L'objectif de ce travail de recherche est d'établir une modélisation des propriétés acoustiques d'un milieu poreux en vue d'une application aux enrobés drainants. Nous présentons les approches macroscopiques (modèle de Biot, modèle phénoménologique) et les approches microscopiques de la littérature. Nous nous inspirons de la méthode d'homogénéisation qui suppose un squelette rigide et prend en compte les dissipations d'origines visqueuse et thermique pour proposer un modèle susceptible d'améliorer les prédictions acoustiques par une description plus fine du réseau poreux. Nous considérons des pores de natures différentes, discrétisés en séries de conduits élémentaires de section constante. Le problème est formulé en terme de matrices de transfert reliant la pression et le débit acoustique aux deux extrémités de l'éprouvette poreuse. Connaissant les conditions acoustiques à une extrémité, nous en déduisons l'impédance et le coefficient d'absorption à l'autre extrémité (modèle discret). Nous établissons alors des correspondances entre les caractéristiques géométriques des pores et les paramètres physiques utilisés couramment dans la littérature (modèles classiques). Nous parvenons par ce biais à proposer une nouvelle formulation plus riche de ces quantités et des paramètres supplémentaires (modèle généralisé). Les résultats issus des modélisations classique, généralisée et discrète sont illustrés et comparés à l'aide de simulations numériques pour divers cas de produits poreux.

Le mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches (HDR) de François OLARD présente les principaux travaux de recherche et de diffusion scientifique, depuis sa thèse (2000-2003) jusqu'à aujourd'hui. Comme l'indique en partie le titre du mémoire - " Relations entre la composition, la structure et les propriétés thermo-mécaniques des matériaux bitumineux " -, le fil conducteur de ses travaux de recherche est l'optimisation des performances des matériaux bitumineux par une meilleure compréhension des relations entre leur composition, leur structure et leurs propriétés thermo-mécaniques. Une particularité des travaux de recherche de François OLARD tient à son statut de responsable de projets R&D en entreprise, impliquant la mise en adéquation du savoir et du besoin industriel. Le mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches met ainsi en exergue que nombre d'innovations ont pu naître de l'échange entre recherches appliquée et fondamentale, participant ainsi à l'évolution indispensable du savoir-faire en formulation et en production des matériaux bitumineux. Six thématiques majeures ont été abordées au cours des travaux de recherche: 1) Comportement thermo-mécanique des enrobés bitumineux à basses températures. Relation entre les propriétés du liant et de l'enrobé. 2) Influence des propriétés élastiques ou viscoélastiques des revêtements sur le comportement des ponts à dalle orthotrope (Projet ANR ORTHOPLUS). 3) Formulation d'enrobés bitumineux à hautes performances grâce à l'optimisation de l'empilement granulaire et l'emploi de bitumes modifiés en polymères. 4) Propriétés viscoélastiques linéaires et en fatigue des enrobés bitumineux contenant des agrégats d'enrobés recyclés. 5) Comportement des matériaux composites traités au liant hydraulique et des bétons compactés routiers incluant des fraisâts bitumineux et des fibres métalliques (Projet ANR RECYROUTE). 6) Procédés d'enrobage à basses émissions et à température réduite: enrobés dits " semi-tièdes ". Les thématiques 2 à 4 sont très liées et découlent pour partie du travail initial réalisé en thèse (thématique 1). Ainsi, les approches expérimentales et de modélisation des matériaux bitumineux, testés dans le domaine linéaire principalement, y sont très proches. La thématique 5 présente quant à elle une démarche expérimentale et d'analyse similaire, mais appliquée à deux familles de matériaux composites (graves et bétons) traitées au liant hydraulique et incluant des fraisâts bitumineux. La présence de ces fraisâts bitumineux confère en effet un comportement visco-élastique aux mélanges testés. La thématique 6 présente enfin les recherches liées à l'invention des enrobés à basses émissions et à température réduite, les enrobés bitumineux dits " semi-tièdes ", avec une évaluation des caractéristiques mécaniques et environnementales. La supervision de 23 stages étudiants (Ingénieurs et Mastères) et de 4 doctorants (Génie Civil) a rendu possible une bonne partie de ces travaux et résultats. L'ensemble du travail de recherche a donné lieu à 2 chapitres d'ouvrages scientifiques, 23 publications au sein de revues internationales à comité de lecture, 3 publications au sein de revues françaises à comité de lecture, 54 publications et présentations en conférences internationales, 30 publications de vulgarisation dans la littérature technique & professionnelle, ainsi que 3 brevets internationaux.

Les enrobés bitumineux sont des matériaux composites complexes constitués de plusieurs phases : granulats, liants bitumineux et vides. L'assemblage de ces phases définit une microstructure très complexe qui pilote la réponse macroscopique des enrobés. Classiquement, les réponses mécanique et thermique des enrobés sont caractérisées par des essais à l'échelle macroscopique en supposant que le matériau est homogène et isotrope. À l’échelle des constituants, la caractérisation de ces matériaux nécessite d’utiliser une technique de mesure disposant simultanément d’une bonne résolution spatiale et d’une bonne résolution de mesure. L’enjeu de ce travail est d’une part d’évaluer les possibilités d’utilisation de la méthode de la grille (MG) pour l’analyse des propriétés thermo-mécaniques des enrobés bitumineux, et d’autre part de caractériser, grâce à l’apport de cette méthode, l’effet de l’introduction d’agrégats d’enrobés (AE). L’étude expérimentale comprend des essais de compression et de traction ainsi que des essais de gel-dégel. Les champs cinématiques issus de la MG ont permis d'étudier la réponse de ces matériaux à des échelles allant de l’échelle du constituant jusqu’à celle de l’éprouvette. Les résultats obtenus ont également permis de valider une approche expérimentale innovante pour l’analyse des enrobés en permettant d’accéder à des informations fiables et riches à l’échelle de la microstructure. Certains aspects liés à l'impact du recyclage sur le comportement local de l’enrobé sont également fournis. / Asphalt mixtures are complex composite materials constituted of several phases, namely aggregates, bituminous binder and voids. The assembly of these phases defines a highly complex microstructure, which drives the macroscopic response of asphalt mixtures. Classically, both the mechanical and the thermal responses of asphalt materials are characterized by using experiments at the scale of the mixture assuming that the material is homogeneous. At the scale of their constituents, these materials require a measurement technique featuring simultaneously both a good spatial resolution and a good strain resolution. To date, there are only few experimental studies available in the literature that describe the thermal and mechanical behavior of bituminous mixes at the scale of the constituent. The aim of this work is, on the one hand, to evaluate the possibilities of using the grid method (GM) for the analysis of the thermo-mechanical properties of asphalt mixtures and, on the other hand, to characterize the effect of the recycled asphalt pavement (RAP) inclusion on the local behavior of these materials. Full-field measurements provided by GM allow to study the response of these materials at scales ranging from the component to the mixture itself. These results enable us to validate an innovative experimental approach for the analysis of asphalts. It gives access to reliable and rich information at the scale of the microstructure. Some aspects related to the impact of RAP on the local behavior of asphalt were also provided.

Ce travail de thèse part d’un constat : d’importantes pertes thermiques sont observées lors de l’élaboration des matériaux du génie civil. Motivés par l’ajout d’une double enveloppe, les travaux contenus dans ce manuscrit visent à caractériser un échangeur de chaleur appliqué en paroi des fours rotatifs. Tout d’abord, un modèle intégré est développé, puis validé sur une centrale d’enrobage dont la paroi intérieure du four est munie de releveurs nécessaires au mélange des matériaux. Leur distribution dans la section transversale est estimée à partir d’une loi de déchargement granulaire. Les expérimentations numériques montrent que les transferts Gaz / Solide et Solide / Paroi dominent, ce dernier phénomène limitant les performances globales du procédé. L’ajout de l’échangeur sur paroi mobile est quant à lui exploré sur un banc d’essai instrumenté de type rotor-stator, avec entrée tangentielle. Développant un écoulement de type Taylor-Couette-Poiseuille, les transferts thermiques pariétaux sont caractérisés expérimentalement. Les résultats sont sans équivoque dans la gamme de nombres de Reynolds imposés : la contribution du mouvement axial surpasse le mouvement rotationnel turbulent. Une corrélation adimensionnelle basée sur le nombre de Nusselt est proposée afin d’estimer numériquement l’effet de l’échangeur sur les profils de température internes dans le four. Enfin, les structures tourbillonnaires de l’écoulement dans l’espace annulaire sont étudiées à partir d’un code de mécanique des fluides numériques utilisant la Simulation aux Grandes Echelles. Les simulations permettent de décrire les cellules contrarotatives au sein de la couche limite turbulente dont l’amplitude et la fréquence de passages sont reliées aux paramètres de fonctionnement de l’échangeur (débit axial et vitesse de rotation du four). / This work results on a finding: the heat loss from rotary kiln represents a significant energy amount during materials processing in civil engineering domain. Motivated by traditional energy recovery methods from heat exchanger, this thesis is aimed at providing their rigorous thermodynamic diagnostics. Firstly, a thermal-granular model is developed, and then validated in asphalt plant whose the rotary kiln is composed of flights to ensure the materials mixing. Their cross-section distribution is calculated from a granular discharge law. The numerical experiments showed an increase of heat transfer phenomena between gases and solids, and those between the solids and the wall, this latter phenomenon limiting the process performances. Heat recovery exchanger applied to the rotary kiln is studied from a semi-industrial pilot based on a rotor stator configuration including a tangential inlet. Developing a Taylor-Couette-Poiseuille flow, the heat transfer results are undoubted in the range of the studied Reynolds numbers: the axial motion contribution is larger than the rotational turbulent motion. A dimension less criterion is proposed in order to be applied to the aforementioned integrated model including the heat exchanger applied to the rotary kiln, its effect being assessed upon the internal thermalprofiles. Finally, the vortices flow structure within the annular gap exchanger is studied from Large Eddy simulation. The amplitude and frequency passage of the contrarotatives cells located in the turbulent boundary layer are connected to the process parameters (the axial flowrate and the kiln shell rotation).

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire Génie Civil et Bâtiment (LGCB)/Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) et l’entreprise Arkema, l’entreprise routière Malet, l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME). L’objectif de la thèse est l’étude du comportement thermomécanique des enrobés bitumineux, et spécifiquement les enrobés tièdes avec et sans agrégat d’enrobé (RAP, Reclaimed Asphalt Pavement), dans le but de prévoir leur durée de vie et d’optimiser leur dimensionnement dans un contexte de développement durable.Sept types d’enrobés bitumineux sont étudiés. Les enrobés diffèrent par leur procédé de fabrication, le pourcentage de RAP, les additifs et le pourcentage d’additif utilisé. Deux types de fabrications sont étudiées : à chaud (Hot Mix –HM) qui sert de référence et tièdes (Warm Mix –WM). Trois pourcentages de RAP sont considérés : 0%, 30% et 50%. Deux types d’additifs fournis par ARKEMA sont utilisés, ETIMA (E) et ETIMA-BIO (B), avec deux pourcentages, 0% et 0.4%. L’utilisation des enrobés tièdes contribue à réduire considérablement la consommation d’énergie, l’impact sanitaire et l’impact environnemental. D’autre part, l’ajout des RAP dans les enrobés permet d’augmenter le taux de recyclage des matières non renouvelables. Ces innovations participent à la prise en compte des enjeux du développement durable et de la préservation de l’environnement.Quatre types d’essais ont été réalisés. Ce sont : l’essai de module complexe, l’essai de fatigue, l’essai de retrait thermique empêché (TSRST) et l’essai de propagation d’ondes. Dans le domaine du comportement viscoélastique linéaire, les essais de module complexe sont réalisés sur une large gamme de températures (de -25°C à 45°C) et de fréquences (de 0.03Hz à 10Hz). Chaque test est dupliqué. Les résultats sont modélisés à l’aide du modèle analogique 2S2P1D qui a été développé au laboratoire LGCB de l’ENTPE. Ce modèle permet de modéliser correctement le comportement tridimensionnel viscoélastique linéaire des enrobés. Ensuite, le comportement en fatigue est étudié grâce à des essais de fatigue. Pour chaque matériau, quatre ou cinq éprouvettes sont testées. Quatre critères sont utilisés pour évaluer la durée de vie des matériaux. Puis, le comportement à basse température est caractérisé à l’aide de l’essai de retrait thermique empêché (TSRST). Pour chaque matériau, trois éprouvettes sont testées. Enfin, des essais de propagation d’ondes sont réalisés. La méthode de détermination du temps de vol des ondes « P » et des ondes « S » ainsi que la méthode Impact Résonance sont utilisées. Ces essais fournissent des mesures non destructives et faciles à réaliser. A partir de ces méthodes, on peut calculer les valeurs de modules et de coefficients de Poisson des matériaux.Soulignons que les essais réalisés permettent d’obtenir certain des paramètres utilisés pour le dimensionnement des chaussées. Un résultat essentiel de l’étude est la bonne performance des enrobés tièdes contenant des agrégats d’enrobés (RAP). / This PhD dissertation is part of the collaboration between the French Agency for Environment and Energy Management (ADEME), the companies Arkema and Malet and the Ecole Nationale de Travaux Publics de l’Etat (ENTPE). The aim of this dissertation is to study the thermo-mechanical behavior of asphalt mixes, specifically warm mix asphalts with and without Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) in order to predict their fatigue life and to optimize their design by targeting sustainable development. Seven types of asphalt mixes are studied. They differ in their mixing method, RAP content, additives used and their content. Two types of mixing methods are studied: Hot Mix Asphalt (HMA), which serves as a reference, and Warm Mix Asphalt (WMA). Three RAP contents are considered: 0%, 30% and 50%. Two types of additives provided by Arkema are used : ETIMA (E) and ETIMA-BIO (B) with two contents for each of them (0% and 0.4%). The use of warm mix asphalt helps significantly reducing both energy consumption and the impact on health and environment. These innovations are significant contributions with respect to issues of sustainable development and environmental preservation. Four types of laboratory tests were performed: complex modulus tests, fatigue tests, Thermal Stress Restrained Specimen Tests (TSRST) and wave propagation tests. In the Linear ViscoElastic (LVE) behavior domain, complex modulus tests were performed on a wide range of temperatures (from -25°C to 45°C) and frequencies (from 0.03 Hz to 10 Hz). For each material, two specimens were tested. Values of complex modulus and complex Poisson’s ratio were obtained and modeled using the 2S2P1D analogies model, developed in the Laboratoire Génie Civil et Bâtiement (LGCB) of ENTPE. It was observed that this model can correctly simulate the LVE behavior of asphalt mixes. Fatigue behavior was studied by analyzing fatigue tests results. For each material, four or five specimens were tested. Four different failure criteria were used in order to evaluate fatigue life of materials. Low temperature behavior of materials was characterized using TSRST. For each material, three replicates were performed. Finally, wave propagation tests were carried out. The method to determine the time of flight of « P » and « S » waves and the impact resonance method are presented. These tests provide a non-destructive method to characterize materials, which easy to perform. Using those methods, values of complex modulus and Poisson's ratio of tested materials can be estimated. It is to be underlined that the tests performed in this PhD allow to obtaining some parameters which are required for asphalt pavement design. An important result obtained in this study is that warm mix asphalt combined with RAP and additives (ETIMA ou ETIMA-BIO) could perform as well as hot mix asphalt.

L’apparition massive de nids de poule sur chaussées bitumineuses a été observée en cours d’hiver sur de très courtes périodes de temps, caractérisées par l’alternance entre températures positives et fortement négatives accompagnée de précipitations pluvieuses. Ceci a conduit à rechercher un mécanisme spécifique de dégradation de couches d’enrobés bitumineux (EB) lié au comportement au gel des EB partiellement saturés en eau. Celui-ci a été étudié en laboratoire à partir d’essais à déformation libre ou empêchée, avec ajout de chaux pour certaines formules d’EB.Ces essais ont montré l’apparition de déformations de gonflement ou contraintes importantes induites lors du gel de l’eau interstitielle. D’autres essais utilisant l’IRM ont permis de visualiser le phénomène au sein du matériau. Sur la base de ces essais, nous proposons une loi de comportement thermoviscoélastique avec changement de phase pour EB. Un programme aux éléments finis a été développé (Free Fem++)pour intégrer cette loi dans le calcul de structures ; ce code couple les équations mécaniques et de diffusion de la chaleur prenant également en compte le changement de phase à travers la chaleur latente de solidification de l’eau interstitielle.Après validation du logiciel, celui-ci a été appliqué au calcul de structures bitumineuses bicouches représentatives des couches supérieures d’une chaussée. Les résultats mettent alors en évidence l’apparition de contraintes d’arrachement élevées à l’interface entre couches générées par le gel,susceptibles d’expliquer la formation de nids de poule. Un essai de laboratoire sur bicouche a confirmé la fragilisation de l’interface induite dès le premier cycle de gel. / Massive development of potholes occurring in bituminous pavements was observed during winters over short time laps characterized by temperature alternating between positive and highly negative values along with rainfalls. This led us to seek for a specific mechanism of degradation of asphalt concrete (AC) layers, related to the behavior of partially saturated AC subjected to freeze. Two types of laboratory tests were performed under traction free and restrained strain conditions to study the behavior of AC within this context, incorporating lime additive in some mix design formulations. These tests showed the development of large swelling strains or stresses induced by the phase change of pore water into ice. Additional tests using MRI allowed us to visualize this phenomenon from inside the material specimens. Based on these tests, we developed a thermoviscoelastic constitutive law including phase change for partially saturated AC. A Finite Element (FE) program was implemented (FreeFem++) to introduce the developed law instructural calculations; this FE code handles the coupling between mechanics and the heat equation, also taking into account the phase change through the latent heat of crystallization of pore water. After validating the software, this numerical tool was utilized to compute the response of bilayer bituminous structures representative of the upper layers of a pavement. The results obtained show the development of highfrost-induced pull-out stresses located at the interface between the layers, likely to explain the formation of potholes. A test carried out on a bilayer sample confirmed the weakening of the interface right after the first frost cycle.

Une étude expérimentale a été effectuée sur diverses formules de trois familles d’enrobés bitumineux avec des taux de recyclage variables et la présence ou non de régénérant. La composition des mélanges et le procédé de fabrication ont été élaborés afin d’effectuer une étude comparative. L’enrobage produit des variations des paramètres physico-chimiques des liants telles que la consistance, la température de transition vitreuse, les fractions cristallisables, les taux d’aromatiques et d’asphaltènes ; ces variations sont limitées en présence de régénérant. Lorsque le taux d’AE augmente, la compactibilité et l’orniérage des mélanges diminuent et leur rigidité viscoélastique augmente, mais le régénérant limite ces variations. Globalement, les AE produisent une augmentation de la résistance à la fatigue des formules et un aplatissement des droites de Wöhler. Le régénérant améliore le paramètre de fatigue ɛ6 ; les performances en fatigue augmentent avec la TBA et l’indice colloïdal du liant ainsi qu’avec la diminution de la viscosité de l’enrobé. L’impact favorable d’un taux élevé d’AE et du régénérant sur le trafic admissible a été déterminé suite au dimensionnement d’une structure souple tri-couche. À basse température, la détérioration par les AE de la ductilité en traction et de la température de rupture par retrait empêché se trouvent limitées par le régénérant ; un compromis est cependant à trouver avec la résistance à la fatigue. Les formules régénérées mises en œuvre sur la couche de roulement d’une route départementale ont subi une moindre évolution après six ans de service que les mélanges non régénérés. / An experimental programme has been performed on three types of bituminous mixes with variable recycling rates and the possible addition of rejuvenator. The mix composition and the production process have been defined in order to perform a comparative analysis. The coating process modifies the physico-chemical parameters of the binders, like consistency, glassy transition temperature, cristallizable moiety, aromatics and asphaltenes rates; the above variations are limited by using the rejuvenator. As the RAP content increases, the compactibility and the rutting of the mixes decrease and the viscoelastic stiffness increases, but the rejuvenation reduces these variations. Globally, RAP increases the fatigue resistance of the mixes and flattens the Wöhler curve. Rejuvenation enhances ɛ6 fatigue parameter; fatigue performances increase with R&B temperature and colloidal index of the binder and as the viscous component of the mixes decreases. The positive impact of a high rate of RAP and of the rejuvenation on the allowable traffic has been evaluated from the structural design of a threelayered pavement. At low temperature, the deterioration of the tension ductility and of the stress restrained failure temperature produced by the RAP, is limited by the rejuvenation; a compromise with the fatigue resistance has to be found. The rejuvenated mixes laid as surface layers on a provincial road have experienced a smaller evolution that non rejuvenated mixes.