Contribution à la caractérisation des matériaux au comportement viscoélastique par méthode ultrasonore : application aux matériaux bitumineux

by Nicolas Larcher

Doctoral thesis in Génie civil

Under the supervision of Christophe Petit.

Thesis committee President: Christian La Borderie.

Examiners: Hervé Di Benedetto, François Olard.

  • Alternative Title

    Towards a viscoelastic characterization by ultrasonic measurements : Application to bituminous materials


  • Abstract

    This work deals with a laboratory test applied to the thermo viscoelastic materials in particular the bituminous materials. Today, the mechanical characterization of the bituminous materials is very expensive in time, material and equipment. The aim of this study is to propose an alternative to the mechanical test by a Non Destructive Test (NDT) based on ultrasonic wave measurements. The materials of this study, a binder and two asphalt concretes, have been developed by Eiffage Travaux Publics company. These asphalt concretes are otherwise to improve the mechanical properties by an optimization the granular skeleton of the bituminous materials. This study focuses to the different methods of determination of the acoustic parameters like velocity and attenuation factor. Moreover, their frequency dependence is highlighted. Experimental data, obtained with the standard mechanical modulus test, have been taking into account as the reference and plotted in term of master curves and complex representations as Cole – Cole and Black spaces. A rheological model (2S2P1D) which has a continuum spectrum, is fitted to the mechanical representation. The ultrasonic characterization of the materials is based on two aspects : on one side the determination of phase velocity and attenuation factor of compression and shear waves, on the other side the theory of 2D wave propagation in elastic and viscoelastic medium which allows to determining mechanical properties (G*, E*, v*). A good agreement is showed between the ultrasonic data, the mechanical characterization and the rheological prediction. The complex representations which are based on the expression of real and imaginary parts of the complex modulus and the phase angle, are the major contribution of the hypothesis of wave propagation in a viscoelastic medium for the utilization.


  • Abstract

    Ce travail de thèse se place dans le cadre de la problématique de la caractérisation des matériaux thermo-viscoélastiques en laboratoire avec une application sur les matériaux bitumineux. Actuellement, la caractérisation mécanique de ces matériaux nécessite des essais coûteux autant en termes de temps, que de matériel et de matériau. L’objectif est de proposer une alternative à ces essais par le biais d’un essai de Contrôle Non Destructif (CND) basé sur la mesure des grandeurs caractéristiques de la propagation des ondes ultrasonores. Les matériaux de l’étude, un bitume et deux enrobés bitumineux ont été développés par l’entreprise EIFFAGE Travaux Publics. Les enrobés bitumineux font l’objet d’une étude visant l’optimisation de la structure granulaire des enrobés bitumineux dans le but d’augmenter leurs performances mécaniques. Une attention particulière est portée aux méthodes de détermination des grandeurs caractéristiques de la propagation d’ondes et à la prise en compte de leur dépendance fréquentielle. Les données expérimentales de référence, issues des essais standards de module complexe (G* et E*), sont représentées et interprétées sur la base de différentes représentations : courbes maitresses, plan de Cole – Cole et espace de Black. Ces représentations sont également extrapolées à l’aide d’un modèle rhéologique à spectre continu, le modèle 2S2P1D. La caractérisation de ces matériaux par la méthode ultrasonore repose sur deux aspects : d’une part la détermination de la vitesse de phase et du facteur d’atténuation des ondes de compression et de cisaillement ; d’autre part la détermination des grandeurs mécaniques (G*, E* et v*) par le biais des équations de propagation en 2D dans un milieu élastique ou viscoélastique isotrope. Les résultats obtenus montrent une bonne adéquation entre les données ultrasonores, les mesures mécaniques et les prédictions du modèle rhéologique. Les représentations complexes par séparation des parties réelles et imaginaire montrent l’apport essentiel de l’hypothèse viscoélastique dans l’exploitation des données ultrasonores et la nécessité de la prise en compte des différents mécanismes dissipatifs conduisant l’atténuation des ondes dans un matériau hétérogène viscoélastique.

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Informations

  • Details : 1 vol. (238 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury après corrections demandées au cours de la soutenance
  • Annexes : Réf. bibliograph. p.191

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