Etude numérique et expérimentale de l’endommagement et de la durabilité des couches de roulement des infrastructures de transport constituées de matériaux à F.I.E.

Contexte et enjeux

Dans un contexte où les réseaux routiers vieillissent et les moyens consacrés à l’entretien de ces réseaux sont en diminution, la décarbonation des infrastructures de transport devenant une nécessité, l’emploi de matériaux recyclés dans des mélanges à froid tels que les émulsions (Projet National IDEE (2024-2028)) ou avec de nouveaux liants alternatifs (végétaux, …) est le futur de la construction routière (Synthèse pour la FNTP (Carbone 4, OFCE, NEO), 2021) et contribue pleinement à la décarbonation de la construction et à l’entretien des infrastructures de transports.

Il est important de rechercher des solutions techniques de construction de plus en plus efficaces, durables et à faible impact environnemental. Actuellement, pour les couches de roulement qui constituent les couches de surface des chaussées, il existe des spécifications concernant le frottement, la texture, la planéité, mais aucune norme ou méthode de conception ne permet de définir les caractéristiques mécaniques, garantissant la durée de vie des couches de surface qui supportent directement les charges du trafic. Les recherches actuelles dans ce domaine tentent de modéliser et de comprendre le lien entre les charges roulantes (Jacob, 2013), considérées comme des charges dynamiques, et la dégradation observée dans les infrastructures routières.

Le projet a pour objectif de développer une modélisation 3D permettant d’évaluer l'effet des charges roulantes sur la durée de vie des couches de roulement des infrastructures de transport constituées de matériaux à faible impact environnemental incorporant des taux de recyclage élevés d’agrégats d’enrobés, en optimisant leur éco-conception. Pour atteindre ces objectifs, les principaux mécanismes de détérioration des couches de roulement sous charges de circulation, tels que le délaminage, l’usure, l’arrachement des particules de béton bitumineux induites par le chargement des pneumatiques et la fissuration par le haut, seront étudiés. Les évolutions temporelles de ces dégradations seront analysées par un logiciel d’apprentissage automatique.

Pour cela des verrous scientifiques devront être levés tels qu’une meilleure compréhension du cheminement des champs de contraintes et de déformations générés dans la couche de roulement sous charges de circulation, une prise en compte du comportement de l’interface entre les couches d'enrobés sur le cheminement des contraintes/déformations à l'intérieur de la structure, une amélioration de la prédiction de la durée de vie des couches de roulement, en étudiant et en modélisant le comportement des enrobés sous charges roulantes et en validant l'approche par des essais de chargement en laboratoire ou in situ.

Pour atteindre ces objectifs, l’étude se basera dans un premier temps sur les essais réalisés, lors du projet ANR Binary (2020-2025, partenaires Insa Strasbourg et UGE Nantes), en laboratoire sur des matériaux bitumineux neufs, depuis les essais à l'échelle microscopique (Rulob) jusqu'aux essais de structures en laboratoire (WTT (roulement libre) et T2R (triboroute freinage/accélération) (Triboroute 2010, CEN TC227 2014) et la réalisation d'essais grandeur nature (manège de fatigue), afin de reproduire les conditions de charge in situ rencontrées par les couches de roulement au cours de leur durée de vie. Elle sera complétée par des essais de laboratoire sur des matériaux bitumineux à faible impact environnemental (MFIE) incorporant des taux de recyclage élevés d’agrégats d’enrobés : béton bitumineux à l’émulsion ou avec des liants alternatifs. Dans le projet Binary, deux types différents de couches de roulement ont été testés (BBSG et BBM), sous différents types de charges (roues simples, roues jumelées, tridem) et dans différentes conditions de températures. Des mesures combinées de la répartition de la pression sous les pneus, des déformations de la chaussée et des déformations à différentes positions latérales et verticales dans les couches de chaussées à l'aide de capteurs à fibres optiques spécifiques y ont été utilisées pour analyser les conditions de charge et la réponse de la chaussée.

Projet : Méthodologie et techniques mises en œuvre

Les travaux de thèse porteront sur un important travail de développement théorique et numérique pour l’interprétation des essais en laboratoire et la modélisation du comportement in situ des couches de roulement. Des développements expérimentaux seront réalisés pour caractériser l’arrachement des particules des surfaces des bétons bitumineux.

Du point de vue numérique, le modèle aux éléments de frontière MBEMV3.0, qui a connu des développements (Dansou et al., 2019, 2022) (Pham et al., 2012), (Trinh et al., 2015) pour traiter efficacement des zones à fortes concentrations de contraintes telles que les fissures en propagation et des zones à fortes dispersions en hétérogénéités, en élastostaticité et en mécanique de la rupture 3D, sera appelé à connaître, lors de ces travaux de thèse, des évolutions et des développements pour modéliser les enrobés bitumineux.  Ces extensions, qui ont pour objectif la prise en compte de la propagation de réseaux de fissures dans une matrice contenant des inclusions rigides (grains), va nécessiter un important travail théorique, préalable avant toute mise en œuvre numérique. La seconde phase importante des travaux de thèse, sera dédiée à l’extension du code existant pour la modélisation des domaines élastodynamiques. Dans ce cadre, la reformulation des équations intégrales en élastodynamique doit être considérée.  Le modèle numérique sera validé en le comparant aux essais de laboratoire, ces derniers seront réalisés dans le laboratoire MIT de l’UGE sur des matériaux à faible impact environnemental contenant des taux d’agrégats d’enrobés recyclés. On caractérisera le comportement viscoélastique en petites déformations puis les propriétés volumiques de fissuration en statique sur éprouvettes d’enrobés entaillées. Enfin, pour reproduire la délamination pouvant se produire à l'interface des différentes couches, des essais seront réalisés (WST ou DCT, UGE Nantes). Un suivi de la propagation et de la coalescence des fissures sera réalisé par DIC, les mesures ainsi obtenues permettront de calibrer les paramètres des lois d’endommagement-fissuration pour des conditions aux limites relativement simples (UGE Nantes).

Les modèles respecteront les propriétés mécaniques et géométriques mesurées en laboratoire (taux de vides, nombre de particules avec un seuil à 2 mm).

Viendra l’étape qui consiste à s’appuyer sur des essais de structure de laboratoire permettant une description réaliste de la pression de contact et du comportement de structures bitumineuses bicouches sous l’effet de roulement libre (essai WTT de roulement libre) et de freinage / accélération (essai T2R) sur plaques vieillies. Ces essais instrumentés par des systèmes de corrélation d’image numérique (DIC) seront réalisés chez le partenaire UGE (MIT) sur des structures bicouches constituées de matériaux contenant de forts taux d’agrégats d’enrobés recyclés.

Les modèles d’endommagement - fissuration ayant été calibrés sur les essais de laboratoire, les essais de structure seront simulés avec le modèle numérique intégrant la nouvelle approche élastodynamique intégrée dans le code MBEMv3.0. On réalisera la modélisation de propagations de fissures de délamination entre couches bitumineuses, d’intersection et branchement de réseaux de fissures en propagation débouchant à la surface de la structure ou à l’interface entre couches bitumineuses.

La validation de nos développements numériques pour les structures de chaussées 3D consistera dans un premier temps en une confrontation avec les résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de l’ANR Binary, puis dans le cadre du PN IDEE, une proposition d’essai de structure à l’échelle 1 sera proposée. L’arrachement des granulats de la couche de roulement contenant un fort taux d’agrégats recyclés, consécutif à un trafic, engendrera une modification des propriétés d’adhérence et des performances.

Les travaux de thèse ont pour finalité de disposer d’un outil de modélisation des plus puissants et des plus réalistes pour simuler le comportement des structures de chaussées sous charges mobiles. Les résultats des modélisations comparés aux résultats des essais à l’échelle 1 provenant du projet Binary (matériaux neufs) et ceux réalisés dans ce projet sur des matériaux bitumineux à faible impact environnemental contenant de forts taux de recyclés, pourront conduire à la définition d'un critère d'agressivité en lien avec la  performance de ces matériaux relativement à la granulométrie, forme des particules, performance du liant, épaisseur des couches, mais aussi aux conditions de contact pneu/chaussée et aux conditions de charge : roulement libre, freinage/accélération et leurs conséquences.

Organisation du projet

Le projet contribue à la transition environnementale dans les TP et à la décarbonation des activités impliquées car l'entretien des infrastructures de transport est principalement déclenché par la dégradation des couches de roulement et non par la remise en question de l'intégrité des structures. La compréhension des causes de dégradation des couches de roulement et la réduction de cette dégradation sont très importantes pour l'ensemble du réseau routier français. L'objectif est de mieux cerner le comportement mécanique des couches de roulement et de modéliser leur comportement ce qui permettra une meilleure conception. Cela pourra également permettre de mieux appréhender certains modes de dégradation comme la fissuration prenant naissance au sommet de l’infrastructure observée sur certaines chaussées ou le décollement des interfaces et l’arrachement des particules.

Le bilan environnemental de la construction reposera essentiellement sur des économies de matériaux, de liants et sur l’abaissement des températures de fabrication et sera mené à l’aide du logiciel éco-comparateur Seve. Les matériaux étudiés seront des bétons bitumineux à l’émulsion de bitume qui, par l’abaissement des températures de fabrication à froid et l’incorporation d’agrégats d’enrobés, contribuent à décarboner les infrastructures ou des bétons bitumineux possédants des liants alternatifs qui permettent également d’inclure des agrégats d’enrobés recyclés en se substituant au bitume. La réduction de la consommation de matériaux et l'augmentation de la durée de vie théorique des chaussées permettront d'économiser des ressources naturelles avec des retombées environnementales et économiques certaines.

Une meilleure compréhension de l'interaction pneu-chaussée pourrait également enrichir notre étude et permettre d'optimiser la conception des véhicules lourds et de leurs pneus dans le but de réduire l’agressivité de leurs charges.

Bibliographie :

CEN TC227/WG1/TG2 (2014). Bituminous mixtures – Test methods – Part 50: Resistance to scuffing. prCEN/TS 12697-50.

A. Dansou, S. Mouhoubi, C. Chazallon, M. Bonnet, Modelling of the fatigue cracking resistance of grid reinforced asphalt concrete by coupling fast BEM and FEM, Road Materials and Pavement Design, Volume 24, 2023 - Issue 3, Pages: 631-652 | DOI: 10.1080/14680629.2022.2029755 Taylor & Francis ( IF : 3.792, SNIP : 1.789, SJR : 1.14 )

A. Dansou, S. Mouhoubi, C. Chazallon, M. Bonnet, Modeling multicrack propagation by the fast multipole symmetric Galerkin BEM, Engineering Analysis with Boundary Elements, Volume 106, September 2019, Pages 309-319, https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2019.05.019

Jacob, B., Evolution des poids et dimensions des véhicules commerciaux de marchandises, Routes/Roads, n°358, AIPCR, Avril 2013.

A.D. Pham, S. Mouhoubi, M. Bonnet, C. Chazallon, “Fast Multipole Method applied to 3D fracture elasticity problems”, Engineering Analysis with Boundary Elements. (Elsevier), 36, 12, 1838-1847, 2012.

Synthèse FNTP : Le rôle des infrastructures dans la transition bas carbone et l’adaptation au changement climatique de la France (Carbone 4, OFCE, NEO, Synthèse, 2021)

Q. T. Trinh, S. Mouhoubi, C. Chazallon, M. Bonnet, “Multizone and Multicrack media modelled with the Fast Multipole Method applied to Symmetric Galerkin Boundary Element Method”, Engineering Analysis with Boundary Elements, Volume 50, January 2015, Pages 486-495

Triboroute project 2010: IFSTTAR project, development of an original testing device, to study the effect of tire/road contact and braking/acceleration forces on the pull-out of grains and on the wearing course deformation.