Caractérisation des propriétés thermomécaniques 3D des liants bitumineux dans le domaine viscoélastique linéaire

Characterization of 3D thermomechanical properties of bituminous binders within the linear viscoelastic domain

• Auteur / Autrice : Nuh Isa
• Direction : Cédric Sauzeat, Salvatore Mangiafico
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie civil
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Vaulx-en-Velin, École nationale des travaux publics de l’État
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Gabriele Tebaldi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lucas Babadopulos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ferhat Hammoum, Lucia Tsantilis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Propriétés thermomécaniques

Bitume

Mots clés libres

Bitume

Module complexe

Coefficient de Poisson

Amplitude de déformation

Durcissement physique

Viscoélastique linéaire

Bitumen

Complex module

Poisson's ratio

Strain amplitude

Physical hardening

Linear viscoelastic (LVE)

Résumé

Les méthodes de dimensionnement rationnelles des chaussées requièrent la connaissance des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux, et plus particulièrement leurs propriétés viscoélastiques linéaires. Le module complexe E*, le coefficient de Poisson complexe v∗ permettent notamment de définir leur comportement viscoélastique linéaire s’il est supposé isotrope. Dan ce contexte, la détermination du comportement viscoélastique linéaire des bitumes est primordial, puisque c’est le bitume qui confère aux enrobés ses propriétés viscoélastiques.L’objectif de cette thèse a donc été d’étudier le comportement viscoélastique des bitumes à l’aide d’un nouveau rhéomètre de précision, de type DSR (« Dynamic Shear Rheometer »), récemment acquis. Cet appareil permet de mesurer le module de cisaillement G* des bitumes à l’aide de sollicitation en cisaillement, mais il permet également de réaliser des mesures en traction compression, à l’aide d’un moteur axial de précision, pour obtenir le module complexe axial E*. Dans le cadre de cette thèse, la mesure de E* a donc été réalisée sur des éprouvettes identiques à celles utilisées pour mesurer le G* sur de larges plages de fréquence et température. L’obtention de ces deux paramètres a ensuite permis de calculer le coefficient de Poisson complexe v∗ des bitumes.Quatre campagnes expérimentales ont été réalisée afin d’étudier le comportement viscoélastique de trois bitumes, deux étant des bitumes purs de grades différents et le troisième un bitume modifié aux polymères.Au cours de la première campagne expérimentale, la limite de linéarité du comportement des bitumes a été étudiée afin de définir les amplitudes de déformation axiale et de distorsion utilisables lors des campagnes suivantes. Cette campagne a aussi été l’occasion de mettre en évidence l’effet du durcissement physique pour les mesures à basse température. Une méthode pour corriger les données mesurées et s’affranchir de cet effet a été proposée, ainsi qu’une procédure expérimentale pour limiter ses effets lors des campagnes suivantes.La deuxième campagne a permis de mesurer le module complexe de cisaillement G* des bitumes dans une large gamme de températures et de fréquences, de manière classique, pour servir de référence. Le modèle rhéologique 2S2P1D a été calibré sur les données expérimentales pour permettre de simuler la valeur de G* à toute température et toute fréquence.La troisième campagne s'est concentrée sur la mesure du module complexe axial E∗ et du module complexe de cisaillement G∗ sur le même échantillon de bitume. Des échantillons de différentes dimensions ont été utilisés pour définir les limites possibles utilisables pour la mesure de E*. Elle a également permis de modéliser les résultats obtenus à l’aide du modèle 2S2P1D.Dans la quatrième campagne, le module complexe E* a été mesuré pour une géométrie fixée d’un cylindre de 4mm de diamètre et 5mm de hauteur sur une large gamme de température et fréquence. Les mesures, ainsi que des simulations basées sur des calculs aux éléments finis, ont montré que les conditions géométriques (rapport diamètre sur hauteur trop important) ne permettaient pas d’obtenir le module complexe E* du matériau, mais un module apparent modifié par des effets de confinement radial (effets oedométriques). Les résultats des calculs avec la méthode des éléments finis ont servi à corriger le module complexe axial du bitume mesuré par le DSR. Le coefficient de Poisson du bitume a ensuite été évalué à partir des mesures du module complexe axial corrigé E∗ et du module complexe de cisaillement G∗.

Rational pavement design methods require knowledge of the mechanical properties of bituminous mixtures, particularly their linear viscoelastic properties. The complex modulus E* and the complex Poisson's ratio ν* are essential parameters for defining their linear viscoelastic behaviour, assuming isotropy. In this context, understanding the linear viscoelastic behaviour of bitumen is crucial since it imparts viscoelastic properties to bituminous mixtures.The objective of this thesis was to investigate the viscoelastic behaviour of bitumen using a newly acquired precision rheometer known as the Dynamic Shear Rheometer (DSR). This apparatus allows for measuring the shear modulus G* of bitumen using shear strain and also enables measurements in tension-compression using a precision axial motor to obtain the complex axial modulus E*. During this thesis, E* measurements were conducted on specimens identical to those used for G* measurements over a wide range of frequencies and temperatures. Obtaining these two parameters subsequently allowed for calculating the complex Poisson's ratio ν* of bitumen.Four experimental campaigns were conducted to study the viscoelastic behaviour of three types of bitumen, two of which were pure bitumens of different grades, and the third was a polymer-modified bitumen.During the first experimental campaign, the linearity limit of bitumen behaviour was investigated to define the usable axial and shear strain amplitudes for subsequent campaigns. This campaign also highlighted the effect of physical hardening at low temperatures. A method to correct the measured data and mitigate this effect was proposed, along with an experimental procedure to limit its influence in subsequent campaigns.The second campaign focused on measuring the complex shear modulus G* of bitumen over a wide range of temperatures and frequencies, following standard practices to establish reference values. The 2S2P1D rheological model was calibrated using experimental data to simulate G* values at any temperature and frequency.The third campaign concentrated on measuring both the complex axial modulus E* and the complex shear modulus G* of the same bitumen sample. Samples of different dimensions were used to determine the feasible limits for E* measurements. This campaign also allowed for modelling the results using the 2S2P1D model.In the fourth campaign, the complex modulus E* was measured for a fixed geometry of a 4mm diameter and 5mm height cylinder over a wide range of temperatures and frequencies. The measurements, along with simulations based on finite element analysis, revealed that the geometric conditions (excessive diameter-to-height ratio) did not allow for obtaining the true complex modulus E* of the material but instead yielded an apparent modulus modified by radial confinement effects (oedometer effects). The results of finite element calculations were used to correct the axial complex modulus of bitumen measured by the DSR. Subsequently, the Poisson's ratio of bitumen was evaluated based on the corrected complex axial modulus E* and the complex shear modulus G*.