Phenomena occurring during cyclic loading and fatigue tests on bituminous materials : Identification and quantification

par Lucas Babadopulos

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Hervé Di Benedetto et de Cédric Sauzeat.

Le président du jury était Irini Djeran-Maigre.

Le jury était composé de Hassan Baaj, Simon Pouget.

Les rapporteurs étaient Gordon Airey, Jorge Barbosa Soares.

  • Titre traduit

    Phénomènes apparaissant dans les matériaux bitumineux lors de chargements cycliques et d’essais de fatigue : Identification et quantification


  • Résumé

    La fatigue est un des principaux mécanismes de dégradation des chaussées. En laboratoire, la fatigue est simulée en utilisant des essais de chargement cyclique, généralement sans période de repos. L’évolution du module complexe (une propriété du matériau utilisée dans la caractérisation de la rigidité des matériaux viscoélastiques) est suivie de manière à caractériser l’endommagement. Son changement est généralement interprété comme étant dû au dommage, alors que d’autres phénomènes (se distinguant du dommage par leur réversibilité) apparaissent. Des effets transitoires, propres aux matériaux viscoélastiques, apparaissent lors des tout premiers cycles (2 ou 3) et produisent une erreur dans la détermination du module complexe. La non-linéarité (dépendance du module complexe avec le niveau de déformation) est caractérisée par une diminution réversible instantanée du module et une augmentation de l’angle de phase qui est observée avec l’augmentation de l’amplitude de déformation. De plus, pendant le chargement, de l’énergie mécanique est dissipée en raison du caractère visqueux du comportement du matériau. Cette énergie se transforme principalement en chaleur ce qui induit une augmentation de température. Cela produit une diminution de module liée à cet auto-échauffement. Quand le matériau revient à la température initiale, le module initial est alors retrouvé. La partie restante du changement de module peut être expliquée, d’une part par un autre phénomène réversible, appelé dans la littérature « thixotropie », et d’autre part par le dommage « réel », qui est irréversible. Cette thèse explore ces phénomènes dans les bitumes, mastics (bitume mélangé avec des particules fines, dont le diamètre est inférieur à 80μm) et enrobés bitumineux. Un chapitre (sur la nonlinearité) présente des essais de « balayage d’amplitude de déformation » avec augmentation ou/et diminution des amplitudes sont présentés. Un autre se concentre sur l’auto-échauffement. Il comprend une proposition de procédures de modélisation dont les résultats sont comparés avec des résultats des cycles initiaux d’essais de fatigue. Finalement, un chapitre est dédié à l’analyse du module complexe mesuré pendant le chargement et les phases de repos. Des essais de chargement et repos ont été réalisés sur bitume (où le phénomène de thixotropie est supposé avoir lieu) et mastic, de manière à déterminer l’effet de chacun des phénomènes identifiés sur l’évolution du module complexe des matériaux testés. Les résultats de l’étude sur la nonlinearité suggèrent que son effet vient principalement du comportement non linéaire du bitume, qui est déformé de manière très non-homogène dans les enrobés bitumineux. Il est démontré qu’un modèle de calcul thermomécanique simplifié de l’échauffement local, ne considérant aucune diffusion de chaleur, peut expliquer le changement initial de module complexe observé au cours des essais cycliques sur enrobés. Néanmoins, la modélisation de la diffusion de chaleur a démontré que cette diffusion est excessivement rapide. Cela indique que la distribution de l’augmentation de température nécessaire pour expliquer complètement le module complexe observé ne peut pas être atteinte. Un autre phénomène réversible, qui a des effets sur le module complexe similaires à ceux d’un changement de température, doit donc avoir lieu. Ce phénomène est considéré être de la thixotropie. Finalement, à partir des essais de chargement et repos, il est démontré qu’une partie majeure du changement de module complexe au cours des essais cycliques vient des processus réversibles. Le dommage se cumule de manière approximativement linéaire par rapport au nombre de cycles. Le phénomène de thixotropie semble partager la même direction sur l’espace complexe que la nonlinéarité. Cela indique que les deux phénomènes sont possiblement liés par la même origine microstructurelle. Des travaux supplémentaires sur le phénomène de thixotropie sont nécessaires.


  • Résumé

    Fatigue is a main pavement distress. In laboratory, fatigue is simulated using cyclic loading tests, usually without rest periods. Complex modulus (a material stiffness property used in viscoelastic materials characterisation) evolution is monitored, in order to characterise damage evolution. Its change is generally interpreted as damage, whereas other phenomena (distinguishable from damage by their reversibility) occur. Transient effects, proper to viscoelastic materials, occur during the very initial cycles (2 or 3) and induce an error in the measurement of complex modulus. Nonlinearity (strain-dependence of the material’s mechanical behaviour) is characterised by an instantaneous reversible modulus decrease and phase angle increase observed when strain amplitude increases. Moreover, during loading, mechanical energy is dissipated due to the viscous aspect of material behaviour. This energy turns mainly into heat and produces a temperature increase. This produces a modulus decrease due to self-heating. When the material is allowed to cool back to its initial temperature, initial modulus is recovered. The remaining stiffness change can be explained partly by another reversible phenomenon, called in the literature “thixotropy”, and, then, by the “real” damage, which is irreversible. This thesis investigates these phenomena in bitumen, mastic (bitumen mixed with fine particles, whose diameter is smaller than 80μm) and bituminous mixtures. One chapter (on nonlinearity) presents increasing and/or decreasing strain amplitude sweep tests. Another one focuses on selfheating. It includes a proposition of modelling procedures whose results are compared with the initial cycles from fatigue tests. Finally, a chapter is dedicated to the analysis of the measured complex modulus during both loading and rest periods. Loading and rest periods tests were performed on bitumen (where the phenomenon of thixotropy is supposed to happen) and mastic in order to determine the effect of each of the identified phenomena on the complex modulus evolution of the tested materials. Results from the nonlinearity investigation suggest that its effect comes primarily from the nonlinear behaviour of the bitumen, which is very non-homogeneously strained in the bituminous mixtures. It was demonstrated that a simplified thermomechanical model for the calculation of local selfheating (non-uniform temperature increase distribution), considering no heat diffusion, could explain the initial complex modulus change observed during cyclic tests on bituminous mixtures. However, heat diffusion modelling demonstrated that this diffusion is excessively fast. This indicates that the temperature increase distribution necessary to completely explain the observed complex modulus decrease cannot be reached. Another reversible phenomenon, which has effects on complex modulus similar to the ones of a temperature change, needs to occur. That phenomenon is hypothesised as thixotropy. Finally, from the loading and rest periods tests, it was demonstrated that a major part of the complex modulus change during cyclic loading comes from the reversible processes. Damage was xivfound to cumulate in an approximately linear rate with respect to the number of cycles. The thixotropy phenomenon seems to share the same direction in complex space as the one of nonlinearity. This indicates that both phenomena are possibly linked by the same microstructural origin. Further research on the thixotropy phenomenon is needed.


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