Modélisation hétérogène du comportement thermomécanique des enrobés bitumineux sous sollicitations cycliques

par Mohammad Ebrahim Riahi Dehkordi

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Christophe Petit, Fatima Allou et de Joseph Absi.

Soutenue le 11-12-2017

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018) , en partenariat avec Groupe d'Etudes des Matériaux Hétérogènes (laboratoire) .

Le président du jury était Emmanuel Ferrier.

Le jury était composé de Christophe Petit, Fatima Allou, Joseph Absi, Ramon Botella, Alain Béghin, Frédéric Dubois.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Chailleux.

mots clés

• Simulation hétérogène
• Matériaux bitumineux -- Fatigue
• Matériaux -- Fatigue -- Machines d'essai
• Thermoélasticité

Résumé

Dans le cadre de cette thèse, le comportement en fatigue des enrobés bitumineux est étudié en utilisant une approche hétérogène thermoviscoélastique. les essais de fatigue, réalisés sur le liant ou bien sur le mélange bitumineux, montrent un comportement non-linéaire de module complexe en fonction du nombre de cycles. l’évolution du module complexe dans le temps peut être décomposée en trois phases principales. Parmi ces trois phases : la phase I se présente par une diminution rapide etréversible du module. La cause de cette diminution n’est toujours pas connue et est souvent expliquée par la présence de phénomènes tels que l’auto-échauffement, la non-linéarité et la thixotropie. Afin d’identifier et de quantifier les phénomènes produisant un tel comportement réversible, une approche numérique est développée dans ce travail. Deux modèles hermoviscoélastiques, dans le domaine fréquentiel et dans leE5 domaine temporel, sont développés afin de décrire la perte de module du matériau liée à l’auto-échauffement lors du chargement de fatigue. Ces modèles sont implantés dans le code de calcul par éléments finis Cast3M et validés sur des résultats d’essais de fatigue. La comparaison entre les résultats obtenus par les deuxmodèles montre une bonne concordance. Cependant, le modèle fréquentiel est préférable pour la rapidité du calcul dans les simulations d’essais avec plusieurs milliers de cycles de chargement. Le modèle fréquentiel a été employé pour simuler les essais de fatigue sur enrobé bitumineux utilisant l’approche hétérogène. En utilisant cette approche, une étude locale au niveau du film mince de la matrice bitumineuse est réalisée. Cette étude confirme que la densité d’énergie dissipée locale est élevée au niveau du film mince. Cependant, cette source de chaleur ne génère pas forcement une température plus élevée dans cet endroit. En comparant les résultats de simulations avec les résultats expérimentaux, il est montré que l’évolution de température est bien calculée. En revanche, seulement un tiers de diminution de module est justifiée par l’auto-échauffement. Ce qui montre la présence d’autres phénomènes réversibles en parallèle de l’auto-échauffement. Dans le but de mieux comprendre ce comportement et d’identifier les phénomènes réversibles et leur part dans la diminution de module lors de la phase I, des essais de fatigue avec des étapes de chargements et de repos sont réalisés sur le bitume. La température de l’échantillon est également mesurée lors de l’essai. Dans un premier temps, le bitume est caractérisé dans le domaine viscoélastique linéaire en utilisant l’essai de module complexe de traction-compression uniaxial à différentes températures et fréquences. Ensuite, la calibration du modèle viscoélastique, dans notre cas, le modèle 2S2P1D est réalisée à partir des résultats expérimentaux de module complexe afin d’alimenter le modèle numérique. Les essais de fatigue sont réalisés à différentes amplitudes de déformation, vitesses et températures. Contrairement à ce qui est largement accepté dans la littérature, les résultats obtenus montrent que l’auto-échauffement peut expliquer avec une bonne précision le comportement réversible des bitumes lors de la première phase de fatigue (en absence d’endommagement). La différence de comportement observée, dans le cas du mélange et dans le cas du bitume, peut avoir plusieurs origines, telles que l’état de sollicitation triaxial dans la matrice bitumineuse et/ou le niveau élevé de déformation locale, qui ne peuvent pas être générés avec un essai uniaxial. Ceci alimente la discussion dans les perspectives pour développer de nouvelles procédures d’essais afin de quantifier ces phénomènes réversibles.

mots clés

• Heterogeneous simulation

Titre traduit

Heterogeneous simulation of the thermomechanical behavior of bituminous mixes under cyclic loading

Résumé

In this thesis, the fatigue behavior of bituminous asphalt is studied using a heterogeneous thermoviscoelastic approach. The fatigue tests carried out on the binder or on the mixture show nonlinear behavior of complex modulus with number of cycles, which can be classified into three main phases. The phase I, showing fast and reversible decrease in complex modulus. The reason forthis decrease is still not known and often explained by the presence of phenomena such as selfheating, non-linearity and thixotropy. In order to identify and to quantify the phenomena causing such reversible behavior, a numerical approach is developed in this study. Two thermoviscoelastic models, in the frequency domain and in the time domain, are developed to describe the modulus diminution of the material due to self-heating when subjected to cyclic loading. These models are implemented in the Cast3M finite element code and are validated with temperature measurements during fatigue tests. The comparison between the results obtained by the two models shows a good agreement. However, the frequency model is preferable for test simulation with severalthousand loading cycles, because of its rapidity in calculation. The frequency model was used for the heterogeneous simulation of fatigue test on bituminous mixture. Using this approach, a local study is carried out at thin film of the bituminous matrix. Thisstudy confirms a high localized dissipated energy density level at the thin film, however this local heat source does not necessarily lead to higher temperature at this location. By comparing the simulation results with the experimental results it is shown that the temperature evolution is well calculated, however about one third of modulus diminution is justified by the self-heating. This shows the presence of another reversible phenomenon in parallel with self-heating. In order to understand this behavior and to identify the reversible phenomena and their share in the decrease of modulus during phase I, the fatigue test with loading / resting steps is carried out on the binder. The temperature of the sample is also measured during the test. At first, the binder is characterized in terms of linear viscoelastic behavior using the uniaxial tensile-compression test at different temperatures and frequencies. Then the viscoelastic model’s parameters (here 2S2P1D model) are calibrated based on the complex modulus test results, to feed the numerical model. The fatigue tests are carried out at different strain amplitudes, different load velocities and differenttemperatures. Despite what has been widely accepted in the literature, the obtained results show, that self-heating can explain the reversible behavior of the binder during the first phase of fatigue (in the absence of damage) with good accuracy. The observed difference in the behavior of the mixture and of the binder may have several origins such as the triaxial solicitation of the bituminous matrix in the mixture or the higher level of local deformation which cannot be generated with a uniaxial test. In perspective, developing new test procedures could be considered in order to be able to quantify these reversible phonemes.