Contribution à la modélisation du comportement rhéologique des enrobés bitumineux : influence des conditions extrêmes de température et de trafic en fatigue

N° d'ordre: 4214 Année 2010

THÈSE


présentée à


L'UNIVERSITE BORDEAUX-I


Par M. M’hammed MERBOUH


pour l’obtention du grade de DOCTEUR


SPÉCIALITÉ : MECANIQUE ET INGENIERIE




CONTRIBUTION A LA MODELISATION DU
COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE DES
ENROBÉS BITUMINEUX
Influence des conditions extrêmes de température
et de trafic en fatigue




Soutenue le 21 décembre 2010

Devant la commission d'Examen :
Pr Christophe Petit..............L3MSGC..U de Limoges.........................................Rapporteur
Mr Pierre Hornych......Directeur d'unité Manège de fatigue, HdR LCPC …Rapporteur
Pr Belkacem Draoui............Université de Bechar Algérie................................Examinateur
Pr Denys Breysse................GhyMac.U. Bordeaux1.................................Directeur de thèse
Mme Sylvie. Yotte………..........McF GhyMac U. Bordeaux1..........................Examinateur
Mr Touhami Abdelhamid…....McF HdR..U. de Bechar……………… ..….Examinateur
Mme Fatima Allou……………..McF L3MSGC U. de Limoges……………… ….Invitée






















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Remerciements

Arrivé au bout de ce travail effectué au sein du laboratoire Géoscience Hydraulique et
Matériaux de Construction, à l’université Bordeaux-1, je tiens à exprimer ma sincère
reconnaissance à l’ensemble des personnes qui m’ont permis de le mener à terme.
Je tiens à remercier tout d’abord Denys Breysse, Professeur à l’université Bordeaux-1,
mon directeur de thèse, de m’avoir intégré à son équipe au sein du GHyMaC, pour m’avoir
mis le pied à l’étrier pour toute les parties de ce travail, de m’avoir fait bénéficier aussi bien
de ses conseils et compétences scientifiques que ses qualités humaines, et me donner toute
l’autonomie nécessaire pour mener à bien ce projet et sans qui ce manuscrit ne serait pas ce
qu’il est, ainsi pour ses réponses à mes nombreuses « petites questions ». Merci à mon frère,
amis et co-encadreur, le défunt Pr N. Laradi, qui nous a quitté depuis 2007. Que dieu
l’accepte dans son paradis.
Je remercie les rapporteurs, le Pr. C. Petit et Mr Pierre Hornych, pour avoir expertisé avec
attention ce manuscrit ainsi qu’aux membres du jury.
Je suis reconnaissant à C. Such et E. Chailleux pour m’avoir accueilli dans leur unité
LMR au sein de la division MSC, lors de mon séjour en plusieurs reprises au LCPC-Nantes
pour les essais rhéologiques et mécaniques sur bitumes. A L. Moriceau au LRPC-Bordeaux
lors de mon stage pour essais de fatigue sur enrobé. Je souhaite remercier J. Riss directrice du
laboratoire GHyMaC de m’avoir facilité les procédures administratives.
Je voudrais remercier S. M. Elachachi pour ses conseils et ses compétences scientifiques,
à S. Yotte, H. Niandou, Pr R. Fabre, M.C. Lavenier et J. Chambert pour leur soutien, leur
bonne humeur lors de mon séjour au GHymac et leur disponibilité offrant un bon cadre de
travail.
Sans oublier mes collègues doctorants, j’ai beaucoup apprécié leur joie de vivre, les
nombreuses pauses et discussions notamment leur soutien. Ces quelques années sont pour moi
inoubliables.
Je ne saurais exprimer tout l’amour et la reconnaissance que j’ai pour mes parents, ma
femme, et mes enfants, pour la paine qui l’ont pris pour moi, ainsi que le soutien qu’ils m’ont
apporté, pour m’avoir donné leurs moyens, leur patience et sacrifice depuis le début de
réaliser mon devoir et ma passion.
Enfin un merci affectueux à B. Z. qui est le pilier indispensable à ce travail.


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RESUME

La stabilité et la durabilité des chaussées routières et aéronautiques en enrobé bitumineux
dépendent principalement de sa résistance aux sollicitations, dans le temps et sur le site pour
des conditions spécifiques extrêmes, telles que les particularités de climat dans les différentes
régions et les chargements des nouvelles conceptions d’avions très gros porteurs.
Ces types de sollicitation entraînent des dégradations dangereuses dans les couches de
roulement et demeurent des préoccupations majeures des maîtres d’ouvrages, en particulier
avec l’accroissement de l’agressivité du trafic.
Les simulations en laboratoire de ces phénomènes ont montré que les qualités
viscoélastiques du bitume sont fonction des variations extrêmes de la température que subit la
couche de surface. Elles influent directement sur les propriétés rhéologiques et mécaniques de
l’enrobé. Les déformations permanentes et le durcissement du bitume sont associés à une
perte de résistance et un vieillissement accéléré dus aux cycles thermiques.
En ce qui concerne les sollicitations sous trafic en fatigue, les lois de comportement
déterminées prouvent que les grandes amplitudes de déformations et la forme des signaux
tandem endommagent sévèrement la couche d’enrobé en comparaison avec les signaux
classiques.
L’évaluation des propriétés rhéologiques et mécaniques intrinsèques de ces matériaux,
sous l’influence des conditions extrêmes de climat et de trafic, permet de mieux prévoir
l’évolution du comportement in situ de l’enrobé et la durée de vie des chaussées.
Mots clés : bitume, enrobé, variation de température, tandem, cycles, comportement,
fatigue.







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TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES………………………………………………………………05
INTODUCTION GENERALE…………………………………………………………10

CHAPITRE I :
COMPOSITION ET COMPORTEMENT DES BITUMES ET ENROBES……..…12
1- INTRODUCTION………………………………………………………………..…12
2- COMPOSITION, STRUCTURE ET PROPRIETES DES BITUMES……….....13
2.1.- Origine et grandes catégories…………………………………….………………13
2.2.- Structure colloïdale du bitume…………………………………………………...13
2.3.- Caractéristiques chimiques du bitume………………………………………….. 17
2.3.1.- Séparation par précipitation…………………………………………………....17
2.3.2.- Séparation par chromatographie d'adsorption…………………………............18
2.3.3.- La chromatographie sur gel perméable (GPC)………….……………………..19
2.3.4.- La spectroscopie infra–rouge………………………………..…………………20
2.4.- Propriétés thermo-physiques des bitumes……………………….……………….20
3 - METHODES DE MESURE DES PROPRIETES RHEOLOGIQUES………....21
3.1.- Les différentes familles d’essais………………….……………….……….…….21
3.2.- Les essais « technologiques » ………………………….………………. ….….. 21
3.2.1.- Mesure de la fragilité…………………………….……………. ….….………21
3.2.2.- Mesure de la pénétration……………………………..…………… .……….…22
3.2.3.- Mesure du point de ramollissement………………………….….. ……………23
3.2.4.- Influence de la température sur les propriétés……………..…………..………23
3.3.- Essais mécaniques………………………………………… ……………………28
3.3.1.- Essais à vitesse imposée………………………………………… ……………29
3.3.2.- Essai à charge imposée………………………………………….. ……………..31
3.3.3.- Essai de module complexe………………………………………… ……….…34
3.3.4.- Mesure de la viscosité………………………………………………………….37
3.3.5.- Présentation des résultats : isothermes et isochrones……………….………….37
4- LES MODELES DE COMPORTEMENT………………………..………………38
4.1.- Les familles de modèles…………………………………………… ……………38
4.2.- Influence de la composition sur la rhéologie des bitumes……………....… …… 40

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5- CARACTERISATION ET FORMULATION DES ENROBES
BITUMINEUX………………………..…………………………………..……………41
5.1- Méthodes de formulation basées sur les essais mécaniques traditionnels…….… 42
5.2- Méthodes de formulation basées sur les essais mécaniques « modernes » …...… 42
5.2.1.- Essai de module complexe……………………………………………. ………42
5.2.2.- Essais de fatigue ………………………………………...… ………….………43
5.2.3.- Essais de fluage dynamique……………………………..…………… .………44
5.3.- Méthodes analytiques de formulation………………………..…….…………… 44
6- INFLUENCE DES CARACTERISTIQUES DES LIANTS SUR
LES PROPRIETES MECANIQUES DES ENROBES……..……….………………44
6.1.- Rôle de la température, fragilité, rigidité et viscosité……………….….……… 45
6.2.- Propriétés rhéologiques et spécifications……………………………….………. 45
6.3.- Du liant à l´enrobé : prévision du module et de la résistance…………….………46
6.4.- Influence du bitume sur la fatigue des enrobés…………………….…………....47
6.5.- Résistan