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.

Le dimensionnement en fatigue à grand nombre de cycles d'un contact roulant entre des éléments ayant subi un traitement thermochimique de cémentation s'avère rapidement complexe.D'une part le traitement de cémentation apporte une hétérogénéité de propriété dans les couches supérieures de la pièce qui dépend du protocole utilisé. D'autre part le chargement de contact roulant est un chargement complexe dont le mode de défaillance en fatigue s'initie en sous-couche.Afin de limiter le temps de la caractérisation des champs de propriétés en fatigue, l'utilisation des mesures d'auto-échauffement sous sollicitation cyclique ainsi que leur interprétation par un modèle probabiliste à deux échelles est proposé. Néanmoins de par l'hétérogénéité du matériau et de par la particularité du chargement il peut s'avérer délicat d'appliquer une telle méthode d'évaluation. ll est alors proposé d'explorer ces deux difficultés de manière séparé.Pour prendre en compte l'hétérogénéité matériaux, un protocole d'analyse de courbe d'auto-échauffement basé sur une variante d'un modèle probabiliste à deux échelles et sur les mesures de taux de carbone a été proposé. Les paramètres du modèle ont été identifiés sur une classe d'acier via des mesures d'auto-échauffement réalisées sur des éprouvettes représentatives de l'hétérogénéité du au traitement de cémentation. Enfin le modèle a été validé par comparaison avec des points de fatigue expérimentaux.En ce qui concerne le chargement de contact roulant, les difficultés pour réaliser une mesure d'auto-échauffement ont mené à effectuer une première campagne de mesure sur le cas intermédiaire du contact répété. A l'aide d'un modèle analytique simple, l'évolution du champ de température a pu être reliée à un terme source de chaleur moyen dont le lien avec les mécanismes de fatigue reste à démontrer. Finalement, des prototypes de machine de contact roulant dédiés aux mesures d'auto-échauffement ont été proposés. Les mesures réalisées sur ces dernières et leur interprétation laissent à penser qu'il sera possible d'identifier des propriétés de fatigue à partir de mesure d'auto-échauffement. / The rolling contact fatigue prediction between two carburizing part quickly becomes complex.On one hand, the carburizing treatment give heterogeneous properties in surface layer depending on the treatment protocol. On the other hand, the rolling contact load is a complex load with a fatigue initiation in the sub-layer. To limit the duration of the field fatigue properties characterization, self-heating measurements under cycle load are used and their interpretation by a probabilistic two scales model is proposed. Nevertheless applying this fatigue evaluation method on heterogeneous material and for rolling contact load can be difficult. ln first approach those difficulties are split.To take into account the material heterogeneity, an analysis based on a variation of one probabilistic two scales model and on carbon rate measurement is proposed. Model parameters are identified on one steel class with self-heating measurement made on specimens representative of carburizing material heterogeneity. Finally the model is validated by comparison with experimental fatigue point.Making self-heating measurement for rolling contact load is complex. Consequently a first self-heating measurement campaign is made on the intermediary case of repeated contact. With a simple analytic model, the temperature field evolution can be linked to a mean heat source whose link with fatigue mechanism must be proven. Finally, rolling contact machine prototypes are proposed. Self-heating measurement made on those prototypes and their interpretation suggest that it will be possible to identify fatigue properties with self-heating measurement.