Fatigue et restauration des mélanges bitumineux pendant les charges cycliques et le repos

Fatigue and restoration of bituminous mixtures during cyclic loading and rest

• Auteur / Autrice : Frank Ndanusa Williams
• 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 : Irini Djeran-Maigre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Blanc, Lucas Babadopulos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alan Carter, Gabriele Tebaldi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Essais

Matériaux bitumineux -- Fatigue

Mots clés libres

Récupération

Protocole de test

Fatigue

Phénomènes réversibles

Restauration

Recovery

Test protocol

Fatigue

Reversible phenomena

Restoration

Résumé

Cette recherche doctorale s'inscrit dans le cadre des travaux du Comité technique (TC) 278-CHA de RILEM (The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures) : Réparation des fissures dans les matériaux de chaussées bitumineuses. Les objectifs de cette étude comprennent tout d'abord l'analyse des données d'essai DSR pour évaluer les dommages et la récupération des liants bitumineux avec des données obtenues par le Politecnico di Torino, Italie et l'Université de Waterloo, Canada. Deuxièmement, le développement de la procédure d'essai en laboratoire de l'ENTPE (Ecole Nationale des Travaux Publics de l'Etat) pour analyser et évaluer l'endommagement et la récupération des mélanges bitumineux. L'Université Gustave Eiffel (France) a fourni le bitume et les mélanges bitumineux nécessaires. L'étude s'est concentrée sur la réalisation d'essais répétitifs de charge et de repos sur les liants et les mélanges afin de caractériser l'endommagement et la récupération des propriétés des matériaux. Pour mener à bien cette tâche, différents protocoles d'essai et méthodes d'analyse ont été appliqués aux liants et aux mélanges, l'objectif principal étant de différencier les phénomènes de restauration et les phénomènes réversibles. Toutes les mesures rhéologiques effectuées par les deux laboratoires (Politecnico di Torino, Italie et Université de Waterloo, Canada) ont été réalisées au moyen d'un DSR d'Anton Paar Inc. (Physica MCR 301 et MCR 102 respectivement), en utilisant une géométrie de plaques parallèles de 8 mm avec un espace de 2 mm. Les essais réalisés dans le cadre de cette campagne expérimentale ont été effectués en mode de contrôle de la déformation. L'essai a consisté à utiliser le test de balayage d'amplitude linéaire (LAS) sous différentes durées de chargement et de repos afin de déterminer efficacement le comportement de récupération du liant. Par conséquent, différents protocoles de récupération basés sur le test LAS ont été mis en œuvre pour évaluer le comportement de récupération des liants. D'après les résultats obtenus sur le liant, les différents phénomènes survenant pendant la charge et le repos étaient soit réversibles, soit non réversibles. Par conséquent, le protocole d'essai ne permet pas d'identifier et d'estimer les différents phénomènes.Un protocole d'essai mis au point à l'ENTPE a été amélioré et appliqué aux mélanges bitumineux. La procédure d'essai se compose de deux parties en mode de tension/compression contrôlée sur des échantillons cylindriques. Dans la première partie, des essais courts de module complexe (200 cycles à 10 Hz) à des températures allant de 8°C à 14°C et à des amplitudes de déformation allant de 50 à 110µm/m sont utilisés pour examiner la dépendance des caractéristiques mécaniques à l'égard de l'amplitude de déformation et de la température. L'objectif de l'essai CMT est essentiellement de caractériser le comportement viscoélastique linéaire (LVE) des mélanges bitumineux étudiés à l'état intact. Dans la deuxième partie, cinq essais de fatigue partielle (à 10°C) sont effectués (chacun consistant en 100.000 cycles à une amplitude de déformation de 100µm/m et à une fréquence de 10 Hz). Chaque période de fatigue est suivie d'une période de repos de 48 heures qui consiste en de courts essais de module complexe (100 cycles à 10 Hz) effectués à des intervalles prédéterminés afin de suivre la récupération des paramètres mécaniques. Les deux parties des essais ont été réalisées sur les mélanges testés. A partir des résultats des mélanges, la restauration et les variations non récupérées des propriétés LVE pendant le repos après une charge de fatigue ont été isolées avec succès, avec plus de 80% de la variation observée des propriétés mécaniques 3D (E* et ѵ*) pendant la charge cyclique est récupérée après 48 heures de repos.

This PhD research is within the framework of the work of RILEM (The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures) Technical Committee (TC) 278-CHA: Crack-Healing of Asphalt Pavement Materials. The objectives of this study entail firstly, the analysis of DSR test data to evaluate damage and recovery of bituminous binders with data obtained from Politecnico di Torino, Italy and University of Waterloo, Canada. Secondly, the development of ENTPE (Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat) laboratory test procedure to analyze and evaluate damage and recovery of bituminous mixtures. The Université Gustave Eiffel (France) provided the required bitumen and bituminous mixtures. The study focused on performing repetitive loading and rest tests on binders and mixtures in order characterize damage and recovery of material properties. To successfully undertake this task, different test protocols and analysis methods were carried out on binders and mixtures, with the primary goal to differentiate restoration and reversible phenomena. All the rheological measurements carried by the two laboratories (Politecnico di Torino, Italy and University of Waterloo, Canada) were performed by means of a DSR from Anton Paar Inc. (Physica MCR 301 and MCR 102 respectively), using an 8-mm parallel plates geometry with a 2-mm gap. The tests performed in this experimental campaign were carried out in strain-control mode. The test involved using the linear amplitude sweep (LAS) test under various loading and rest period durations to effectively determined the recovery behaviour of binder. Therefore, different recovery protocols based on the LAS test were carried out to evaluate the recovery behaviour of the binders. From the result on the binder, Different phenomena occurring during loading and rest were either reversible and not reversible. Therefore, the test protocol does not allow identifying and estimating different phenomena.A test protocol developed at ENTPE was further improved and carried out on bituminous mixtures. The test procedure is composed of two parts in strain-controlled tension/compression mode on cylindrical samples. In the first part, short complex modulus tests (200 cycles at 10 Hz) at temperatures ranging from 8°C to 14°C and strain amplitudes ranging from 50 to 110µm/m are used to examine the dependency of the mechanical characteristics on strain amplitude and temperature. The aim of the CMT is basically to characterize the linear viscoelastic (LVE) behaviour of the studied bituminous mixtures at undamaged condition. In the second part, five partial fatigue tests (at 10°C) are carried out (each consisting of 100,000 cycles at a 100µm/m strain amplitude and frequency 10 Hz). Each fatigue lag is followed by a 48-hour rest period which consist of short complex modulus tests (100 cycles at 10 Hz) done at predetermined intervals to track the recovery of mechanical parameters. All the two parts of the tests carried out on the mixtures tested. From the results from mixtures, restoration and unrecovered variations of LVE properties during rest after fatigue loading were successfully isolated, with over 80% of the observed variation of 3D mechanical properties (E* and ѵ*) during cyclic loading is recovered after 48 hours of rest.