Characterization, modeling and thermo-viscoelastics simulation of asphalt concrete crack growth
Caractérisation, modélisation et simulation thermo-viscoélastiques de la fissuration des enrobés bitumineux
Résumé
Cracking is one of the most common pavement pathologies. Various factors affect the cracking potential of asphalt mixtures, including the properties of the asphalt components, loading rate and loading mode, temperature, stress state, and climatic factors such as freeze/thaw cycles and aging.The objective of this thesis is to evaluate the impact of aging on the thermomechanical, physico-chemical and fracture properties of asphalt mixtures by combining experiments, modeling and numerical simulations.The aging procedure for asphalt mixtures is based on the CEN/TS 12697-52 standard.The rheological properties of the aged mixtures and their binders were characterized and modeled using the 2S2P1D model. The results show an increase in the complex modulus and a decrease in the phase angle with the aging time.Other aging indicators determined from the complex moduli of the bitumens such as the Cross-over parameters (viscoelastic transition temperature T_TVE, the complex modulus |E*|_TVE and the pulsation ω_TVE at the viscoelastic transition temperature) and those determined from the FITR analysis sulfoxide I_S=0 and carbonyl indices I_C=0 were interpreted. It reveals that the indicators T_TVE, I_S=0 and I_C=0 increase while |E*|_TVE and ω_TVE decrease.Furthermore, to evaluate the effect of aging on the cracking properties (peak load F_max, strain at peak load ε_max, total fracture energy G_f and cracking resistance index IRF), three-point bending tests on semicircular specimens (SCB) were performed on the aged mixtures at three temperatures (-20°C, 0°C and 20°C) and under two loading rates (1 and 5 mm/min). The results show that the following cracking properties decrease: ε_max, G_f, IRF whatever the temperature and the loading rate. At low temperatures, no significant variation of F_max with aging time is observed. However, the results indicate an increase in the peak load with aging time.Finally, a numerical modeling and simulation of the cracking was developed. First, the thermo-viscoelastic behavior based on the generalized Maxwell model was modeled by adopting an incremental formulation. The linear viscoelastic properties have been calibrated from experimental measurements of rheological properties. This modeling allows the simulation of creep and relaxation experiments and two-point bending tests on a prism. The results validated the proposed incremental resolution approach. Then a criterion of crack propagation in mode I based on the energy release rate and coupled to the viscoelastic behavior is formulated. This criterion is used to simulate SCB cracking tests of asphalt mixtures. The force-deflection curve computed from the finite element model was compared to the one obtained experimentally. The results show a relatively good agreement between the numerical simulations and the experiment. A diffuse damage model was introduced in the last part of this study to model the cracking of viscoelastic media. This model allows the prediction of the cracking path in 2D and 3D and offers the flexibility to study the phenomena of crack branching while using classical finite element methods. The damage model, applied to the SCB, gives results consistent with the experimental data.
La fissuration est l'une des pathologies les plus courantes des chaussées. Divers facteurs affectent le potentiel de fissuration des enrobés bitumineux (EB), notamment les propriétés des constituants de l'enrobé, la vitesse et le mode de chargement, la température, l'état de contrainte et les facteurs climatiques tels que les cycles de gel/dégel et le vieillissement.L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'impact du vieillissement sur les propriétés thermomécaniques, physico-chimiques et de rupture des enrobés bitumineux en combinant expérimentations, modélisations et simulations numériques.La procédure de vieillissement des EB est basée sur la CEN/TS 12697-52.Les propriétés rhéologiques des mélanges vieillis et de leurs liants ont été caractérisées et modélisées à l'aide du modèle 2S2P1D. Les résultats montrent une augmentation du module complexe et une diminution de l'angle de phase avec la durée du vieillissement.D'autres indicateurs de vieillissement déterminés à partir des modules complexes des bitumes tels que la température de transition viscoélastique T_TVE, le module complexe |E*|_TVE et la pulsation ω_TVE à la température T_TVE et ceux déterminés à partir de l'analyse FITR des indices sulfoxyde I_S=0 et carbonyles I_C=0 ont été interprétés. Il en ressort que les indicateurs T_TVE, I_S=0 et I_C=0 augmentent tandis que |E*|_TVE et ω_TVE diminuent.En outre, pour évaluer l'effet du vieillissement sur les propriétés de fissuration (force maximale F_max, déformation à la force maximale ε_max, énergie totale de rupture G_f et indice de résistance à la fissuration IRF), des essais de flexion trois points sur des éprouvettes semi-circulaires (SCB) ont été réalisés sur les mélanges vieillis à trois températures (-20°C, 0°C et 20°C) et sous deux taux de chargement (1 et 5 mm/min). Les résultats montrent que les propriétés de fissuration suivantes diminuent : ε_max, G_f, IRF. A basse température, aucune variation significative de la résistance maximale en fonction du temps de vieillissement n'est observée. Cependant, les résultats indiquent une augmentation de la force maximale avec la durée de vieillissement.Puis, une modélisation et une simulation numérique de la fissuration ont été menées. Tout d'abord, le comportement thermo-viscoélastique basé sur le modèle de Maxwell généralisé a été modélisé en adoptant une formulation incrémentale. Les propriétés viscoélastiques linéaires ont été calibrées à partir de mesures expérimentales des propriétés rhéologiques. Cette modélisation permet de simuler des expériences de fluage et de relaxation et des essais de flexion en deux points sur un prisme. Les résultats ont validé l'approche de résolution incrémentale proposée. Ensuite, un critère de propagation de fissure en mode I basé sur le taux de restitution d'énergie et couplé au comportement viscoélastique est formulé. Ce critère est utilisé pour simuler des essais SCB sur des EB. La courbe force-déplacement calculée à partir du modèle par éléments finis a été comparée à celle obtenue expérimentalement. Les simulations numériques et l'expérience donnent des résultats similaires. Enfin, un modèle d'endommagement diffus a été enfin introduit pour modéliser la fissuration des milieux viscoélastiques. Ce modèle permet la prédiction de la trajectoire de fissuration en 2D et 3D et offre la flexibilité d'étudier les phénomènes de branchement des fissures. Le modèle d'endommagement, appliqué au SCB, donne des résultats cohérents avec les données expérimentales.
Origine : Version validée par le jury (STAR)