

lutio

n re

lativ

e

qUS

5070 0degCK

Fd 5070 0degC

qUS

BMP minus5degCK

Fd BMP minus5degC

59

0 02 04 06 08 10

1

2

3

4

5

6

7

8

φ = 717(1minusqUS

) rarr

qUS

(minus) KFd

(minus)

φ (m

m)

qUS

5070 0degCq

US BMP minus5degC

qUS

BMP 0degCq

US 1020M +5degC

KFd

60

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

10

12

Temps (s)

v auto

reacutep (

mm

2 sminus

1 )

61

62

τ(t) =

int t

0

GR(ts)γ(s)ds (17)

gR(t) =GR(t)

G0

(18)

τ(t) = G0

int t

0

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

τi(s) 4519e-7 277e-6 2261e-5 8647e-5 4893e-4 3811e-3 2595e-2 01692 11961 10372 3952 2122 1650

gi 01088 00882 01255 00945 01878 01369 01125 00795 00427 00167 00045 0002 3e-4

63

L6 L1 L2 L3 L4 L5

e = 00720220032 80 8586+e 1245 40308 80624

64

U2

U1

U3

UR3

O

65

0 2 4 6 8 10005

01

015

02

025

03

035

04

045

Temps (s)

Deacutep

lace

men

t (m

m)

l(t)320

= 032et33845

l(t)220

= 022et24663

l(t)72

= 0072et107835

0 2 4 6 8 100006

0008

001

0012

0014

0016

0018

002

Temps (s)

Vite

sse

de d

eacutepla

cem

ent (

mm

s)

dl(t)

320dt = 00094549et33845

dl(t)220

dt = 00089202et24663

dl(t)72

dt = 00066769et107835

Vitesse constante

66

θ tf dinia tini

b darrc tarr

d afe va

f

K = τGi )

67

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

Load

(da

N)

68

69

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

For

ce (

daN

)

radic

2π(r minus a)σ22(r 0) (110)

2radic

2π(r minus a)u2(r 0) (111)

70

σ =Aminus1radic

r+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) =K1radic2πr

+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) (112)

Soit encore σradic

2πr = K1 + B1

radicr + B2r

3

2 (113)

0 05 1 15 2 25 30

5

10

15

20

25

30

r (mm)

σ yy (

MP

a)

t8 = 06424 s

t28

= 064723 s

t60

= 0654 s

t85

= 06634 s

t106

= 067656 s

t129

= 069495 s

t149

= 072086 s

t183

= 075729 s

t212

= 080819 s

t235

= 087862 s

σ22

r

[u2]2 =

(

1

8π(Kε

I )2

)

r (114)

71

0 02 04 06 080

01

02

03

04

05

06

07

KIσ (

MP

am

05

)

v = 55 Φ =460 mm

v = 20 Φ =390 mm

v = 11 Φ =280 mm

y = 10974x + 01756

R2 = 09615

00

01

02

03

04

05

06

00E+00 50E-03 10E-02 15E-02 20E-02 25E-02 30E-02 35E-02

KIσ (

MP

am

05

)

0 05 1 15 2 25 3 350

2

4

6

8x 10

-3

r (mm)

U22 (

mm

)

t12

= 064368 s

t39

= 064902 s

t69

= 065648 s

t91

= 06669 s

t115

= 068145 s

t135

= 070177 s

t155

= 073054 s

t193

= 077082 s

t221

= 082708 s

t241

= 090467 s

U22

r

image(KσI Ku

I ) = 0 (115)

72

0 01 02 03 04 05

0

01

02

03

04

05

KI

σ (MPam

05)

KIu (

MP

am

05

)

06

K I

σ =K I

uφ

φ

73

Conclusions

74

75

00001

0001

001

01

1

10

100

1000

10000

00001 0001 001 01 1 10 100 1000 10000

Ec

he

lle

D

ime

ns

ion

de

s eacute

leacutem

en

ts (

microm

)

Reacutesines

Asphaltegravenes

INTERPHASE

Epaisseur d

u mastic

au pseudo-c

ontact

Macropores

Meacutesopores

Granulats

Filler

Ess

ais

de

ru

ptu

re lo

cale

Th

egravese

Ma

illa

rd

20

04

Th

egravese

Ng

uye

n 2

00

8

Au

tre

s e

ssa

is

da

ns

la m

ass

e

Polymegraveres

Groupe fo

nctionnel

Affiniteacute

bitume-g

ranulat

Satureacutees

76

OUINON

Physique

Adheacutesion

Meacutecanique

de la rupture

Compatibiliteacute

Interfacial Phases

et ou

Interdiffusion

Reacuteactions

cineacutetiques

Thermodynamique

des reacuteactions

MEB Microscopie UV

163deg

C

Mastic recycleacute

Mastic dapport

163deg

C

sur bi-couche

trois volets

77

78

Bibliographie

79

80

81

82

83

84

85

86

21 Brevets

lecture

87

88

11N04253

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

81 Logiciels

100

tion des colloques

101

102

- Introduction
- - Introduction
    - - Introduction
        
        Introduction
        
        
        
        
        Bibliographie
        
        
        Brevets
        
        Chapitres douvrages
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        Logiciels

Page 4: Apport du multi-échelle dans l’étude de la durabilité des ...

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

12 Introduction

13

131 Introduction

14

15

16

y (m)x (m)

x (m)

z (

m)

0 5-5-10-15-20-25-30-350

2

3

1

-10

-50

-15

-10

1

0

2

3

1

17

250

200

150

100

50

0

-10 -05 00 05 10

X (m)

Uz (

x 00

00

) (micro

m)

z

x

V

Ai

00-05-10 05 10

00

-02

-03

-01

01

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

z

02

03

z

x

Ai

V

18

00-05-10 05 10

00

-02

-04

-06

-08

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

x

z

x

Ai

V

19

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

20

Introduction

21

22

HF

FV

de

force

Bande de gomme

(68degShore)

Force imposeacutee

Position haute

Position basse

Position

intermeacutediaire

Zone daction

Un

pa

ssa

ge

du

pa

tin

sur

la z

on

e d

act

ion

Patin logarithmique

23

Capteur de force Fv

Capteur de force Fh

Bande de gomme

Table

sur roulement

24

deacuteplacement

Deacutep

lace

men

t v

erti

cal

(mm

)

Fo

rce

ver

tica

le F

v (

N)Position haute

Position Basse

Temps

90

25

90

450deg

BBTM 010 Image 12

Zone de mesure

ROI

Fh

Fv

75 mm

60

mm

Image 12

1

2

Deacute

pla

ce

me

nt ve

rtic

al U

2 (

mm

)

26

= 3070 N

27

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

0

01

02

03

04

05

06

07

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

600

01

02

03

04

05

06

07

Composante ε 12

28

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Pe

rte

de

mas

se p

ar u

nit

eacute d

e s

urf

ace

so

llici

teacutee

(K

gm

2)

Bitume A

Bitume B

Bitume C

Bitume B

Bitume D

Classe III

Classe I

Classe II

29

Conclusions

30

dans

Intrusion

dans le bitume

Affaiblissement

local

31

0

1000

2000

3000

4000

0 10000 20000 30000 40000

D=00010203

04

06

0808

Mod

ule

visq

ueux

(MP

a)

32

141 Introduction

Grave Bitume 014

33

34

35

Plane cross section

Size 2 r12 r2 2 r3

A

Size 2 R1 2 R2 2 R3

Circles come from

36

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve Size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

37

0

20

40

60

80

100

120

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section X

Y axis

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section Z

Y axis

X

YSection Z

Section X

Sect

ion Y

10 mm10 mm

y = 20847x0393

R2 = 08256

1

10

100

1000

001 01 1 10 100 1000

Nu

mb

er

of

ne

igh

bo

urg

ing

ele

me

nt

38

FV Li(l) =V i

g

V iv

= γ Log

(

V ig

lt Vg gt

)

+ η (11)

39

40

suivante

A

(

microeff

microm

)2

+ 2B

(

microeff

microm

)

+ C = 0 (13)

41

FINES

BITUME

MASTIC

GRANULAT

GRANULAT + MASTIC

PORE

ENROBE BITUMINEUX

Rbitume

Rfines

Rgranulat

Rpores

42

An

gle

de

ph

ase

ϕ

(deg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 100 1000 10000 100000

Modegravele

Mo

du

le v

isq

ue

ux

(MP

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5000 10000 15000 20000 25000

Modegravele

43

44

calisation

45

46

47

nulaire

151 Introduction

48

ε(t) =l

l=

d

dtln

(

l(t)

li

)

= constante (14)

Drsquoougrave

49

supeacuterieur

(fixe)

Porte

eacutechantillon

infeacuterieur

(mobile)

(3 agrave 120deg)

Silastegravene

Echantillon

de bitume

Direction

et sens de traction

Surface dappui

infeacuterieure

Protubeacuterances

l(t) = αeβt (15)

l(t)

li=

(

lfli

)t

tf(16)

50

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

trepos

Phase 2

Temps

de repos

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

Phase 2-bis

Traction

finale

trupt finale

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

51

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

No

rme I

GI

(Pa)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

An

gle

de p

hase (

deg)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

52

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

Forc

e (

N)

0

0 10 20 30 400

50

100

150

Forc

e (

N)

11 microms

55 microms

20 microms

11 microms

Pro

pa

ga

tion

du

ne

fissure

con

fineacute

e

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 E-03 10 E-02 10 E-01

Fo

rce

de

tra

cti

on

(N

)

φ = 56 mm

φ = 78 mm

φ = 92 mm

φ = 122 mm

53

0 10 20 30 400

50

100

150

Elongation (microm)

Fo

rce

(N

)

12 mm

Reacutesp

on

se v

isco

eacutelas

tiq

ue

arrecirct de la

chute de force

Chute de la force

A

B

C

O

Bitume pur 5070

54

Capteur

deacutemission

acoustique

55

0 200 400 600 800minus003

minus002

minus001

0

001

002

003

Temps (micros)

Ten

sion

(V

)

0 100 200 300 400 500 6000

05

1

15

2

25x 10minus3

Spe

ctre

de

puis

sanc

e de

la F

FT

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 1EA Cycle 1

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 2EA Cycle 2

Cycle 1 Cycle 2

56

Kexp1

0 2 4 6 8 10minus5

0

5

10

For

ce (

daN

)

larr Kexp

57

5 10 15 20 25 30000

025

050

075

100

Cycle

KF

d

1 5 10 15 20 25 300

05

1

15

2

25

φ ini (

mm

)

KFd

φini

58

0 20 40 60 80 100 12000

05

10

Temps (s)

q US

q1

q2

q10

1 5 10 15 20 25 300

025

05

075

1

Cycle

Evo

lutio

n re

lativ

e

qUS

5070 0degCK

Fd 5070 0degC

qUS

BMP minus5degCK

Fd BMP minus5degC

59

0 02 04 06 08 10

1

2

3

4

5

6

7

8

φ = 717(1minusqUS

) rarr

qUS

(minus) KFd

(minus)

φ (m

m)

qUS

5070 0degCq

US BMP minus5degC

qUS

BMP 0degCq

US 1020M +5degC

KFd

60

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

10

12

Temps (s)

v auto

reacutep (

mm

2 sminus

1 )

61

62

τ(t) =

int t

0

GR(ts)γ(s)ds (17)

gR(t) =GR(t)

G0

(18)

τ(t) = G0

int t

0

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

τi(s) 4519e-7 277e-6 2261e-5 8647e-5 4893e-4 3811e-3 2595e-2 01692 11961 10372 3952 2122 1650

gi 01088 00882 01255 00945 01878 01369 01125 00795 00427 00167 00045 0002 3e-4

63

L6 L1 L2 L3 L4 L5

e = 00720220032 80 8586+e 1245 40308 80624

64

U2

U1

U3

UR3

O

65

0 2 4 6 8 10005

01

015

02

025

03

035

04

045

Temps (s)

Deacutep

lace

men

t (m

m)

l(t)320

= 032et33845

l(t)220

= 022et24663

l(t)72

= 0072et107835

0 2 4 6 8 100006

0008

001

0012

0014

0016

0018

002

Temps (s)

Vite

sse

de d

eacutepla

cem

ent (

mm

s)

dl(t)

320dt = 00094549et33845

dl(t)220

dt = 00089202et24663

dl(t)72

dt = 00066769et107835

Vitesse constante

66

θ tf dinia tini

b darrc tarr

d afe va

f

K = τGi )

67

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

Load

(da

N)

68

69

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

For

ce (

daN

)

radic

2π(r minus a)σ22(r 0) (110)

2radic

2π(r minus a)u2(r 0) (111)

70

σ =Aminus1radic

r+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) =K1radic2πr

+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) (112)

Soit encore σradic

2πr = K1 + B1

radicr + B2r

3

2 (113)

0 05 1 15 2 25 30

5

10

15

20

25

30

r (mm)

σ yy (

MP

a)

t8 = 06424 s

t28

= 064723 s

t60

= 0654 s

t85

= 06634 s

t106

= 067656 s

t129

= 069495 s

t149

= 072086 s

t183

= 075729 s

t212

= 080819 s

t235

= 087862 s

σ22

r

[u2]2 =

(

1

8π(Kε

I )2

)

r (114)

71

0 02 04 06 080

01

02

03

04

05

06

07

KIσ (

MP

am

05

)

v = 55 Φ =460 mm

v = 20 Φ =390 mm

v = 11 Φ =280 mm

y = 10974x + 01756

R2 = 09615

00

01

02

03

04

05

06

00E+00 50E-03 10E-02 15E-02 20E-02 25E-02 30E-02 35E-02

KIσ (

MP

am

05

)

0 05 1 15 2 25 3 350

2

4

6

8x 10

-3

r (mm)

U22 (

mm

)

t12

= 064368 s

t39

= 064902 s

t69

= 065648 s

t91

= 06669 s

t115

= 068145 s

t135

= 070177 s

t155

= 073054 s

t193

= 077082 s

t221

= 082708 s

t241

= 090467 s

U22

r

image(KσI Ku

I ) = 0 (115)

72

0 01 02 03 04 05

0

01

02

03

04

05

KI

σ (MPam

05)

KIu (

MP

am

05

)

06

K I

σ =K I

uφ

φ

73

Conclusions

74

75

00001

0001

001

01

1

10

100

1000

10000

00001 0001 001 01 1 10 100 1000 10000

Ec

he

lle

D

ime

ns

ion

de

s eacute

leacutem

en

ts (

microm

)

Reacutesines

Asphaltegravenes

INTERPHASE

Epaisseur d

u mastic

au pseudo-c

ontact

Macropores

Meacutesopores

Granulats

Filler

Ess

ais

de

ru

ptu

re lo

cale

Th

egravese

Ma

illa

rd

20

04

Th

egravese

Ng

uye

n 2

00

8

Au

tre

s e

ssa

is

da

ns

la m

ass

e

Polymegraveres

Groupe fo

nctionnel

Affiniteacute

bitume-g

ranulat

Satureacutees

76

OUINON

Physique

Adheacutesion

Meacutecanique

de la rupture

Compatibiliteacute

Interfacial Phases

et ou

Interdiffusion

Reacuteactions

cineacutetiques

Thermodynamique

des reacuteactions

MEB Microscopie UV

163deg

C

Mastic recycleacute

Mastic dapport

163deg

C

sur bi-couche

trois volets

77

78

Bibliographie

79

80

81

82

83

84

85

86

21 Brevets

lecture

87

88

11N04253

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

81 Logiciels

100

tion des colloques

101

102

- Introduction
- - Introduction
    - - Introduction
        
        Introduction
        
        
        
        
        Bibliographie
        
        
        Brevets
        
        Chapitres douvrages
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        Logiciels

Page 5: Apport du multi-échelle dans l’étude de la durabilité des ...

4

5

6

7

8

9

10

11

12

12 Introduction

13

131 Introduction

14

15

16

y (m)x (m)

x (m)

z (

m)

0 5-5-10-15-20-25-30-350

2

3

1

-10

-50

-15

-10

1

0

2

3

1

17

250

200

150

100

50

0

-10 -05 00 05 10

X (m)

Uz (

x 00

00

) (micro

m)

z

x

V

Ai

00-05-10 05 10

00

-02

-03

-01

01

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

z

02

03

z

x

Ai

V

18

00-05-10 05 10

00

-02

-04

-06

-08

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

x

z

x

Ai

V

19

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

20

Introduction

21

22

HF

FV

de

force

Bande de gomme

(68degShore)

Force imposeacutee

Position haute

Position basse

Position

intermeacutediaire

Zone daction

Un

pa

ssa

ge

du

pa

tin

sur

la z

on

e d

act

ion

Patin logarithmique

23

Capteur de force Fv

Capteur de force Fh

Bande de gomme

Table

sur roulement

24

deacuteplacement

Deacutep

lace

men

t v

erti

cal

(mm

)

Fo

rce

ver

tica

le F

v (

N)Position haute

Position Basse

Temps

90

25

90

450deg

BBTM 010 Image 12

Zone de mesure

ROI

Fh

Fv

75 mm

60

mm

Image 12

1

2

Deacute

pla

ce

me

nt ve

rtic

al U

2 (

mm

)

26

= 3070 N

27

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

0

01

02

03

04

05

06

07

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

600

01

02

03

04

05

06

07

Composante ε 12

28

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Pe

rte

de

mas

se p

ar u

nit

eacute d

e s

urf

ace

so

llici

teacutee

(K

gm

2)

Bitume A

Bitume B

Bitume C

Bitume B

Bitume D

Classe III

Classe I

Classe II

29

Conclusions

30

dans

Intrusion

dans le bitume

Affaiblissement

local

31

0

1000

2000

3000

4000

0 10000 20000 30000 40000

D=00010203

04

06

0808

Mod

ule

visq

ueux

(MP

a)

32

141 Introduction

Grave Bitume 014

33

34

35

Plane cross section

Size 2 r12 r2 2 r3

A

Size 2 R1 2 R2 2 R3

Circles come from

36

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve Size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

37

0

20

40

60

80

100

120

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section X

Y axis

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section Z

Y axis

X

YSection Z

Section X

Sect

ion Y

10 mm10 mm

y = 20847x0393

R2 = 08256

1

10

100

1000

001 01 1 10 100 1000

Nu

mb

er

of

ne

igh

bo

urg

ing

ele

me

nt

38

FV Li(l) =V i

g

V iv

= γ Log

(

V ig

lt Vg gt

)

+ η (11)

39

40

suivante

A

(

microeff

microm

)2

+ 2B

(

microeff

microm

)

+ C = 0 (13)

41

FINES

BITUME

MASTIC

GRANULAT

GRANULAT + MASTIC

PORE

ENROBE BITUMINEUX

Rbitume

Rfines

Rgranulat

Rpores

42

An

gle

de

ph

ase

ϕ

(deg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 100 1000 10000 100000

Modegravele

Mo

du

le v

isq

ue

ux

(MP

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5000 10000 15000 20000 25000

Modegravele

43

44

calisation

45

46

47

nulaire

151 Introduction

48

ε(t) =l

l=

d

dtln

(

l(t)

li

)

= constante (14)

Drsquoougrave

49

supeacuterieur

(fixe)

Porte

eacutechantillon

infeacuterieur

(mobile)

(3 agrave 120deg)

Silastegravene

Echantillon

de bitume

Direction

et sens de traction

Surface dappui

infeacuterieure

Protubeacuterances

l(t) = αeβt (15)

l(t)

li=

(

lfli

)t

tf(16)

50

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

trepos

Phase 2

Temps

de repos

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

Phase 2-bis

Traction

finale

trupt finale

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

51

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

No

rme I

GI

(Pa)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

An

gle

de p

hase (

deg)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

52

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

Forc

e (

N)

0

0 10 20 30 400

50

100

150

Forc

e (

N)

11 microms

55 microms

20 microms

11 microms

Pro

pa

ga

tion

du

ne

fissure

con

fineacute

e

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 E-03 10 E-02 10 E-01

Fo

rce

de

tra

cti

on

(N

)

φ = 56 mm

φ = 78 mm

φ = 92 mm

φ = 122 mm

53

0 10 20 30 400

50

100

150

Elongation (microm)

Fo

rce

(N

)

12 mm

Reacutesp

on

se v

isco

eacutelas

tiq

ue

arrecirct de la

chute de force

Chute de la force

A

B

C

O

Bitume pur 5070

54

Capteur

deacutemission

acoustique

55

0 200 400 600 800minus003

minus002

minus001

0

001

002

003

Temps (micros)

Ten

sion

(V

)

0 100 200 300 400 500 6000

05

1

15

2

25x 10minus3

Spe

ctre

de

puis

sanc

e de

la F

FT

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 1EA Cycle 1

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 2EA Cycle 2

Cycle 1 Cycle 2

56

Kexp1

0 2 4 6 8 10minus5

0

5

10

For

ce (

daN

)

larr Kexp

57

5 10 15 20 25 30000

025

050

075

100

Cycle

KF

d

1 5 10 15 20 25 300

05

1

15

2

25

φ ini (

mm

)

KFd

φini

58

0 20 40 60 80 100 12000

05

10

Temps (s)

q US

q1

q2

q10

1 5 10 15 20 25 300

025

05

075

1

Cycle

Evo

lutio

n re

lativ

e

qUS

5070 0degCK

Fd 5070 0degC

qUS

BMP minus5degCK

Fd BMP minus5degC

59

0 02 04 06 08 10

1

2

3

4

5

6

7

8

φ = 717(1minusqUS

) rarr

qUS

(minus) KFd

(minus)

φ (m

m)

qUS

5070 0degCq

US BMP minus5degC

qUS

BMP 0degCq

US 1020M +5degC

KFd

60

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

10

12

Temps (s)

v auto

reacutep (

mm

2 sminus

1 )

61

62

τ(t) =

int t

0

GR(ts)γ(s)ds (17)

gR(t) =GR(t)

G0

(18)

τ(t) = G0

int t

0

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

τi(s) 4519e-7 277e-6 2261e-5 8647e-5 4893e-4 3811e-3 2595e-2 01692 11961 10372 3952 2122 1650

gi 01088 00882 01255 00945 01878 01369 01125 00795 00427 00167 00045 0002 3e-4

63

L6 L1 L2 L3 L4 L5

e = 00720220032 80 8586+e 1245 40308 80624

64

U2

U1

U3

UR3

O

65

0 2 4 6 8 10005

01

015

02

025

03

035

04

045

Temps (s)

Deacutep

lace

men

t (m

m)

l(t)320

= 032et33845

l(t)220

= 022et24663

l(t)72

= 0072et107835

0 2 4 6 8 100006

0008

001

0012

0014

0016

0018

002

Temps (s)

Vite

sse

de d

eacutepla

cem

ent (

mm

s)

dl(t)

320dt = 00094549et33845

dl(t)220

dt = 00089202et24663

dl(t)72

dt = 00066769et107835

Vitesse constante

66

θ tf dinia tini

b darrc tarr

d afe va

f

K = τGi )

67

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

Load

(da

N)

68

69

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

For

ce (

daN

)

radic

2π(r minus a)σ22(r 0) (110)

2radic

2π(r minus a)u2(r 0) (111)

70

σ =Aminus1radic

r+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) =K1radic2πr

+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) (112)

Soit encore σradic

2πr = K1 + B1

radicr + B2r

3

2 (113)

0 05 1 15 2 25 30

5

10

15

20

25

30

r (mm)

σ yy (

MP

a)

t8 = 06424 s

t28

= 064723 s

t60

= 0654 s

t85

= 06634 s

t106

= 067656 s

t129

= 069495 s

t149

= 072086 s

t183

= 075729 s

t212

= 080819 s

t235

= 087862 s

σ22

r

[u2]2 =

(

1

8π(Kε

I )2

)

r (114)

71

0 02 04 06 080

01

02

03

04

05

06

07

KIσ (

MP

am

05

)

v = 55 Φ =460 mm

v = 20 Φ =390 mm

v = 11 Φ =280 mm

y = 10974x + 01756

R2 = 09615

00

01

02

03

04

05

06

00E+00 50E-03 10E-02 15E-02 20E-02 25E-02 30E-02 35E-02

KIσ (

MP

am

05

)

0 05 1 15 2 25 3 350

2

4

6

8x 10

-3

r (mm)

U22 (

mm

)

t12

= 064368 s

t39

= 064902 s

t69

= 065648 s

t91

= 06669 s

t115

= 068145 s

t135

= 070177 s

t155

= 073054 s

t193

= 077082 s

t221

= 082708 s

t241

= 090467 s

U22

r

image(KσI Ku

I ) = 0 (115)

72

0 01 02 03 04 05

0

01

02

03

04

05

KI

σ (MPam

05)

KIu (

MP

am

05

)

06

K I

σ =K I

uφ

φ

73

Conclusions

74

75

00001

0001

001

01

1

10

100

1000

10000

00001 0001 001 01 1 10 100 1000 10000

Ec

he

lle

D

ime

ns

ion

de

s eacute

leacutem

en

ts (

microm

)

Reacutesines

Asphaltegravenes

INTERPHASE

Epaisseur d

u mastic

au pseudo-c

ontact

Macropores

Meacutesopores

Granulats

Filler

Ess

ais

de

ru

ptu

re lo

cale

Th

egravese

Ma

illa

rd

20

04

Th

egravese

Ng

uye

n 2

00

8

Au

tre

s e

ssa

is

da

ns

la m

ass

e

Polymegraveres

Groupe fo

nctionnel

Affiniteacute

bitume-g

ranulat

Satureacutees

76

OUINON

Physique

Adheacutesion

Meacutecanique

de la rupture

Compatibiliteacute

Interfacial Phases

et ou

Interdiffusion

Reacuteactions

cineacutetiques

Thermodynamique

des reacuteactions

MEB Microscopie UV

163deg

C

Mastic recycleacute

Mastic dapport

163deg

C

sur bi-couche

trois volets

77

78

Bibliographie

79

80

81

82

83

84

85

86

21 Brevets

lecture

87

88

11N04253

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

81 Logiciels

100

tion des colloques

101

102

- Introduction
- - Introduction
    - - Introduction
        
        Introduction
        
        
        
        
        Bibliographie
        
        
        Brevets
        
        Chapitres douvrages
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        Logiciels

Page 6: Apport du multi-échelle dans l’étude de la durabilité des ...

5

6

7

8

9

10

11

12

12 Introduction

13

131 Introduction

14

15

16

y (m)x (m)

x (m)

z (

m)

0 5-5-10-15-20-25-30-350

2

3

1

-10

-50

-15

-10

1

0

2

3

1

17

250

200

150

100

50

0

-10 -05 00 05 10

X (m)

Uz (

x 00

00

) (micro

m)

z

x

V

Ai

00-05-10 05 10

00

-02

-03

-01

01

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

z

02

03

z

x

Ai

V

18

00-05-10 05 10

00

-02

-04

-06

-08

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

x

z

x

Ai

V

19

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

20

Introduction

21

22

HF

FV

de

force

Bande de gomme

(68degShore)

Force imposeacutee

Position haute

Position basse

Position

intermeacutediaire

Zone daction

Un

pa

ssa

ge

du

pa

tin

sur

la z

on

e d

act

ion

Patin logarithmique

23

Capteur de force Fv

Capteur de force Fh

Bande de gomme

Table

sur roulement

24

deacuteplacement

Deacutep

lace

men

t v

erti

cal

(mm

)

Fo

rce

ver

tica

le F

v (

N)Position haute

Position Basse

Temps

90

25

90

450deg

BBTM 010 Image 12

Zone de mesure

ROI

Fh

Fv

75 mm

60

mm

Image 12

1

2

Deacute

pla

ce

me

nt ve

rtic

al U

2 (

mm

)

26

= 3070 N

27

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

0

01

02

03

04

05

06

07

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

600

01

02

03

04

05

06

07

Composante ε 12

28

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Pe

rte

de

mas

se p

ar u

nit

eacute d

e s

urf

ace

so

llici

teacutee

(K

gm

2)

Bitume A

Bitume B

Bitume C

Bitume B

Bitume D

Classe III

Classe I

Classe II

29

Conclusions

30

dans

Intrusion

dans le bitume

Affaiblissement

local

31

0

1000

2000

3000

4000

0 10000 20000 30000 40000

D=00010203

04

06

0808

Mod

ule

visq

ueux

(MP

a)

32

141 Introduction

Grave Bitume 014

33

34

35

Plane cross section

Size 2 r12 r2 2 r3

A

Size 2 R1 2 R2 2 R3

Circles come from

36

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve Size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

37

0

20

40

60

80

100

120

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section X

Y axis

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section Z

Y axis

X

YSection Z

Section X

Sect

ion Y

10 mm10 mm

y = 20847x0393

R2 = 08256

1

10

100

1000

001 01 1 10 100 1000

Nu

mb

er

of

ne

igh

bo

urg

ing

ele

me

nt

38

FV Li(l) =V i

g

V iv

= γ Log

(

V ig

lt Vg gt

)

+ η (11)

39

40

suivante

A

(

microeff

microm

)2

+ 2B

(

microeff

microm

)

+ C = 0 (13)

41

FINES

BITUME

MASTIC

GRANULAT

GRANULAT + MASTIC

PORE

ENROBE BITUMINEUX

Rbitume

Rfines

Rgranulat

Rpores

42

An

gle

de

ph

ase

ϕ

(deg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 100 1000 10000 100000

Modegravele

Mo

du

le v

isq

ue

ux

(MP

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5000 10000 15000 20000 25000

Modegravele

43

44

calisation

45

46

47

nulaire

151 Introduction

48

ε(t) =l

l=

d

dtln

(

l(t)

li

)

= constante (14)

Drsquoougrave

49

supeacuterieur

(fixe)

Porte

eacutechantillon

infeacuterieur

(mobile)

(3 agrave 120deg)

Silastegravene

Echantillon

de bitume

Direction

et sens de traction

Surface dappui

infeacuterieure

Protubeacuterances

l(t) = αeβt (15)

l(t)

li=

(

lfli

)t

tf(16)

50

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

trepos

Phase 2

Temps

de repos

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

Phase 2-bis

Traction

finale

trupt finale

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

51

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

No

rme I

GI

(Pa)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

An

gle

de p

hase (

deg)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

52

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

Forc

e (

N)

0

0 10 20 30 400

50

100

150

Forc

e (

N)

11 microms

55 microms

20 microms

11 microms

Pro

pa

ga

tion

du

ne

fissure

con

fineacute

e

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 E-03 10 E-02 10 E-01

Fo

rce

de

tra

cti

on

(N

)

φ = 56 mm

φ = 78 mm

φ = 92 mm

φ = 122 mm

53

0 10 20 30 400

50

100

150

Elongation (microm)

Fo

rce

(N

)

12 mm

Reacutesp

on

se v

isco

eacutelas

tiq

ue

arrecirct de la

chute de force

Chute de la force

A

B

C

O

Bitume pur 5070

54

Capteur

deacutemission

acoustique

55

0 200 400 600 800minus003

minus002

minus001

0

001

002

003

Temps (micros)

Ten

sion

(V

)

0 100 200 300 400 500 6000

05

1

15

2

25x 10minus3

Spe

ctre

de

puis

sanc

e de

la F

FT

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 1EA Cycle 1

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 2EA Cycle 2

Cycle 1 Cycle 2

56

Kexp1

0 2 4 6 8 10minus5

0

5

10

For

ce (

daN

)

larr Kexp

57

5 10 15 20 25 30000

025

050

075

100

Cycle

KF

d

1 5 10 15 20 25 300

05

1

15

2

25

φ ini (

mm

)

KFd

φini

58

0 20 40 60 80 100 12000

05

10

Temps (s)

q US

q1

q2

q10

1 5 10 15 20 25 300

025

05

075

1

Cycle

Evo

lutio

n re

lativ

e

qUS

5070 0degCK

Fd 5070 0degC

qUS

BMP minus5degCK

Fd BMP minus5degC

59

0 02 04 06 08 10

1

2

3

4

5

6

7

8

φ = 717(1minusqUS

) rarr

qUS

(minus) KFd

(minus)

φ (m

m)

qUS

5070 0degCq

US BMP minus5degC

qUS

BMP 0degCq

US 1020M +5degC

KFd

60

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

10

12

Temps (s)

v auto

reacutep (

mm

2 sminus

1 )

61

62

τ(t) =

int t

0

GR(ts)γ(s)ds (17)

gR(t) =GR(t)

G0

(18)

τ(t) = G0

int t

0

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

τi(s) 4519e-7 277e-6 2261e-5 8647e-5 4893e-4 3811e-3 2595e-2 01692 11961 10372 3952 2122 1650

gi 01088 00882 01255 00945 01878 01369 01125 00795 00427 00167 00045 0002 3e-4

63

L6 L1 L2 L3 L4 L5

e = 00720220032 80 8586+e 1245 40308 80624

64

U2

U1

U3

UR3

O

65

0 2 4 6 8 10005

01

015

02

025

03

035

04

045

Temps (s)

Deacutep

lace

men

t (m

m)

l(t)320

= 032et33845

l(t)220

= 022et24663

l(t)72

= 0072et107835

0 2 4 6 8 100006

0008

001

0012

0014

0016

0018

002

Temps (s)

Vite

sse

de d

eacutepla

cem

ent (

mm

s)

dl(t)

320dt = 00094549et33845

dl(t)220

dt = 00089202et24663

dl(t)72

dt = 00066769et107835

Vitesse constante

66

θ tf dinia tini

b darrc tarr

d afe va

f

K = τGi )

67

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

Load

(da

N)

68

69

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

For

ce (

daN

)

radic

2π(r minus a)σ22(r 0) (110)

2radic

2π(r minus a)u2(r 0) (111)

70

σ =Aminus1radic

r+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) =K1radic2πr

+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) (112)

Soit encore σradic

2πr = K1 + B1

radicr + B2r

3

2 (113)

0 05 1 15 2 25 30

5

10

15

20

25

30

r (mm)

σ yy (

MP

a)

t8 = 06424 s

t28

= 064723 s

t60

= 0654 s

t85

= 06634 s

t106

= 067656 s

t129

= 069495 s

t149

= 072086 s

t183

= 075729 s

t212

= 080819 s

t235

= 087862 s

σ22

r

[u2]2 =

(

1

8π(Kε

I )2

)

r (114)

71

0 02 04 06 080

01

02

03

04

05

06

07

KIσ (

MP

am

05

)

v = 55 Φ =460 mm

v = 20 Φ =390 mm

v = 11 Φ =280 mm

y = 10974x + 01756

R2 = 09615

00

01

02

03

04

05

06

00E+00 50E-03 10E-02 15E-02 20E-02 25E-02 30E-02 35E-02

KIσ (

MP

am

05

)

0 05 1 15 2 25 3 350

2

4

6

8x 10

-3

r (mm)

U22 (

mm

)

t12

= 064368 s

t39

= 064902 s

t69

= 065648 s

t91

= 06669 s

t115

= 068145 s

t135

= 070177 s

t155

= 073054 s

t193

= 077082 s

t221

= 082708 s

t241

= 090467 s

U22

r

image(KσI Ku

I ) = 0 (115)

72

0 01 02 03 04 05

0

01

02

03

04

05

KI

σ (MPam

05)

KIu (

MP

am

05

)

06

K I

σ =K I

uφ

φ

73

Conclusions

74

75

00001

0001

001

01

1

10

100

1000

10000

00001 0001 001 01 1 10 100 1000 10000

Ec

he

lle

D

ime

ns

ion

de

s eacute

leacutem

en

ts (

microm

)

Reacutesines

Asphaltegravenes

INTERPHASE

Epaisseur d

u mastic

au pseudo-c

ontact

Macropores

Meacutesopores

Granulats

Filler

Ess

ais

de

ru

ptu

re lo

cale

Th

egravese

Ma

illa

rd

20

04

Th

egravese

Ng

uye

n 2

00

8

Au

tre

s e

ssa

is

da

ns

la m

ass

e

Polymegraveres

Groupe fo

nctionnel

Affiniteacute

bitume-g

ranulat

Satureacutees

76

OUINON

Physique

Adheacutesion

Meacutecanique

de la rupture

Compatibiliteacute

Interfacial Phases

et ou

Interdiffusion

Reacuteactions

cineacutetiques

Thermodynamique

des reacuteactions

MEB Microscopie UV

163deg

C

Mastic recycleacute

Mastic dapport

163deg

C

sur bi-couche

trois volets

77

78

Bibliographie

79

80

81

82

83

84

85

86

21 Brevets

lecture

87

88

11N04253

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

81 Logiciels

100

tion des colloques

101

102

- Introduction
- - Introduction
    - - Introduction
        
        Introduction
        
        
        
        
        Bibliographie
        
        
        Brevets
        
        Chapitres douvrages
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        Logiciels

Page 7: Apport du multi-échelle dans l’étude de la durabilité des ...

6

7

8

9

10

11

12

12 Introduction

13

131 Introduction

14

15

16

y (m)x (m)

x (m)

z (

m)

0 5-5-10-15-20-25-30-350

2

3

1

-10

-50

-15

-10

1

0

2

3

1

17

250

200

150

100

50

0

-10 -05 00 05 10

X (m)

Uz (

x 00

00

) (micro

m)

z

x

V

Ai

00-05-10 05 10

00

-02

-03

-01

01

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

z

02

03

z

x

Ai

V

18

00-05-10 05 10

00

-02

-04

-06

-08

x (m)

σ

(x

0

01

75

) (M

Pa

)x

x

z

x

Ai

V

19

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

-01 00 01 02 03 04 05 06 07 0800

01

02

03

04

05

06

07

08

p (x 00 00175) (MPa)

q (

x

00

0

01

75

) (M

Pa

)

α

β

z

x

V

Ai

αβ β

β

α

20

Introduction

21

22

HF

FV

de

force

Bande de gomme

(68degShore)

Force imposeacutee

Position haute

Position basse

Position

intermeacutediaire

Zone daction

Un

pa

ssa

ge

du

pa

tin

sur

la z

on

e d

act

ion

Patin logarithmique

23

Capteur de force Fv

Capteur de force Fh

Bande de gomme

Table

sur roulement

24

deacuteplacement

Deacutep

lace

men

t v

erti

cal

(mm

)

Fo

rce

ver

tica

le F

v (

N)Position haute

Position Basse

Temps

90

25

90

450deg

BBTM 010 Image 12

Zone de mesure

ROI

Fh

Fv

75 mm

60

mm

Image 12

1

2

Deacute

pla

ce

me

nt ve

rtic

al U

2 (

mm

)

26

= 3070 N

27

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

0

01

02

03

04

05

06

07

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

600

01

02

03

04

05

06

07

Composante ε 12

28

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Pe

rte

de

mas

se p

ar u

nit

eacute d

e s

urf

ace

so

llici

teacutee

(K

gm

2)

Bitume A

Bitume B

Bitume C

Bitume B

Bitume D

Classe III

Classe I

Classe II

29

Conclusions

30

dans

Intrusion

dans le bitume

Affaiblissement

local

31

0

1000

2000

3000

4000

0 10000 20000 30000 40000

D=00010203

04

06

0808

Mod

ule

visq

ueux

(MP

a)

32

141 Introduction

Grave Bitume 014

33

34

35

Plane cross section

Size 2 r12 r2 2 r3

A

Size 2 R1 2 R2 2 R3

Circles come from

36

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Sieve size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

0

20

40

60

80

100

120

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Sieve Size (mm)

P

assin

g b

y m

ass

37

0

20

40

60

80

100

120

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section X

Y axis

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170180

190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Section Z

Y axis

X

YSection Z

Section X

Sect

ion Y

10 mm10 mm

y = 20847x0393

R2 = 08256

1

10

100

1000

001 01 1 10 100 1000

Nu

mb

er

of

ne

igh

bo

urg

ing

ele

me

nt

38

FV Li(l) =V i

g

V iv

= γ Log

(

V ig

lt Vg gt

)

+ η (11)

39

40

suivante

A

(

microeff

microm

)2

+ 2B

(

microeff

microm

)

+ C = 0 (13)

41

FINES

BITUME

MASTIC

GRANULAT

GRANULAT + MASTIC

PORE

ENROBE BITUMINEUX

Rbitume

Rfines

Rgranulat

Rpores

42

An

gle

de

ph

ase

ϕ

(deg)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 100 1000 10000 100000

Modegravele

Mo

du

le v

isq

ue

ux

(MP

a)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5000 10000 15000 20000 25000

Modegravele

43

44

calisation

45

46

47

nulaire

151 Introduction

48

ε(t) =l

l=

d

dtln

(

l(t)

li

)

= constante (14)

Drsquoougrave

49

supeacuterieur

(fixe)

Porte

eacutechantillon

infeacuterieur

(mobile)

(3 agrave 120deg)

Silastegravene

Echantillon

de bitume

Direction

et sens de traction

Surface dappui

infeacuterieure

Protubeacuterances

l(t) = αeβt (15)

l(t)

li=

(

lfli

)t

tf(16)

50

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

trepos

Phase 2

Temps

de repos

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

0 tf

Phase 1

Traction agrave

deacuteplacement

imposeacute

Phase 2-bis

Traction

finale

trupt finale

Deacute

pla

ce

me

nt

lf-li

li

Effo

rt (

da

N)

0

-5Temps

51

1E+03

1E+04

1E+05

1E+06

1E+07

1E+08

1E+09

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

No

rme I

GI

(Pa)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 10 100 1000

Freacutequence (Hz)

An

gle

de p

hase (

deg)

-20degC

0degC

20degC

40degC

60degC

52

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

Forc

e (

N)

0

0 10 20 30 400

50

100

150

Forc

e (

N)

11 microms

55 microms

20 microms

11 microms

Pro

pa

ga

tion

du

ne

fissure

con

fineacute

e

0

20

40

60

80

100

120

140

160

10 E-03 10 E-02 10 E-01

Fo

rce

de

tra

cti

on

(N

)

φ = 56 mm

φ = 78 mm

φ = 92 mm

φ = 122 mm

53

0 10 20 30 400

50

100

150

Elongation (microm)

Fo

rce

(N

)

12 mm

Reacutesp

on

se v

isco

eacutelas

tiq

ue

arrecirct de la

chute de force

Chute de la force

A

B

C

O

Bitume pur 5070

54

Capteur

deacutemission

acoustique

55

0 200 400 600 800minus003

minus002

minus001

0

001

002

003

Temps (micros)

Ten

sion

(V

)

0 100 200 300 400 500 6000

05

1

15

2

25x 10minus3

Spe

ctre

de

puis

sanc

e de

la F

FT

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 1EA Cycle 1

0 20 40 60 80 100minus5

0

5

10

15

20

For

ce (

daN

)

Cycle 2EA Cycle 2

Cycle 1 Cycle 2

56

Kexp1

0 2 4 6 8 10minus5

0

5

10

For

ce (

daN

)

larr Kexp

57

5 10 15 20 25 30000

025

050

075

100

Cycle

KF

d

1 5 10 15 20 25 300

05

1

15

2

25

φ ini (

mm

)

KFd

φini

58

0 20 40 60 80 100 12000

05

10

Temps (s)

q US

q1

q2

q10

1 5 10 15 20 25 300

025

05

075

1

Cycle

Evo

lutio

n re

lativ

e

qUS

5070 0degCK

Fd 5070 0degC

qUS

BMP minus5degCK

Fd BMP minus5degC

59

0 02 04 06 08 10

1

2

3

4

5

6

7

8

φ = 717(1minusqUS

) rarr

qUS

(minus) KFd

(minus)

φ (m

m)

qUS

5070 0degCq

US BMP minus5degC

qUS

BMP 0degCq

US 1020M +5degC

KFd

60

0 20 40 60 80 1000

2

4

6

8

10

12

Temps (s)

v auto

reacutep (

mm

2 sminus

1 )

61

62

τ(t) =

int t

0

GR(ts)γ(s)ds (17)

gR(t) =GR(t)

G0

(18)

τ(t) = G0

int t

0

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

τi(s) 4519e-7 277e-6 2261e-5 8647e-5 4893e-4 3811e-3 2595e-2 01692 11961 10372 3952 2122 1650

gi 01088 00882 01255 00945 01878 01369 01125 00795 00427 00167 00045 0002 3e-4

63

L6 L1 L2 L3 L4 L5

e = 00720220032 80 8586+e 1245 40308 80624

64

U2

U1

U3

UR3

O

65

0 2 4 6 8 10005

01

015

02

025

03

035

04

045

Temps (s)

Deacutep

lace

men

t (m

m)

l(t)320

= 032et33845

l(t)220

= 022et24663

l(t)72

= 0072et107835

0 2 4 6 8 100006

0008

001

0012

0014

0016

0018

002

Temps (s)

Vite

sse

de d

eacutepla

cem

ent (

mm

s)

dl(t)

320dt = 00094549et33845

dl(t)220

dt = 00089202et24663

dl(t)72

dt = 00066769et107835

Vitesse constante

66

θ tf dinia tini

b darrc tarr

d afe va

f

K = τGi )

67

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

Load

(da

N)

68

69

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8

10

12

For

ce (

daN

)

radic

2π(r minus a)σ22(r 0) (110)

2radic

2π(r minus a)u2(r 0) (111)

70

σ =Aminus1radic

r+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) =K1radic2πr

+ A1

radicr + + copy (r

3

2 ) (112)

Soit encore σradic

2πr = K1 + B1

radicr + B2r

3

2 (113)

0 05 1 15 2 25 30

5

10

15

20

25

30

r (mm)

σ yy (

MP

a)

t8 = 06424 s

t28

= 064723 s

t60

= 0654 s

t85

= 06634 s

t106

= 067656 s

t129

= 069495 s

t149

= 072086 s

t183

= 075729 s

t212

= 080819 s

t235

= 087862 s

σ22

r

[u2]2 =

(

1

8π(Kε

I )2

)

r (114)

71

0 02 04 06 080

01

02

03

04

05

06

07

KIσ (

MP

am

05

)

v = 55 Φ =460 mm

v = 20 Φ =390 mm

v = 11 Φ =280 mm

y = 10974x + 01756

R2 = 09615

00

01

02

03

04

05

06

00E+00 50E-03 10E-02 15E-02 20E-02 25E-02 30E-02 35E-02

KIσ (

MP

am

05

)

0 05 1 15 2 25 3 350

2

4

6

8x 10

-3

r (mm)

U22 (

mm

)

t12

= 064368 s

t39

= 064902 s

t69

= 065648 s

t91

= 06669 s

t115

= 068145 s

t135

= 070177 s

t155

= 073054 s

t193

= 077082 s

t221

= 082708 s

t241

= 090467 s

U22

r

image(KσI Ku

I ) = 0 (115)

72

0 01 02 03 04 05

0

01

02

03

04

05

KI

σ (MPam

05)

KIu (

MP

am

05

)

06

K I

σ =K I

uφ

φ

73

Conclusions

74

75

00001

0001

001

01

1

10

100

1000

10000

00001 0001 001 01 1 10 100 1000 10000

Ec

he

lle

D

ime

ns

ion

de

s eacute

leacutem

en

ts (

microm

)

Reacutesines

Asphaltegravenes

INTERPHASE

Epaisseur d

u mastic

au pseudo-c

ontact

Macropores

Meacutesopores

Granulats

Filler

Ess

ais

de

ru

ptu

re lo

cale

Th

egravese

Ma

illa

rd

20

04

Th

egravese

Ng

uye

n 2

00

8

Au

tre

s e

ssa

is

da

ns

la m

ass

e

Polymegraveres

Groupe fo

nctionnel

Affiniteacute

bitume-g

ranulat

Satureacutees

76

OUINON

Physique

Adheacutesion

Meacutecanique

de la rupture

Compatibiliteacute

Interfacial Phases

et ou

Interdiffusion

Reacuteactions

cineacutetiques

Thermodynamique

des reacuteactions

MEB Microscopie UV

163deg

C

Mastic recycleacute

Mastic dapport

163deg

C

sur bi-couche

trois volets

77

78

Bibliographie

79

80

81

82

83

84

85

86

21 Brevets

lecture

87

88

11N04253

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

81 Logiciels

100

tion des colloques

101

102

- Introduction
- - Introduction
    - - Introduction
        
        Introduction
        
        
        
        
        Bibliographie
        
        
        Brevets
        
        Chapitres douvrages
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        Logiciels

Date post:	15-Nov-2021
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Apport du multi-échelle dans l’étude de la durabilité des ...

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