Essais de laboratoire .1 Types d’essais .1 Types d’essais

Il existe une panoplie d’essais en laboratoire pour la détermination de la résistance à la fatigue des enrobés bitumineux. Une synthèse détaillée de ces essais de laboratoire est présenté par : Baaj (2002), Di Benedetto et coll. (2003) et, Di Benedetto et coll. (2005). Trois grands types d’essais en laboratoire ont été développés pour évaluer la résistance en fatigue des matériaux bitumineux, qui tentent de simuler le comportement observable sur chaussée, soient : essais de flexion (2, 3 et 4 points), essai de traction-compression et essais de cisaillement. Les essais de flexion visent à représenter les efforts répétés de traction par flexion engendrés dans le revêtement de la chaussée par le passage des véhicules. Les essais de traction ont pour objectif de représenter les efforts de traction générés à la base de la chaussée fléchie. Pour terminer, les essais de cisaillement ont été élaborés pour tenir compte des efforts en cisaillement générés dans les couches de surface.

1.5.2.2 Types et modes de sollicitation

En laboratoire, les sollicitations sont usuellement de type cyclique, sinusoïdal ou haversine. Ces sollicitations sont imposées en continu ou avec temps de repos. Dans un souci de simplification et de maîtrise d’essai, la plupart des essais de laboratoire sont réalisés avec des sollicitations sinusoïdales avec ou sans temps de repos. Cela constitue un compromis entre simplicité d’application, d’exploitation et de reproductibilité de la réalité (Di Benedetto et coll., 2005).

De plus, les sollicitations imposées peuvent être contrôlées suivants deux modes, soient : en force (ou de contrainte pour un essai homogène) ou en déplacement (ou en déformation pour un essai homogène). Également, les déformations et les contraintes imposées peuvent être ou ne pas être centrées sur la valeur nulle.

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1.5.2.3 Conditions d’essai

Étant donné que le phénomène de fatigue est considéré comme le mode de dégradation prépondérant à température moyenne pour les chaussées bitumineuses, les essais de fatigue en laboratoire sont usuellement réalisés entre 0 et +20°C. En France, la température d’essai est de +10°C. De plus, les fréquences utilisées se situent entre 10 et 40Hz. Cela constitue plus un compromis entre les possibilités de l’appareillage et la durée de l’essai, qu’un paramètre représentatif des conditions de sollicitation des chaussées qui sont variables en considérant la profondeur et la température des couches (Di Benedetto et Coll., 2005).

1.5.2.4 Mécanismes d’endommagement en cours de chargement

L’endommagement par fatigue correspond à l’apparition progressive de microfissures au sein du matériau sous chargement cyclique. L’endommagement se réparti de manière aléatoire au sein du matériau. Malgré cela, il est admis que la répartition de la microfissuration est homogène au sein du matériau (Touhara, 2012). Dans ce contexte, l’endommagement se traduit par une perte progressive de la rigidité du matériau en cours de sollicitation. En référence à la notion de la mécanique des milieux continus (MMC), l’endommagement par fatigue du matériau est quantifié à partir de la mesure de la rigidité du matériau (valeur de la norme du module complexe). Le module complexe (E*) est alors une propriété globale du matériau, soit à l’échelle macroscopique, mais qui traduit bien l’évolution de l’endommagement au sein de la microstructure du matériau.

1.5.2.5 Mesure de la norme du module complexe en cours de chargement

La mesure de la contrainte et des déformations induites en cours de sollicitation cyclique permet de déterminer l’évolution de la rigidité du matériau (|E*|). La Figure 1.12 montre une évolution type de la rigidité d’un matériau bitumineux soumis à des sollicitations cycliques au cours d’un essai de fatigue.

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Figure 1.12 Évolution de la rigidité de l’éprouvette suivant trois phases lors d’un essai de fatigue

Adaptée de Baaj (2002, p. 61)

En cours d’essai de fatigue, il est possible de distinguer trois phases (Figure 1.12) au niveau de l’évolution de la rigidité de l’éprouvette en fonction du nombre de cycles de sollicitation (Baaj, 2002 ; Tapsoba, 2012 ; Perraton et coll., 2011) :

• la première phase (I) est marquée par une chute rapide de la rigidité du matériau à vitesse décroissante (phase d’adaptation). Cette décroissance n’est pas liée exclusivement à la fatigue du matériau : la thixotropie du bitume, la non linéarité du comportement de l’enrobé et l’échauffement du matériau jouent des rôles importants quant à la chute de module au cours de la phase I (effets biaisant ou parasites). Durant cette phase, le matériau est très peu endommagé par le phénomène de fatigue : la réversibilité du module est observée à l’arrêt des sollicitations ;

• la deuxième phase (II) est caractérisée par une diminution progressive, quasi linéaire, du module avec les cycles de sollicitation (phase quasi-stationnaire). Lors de cette phase, le phénomène de fatigue constitue le principal facteur à l’origine de la diminution du module. Bien que l’influence des effets biaisant (échauffement et thixotropie) soit faible pendant cette phase, ils doivent être considérés ;

• la troisième phase (III) est caractérisée par une chute rapide de module (phase de rupture). Cela est attribuable à l’apparition d’une ou de macro fissures localisées au sein du matériau suite à l’accumulation des microfissures qui ont apparues lors des phases I et II. Dès lors, le mécanisme d’endommagement est localisé au sein du matériau et est lié à la

I Non linéarité, échauffement et thixotropie II Fatigue, échauffement et thixotropie III Macro fissure générant la rupture

| ∗ |

N |E*|

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propagation de fissures. Donc, le recours à la MMC n’est plus valable pour cette phase (Touhara, 2012).

Pour l’ensemble des essais de laboratoire, il existe toujours des effets biaisant (autre que l’endommagement par fatigue) difficilement quantifiables pour certains, conduisant ainsi à des écarts importants de durée de vie entre les différents essais. De l’ensemble des essais, nous retiendrons que le recours à des essais en conditions homogènes présente l’avantage de pouvoir départager plus simplement les effets biaisant de l’endommagement lié à la fatigue du matériau, permettant ainsi une description plus intrinsèque du comportement en fatigue du matériau.

1.5.2.6 Détermination du module initial

Il est nécessaire de connaître la valeur du module initial du matériau (|E^*0|, Figure 1.12), soit au premier cycle, afin de calculer le dommage apparent de l’éprouvette d’enrobé au cours de l’essai de fatigue. Le Tableau 1.18 présente plusieurs méthodes utilisées pour la détermination de la valeur du module initial (|E*

0|).

Tableau 1.18 Méthodes utilisées pour la détermination de la valeur du module initial |E^*0| Adapté de Touhara (2012, p. 70)

Méthode utilisée Référence

Module mesuré au 1^er cycle. Baaj, 2002

Module mesuré au 100ème cycle. ^{Di Benedetto} _{et coll., 2004}

Extrapolation linéaire en considérant les valeurs de module mesuré entre le 50^ème et

le 300^ème cycle. ^Nguyen, 2009

Extrapolation linéaire en considérant les valeurs de module mesuré entre le 50^ème et

le 250^ème cycle. ^Tapsoba, 2012

En particulier, lors d’essais réalisés en contrôle de déformation, la déformation imposée se stabilise qu’après plusieurs cycles de sollicitation. À cet effet, il n’est pas judicieux de

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prendre la valeur de module au 1^er cycle de sollicitation car la rigidité de l’enrobé bitumineux varie, légèrement, avec l’amplitude de déformation. Il est alors préférable d’extrapoler à partir de valeurs de module obtenues lorsque la déformation imposée est stable.