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Apport du multi-chelle dans ltude de la durabilit desmatriaux de chausses

Ferhat Hammoum

To cite this version:Ferhat Hammoum. Apport du multi-chelle dans ltude de la durabilit des matriaux de chausses.Matriaux et structures en mcanique [physics.class-ph]. Universit Nantes Angers Le Mans, 2010.

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Ple de recherche et denseignement suprieur (PRES) Univ. Nantes Angers Le MansUniversit de Nantes - ED SPIGASpcialit : CNU 60 / Gnie Civil

MEMOIRE DHABILITATION A DIRIGER LES RECHERCHES

de Ferhat HAMMOUMLaboratoire Central des Ponts et Chausses

sur

Apport du multi-chelle dans ltude de

la durabilit des matriaux de chausses

HDR soutenue le 03 mars 2010devant le jury compos de

PrsidentPierre-Yves Hicher, Ecole Centrale de Nantes

RapporteursYves Berthaud, Universit Pierre et Marie Curie, Paris VI

Manfred Partl, KTH- Stockholm & EMPA, ZurichChristophe Petit, Universit de Limoges

ExaminteursClaude Boutin, ENTPE

Abdelhafid Khelidj, Universit de NantesPierre Hornych, LCPC

Laboratoire Central des Ponts et Chausses - tel:0240845767 - e-mail: ferhat.hammoum@lcpc.fr

Table des matires

1 Thmes de recherche personnels 51.1 Prambule : Mon parcours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3 Durabilit des couches superficielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3.2 Les effets dune charge roulante sur une structure . . . . . . . . . . . . . . 151.3.3 Les effets dune force tangentielle sur une couche de roulement . . . . . . 211.3.4 Les effets des conditions climatiques sur les enrobs bitumineux . . . . . . 31

1.4 Les mlanges bitumineux lchelle granulaire : identification gomtrique et ca-ractrisation mcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.4.2 Le recours lanalyse dimage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.4.3 Identification de la structure interne des matriaux bitumineux . . . . . . 341.4.4 Application dune technique de changement dchelle pour dterminer les

proprits mcaniques du mlange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.4.5 Les dformations locales dans les enrobs bitumineux : facteur de localisation 45

1.5 Comportement dun film de liant au pseudo-contact intergranulaire . . . . . . . . 481.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481.5.2 Les dveloppements exprimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491.5.3 Les dveloppements numriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

1.6 Perspectives de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Bibliographie 79

2 Publications Scientifiques et Techniques 872.1 Brevets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872.2 Chapitres douvrages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872.3 Articles parus dans des revues internationales comit de lecture . . . . . . . . . 872.4 Articles dans des revues nationales comit de lecture . . . . . . . . . . . . . . . 882.5 Articles dans diverses revues technico-professionnelles . . . . . . . . . . . . . . . . 882.6 Rapports dtude, de recherche et dexpertise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

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3 Participations des colloques, congrs et sminaires 913.1 Communications des congrs avec publications des actes . . . . . . . . . . . . . 913.2 Autres communications dans des congrs sans actes . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4 Principales collaborations scientifiques 94

5 Principales missions sur le terrain 95

6 Actions de formation et dencadrement 966.1 Actions de formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966.2 Actions de co-encadrement de doctorants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966.3 Actions dencadrement de stagiaires et chercheurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

7 Contrats et collaborations avec les industriels 99

8 Actions de valorisation 1008.1 Logiciels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1008.2 Mode opratoire et Mthode dessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1008.3 Conception et Dveloppement de moyen dessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

9 Administration de la recherche et autres activits scientifiques 1019.1 Relecture darticles, activits ditoriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1019.2 Animation de groupe de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1019.3 Participation des comits, des commissions et organisation des colloques . . . 101

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Le livre de la vie est le livre suprmeQuon ne peut ni fermer, ni ouvrir son choix ;Le passage attachant ne sy lit pas deux fois,Mais le feuillet fatal se tourne de lui-mme ;On voudrait revenir la page o lon aime,Et la page o lon meurt est dj sous vos doigts ...

Le livre de la vieAlphonse de LAMARTINE (1790-1869)

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1Thmes de recherche personnels

1.1 Prambule : Mon parcours

Ds ma thse de doctorat, je me suis intress au comportement des gomatriaux et audveloppement doutils de modlisation et de caractrisation des matriaux htrognes et non-linaires. Ma double formation (matriaux et mcanique) ma permis de travailler sur plusieurstypes de matriaux dous de proprits intressantes et largement utiliss en gnie civil tantau niveau du sous-sol (gomatriaux) quau niveau de la structure elle-mme (bois, granulats,bitume). Ces matriaux constituent non seulement le terrain dexpression pour de nombreusesdisciplines scientifiques comme la science des matriaux, la physico-chimie, la mcanique et larhologie mais galement un vecteur de dveloppement conomique et social.

Priode doctorale Les grandes dformations des matriaux inlastiques anisotropesMon travail de thse concerne la modlisation de matriaux inlastiques en dformations finiesqui ncessite la description de lvolution de la sous-structure matrielle. Cette sous-structurepeut tre reprsente macroscopiquement par des variables tensorielles. La notion de dformationfinie repose sur le concept de configuration intermdiaire. Mandel (1971) a propos une thoriemacroscopique des grandes transformations reposant sur ce concept de configuration interm-diaire. Son approche montre la distinction faire entre la vitesse de rotation de la sous-structureet la vitesse de rotation matrielle du milieu continu. Introduisant la notion de vecteur-directeur,il a clarifi le choix dune configuration intermdiaire quil a implicitement introduite par unedcomposition multiplicative du gradient de dformation en une partie lastique et une partieplastique.

Le point capital de cette dmarche est la mise en vidence de configurations intermdiairesparticulires dites isoclines. Ce nest quen 1983 que lefficacit de cette thorie est expose in-dpendamment par Loret (1983) et Dafalias (1983). Ces deux auteurs prsentent un cadre detravail dans lequel entre une large famille de matriaux lastoplastiques exhibant une anisotropiedite induite par les dformations ou une anisotropie de structure.La formulation de ces lois de comportement en grandes transformations ncessite certaines pr-cautions sous peine dobtenir des phnomnes parasites sans signification physique. Poursuivantcette approche, nous avons propos et analys numriquement les quations constitutives critesdans une configuration intermdiaire particulire pour des matriaux prsentant une anisotropieinduite ou/et de structure (Hammoum, 1993).

Les dveloppements mathmatiques et numriques de la thse ont permis de proposer des algo-rithmes dintgration des quations lastoplastiques. Ces algorithmes ont t tests pour dcrirele comportement de matriaux anisotropes en y incluant les effets de la vitesse de rotation plas-

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tique, pour des chemins de chargement classiques (Loret, Hammoum, and Dafalias, 1993).Cette description est suivie dune tude sur la prcision ; la convergence des diffrents algorithmesmet en vidence les effets dus aux fortes variations de courbure des fonctions de charge, carac-tristique des matriaux anisotropie de structure. Cette tude a montr en particulier que laprcision minimale correspond des incrments de contraintes qui traversent la surface de charge(Loret, Hammoum, and Dafalias, 1992).A titre dapplication, nous avons consacr galement une partie de ce travail de thse pour dcriredune manire simplifie lvolution dun pli avec conditions aux limites donnant lieu de grandestransformations 1.2. Cet exemple sinspire du problme trs complexe des plis gologiques bienconnus des gologues.

Figure 1.1 Diffrents types de plis gologiques (Tarbuck and Lutgens, 1987)

En effet, il est frquent de voir des massifs rocheux prsentant des formes gomtriques extraordi-naires (Figure 1.1) ; Les roches subissent des contraintes leves sur une longue priode de temps,elles se dforment, souvent par plis ou se fracturent en plusieurs morceaux, si le temps dappli-cation de la charge est relativement court (Tarbuck and Lutgens, 1987). Quand on applique unchargement avec une faible vitesse de charge, les roches se dforment dune manire lastique, leschangements qui en rsultent sont rversibles, le massif rocheux revient sa forme initiale et lescontraintes sannulent. Cependant quand la limite dlasticit est dpasse, la roche se dformeplastiquement, le massif se transforme en plis. Si la dformation se poursuit, il y a cration dundme plus ou moins arrondi, o il y a apparition de contraintes de traction. En consquence,les zones concernes par ces tractions se fracturent et deviennent vulnrables lrosion. Dans

Figure 1.2 Gomtrie dun pli symtrique et conditions aux limites

le travail de thse, nous navons pas tudi numriquement les plis gologiques o les conditionsaux limites sont difficiles estimer ; de plus, il faudrait tenir compte des dimensions relles desstructures gologiques et de la gravit. Nanmoins, nous avons propos un exemple trs simple

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pour une utilisation pratique des lois constitutives dcrites dans ma thse (Hammoum, 1993).Dun point de vue comportement du matriau, cette tude constitue un point de dpart dans lasimulation des plis gologiques.

Afin de modliser lexemple dcrit ci-dessus, jai d construire les modules ncessaires en grandesdformations, puis les insrer dans un code de calcul. Le matriau constitutif obit la loi decomportement lasto-plastique dfinie par le critre de Hill et dcrite dans ma thse (cf. Ham-moum, 1993, Chap.3). Le calcul est effectu laide de la mthode des lments finis suivantun schma lagrangien. Il fait apparatre clairement linfluence capitale de la vitesse de rotationplastique sur lorientation des axes privilgis et le phnomne est dautant plus marqu que ledegr danisotropie est lev.

Figure 1.3 Visualisation des maillages dforms en fonction de laccourcissement : cas dissy-mtrique

Aprs avoir examin linfluence des paramtres matriaux sur un exemple de pli symtrique (cf.Hammoum, 1993, Chap.5), jai considr un cas dissymtrique o la somme des angles 1 + 2nest pas gale 180 ; Cette dissymtrie de lorientation des axes dorthotropie apparat dansles maillages dforms de la figure 1.3. On observe le dversement du dme partir de 30 %daccourcissement. On relve galement des contraintes de traction au sommet du dme du faitde lexistence de ce dversement.En conclusion, cette tude montre que le concept de configuration isocline introduit par Mandel(1971) limine plusieurs difficults numriques rencontres dans la configuration actuelle o lesquations constitutives exprimes en vitesse introduisent une drive objective. Dans ce travail dethse, jai adopt la mme dmarche dans lcriture de la loi lastoplastique pour nutiliser que ladrive matrielle. Lcriture des expressions est simplifie et lutilisation de la drive matriellepermet de retrouver des rsultats cohrents avec la ralit. Les possibilits dapplication sontnombreuses moyennant quelques amliorations apporter dans la rsolution des problmes avecla mthode des lments finis. Ce type de problme suggre le recours la mthode quasi-newtonou au gradient conjugu qui nexigent ni linarisation, ni stockage, ni inversion de matrices et unschma mixte Eulrien-Lagrangien (A.L.E) pour obtenir un maillage avec moins de distorsionsdans les zones les plus sollicites.

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Priode post-doctorale Le schage sous vide du bois : Pourquoi et comment ?Depuis lapparition du schoir traditionnel, les solutions des constructeurs leaders ont connupeu de progrs car il subsiste le gaspillage dnergie et la pollution qui sen suit, le schage lair libre est le processus qui prsente le plus dinconvnient avec le surcot li au stockage, lacoloration, lapparitition des fentes lors du retrait, la dgradation par les insectes sans compterlimmobilisation du capital. Les temps de schage beaucoup trop longs entranent un manque deflexibilit pour pourvoir sadapter aux besoins du march.Le dveloppement des schoirs vous vide constitue une piste de progrs dans ce domaine dacti-vit. De nombreuses possibilits de pilotage de linstallation soffrent lexploitant en vue dunmeilleur aspect et dune moindre sollicitation du bois lors du schage. Cependant, le schage la vapeur sous vide na pu percer, par rapport au schoir traditionnel, meilleur march, quenraison dinnovations importantes (Brunner, 1991).Depuis 1993, plus de 50 schoirs de tailles diverses, dont 25 schoirs vide, ont t suivis etanalyss (Brunner, 1997). Environ 1200 cycles de schage de chnes, de htres, de sapins de 27 240 mm dpaisseur ont permis dtudier systmatiquement la dure de schage, la dispersion dutaux dhumidit finale, la courbe de temprature du bois et le comportement du schoir. Len-qute dtaille a port sur les dformations de tous types, les dcolorations ou les fissures. Cestla premire fois quune tude aussi complte et aussi cible est ralise dans ce domaine. Elledonne des rsultats pratiques de schage en fonction des essences et des paisseurs et offre unebase de comparaison entre schage conventionnel et schage sous vide. Dans certaines limites,des consignes de temprature et de vitesse de schage rapides permettent des dures de schagetrs rduites. Malheureusement, elles entranent aussi des dfauts de qualit lis au schage :dformations, fissures, carts dhygromtrie, dcolorations et tensions.

a) Schoir industriel sous vide avec emplacement des capteurs b) Gomtrie du problme et conditions aux limites

Figure 1.4 Schage sous vide des planches et modlisation du problme avec conditions auxlimites

Ma contribution sinscrit dans le contexte des recherches entreprises dans le domaine de la rholo-gie du bois par le Laboratoire dtudes et de Recherche en Mcanique des Structures Montluon(Temmar, 1994; Audebert and Temmar, 1997) et (Audebert et al., 1997). Il sagit de mettre enuvre puis de valider un modle thermomcanique qui permet de prvoir lapparition des fenteset autres imperfections au cours dun schage rapide sous vide. Le bois se prsente comme unmatriau avec une microstructure cellulaire, on distingue essentiellement les fibres longitudinaleset une sous-structure poreuse o les transferts deau soprent au cours des cycles dhumidifica-tion et de schage. Le taux de saturation de la sous-structure poreuse est en moyenne proche de12% et varie avec lessence du bois, lge et la provenance.Selon lessence du bois destin au schage, une valeur critique du taux dhumidit permet dedfinir lexistence dun front dvaporation. Au cours dun processus de schage, il existe unezone sche avec un taux dhumidit proche du taux de saturation ( 10%) et une zone humide

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o le taux dhumidit reste proche du taux dhumidit initial aprs entreposage ( 40%). En sebasant sur lexistence du front de schage, nous proposons une analyse simplifie sur le transfertde masse et le transfert de chaleur (Audebert, Temmar, Hammoum, and Basilico, 1997).Jai complt la modlisation du problme de schage avec un modle rhologique o sont prisen considration le retrait libre, la relation entre la contrainte et la dformation instantane(lastique), le fluage induit par le temps (fluage viscolastique) et le fluage induit par la varia-tion dhumidit (fluage mcanosorptif). La loi constitutive du modle rhologique est base surun comportement visco-lastique et lanisotropie a galement t prise en considration dans lamodlisation. Pour les besoins de ltude, le calcul montre quau cours dun schage svre visant abaisser le taux dhumidit de 70% 10%, le matriau peut subir des contraintes internes trsimportantes qui dpassent les valeurs limites en contrainte du bois.Afin dintroduire la notion de contrainte limite, jai propos par la suite une loi de comportement

a) Profils de la contrainte longitudinale b) Profils de la contrainte transversale

Figure 1.5 Evolution au cours du schage du profil des contraintes xx et yy suivant lpaisseurde la planche de bois

lasto-visco-plastique prenant en compte la dpendance des caractristiques du bois en fonctiondu taux dhumidit (Hammoum and Audebert, 1999). Lobjectif de ce dveloppement est derendre plus raliste le comportement mcanique du bois au cours du schage. A partir des carac-tristiques physiques et mcaniques du bois, les travaux de recherche effectus au LERMES ontpermis daffiner la mthode doptimisation du processus du schage sous vide en tenant comptedes contraintes internes dveloppes au cours du schage. Lajustement des paramtres pressionet temprature permet de rduire ainsi le risque de dformation et de fissuration des pices enbois.

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Priode professionnelle La durabilit des matriaux de chaussesEn septembre 1996, jai rejoint lquipe de la Division Structures et Matriaux pour les Infrastruc-tures de Transport (SMIT) du Laboratoire Central des Ponts et Chausses en tant que charg derecherche du ministre. Mon intgration a concid avec lextension des activits du laboratoiresur les liants bitumineux. Lobjectif est de regrouper gographiquement tous les moyens humainset matriels dans le mme laboratoire.Les activits du laboratoire taient cette poque uniquement orientes vers la technique routire(caractrisation des constituants, formulation des mlanges, essais mcaniques et dimensionne-ment). Ces activits sont essentiellement centres sur des approches classiques. Mon position-nement sur le thme principal de la durabilit des matriaux de chausses ntait pas directet comme activit de transition, jai t amen madapter aux activits du laboratoire ( cettepoque, il ny avait pas de moyens pour caractriser et valuer la durabilit des couches superfi-cielles ou pour lancer des travaux sur la fissuration et lautorparation une chelle plus fine).Pour contribuer au dveloppement du laboratoire, jai suivi une formation sur la spectrophoto-mtrie infrarouge transforme de Fourier la Facult des sciences de Nantes. Une formationqui savre utile et efficace car elle ma facilit la mise en place des mthodes didentification etde dosage des lments chimiques contenus dans le bitume. Jai galement labor une base dedonnes des polymres utiliss dans le domaine routier. La prise en main de la spectrophotom-trie infrarouge ft ma premire tche dans le laboratoire. Ensuite, jai poursuivi ma mission dedveloppement du laboratoire des liants avec la mise en place dautres essais de caractrisation(traction directe, pelage, ductilit, etc.). Par rapport mon profil centr sur la modlisationnumrique, cette phase de dveloppement du laboratoire ft une exprience nouvelle et trs en-richissante pour moi.En tenant compte de ma double formation (matriaux et mcanique), mon positionnement scien-tifique sest fait ensuite sur le thme central de la durabilit des matriaux de chausses.

Pourquoi ce sujet de recherche ?Tout simplement, ce sujet constitue une voie dinvestigation intressante pour apprhender lafois, le fonctionnement mcanique des matriaux routiers, les couplages physico-chimiques et ledveloppement doutils exprimentaux et numriques.Depuis les annes 70, les gestionnaires routiers utilisent des rgles empiriques pour dterminerle revtement adquat pour un tronon routier. Ces rgles proviennent de lexprience terrainaccumule depuis plusieurs annes. Pour consolider lexprience acquise, une approche plus ra-tionnelle est ncessaire pour la transmission des connaissances et du savoir-faire. Cette rflexionpermet dexpliquer pourquoi ce thme de recherche prsente potentiellement des possibilits dedveloppement et dinnovation.Abordons lobjectif principal, un tronon routier doit tre optimis pour rpondre aux nouvellesattentes des usagers. Pour y parvenir, les chausses doivent tre correctement dimensionnes,mises en place et entretenues dans les rgles de lart prconises par la technique routire.Mais au del du calcul de dimensionnement et de la mise en uvre dune structure de chausse,sa durabilit dpend galement du choix et de la qualit des matriaux utiliss. Dans notre redinnovation technologique et de proccupations environnementales, la qualit des matriaux etla rutilisation des dchets routiers constituent le terrain dexpression des acteurs du domaineroutier qui proposent des procds de construction performants et durables. Pour amliorer lesprocds actuels tout en respectant les critres environnementaux, il faut favoriser une certainesynergie entre les diffrentes disciplines scientifiques concernes.

Quel est lapport du multi-chelle ?Le muti-chelle, un dernier mot la mode ? Jai utilis lapproche multi-chelle afin de fairele lien entre les phnomnes physiques et mcaniques observables lchelle dune couche de

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chausse ou dun chantillon denrob bitumineux et les aspects physiques et physico-chimiquesdcrits une chelle micromtrique et nanomtrique. Il existe des travaux dans ce sens avec lesmatriaux cimentaires qui dcoulent des recherches sur les approches nanotechnologiques (projeteuropen NanoConex et travaux du groupe RILEM TC197 sur la nanotechnologie dans les ma-triaux de construction). Les nanotechnologies peuvent-elles apporter une avance significativedans le domaine des matriaux bitumineux ? Des rflexions dans ce sens ont t abordes lorsdun workshop qui sest droul luniversit de Floride en 2006 (Partl et al., 2006).Depuis les annes 70, lchelle macroscopique utilise par lingnieur routier a permis de lancerles bases de la technique routire actuelle. Par souci de simplification, on a ainsi assimil len-rob bitumineux un milieu macroscopiquement homogne avec un comportement lastique puisrcemment visco-lastoplastique. Des modles macroscopiques ont t proposs pour dcrire lefonctionnement de la structure (Balay et al., 1998; Heck et al., 1998) et valuer sa dure de vie(Moutier, 1991; de La Roche, 1996; Breysse et al., 2004).Paralllement, la chimie des liants bitumineux sest dveloppe pour apprhender la structuredes bitumes, pour valuer leurs tats rhologiques et leurs volutions dans le temps. Lchellenanomtrique utilise par les chimistes a permis dtablir quelques relations entre la structuredu bitume et ses proprits physiques et rhologiques (Lesueur, 1996). Les recherches entreprisesavec les techniques danalyse modernes (rhomtre, spectrophotomtrie Infrarouge transformede Fourier (Mouillet, 1998; Lamontagne et al., 2001), analyse calorimtrique diffrentielle (ACD),diffraction aux rayons X et fluorescense UV par excitation et mission Synchrones (EES)) ontpermis de caractriser la nature chimique du bitume et de dcrire plus finement le rle joupar les constituants de base du bitume, bien connus sous lacronyme composition S.A.R.A. 1. Alheure actuelle, les progrs accomplis en matire de techniques analytiques permettent de mieuxcomprendre la chimie et la physico-chimie des bitumes, mme sil faut se rendre lvidence quela structure molculaire du bitume reste trop complexe pour tre parfaitement dfinie (Lesueur,2009).Je me suis alors interrog sur le chanon manquant pour complter la comprhension du com-portement des mlanges bitumineux. Il est plus que ncessaire de dvelopper des travaux unechelle intermdiaire pour comprendre non seulement les mcanismes de dformation, de fissu-ration, dautorparation des mlanges bitumineux mais galement construire par la suite unedmarche plus rationnelle qui englobe les matriaux recycls et les matriaux alternatifs. Cestpourquoi, le thme principal de la durabilit des matriaux de chausse doit prendre en comptele caractre multi-chelle du problme.Aprs ce prambule utile pour situer un peu le contexte et la motivation qui mont amens travailler sur ce sujet de recherche, je vais dcrire ici un ensemble de projets de recherche en rela-tion avec la technique routire auxquels jai particip depuis mon entre au Laboratoire Centraldes Ponts et Chausses. Ces travaux de recherche sinscrivent dans les deux axes de recherchedu schma directeur du LCPC que sont la conservation du patrimoine bti correspondant auxinfrastructures et lutilisation des nouvelles technologies.

Afin de prsenter les diffrents travaux et de les situer dans le contexte gnral, jai pris leparti de rdiger des textes introductifs. Jai galement ajout quelques complments concernantdes projets en cours. Jespre que cela facilitera la lecture de ce mmoire. Lensemble de mestravaux sont bass sur les mthodes de calcul et les exprimentations dveloppes et employesau sein du Laboratoire. Je nai pas rappel ici le dtail de ces mthodes, ce qui prendrait tropde place. Mais la plupart des articles cits comportent les points essentiels des dveloppementset des rsultats prsents ici.Pour garder une certaine lisibilit dans la description de mes travaux, je prsenterais donc uni-quement les travaux consolids autour de quelques thmatiques dfinies dans les orientations du

1. S : Satur, A : Aromatique, R : Rsine et A : Asphalthnes

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laboratoire puis jexposerais le projet scientifique que je compte dvelopper et animer lavenir.

Enfin, la dernire partie rcapitule lensemble de ma production scientifique. Jy distingue lesarticles dans des revues comit de lecture (3), les actes de colloques et les communicationsorales prsentes lors des colloques (4), les principales actions de formation et dencadrement (7)et enfin ladministration de la recherche et autres activits scientifiques (9).

Il y a galement les rsultats de recherche issus des contrats avec les industriels (8), une occa-sion dutiliser lexpertise acquise grce aux travaux de recherche mens ici dans des applicationsindustrielles. La plupart de ces contrats concernent les tudes sur les liants modifis avec uneoptimisation des performances et un procd de fabrication. Ces rsultats ne sont pas prsentsdans ce mmoire et nont pas fait lobjet de publications.

Je termine ce prambule en insistant sur le fait que le travail prsent ne se serait jamais fait sansguides scientifiques et pdagogiques, sans chercheurs collgues passionns, sans doctorants mo-tivs, sans industriels comptents, sans techniciens disponibles et sans secrtaires efficaces. Quilset quelles soient de Grenoble, Californie, Montluon, Lyon, Strasbourg, Nantes, Aix-en-Provence,Greenwich, Stellenboch, Santander, Washington, Lausanne, Angers, Rennes, Qubec ou Paris, jeles en remercie trs sincrement.

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1.2 Introduction

Le bitume, matriau issu de la distillation du ptrole, est sans conteste parmi les matriauxles plus rpandus et le plus utilis dans les infrastructures de transport, o il sert de liant auxgranulats pour former un enrob bitumineux. Bien que reprsentant typiquement 5% en massedun mlange bitumineux, son impact sur les performances mcaniques de la couche bitumineuseest considrable (Anderson et al., 1993). Les proprits recherches sont la tenue mcanique froid pour viter les phnomnes de fissuration et la tenue mcanique chaud pour rsister lornirage. La couche de roulement subit la fois lagressivit des charges lourdes avec la pro-blmatique du contact pneumatique-chausse et les conditions environnementales (ensoleillementUV, oxydation par lair, eau et polluants). Nanmoins, la couche de roulement occupe une placeparticulire dans une structure de chausse dans la mesure o lon recherche galement certainesproprits de surface essentielles pour assurer une scurit et un confort de conduite quelque soitles conditions climatiques. Elle constitue ainsi une couche protectrice pour la structure et un bonsupport pour la circulation des vhicules.Le retour dexprience dans lemploi des liants et des mlanges bitumineux dans les couchesde roulement reste relativement limit dans la mesure o les interactions entre les diffrentsphnomnes physico-chimiques et mcaniques sont nombreuses. Nanmoins, une des questionsessentielles laquelle il faut rpondre est la durabilit globale dune couche de roulement entenant compte la fois de lintgrit de la couche vis vis des conditions environnementales etla conservation des proprits de surface.Le thme de la durabilit des couches superficielles ne peut tre trait correctement sans intro-duire la notion dchelle dinvestigation. Mes travaux prennent en compte dune part lobservationavec ltude des phnomnes diffrentes chelles et les exprimentations en laboratoire et sursite. Mes travaux incluent galement le dveloppement de moyens dessai innovants et de mo-dles de prdiction des caractristiques des matriaux, afin de prendre en compte le caractrehtrogne et complexe des mlanges bitumineux. Je prsente donc mes travaux de rechercheselon les trois volets suivants, qui correspondent aux trois chelles dobservation :

1. Volet 1 : Echelle dune structure pour aborder la durabilit des couches superficielles vis vis des efforts tangentiels et des conditions climatiques.

2. Volet 2 : Echelle dun chantillon denrob bitumineux pour dfinir la structure interne dunmlange bitumineux pour une meilleure identification du matriau. Grce aux techniquesdhomognisation, on peut construire un modle pour prdire les proprits mcaniquesdes mlanges bitumineux.

3. Volet 3 : Echelle dun film de bitume au pseudo-contact intergranulaire pour cerner lecomportement du bitume dans les conditions dans lesquelles il se trouve au sein du matriaubitumineux.

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1.3 Durabilit des couches superficielles

1.3.1 Introduction

La prennit des couches de roulement prend en compte non seulement la durabilit des ma-triaux vis vis des pathologies (LCPC, 1998) dont quelque unes seront numres ci-aprs, maisaussi le maintien des proprits dusage des revtements routiers (uni, adhrence, bruit, projec-tion deau, etc..) un niveau satisfaisant pour les usagers. La proccupation des gestionnaires durseau routier consiste alors proposer des solutions durables et conomiquement acceptables etpouvant assurer un bon niveau de scurit et un bon confort de conduite quelles que soient lesconditions environnementales.Rcemment, ces proccupations ont rejoint de nouvelles exigences des pouvoirs publics en matirede dveloppement durable et du respect de lenvironnement. La croissance du transport urbainet priurbain dmontre encore une fois que le transport des biens et des personnes reste, il fautle rappeler, une ncessit pour le dveloppement conomique et social. Lenvironnement et laprservation des ressources naturelles doivent tre pris en compte dans les rgles de conceptiondes infrastructures de transport.Mis part le cas des couches de roulement trs minces, les couches bitumineuses paisses rem-plissent un rle structurel dans la chausse. On peut se reporter louvrage de di Benedettoand de La Roche (1998) pour donner une ide des caractristiques rhologiques et mcaniquesdes matriaux bitumineux utilises dans le domaine des chausses. Pour simplifier, on relveessentiellement trois types de pathologies sur une structure de chausse :

1. La fissuration qui peut-tre soit dorigine thermique, lorsque le matriau subit une varia-tion de temprature importante et qui se traduit par des contraintes de traction dans lematriau, soit dorigine mcanique, par le passage dune charge lourde crant ainsi desefforts de flexion avec des contraintes de traction la base des couches lies (de La Roche,1996; Bodin, 2002). La fissuration dans la couche de roulement constitue un point dentredes eaux de pluie et terme, cette fissure est prjudiciable pour la prennit de la struc-ture. Plusieurs tudes ont montr linfluence des paramtres de composition dun enrobbitumineux (type de liant, teneur en liant et nature des fines) sur le comportement larupture. Toutefois, mme sil a t montr que la fissure qui se propage dans lenrob sedveloppe dans le film de liant collant les granulats entre eux, la contribution de la naturedu liant reste encore mal connue. Une chelle dinvestigation plus fine se rvle ncessairepour aborder ce problme.

2. La dformation permanente des couches de la chausse en gnral et de la couche de rou-lement en particulier. Ce problme est assez proche du comportement lastoplastique desmilieux granulaires lis ou non lis sous sollicitations cycliques. Les graves non traites parexemple sont largement abordes dans la littrature (Hornych et al., 1993; Hicher, 1998;Hicher et al., 1999; Abd et al., 2004).Le risque dapparition des dformations permanentes dans les couches de roulement aug-mente dans les rgions chaudes. Nanmoins, dautres facteurs contribuent favoriser lor-nirage, comme la thermo-susceptibilit du bitume, la forme des granulats, ou encore unedensification insuffisante du squelette granulaire lors de la mise en uvre. Lapparitionde lornirage, mme de faible importance, est synonyme dune multiplication du facteurrisque pour les usagers, avec les problmes daccumulation deau et daquaplaning.

3. Un endommagement avec perte de matriaux la surface des couches de roulement. Deseffets dorigine mcanique et physico-chimique peuvent expliquer ce type de dsordre :i) leffet de leau sur linterface liant-granulat. Ce problme touche particulirement les r-

14

gions pluvieuses ou/et les rgions o les granulats locaux prsentent une mauvaise adhsionavec les liants bitumineux.ii) leffet du gel/dgel qui aboutit terme la formation des nids de poule. Leffet dugel-dgel est bien connu des gestionnaires routiers et la technique routire franaise a sur-mont ce problme. Seulement, les aspects gel/dgel ont rapparu ces dernires annes dansle Nord-est de la France et avec le phnomne du changement climatique et il semble queleffet du gel/dgel peut devenir une des principales proccupations du gestionnaire routier.iii) Enfin, leffet des efforts tangentiels et les arrachements de granulats en surface constatsau niveau des carrefours giratoires et autres points singuliers. Cependant, la reproductionen laboratoire du phnomne darrachement est relativement difficile faire, car non seule-ment il faut faire un choix sur le type dessai qui servira pour le classement des matriauxentre eux mais il faut galement cerner les principaux facteurs qui dclenchent larrache-ment de granulats.

On voit bien que la durabilit des couches de roulement est un sujet de recherche assez vaste etnous avions tent dapporter quelques contributions dans ce sens.Je commence cette partie par un travail sur les aspects structurels avec une charge roulanteisole sous diffrentes conditions de chargement. Sans donner demble au lecteur une descrip-tion complte du problme de contact pneumatique-chausse, je prsente quelques rsultats pourintroduire les effets des conditions de chargement sur une structure au travers dune analyse deltat de contrainte. Ensuite, jaborde les travaux exprimentaux effectus en laboratoire pourexpliquer certaines pathologies observes dans les couches de chausse.

1.3.2 Les effets dune charge roulante sur une structure

Le passage dune charge roulante engendre un tat de contraintes dans la structure. Cet tatde contraintes mcanique dpend de la nature des couches de la structure mais galement descaractristiques de la charge. Les couches bitumineuses se dforment par flexion sous le passage dela charge. Comme les matriaux prsentent un comportement viscolastique, ltat de contraintesdpend de la vitesse de passage de la charge et de la temprature qui rgne dans la structure.Le dimensionnement dune structure est base sur le calcul des paisseurs des diffrentes couchesen fonction du type de trafic, de la portance des sols et des matriaux utiliss. Dans ce cadre,les organismes techniques (LCPC et SETRA, 1994) ont conu un catalogue des structures pourapporter une aide dans la conception dune structure de chausse.

Ce dimensionnement concerne essentiellement les couches de base et les couches de fondationcar ces dernires remplissent la fonction de portance de la structure. Cependant, les couchessuperficielles avec notamment la couche de liaison et la couche de roulement occupent une placeimportante dans le schma de conception des infrastructures de transport. Les couches superfi-cielles constituent une surface dchange de nature mcanique avec les conditions de chargement(freinage, acclration, changement de direction, etc) et une surface dchange de nature physico-chimique avec les conditions environnementales.La collaboration avec lINRETS, lENS de Cachan et LOHR (Projet National du groupe 10 duPredit DEVIN : Durabilit E t Interaction V hicules-IN frastructure) a t loccasion dexami-ner leffet des conditions de chargement (acclration, freinage et roulement libre) sur ltat decontraintes mcanique dans la couche de roulement. A lorigine de ce projet, il y a le conceptde tramway sur pneus qui est prsent comme un systme de transport moderne et adapt lacirculation des personnes dans des villes de taille moyenne et plus grande.Sur ce type dinfrastructure, on adapte la conception de la structure pour tenir compte des sp-cificits propres au tramway sur pneus. Le trac est une de ces spcificits requises pour desservir

15

les quartiers rsidentiels. Nanmoins, avec un trac sinueux, le tramway aura besoin dacclrer,de freiner et de sarrter au niveau des nombreuses stations places sur le trac. La recherchedun compromis entre le temps de parcours du circuit, la desserte locale et la durabilit de lastructure constitue lenjeu principal de ce projet.Plus prcisment, lexprience montre que les effets de variation de la vitesse lapproche desstations et le trafic canalis peuvent influencer la rponse de la structure et terme rduire ladure de vie de la couche de roulement. Le projet DEVIN a donn loccasion aux participantsdtudier la cinmatique et les conditions de chargement du tramway de Clermont-Ferrand. Ceslments serviront simuler la rponse de la structure et valuer les contraintes du trac.Lun des volets du projet DEVIN est consacr ltude des effets des variations de vitesse dansle sens longitudinal (freinage, acclration ou roulement libre) sur la structure.

Afin dobtenir les efforts appliqus par la roue motrice, on utilise le signal acclromtriquelongitudinal en caisse (Figure 1.6). Le signal vitesse relle au sol, mesur par dynamo tachym-trique, est pris comme consigne vitesse fonction de labscisse pour les simulations.

Figure 1.6 Enregistrement du signal acclration longitudinal entre les stations Champratelet Croix de Neyrat

Pour exploiter les courbes, on se rend compte que la difficult consiste bien recaler la consignede vitesse sur le trac. Par prudence, nous avons utilis un systme GPS afin dviter les erreursde positionnement. De mme, on a d prendre en compte les conditions initiales non nulles deleffort horizontal pour intgrer la pente au niveau de la station Champratel. Ceci a entranquelques modifications dans le logiciel VOCOLIN lINRETS pour tenir compte de tous lesaspects lis au projet de tramway.La campagne dessai ralise le mme jour pour deux allers-retours complets le long de la lignedu tramway a permis dobserver que le comportement du conducteur dans la conduite du tram-way peut influencer un peu les rsultats de mesure.Les efforts obtenus sur une roue de lessieu moteur le long des 200 premiers mtres de linter-station Champratel-Croix de Neyrat sont reports sur la figure (1.8). Les courbes de force sontdonnes en fonction de la distance parcourue par le tramway, on voit que la zone o la force hori-zontale atteint une valeur maximale est assez courte, une dizaine de mtres en sortie de station.Cette portion du trac sollicite dans des conditions particulires a t prise en considration.

Ce premier cas retenu comme reprsentatif dun effort tangent lev est obtenu dans une situa-tion o le vhicule acclre 1, 5m/s2, en ligne droite, soit un effort longitudinal par pneu de14000N pour une charge rduite sans doute par le cabrage 36500N (Balay et al., 2008). Lerapport entre leffort horizontal et leffort vertical est de 0, 39. A noter au passsage que leffort

16

y (m)x (m)

x (m)

DAT LO HR S T E 4C N4pm2L22DAT LO HR S T E 4C N4pm2L22DAT LO HR S T E 4C N4pm2L22

z (

m)

0 5-5-10-15-20-25-30-350

2

3

1

VOCOLIN Software - INRETS

-10

-50

-15

-10

1

0

2

3

1

Figure 1.7 Configuration du tramway STE 4 pour la modlisation avec le logiciel Vocolin-INRETS

Figure 1.8 Forces agissant au niveau de lessieu moteur (calcul de dynamique des vhicules-INRETS

de guidage reste faible avec 200N.Les forces engendres par la roue motrice la sortie de la station seront utilises comme donnesdentre pour le calcul des efforts internes dans la structure.Dans la deuxime phase de ce travail, nous avions men les calculs avec les outils numriques lesplus avancs au LCPC (CVCR) (Heck et al., 1998) et VISCOROUTE, (Duhamel et al., 2005;Chabot et al., 2006) pour prendre en compte le caractre viscolastique des matriaux en placeet la cinmatique de la roue sur la structure.Les pressions de contact normale et tangente sous la roue sont considres comme uniformes.Certes, cette considration nest pas raliste mais le travail de reprsentation du champ de pres-sions rel nest pas encore en place pour quil soit exploit ici.Quoiquil en soit, le calcul des efforts internes dans la structure se veut avant tout qualitatifet nous avons considr un cas similaire la structure utilise sur le circuit de tramway deClermont-Ferrand, constitue dune couche de roulement BBME de 7cm et dune couche de baseavec un enrob module lev, de 19cm dpaisseur au total, dune couche de GNT de 30cmet dun sol de portance moyenne. Les matriaux non lis sont supposs lastiques linaires etles couches bitumineuses assimiles un matriau viscolastique sont dfinies par le modle de

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Huet-Sayegh (Hammoum et al., 2010).La simulation numrique montre que la dflexion verticale en surface semble dpendre prin-

cipalement de la vitesse du vhicule. La couche de roulement est soumise une dflexion plusmarque lorsque le tramway avance une vitesse rduite lapproche et au dpart de la station.Par contre, la dflexion verticale semble peu influence par les effets dus aux variations de lavitesse (acclration et freinage).

250

200

150

100

50

0

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

X (m)

Uz (

x, 0.0

, 0.0

) (

m)

Free rolling (9 km/h)

Deceleration (9 km/h)

Acceleration (9 km/h)

Free rolling (40 km/h)

z

x

V

Ai

Figure 1.9 Dflexion sous la roue en fonction des conditions de chargement ( = 20C)

Lexamen des champs de contrainte dans la couche de roulement rvle un effet majeur de laforce horizontale due aux changements de vitesse du tramway. La contrainte de cisaillement xzsemble dpendre directement de la cinmatique du vhicule. Contrairement au roulement libreo la contrainte xz est localise au voisinage des bords du pneumatique, les changements devitesse se traduisent ainsi par une contrainte de cisaillement non ngligeable et rpartie sur toutela surface de contact. Ces efforts de cisaillement qui " ptrissent " le matriau sajoutent leffetde la seule contrainte verticale et peuvent expliquer dans certains cas lapparition des dforma-tions permanentes. La contrainte longitudinale xx est galement affecte par les conditions de

0.0-0.5-1.0 0.5 1.0

0.0

-0.2

-0.3

-0.1

0.1

x (m)

(x

, 0

.0,

0.1

75

) (M

Pa

)x

z

Free rolling (9 km/h)

Deceleration (9 km/h)

Acceleration (9 km/h)

Free rolling (40 km/h)

0.2

0.3

z

x

Ai

V

Figure 1.10 Effets des conditions de chargement sur la contrainte de cisaillement dans lacouche de roulement ( = 20oC)

18

chargement. Une acclration ou un freinage accentue un peu plus la contrainte longitudinalexx.

0.0-0.5-1.0 0.5 1.0

0.0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

x (m)

(x

, 0

.0,

0.1

75

) (M

Pa

)x

x

Free rolling (9 km/h)

Deceleration (9 km/h)

Acceleration (9 km/h)

Free rolling (40 km/h)

z

x

Ai

V

Figure 1.11 Effets des conditions de chargement sur la contrainte de cisaillement dans lacouche de roulement ( = 20oC)

Le seul examen de ces tats de contraintes ne rend toutefois quimparfaitement compte dufonctionnement sous trafic des couches bitumineuses dans les structures de chausse. Notamment,ils ne rendent pas compte, en un point donn, de lhistorique de chargement ou du chemin decontraintes li, lapproche puis lloignement dune charge roulante (Heck, 2001).

Pour donner une ide plus prcise au lecteur sur ltat de contraintes sous une charge roulante,on propose la reprsentation tensorielle des tats de contrainte, dj adopte dans la thse de J-VHeck (Heck, 2001). Sans dnaturer exagrment le phnomne, nous convenons de restreindre ladescription partir des invariants classiques p, q de la Mcanique des Sols ou des Roches, o pest la pression moyenne et q la contrainte dviatoire, associes au tenseur de contrainte en unpoint donn de la chausse.

Afin de mieux saisir la globalit du phnomne au passage dune charge, nous adoptons dansle plan (p, q) une reprsentation de type " chemin de contraintes ", obtenue par limination enun point donn M, de la variable temps t, entre les quantits p(M, t) et q(M, t). La constructionde ces chemins de contraintes est particulirement simple dans le cas prsent de ltude dunesection courante de chausse o un unique calcul, opr dans le repre de la charge roulante,suffit. Si x dsigne laxe de la chausse et si les coordonnes du point M sont (x, y, z), le cheminde contraintes sobtient en liminant x entre les quantits p(x, y, z) et q(x, y, z), y et z fixs. Onrappelle que tout autre point M de coordonnes (x, y, z) voit le mme chemin de contraintesque M .

Par convention, nous considrons toujours dans la suite, contraintes et dformations ngativesen traction (resp. en extension) et positives en compression (resp. en contraction).

Les travaux proposs dans ce sens dans Hammoum et al. (2010) comblent en partie le manquedinformation sur les effets des conditions de chargement dans le plan bidimensionnel (p, q). Lafigure (1.12) illustre les chemins de contraintes engendrs aux points Ai diffrentes profondeursZ au passage de la charge isole. Les chemins sont obtenus par reprsentation paramtrique dansle plan (p, q) des quantits p(t) et q(t), aux points Ai lorsque la charge roulante se dplace lelong de laxe de la chausse de + - .Les courbes de la figure (1.12) sont typiques des chemins de contraintes obtenus au voisinage dela surface des chausses. Elles prsentent dans le plan (p, q) lallure dune demi-sinusode tron-que dans sa partie descendante. Le point est obtenu la verticale du centre de la charge. Le

19

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

p (x, 0.0, 0.0175) (MPa)

q (

x,

0.0

, 0

.01

75

) (M

Pa

)

Free rolling (9 km/h)

Deceleration (9 km/h)

Acceleration (9 km/h)

Free rolling (40 km/h)

z

x

V

Ai

Figure 1.12 Chemin de contraintes dans le plan (P,Q) au voisinage de la surface des chausses( = 20oC)

sommet est obtenu, quant lui, pour les points situs approximativement au voisinage de lapriphrie de la charge. Tout au long du dplacement de la charge roulante, le matriau subit unepression de confinement correspondant une compression. Les conditions de chargement influentsur le degr de confinement, reprsent par le paramtre p, mais les effets sont plus visibles surla partie dviatorique. La valeur maximale du dviateur q subit une augmentation de lordre de55% lorsque la roue freine ou acclre. Les travaux mens dans ce sens montrent que leffet desconditions de chargement augmente au fur et mesure quon sapproche de la surface.

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

p (x, 0.0, 0.0175) (MPa)

q (

x,

0.0

, 0

.01

75

) (M

Pa

)

Free rolling (9 km/h)

Deceleration (9 km/h)

Acceleration (9 km/h)

Free rolling (40 km/h)

z

x

V

Ai

Figure 1.13 Chemin de contraintes dans le plan (P,Q) au voisinage de la surface des chausses( = 40oC)

Lorsque la temprature passe de 20C 40C, les valeurs de la contrainte sont plus faibles, maissurtout la partie dviatorique aprs le point est plus marque. Lorsque la charge sloigne, lerapport P/Q diminue avec laugmentation de la temprature. La valeur maximale du dviateurq subit une augmentation de lordre de 69 % lorsque la roue freine ou acclre. Certes, les valeursde la contrainte sont plus faibles, mais lcart constat est encore plus grand avec laugmentationde la temprature.Comme on peut sy attendre, les rsultats proposs dans Hammoum et al. (2010) montrent quil

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y a peu damplitude du dviateur la base dune couche structurelle et donc peu de rotationde contraintes et que le tenseur de contraintes conserve, quelle que soit la position de la charge,la typologie caractristique dune traction biaxiale dans le plan horizontal, associe la flexiondune plaque.Lorsque la temprature passe de 20C 40C, les valeurs de contraintes sont plus faibles et leschemins de contraintes sont peu prs superposables. Avec laugmentation de la temprature,les effets des conditions de chargement une profondeur plus importante sont peu significatifsen comparaison avec la couche superficielle.On voit bien, au travers de cette tude, que les conditions de chargement affectent essentiellementla couche superficielle. Les effets combins de la temprature et des conditions de chargementdoivent tre pris en compte lors dune tude en laboratoire.Pour les charges multi-pics, il serait utile dexaminer limpact du cumul des charges sur le cheminde contraintes. Si lon tient compte du temps de relaxation relativement long du matriau vis-colastique vis vis du temps de passage de la charge, on peut supposer que laccumulation descharges avec un multi-essieu peut modifier dune manire significative le chemin de contraintesdans le plan (p, q).Actuellement, il nexiste pas encore dappareils de laboratoire susceptibles de solliciter de manirehomogne des prouvettes de matriau, pour des historiques de sollicitation aussi complexes queceux observes prs de la surface de la chausse. Il nexiste donc pas de rponse exprimentalecomplte aux questions que nous nous posons au regard du comportement visco-lasto-plastiquedes enrobs bitumineux et des conditions de chargement.Toutefois, on peut, en parallle, proposer des tudes exprimentales reposant sur des chemins decontraintes plus simples, tirer certaines interprtations des historiques prsents et comprendrele fonctionnement des couches de surface dans une structure.

1.3.3 Les effets dune force tangentielle sur une couche de roulement

Nous avons vu prcdemment que les conditions de chargement peuvent jouer un rle im-portant dans le comportement mcanique de la couche superficielle dun tronon urbain pourtramway sur pneu. Il faut galement mentionner que nous pouvons rencontrer des conditionsde chargement similaires sur le rseau routier en gnral et au niveau des points singuliers enparticulier.Cependant, la question sur la quantification des effets des conditions de chargement dans lespoints singuliers reste ouverte et nous nous sommes alors penchs sur les questions lies aux ef-fets des conditions de chargement quon reprsentera ici par une composante horizontale ou forcetangentielle aux abords des points singuliers dans le cadre dun projet de recherche dnomm"TriboRoute".

Introduction

Les points singuliers soumis la circulation des poids lourds ont fait lobjet de plusieurstudes traitant des aspects lis la circulation routire et au trac gomtrique, dans lesquellesla mcanique de surface est totalement absente. Il suffit pourtant dobserver les chausses desouvrages existants pour constater quelles sont parfois le sige de dgradations importantes dsles premiers mois de mise en service. Ces points singuliers posent alors des problmes dentretienaux gestionnaires routiers et par la mme occasion une certaine gne aux usagers pendant lestravaux.Examinons ce problme de plus prs : En section droite, la surface de la chausse volue au jeunege avec un dcapage du bitume prsent sur les granulats et un rarrangement des granulats lesuns par rapport aux autres sans perte de matriau. Les variations saisonnires et la susceptibilit

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thermique des liants interviennent sur le rarrangement des granulats en surface.Cependant, il existe aussi un autre type de rarrangement de granulats plus rapide et accentupar les sollicitations tangentielles des pneumatiques dans les points singuliers. Dans certainesconditions, qui restent expliciter, ces efforts tangentiels peuvent donner lieu la formationde plis la surface dans les zones de freinage ou simplement un dplacement horizontal desgranulats avec ou sans dpart de matriau.Les zones concernes par le problme darrachement ne constituent pas des cas isols mais cor-respondent potentiellement tous les points singuliers (giratoire, courbe serre, intersection,etc.) o la couche de roulement peut subir des efforts tangentiels intenses lors des manuvresdes conducteurs (freinage, acclration, changement de direction). Selon les caractristiques desurface de la couche de roulement, ces efforts peuvent produire soit :

1. Une rupture brutale dans le mastic (ou le liant) et un dchaussement du granulat (lephnomne peut se produire froid par rupture fragile ou chaud si lnergie de cohsionest insuffisante). Cette description se retrouve principalement sur les surfaces texturepositive comme les enduits superficiels ou les textures trs ouvertes comme les enrobsdrainants.

2. Un endommagement progressif aprs un nombre important de passages de charge roulanteavec, terme, un dpart de matriau. La prsence de leau est un facteur aggravant. Onretrouve la grande famille des enrobs qui prsentent une surface texture ngative plusou moins ferme avec les semi-grenus, les enrobs minces et trs minces.

Au del des aspects strictement matriaux qui seront traits ici, il faut savoir que lendomma-gement de surface peut-tre favoris ou acclr par les dfauts de mise en uvre (matriausous-compact, sgrgation locale, enrobage insuffisant des granulats, mauvaise jonction au ni-veau du joint longitudinal, etc.).Examinons ce qui a t entrepris dans le domaine pour apprhender le phnomne darrache-ment. Le mange Total constitue lune des premires tentatives pour apprhender le problmedarrachement en laboratoire (Jolivet and Malot, 1999). Les tudes menes dans ce sens montrentquil existe bel et bien une dpendance vis vis du liant mme si le protocole exprimental a tadapt pour faciliter le phnomne darrachement (rduction de la teneur en liant et compacitplus faible). Les bancs dessais classiques avec une roue muni dun bras permettant dimposer unfreinage ou un angle denvirage ne remplissent pas certaines conditions pour reproduire le ph-nomne darrachement sur site. Prenons le cas dun mange muni dune roue, la force centrifugeest reprise par le bras qui relie la roue laxe de rotation et leffort de cisaillement engendr parlangle de drive nest pas contrl.On recense galement lessai Cantabro (Jimnez and Recasens, 1993) qui est un essai de choc.Dun point de vue mcanique, lessai relativement empirique est trs loign du problme decontact roue-chausse et ne peut fournir un indice de performance pertinent par rapport ladescription du phnomne darrachement.Au travers de ces exemples, il apparat un besoin dun test pertinent et raliste. Un test avec lapossibilit de contrler quelques paramtres pour en dduire certaines interprtations en relationavec le terrain.Dans le cadre dune collaboration avec le Professeur Pierre-Yves Hicher de lEcole Centrale deNantes, un financement de thse associant la rgion Pays de Loire et le LCPC a pu tre obtenupour permettre Monsieur Hamlat de travailler sur lvaluation de la rsistance aux efforts tan-gentiels des enrobs bitumineux.La thse de Smail Hamlat (Hamlat, 2007) rattache lEcole Doctorale MTGC de luniversitde Nantes a t ralise la division SMIT du Laboratoire Central des Ponts et Chausses souslencadrement du Professeur Pierre-Yves Hicher et moi-mme. Ce travail a dbouch en mars2007 une soutenance de thse.

22

Principe de lessai retenu pour reproduire les efforts tangentiels en laboratoire

Le dmarrage de la thse concide avec la mise au point dun moyen dessai innovant propospar Stfani (Stfani, 2000). Cet essai est capable de reproduire en laboratoire le phnomne dedgradation de surface par arrachement. La phase conception du moyen dessai quon peut as-similer un tribomtre particulier a mobilis une quipe projet de 7 personnes (ingnieurs ettechniciens) pour prendre en compte la fois les aspects techniques et pratiques quexige un telprojet. Ce travail original a dbouch sur un brevet international (No FR 06 50 054 du 06 janvier2006).Contrairement aux tribomtres usuels, qui imposent un dplacement relatif, le nouvel essai,

HF

FV

Echantillon fixeCapteur

de

force

Bande de gomme

(68Shore)

Force impose

F = Fo + F SIN ( t)

Position haute

Position basse

Position

intermdiaire

Zone d'action

Un

pa

ssa

ge

du

pa

tin

sur

la z

on

e d

'act

ion

Patin logarithmique

Figure 1.14 Principe de lessai retenu pour lvaluation de la rsistance aux efforts tangentiels

utilis pour la premire fois durant ce travail de thse, permet de maintenir un niveau de charge-ment contrl quel que soit ltat de dgradation de la surface. Plus prcisment, lutilisation dunapplicateur de charge dont la forme suit une loi logarithmique permet de maintenir le couple deforce (verticale et horizontale) avec un rapport quasi-constant quelle que soit la position du pa-tin logarithmique(figure 1.14). On aura compris que linnovation principale provient de la formeparticulire du patin de gomme. Elle constitue en quelque sorte un lment de rponse pourreproduire en laboratoire un trajet de chargement relativement complexe.On impose une force de contact cyclique sans changement de signe, dinclinaison dtermine,pour provoquer une dgradation de surface par dchaussement ou bris de granulats ; le patin neglisse que par -coups la survenue de tels vnements, la zone de contact se trouve alors automa-tiquement dcale vers larrire et les dbris jects dans la direction oppose. Le patin attaqueainsi successivement diverses bandes troites dun long rectangle sans interposition de dbris.Lorsque le vrin atteint sa bute basse, la phase cyclique est arrte. Cette phase correspond un passage de lapplicateur de charge.

Mise en uvre de lessai

Le dispositif dnomm Tribomtre pour Revtement Routier (T2R) ou LCPC Raveling tes-ter est un banc dessai deux axes perpendiculaires, pos sur un socle rigide et lourd (figure1.15). Il se compose dune colonne verticale contrevente supportant lensemble (applicateur decharge et vrin verticale) et dune table horizontale sur roulement. Cette table peut accueillir uneprouvette paralllpipdique (185 mm x 247 mm) ou une carotte de chantier de diamtre gal 300 mm. La hauteur des prouvettes nexcde pas 150 mm. Lapplicateur de charge de largeurgale 140 mm, est revtu dune gomme de 8 mm dpaisseur, de caractristiques rhologiquesproches de celles de la bande de roulement des pneumatiques (figure 1.15). Cette gomme prsente

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Vrin verticale

Capteur de force Fv

Echantillon tester

cylindrique ou paralllpipdique

Capteur de force Fh

Applicateur de charge

de forme logarithmique

Bande de gomme

sculpte (paisseur 8mm)

Table

sur roulement

Figure 1.15 Vue densemble du dispositif dessai pour valuer la rsistance aux efforts tan-gentiels

sur sa surface des sculptures en forme de losanges et sa duret temprature ambiante est de 68Shore environ. Le systme de pilotage du banc dessai prvoit les deux types dasservissement :soit un contrle en force pour les essais darrachement, soit un contrle en dplacement du patinpour dautres types dessai. Lessai de rsistance aux efforts tangentiels consiste appliquer unecharge moyenne reprsentant la sollicitation dun pneumatique de poids lourd sur le revtement.Le glissement de la gomme est obtenu partir dune modulation de la charge verticale autourdune valeur moyenne.

Le banc dessai est muni de capteurs de force, de dplacement et de temprature. Le dplace-ment du vrin vertical traduit le glissement sporadique ou rpt du patin. La force horizontalesubie par lchantillon est enregistre tout au long de lessai, traduisant ltat du contact mca-nique entre le patin de gomme et le revtement prouver.Le protocole dessai comporte trois phases dont une pour lvacuation des dbris produits ven-tuellement au cours des sollicitations :

Phase de prchargement : Le patin est mis en contact avec la surface du revtementpar application dun dplacement impos. Puis, on passe un asservissement en force pourpoursuivre le chargement sur lchantillon jusqu atteindre la force verticale moyenneimpose. Le temps daccrochage ncessaire reste en moyenne gal 40 s. Les conditionsdaccrochage dpendent de ltat de surface du revtement, de la rigidit des matriaux encontact et de la temprature de lessai.

Phase de chargement cyclique : Une fois la consigne atteinte, on impose une sollicitationsinusodale dont lamplitude a t fixe 1/3 de la force moyenne pour assurer un bonaccrochage du patin, savoir une vitesse de glissement stable et un frottement le pluslev possible. La charge verticale moyenne est fixe 2500 N de manire reproduire unepression de contact apparente quivalente celle produite par un poids lourd. La frquencede sollicitation est gale 1 Hz. Partant dune position haute du patin note Ph et duneposition basse du patin note Pb, le patin sollicite la surface de lprouvette sur une longueurLs gale la diffrence entre les positions limites du vrin vertical Ph Pb. Sur une surface

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contenant des granulats de taille D, il faut sassurer que la longueur sollicite soit au moins8 fois la taille D du plus gros granulat. Les dimensions du patin sont fixes de telle manire tester tous les types de revtements utiliss sur le rseau routier. Le patin logarithmiqueeffectue un passage sur une longueur Ls pendant un temps dtermin ts. La vitesse deglissement moyenne du patin entre les deux positions Ph et Pb est Vmoy = Ls/ts.

Phase de relvement du patin : Le patin est replac en position haute. Cette positionpermet de dgager un espace de lordre de 15 mm sous le patin pour vacuer ventuellementles granulats arrachs laide dun systme djection par air comprim. Ce systme estplac la mme hauteur que la surface de lprouvette afin que lair comprim puissebalayer la surface de lprouvette avec un angle rasant. La pression de sortie doit tre aumoins gale 0.6 MPa de pression. Cette phase dure environ 10 s. Aprs le nettoyage de lasurface, on relance lessai avec la mme force de contact cyclique. Cette procdure dcriteavec les trois phases est rpte le nombre de fois ncessaire lobtention dun certain degrde dgradation (figure 1.16). Lessai doit tre effectu sur au moins deux prouvettes poursassurer de la rponse du matriau.

Contrle en force Contrle en

dplacement

Prchargement force Fo Chargement cyclique Relevement du patin, vacuation des dbris

Dp

lace

men

t v

erti

cal

(mm

)

Fo

rce

ver

tica

le F

v (

N)Position haute

du patin logarithmique P

Position Basse

du patin logarithmique P

Temps

F = Fo + F Sin (t)

90

90

90

90

Figure 1.16 Protocole de lessai de rsistance aux efforts tangentiels avec les trois phases

Lessai de rsistance aux efforts tangengiels prsente une bonne rptabilit. Pour obtenir desessais rptables sur une formule denrob bitumineux, il faut respecter les deux points suivants :

Les chantillons doivent avoir la mme compacit et doivent prsenter la mme texture ensurface.

Lors des essais, il faut sassurer que la temprature est constante et que la vitesse deglissement moyenne dun essai un autre est comparable.

Action mcanique du patin logarithmique sur un chantillon

Examinons laction mcanique du patin logarithmique sur des chantillons denrob bitumi-neux. On sintrroge alors sur les efforts internes engendrs par la passage du patin la surfacede lchantillon.La visualisation des efforts transmis par le patin logarithmique lchantillon est ncessaire pourvaluer les niveaux de dformations dans lchantillon et expliquer ainsi lendommagement desurface. Comme la structure interne du matriau est relativement complexe, nous nous sommestourn vers une technique de mesure de champ de dplacement par corrlation dimages car ellepermet de fournir des informations assez prcises de ce qui se passe sous un patin qui acclre

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ou qui freine.En collaboration avec le Laboratoire de Mcanique et de Technologie de Cachan, nous avons misen place un dispositif exprimental de mesure par corrlation dimages ; constitu dune camraCCD de rsolution (1280x1024) pixels munie dun objectif adapt (Figure ). La zone de mesureest claire de manire restituer une image relativement claire de la surface de lchantillon.Pour la mesure et lexploitation, nous avons utilis le logiciel danalyse des champs de dplace-ment (Correli) (Berthaud et al., 1998; Cuisinier et al., 2006) pour obtenir la rpartition du champde dplacement engendr par laction du patin logarithmique. Cette mthode permet de mesurerle champ de dplacement suivant un plan vertical au droit du patin logarithmique. Nous avonscomplt le systme de mesure avec un capteur de dplacement pour mesurer le dplacementhors plan en un point.Le principe de corrlation dimages est bas sur la construction dune grille virtuelle dans lazone de mesure ROI "Region Of Interest" de limage numrise (Figure 1.17 ). Le dplacementde chaque point de la zone de mesure ROI correspond la valeur moyenne du dplacement ducentre de la zone dtude appele ZOI "Zone Of Interest". Si lon considre une zone dtudeplus grande que la taille des granulats avec des valeurs de ZOI de 128x128 pixels, on obtientune vision macroscopique du champ de dplacement.Pour rcapituler la mthode de mesure, la dtermination du champ de dplacement repose surles trois tapes suivantes :

1. Dfinir la zone de mesure "ROI" qui nest pas ncessairement toute limage acquise.

2. Dcouper la zone de mesure en zones dtudes "ZOI" plus petites avec un choix sur lataille de la zone dtude.

3. Calculer le coefficient de corrlation des zones dtude.

90

45,0

BBTM 0/10 : Image 12

Zone dtudeZOI

Centre de la zone dtudeZOI

Zone de mesure

ROI

Dplacement vertical U2

Fh

Fv

Mesure du dplacement local

par corrlation dimage

75 mm

60

mm

Image 12

1

2

D

pla

ce

me

nt ve

rtic

al U

2 (

mm

)

Temprature : 19 C

Figure 1.17 Principe de corrlation dimages et dfinition des zones de mesure ROI et dtudeZOI

La figure 1.17 dcrit la position de la zone de mesure ROI qui reste fixe tout au long desessais et la position du patin un instant bien dtermin. Nous avions men les essais sur deuxmatriaux de granulomtrie diffrente avec un enrob bitumineux discontinue (BBTM 0/10)prsentant une porosit de 23% et un autre matriau du type (BBTM 0/6) avec une porosit de

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18%. Pour une mme nergie de compactage, la porosit dun matriau dcoule de la discontinuitprsente dans la courbe granulomtrique dun matriau. De mme, la surface spcifique totaledes granulats dun BBTM (0/6) est plus grande que la surface spcifique totale dun BBTM(0/10). En effet, pour une teneur en liant identique sur les deux matriaux, lpaisseur du liantautour des granulats est moins importante sur le BBTM (0-6). On peut alors sattendre uneplus grande concentration des efforts internes sur le matriau de granulomtrie (0/6).On impose un dplacement au patin logarithmique de type pente-palier puis on mesure lestrois composantes du champ de dplacement dans la zone de mesure (75 mm X 60 mm). Atitre dexemple, on effectue la corrlation sur limage 12 dun enrob de granulomtrie 0/10 parrapport limage de rfrence prise avant chargement. Limage 12 correspond un niveau dechargement de lprouvette avec une force verticale de 3070 N . Ce qui correspond une pressionmoyenne verticale de 0.7 MPa sur laire de contact entre le patin logarithmique et la surface delchantillon.

Figure 1.18 Champ de dplacement vertical U2 mesur au passage du patin logarithmique Fv= 3070 N

Lexamen du champ de dplacement vertical (figure 1.18) montre que lenveloppe du champ dedplacement est incline suivant un angle impos par le patin logarithmique. Cette figure fournitun aperu macroscopique du champ de dplacement si lon tient compte de la taille de la zonedtude. Ce champ diminue rapidement avec la profondeur pour atteindre des valeurs trs faibles 60 mm de la surface de contact. A cause de la visco-lasticit du matriau, cette zone dactiondiminue galement avec la vitesse de passage du patin (Cuisinier et al., 2006).Lanalyse du champ de dplacement horizontal U1 semble tre une bonne mthode pour examinerle rle du squelette granulaire dans la transmission et la diffusion des efforts horizontaux. Sur lafigure 1.19, lexamen du champ de dplacement horizontal sur les deux matriaux montre que larpartition dpend bel et bien de la granulomtrie du matriau. Malgr une paisseur de liantplus importante, on remarque que le gradient de dplacement est plus marqu avec le matriaude granulomtrie 0/10. On peut dduire que la rpartition des efforts internes dpend de la tailleDmax du granulat. On peut supposer aussi que la localisation est encore plus accentue lorsquele squelette granulaire prsente une discontinuit au niveau de la courbe granulomtrique ouune porosit importante. Des tudes complmentaires seront utiles pour complter ces premiresobservations.

On reporte sur la figure 1.20, la composante de dformation 12 traduisant le cisaillement dans

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X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

X (mm)

Z (

mm

)

10 20 30 40 50 60 70

10

20

30

40

50

600

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

BBTM 0/10 (bitume pur)BBTM 0/6 (bitume pur)

Champ de dplacement horizontal - Effet de la granulomtrie

Figure 1.19 Champ de dplacement horizontal U1 mesur au passage du patin logarithmiquesur deux formules denrob

le matriau. On observe alors prs de la surface de contact, un gradient de dformation localisdans le mastic, la dformation maximale de lordre de 1% est localise sous le patin uneprofondeur qui correspond la taille Dmax du granulat. Le matriau est-il ce stade, encoredans son domaine de comportement viscolastique rversible ? Les mesures effectues montrent

Composante 12

Figure 1.20 Champ de dformation 12 mesur au passage du patin logarithmique

bien que les dformations sont importantes dans la zone proche de la surface. Dautres calculs decorrlation avec une zone dtude de 16x16 pixels, plus petite que la taille des granulats montrentnettement que les gradients de dformations sont localiss dans la phase du mastic ou du liant.Il semble bien que les performances mcaniques du liant joue un rle cruciale dans la prnnitde la couche de roulement.Les observations et les tudes menes au niveau du rseau technique du ministre sur le problmedes arrachements confirment bien le rle primordial de la nature du liant sur la rsistance auxefforts tangentiels et que le choix du liant est encore plus dterminant avec la taille Dmax dugranulat. Par consquent, les mesures ralises avec la corrlation dimage corroborent bien avecles observations sur le terrain.Ce travail tend confirmer que la performance exige pour les liants destins aux couches deroulement dpend non seulement de la charge impose par le trafic des poids lourd mais dpend

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galement du squelette granulaire dfini par sa compacit et sa granulomtrie.

Effet de la nature du liant sur la rsistance aux arrachements

Pour une mme formule granulomtrique, peut-on tablir un classement dun ensemble deliant bitumineux sur le critre rsistance aux efforts tangentiels ?A titre dapplication, des essais darrachement ont t raliss sur un ensemble de liants decaractristiques trs diffrentes. En premire approximation, on montre que larrachement crotlinairement avec les cycles de chargement et dpend en grande partie des caractristiques duliant (Hamlat et al., 2007).

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Nombre de cycles de chargement

Pe

rte

de

mas

se p

ar u

nit

d

e s

urf

ace

so

llici

te

(K

g/m

2)

Bitume A

Bitume B

Bitume CBitume DBitume A

Bitume C

Bitume B

Bitume D

Classe III

Classe I

Classe II

Figure 1.21 Rsistance larrachement des enrobs bitumineux : effet de la nature du liant

Nous nous sommes alors poss la question sur la proprit du liant capable de donner une in-dication sur cette rsistance aux arrachements. La rponse nest pas simple car il existe beaucoupde tests sur liant qui sont utiliss pour classer, identifier le caractre viscolastique et valuer lesperformances mcaniques, mais il nexiste pas de test sur liant permettant de se fixer une idesur cette rsistance aux arrachements.

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Pour avancer sur ce sujet, de nombreuses exprimentations ont t menes sur lenrob bitumi-neux afin dvaluer le potentiel de ce nouvel essai et rechercher la ou les proprits des liants enlien avec la rsistance aux arrachements.Ainsi, nous avons test la plupart des formules denrob bitumineux utilises dans les couches deroulement en France et en Europe. Certaines exprimentations proviennent de contrats passsavec les ptroliers et les entreprises routires. Sur la base des essais raliss, nous avons ainsipropos trois classes de rsistance avec : la classe I pour les matriaux de grande rsistance,la classe III pour les matriaux de faible rsistance aux efforts tangentiels et enfin la classeintermdiaire II dont les matriaux offrent une rsistance plutt moyenne.Globalement, nous navons pas pu trouver un essai sur le liant seul capable de traduire la r-sistance aux arrachements. Toutefois, la recherche de corrlations a permis de proposer lnergieconventionnelle 200% obtenue partir dun essai de traction H2 . Mme sil y a une tendanceplus ou moins prcise sur un ensemble de produit bitumineux. Cette recherche de corrlationsemble dlicate si lon tient compte de lquivalence temps-temprature. Les tentatives infruc-tueuses pour trouver un essai sur le liant seul conforte lide que lessai darrachement sur lesmlanges bitumineux reste essentiel pour valuer la rsistance lendommagement de surfacepar arrachement de granulats. La rsistance aux arrachements doit tre value directement surun enrob bitumineux pour prendre en compte la compacit, la rpartition du bitume, la tailleDmax des granulats et larrangement granulaire.

Pour avancer dans la comprhension du problme darrachement, une tude dtaille sur lechamp de dformation local est essentielle pour valuer la localisation des dformations sous unesollicitation mcanique. Ce point sera abord dans le paragraphe 1.4.5 du volet 2.Dautres exprimentations ont t ralises pour valuer les effets combins des efforts tangentielset de la sensibilit vis vis de leau. Cette tude a t mene dans le cadre dune collaborationscientifique entre le LCPC et luniversit dAnvers (Artesis College of Antwerp) (Seghers et al.,2010).

Conclusions

Lessai de rsistance aux efforts tangentiels constitue une mthode raliste et pertinente pourtudier en laboratoire la tenue sous circulation des enrobs de surface dans des conditions contr-les. Le moyen dessai propos possde de nombreux avantages car il permet de maintenir unniveau de chargement stable quel que soit ltat de dgradation de la surface. Lasservissement delapplicateur de charge ne ncessite quun seul vrin et le phnomne darrachement ne se produitque dans un seul sens par dchaussement de granulats. Les possibilits dtude sont nombreuseset lexploitation des rsultats des essais darrachement permettra de rpondre aux interrogationssur le choix des matriaux et loptimisation des mlanges (effet de la granulomtrie, de la naturedu liant, de ladhsion liant/granulat, de leffet de la compacit, etc.).Ltude des conditions de chargement dans la couche superficielle a permis de proposer un essaidarrachement comme un essai mcanique spcifique aux enrobs de surface pour valuer nonseulement leffet de la force tangentielle mais galement les effets des conditions environnemen-tales (oxydation par lair et rayonnement solaire, prsence de leau et ventuellement des produitschimiques) sur la durabilit des revtements routiers.Les exprimentations qui sont menes jusqu maintenant permettent dapprcier lapport de cemoyen dessai lvaluation des liants bitumineux. A la lumire des rsultats obtenus, le nouveaumoyen dessai propos constitue un outil intressant pour tudier les caractristiques mcaniqueset tribologiques des revtements utiliss dans les couches de roulement des infrastructures detransport.

30

1.3.4 Les effets des conditions climatiques sur les enrobs bitumineux

Dans le cadre des programmes de coopration et dchanges Franco-Amrique Latine (Pro-gramme de coopration Post-gradue Franco-Colombien) de dure limite (1998-2003), un finan-cement a pu tre obtenu pour permettre Monsieur E. Castaeda Professeur de lUniversitindustrielle de Santander BucaraManga de sjourner en France et de se former aux mthodesdtudes et de recherches sur les chausses franaises.La thse dEduardo Castaeda rattache luniversit de Nantes a t ralise dans la di-vision SMIT du Laboratoire Central des Ponts et Chausses sous lencadrement de MonsieurChristian Such et moi-mme pour la partie modlisation. Ce travail a pu tre ralis tempspartag et a dbouch en novembre 2004 la soutenance dun mmoire qui a reu les vivesflicitations des membres du jury.Compte tenu du climat particulier de la Colombie (tropicale pour sa majeure partie), on enre-gistre des hauteurs de pluie annuelles 10 fois suprieures celles habituellement observes enFrance. Dans les pays tropicaux, les enrobs bitumineux prissent rapidement par pntrationde leau et par dsenrobage (rupture de liaison entre granulats et film de bitume). La plupartdes essais traditionnels sont destructifs et ncessitent de nombreuses prouvettes pour qualifierune formule denrob. De plus, la rsistance et la rigidit des matriaux bitumineux sont altrespar les processus thermiques de conditionnement. Des interprtations htives ou errones de lasensibilit leau des enrobs peuvent tre alors donnes si lon ne prend pas suffisament de pr-cautions exprimentales. Dans le registre des essais destructifs, il y a la contribution de Gubleret al. (2005) qui prsente une comparaison entre les diffrentes mthodes dessai utilises pourvaluer la susceptibilit leau des enrobs bitumineux. Les enrobs avec une teneur en videspeu leve prsentent des dommages moins importants ce qui est probablement d au fait quela quantit deau pouvant pntrer dans les prouvettes est faible (Gubler et al., 2005).

Pntration de l'eau

dans

la porosit des enrobs

Intrusion

l'interfaceDiffusion

dans le bitume

Affaiblissement

local

Figure 1.22 Phnomne de dsenrobage - Tenue leau des enrobs bitumineux

Pour valuer lendommagement des enrobs par leau, il faut adopter un suivi continu de la d-gradation des caractristiques mcaniques afin danalyser les pertes de raideur et la restaurationdes caractristiques par lvaporation de leau durant les phases de schage. Le travail de thseentrepris par E Castaeda montre que les tests bass essentiellement sur des mesures de modulesen traction indirecte conduisent des volutions priori soit de raidissement de lprouvettesoit de perte de raideur. En fait, les priodes dhumidification et de schage qui se succdentconduisent simultanment une dtrioration par leau de la liaison bitume-granulat et undurcissement du liant ; ces deux processus mnent des rponses opposes et empchent unevaluation claire de la perte de la capacit du mlange bitumineux rsister laction de leau.Une analyse de ces observations a t complte et explique par lutilisation dun modle mi-cromcanique qui permet de prendre en compte les effets de perte dadhsion entre le bitume etla surface des granulats (Pinzon and Such, 2004). Ce modle est dcrit plus prcisement dans leparagraphe .

31

Une mthode non-destructive permet de rassembler plus dinformations avec un nombre dprou-vettes plus rduit. Nous avions propos lessai de module complexe qui permet un suivi descaractristiques mcaniques. Cet essai apparat plus prcis et peut fournir plus dinformationssur ltat mcanique rsiduel de lprouvette. Une volution du module complexe du matriaupeut tre ainsi mise en relation avec la perte dadhsion du bitume la surface du granulat.Lindicateur choisi pour suivre ltat dendommagement traduit bien une diminution du module

0

1000

2000

3000

4000

0 10000 20000 30000 40000

Calcul avec le modle d'Herv-Zaoui

Calcul avec le modle Huet-Sayegh

D=0,00,10,20,3

0,4

0,6

0,6

0,80,8

Endomm

agemen

t croissa

nt

Module lastique (MPa)

Mod

ule

visq

ueux

(MP

a)

Figure 1.23 Tenue leau : Suivi de lendommagement dans le plan Cole-Cole

complexe. Sur la figure 1.23, on visualise les diffrentes courbes du module complexe avec len-dommagement du matriau. Cet indicateur peut tre utilis dans les essais de tenue leau poursituer ltat dendommagement et suivre son volution au cours des cycles dimbibition et de s-chage. Ce travail constitue une approche non destructive pour valuer la sensibilit dun matriau.

Les travaux de thse ont permis galement de montrer que lendommagement volue de ma-nire apprciable avec la temprature, les temps dimmersion et de schage. Avec le modledHuet-Sayegh, on propose un facteur dendommagement (D) pour quantifier et suivre lendom-magement produit par leau. La comparaison avec le modle micromcanique a permis de consta-ter un dcalage pour des facteurs dendommagement suprieurs 0.2. Globalement, lassociationdu modle rhologique de Huet avec lapproche micromcanique est une voie intressante pourrendre compte de la dgradation par immersion dans leau. Finalement, la mthodologie proposedans cette thse peut tre tendue dautres matriaux et elle peut tre adapte facilement pourreproduire des conditions similaires celles des climats chauds et humides.

32

1.4 Les mlanges bitumineux lchelle granulaire : identification

gomtrique et caractrisation mcanique

1.4.1 Introduction

Les matriaux granulaires lis utiliss dans le domaine des infrastructures de transport com-portent un assemblage granulaire relativement dense. Lassemblage comporte un liant qui permetde confrer lensemble des proprits intressantes comme la cohsion et limpermabilit. Ilexiste une grande varit de liants pour former une matrice organique (bitume, rsine, bitumepoxy, liant vgtal, etc.) ou une matrice minrale (mortier de ciment) ou encore une combinaisondes deux matriaux.

Phase granulaire Porosit

Grave Bitume 0/14

Figure 1.24 Rsultat de la discrtisation de Vorono sur une coupe denrob bitumineux

La structure interne dun matriau granulaire li dpend non seulement des constituants utilissmais galement des conditions de fabrication et de mise en uvre. La disposition des diffrentesphases du matriau li et larrangement granulaire ont une influence directe et dterminante surles proprits mcaniques du mlange. Dune manire complmentaire, la physico-chimie de cer-tains constituants dpendra de la nature des matriaux utiliss, des conditions de fabrication lorsde ltape denrobage (procd chaud, tide, semi-tide, mulsion et mousse) et des conditionsenvironnementales pendant la dure de mise en service (ensoleillement, eau, polluants, etc).La couche de roulement est plus directement concerne par les conditions environnementales ole vieillissement du liant par oxydation joue un rle non-ngligeable sur les proprits mcaniqueset rhologiques des matriaux de surface.

Les techniques de caractrisation des matriaux routiers se sont considrablement dveloppespour pouvoir dcrire et identifier les constituants sparmment (forme, texture, densit, absorp-tion, raideur, consistance, susceptibilit thermique, etc.). Paralllement, on value les perfor-mances des mlanges routiers avec des tests destructifs (fluage, fatigue, retrait empch, rupturepar traction, etc.).

Au del des caractristiques macroscopiques mesures sur un chantillon de matriau li, cesmthodes destructives ne permettent pas dapprendre plus sur la structure interne des mat-riaux et den dduire des informations prcieuses. Avec le dveloppement des nouveaux procdsdenrobage et la valorisation des matriaux alternatifs et des fraisats issus de la dconstruction,nous voyons bien que les applications ne manquent pas. Il semble que lanalyse de la struc-ture interne lchelle msoscopique et microscopique prsente un intrt certain et constituepotentiellement une voie de progrs.

33

1.4.2 Le recours lanalyse dimage

La technique la plus adapte pour ltude des structures granulaires est la tomographie auxrayons X. Elle permet deffectuer un examen tridimensionnel des chantillons par rotation rela-tive de lobjet entre la source et le dtecteur dont le principe a t propos par Ellengton andBerger (1980). On retrouve dans la littrature des applications concrtes dans le domaine dugnie civil (Guinez, 1987) ou plus rcemment une utilisation directe de la tomographie pour ana-lyser la structure tridimensionnelle des mlanges bitumineux (Ketcham and Shashidhar, 2001;Shashidar, 2000).Il existe une autre technique moins onreuse que la tomographie aux rayons X comme lima-gerie optique. Durant les dix dernires annes, limagerie optique a connu un essor importantpermettant dobtenir des images numriques avec une excellente rsolution atteignant lchellemicromtrique. Pour un cot raisonnable, les laboratoires de recherche peuvent se doter dunquipement dimagerie de bonne qualit. Avec cette mthode, de nombreuses applications ontvu le jour dans pratiquement tous les domaines dactivit (biologie, biomtrie, mtallurgie etscience des matriaux). Certes, cette technique ne permet dobserver que la surface dun chan-tillon, mais elle permet dobtenir des informations rapides et fiables (Masad et al., 2001).Lanalyse tridimensionnelle reste possible avec limagerie optique grce lapport de la strom-trie et des lois probabilistes (Russ and Dehoff, 2001). Ces outils mathmatiques permettent ainside caractriser la structure volumtrique et interne dun matriau partir dun recoupementdinformations recueillies