Chip and scrub seal treatments are common pavement preservation practices that use asphalt emulsions. Their performance has been studied for several years, yet many questions remain. The primary thesis objective was to study near surface behaviors of flexible pavements that are candidates for seal treatments. This study investigated the ability of the bending beam rheometer (BBR) to detect pavement surface changes due to the application of asphalt emulsion. Estimated stiffness and m-value data was recorded for three asphalt concrete mixtures using mixture beams approximately 120 mm long by 12 mm wide by 7.7 mm thick sawn from the surface of asphalt specimens. One mixture was plant mixed and laboratory compacted, while the other two were field-aged mixtures. This study gauges effect of treating specimens with emulsions commonly used in Mississippi in conditioned and unconditioned states.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre l'Ecole Nationale des TPE et les entreprises routières APPIA et EUROVIA. La société pétrolière TOTAL a également été associée à l'étude. Ce travail traite de l'analyse du comportement thermo-mécanique des enrobés bitumineux aux températures basses et intermédiaires et vise à mettre en évidence les relations entre les propriétés des liants et des enrobés. Un large travail expérimental de laboratoire a été réalisé en vue de répondre à ces deux objectifs. Il s'agit notamment de mieux cerner les critères existants de caractérisation des liants, voire d'en proposer de nouveaux, en relation avec le comportement en place des enrobés.<br /><br />Après une étude bibliographique sur la rhéologie et les propriétés thermo-mécaniques des bitumes, des mastics et des enrobés bitumineux, le travail expérimental mené aussi bien dans le domaine des petites déformations que des grandes déformations, est exposé.<br /><br />Le comportement à basse température des bitumes a été évalué avec trois tests fondamentaux largement répandus : i)l'essai de module complexe, ii)l'essai de fluage au BBR, iii)l'essai de traction directe SHRP à vitesse de déformation constante et températures constantes. En outre, un nouvel essai de fissuration, consistant en un essai de flexion trois points sur éprouvettes de bitume préentaillées, a été développé à l'ENTPE. Les paramètres de ténacité et d'énergie de rupture des bitumes à basses températures ont pu être déterminés en utilisant les hypothèses de la MLR (Mécanique Linéaire de la Rupture). <br /><br />Le comportement thermo-mécanique des enrobés bitumineux à basse température a été étudié en réalisant i)des essais de module complexe, ii)des mesures du coefficient de dilatation-contraction thermique, iii)des essais de traction à vitesses de déformation constantes, iv)ainsi que des essais de retrait thermique empêché.<br /><br />Tout d'abord, des liens pertinents entre les propriétés des liants et des enrobés, et des caractéristiques suffisamment discriminantes au regard des propriétés à basse température des enrobés ont été mis en évidence. Ensuite, l'analyse a consisté à effectuer un travail de modélisation du comportement des liants et des enrobés, en petites et grandes déformations.<br /><br />Un modèle rhéologique monodimensionnel, qui consiste en une généralisation du modèle analogique de Huet-Sayegh, a été développé dans le domaine des petites déformations. Ce modèle, appelé modèle “2S2P1D”, permet de simuler correctement à la fois le comportement visco-élastique linéaire des bitumes et celui des enrobés bitumineux. A partir de ce modèle, une transformation originale –indépendante du modèle– permettant de prédire le module complexe de l'enrobé à partir de celui du liant est proposée, puis validée.<br /><br />Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à la loi généralisée monodimensionnelle “DBN” (Di Benedetto-Neifar) à partir de laquelle un programme a été développé sur l'interface Visual Basic du logiciel Excel. Ce programme constitue un outil simple de prévision du comportement de l'enrobé bitumineux sous diverses sollicitations (mécaniques et/ou thermiques). Ce modèle rhéologique permet de faire le lien entre les petites et les grandes déformations. Des simulations d'essais de traction à vitesses de déformation constantes, ainsi que des simulations d'essais de retrait thermique, monotones ou cycliques, sont enfin présentées.

This doctoral thesis consists of a literature review, presented in two papers, and another six papers describing experimental studies of the influence of different kinds of wax and polyphosporic acid on bitumen and asphalt concrete mixture properties. The literature review should give an extensive description of the field of knowledge concerning wax in bitumen. Effects of wax in crude oil, bitumen and asphalt concrete as well as test methods for studying these effects are described. Theories behind possible mechanisms are also discussed, and commercial wax as additive to bitumen for different purposes included. The experimental parts comprise laboratory studies involving totally five 160/220 penetration base bitumens from different sources, two isolated bitumen waxes, five commercial waxes and one polyphosphoric acid. Asphalt concrete slabs, containing base or modified bitumen were prepared and tested. Binder properties were evaluated using different types of laboratory equipment, such as dynamic shear rheometer (DSR), bending beam rheometer (BBR), differential scanning calorimeter (DSC), force ductilometer, as well as equipment for determining conventional parameters like penetration, softening point, viscosity, and Fraass breaking point. Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy and Thin Layer Chromatography (TLC-FID) were used for chemical characterization. The binders were aged by means of the rolling thin film oven test (RTFOT) and pressure ageing vessel (PAV) in combination. Asphalt concrete properties were evaluated at low temperatures using the tensile strain restrained specimen test (TSRST) and creep test at -25°C. Dynamic creep testing was performed at 40°C, as well as complex modulus tests between 0 and 20°C. Binder test results indicated that the magnitude and type of effect on bitumen rheology depend on the bitumen itself, type of crystallizing fraction in the bitumen and/or type and amount of additive used. Bitumen composition was found to be of decisive importance. Adding polyethylene wax or polyphosphoric acid, especially to a non-waxy 160/220 penetration grade bitumen, showed no or positive effects on the rheological behaviour at low temperatures (decrease in stiffness) as well as medium and high temperatures (increase in complex modulus and decrease in phase angle). However, the corresponding positive effects could not be shown in dynamic creep testing (at 40°C) of asphalt concrete mixtures containing these modified binders. Adding FT-paraffin decreased the physical hardening index for all bitumens. Also polyethylene wax and montan wax showed this effect for some bitumens. Slack wax showed a large increasing effect on physical hardening, and polyphosphoric acid none or a minor negative effect. No correlation between physical hardening index (PHI) and wax content by DSC was found in this study, involving both natural bitumen wax and commercial wax. Addition of the commercial waxes used showed no or marginally positive influence on bitumen ageing properties for the bitumens and test conditions used. Comparing asphalt mixture test results to the corresponding binder test results, the effects on asphalt mixtures from adding commercial wax or polyphosphoric acid were less evident. Significant binder physical hardening by BBR could not be confirmed by TSRST. / QC 20101006