The main goal of this study consists of the development of new asphalt mixes, based on industrial waste materials as replacement of natural aggregates. To achieve this purpose, a new characterisation of these pavements was proposed so to verify that the new mix has good mechanical performance without any detrimental impact to the environment. This characterisation was divided in three distinct steps: • a physical and chemical characterisation of the different constituents of asphalt concrete, as well the natural materials as the industrial waste considered as potentially secondary aggregates, • a study of the bitumen-aggregate interface by means of two techniques: a qualitative method (scanning electron microscope) and a quantitative one (nanoindentation) • an evaluation of the mechanical performance of mixes containing industrial waste, before and after recycling, by means of four standard road-engineering tests. The numerous results allowed to put in evidence the possibility to reuse some industrial waste materials in asphalt concrete. In addition, this characterisation containing both chemical and mechanical aspects, at the microscopic and macroscopic scales, would permit the transposition of this study to the whole of asphalt concrete./ Le principal objectif de ce travail consiste en le développement de nouveaux mélanges bitumineux utilisant des déchets industriels en tant que remplacement des matériaux naturels. Pour ce faire, une nouvelle caractérisation de ces revêtements a été proposée afin de vérifier que le nouveau revêtement obtenu présente de bonnes performances mécaniques tout en évitant un impact environnemental néfaste. Cette caractérisation a été scindée en trois étapes distinctes : • une caractérisation physique et chimique des différents constituants de l’enrobé bitumineux, à savoir les granulats naturels mais également les déchets industriels, candidats en tant que matériaux secondaires, • une étude de l’interface bitume-granulat et ce, au moyen de deux techniques : une méthode qualitative (microscope électronique à balayage)et une méthode quantitative (nanoindentation), • une évaluation des performances mécaniques des mélanges comportant des déchets industriels avant et après recyclage et ce, au moyen de quatre tests usuels de l’ingénierie routière. Les nombreux résultats obtenus ont permis de mettre en évidence la possibilité de valoriser certains déchets industriels dans les enrobés bitumineux. De plus, la mise en place d’une caractérisation comportant des aspects chimiques et mécaniques, à la fois à l’échelle microscopique et macroscopique, permettra la transposition de cette étude à l’ensemble des enrobés bitumineux.

Depuis les années 2000, les grandes entreprises routières axent leurs recherches sur l’abaissement des températures de fabrication et de mise en œuvre des enrobés bitumineux à chaud (de 30 à 50°C). Le développement de ces nouveaux enrobés, dits tièdes, a fait apparaître sur les chantiers des problématiques de maniabilité qui n’existaient pas dans le cas des enrobés à chaud, notamment lors des mises en œuvre manuelles. Ce sujet de thèse, inscrit dans cette thématique des enrobés bitumineux tièdes, vise à étudier leur comportement aux températures de mise en œuvre et à développer une démarche de caractérisation et d’évaluation de leur maniabilité. Pour cela, le travail expérimental a été réalisé à différentes échelles du matériau (liant, mastic et enrobé), sur des matériaux réels (aux liants bitumineux) et modèles (aux huiles de silicone), en s’articulant autour de deux axes principaux : les propriétés de viscosité des liants et des mastics d’une part, puis les propriétés de maniabilité des enrobés évaluées par un outil depuis peu normalisé, à savoir le maniabilimètre. Après un état de l’art sur les enrobés bitumineux, notamment tièdes, leur mise en œuvre et méthodes de caractérisation, et les propriétés rhéologiques des liants et des mastics bitumineux, une présentation des différents matériaux utilisés est faite. Les études rhéologiques menées sur liant et sur mastic sont présentées dans une première partie, depuis la mise en place des protocoles de mesure en plan-plan jusqu’à l’analyse des différents comportements, en fonction de paramètres choisis tels que la température, le taux de cisaillement, le taux de fines ou la présence d’additif tiède. Outre la vérification du caractère newtonien des bitumes et la validation des matériaux modèles, cette partie met en évidence le comportement non newtonien des mastics aux taux de fines testés, ainsi que la présence d’un phénomène de sédimentation dans les mastics, particulièrement à haute température, qui amène à s’interroger sur la pertinence de l’étude à l’échelle mastic par rapport à celle sur liant. En deuxième partie, l’analyse de la maniabilité à l’échelle de l’enrobé est menée à l’aide du maniabilimètre (NF P 98 258-1) ; l’intérêt de maîtriser la compacité de l’échantillon pour une bonne pertinence de l’essai est démontré. Une analyse de différents paramètres, tant géométriques que produits, initialement sur enrobés modèles puis réels, a permis de mettre en évidence la capacité et les limites de cet outil à caractériser la maniabilité, en corrélation avec les études rhéologiques sur liant et mastics / Since the 2000s, road industries have focused their researches on lowering the mixing and implementation temperatures of Hot Mix Asphalt (HMA) (from 30 to 50°C). These new asphalt concretes, called Warm Mix Asphalt (WMA), created a workability issue that did not exist in the case of HMA, especially during manual implementation. This thesis aims to study the behavior of these WMA at implementation temperatures and to develop a method to characterize and evaluate their workability. For that, the experimental work was done at several scales of the material (the binder, the mastic and the mixture), some made with bituminous binders and some with silicone oils. Two properties were studied: on the one hand the viscosity of binders and mastics, and on the other hand the workability of mixtures measured by the workability device, newly standardized. After a state of the art on asphalt concretes, in particular WMA, on their implementation and characterization techniques, on the rheological properties of bituminous binders and mastics, the different materials used are presented along with their characterizations. The rheological studies conducted on binder and mastic are exposed in a first part, from the setup of measure procedures to the analysis of different behaviors with respect to the chosen parameters such as temperature, shear rate, filler content. This part highlights not only the Newtonian nature of binders but also the non-Newtonian behavior of mastics and the sedimentation phenomenon they endured at high temperatures which leads to investigate the legitimacy of the study at the mastic scale. In a second part, the workability of the mixtures is measured with the workability device (NF P 98 258-1), showing the importance of controlling the void content of the sample to guaranty a relevant test. An analysis of several parameters highlighted the ability and the limits of this device to characterize workability, with regard to the rheological studies on binders and mastics

Les acteurs du domaine des travaux publics participent techniquement au développement durable, en diminuant les consommations de matériaux et d'énergie lors de la fabrication à chaud d'enrobés bitumineux. Le recours accru aux agrégats d'enrobé, matériaux provenant de la déconstruction des chaussées, est une solution qui permettra d'atteindre une pleine capacité de recyclage dans le secteur de la construction routière. La concomitance de l'augmentation du niveau de recyclage avec l'abaissement des températures de fabrication, avec le même objectif de réduction de la consommation énergétique, suscite une interrogation engageant la qualité des enrobés recyclés ainsi produits. Leur caractérisation qualitative passe par la validation de leurs propriétés mécaniques et une connaissance de l'état physicochimique des constituants. À cette fin, des études mécaniques et des observations microscopiques se complétant sont réalisées. La mise en parallèle de ces résultats avec un essai pratique de contrôle validera la qualité de l'enrobé recyclé produit lors d'une fabrication industrielle. La maitrise des performances des enrobés recyclés permettra leur développement industriel dans le respect des engagements environnementaux contemporains.

Les acteurs du domaine des travaux publics participent techniquement au développement durable, en diminuant les consommations de matériaux et d'énergie lors de la fabrication à chaud d'enrobés bitumineux. Le recours accru aux agrégats d'enrobé, matériaux provenant de la déconstruction des chaussées, est une solution qui permettra d'atteindre une pleine capacité de recyclage dans le secteur de la construction routière. La concomitance de l'augmentation du niveau de recyclage avec l'abaissement des températures de fabrication, avec le même objectif de réduction de la consommation énergétique, suscite une interrogation engageant la qualité des enrobés recyclés ainsi produits. Leur caractérisation qualitative passe par la validation de leurs propriétés mécaniques et une connaissance de l'état physicochimique des constituants. À cette fin, des études mécaniques et des observations microscopiques se complétant sont réalisées. La mise en parallèle de ces résultats avec un essai pratique de contrôle validera la qualité de l'enrobé recyclé produit lors d'une fabrication industrielle. La maitrise des performances des enrobés recyclés permettra leur développement industriel dans le respect des engagements environnementaux contemporains.

Ce travail de thèse se situe dans le contexte de l'évaluation du comportement permanent des enrobés bitumineux. L'objectif est de proposer un modèle mécanique pour les déformations permanentes des matériaux bitumineux et de l'appliquer à la prédiction du phénomène d'orniérage des chaussées. Dans un premier temps, un modèle tridimensionnel de viscoplasticité à plusieurs mécanismes et plusieurs critères est proposé. Ce modèle résulte du couplage d'un critère quadratique particularisé avec un critère de type Drucker-Prager linéaire. Il est capable de prendre en compte un certain nombre d'aspects du comportement mécanique des matériaux bitumineux, parmi lesquelles les déformations permanentes sous sollicitations cycliques. La validation de ce modèle s'effectue par la simulation de quelques essais de fluage cycliques. Dans un deuxième temps, une approche améliorée est proposée en présentant un modèle monosurfacique multi-mécanisme. Le nouveau modèle permet de simuler non seulement les sollicitations cycliques mais aussi les chargements monotones de fluage statique. Quelques validations sont présentées et montrent les capacités et la pertinence de ce modèle. Finalement, ce modèle est appliqué aux calculs de l'onriérage de chaussées bitumineuses à travers son implémentation au sein du module ORNI du code de calcul CESAR-LCPC.

Le recyclage des enrobés bitumineux fabriqués selon un procédé tiède répond aux exigences du développement durable: il limite l'apport de matériaux neufs, permet la gestion des déchets et réduit la consommation d'énergie. Le recyclage des enrobés date des années 70 ; ce qui a changé depuis, c'est la volonté de pérenniser le recyclage à fort taux, définit ici à plus de 25% d'agrégats d'enrobés (AE). Les AE contiennent une part de bitume qui est valorisable pour ses propriétés viscoélastiques de liant hydrocarboné. Il est ainsi recherché une mobilisation de ce liant vieilli dans le processus de recyclage. L'un des problèmes suspectés lors du couplage recyclage/procédé tiède est le phénomène de double enrobage pouvant impacter la rhéologie du nouveau matériau: le liant de l'AE et le liant d'apport ne se mélangeraient pas totalement du fait de l'abaissement des températures de fabrication et formeraient des couches superposées. Ce phénomène serait la cause de dysfonctionnements mécaniques au niveau de l'enrobé. Il se pose donc la question de la qualité de l'enrobage de surfaces granulaires déjà enrobées et du manque de moyens de caractérisation pour l'observation in situ de l'interface. Dans ce travail de thèse, la qualité d'enrobage des agrégats d'enrobés par un liant d'apport a été évaluée à l'échelle microscopique et macroscopique. Au niveau microscopique, il a été proposé d'utiliser un outil de micro-spectroscopie infrarouge pour évaluer in situ la qualité d'interface entre l'AE et le liant d'apport et suivre la répartition spatiale de ces deux composants au sein d'enrobés de laboratoire. Cela a nécessité un important développement expérimental afin de pouvoir appliquer un accessoire d'imagerie infrarouge aux mélanges complexes que sont les formules d'enrobés bitumineux constitués de différentes fractions granulaires et de liant bitumineux. Il a ainsi été possible, grâce à l'identification préalable de traceurs internes, de suivre la remobilisation partielle du liant vieilli de l'AE. En parallèle, au niveau macroscopique, un protocole d'essai a été développé afin d'évaluer la durabilité des enrobés contenant des forts taux d'AE (50%), notamment des enrobés fabriqués selon un procédé tiède. L'essai actuel de fatigue est l'un des essais qui permet le mieux d'évaluer la durée de vie d'une couche de chaussée. Mais cet essai accéléré est biaisé car le bitume des échantillons testés n'a pas eu le temps de vieillir comme c'est le cas sur une vraie chaussée. Dans ce travail, il a donc été proposé d'ajouter une étape de vieillissement du matériau avant les essais de fatigue, d'orniérage, de tenue à l'eau et de module complexe. Il est supposé que le comportement réel du matériau se situerait entre celui du matériau non vieilli et celui du matériau vieilli. Les principaux résultats obtenus montrent qu'un enrobé tiède contenant un taux élevé d'AE présente de bonnes performances mécaniques excepté qu'il a tendance à être plus sensible à la fatigue qu'une même formulation de matériau fabriqué à chaud ou selon un procédé tiède mais sans ajout AE. / The recycling of asphalt mixtures manufactured with a warm process meets the requirements of sustainable development: it limits the use of new materials, allows waste management and reduces energy consumption. The recycling of asphalt mixtures dates from the 70's. What has changed since that is the will to sustain high rate recycling, defined here by more than 25% of Reclaimed Asphalt Pavement (RAP). RAP contains a part of bitumen that is recoverable for its viscoelastic properties of asphalt binder. It is thus desired to mobilize this aged binder in the recycling process. One of the suspected problems when coupling recycling and warm process is the phenomenon of double coating that could affect rheological properties of the new material: the RAP binder and the new binder do not would mix completely due to the reduction of processing temperatures and would form superimposed layers. This phenomenon would cause mechanical dysfunctions in the asphalt mixture. This raises the question of the quality of the coating of granular surfaces, previously coated, and lack of characterization tools for in situ observation of the interface. In this thesis work, the quality of coating of RAP by a new binder has been evaluated at the microscopic and macroscopic scales. At the microscopic level, it has been proposed to use infrared micro-spectroscopy tool to evaluate the quality of interface between the RAP and the new binder and to follow the spatial distribution of these two components within mixtures produced in laboratory. To do that, it has been necessary to carry out an important experimental development in order to apply an infrared imaging accessory to complex mixtures that are the bituminous mixtures made of different granular fractions and bituminous binder. It was then possible, based on previous identification of internal tracers, to follow the partial remobilization of RAP aging binder. In parallel, at the macroscopic level, a testing protocol has been developed to evaluate the durability of high rate recycled asphalt mixtures (50% of RAP), including mixes produced in a warm process. The current fatigue test is one of the tests that best evaluate the lifetime of a pavement layer. But this accelerated test is biased because the bitumen of the mixtures tested did not have time to aged, as occurs in the case on a real road. In this work, it was proposed to add an aging step of the material before fatigue test, rutting test, modulus test and moisture damage test. It is assumed that the real behavior of the material would range between that of the unaged material and that of aged material. The main obtained results show that warm mixture asphalt containing high rate of RAP exhibit good mechanical performance, with a trend to be more susceptible to fatigue than a similar hot mixture or a warm mixture without added RAP.

A reciclagem de misturas asfálticas usando técnicas de misturas mornas atende às exigências da sustentabilidade, limitando o consumo de energia e de novos materiais. A reciclagem de revestimentos asfálticos fresados (RAP) é praticada há mais de 40 anos, por meio de usinagem a quente do RAP adicionado a agregados e ligante novos. Todavia, o uso de elevadas taxas de RAP (acima de 25% no total), é um grande desafio até o presente, pois limita a perda de durabilidade da mistura asfáltica final. O RAP contém ligante asfáltico envelhecido aderido aos agregados, porém uma parte desse ligante pode ser remobilizada durante a reciclagem pelo aumento da temperatura no processo de usinagem. Esta tese busca compreender o processo de remobilização do ligante envelhecido durante a reciclagem do RAP e as consequências da magnitude de temperatura empregada no processo de reaquecimento deste material envelhecido. Atualmente, tem-se buscado o uso da tecnologia de usinagem morna, permitindo a redução de temperatura total no processo de fabricação. Um dos problemas possíveis da combinação das técnicas reciclagem morna é a ocorrência do fenômeno de recobrimento duplo, que pode impactar na reologia do novo material: o ligante do RAP e o ligante novo não se misturariam totalmente, devido à redução das temperaturas de fabricação, formando camadas superpostas. Este fenômeno seria a causa de disfuncionamentos mecânicos da mistura asfáltica final. Questiona-se então a qualidade do recobrimento dos agregados do RAP, já recobertos, e a falta de um meio de caracterização para a observação da interface. Neste estudo, a qualidade do recobrimento do RAP foi avaliada em escala microscópica e macroscópica. No nível microscópico, foi proposto o uso de uma ferramenta de micro-espectroscopia infravermelha para avaliar a interface entre o RAP e o ligante novo, e seguir a distribuição espacial desses dois componentes na mistura asfáltica. Para tanto, foi realizado um desenvolvimento experimental detalhado que permitisse o uso de um acessório de imagem infravermelha em misturas asfálticas recicladas. Graças à indentificação prévia de marcadores internos, foi possível acompanhar a mobilização parcial do ligante envelhecido do RAP. Em paralelo, no nível macroscópico, foi desenvolvido um protocolo de ensaio com o objetivo de avaliar a durabilidade das misturas asfálticas recicladas com taxas elevadas de RAP (50%), com o objetivo princial de compreender se há benefícios nas propriedades mecânicas de misturas mornas recicladas. O ensaio de fadiga é um dos ensaios que permitem melhor avaliar e comparar diferentes misturas asfálticas para comporem uma camada de pavimento. Porém, este ensaio não pode ser diretamente transposto à previsibilidade de campo por ter restrições, tais como o ligante das amostras ensaiadas não teve tempo de envelhecer; e as misturas asfálticas, dependendo da quantidade de RAP e da temperatura de usinagem, podem envelhecer em velocidades diferentes em campo. No presente trabalho, foi proposta a adição de uma etapa de envelhecimento previamente aos ensaios mecânicos. Foi suposto que o comportamento real do material estaria situado entre o do material não envelhecido e do envelhecido. Os principais resultados mostram que uma mistura reciclada morna apresenta resultados satisfatórios de comportamento mecânico que atestam seu uso como camada de revestimento asfáltico, exceto que ela tem a tendência de ser mais sensível à fadiga que uma mistura com a mesma composição de agregados e de teor de ligante, fabricada a quente ou morna, mas sem a adição de RAP. / Le recyclage des enrobés bitumineux fabriqués selon un procédé tiède répond aux exigences du développement durable: il limite lapport de matériaux neufs, permet la gestion des déchets et réduit la consommation d\'énergie. Le recyclage des enrobés date des années 70 ; ce qui a changé depuis, cest la volonté de pérenniser le recyclage à fort taux, définit ici à plus de 25% dagrégats denrobés (AE). Les AE contiennent une part de bitume qui est valorisable pour ses propriétés viscoélastiques de liant hydrocarboné. Il est ainsi recherché une mobilisation de ce liant vieilli dans le processus de recyclage. Lun des problèmes suspectés lors du couplage recyclage/procédé tiède est le phénomène de double enrobage pouvant impacter la rhéologie du nouveau matériau: le liant de lAE et le liant dapport ne se mélangeraient pas totalement du fait de labaissement des températures de fabrication et formeraient des couches superposées. Ce phénomène serait la cause de dysfonctionnements mécaniques au niveau de lenrobé. Il se pose donc la question de la qualité de lenrobage de surfaces granulaires déjà enrobées et du manque de moyens de caractérisation pour lobservation in situ de linterface. Dans ce travail de thèse, la qualité denrobage des agrégats denrobés par un liant dapport a été évaluée à léchelle microscopique et macroscopique. Au niveau microscopique, il a été proposé dutiliser un outil de micro-spectroscopie infrarouge pour évaluer in situ la qualité dinterface entre lAE et le liant dapport et suivre la répartition spatiale de ces deux composants au sein denrobés de laboratoire. Cela a nécessité un important développement expérimental afin de pouvoir appliquer un accessoire dimagerie infrarouge aux mélanges complexes que sont les formules denrobés bitumineux constitués de différentes fractions granulaires et de liant bitumineux. Il a ainsi été possible, grâce à lidentification préalable de traceurs internes, de suivre la remobilisation partielle du liant vieilli de lAE. En parallèle, au niveau macroscopique, un protocole dessai a été développé afin dévaluer la durabilité des enrobés contenant des forts taux dAE (50%), notamment des enrobés fabriqués selon un procédé tiède. Lessai actuel de fatigue est lun des essais qui permet le mieux dévaluer la durée de vie dune couche de chaussée. Mais cet essai accéléré est biaisé car le bitume des échantillons testés na pas eu le temps de vieillir comme cest le cas sur une vraie chaussée. Dans ce travail, il a donc été proposé dajouter une étape de vieillissement du matériau avant les essais de fatigue, dorniérage, de tenue à leau et de module complexe. Il est supposé que le comportement réel du matériau se situerait entre celui du matériau non vieilli et celui du matériau vieilli. Les principaux résultats obtenus montrent qu\'un enrobé tiède contenant un taux élevé dAE présentent de bonnes performances mécaniques excepté quil a tendance à être plus sensible à la fatigue quune même formulation de matériau fabriqué à chaud ou selon un procédé tiède mais sans ajout AE.

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.

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.

The main goal of this study consists of the development of new asphalt mixes, based on industrial waste materials as replacement of natural aggregates. To achieve this purpose, a new characterisation of these pavements was proposed so to verify that the new mix has good mechanical performance without any detrimental impact to the environment.<p>This characterisation was divided in three distinct steps:<p>• a physical and chemical characterisation of the different constituents of asphalt concrete, as well the natural materials as the industrial waste considered as potentially secondary aggregates,<p>• a study of the bitumen-aggregate interface by means of two techniques: a qualitative method (scanning electron microscope) and a quantitative one (nanoindentation)<p>• an evaluation of the mechanical performance of mixes containing industrial waste, before and after recycling, by means of four standard road-engineering tests.<p>The numerous results allowed to put in evidence the possibility to reuse some industrial waste materials in asphalt concrete. In addition, this characterisation containing both chemical and mechanical aspects, at the microscopic and macroscopic scales, would permit the transposition of this study to the whole of asphalt concrete./<p>Le principal objectif de ce travail consiste en le développement de nouveaux mélanges bitumineux utilisant des déchets industriels en tant que remplacement des matériaux naturels. Pour ce faire, une nouvelle caractérisation de ces revêtements a été proposée afin de vérifier que le nouveau revêtement obtenu présente de bonnes performances mécaniques tout en évitant un impact environnemental néfaste.<p>Cette caractérisation a été scindée en trois étapes distinctes :<p>•\ / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished