COMPORTEMENT THERMOMÉCANIQUE DES ENROBÉS BITUMINEUX À BASSES TEMPÉRATURES. Relations entre les propriétés du liant et de l'enrobé - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2003

THERMO-MECHANICAL BEHAVIOR OF BITUMINOUS MIXTURES AT LOW TEMPERATURES. Links between the binder characteristics and the mix properties.

COMPORTEMENT THERMOMÉCANIQUE DES ENROBÉS BITUMINEUX À BASSES TEMPÉRATURES. Relations entre les propriétés du liant et de l'enrobé

Résumé

This thesis has been realized within the framework of a partnership between the Ecole Nationale des TPE, APPIA and EUROVIA. The company Total has also been associated to this project. The study deals with the thermo-mechanical behavior of bituminous materials at low temperatures. The aim is to establish the links between the characteristics of the binder and the properties of bituminous mixes at low temperatures, and to better understand the existing low-temperature parameters and criteria for binders (or to propose new ones), related to the in-situ behavior of bituminous mixtures. A large experimental campaign has been carried out so as to fulfill this goal.

After a bibliographical study on the rheology and the thermo-mechanical properties of (pure or modified) binders, mastics and mixes, the experimental campaign carried out both in the small strain domain and in the large strain domain, is presented.

The low temperature behavior of binders has been evaluated with three common fundamental tests : i)the complex modulus determination, ii)the Bending Beam Rheometer and iii)the tensile strength at a constant strain rate and constant temperatures. A new three point bending test on pre-notched bitumen beams has also been developed at the ENTPE. The low-temperature fracture properties of bitumens were studied at constant temperatures and crosshead speeds considering the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) assumptions.

The thermo-mechanical behavior of bituminous mixtures has been studied by performing i)complex modulus tests, ii)measurements of the coefficient of thermal dilatation and contraction, iii)tensile tests at constant temperatures and strain rates, and iv)Thermal Stress Restrained Specimen Tests.

Apart from the determination of some pertinent links between binder and mix properties and discriminating characteristics with regard to the thermal cracking of bituminous mixes at low temperatures, the analysis has also consisted in modeling the behavior of bituminous binders and mixes, both in the small strain domain and in the large strain domain.

A unique rheological model has been developed for the modeling of linear viscoelastic properties of both bituminous binders and mixes. This model, called the “2S2P1D” model, consists of a generalization of the Huet-Sayegh analogical model. Finally, from our results, a transformation that is independent of the introduced model allows to predict easily and efficiently the mix complex modulus from the binder one.

Eventually, in the last part of this work, the thermo-viscoplastic law “DBN” (Di Benedetto-Neifar), developed at the ENTPE for bituminous mixes, is presented. This law introduces the various experimental observations : a general linear viscoelastic behavior in the small strain range, non-linearity and viscoplastic flow. The effect of the temperature is described as well for small strain levels, where time-temperature superposition principle is applied, as for larger strain levels. A computer program has been developed on the Visual Basic interface of MS Excel. Numerical simulations of direct tensile test are carried out. Finally, TSRST simulations are presented in order to show the influence of non-linearity on the thermal stress evolution induced by monotonic or cyclic temperature variation.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'Ecole Nationale des TPE et les entreprises routières APPIA et EUROVIA. La société pétrolière TOTAL a également été associée à l'étude. Ce travail traite de l'analyse du comportement thermo-mécanique des enrobés bitumineux aux températures basses et intermédiaires et vise à mettre en évidence les relations entre les propriétés des liants et des enrobés. Un large travail expérimental de laboratoire a été réalisé en vue de répondre à ces deux objectifs. Il s'agit notamment de mieux cerner les critères existants de caractérisation des liants, voire d'en proposer de nouveaux, en relation avec le comportement en place des enrobés.

Après une étude bibliographique sur la rhéologie et les propriétés thermo-mécaniques des bitumes, des mastics et des enrobés bitumineux, le travail expérimental mené aussi bien dans le domaine des petites déformations que des grandes déformations, est exposé.

Le comportement à basse température des bitumes a été évalué avec trois tests fondamentaux largement répandus : i)l'essai de module complexe, ii)l'essai de fluage au BBR, iii)l'essai de traction directe SHRP à vitesse de déformation constante et températures constantes. En outre, un nouvel essai de fissuration, consistant en un essai de flexion trois points sur éprouvettes de bitume préentaillées, a été développé à l'ENTPE. Les paramètres de ténacité et d'énergie de rupture des bitumes à basses températures ont pu être déterminés en utilisant les hypothèses de la MLR (Mécanique Linéaire de la Rupture).

Le comportement thermo-mécanique des enrobés bitumineux à basse température a été étudié en réalisant i)des essais de module complexe, ii)des mesures du coefficient de dilatation-contraction thermique, iii)des essais de traction à vitesses de déformation constantes, iv)ainsi que des essais de retrait thermique empêché.

Tout d'abord, des liens pertinents entre les propriétés des liants et des enrobés, et des caractéristiques suffisamment discriminantes au regard des propriétés à basse température des enrobés ont été mis en évidence. Ensuite, l'analyse a consisté à effectuer un travail de modélisation du comportement des liants et des enrobés, en petites et grandes déformations.

Un modèle rhéologique monodimensionnel, qui consiste en une généralisation du modèle analogique de Huet-Sayegh, a été développé dans le domaine des petites déformations. Ce modèle, appelé modèle “2S2P1D”, permet de simuler correctement à la fois le comportement visco-élastique linéaire des bitumes et celui des enrobés bitumineux. A partir de ce modèle, une transformation originale –indépendante du modèle– permettant de prédire le module complexe de l'enrobé à partir de celui du liant est proposée, puis validée.

Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à la loi généralisée monodimensionnelle “DBN” (Di Benedetto-Neifar) à partir de laquelle un programme a été développé sur l'interface Visual Basic du logiciel Excel. Ce programme constitue un outil simple de prévision du comportement de l'enrobé bitumineux sous diverses sollicitations (mécaniques et/ou thermiques). Ce modèle rhéologique permet de faire le lien entre les petites et les grandes déformations. Des simulations d'essais de traction à vitesses de déformation constantes, ainsi que des simulations d'essais de retrait thermique, monotones ou cycliques, sont enfin présentées.
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  • HAL Id : tel-00006050 , version 1

Citer

François Olard. COMPORTEMENT THERMOMÉCANIQUE DES ENROBÉS BITUMINEUX À BASSES TEMPÉRATURES. Relations entre les propriétés du liant et de l'enrobé. Mécanique [physics.med-ph]. INSA de Lyon, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00006050⟩

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