Soutenance mémoire
L’essai de fatigue sur les enrobés bitumineux en flexion sur poutre console est un élément fondamental de la méthode de dimensionnement française des structures de chaussées. Mais plusieurs autres types d’essais de fatigue normalisés sont pratiqués, notamment à l’étranger, tels que les essais en flexion 4 points, en traction/compression ou en traction indirecte. Or, pour un même matériau, ces différents essais ne donnent pas les mêmes résultats. La question de l’interprétation de ces essais sur la base de paramètres intrinsèques au matériau reste donc posée. L’objectif du présent chapitre est de faire un résumé de l’état des connaissances sur la fatigue des enrobé bitumineux : les avancées, les limitations et les pistes d’amélioration.
La structure de chaussée
La structure de chaussée est un empilement de couches horizontales visant à supporter les charges issues du passage des essieux de véhicules lourds et à répartir les contraintes de façon à les limiter à un niveau compatible avec les caractéristiques mécaniques du sol support. Celuici est constitué par le terrain naturel, qui peut être traité, sur lequel repose la structure de chaussée. Cette structure multicouche (Figure 1.1) est composée du bas vers le haut de [1] :
– la couche de forme (éventuellement) qui sert de transition entre le sol support et le corps de chaussée. Elle protège le corps de chaussée du gel et améliore les caractéristiques mécaniques des matériaux de remblais ou du terrain en place ;
– la couche d’assise composée de la couche de fondation et de la couche de base, constituées de matériaux élaborés majoritairement en France avec un liant bitumineux apportant de la résistance mécanique aux charges issues du trafic;
– la couche de surface composée de la couche de liaison et de la couche de roulement qui subissent directement les actions du trafic et des conditions climatiques.
Fonctionnement mécanique d’une structure de chaussée
La structure de chaussée se comporte comme une poutre en flexion reposant sur un support déformable (sol support). A chaque passage d’essieu de véhicule lourd, il se développe des contraintes de traction à la base des couches de la chaussée et des contraintes de compression dans la direction verticale (Figure 1.2). Le cumul du passage des essieux (trafic routier) entraine des effets répétés de compression et de traction dans la chaussée et conduit à la dégradation de la chaussée respectivement par orniérage et/ou par fissuration par fatigue mécanique. La fissuration par fatigue se développe à la base des couches et se propage en remontant vers le haut [2].
Dégradation des enrobés bitumineux liée au trafic
Les dégradations subies par les enrobés bitumineux sont classées en quatre catégories [4]:
– les déformations : les orniérages, les affaissements, etc ;
– les fissures : longitudinales, transverses, etc ;
– les arrachements : glaçage, plumage, désenrobage, pelade, nid de poule, etc ;
– les mouvements de matériaux : ressuage, indentation, remontée de fines, etc.
La fissuration et l’orniérage sont les principaux modes de dégradation. Ce sont des dégradations directement liées à l’effet du trafic. C’est la raison pour laquelle le dimensionnement d’une structure de chaussée se fait en prenant en compte la résistance à ces deux types de dégradation.
Dimensionnement des structures de chaussées à la fatigue
La méthode de dimensionnement française, initiée en 1948, combine la mécanique rationnelle à des données expérimentales [1]. La structure est d’abord pré dimensionnée : le type de structure, les épaisseurs des couches et les caractéristiques des matériaux dans chaque couche sont choisis par rapport au trafic prévisionnel. Les sollicitations mécaniques sont ensuite calculées par la mécanique rationnelle basée sur le modèle de Burmister [5] en assimilant la structure à une poutre multicouche. La déformation de compression verticale dans la hauteur des couches (???) et la déformation de traction horizontale à la base des couches (?? ) sont calculées pour une charge correspondant à un essieu standard. Enfin, les valeurs obtenues sont comparées aux valeurs limites admissibles calculées pour un trafic donné à partir des données expérimentales obtenues en laboratoire. De manière très simplifiée, dimensionner une structure revient donc à déterminer les épaisseurs des couches de la chaussée de manière à ce que les déformations calculées dans les couches lors du dimensionnement soient toujours admissibles. L’une des particularités de la méthode est son caractère probabiliste : la dispersion et le caractère aléatoire des divers facteurs ayant un effet significatif sur la tenue dans le temps de la chaussée sont pris en compte. Les essais de fatigue en laboratoire ont donc une grande importance dans la méthode dimensionnement car ils permettent de déterminer la valeur admissible de la déformation de traction horizontale à la base des couches (??).
L’enrobé bitumineux dans les couches d’assises
L’enrobé bitumineux (EB) est le matériau le plus utilisé dans les structures de chaussées. Il est présent dans plus de 98 % des structures de chaussées en France. Sa polyvalence permet de l’employer aussi bien dans les couches d’assises que dans les couches de surface.
Composition des enrobés bitumineux
L’enrobé bitumineux est un matériau composite constitué d’un mélange de granulats (gravillon, sable et filler) et d’un liant hydrocarboné (avec éventuellement des additifs). Il contient également du vide qui peut être considéré comme un constituant même s’il ne rentre pas directement dans la formulation du matériau.
Granulats
Les granulats sont des fractions de roches de dimensions comprises entre 0 et 125 mm destinées principalement aux Travaux Publics. Ils peuvent être naturels ou artificiels. Les granulats naturels proviennent des roches massives, des alluvions ou des sédiments. Les granulats artificiels proviennent des sous-produits industriels. Les granulats constituent le squelette granulaire de l’EB avec environs 95% de sa masse. Ils jouent un rôle mécanique dans les EB grâce leur résistance. Leur utilisation dans les EB est normalisée (NF EN 13043). Les principales caractéristiques demandées lors des contrôles de conformité sont :
– l’analyse granulométrique (NF EN 933-1) : elle détermine la distribution des différentes classes de tailles des granulats dans la coupure considérée (2/4, 4/6, 6/10 par exemple),
– l’essai Los Angeles (NF EN 1097-2) : évalue la résistance aux chocs dus au passage des roues des véhicules,
– l’essai MicroDeval en présence d’Eau (MDE) (NF EN 1097-1) évaluant la résistance à l’attrition.
Liant hydrocarboné
Le liant hydrocarboné est une substance composée d’atomes d’hydrogènes et de carbones servant à agglomérer des granulats. Entre 1902 et début des années 1950, le liant hydrocarboné utilisé était le goudron, un dérivé du charbon issu de l’extraction des carrières de Houilles. Dès les années 1950, le bitume a supplanté le goudron, notamment pour des raisons de santé, le bitume issu du raffinage du pétrole est utilisé exclusivement. Le bitume est un matériau insoluble et imperméable à l’eau, se rigidifiant par oxydation au contact de l’air, vieillissant sous l’action du rayonnement ultraviolet. Il possède une capacité d’autoréparation au repos. C’est aussi un matériau viscoélastique thermo-susceptible se comportant comme un fluide peu visqueux à haute température, et comme un solide vitreux élastique à basse température. Le bitume a pour principal rôle de lier les granulats entre eux.
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Table des matières
Introduction générale
Synthèse bibliographique
1.1. La structure de chaussée
1.1.1. Fonctionnement mécanique d’une structure de chaussée
1.1.2. Dégradation des enrobés bitumineux liée au trafic
1.1.3. Dimensionnement des structures de chaussées à la fatigue
1.2. L’enrobé bitumineux dans les couches d’assises
1.2.1. Composition des enrobés bitumineux
1.2.2. Comportement mécanique des enrobés bitumineux
1.2.3. Caractérisation du comportement viscoélastique linéaire des enrobés bitumineux : domaine fréquentiel et module complexe
1.3. Fatigue des enrobés bitumineux
1.3.1. Types d’essais de fatigue en laboratoire
1.3.2. Exploitation usuelle des essais de fatigue
1.3.3. Phénomènes observés durant les essais de fatigue
1.3.4. Variabilité des résultats des essais de fatigue
1.3.5. Critères de fatigue
1.4. Modélisation de la fatigue des enrobés bitumineux
1.4.1. Approche par l’endommagement
1.4.2. Approche par la mécanique linéaire de la rupture
1.4.3. Conclusion sur les approches
1.5. Mesures de plein champ sans contact : DIC + thermographie
1.5.1. Corrélation d’image numérique (CIN)
1.5.2. Thermographie infrarouge
1.6. Conclusion
Préparation de la campagne expérimentale
2.1. Matériaux
2.1.1. Formulation
2.1.2. Géométrie des éprouvettes
2.1.3. Caractéristique mécanique : module complexe
2.2. Protocole expérimental
2.2.1. Paramètres et configurations des essais de fatigue
2.2.2. Matériels d’acquisition sans contact
2.2.3. Dispositif expérimental d’acquisition d’images sans contact
2.3. Evaluation de la qualité des mesures sans contact
2.3.1. Mesures de champs cinématiques par corrélation d’images numériques
2.3.2. Mesures du champ thermique par thermographie infrarouge
2.4. Détection de fissure par corrélation d’images numériques
2.4.1. Localisation de la fissure
2.4.2. Critères de détection de fissuration
2.4.3. Trajet de fissuration
2.4.4. Détection de l’initiation de la fissure
2.5. Conclusion
Essais poutre console et flexion 4PB avec mesure de champs cinématiques par CIN et thermique par thermographie infrarouge
3.1. Essai de fatigue en flexion sur poutre console sur éprouvette vierge
3.1.1. Résultats classiques d’essai de fatigue
3.1.2. Champs cinématiques
3.1.3. Champ thermique
3.1.4. Analyses des résultats de champs
3.2. Essai de fatigue en flexion sur poutre console avec éprouvette entaillée
3.2.1. Résultats classiques d’essai de fatigue
3.2.2. Champs cinématiques
3.2.3. Champ thermique
3.2.4. Analyse des résultats de champs
3.3. Essai de fatigue en flexion 4 points sur éprouvette entaillée
3.3.1. Résultats classiques d’essai de fatigue
3.3.2. Champs cinématiques
3.3.3. Champ thermique
3.3.4. Analyse des résultats de champs
3.4. Comparaison des essais sur poutre console sur des éprouvettes entaillées et non entaillées
3.4.1. Raideur des éprouvettes et droite de fatigue
3.4.2. Phénoménologie des essais
3.4.3. Dispersion des courbes de fatigue
3.5. Exploitation croisée des essais de fatigue en flexion sur poutre console et en flexion 4 points
3.5.1. Module apparent des éprouvettes et droite de fatigue
3.5.2. Phénoménologie des essais
3.5.3. Dispersion des courbes de fatigue
3.6. Analyse des critères de fatigue des enrobés bitumineux sur la base des données de CIN
3.6.1. Proposition d’un nouveau critère de fatigue basé sur les données de la CIN
3.6.2. Comparaison aux critères de fatigue de la littérature
3.6.3. Analyses et conclusions
3.7. Conclusion
Conclusion générale
