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La caractérisation du comportement des matériaux bitumineux est primordiale pour pouvoir dimensionner les structures de chaussées, mais aussi pour prédire de manière plus précise leur durée de vie. En effet, ces matériaux sont soumis à des phénomènes complexes, mécaniques, thermiques, physiques et chimiques qui apparaissent souvent de manière couplée. Devant la complexité des problèmes observés et avec l’apparition des nouveaux matériaux et nouvelles techniques de fabrication, des études avancées de laboratoire et des modélisations rhéologiques sont nécessaires. Les méthodes existantes permettent de caractériser les matériaux en laboratoire grâce à l’utilisation de presses hydrauliques très couteuses. De plus, la plupart de ces essais ne sont pas adaptés à une utilisation directe sur chaussées. Dans cette thèse, un essai dynamique qui repose sur le phénomène de propagation d’onde a été développé pour caractériser les enrobés bitumineux dans le domaine viscoélastique linéaire. Il s’agit d’un essai non destructif, bien moins couteux que les essais existants et qui pourrait à terme s’adapter à une utilisation in-situ. Des méthodes complexes d’analyse inverse de propagation d’ondes en milieu viscoélastique ont été mises au point afin d’obtenir les propriétés thermomécaniques des enrobés bitumineux à partir des signaux mesurés expérimentalement. Les propriétés viscoélastiques linéaires de différents enrobés bitumineux déterminées à partir de l’essai dynamique développé ont été comparées aux résultats obtenus avec des essais cycliques plus conventionnels de traction-compression. / Characterizing the behaviour of bituminous materials is essential for the design of pavement structures and to predict their service life more accurately. Indeed, these materials are subjected to complex phenomenon, mechanical, thermal, physical and chemical that are often coupled. Due to the complexity of the phenomenon observed and with the emergence of new materials and new production techniques, advances laboratories studies and rheological modelling are necessary. With the existing methods, it is possible to characterize the materials in laboratories using expensive hydraulic presses. Moreover, most of these tests cannot be used directly on pavement structures. In this thesis, a dynamic test based on wave propagation was developed to characterize bituminous mixtures in the linear viscoelastic domain. It is a nondestructive test, far less expensive than the existing tests and that could be adapted for in situ measurements. Complex methods of inverse analysis of wave propagation in a viscoelastic medium were developed to obtain the thermomechanical properties of bituminous mixtures from the signals measured experimentally. The linear viscoelastic properties of different mixtures obtained from the developed dynamic test were compared to the results of more conventional cyclic tension-compression tests.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-09-30T13:20:44Z No. of bitstreams: 1 JOSÉ AFONSO GONÇALVES DE MACÊDO - DISSERTAÇÃO PPGECA 1989..pdf: 62874473 bytes, checksum: fb1fdb8f43a121e308d6bbcf739a30b1 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-30T13:20:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JOSÉ AFONSO GONÇALVES DE MACÊDO - DISSERTAÇÃO PPGECA 1989..pdf: 62874473 bytes, checksum: fb1fdb8f43a121e308d6bbcf739a30b1 (MD5) Previous issue date: 1989-08-31 / Este trabalho faz parte de um estudo mais amplo que visa a utilização de agregados graúdos não convencionais para a obtenção de misturas betuminosas e concreto de cimento Portland. Sendo concebido a partir de estudos já iniciados por outros pesquisadores, que estudaram comparativamente agregados graúdos calcários e lateríticos com um agregado graúdo granítico, visando suas utilizações em concreto betuminoso usinado ã quente. Nesta pesquisa os agregados são avaliados em laboratório,a partir de suas características físicas e mecânicas bem como fa zendo parte de um concreto betuminoso fabricado com teores de ligante determinados a partir dos estudos iniciados por Brasileiro, (1983). Também são verificadas as variações ocorridas com a absorção e massa específica dos agregados graúdos, antes e após a confecção dos corpos de prova pelo ensaio Marshall. Os resultados obtidos permiter.; concluir que, embora tenham sido obtidos em laboratório, existem boas perspectivas de utilização dos agregados lateríticos e calcários para fabricação de concreto betuminoso usinado ã quente, restando ainda, entre outras coisas, melhor adaptação da metodologia de ensaio para avaliação destes materiais e, a execução de trechos experimentais para verificar seus comportamentos em serviços. / This research, which is part of a more comprehensive study on non conventional materials, aims to utilize coarse aggregates for bituminous mixtures and concrete of Portland cement. Previous studies carried out by several investigators, have shown thorough comparative studies the feasibility of calcareous, laterite and granite coarse aggregates for hot-mix bituminous concrete. The aggregates utilized in this research are avaluated in the laboratory by its physical and mechanical characteristics.As well as in samples of bituminous concrete with binder contents, as determined by Brasileiro (1983). Also, it has been verified variations on the absorption and specific gravity of coarse aggregates, before and after the compaction of samples for Marshall test. The laboratory test results concluds that, there are good perspectives to utilize lateritic and calcareous aggregates for hot-mix bituminous concrete. Further research is needed to find the best testing methodology in order to evaluate these materials, and to construct trial pavements to verify its field behaviour.

La fatigue est un des principaux mécanismes de dégradation des chaussées. En laboratoire, la fatigue est simulée en utilisant des essais de chargement cyclique, généralement sans période de repos. L’évolution du module complexe (une propriété du matériau utilisée dans la caractérisation de la rigidité des matériaux viscoélastiques) est suivie de manière à caractériser l’endommagement. Son changement est généralement interprété comme étant dû au dommage, alors que d’autres phénomènes (se distinguant du dommage par leur réversibilité) apparaissent. Des effets transitoires, propres aux matériaux viscoélastiques, apparaissent lors des tout premiers cycles (2 ou 3) et produisent une erreur dans la détermination du module complexe. La non-linéarité (dépendance du module complexe avec le niveau de déformation) est caractérisée par une diminution réversible instantanée du module et une augmentation de l’angle de phase qui est observée avec l’augmentation de l’amplitude de déformation. De plus, pendant le chargement, de l’énergie mécanique est dissipée en raison du caractère visqueux du comportement du matériau. Cette énergie se transforme principalement en chaleur ce qui induit une augmentation de température. Cela produit une diminution de module liée à cet auto-échauffement. Quand le matériau revient à la température initiale, le module initial est alors retrouvé. La partie restante du changement de module peut être expliquée, d’une part par un autre phénomène réversible, appelé dans la littérature « thixotropie », et d’autre part par le dommage « réel », qui est irréversible. Cette thèse explore ces phénomènes dans les bitumes, mastics (bitume mélangé avec des particules fines, dont le diamètre est inférieur à 80μm) et enrobés bitumineux. Un chapitre (sur la nonlinearité) présente des essais de « balayage d’amplitude de déformation » avec augmentation ou/et diminution des amplitudes sont présentés. Un autre se concentre sur l’auto-échauffement. Il comprend une proposition de procédures de modélisation dont les résultats sont comparés avec des résultats des cycles initiaux d’essais de fatigue. Finalement, un chapitre est dédié à l’analyse du module complexe mesuré pendant le chargement et les phases de repos. Des essais de chargement et repos ont été réalisés sur bitume (où le phénomène de thixotropie est supposé avoir lieu) et mastic, de manière à déterminer l’effet de chacun des phénomènes identifiés sur l’évolution du module complexe des matériaux testés. Les résultats de l’étude sur la nonlinearité suggèrent que son effet vient principalement du comportement non linéaire du bitume, qui est déformé de manière très non-homogène dans les enrobés bitumineux. Il est démontré qu’un modèle de calcul thermomécanique simplifié de l’échauffement local, ne considérant aucune diffusion de chaleur, peut expliquer le changement initial de module complexe observé au cours des essais cycliques sur enrobés. Néanmoins, la modélisation de la diffusion de chaleur a démontré que cette diffusion est excessivement rapide. Cela indique que la distribution de l’augmentation de température nécessaire pour expliquer complètement le module complexe observé ne peut pas être atteinte. Un autre phénomène réversible, qui a des effets sur le module complexe similaires à ceux d’un changement de température, doit donc avoir lieu. Ce phénomène est considéré être de la thixotropie. Finalement, à partir des essais de chargement et repos, il est démontré qu’une partie majeure du changement de module complexe au cours des essais cycliques vient des processus réversibles. Le dommage se cumule de manière approximativement linéaire par rapport au nombre de cycles. Le phénomène de thixotropie semble partager la même direction sur l’espace complexe que la nonlinéarité. Cela indique que les deux phénomènes sont possiblement liés par la même origine microstructurelle. Des travaux supplémentaires sur le phénomène de thixotropie sont nécessaires. / Fatigue is a main pavement distress. In laboratory, fatigue is simulated using cyclic loading tests, usually without rest periods. Complex modulus (a material stiffness property used in viscoelastic materials characterisation) evolution is monitored, in order to characterise damage evolution. Its change is generally interpreted as damage, whereas other phenomena (distinguishable from damage by their reversibility) occur. Transient effects, proper to viscoelastic materials, occur during the very initial cycles (2 or 3) and induce an error in the measurement of complex modulus. Nonlinearity (strain-dependence of the material’s mechanical behaviour) is characterised by an instantaneous reversible modulus decrease and phase angle increase observed when strain amplitude increases. Moreover, during loading, mechanical energy is dissipated due to the viscous aspect of material behaviour. This energy turns mainly into heat and produces a temperature increase. This produces a modulus decrease due to self-heating. When the material is allowed to cool back to its initial temperature, initial modulus is recovered. The remaining stiffness change can be explained partly by another reversible phenomenon, called in the literature “thixotropy”, and, then, by the “real” damage, which is irreversible. This thesis investigates these phenomena in bitumen, mastic (bitumen mixed with fine particles, whose diameter is smaller than 80μm) and bituminous mixtures. One chapter (on nonlinearity) presents increasing and/or decreasing strain amplitude sweep tests. Another one focuses on selfheating. It includes a proposition of modelling procedures whose results are compared with the initial cycles from fatigue tests. Finally, a chapter is dedicated to the analysis of the measured complex modulus during both loading and rest periods. Loading and rest periods tests were performed on bitumen (where the phenomenon of thixotropy is supposed to happen) and mastic in order to determine the effect of each of the identified phenomena on the complex modulus evolution of the tested materials. Results from the nonlinearity investigation suggest that its effect comes primarily from the nonlinear behaviour of the bitumen, which is very non-homogeneously strained in the bituminous mixtures. It was demonstrated that a simplified thermomechanical model for the calculation of local selfheating (non-uniform temperature increase distribution), considering no heat diffusion, could explain the initial complex modulus change observed during cyclic tests on bituminous mixtures. However, heat diffusion modelling demonstrated that this diffusion is excessively fast. This indicates that the temperature increase distribution necessary to completely explain the observed complex modulus decrease cannot be reached. Another reversible phenomenon, which has effects on complex modulus similar to the ones of a temperature change, needs to occur. That phenomenon is hypothesised as thixotropy. Finally, from the loading and rest periods tests, it was demonstrated that a major part of the complex modulus change during cyclic loading comes from the reversible processes. Damage was xivfound to cumulate in an approximately linear rate with respect to the number of cycles. The thixotropy phenomenon seems to share the same direction in complex space as the one of nonlinearity. This indicates that both phenomena are possibly linked by the same microstructural origin. Further research on the thixotropy phenomenon is needed.