Les routes sont le moyen de transport le plus utilisé dans le monde et le développement d'un pays est souvent mesuré en termes de kilométrage total des routes revêtues. Les chaussées sont essentielles à notre réseau social et l’enrobé bitumineux est le matériau le plus utilisé pour leur fabrication. À l'heure actuelle, le réseau routier européen n’est plus en forte croissance et nécessite surtout un entretien. Dans un contexte de développement durable de plus en plus exigeant,la route pourrait donc représenter sa propre source d’approvisionnement en tirant parti du recyclage. Elle doit aussi limiter les quantités d’énergies et de ressources naturelles nécessaires à sa propre maintenance.La combinaison des techniques d’enrobés tièdes (WMA) et de taux de recyclage élevés d’agrégats d’enrobés (RAP) apparaît comme une solution permettant d’économiser à la fois l’énergie et les ressources naturelles. Mais sa durabilité doit être éprouvée. Un programme expérimental a donc été mis en place pour montrer l'évolution des performances de ces enrobés bitumineux avec le temps, mettant en évidence la notion de vieillissement essentiellement lié à la fraction bitumineuse. A l'échelle du bitume, l'évaluation à long terme est effectuée notamment en appliquant la δ-méthode et en comparant avec les mesures de masses moléculaires par GPC à la fois sur des échantillons modèles à teneur en asphaltènes controllée et sur des échantillons de laboratoire. A l’échelle de l’enrobé bitumineux, une étude comparative a été réalisée entre un enrobé à chaud traditionnel et des WMAs incluant 0% ou 50% de RAP soumis à une procédure de vieillissement en laboratoire. Les performances à long terme des mélanges sont comparées au moyen d’essais de module complexe et de fatigue.Les résultats montrent une relation entre l’évolution de la structure des bitumes par vieillissement et les performances mécaniques. Le vieillissement à court terme au moment de la fabrication est beaucoup moins marqué pour les procédés tièdes. Après vieillissement à long terme, les tendances générales sont similaires pour tous les procédés. / Roads are the most widely used mode of transportation in the world, and a country’s development is often measured in terms of its total paved roads mile age. Pavements are an essential part of our social network and asphalt concrete is the main material used for manufacturing them. Currently, the European road network is not much growing anymore and mostly needs only maintenance. In a context of increasing demand of performance and durability of asphalt mixtures, a sustainable, durable and economical conceptionis required. Indeed it could be oriented towards a self sufficient road providing its own raw materials through recycling while limiting the use of energy and other natural resources for its maintenance.The combination of warm mix asphalts (WMA) technologies and high rates of reclaimed asphalt pavements (RAP)appears as a solution to achieve both energy and natural resources savings. But it is still ambiguous in terms of durability. Therefore, an experimental program is set up to show the evolution of the performances of such asphalt concretes with time, highlighting the notion of ageing mostly related to the bituminous fraction. At the bitumen scale, the long term assessment is carried out in particular by applying the δ-method compare with GPC measurements both on model samples with controlled asphaltene content and laboratory aged ones. At the asphalt mixture scale, a comparison studyis carried out between a reference HMA and WMAs with 0%- 50% of RAP submitted to a laboratory ageing procedure. The long term performances of the mixtures are compared by means of complex modulus and fatigue testing. Results show a relation between the evolution of the structure of the bitumen with ageing and the mechanical performances. Short term ageing is less important for warm processes. After ageing, the overall tendencies are similar for all processes.

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.