lesquels le point de sollicitation se situe sous le Drucker-Prager, et d'autre part la transition de certains essais d'une phase contractante vers une phase dilatante. La figure 6.28 issue d'un article (en review) pour la revue JTE ([49]), présente l'évolution de la surface seuil.

<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>FIGURE 6.27 – Yield surface associated to the VP flow : A Drucker-Prager straight line closed by a circular cap model. [36].</figcaption></figure>

<figure><img src="image_65.png" /><figcaption>FIGURE 6.28 – Yield surface associated to the VP flow : A Drucker-Prager straight line closed by a circular cap model. [49].</figcaption></figure>

Le modèle présenté ici nous parait être le modèle minimum permettant de répondre au cahier des charges présenté plus haut. ce modèle présente d'ores-et-déjà quelques limites.

D'abord, il ne permet pas de simuler la cohésion des matériaux granulaires. Nous avons choisi de ne pas simuler de cohésion pour des questions de simplicité de modèle. Nous avons pu observer que le modèle simulait bien le comportement des essais triaxiaux, ce qui justifie, a posteriori, cette simplification du modèle. Cependant, une étude réalisée par D.W. Christensen à l'université de Pennsylvanie ([21]) montre que cette hypothèse de cohésion
nulle ne correspond pas aux valeurs mesurées sur un panel d'enrobés américains, qui présentent des valeurs de cohésion de l'ordre de 500 kPa, ce qui est loin d'être négligeable compte tenue de notre gamme d'efforts de fluage.

Ensuite l'écrouissage est actuellement construit pour n'évoluer que de manière monotone croissante avec le cisaillement. Ceci ne génère pas de problème pour un chargement en fluage. Nous souhaitons par la suite modifier cet écrouissage pour qu'il puisse simuler les phases successives de charge et de décharge correspondant au passage de véhicules sur la chaussée.

### 6.6.5 Méthode d'identification des paramètres

Le modèle ainsi fabriqué est simple et ses paramètres relativement indépendants. De ce fait, on peut les identifier de manière séquentielle. Lopez-Polanco élabore dans sa thèse la méthode séquentielle d'identification des paramètres. Le protocole d'identification suit cet ordre :

- $N$ : la puissance de la fonction d'écoulement. Il est généralement fixé à 1, pour une première identification, puis il est fixé à 2 et 3 afin de mieux simuler la cinétique des essais triaxiaux.

- $p_{c0}$ : la position du centre du cercle à l'état initial. Ce paramètre détermine, pour un état de contrainte donné, si le matériau est initialement dilatant ou contractant. ce paramètre est calé grâce à un essai triaxial ne présentant aucune déformation volumique en début d'essai.

- $a = tan(\alpha)$ : La pente de Drucker-Prager qui distingue les essais stabilisants des essais instables.

- $b$ : Le paramètre d'écrouissage, qui après analyse mathématique, est directement corrélé aux niveaux maximum de déformation atteints pour chaque essai stabilisant, indépendamment de la cinétique de l'essai.

- $\eta$ : Le paramètre de viscosité, qu'il convient de caler en fonction des courbes de fluage des essais triaxiaux.

Cette méthode d'identification permet donc de caler les paramètres simplement. Ce calage se fait pour le moment sans optimisation par le biais de méthodes numériques basées sur la minimisation des résidus.

### 6.6.6 Thermosuceptibilité. PETT

Dans un contexte d'utilisation des enrobés bitumineux dans des tunnels, nous avons considéré que les variations de températures pouvaient être considérées comme négligeables, notamment vis-à-vis du comportement à long terme de la voie ferrée. Par ailleurs, en cas de variation des températures, le
principe d'équivalence temps-température nous dit que l'échelle des temps peut varier sans que cela n'affecte la déformation finale stabilisée. Cette hypothèse pourrait être considérée comme une hypothèse trop forte, cependant les travaux de Sohm sur le sujet ont montrés que ce PETT pouvait s'appliquer au premier ordre de grandeur au comportement en fluage des BBSG pour des températures allant de 10°C à 30°C. ces travaux ont par ailleurs montré que les paramètres de la loi WLF déterminés lors d'essais de modules complexes, pouvaient être utilisés dans ce cadre de viscoplasticité, au mins pour le BBSG de la thèse. Pour la suite de la thèse de Lopez-Polanco, nous devrons vérifier si le PETT s'applique aussi à la GB4 du projet REVES, et si les paramètres déterminés grâce aux essais de module complexe s'appliquent aux essais de fluage viscoplastique.

Du point de vue de la modélisation viscoplastique, il est très facile d'implanter cette dépendance du taux de déformation à la température. Le principe d'équivalence temps-température [73] stipule que le passage de $T_{ref}$ à $T$ (soit un changement de température) revient à multiplier l'échelle du temps par un facteur constant $a_T$, de telle sorte qu'à la température $T$ :

$$ \varepsilon^{vp}(t, T) = \varepsilon^{vp}(t \cdot a_T, T_{ref}) \qquad (6.19) $$

or, à gauche de l'équation :

$$ \varepsilon^{vp}(t, T) = \int_{0}^{t} \dot{\varepsilon}^{vp}(\tau, T) d\tau \qquad (6.20) $$

et à droite de l'équation :

$$ \varepsilon^{vp}(t \cdot a_T, T_{ref}) = \int_{0}^{t \cdot a_T} \dot{\varepsilon}^{vp}(\tau, T_{ref}) d\tau \qquad (6.21) $$

$$ = \int_{0}^{t} \dot{\varepsilon}^{vp}(a_T \tau 1, T_{ref}) d\tau 1 \qquad (6.22) $$

$$ = \int_{0}^{t} \dot{\varepsilon}^{vp}(a_T \tau, T_{ref}) d\tau \qquad (6.23) $$

(6.24)

par changement de variable $\tau 1 = \frac{\tau}{a_t}$ dans l'équation 6.21, puis en renommant $\tau 1 \ll \tau$, pour des raisons de confort de lecture. Comme ces équations sont vraies $\forall t$, on en conclut que :

$$ \dot{\varepsilon}^{vp}(t, T) = \dot{\varepsilon}^{vp}(a_T t, T_{ref}) \qquad (6.25) $$
Ce qui peut se vérifier facilement en faisant dépendre la viscosité η de la température, rendant la programmation du PETT très facile.

$$ \eta(T) = a_T \eta(T_{ref}) \qquad (6.26) $$

Cette intégration du PETT dans la loi de comportement viscoplastique des enrobés et en cours de réalisation. Elle permettra d'étendre les champs d'utilisation de nos modèles à des chaussées hors tunnel, des gares, des voies hors tunnel. D'un point de vue expérimental, on peut imaginer réaliser des essais de fluage triaxial à haute température, aux alentours de 60°C, comme pour l'essai d'orniérage, afin de vérifier si le PETT est toujours valide. Car à l'extérieur d'un tunnel, sur une chaussée en plein été, le rayonnement solaire associé à une température de l'air élevée permet d'atteindre 60°C à la surface des enrobés.

## 6.7 Thermoviscoélasticité des enrobés

### 6.7.1 Modèle de Maxwell généralisé à 8 branches

Lors de la thèse de Sohm, nous abordons la viscoélasticité par le biais d'un modèle de Huet-Sayegh, dont l'intérêt principal est de modéliser la partie viscoélastique du comportement, assez faible et principalement caractérisée par le phénomène de recouvrance. Dans le cadre de la thèse de T. Alves ([11]), nous nous intéressons actuellement aux problèmes de dilatation différentielle due à l'intégration d'objets rigides élastiques dans les enrobés bitumineux.

Dans un papier pour l'ISBM 2020, [24], Alves présente les travaux de modélisation de la viscoélasticité des enrobés permettant de simuler un essai de respiration thermique. Voici le résumé de cet article : « *Electric Road Systems (ERS) arise as a sustainable alternative to decarbonize road transport. Dynamic on-road charging of vehicles can be done both by conductive and inductive means, whose implementation require the presence of conductors on the pavement structure, affecting its durability and future maintenance activities. First ERS prototypes sections tested on site and in laboratory showed different types of damage : rutting and interface debonding due to traffic as well as thermal cracking due to daily temperature variation. The inclusion of other materials inside an asphalt concrete (AC) layer can generate differential stresses and strains fields that corroborates to its premature failure. A thermal breathing test was developed in order to simulate the potential behaviour of ERS under daily thermal solicitations. In order to understand this test, this paper focuses on the development of a numerical simulation*
<figure><img src="image_66.png" /><figcaption>FIGURE 6.29 – Modèle de Maxwell généralisé 1D.</figcaption></figure>

capable of representing the stresses and strains levels inside the structure. A Generalized Maxwell model in combination with WLF Equation satisfactory represented the thermo-viscoelastic behaviour of AC under such conditions, which results were compared with parameters obtained by well controlled com- plex modulus test. This model was implemented into a FEM software named Cast3M to analyse and understand the evolution of stresses and strains fields inside the material. First results show a concentration of stresses on the cor- ners of the pavement groove where the ERS apparatus is inserted due to the differential behaviour of each component. Moreover, the dissipation of stresses as a consequence of the viscoelastic property of the AC is negligible compared to the stress variation due to temperature. According to the de- sign used for implementing ERS infrastructures, stresses and strains remain under acceptable levels as to avoid damage. This on-going research is part of an international collaboration project named ACCESS4FUTURR between the University of São Paulo and Ifsttar. »

Le modèle utilisé est le modèle de Maxwell à 8 branches implémenté dans
*Cast3M, pour les raisons suivantes. Ce modèle est implanté dans Cast3M
de manière native, il ne nécessite donc pas d'être programmé. Par ailleurs,
Cast3M est un code aux éléments finis permettant les calculs thermovisco-
elastiques couplés. La troisième est que nous possédons au laboratoire MIT
le logiciel Viscoanalyse®, qui permet de déterminer les paramètres d'un mo-
dèle de Maxwell à partir des résultats d'un essai de module complexe réalisé
sur enrobé.

Le modèle de Maxwell 1D est présenté figure 6.29. Il est constitué de différentes branches en parallèle. Chaque branche comporte un ressort et un amortisseur en série, exceptée la branche zéro qui ne possède qu'un ressort.
### 6.7.2 Viscoélasticité 3D

Le modèle de Maxwell généralisé dans Cast3M est tridimensionnel, il est nécessaire d'associer un coefficient de Poisson au modèle unidimensionnel. Q. Pledel, lors de son stage en lien avec la thèse de T. Alves ([56], chapitre 3), présente le problème du passage de la VE 1D à la VE 3D.

#### Loi de Hooke

On connaît la loi de comportement élastique dans le cas tridimensionnel;

$$ \bar{\bar{\sigma}} = \lambda \operatorname{tr}(\bar{\bar{\epsilon}}) \bar{\bar{I}} + 2\mu \bar{\bar{\epsilon}} \quad \text{ou alors} \quad \bar{\bar{\epsilon}} = \frac{1 + \nu}{E} \bar{\bar{\sigma}} - \frac{\nu}{E} \operatorname{tr}(\bar{\bar{\sigma}}) \bar{\bar{I}} \quad (6.27) $$

On dissocie les comportements déviatoriques et sphériques avec, $\bar{s}$ et $\bar{\bar{e}}$ les parties déviatoriques des tenseurs $\bar{\bar{\sigma}}$ et $\bar{\bar{\epsilon}}$ :

$$ \begin{aligned} \bar{\bar{\sigma}} &= \bar{s} - p \bar{\bar{I}} & \text{avec } p &= -\frac{\operatorname{tr}(\bar{\bar{\sigma}})}{3} \\ \bar{\bar{\epsilon}} &= \bar{\bar{e}} + \frac{\epsilon_v}{3} \bar{\bar{I}} & \text{avec } \epsilon_v &= \operatorname{tr}(\bar{\bar{\epsilon}}) \end{aligned} \quad (6.28) $$

On en conclut que :

$$ \begin{aligned} \bar{s} &= \frac{E}{1+\nu} \bar{\bar{e}} \\ -p &= \frac{E}{3(1-2\nu)} \epsilon_v \end{aligned} \quad (6.29) $$

#### Fluage et relaxation 3D

Les lois de fluage et de relaxation 1D peuvent s'écrire de la façon suivante, à partir du produit de convolution :

$$ \varepsilon(t) = f(t) * \dot{\sigma} \quad \text{et} \quad \sigma(t) = r(t) * \dot{\varepsilon} \quad (6.30) $$

En couplant les équations 6.29 et 6.30, on obtient par exemple les fonctions de relaxations sphériques et déviatoriques suivantes :

$$ \begin{aligned} \bar{s} &= R_d * \dot{\bar{e}} \\ p &= -R_v * \dot{\epsilon}_v \end{aligned} \quad (6.31) $$

#### Cas du coefficient de Poisson constant

Le modèle de Maxwell 3D implanté dans Cast3M considère un coefficient de Poisson constant au cours de l'essai. Les fonctions de relaxation sphériques et déviatoriques peuvent alors s'écrire de la manière suivante, en fonction de la fonction de relaxation uniaxiale et du coefficient de Poisson $\nu$ :
$$ 
\begin{aligned}
R_d &= \frac{R(t)}{\frac{1+\nu}{\nu}} \\
R_v &= \frac{R(t)}{\frac{3(1-2\nu)}{\nu}}
\end{aligned} 
\qquad (6.32) $$

cette façon d'aborder la viscoélasticité 3D est simple, les paramètres 1D sont facile à identifier avec un essai de module complexe, et l'usage veut que l'on utilise un coefficient de Poisson usuel de l'ordre de 0.28 lorsqu'on réalise des simulations élastiques ou viscoélastiques.

## Cas du coefficient de compressibilité constant

Dans leur article [19], Chailleux et Piau proposent une autre approche de la VE3D, que Pledel présente dans son rapport de master. Au lieu de faire les hypothèses sur les coefficients E ET $\nu$, on utilise les coefficients de compressibilité K et de cisaillement $\mu$. On considère alors que le coefficient de compressibilité K est constant. Cette hypothèse nous semble plus justifiée que celle de $\mu$ constant, car on imagine plus facilement un glissement viscoélastique important associé à une faible compressibilité, réelle. Ce qui donnerait, dans le cas d'un essai de relaxation :

$$ 
\begin{aligned}
\bar{s}(t) &= 2\mu(t) * \bar{e} \\
p(t) &= -K * \varepsilon_v
\end{aligned} 
\qquad (6.33) $$

Si l'on part du principe que l'on connaît la fonction de relaxation uni-axiale $R(t)$ et le coefficient K, les équations peuvent alors s'écrire de la façon suivante :

$$ 
\begin{aligned}
\bar{s}(t) &= \frac{3KR(t)}{9K-R(t)} * \bar{e} \\
p(t) &= -K * \varepsilon_v
\end{aligned} 
\qquad (6.34) $$

avec, si besoin,

$$ \nu(t) = \frac{3K - R(t)}{6K} \qquad (6.35) $$

Le modèle de maxwell implanté dans Cast3M est celui à coefficient de Poisson constant. Il permet de comprendre les champs de contraintes qui apparaissent et se dissipent durant les essais de respiration thermique que nous avons mis au point. Cependant, nous pensons qu'utiliser un coefficient de compressibilité constant donnerait de meilleurs résultats. C'est l'un des points à étudier durant la thèse de T. Alves. Il sera aussi certainement nécessaire de réaliser une étude paramétrique sur le nombre d'éléments de Maxwell nécessaires à un calcul de bonne précision.
### 6.7.3 Couplage thermo-viscoélastique

#### Deux caractéristiques de couplage

Dans le cadre de nos calculs, le couplage thermique-viscoélasticité s'effectue sur deux aspects différents. D'abord, les variations de températures génèrent des variations de volume des matériaux, ce qui, dans Cast3M, s'écrit selon l'équation 6.36. Dans cette équation, $\overline{\overline{I}}$ est le tenseur identité, alpha est le coefficient de dilatation thermique du matériau utilisé.

$$ \overline{\overline{\varepsilon}} = \overline{\overline{\varepsilon}}^m + \overline{\overline{\varepsilon}}^{th} \quad \text{avec} \quad \overline{\overline{\varepsilon}}^{th} = \alpha \Delta \overline{\overline{I}} \qquad (6.36) $$

Ensuite, nous prenons en compte la thermo-susceptibilité des enrobés à la température, par le biais de la loi WLF (équation 6.37), avec $a_T$ le shift factor de l'échelle des temps, et $C_1$ et $C_2$ les paramètres de la loi.

$$ \log(\alpha_T) = - \frac{C_1(T - T_{ref})}{C_2 + T - T_{ref}} \qquad (6.37) $$

À titre d'exemple, pour un enrobé standard type BBSG, dont la température de référence choisie est de 20°C, le coefficient $a_T$ vaut 1 à 20°C. La valeur en $T = -20°C$ est de 656 et la valeur en $T = 60°C$ de 0.01. Ce qui montre l'importante dépendance du comportement des enrobés à la température.

#### Retrait thermique empêché

Je présente ici une solution théorique de l'essai de retrait empêché, afin de montrer la complexité d'un tel couplage. Considérons un échantillon carré 2D bloqué sur les bords hauts et bas, selon la direction $\vec{y}$. Le bord gauche est bloqué selon la direction $\vec{x}$ afin de simuler une condition de symétrie. On se place dans le cadre d'un calcul en contraintes planes.

Les équations nécessaires à la détermination de la solution sont les suivantes :

$$ \begin{aligned} \overline{\overline{\varepsilon}} &= \overline{\overline{\varepsilon}}^m + \overline{\overline{\varepsilon}}^{th} \\ r(t)\overline{\overline{\varepsilon}}^m &= (1 + \nu)\overline{\overline{\sigma}}(t) - \nu\operatorname{tr}(\overline{\overline{\sigma}}(t))\overline{\overline{I}} \qquad (6.38) \\ \overline{\overline{\varepsilon}}^{th} &= \alpha \Delta T \overline{\overline{I}} \end{aligned} $$

Les conditions aux limites nous permettent d'établir que $\sigma_{xx} = 0$, $\varepsilon_{yy} = 0$ et l'hypothèse de contraintes planes que $\sigma_{zz} = 0$. Par symétrie du problème $\varepsilon_{zz} = \varepsilon_{xx}$. Il nous faut donc déterminer $\sigma_{yy}$ et $\varepsilon_{xx}$. Ce qui donne après résolution des équations :
<figure><img src="image_67.png" /><figcaption>FIGURE 6.30 – Conditions aux limites [56], pour l'étude de la solution analytique d'un essai de retrait empêché.</figcaption></figure>

<table><tr><td>ε<sub>yy</sub> = 0</td><td>, σ<sub>yy</sub>(t) = -αΔT r(t)</td><td>avec ε<sup>m</sup><sub>yy</sub> = -αΔT</td></tr><tr><td>ε<sub>xx</sub> = (1 + ν)αΔT</td><td>, σ<sub>xx</sub> = 0</td><td>avec ε<sup>m</sup><sub>xx</sub> = ναΔT</td></tr><tr><td>ε<sub>zz</sub> = (1 + ν)αΔT</td><td>, σ<sub>zz</sub> = 0</td><td>avec ε<sup>m</sup><sub>zz</sub> = ναΔT</td></tr></table>

(6.39)

La fonction de relaxation $r(t)$ évolue elle-même en fonction de la température d'essai et des caractéristiques du matériau.

### 6.7.4 Conclusions sur la thermoviscoélasticité 3D

Nous commençons à utiliser la THVE3D pour analyser les problèmes de respiration thermique et de dilatations différentielles dans les chaussées incluant des systèmes d'électrification des véhicules. Nous souhaitons en partirallèle effectuer des simulations sur les problèmes de gel-dégel traités dans la thèse de Van Thang Vu ([69]), afin de comparer notre modèle de Maxwell et notre outil Cast3M, à d'autres modèles, comme le modèle de Huet-Sayegh, et d'autres outils de calcul de structures comme Freefem.

## 6.8 Conclusion & Perspectives sur l'étude du comportement des enrobés

L'enrobé, matériau composite par nature, est constitué d'une part d'un squelette granulaire le rendant très sensible au caractère triaxial des sollici-
tations et d'autre part de bitume, le rendant ainsi viscoélastique, viscoplas-
tique et thermo-susceptible. Les 5% de masse de bitume génèrent 95% des
problèmes de modélisation. C'est un matériau multi-physique.

Dans le cadre d'études sur les déformations permanentes des enrobés dans les chaussées et les infrastructures ferroviaires, nous nous sommes intéressé à la caractérisation du comportement viscoplastique du matériau, ce qui nous a permis de mettre au point un modèle de type Perzyna, avec peu de paramètres à identifier, capable de simuler les essais de fluage triaxiaux réalisés en laboratoire. Le modèle et les simulations sont très satisfaisants pour au moins deux types d'enrobé différents, un BBSG et une GB4, et dans le cadre d'essais monotones.

Le cyclage des sollicitations, dont on sait qu'il a une importance notoire
sur le cumul des déformations, a été caractérisé expérimentalement, il a no-
tamment mis en évidence l'effet important des charges lentes et répétées sur
l'évolution des déformations permanentes. Ce cyclage apporte un degré de
complexité supplémentaire que l'on pourra certainement appréhender soit
par un couplage viscoélastique-viscoplastique qui décrirait le comportement
temporel de l'enrobé soit par des techniques de sauts de cycles. Cette tech-
nique consiste caractériser finement ce qui se passe sur un cycle pour ensuite
extrapoler les résultats à un grand nombre de cycles.

La thermo-susceptibilité des enrobés est bien modélisée, et depuis long-
temps, dans le cadre de la viscoélasticité cyclique en petites déformations.
L'essai de module complexe, réalisé au laboratoire permet d'obtenir à la
fois les caractéristiques viscoélastiques du matériau et leur dépendance à
la température. L'hypothèse forte que l'on a fait jusqu'à maintenant et de
considérer que les paramètres de thermo-susceptibilité déterminés dans le do-
maine linéaire des déformations cycliques viscoélastiques continuaient d'être
valable en viscoélasticité non-linéaire et en viscoplasticité. Pour des raisons
pratiques, nous conserverons cette hypothèse tant qu'il ne sera pas indispen-
sable d'en changer.

Nos travaux récents nous amènent à utiliser un modèle viscoélastique
de type Maxwell généralisé pour comprendre et simuler un essai de respira-
tion thermique sur enrobé. Dans ce cadre, les effets de la température sont
majeurs, ce qui nécessite de réaliser un calcul couplé thermique et viscoélas-
tique. Nous sommes actuellement en phase de validation des capacités et des
limites de nos outils.

Hormis dans le cadre de la compréhension des effets du cyclage des
charges sur l'évolution du tassement des enrobés, Il ne me semble pas ac-
tuellement utile d'unifier tous ces modèles d'enrobés, qui sont utilisés dans
des cadres très différents. Je pense qu'il serait plus intéressant dans un pre-
mier temps de les rendre plus accessible à l'ingénierie, afin qu'ils puissent
servir d'outil de validation et de dimensionnement de nouvelles structures
routières et ferroviaires, notamment dans le cadre de projets d'innovation,
pour lesquels les outils classiques montrent leurs limites.
# Chapitre 7

## Innovations dans les infrastructures routières et ferroviaires

### Sommaire

<table><tr><td>7.1</td><td>introduction</td><td>126</td></tr><tr><td>7.2</td><td>Chaussées chauffantes</td><td>126</td></tr><tr><td>7.2.1</td><td>Contexte</td><td>126</td></tr><tr><td>7.2.2</td><td>Principaux résultats</td><td>127</td></tr><tr><td>7.2.3</td><td>Conclusion sur les chaussées chauffantes</td><td>128</td></tr><tr><td>7.3</td><td>Le projet FUI REVES</td><td>130</td></tr><tr><td>7.3.1</td><td>Description du projet</td><td>130</td></tr><tr><td>7.4</td><td>Travaux réalisés</td><td>131</td></tr><tr><td>7.4.1</td><td>État de l'art sur les voies sans ballast</td><td>131</td></tr><tr><td>7.4.2</td><td>État de l'art sur les assises en grave-bitume de voies ballastées</td><td>132</td></tr><tr><td>7.4.3</td><td>choix d'un enrobé bitumineux</td><td>132</td></tr><tr><td>7.4.4</td><td>Solutions techniques proposées</td><td>133</td></tr><tr><td>7.4.5</td><td>Dimensionnement d'une voie ferrée bitumineuse</td><td>134</td></tr><tr><td>7.4.6</td><td>SySIFe</td><td>145</td></tr><tr><td>7.4.7</td><td>Essais à Wallers-En-Fagnes</td><td>148</td></tr><tr><td>7.5</td><td>Les routes électriques</td><td>148</td></tr><tr><td>7.5.1</td><td>Intégration du système APS dans une chaussée</td><td>149</td></tr><tr><td>7.5.2</td><td>Essais de validation des solutions de collage</td><td>149</td></tr><tr><td>7.5.3</td><td>Solutions de collage</td><td>151</td></tr><tr><td>7.5.4</td><td>Simulations thermo-viscoélastiques</td><td>151</td></tr></table>
## 7.1 introduction

Mes travaux sur l'orniérage m'ont permis d'aborder la formulation des enrobés bitumineux, qui pilote leur comportement. Ma connaissance des méthodes de formulation et des outils de laboratoire m'a d'abord amené à travailler sur un concept de chaussée chauffante, à l'image des planchers chauffants que l'on trouve dans nos maisons. Ensuite, mes connaissances en dimensionnement et modélisation des chaussées routières m'ont mené à travailler sur le projet REVES, qui a consisté à réaliser une voie ferrée sur enrobé, un peu à l'image de la technologie tramway « embedded rail system » des lignes de tramway que l'on retrouve dans les grandes agglomérations. Je travaille actuellement sur un concept de routes électriques, qui représentent un enjeu technique de taille. Mon travail consiste à intégrer un système d'alimentation électrique par le sol dans la structure de la chaussée, de manière durable. Par ailleurs, je mets au point les outils expérimentaux et numériques d'évaluation de ces solutions.

## 7.2 Chaussées chauffantes

### 7.2.1 Contexte

L'abstract de l'article écrit par Marchetti et al., sur l'Infrared thermography applied to surface temperature survey of enhanced pavement sample addressing self-de-icing functionality, ([50]), présente le contexte de l'élabo-ration d'une chaussée chauffante par l'Ifsttar et le Cerema :

« The mobility during winter season in France mainly relies on the use of de-icers, with an amount ranging from two hundreds thousands tons up to two millions tons for the roads only. Besides the economic impact, there are many concerns on their environmental and infrastructure, both on roads and on airports. In such context and in the framework of the R5G (5th Generation Road) project driven by IFST TAR, investigations were carried out on the way to modify the infrastructure to maintain pavement surface at a temperature above water freezing point. Two distinct approaches, that can could be combined, were selected. The first one consisted in having a heated fluid circulating in a porous layer within an asphalt concrete pavement sample. The second one specifically relied on the use of paraffin phase change materials (PCM) in cement concrete pavement ones. Experiments on enhanced pavement samples were conducted in a climatic chamber to simulate winter conditions for several continuous days, including wind and precipitations, and monitored by infrared thermography. Studies concerning the first
approach consisted in identifying the temperature range of the fluid to main-
tain asphalt concrete surface freezing-free. Both experimental and numerical
approaches were conducted showing the importance of the role of the hydrau-
lic conductivity of the porous layer. The analysis of infrared images indicated
a surface temperature above freezing excepted in one situation, for which cold
air convection and precipitations were combined at pavement surface. A tem-
perature gradient along the surface was also observed. A good agreement was
found between numerical and experimental results. To moderate the effect of
precipitation, several PCM insertions were chosen and inserted at different
depths, with various volumes and packaging (liquid, or powder of encapsulated
liquid paraffin). At this stage of the study, rather mixed results were obtained.
Delay in the surface ice formation was not conclusive, probably due to deeper
location and an insufficient amount of PCM used. Further investigation to
carry out by coupling numerical and experimental approaches would help in
refining the use of PCM for this application. The proposed paper will address
the presentation of infrared monitoring developed during these studies. »

7.2.2 Principaux résultats

Je présente ici ma principale contribution à cette étude. Les techniciens
et moi-même avons d'abord mis au point une première structure d'enrobés
bitumineux capable de laisser passer un fluide calo-porteur, comme le ferait
un plancher chauffant. Pour cela nous avons d'abord imaginé la structure
tri-couche suivante :

— la couche de surface : un BBSG 0/10 de roulement d'épaisseur 5 cm,

— la couche drainante : un BBDr de type 0/6 ou 0/10, d'épaisseur 5 cm,

— la couche de fond : un EME d'épaisseur 5 cm.

L'interface entre chaque couche est traitée à l'émulsion de bitume, afin
de parfaire le collage. Le résultat est présenté figure 7.1, avec l'enrobé poreux
localisé entre deux couches étanches. Des tests d'écoulements ont été réalisés
sur cette structure afin de vérifier s'il était possible d'y faire circuler un fluide.
Le dispositif d'essai, présenté figure 7.2, a montré que la couche d'enrobé
drainant n'était pas assez poreuse et que la couche de BBSG était quant à
elle trop poreuse pour une couche étanche.

Une deuxième version du tricouche a donc été fabriquée, avec comme
principale modification, l'augmentation de l'épaisseur de la couche d'enrobé
drainant et l'augmentation de la granulométrie du drainant. L'interface entre
chaque couche est traitée à l'émulsion de bitume :

— la couche de surface : un BBSG 0/10 de roulement d'épaisseur 5 cm,
<figure><img src="image_68.png" /><figcaption>FIGURE 7.1 – Première version du tricouche.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_69.png" /><figcaption>FIGURE 7.2 – Essais d’écoulement sur la première version du tricouche.</figcaption></figure>

— la couche drainante : un BBDr de type 0/14, et d’épaisseur 8 cm,

— la couche de fond : un EME d’épaisseur 5 cm.

L’augmentation de l’épaisseur de la couche de drainant permet d’augmenter de manière notoire le débit du fluide passant dans cette couche. En effet, les effets de bords de couche, empêche l’écoulement sur une épaisseur d’environ 1 cm, ce qui ne laisse que 3 cm d’épaisseur d’écoulement sur l’épaisseur de la couche initiale de 5 cm. Avec 8 cm d’épaisseur, on atteint une hauteur d’écoulement effective de 6 cm. Donc 60% d’épaisseur en plus permet de doubler la section d’écoulement. L’augmentation de la granulométrie permet, à volume de mastic quasi-constant, d’augmenter de manière notoire la connectivité des vides.

### 7.2.3 Conclusion sur les chaussées chauffantes

Ce concept à ensuite fait l’objet d’une expérimentation à échelle 1 au Cerema de Clermont-Ferrand, comme le montre la figure 7.3. D’autres tech-
nologies de chaussées chauffantes sont actuellement en développement chez les constructeurs de chaussées, comme la Power Road® d'Eurovia.

<figure><img src="image_70.png" /><figcaption>FIGURE 7.3 – Essais d’un tricouche intégrant un enrobé poreux permettant la circulation d’un fluide caloporteur au Cerema de Clermont-Ferrand (image Cerema).</figcaption></figure>

Cette technologie de tri-couche a ensuite été couplée à une solution technique permettant de générer de l'électricité par le biais de panneaux solaires intégrés dans la chaussée ([68]). C'est le cadre de la thèse de D. Vizzari au laboratoire MIT/MAST/Ifsttar, thèse du projet Européen SMARTI-ITN, de 2017 à 2020. Ce concept permet par ailleurs de travailler sur le développement d'une couche d'enrobé translucide permettant de laisser passer la lumière jusqu'au capteurs photovoltaïques.

<figure><img src="image_71.png" /><figcaption>FIGURE 7.4 – Prototype of a pavement system able to harvest energy from the sun, [68].</figcaption></figure>
## 7.3 Le projet FUI REVES

### 7.3.1 Description du projet

#### Objectifs

Le projet REVES pour *Réduction de l'Épaisseur des Voies sous Exploitation en Souterrain* est un projet FUI de 3,37 M€, subventionné par la banque publique d'investissement et l'État à hauteur de 700 k€, ayant pour objectif initial de développer la voie ferrée en enrobé bitumineux la plus fine du monde. Ce projet a commencé en 2015 et se terminera en 2020.

#### Contexte

La problématique est celle du fret ferroviaire. SNCF-Réseau souhaite développer des autoroutes ferroviaires sur les axes atlantique et méditerranée, pour le « ferroutage » (figure 7.5). Ces autoroutes doivent utiliser les lignes ferroviaires actuelles, et sont susceptibles de passer par des tunnels anciens, de hauteur trop faible pour les nouveaux standards ferroviaires. Le besoin est de trouver une solution technique permettant de gagner de l'espace verticalement, sans toucher à la structure même du tunnel. Dans le cadre du projet REVES, la solution préconisée est une voie sans ballast, ayant comme couche support un enrobé, sur lequel le rail est posé en appui continu (figure 7.6).

<figure><img src="image_72.png" /><figcaption>FIGURE 7.5 – ferroutage, (source : SNCF-Réseau).</figcaption></figure>
<figure><img src="image_73.png" /><figcaption>FIGURE 7.6 – Projet FUI REVES, ([48]).</figcaption></figure>

## 7.4 Travaux réalisés

Plusieurs lots sont associés à la réalisation du projet : 1) l'état des lieux et la validation préliminaire d'une série d'enrobés, 2) la conception du système de voie, 3) l'évaluation du système de voie, 4) l'étude et la mise en œuvre de la voie et 5) la démonstration physique hors exploitation, dans une carrière privée.

### 7.4.1 État de l'art sur les voies sans ballast

Dans le cadre du premier lot, une bibliographie est réalisée sur le thème des voies sans ballast. Ces voies sont peu fréquentes, pour ne pas dire in-existentes. Parmi ces voies sans ballast, il existe d'abord les voies sur dalles de béton, comme les systèmes USTS ou ERS d'edilon)(sedra pour l'urbain, ou la technologie NBT ([60]) pour les TGV. Les voies ayant une structure en enrobé bitumineux sont encore plus rares. Les 3 types de voies SATO, ATD, et GETRAC (Rail One) sont présentés figure 7.7. En général, ces voies sont constituées de traverses monobloc/bibloc en béton ou métalliques en Y sur une couche de fondation en enrobé bitumineux. Les voies actuelles comportent une couche portante à liant hydraulique de 30 cm de hauteur. On obtient une hauteur totale au-dessus des couches de fondation d'environ 1m, ce qui est donc comparable à la hauteur des voies ballastées.

Un système alternatif de rail fixé sur enrobé bitumineux (ERIA) a été proposé en 2003. Les rails sont fixés dans des rainures à l'aide d'un matériau relativement souple comme le polyuréthane. Cela permet un appui continu
<figure><img src="image_74.png" /><figcaption>FIGURE 7.7 – Différents types de voies construites sur dalle en enrobé bitumineux (sources : Rail One, COLAS et Feste Fahrbahn respectivement), ([59]).</figcaption></figure>

et flexible des rails dans la couche de structure de la voie ferrée. Voilà ce que nous connaissons en matière de voies sans ballast sur enrobés, en plus des solutions techniques proposées dans le cadre du projet REVES, qui nécessitent d'être validées.

## 7.4.2 État de l'art sur les assises en grave-bitume de voies ballastées

L'utilisation de grave-bitume en couche d'assise pour les voies ferrées ballastées permet aussi de gagner en épaisseur (figure 7.8). Cette innovation n'est pas récente, mais elle est utilisée de plus en plus massivement : elle permet effectivement de réduire les épaisseurs de couche de ballast et de couche de forme. Elle possède aussi de nombreuses autres qualités, comme une mise en place plus rapide par rapport à une GNT ou un béton, la circulation de poids lourds possible sur la voie en construction, l'amortissement des vibrations ou la réduction des contraintes transmises dans le sol. Une note d'information réalisée par l'IDRRIM ([40]) présente un état de l'art de cette technique, basé sur un retour d'expérience de chantiers LGV.

## 7.4.3 choix d'un enrobé bitumineux

Dans le cadre du projet REVES, le consortium a demandé à notre laboratoire MIT de réaliser une présélection des enrobés susceptibles de convenir à des sollicitations de type fret ferroviaire, c'est-à-dire des charges lourdes et lentes. Dans le cadre du livrable 1.1 ([58]), Le laboratoire MIT présente la GB et l'EME comme les matériaux les plus à même de supporter des charges de fret. L'EME est un matériau routier haut de gamme, très raide avec une tenue à la fatigue importante. La grave-bitume (GB) est un matériau utilisé
<figure><img src="image_75.png" /><figcaption>FIGURE 7.8 – Structure d'une voie classique (gauche) et d'une voie avec couche bitumineuse sous ballast (droite). ([18]).</figcaption></figure>

dans le domaine ferroviaire. Généralement moins raide que l'EME, il peut aussi être très résistant à la fatigue.

Colas, notre partenaire fabricant d'enrobé dans le projet, propose une grave-bitume de très haute performance, avec une raideur équivalente à celle d'un EME et une tenue à la fatigue 30% plus élevée que celle d'un EME de classe 2. Cette GB porte la marque Optibase®. Cette GB4 sera utilisée lors des essais triaxiaux en laboratoire, pour les essais à échelle 1 sous le dispositif de chargement SySIFe, et normalement pour la réalisation du démonstrateur à Wallers-En-Fagne.

### 7.4.4 Solutions techniques proposées

Initialement, dans le cadre du deuxième lot, trois solutions techniques ont été proposées, respectant le cadre technique défini par le projet, c'est-à-dire un rail posé en appui continu et une couche de structure en enrobé. La première solution technique est basée sur un rail noyé dans l'enrobé maintenu grâce à une résine. La seconde solution utilise des longrines fixées sur l'enrobé, sur lesquelles sont posées les rails. La troisième solution utilise une semelle en métal elle-même placée sur des « traverses » placées longitudinalement (semelle verte, traverses grises sur la figure 7.9).

De ces trois solutions initiales, seule la première et la troisième solution sont conservées, avec pour la troisième solution des modifications importantes au cours du projet. Par ailleurs, seule la première solution a fait l'objet d'une vraie fabrication, à l'Ifsttar dans le cadre d'essais en laboratoire.
<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>FIGURE 7.9 – Solutions techniques initialement choisies pour le projet REVES. La seconde solution n'a finalement pas été étudiée, et la troisième solution a été fortement redessinée.</figcaption></figure>

### 7.4.5 Dimensionnement d'une voie ferrée bitumineuse

Le dimensionnement de ces solutions techniques n'est pas classique. La structure est une structure ferroviaire, elle nécessite donc d'être dimensionnée selon les standards ferroviaires, incluant par exemple la limite de tassement et la raideur de voie. Mais la structure est réalisée à l'aide d'une couche d'enrobé, ce qui nécessite un dimensionnement propre aux enrobés. Pour un enrobé utilisé dans ce cadre, les deux sources de dommage principales sont :
— l'orniérage de la chaussée, c'est-à-dire le tassement local de la voie dû au passage des véhicules,

— la fissuration par fatigue, associée à la perte de raideur du matériau, du fait de l'accumulation de la micro-fissuration.

Il est nécessaire de rappeler brièvement les principes de formulation des enrobés ([26], [10]), ainsi que la méthode de dimensionnement des chaussées routières [52] pour mettre en place le dimensionnement des voies ferrées bitumineuses.

## Méthodes routières pour infrastructures ferroviaires

La méthode de formulation des enrobés routiers se compose de quatre niveaux. Le premier niveau comporte l'essai Duriez, qui est un essai de tenue à l'eau, et l'essai PCG, qui est un essai simulant la compactibilité des enrobés sur chaussée. Le deuxième niveau comporte un essai à l'orniéreur MLPC®, pour valider la tenue à l'orniérage du matériau. Le troisième niveau intègre un essai de rigidité, l'essai de module complexe sur enrobés. Le quatrième niveau intègre l'essai de fatigue sur enrobé, typiquement réalisé en France avec la machine M2F MLPC®.

— Niveau 1 : Duriez et PCG

— Niveau 2 : Duriez et PCG + Orniérage

— Niveau 3 : Duriez et PCG + Orniérage + module de rigidité

— Niveau 4 : Duriez et PCG + Orniérage + rigidité + fatigue

L'essai de tenue à l'eau, dit essai « Duriez » ([5]), est un essai adapté à la formulation d'un enrobé ferroviaire, car celui-ci doit être aussi imperméable qu'un enrobé routier pour garantir une bonne durabilité. L'essai de compactibilité, dit « PCG » ([4]) est aussi adapté à la formulation d'un enrobé ferroviaire, car ce sont les mêmes techniques et les mêmes engins qui sont utilisés pour poser et compacter l'enrobé ferroviaire.

Par contre, l'essai d'orniérage ([6]) n'est pas adapté aux sollicitations ferroviaires. En effet, il simule le passage d'un pneu de camion, en contact direct avec l'échantillon. Même si l'infrastructure ferroviaire voit passer la charge de fret, comme l'échantillon voit passer le pneu, le niveau de sollicitation, ainsi que la répartition des contraintes dans l'enrobé est complètement différente. La charge liée au fret ferroviaire est deux fois plus importante que la charge routière, soit 25 tonnes à l'essieu pour le ferroviaire contre 12 tonnes à l'essieu pour le routier. La charge ferroviaire ne subit aucun balayage lateral, et la répartition de cette charge dans l'enrobé dépend de la solution
technique de pose. Donc, l'essai à l'orniéreur n'est a priori pas représentatif du comportement en tassement de la voie ferroviaire bitumineuse, et il est nécessaire de trouver soit un essai lui-même plus représentatif, soit les paramètres d'essais le rendant plus représentatif de la charge ferroviaire, une sorte d'équivalence.

Le module de rigidité des enrobés ([8]) est déterminé à l'Ifsttar à l'aide du dispositif 3MC. Ce module est déterminé à différentes températures et différentes fréquences, de telle sorte que l'on puisse construire une courbe maîtresse du comportement viscoélastique de l'enrobé, ce qui permet d'extrapoler son comportement à toute fréquence et à toute température. Il s'agit d'un essai rhéologique. L'essai peut être utilisé ad hoc pour le domaine ferroviaire. Il permet de déterminer une raideur de l'enrobé dans des conditions données de vitesse et de température, et aussi de dimensionner la structure routière ou ferroviaire en terme d'épaisseur lorsqu'il est couplé aux résultats d'essais de fatigue.

L'essai de résistance à la fatigue ([7]) permet d'évaluer le nombre de cycles de sollicitations conduisant à la ruine de l'enrobé, pour un niveau de déformation donné. En principe, il peut être utilisé pour une infrastructure ferroviaire comme pour une infrastructure routière.

Afin d'évaluer la durée de vie des solutions proposées dans le cadre du projet REVES, nous utilisons la méthode de dimensionnement des chaussées routières ([52]) et le logiciel Viscoroute ([27]). Ce logiciel permet de réaliser des calcul de durée de vie des chaussées, incluant la tenue de la plate-forme sous l'enrobé. Cette méthode de dimensionnement pour les chaussées routières et aéronautiques utilise des coefficients de calage qui prennent en compte les retours d'expérimentations en vraie grandeur. Ces coefficients n'existent pas pour les structures ferroviaires testées dans le cadre du projet REVES, qui sont pour l'instant des prototypes. C'est une des limites actuelles de notre méthodologie.

## Dimensionnement en fatigue des voie ferrées bitumineuses

Les deux solutions techniques finales proposées dans le cadre du projet REVES on fait l'objet d'un dimensionnement en fatigue. Ce dimensionnement est décrit dans le livrable 2.4 ([33]). Dans le livrable 2.4bis ([32]), une étude paramétrique est effectuée, notamment pour prendre en considération l'influence couplée des deux essieux d'un bogie de train de fret sur la voie ferrée. Les calculs sont décrits en détails dans le rapport. Je présente ici la démarche et les principaux résultats. Les figures 7.10a et 7.10b présentent les modèles CAO utilisés pour le calcul.
<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>FIGURE 7.10 – CAO des solutions techniques Edilon/Colas et Voss-loh/Edilon/Colas. Sections verticales sous la charge.</figcaption></figure>

Le calcul aux éléments finis associé à cette CAO est un calcul élastique 3D. La difficulté d'un tel maillage est qu'il doit être assez fin sous la zone de chargement afin de permettre une bonne définition des champs de contraintes et de déformations, mais contenir un minimum d'éléments afin que le calcul ne dure pas trop longtemps.

À titre d'exemple, je présente les résultats associées à la solution rail noyé. Je présente sur la figure 7.11 le maillage utilisé pour le calcul élastique. Sur ce maillage, on peut apercevoir le chargement simulé de la roue du train sur le rail (flèches oranges).

Sur une station de calcul actuelle, avec un processeur Xeon à 6 cœurs, 2.70 GHz de fréquence, et une RAM de 32Go, un calcul réalisé avec le module « éléments finis » de Solidworks prend environ une heure. Les résultats sont analysés en termes de déplacements du rail, de déformations transversales en
<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>FIGURE 7.11 – Maillage de la CAO de la solution rail noyé Voss-loh/Edilon/Colas, ([33])</figcaption></figure>

fond de couche d'enrobé et de déformations verticales dans le sol support. La figure 7.12 montre le champ de déplacement résultant dans l'enrobé et le sol. Un déplacement résultant maximum de 1 mm est obtenu dans l'enrobé, sous le rail. La tête de rail se déplace, quant à elle, de 1,73 mm compte tenu de l'élasticité de la colle Corkelast maintenant le rail dans l'enrobé. La raideur apparente de la voie est donc de :

$$K = \frac{25 \text{ tonnes}}{1.73 \text{ mm}} = 145 \text{ kN/mm} \qquad (7.1)$$

Cette structure est a priori beaucoup plus raide que les structures ballast standard à 30 kN/mm.

Les déformations transversales dans l'enrobé, ainsi que les déformations verticales dans le sol sont présentées figure 7.13. Ces deux éléments permettent ensuite de déterminer la durée de vie de la structure. Les calculs nous donnent des déformations transversales de $\varepsilon_{yy} = 112 \mu def$, et des déformations verticales dans le sol de $\varepsilon_{zz} = 538 \mu def$.

Les hypothèses utilisées pour le calcul de durée de vie des solutions techniques sont les suivantes. Un train représente 25 wagons, 100 essieux. Cela correspondrait pour une chaussée routière à un trafic de type T3. Le dimensionnement est effectué pour une température constante de 15°C et une fréquence de 10 Hz, correspondant à une vitesse de train d'environ 60 km/h. On estime que la durée de vie de la voie correspond à un taux de fissuration de 30%. De ces éléments, des paramètres matériaux et de la géométrie de la structure, nous déterminons les paramètres correcteurs kr, kc et ks, respectivement fixés à 0.926, 1 et 1/1.065. Ces paramètres sont des paramètres empiriques permettant de caler les calculs aux résultats d'essais expérimentaux. Malheureusement, nous n'avons encore aucun retour d'expérience sur
<figure><img src="image_79.png" /><figcaption>FIGURE 7.12 – Déplacements résultants dans la voie Vossloh/Edilon/Colas, ([33]).</figcaption></figure>

ce type de structure, ce qui rend cet outil de prédiction assez peu fiable dans notre cas. J’insiste cependant sur le fait que malgré ses imperfections, cet outil de dimensionnement est de loin le plus rationnel qui soit.

Alizé évalue à trois millions le nombre de cycles conduisant à atteindre la valeur admissible de 112 µdef, soit 83 ans de circulation ferroviaire. Pour une telle durée de vie, la déformation verticale admissible dans le sol est de 437 µdef pour une déformation théoriquement atteinte de 538 µdef. Le sol semble dans notre cas représenter un facteur limitant. Il conviendra d’y prêter attention. L’autre solution technique semble indiquer une durée de vie de 300 ans. L’auteur insiste sur la méfiance qu’il convient d’avoir vis-à-vis de ces résultats, basés sur des coefficients empiriques, paradoxalement sans aucun retour d’expérience.

La conclusion de ce rapport est la suivante : « *Les choix d'hypothèses faits nous semblent pertinents pour des sections courantes de voie de fret construites suivant les procédés REVES et les épaisseurs de GB4 envisagés ici.* Il faut cependant bien évidemment rester prudent vis-à-vis des durées de vie théoriques obtenues, compte-tenu de l'absence d'expérimentation à ce stade du projet sur ces structures innovantes. Les essais prévus sur la dalle d'essais de l'Ifsttar à Nantes ainsi que les sections prévues sur le site de la
<figure><img src="image_80.png" /><figcaption>FIGURE 7.13 – Déplacements dans la voie Vossloh/Edilon/Colas, déformations transversales dans l'enrobé, déformations verticales dans le sol</figcaption></figure>

carrière CCM viendront en partie combler ce manque. Les différents calculs réalisés avec différentes valeurs de module pour le pad et la colle ont montré une certaine variabilité des résultats. Une étude paramétrique numérique, incluant aussi des valeurs de GB4 autres que celle de 14000 MPa, permettrait également d'approfondir le sujet. »

Dans le livrable complémentaire L2.4bis [32], une étude paramétrique est réalisée afin d'analyser la réponse des structures proposées dans des cas critiques, comme le passage de trains très lents et l'effet bogie, c'est-à-dire la concentration de deux essieux de 25 tonnes aux extrémité d'un wagon (figure 7.14). Ces simulations montrent un étalement des déformations transversales, ainsi qu'une augmentation notoire du niveau des déformations sous
<figure><img src="image_81.png" /><figcaption>FIGURE 7.14 – Déformations tranversales dans l'enrobé de la voie Edilon/Colas, sous la charge d'un bogie, ([32])</figcaption></figure>

charge, pouvant atteindre dans le pire des cas simulés 180 µdef. Dans ces conditions, la durée de vie estimée de la structure serait de 5 ans. Cette grande disparité dans les résultats est due à une loi de comportement forte- ment non linéaire entre la durée de vie et les déformations transversales en fond de couche. En matière de dimensionnement, il est plus sage d'augmenter un peu l'épaisseur des voies, pour diminuer les déformations transversales et donc augmenter fortement le trafic. L'autre solution évidente est d'augmen- ter la raideur du support, afin d'obtenir des résultats équivalents.

## Tassement des voie ferrées bitumineuses sous charges statiques

Il n'est actuellement pas possible d'évaluer la tenue de voies ferrées bitumineuses à l'orniérage ou au tassement sous charges statiques, car l'orniéreur MLPC n'est pas représentatif des sollicitations de fret ferroviaire. Pour évaluer ces tassements, nous nous basons sur la thèse de Lopez-Polanco [48] et sa modélisation viscoplastique. Dans cette approche, nous avons cherché à évaluer la réponse viscoplastique d'une voie ferrée bitumineuse à un chargement statique, ce qui correspond par exemple à un train en phase de chargement, ou en panne sur la voie. L'objectif était ensuite d'extrapoler ce comportement à des sollicitations cycliques, correspondant au passage de trains. L'extrapolation aux sollicitations cycliques est basé sur des hypothèses qui n'ont pas été complètement validées à ce jour.

Lopez-Polanco a traité le problème des charges statiques dans sa thèse. Dans son papier (in review) intitulé « *Settlement under creep loading of an*
asphalt concrete in a railway structure. Triaxial tests and viscoplastic modelling »pour la revue JTE ([49]), Lopez décrit l'implantation du modèle viscoplastique de Perzyna dans le code aux éléments finis ❄Cast3M, à l'aide de la procédure Umat. La CAO et le maillage du modèle pour la simulation numérique ont été réalisés avec ▲Gmsh. Les figures 7.15 a et b et les figures 7.16 a et b présentent respectivement la CAO et le maillage associé.

<figure><img src="image_82.png" /><figcaption>FIGURE 7.15 – (a) REVES Railway structure in a tunnel (concept). (b) 1/4 structure with soil and without the tunnel for further computations, ([49]).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_83.png" /><figcaption>FIGURE 7.16 – (a) Meshing. (b) Zoom on the AC layer and rail. ([49]).</figcaption></figure>

Les résultats des simulations de fluage sont présentées en termes de déplacements, de déformations et de contraintes dans les figures suivantes. La figure 7.17a présente une vue partielle de la déformée de la voie ferrée sous charge statique. La figure 7.17b montre la section d'enrobé au droit de la charge, avant chargement, juste après chargement et après 300 ans de chargement statique. La réponse immédiate élastique de la simulation montre la flexion de la dalle d'enrobé. Entre la réponse initiale et la réponse finale, on
observe un tassement viscoplastique principalement localisé sous les rails. La figure 7.18 présente l'évolution des déformations et des contraintes transversales. On observe principalement, entre la réponse élastique et l'état final, une dissipation des contraintes horizontales (à gauche), correspondant à la génération de déformations plastiques sous le rail.

<figure><img src="image_84.png" /><figcaption>FIGURE 7.17 – (a) Deformed structure at the end of the simulation (amplified 50 times). (b) Evolution of the asphalt concrete section with time. ([49]).</figcaption></figure>

Lopez-Polanco conclut dans son article sur les éléments suivants : « 3D FEM simulations of a ballastless railway structure under viscoplastic creep were carried out in order to predict the settlement of such a structure under heavy freight loads. The first results obtained showed a coherent response of our viscoplastic model. The order of magnitude of displacements, the stabilizing creep and the bump near the loaded region all are representative of a real asphalt concrete's behaviour, as observed during laboratory rutting tests. Stress states in the bituminous mixture evolve in such a way that tensile and shear stresses disappear over time. The final stress states inside the asphalt concrete look like those found in unbound granular soils. Stabilization in creep is due to the evolution of stresses from a state resembling a bending beam to that of an unbound soil without any tensile stresses. Further studies will be needed to determine how representative this is and whether this interesting result is realistic or if it simply comes from the constitutive model's construction or from the numerical computation. The results obtained from the first 3D railway structure simulations show acceptable displacements in the case of a creep loading, such as a train stopped on the track for a long period.
<figure><img src="image_85.png" /><figcaption>FIGURE 7.18 – Horizontal strain (a) and stress (b) states during the creep test. ([49]).</figcaption></figure>

iod could generate. Once again, tensile and shear stresses tend to disappear over time. These first results also need to be confirmed for different structure configurations and different kinds of asphalt concretes. »

Dans un contexte de température constante, on pourrait évaluer la potentielle utilisation de ce type de voie ferrée bitumineuse dans les gares. Le dimensionnement serait comparable, avec la même problématique de l'influence des trains à l'arrêt sur la voie. L'intérêt d'utiliser un enrobé dans ce cadre serait principalement de limiter les vibrations et le bruit dans les gares.

Le travail de Lopez-Polanco pourrait aussi être extrapolé à des structures hors tunnels, qui nécessiteraient la prise en compte de l'influence de la température sur le comportement viscoplastique de l'enrobé. Théoriquement, en accord avec le principe d'équivalence temps-température, à très long terme, la réponse viscoplastique de l'enrobé est la même, seul change le temps qu'il faut pour atteindre cet état stabilisé. L'extrapolation des résultats à différentes températures est un domaine qu'il conviendra d'explorer plus en détail.

Mais le travail le plus important à réaliser désormais est de simuler des sollicitations cycliques, afin de valider la réponse de telles structures vis-à-vis des problèmes de tassement dus au passage des trains. D'un point de vue numérique, ce problème est extrêmement complexe à traiter, du fait des nombreux pas de temps nécessaires pour réaliser les calculs. Des techniques
de sauts de cycles sont à envisager pour rendre le calcul réalisable à très grand nombre de cycles. Par ailleurs, le modèle viscoplastique utilisé nécessite d'être validé expérimentalement dans le cadre de sollicitations non monotones. Un nouveau programme triaxial expérimental s'avère donc nécessaire.

### Limites du dimensionnement

Que ce soit dans le cadre du dimensionnement à la fatigue ou dans le cadre du dimensionnement à la panne, les travaux réalisés ont montrés qu'il était nécessaire de s'appuyer sur des essais expérimentaux en laboratoire et en vraie grandeur, afin de valider la capacité de nos outils numériques à simuler le comportement réel de telles infrastructures. Dans le cadre du projet REVES, nous sommes actuellement en phase de réalisation d'essais sur structure réelle au laboratoire SII du département COSYS à l'Ifsttar. 70000 cycles de chargement de fret ont été effectués sur une voie ferrée de type rail noyé. Par ailleurs, les deux solutions techniques proposées sont en phase de construction dans la carrière de Wallers-En-Fagnes. Je présente les prototypes et les dispositifs de chargement dans les sections suivantes.

### 7.4.6 SySIFe

#### Présentation du dispositif SySIFe

Le dispositif SySIFe, pour « Système de Sollicitation pour Infrastructures Ferroviaires », est un dispositif permettant de générer des efforts dynamiques sur une maquette de structure ferroviaire à échelle 1. Les efforts générés sont ceux associés au passage d'un train sur la structure ferroviaire. La figure 7.19 présente le dispositif ainsi que la voie ferrée bitumineuse actuellement présente sous le dispositif de chargement.

Le principe de fonctionnement rappelle celui d'un hachoir à persil. Les déplacements verticaux des vérins génèrent un déplacement horizontal du point de contact entre la poutre en forme d'arc de cercle, simulant l'essieu, et le rail. L'objectif est donc de générer un effort constant qui se déplace le long du rail, ce qui simule le passage d'un essieu de train.

Ce système est un prototype, qui nécessite toujours d'être optimisé. Ses performances actuelles nous permettent de simuler des efforts correspondant à du fret ferroviaire, soit 25 tonnes à l'essieu, à des vitesses allant jusqu'à 120 km/h.
<figure><img src="image_86.png" /><figcaption>FIGURE 7.19 – Maquette numérique. Vue de 3/4 et vue de face du dispositif SySIFe.</figcaption></figure>

## Mise en place de la solution « rail noyé »

La solution « rail noyé » du projet REVES a été mise en place sous le dispositif SySIFe, avant que celui-ci ait été installé. Cette première mise en place, pour laquelle j'ai joué le rôle de maître d'œuvre, a permis de mettre en exergue un certain nombre de problèmes et de particularités.

Il était initialement prévu d'installer un tapis en silomère sous l'enrobé, afin de simuler la réponse élastique d'une plateforme de portance moyenne, de type PF80. Mais cela n'a pas été possible du fait de ne pas pouvoir compacter l'enrobé sur cette plateforme. Ce tapis de silomère a été remplacé par 10 cm de GNT.

La GB4 a été posée en quatre couches. Sur la première couche, sous l'un des deux rails, a été mise en place une structure métallique de type nid d'abeille appelée Métalflex® supposée limiter les problèmes de tassement. Les deux autres couches ont ensuite été posées, suivies d'une quatrième couche permettant d'obtenir l'épaisseur finale. 30 cm d'enrobé ont été posés (figure 7.20).

<figure><img src="image_87.png" /><figcaption>FIGURE 7.20 – Couche de GB4.</figcaption></figure>

Deux gorges de 15 cm de profondeur ont ensuite été sciées permettant la
mise en place des rails, à l'aides de cales de réglage placées dans le fond de la rainure. Une fois le rail calé, la colle Corkelast® est coulée dans la rainure afin de sceller le rail dans l'enrobé. Cette technologie est couramment utilisée par Edilon)(sedra dans le cadre de la réalisation de voies de tramway dans des dalles en béton. Il s'agit là d'une transposition à l'insertion de rail dans un enrobé bitumineux (figure 7.21).

<figure><img src="image_88.png" /><figcaption>FIGURE 7.21 – Rails insérés et collés dans l'enrobé.</figcaption></figure>

De nombreux instruments ont été installés lors de la phase de construction, parmi lesquelles des extensomètres, des jauges d'extensométrie et des fibres optiques. Ces capteurs permettent de caractériser l'état des déformations à différents endroits de la structure : à la base de la couche d'enrobé, en fond de rainure, sous le rail et dans l'âme du rail.

## Premiers résultats

Après une longue phase de mise au point, les premiers essais ont pu être réalisés. Un essai statique, avec la charge au centre de la voie permet de déterminer la raideur de la voie entre chaque série de sollicitation en fatigue. Pour l'instant, 3 séries de 10 000 cycles de chargement en fatigue ont été effectuées. Aucune évolution de la raideur de la structure n'a pu être observée. L'objectif est de valider la structure avec 1 million de cycles de fatigue.

## Développement de SySIFe

Le système de chargement SySIFe a pour vocation à être utilisé pour valider le comportement de structures innovantes, sous chargement contrôlé, en laboratoire avec la possibilité d'instrumenter les voies de la manière la plus exhaustive possible. Il s'agit donc d'un outil innovant pour tester de nouvelles voies, mais il permet aussi de valider de nouveaux systèmes d'instrumentation, comme la mesure par fibre optique.
Nous cherchons par ailleurs à rendre le dispositif SySIFe transportable, afin d'être capable de tester des voie ferrées innovantes qui n'auraient pas été construites au laboratoire.

### 7.4.7 Essais à Wallers-En-Fagnes

Les deux solutions techniques présentées ci-dessus sont en phase de construction dans la carrière CCM de Wallers-En-Fagnes. L'intérêt d'une telle construction est qu'elle se situe sur un site privé, pour lequel la réglementation est donc moins sévère. Cette construction sera(it) considérée par SNCF-Réseau comme une démonstration de faisabilité (proof of concept).

## 7.5 Les routes électriques

En matière d'innovation routière, l'Ifsttar a été sollicité par plusieurs industriels pour évaluer l'implantation de systèmes d'alimentation électrique dans les chaussées, notamment pour l'implantation d'un système par induction et pour l'implantation d'un système par conduction électrique par le sol. Ce dernier est une évolution du système APS d'alimentation des tramways ALSTOM, appliquée à l'alimentation des poids lourds sur autoroute. Il s'agit d'un système analogue à celui proposé par Eroadarlanda (7.22).

<figure><img src="image_89.png" /><figcaption>FIGURE 7.22 – Rail électrique inséré dans la route pour alimenter un poids lourd. source https://eroadarlanda.com.</figcaption></figure>

Plusieurs compétences issues des recherches précédentes nous ont permis d'aider nos différents partenaires industriels à intégrer leurs système dans une chaussée. D'abord nous maîtrisons parfaitement les enrobés bitumineux et les structures routières. Ensuite, nous maîtrisons les colles et résines qui permettent d'intégrer des objets dans la route, comme par exemple des capteurs. Grâce à des projets comme REVES, pour ne citer que les projets publics, nous avons déjà réalisé l'intégration de composants rigides dans une
chaussée. Nous connaissons donc les outils expérimentaux et numériques sus-
ceptibles de nous aider à valider les solutions d'intégration.

7.5.1 Intégration du système APS dans une chaussée

Ma coopération de recherche avec Alstom fait l'objet de plusieurs volets. Le premier volet à consisté à déterminer différentes solutions techniques permettant d'intégrer et de réaliser une pré-validation de ces solutions. Dans le second volet, j'ai approfondi les moyens d'évaluation de la durabilité des solutions de collage, et j'ai proposé des solutions techniques permettant d'éviter les problèmes de fissuration et de tassement. Dans le troisième volet de cette recherche collaborative, j'ai évalué la meilleure solution de collage, s'avérant être la seule solution de collage satisfaisant aux essais mécaniques et thermiques simulant l'impact du trafic et des variations de températures journalières et saisonnières sur la solution. Dans le quatrième volet en cours de développement, nous traitons de problèmes annexes mais néanmoins majeurs relatifs à l'alimentation du système APS à partir du bord de la chaussée.

7.5.2 Essais de validation des solutions de collage

Notre expérience de l'inclusion d'éléments rigides dans la chaussée nous a amené à envisager deux sources possibles d'endommagement des structures : l'effet du trafic et l'effet des variations de températures journalières et saisonnières. Les contraintes de temps liées à notre coopération industrielle nous ont amené à développer des essais rapidement, en prenant en compte l'existant, comme cela est présenté dans le premier rapport pour Alstom, [31].

Pour évaluer l'effet du trafic sur les solutions de collage, nous avons
adapté l'essai à l'orniéreur MLPC, normalement utilisé pour tester les enro-
bés bitumineux. Un échantillon du système APS est intégré dans un échan-
tillon d'enrobé, de telle sorte que la roue de l'orniéreur passe soit sur le
support APS, soit sur l'interface entre le support APS et l'enrobé. Les essais
sont réalisés à température ambiante, à 40°C ou à 60°C, comme pour un es-
sai classique. Nous réalisons généralement 30 000 cycles pour valider la tenue
du collage.

Pour évaluer la tenue aux variations de température journalières et saisonsnières, un essai de respiration thermique a été mis au point. L'essai s'applique à une version simplifiée du système intégré dans l'enrobé (figure 7.24). L'échantillon est placé en enceinte thermorégulée. Il est soumis à des cycles de températures allant de -20°C à 20°C, pendant 15 jours, à raison de 2
<figure><img src="image_90.png" /><figcaption>FIGURE 7.23 – Principe des essais de chargement à l'orniéreur, [31].</figcaption></figure>

cycles par jours. L'idée étant de simuler un hiver rude dans ce cas, ou un été très chaud dans le cas de cycles entre 20°C et 40°C.

<figure><img src="image_91.png" /><figcaption>FIGURE 7.24 – Système APS simplifié pour essais de respiration thermique, [31].</figcaption></figure>
### 7.5.3 Solutions de collage

De nombreuses solutions de collages ont été testées, non présentées ici. Lorsque le collage ne fonctionne pas, on observe plusieurs types d'endommagement, comme cela est montré sur la figure 7.25a. Lors des essais d'orniérage, on a pu observer un tassement en surface de certains échantillons et sous le rail APS. On observe aussi de la fissuration dans l'enrobé, ainsi que de la fissuration à l'interface entre l'enrobé et le rail APS. Lors des essais de respiration thermique, le mode principal d'endommagement observé a été la fissuration dans l'enrobé, majoritairement due à la dilatation différentielle des matériaux.

Les deux solutions d'intégration les plus fonctionnelles sont basées sur le concept d'interface épaisse. L'analyse des différentes solutions de collage nous a amené à intégrer la différence de raideur et de coefficient de dilatation thermique entre l'enrobé et le rail APS. La première des deux solution suggère de coller le rail APS sur le fond de la rainure de l'enrobé et de laisser un vide au niveau des interfaces latérales. L'autre solution consiste à utiliser une colle très souple entre l'enrobé et le rail APS, de façon à limiter la transmission des efforts du rail vers l'enrobé (figure 7.26).

Actuellement, la solution technique la plus pertinente est celle utilisant une colle de faible raideur en interface épaisse avec un chanfrein sur toutes les arêtes, pour limiter l'initiation de la fissuration. Les premières simulations thermo-mécaniques réalisées afin de simuler l'essai de respiration thermique ont montré numériquement l'intérêt d'utiliser des chanfreins pour limiter la concentration de contrainte au niveau des arêtes, figure 7.27.

### 7.5.4 Simulations thermo-viscoélastiques

Ces études nous ont amenés à réfléchir sur la représentativité de l'essai de respiration thermique. En effet, les essais expérimentaux ont mis en évidence une réponse viscoélastique des enrobés. Or, les premières simulations effectuées sont thermo-élastiques, elles ne prennent pas en compte le caractère viscoélastique des enrobés. Ces simulations permettent quelques études comparatives, mais ne permettent pas de simuler le simple effet du temps (et de la température) sur les enrobés.

La thèse de T. alves de Freitas, qui a commencé en 2019, a pour titre « Utilisation des enrobés bitumineux dans les transports guidés. Durabilité des inclusions de type rails dans les enrobés, influence sur la formulation des enrobés et sur le dimensionnement des infrastructures ferroviaires et routières ». Cette thèse s'intègre dans un projet de collaboration internationale
<figure><img src="image_92.png" /><figcaption>FIGURE 7.25 – Solutions non fonctionnelles vis-à-vis des essais d'orniérage et de respiration thermique, [31].</figcaption></figure>
<figure><img src="image_93.png" /><figcaption>FIGURE 7.26 – Figure du haut. 3 solutions potentiellement fonctionnelles, [35]. Figure du bas. solution finale, incluant l'interface épaisse et les chanfreins.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_94.png" /><figcaption>FIGURE 7.27 – Dilatation thermique, interface épaisse, colle incompressible de faible raideur au niveau de l'interface. Échantillon chanfreiné. Contraintes de traction-compression. En haut à gauche : interface mince parfaitement collée, sur une même échelle de couleur ([35]).</figcaption></figure>

avec l'université de Sao Paulo. Ce projet s'intitule « *ACCESS4FUTUR* » . La figure 7.28, issue de la candidature d'Alves pour la bourse de doctorat, synthétise bien le travail à réaliser dans le cadre de la thèse. Ce travail consiste en partie à réaliser des simulations thermo-viscoélastiques, que l'on compare aux essais de respiration thermiques en termes de déformations, afin d'élaborer un essai standardisé de tenue aux sollicitations thermiques cycliques et un outil numérique de prédiction du comportement à long terme des systèmes APS inclus dans la chaussée.

Grâce à Pledel ([56]), les premières simulations thermo-viscoélastiques de l'essai de respiration thermique ont pu être réalisées. Ces simulations
<figure><img src="image_95.png" /><figcaption>FIGURE 7.28 – Dilatation thermique, interface épaisse, colle incompressible de faible raideur au niveau de l'interface. Échantillon chanfreiné. Contraintes de traction-compression. En haut à gauche : interface mince parfaitement collée, sur une même échelle de couleur.</figcaption></figure>

montrent, à basse température principalement, un comportement très élastique et peu visqueux, comme c'est souvent le cas pour les enrobés bitumineux. Ces premiers résultats tendent à simplifier la démarche de dimensionnement par l'utilisation d'un module d'enrobé équivalent, comme cela est fait pour le dimensionnement des chaussées bitumineuses. Ces premiers résultats nécessitent encore d'être vérifiés et validés.

Des essais à échelle 1 sont en cours de réalisation sur le site de L'Ifsttar de Nantes. Ces essais permettront de valider les premiers résultats obtenus grâce à nos essais en laboratoire et nos simulations numériques.

### 7.5.5 INCIT-EV

Un projet Européen nommé INCIT-EV pour « Large demonstratioN of user Centric urban and long-range charging solutions to boost an engaging deployment of Electric Vehicles in Europe - INCIT-EV », incluant 33 partenaires de 8 pays européens, est co-financé à raison de 15 millions d'euros par l'Union Européenne dans le cadre de l'appel à projet H2020. Le site web « www.e8concept.com » présente le projet : « The project aims to demonstrate an innovative set of charging infrastructures, technologies and its associated
business models, ready to improve the EV users experience beyond early adopters, thus, fostering the EV market share in the EU. The project will seek the emergence of EV users. unconscious preferences relying on latest neuroscience techniques to adapt the technological developments to the users' subjective expectations. We want technology that will enable users to use e-vehicles as intuitively as possible, while not having a negative impact on the power system. Because of the potential negative impacts of rapid increase in e-mobility to the electric power system is very important that e-mobility is also addressed by the electricity transmission system operators. First TSO's that addressed this challenge and closely connected with the automotive industry, were Slovenian and Spanish TS. It should be emphasized that the INCIT-EV project is designed in accordance with the concept of integral development of infrastructure for mass charging of electric vehicles E8 ».
la route comme sa propre source de régénération. Le recyclage m'a permis de
travailler dans le cadre de nombreux projets européens et internationaux, un
projet ANR et une société savante, la Rilem. J'ai aussi pu encadrer plusieurs
thèses sur ce thème. Tous ces travaux m'ont permis d'aborder de nombreux
domaines scientifiques et techniques, comme la caractérisation des agrégats,
la gestions des stocks d'agrégats et l'étude des performances des enrobés inté-
grant des agrégats. Nous avons pu démontrer que des agrégats bien caracté-
risés pouvaient être utilisés à fort taux, quasiment 100%, et qu'ils pouvaient
être couplés à des techniques tièdes de fabrication, moins consommatrices
d'énergie. Le recyclage des enrobés reste aujourd'hui un enjeu majeur car
il s'intègre complètement dans une approche de construction durable des
infrastructures de transports.

## 8.2 Une meilleure compréhension du comportement des enrobés au fluage et sous trafic

C'est en comprenant mieux le comportement des enrobés et des infra-
structures routières que nous les rendons plus durables. Les matériaux sont
mieux adaptés aux conditions de trafic, les infrastructures sont mieux di-
mensionnées. Nous développons les outils et essais adaptés aux changement
de comportement des citoyens qui pourraient profiter dans un futur proche
des routes électriques, des trains de camions, de nouvelles voies ferrées.

8.2.1 De la caractérisation expérimentale triaxiale à la simu-
lation structurelle

Ma formation en mécanique et conception industrielle m'a apporté les no-
tions de base mécanique des matériaux et des milieux continus. Durant ma
thèse sur le comportement triaxial des bétons sous sollicitations extrêmes,
j'ai pu aborder l'effet du confinement sur les bétons et sur les matériaux
granulaires d'une manière lus générale. Mes travaux sur les enrobés m'ont
permis de travailler sur les effets visqueux apportés par le bitume, et sur la
sensibilité à la température des enrobés. Toutes ces notions m'ont permis
de travailler sur la problématique très appliquée de l'orniérage des enrobés.
J'ai abordé le problème par la modélisation viscoplastique des enrobés, décri-
vant au mieux l'apparition des déformations permanentes dans les chaussées.
Nous avons mis en place un modèle viscoplastique de Perzyna qui permet de
modéliser le comportement triaxial des enrobés sous fluage, et ceci dans le
cadre de deux études différentes, l'une sur le tassement dans les chaussées,
l'autre dans les voies ferrées bitumineuses, avec deux séries d'essais sur deux matériaux différents.

Perzyna nous a donné le cadre. nous avons ensuite déterminé les dé-
tails comme la surface seuil permettant de simuler l'effet du confinement et
la capacité du matériau à se compacter puis à se dilater sous une même
charge statique. Nous avons défini l'écrouissage le plus simplement possible
à l'aide d'un seul paramètre, permettant de limiter le nombre de paramètres
du modèle. Actuellement, cinq paramètres sont nécessaires pour simuler le
comportement des enrobés bitumineux, ce qui est faible vis-à-vis de la com-
plexité du comportement. O. lopez-Polanco a réussi à mettre en place une
méthode séquentielle « relativement simple pour caler ces paramètres, dans
la mesure où les essais triaxiaux sont relativement variés en matière de com-
portement. Cette méthode nécessite des essais de fluage instables, des essais
stables, mais aussi des essais compactants et des essais dilatants. Le modèle
actuel permettra à court terme de réaliser des prédictions de comportement
au fluage des enrobés.

Pour le moment, la grande complexité de la modélisation viscoplastique des enrobés réside dans le grand nombre d'essais qu'il est nécessaire de réaliser pour obtenir les résultats expérimentaux indispensable à la validation du modèle. Deux campagnes de 30 essais ont été réalisées, ce qui représente au total 60 semaines d'essais « réussis». Le point clef de cette modélisation est d'optimiser le nombre et le type d'essais garantissant le calage des paramètres. Dans ce cadre, la thermo-suceptibilité des enrobés est assez facile à intégrer car elle suit, en premier ordre de grandeur, les mêmes lois qu'en viscoélasticité. Or la définition des paramètres de thermo-suceptibilité dans un cadre viscoélastique est relativement bien maîtrisée au laboratoire.

8.2.2 L'intégration de Perzyna dans Cast3m et la simulation
de structures

L'intégration du modèle de Perzyna dans le code ✡Cast3M a représenté un défi technique et scientifique, car la programmation en Fortran de la loi locale a nécessité du temps, notamment en termes de vérification. Dans le cadre du projet REVES, les simulations ont présentés plusieurs problèmes techniques. La différence de taille des éléments de structures a nécessité de réaliser un maillage assez complexe, très fin localement sous la charge dans l'enrobé, de l'ordre du millimètre, sur une structure virtuelle de 6x6x6 mètres. Nous cherchons actuellement des techniques de simplification du maillage afin de limiter la taille des calculs. Le caractère non linéaire viscoplastique de l'enrobé a nécessité d'utiliser une échelle de pas de temps adaptée, les pre-
miers calculs ont souvent divergé du fait de ce problème d'échelle de temps. Les résultats génèrent plusieurs Giga de données, ce qui a posé quelques problèmes lors de l'analyse des données. Nous avons dû apprendre à optimiser les calculs afin d'obtenir des résultats analysables. Nous avons par ailleurs développé des compétences dans l'utilisation d'outils pré- et post-processing, respectivement ⬆Gmsh et ⚫ ParaView. Gmsh simplifie la conception des structures à simuler et le maillage de ces structures pour le calcul aux éléments finis. Paraview simplifie l'analyse des chants de contraintes dans la matière.

### 8.2.3 Viscoplasticité et tassements des enrobés ferroviaires

D'un point de vue qualitatif, les résultats obtenus lors des simulations numériques semblent donner de bon résultats, notamment vis-à-vis de la stabilisation des déformations à long terme, de la forme des tassements sous la charge et de la disparition à long terme des contraintes de traction en fond de couche d'enrobé. D'un point de vue quantitatif, nous manquons aujourd'hui de résultats d'essais structurels (non-homogènes) pour vérifier la fiabilité de nos simulations. Nous envisageons de réaliser des essais de poinçonnement sur enrobé, pour valider notre modèle. Nous disposons actuellement d'une voie ferrée sur enrobé expérimentale, sur laquelle nous appliquons un grand nombre chargements cycliques, simulant le passage de trains de fret. Nous pourrons réaliser dans un futur proche des essais de fluage sur cette structure pour valider nos simulations des tassements permanents.

L'outil numérique que nous développons doit permettre de caractériser le comportement des enrobés sous charges particulières, comme les charges ferroviaires. Il pourrait remplacer ou suppléer l'orniéreur MLPC, essai empirique utilisé pour caractériser l'orniérage des chaussées routières dans le cadre d'un chargement standard. Il permettra certainement de traiter d'autres problèmes relatifs aux innovations dans les infrastructures routières. À titre d'exemple, nous souhaitons traiter les problèmes relatifs au platooning<fnref n="1" /> : Des camions qui suivent une même trajectoire sur autoroute génèrent un effet de charge concentrée sur un même rail, le balayage latéral limitant normalement les effets d'orniérage sur autoroute.

### 8.2.4 Caractérisation de l'effet des cycles de chargement sur les tassements permanents

L'un des points critiques de mes travaux sur l'orniérage est l'absence de prise en compte actuelle de l'effet du cyclage des charges dans la modélisation.

<footnote n="1">1. Camions autonomes qui roulent en pelotons</footnote>
tion viscoplastique des enrobés. Par construction du modèle, les tassements dépendent du temps, du caractère triaxial de la charge et de la température, mais pas du cyclage des charges. Bien que nous ayons caractérisé expérimentalement cet effet du cyclage, et notamment l'effet néfaste d'un cyclage lent sur le tassement des enrobés, nous n'avons pas réussi pour le moment à l'intégrer dans la modélisation du comportement viscoplastique des enrobés, les modèles dépendent du temps uniquement, pas du nombre de cycle, ni de la fréquence de ces cycles.

Pour répondre à ce problème, nous pensons devoir coupler la viscoélasticité à la viscoplasticité. En effet, le caractère viscoélastique de l'enrobé le rend sensible à la fréquence de sollicitation. Plus la sollicitation est rapide, plus le matériau est raide, plus il se comporte comme une plaque rigide sous le passage d'une charge rapide, avec des charges plus dispersées dans la matière. Inversement, plus le chargement est lent, plus les contraintes sont concentrées sous la charge, et plus les tassements sont importants. Nous souhaitons mettre en équation ce phénomène, et l'intégrer dans un code aux éléments finis. La difficulté est d'intégrer à la fois de la viscoélasticité et de la viscoplasticité dans le code. Une approche simplifiée nous parait plus cohérente dans un premier temps. Elle consiste à découpler ces deux modèles. Dans le cadre d'un calcul VE-VP, nous calculerions d'abord le champ de contrainte et de déformations réversibles à partir du modèle viscolastique, puis nous calculerions le champ de déformation irréversibles à partir de ce champ de contraintes viscoélastiques. Cette approche parait tout fait intégrable dans Cast3M, mais l'intégration est loin d'être immédiate, l'écriture de la loi locale sous forme de Umat nécessitera un peu de réflexion.

### 8.2.5 Thermo-viscoplasticité & thermo-viscoélasticité

Dans le cadre de nos travaux sur les routes électriques, nous évaluons l'effet de l'intégration de systèmes d'électrification dans les chaussées. Le comportement mécanique de ces systèmes rigides et élastiques contraste avec le comportement thermo-viscoélastique des enrobés, générant un comportement différentiel lors de sollicitations mécaniques, sous l'effet du trafic, et sous l'effet des variations de température journalières et saisonnières. Nous étudions actuellement ce comportement différentiel. Pour cela, nous réalisons des simulations numériques de dilatation différentielle du système d'alimentation et de l'enrobé, pour comprendre les interactions entre les matériaux et ainsi trouver des solutions de collage idoines. Notre bonne maîtrise actuelle de Cast3M nous permet de réaliser les simulations thermo-viscoélastiques, qui sont en cours d'analyse, et qui font l'objet de la thèse de T. Alves. Notre
objectif à court terme est de corréler ces résultats avec ceux obtenus par
corrélation d'image lors d'essais de sollicitation thermiques cycliques. Nous
cherchons dans un premier temps à comprendre le comportement de l'en-
robé et de l'interface au cours d'un cycle de sollicitation. Nous cherchons
dans un second temps à déterminer l'influence de la viscoélasticité sur le
comportement général de la structure, avec comme objectif de déterminer
s'il est possible, en première approche de déterminer un module élastique
équivalent pour l'enrobé, qui permettrait de traiter le problème en élasticité
linéaire. Nous souhaitons à moyen terme développer un moyen d'essai fiable
et pertinent d'analyse du comportement de telles structures. Le développe-
ment d'un tel essai fait parti de la mission de notre laboratoire, de même
que la mécanique conduisant à l'endommagement de ces structures.

8.3 Développement d'infrastructures innovantes

8.3.1 Le projet REVES, dimensionnement, démonstrateurs

Dans le cadre du projet REVES, nous avons développé une voie ferrée bitumineuse. Bien que cette solution ait été développée pour une application en tunnel, nous imaginons déjà d'autres utilisations possibles, comme une utilisation en gare. Nous avons adapté la méthode de dimensionnement des chaussées routières au contexte particulier des trains de fret. Cette adaptation des méthodes de formulation des enrobés et de dimensionnement des chaussées au domaine ferroviaire manque pour l'instant de retours terrain pour être validée. Ces retours se sont avérés indispensables pour le développement initial de ces méthodes.

Nous comptons actuellement sur les retours des essais sur la plateforme SySIFe pour caractériser le comportement à long terme de notre voie ferrée bitumineuse. Ces essais nous permettront par ailleurs de réaliser les premières comparaisons entre le comportement de la voie et les estimations de la méthode de dimensionnement. Nous attendons actuellement la construction d'une voie REVES sur un site privé. Ce démonstrateur permettra aussi de valider les solutions techniques et nos méthode de dimensionnement.

Ces travaux relatifs aux voies ferrées sans ballast ont comme objectif
partiel d'essayer de nous affranchir du ballast dans les infrastructures ferro-
viaires, ce qui représente un grand défi vis-à-vis du réseau SNCF actuel. Les
enrobés sont de plus en plus utilisés dans les voies ferrées, notamment comme
couche sous le ballast, mais leur utilisation comme couche de structure et
de surface pourrait faire évoluer la façon d'utiliser ces voies. On pourrait par
exemple, à l'instar des voies de tramways, envisager une utilisation partagée
de la route par les voitures et les trains régionaux, diminuant de manière
notoire les coûts d'entretien. Il est évident que ce partage du réseau rou-
tier est susceptible de générer des interférences de fonctionnement que nous
n'avons pas étudiées. Mais nous souhaitons proposer le dimensionnement
d'une RD/voie ferrée afin de montrer la faisabilité d'une telle structure d'un
point de vue de sa résistance au trafic.

8.3.2 Les routes électriques : une recherche collaborative

Je travaille actuellement sur deux types d'ERS 2. Le premier système,
nommé « APS » est proposé par Alstom, c'est un système d'alimentation
par conduction. Nous participons à la mise au point de l'intégration de ce
système dans la chaussée. Nous avons aidé à mettre au point l'interface entre
le dispositif et l'enrobé, et nous avons développé une série d'essais de labo-
ratoire et de démonstrateurs permettant de valider l'intégration du système
électrique dans l'enrobé. Nos essais simulent d'une part le trafic routier et
d'autre part l'effet des variations de températures journalières. L'essai d'or-
niérage est très sévère, il nous parait donc très pertinent pour évaluer la
tenue du système sous trafic routier. L'essai de respiration thermique que
nous avons mis au point est aussi très sévère, il suretime les variations de
températures journalières, fonctionnant aussi comme un outil de qualifica-
tion. Nous cherchons actuellement à mieux comprendre le comportement
différentiel des matériaux sous trafic et sous variations de températures, afin
de proposer des outils d'aide à la mise au point et au dimensionnement de
systèmes ERS. Nous apportons aux industriels notre connaissance des chaus-
sées, c'est en cela que nous pouvons les aider.

J'encadre actuellement la thèse de T. Alves sur ce sujet, et nous parti-
cipons au projet de collaboration bilatéral Access4Futurr sur les infrastruc-
tures du futur. Nous souhaitons utiliser cette collaboration international pour
comparer nos outils de calculs et de dimensionnement, avec comme objectif
d'apporter la simulation numérique comme outil de compréhension et d'aide
au dimensionnement des infrastructures routières et ferroviaires. Notre labo-
ratoire est aussi lauréat d'un projet Européen nommée INCIT-EV, destiné
au déploiement par Renault et Vedecom d'un système ERS par induction.
Ce nouveau projet nous permet d'évaluer nos outils et nos essais développés
pour les routes électriques avec une technologie différente. Ce travail est au
cœur de nos compétences.

<footnote n="2">2. Electric Rail System</footnote>
## 8.4 Direction d'une équipe de recherche commune liée au dispositif SySIFe

Depuis Février 2019, je suis responsable à mi-temps de l'équipe ferroviaire SySIFe. Mon premier objectif est de finaliser la réalisation de la deuxième dalle d'essai permettant ainsi de fluidifier l'enchaînement des essais expérimentaux relatifs à notre dispositif de chargement. Dans un second temps, je souhaite développer le dispositif afin de pouvoir réaliser différents types de chargement, avec notamment un contrôle total en force. Je dois ensuite trouver un ou plusieurs projets de recherche permettant d'utiliser notre dispositif de chargement. Mon ambition est qu'à terme, notre dispositif devienne un dispositif de référence, comme l'est actuellement notre manège des chaussées. J'envisage à plus long terme de rendre notre dispositif mobile afin de pouvoir être utilisé hors du hall d'essai. Nous souhaitons, avec cet outil, participer activement à l'élaboration de voies ferrées innovantes et durables.
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[29] ENPC : Ponts formation conseils, https://formation-continue.enpc.fr, 2014.

[30] T. GABET : *Comportement triaxial du béton sous fortes contraintes : Influence du trajet de chargement*. Thèse de doctorat, Université Joseph Fourier, France, 2006.

[31] Thomas GABET : Expertise alstom : Étude de l'insertion de rails d'alimentation par le sol. techreport, IFSTTAR, 2018.

[32] thomas GABET : Études paramétriques en supplément du livrable 2.4 pour le projet reves, 2019.

[33] thomas GABET : Rapport de dimensionnement de la voie ferrée sur enrobé de type edilon/colas, 2019.

[34] Thomas GABET, Hervé DI BENEDETTO, Daniel PERRATON, Joëlle DE VISSCHER, Thibaud GALLET, Wojciech BAŃKOWSKI, François OLARD, James GRENFELL, Didier BODIN et Cédric SAUZÉAT : French wheel tracking round robin test on a polymer modified bitumen mixture. *Materials and structures*, 44(6):1031-1046, 2011.

[35] Thomas GABET, Pierre HORNYCH et Fabienne ANFOSSO-LÉDÉE : Étude de l'insertion de rails d'alimentation par le sol. techreport, IFSTTAR, 2017.

[36] Thomas GABET, Octavio LOPEZ-POLANCO, Pierre HORNYCH et Nicolas CALON : A viscoplastic model to simulate settlements inside innov-
vative asphalt concrete railway structures, In TRA 2018, conference
paper and presentation, 2018.

[37] Thomas GABET, Yann MALÉCOT et Laurent DAUDEVILLE : Triaxial behaviour of concrete under high stresses : Influence of the loading path on compaction and limit states. *Cement and Concrete Research*, 38(3): 403 – 412, 2008.

[38] F. HILD, C. DENOUAL, P. FORQUIN et X. BRAJER : On the probabilistic-deterministic transition involved in a fragmentation process of brittle materials strains. *Computers and Structures*, 81(12):1241–1254, 2003.

[39] B. HOPKINSON : A method of measuring the pressure in the deformation of high explosives or by the impact of bullets. *Philosophic Transactions of the Royal Society*, A213:437-452, 1914.

[40] IDDRIM : Réalisation d'assises de voie ferrée en grave bitume : Retour d'expérience de chantiers lgv, 2019.

[41] IDDRIM : "MatÃ©riels pour le recyclage en installations de production d'enrobÃ©s", 2013.

[42] IFSTTAR, Eiffage INFRA, Iowa State UNIVERSITY, Kraton CHEMICAL, Western Research Institute University of Nottingham (UK will conduct life CYCLE et risk ASSESSMENT) : Biorepavation, international project, 2016-2018.

[43] H. LI et D. PUGH : Mechanical behaviour of materials under pressure. *Elsevier*, 1970.

[44] Andreas LOIZOS, Imad AL-QADI et Tom SCARPAS : *Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields : Proceedings of the 10th International Conference on the Bearing Capacity of Roads, Railways and Airfields (BCRRA 2017)*, June 28-30, 2017, Athens, Greece. CRC Press, 2017.

[45] Manuela LOPES, Thomas GABET, Liedi BERNUCCI et Virginie MOUILLET : Durability of hot and warm asphalt mixtures containing high rates of reclaimed asphalt at laboratory scale. *Materials and Structures*, 48(12):3937-3948, 2015.

[46] Manuela LOPES, Virginie MOUILLET, Liedi BERNUCCI et Thomas GABET : The potential of attenuated total reflection imaging in the mid-infrared for the study of recycled asphalt mixtures. *Construction and Building Materials*, 124:1120-1131, 2016.

[47] Manuela LOPES, Dan ZHAO, Emmanuel CHAILLEUX, Malal KANE, Thomas GABET, Cédric PETITEAU et Jorge SOARES : Characterisation of
ageing processes on the asphalt mixture surface. *Road Materials and Pavement Design*, 15(3):477-487, 2014.

[48] Octavio LOPEZ-POLANCO: *Comportement d'un enrobé bitumineux sol- licité par des rails posés sur appuis continus*. Thèse de doctorat, 2019.

[49] Octavio LOPEZ-POLANCO, Talita ALVES, Thomas GABET, Pierre HOR- NYCH et Nicolas CALON: Settlement under creep loading of an asphalt concrete in a railway structure. triaxial tests and viscoplastic modelling. *Journal of Testings and Evaluation*, 2019 (under review).

[50] M MARCHETTI, Jean DUMOULIN, N LE TOUZ, M MOUTTON, S LUD- WIG, T GABET, J-M PIAU et L IBOS: Infrared thermography applied to surface temperature survey of enhanced pavement sample addressing self-de-icing functionality. *In QIRT ASIA 2015*, Mahabalipuram, India, juillet 2015.

[51] V MOUILLET, F FARCAS, V BATTAGLIA, S BESSON, C PETITEAU et F LECUNFF: Identification and quantification of bituminous binder's oxygenated species. *Analysis by Fourier transform infrared spectroscopy, Méthode d'essai LPC*, 69, 2009.

[52] N. F. P98-086: *Dimensionnement structurel des chaussées routières. Application aux chaussées neuves*, 2019.

[53] Manfred N PARTL, Hussain U BAHIA, Francesco CANESTRARI, Chan- tal De la ROCHE, Hervé DI BENEDETTO, Herald PIBER et Dariusz SYBILSKI: *Advances in interlaboratory testing and evaluation of bitu- minous materials : state-of-the-art report of the RILEM technical com- mittee 206-ATB*, volume 9. Springer Science & Business Media, 2012.

[54] M PEREZ-MARTINEZ, P MARSAC, T GABET, S POUGET et F HAM- MOUM: Ageing evolution of foamed warm mix asphalt combined with reclaimed asphalt pavement. *Materiales de Construcción*, 67(327):125, 2017.

[55] Miguel PEREZ-MATINEZ: *Long term performance of low temperature asphalt mixtures containing reclaimed asphalt*. Thèse de doctorat, 2017. Thèse de doctorat, Université Bretagne Loire, École Centrale de Nantes.

[56] Quentin PLEDEL: *Modelisation thermo-visco-elastique*. Mémoire de D.E.A., 2019.

[57] Consortium RE-ROAD: Re-road. End of life strategies of asphalt pave- ments., 2009-2012.

[58] Consortium REVES: *Livrable 1.1: Synthèse des historiques et du savoir-faire des partenaires*, 2015.
[59] Consortium REVES et i TRANS : Reves : annexe technique, 2015.

[60] I. ROBERTSON, C. MASSON, T. SEDRAN, F. BARRESI, J. CAILLAU, C. KESELJEVIC et J. M. VANZENBERG : Advantages of a new ballast-less trackform. *Construction and Building Materials*, 92:16 – 22, 2015. Railway Engineering-2013.

[61] A. ROUQUAND : Présentation d'un modèle du comportement du béton et des géomatériaux, application au calcul de structures et aux effets des armes conventionnelles. Report 134 pages, Délégation Générale pour l'Armement, Centre d'Études de Gramat, 2002.

[62] J. M. SCHMIDT : *High pressure and high strain rate behaviour of cementitious materials : experiments and elastic/vicoplastic modeling*. Thèse de doctorat, University of Florida, USA, 2003.

[63] Juliette SOHM : *Prediction of permanent strains of bitumous mixtures*. Theses, Ecole Centrale de Nantes (ECN), mars 2011.

[64] Juliette SOHM, Thomas GABET, Pierre HORNYCH, Jean-Michel PIAU et Hervé Di BENEDETTO : Creep tests on bituminous mixtures and modelling. *Road Materials and Pavement Design*, 13(4):832-849, 2012.

[65] Comitã© technique 7/8 CHAUSSÉES ROUTIÈRES : CD-7802 - Recyclage des chaussées (guides), 2003.

[66] THIOT : Thiot-ingénierie, 2004. la Croix Blanche 46130 Saint Michel Loubejou, France.

[67] F. TOUTLEMONDE : *Résistance au choc des structures en béton ; du comportement du matériau au calcul des ouvrages*. Thèse de doctorat, ENPC, 1995.

[68] Domenico VIZZARI, Emmanuel CHAILLEUX, Eric GENNESSEAUX, Stéphane LAVAUD et Nadège VIGNARD : Viscoelastic characterisation of transparent binders for application on solar roads. *Road Materials and Pavement Design*, 20(sup1):S112-S126, 2019.

[69] Van Thang VU et al. : *Etude expérimentale et numérique du comportement au gel et au dégel des enrobés bitumineux partiellement saturés*. Thèse de doctorat, Ecole centrale de Nantes, 2017.

[70] X.H. VU, Y. MALÉCOT et L. DAUDEVILLE : A first analysis of concrete behaviour under high confinement : influence of moisture content. *In First Euro Mediterranean Symposium in Advances on Geomaterials and Structures*, Tunisia, 3-5 May 2006.

[71] X.H. VU, Y. MALÉCOT et L. DAUDEVILLE : Influence of saturation degree and water-cement ratio on the behavior of concrete under severe
triaxial compression. *In Eighth National Conference on Mechanics of Deformable Solids*, Thai Nguyen City, Vietnam, August 25-26 2006.

[72] T. WARREN, A. FOSSUM et D. FREW : Penetration into low-strength (23 mpa) concrete : target characterization and simulations. *Int. J. of Impact Engineering*, 30:477-503, 2004.

[73] Malcolm L WILLIAMS, Robert F LANDEL et John D FERRY : The temperature dependence of relaxation mechanisms in amorphous polymers and other glass-forming liquids. *Journal of the American Chemical Society*, 77(14):3701-3707, 1955.

[74] A YULIESTYAN, T GABET, P MARSAC, M GARCÍA-MORALES et P PARTAL : Sustainable asphalt mixes manufactured with reclaimed asphalt and modified-lignin-stabilized bitumen emulsions. *Construction and Building Materials*, 173:662-671, 2018.

[75] Avido YULIESTYAN : *Binder design for low temperatures asphalt mixes*. Thèse de doctorat, Universidad de Huelva, 2017.

[76] H. ZHAO et G. GARY : On the use of shpb techniques to determine the dynamic behavior of materials in the range of small strains. *Int. J. Solids Structures*, 33(23):3363-3375(13), September 1996.
# Annexe A

## Fiche de poste
# Chargé(e) de Recherches de 2ème classe

## CODE C

**Discipline scientifique** : Mécanique

**Spécialités** : Science des matériaux

**Etablissement** : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées

**Unité** : Division Matériaux et Structures de Chaussées

**Implantation** : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Centre de Nantes, route de Bouaye, 44 341 Bouguenais Cedex

**Contacts** : Philippe Tamagny 📠 02 40 84 58 49, Email : philippe.tamagny@lcpc.fr

Chantal de La Roche 📠 02 40 84 59 29, Email : chantal.de-la-roche@lcpc.fr

## 1. Motivation et contexte

Dans le contexte du développement durable, le LCPC travaille en particulier sur l'évolution des techniques routières vers un plus grand usage de matériaux recyclés ou alternatifs et sur la recherche et la caractérisation de matériaux à très longue durée de vie présentant des propriétés d'usage pérennes.

Le poste de chargé de recherches proposé vise à compléter les compétences scientifiques de la division, en étant spécifiquement orienté vers la caractérisation mécanique des matériaux de chaussées dans leur diversité de formulation (matériaux à froid, à chaud, issus de récupération) et la formulation de ces matériaux, en lien avec l'évolution des pratiques ; moindre maîtrise des caractéristiques des matériaux, hétérogénéités des provenances et des propriétés, apparition de nouvelles pathologies liées à l'utilisation de matériaux recyclés ou alternatifs, recherche de propriétés de plus en plus durables.

## 2. Nature de la mission

Parmi les pathologies importantes affectant les couches de surface bitumineuses, les déformations permanentes peuvent apparaître à court ou moyen terme en fonction de l'évolution des charges, des conditions climatiques ou d'évolution des matériaux. Il n'existe pas actuellement de méthode de caractérisation a priori permettant de prédire ce comportement.

Le poste proposé vise à répondre à la problématique immédiate de la caractérisation intrinsèque en laboratoire des déformations permanentes des enrobés par mise au point et l'interprétation d'essais mécaniques. L'accent sera mis sur la prise en compte de la représentativité statistique de l'échantillonnage pour l'évaluation des solutions proposées, dans la mesure ou les matériaux recyclés présentent généralement une hétérogénéité bien plus forte que les matériaux neufs.

Une attention particulière sera également portée à l'extrapolation au comportement chantier des propriétés «moyennes» ou «extrêmes» identifiées en laboratoire.

Le caractère des recherches entreprises amènera le chargé de recherche à gérer et développer des moyens d'essais mécaniques.

A terme, le (la) chargé (e) de recherche sera amené (e) à encadrer des doctorants et des stagiaires et à monter des projets nationaux et européens, devra participer à terme à des études avec la profession routière et aux expertises pour différents maîtres d'ouvrage, sera amené(e) à valoriser ses recherches en participant à des commissions de normalisation. Il (elle) visera à consolider l'ensemble de ses travaux (recherches et expertises) à travers l'obtention d'une HDR.

## 3. Environnement scientifique proche

Le (la) chargée de recherche sera affecté (e) à la division Matériaux et Structures de Chaussées, Section Liants et Matériaux Routiers, constituée de 4 ingénieurs chercheurs et 10 techniciens. Outre les collaborations en interne au centre de Nantes et en externe avec différents partenaires universitaires et industriels, il travaillera en partenariat avec les équipes de recherche associées et équipes ressources du réseau Scientifique et Technique du ministère de l'Equipement.

## 4. Compétences

* ✓ Formation de mécanique ou génie civil ( ecole d'ingénieur ou université) avec une spécialisation dans le domaine des matériaux et un doctorat.

* ✓ Des compétences en méthodes expérimentales et en statistiques seront appréciées
# Annexe B

## Évaluation 2011
## IV.2 Avis des superviseurs scientifiques et hiérarchiques

### AVIS DU SUPERVISEUR SCIENTIFIQUE* (chargés et directeur de recherche)

Thomas Gabet a intégré le corps de chercheurs en 2007 et s'est investi ces quatre dernières années sur le thème de la durabilité des chaussées avec d'une part l'étude du comportement à l'orniérage des chaussées et d'autre part le recyclage des matériaux de chaussées.

Thomas GABET montre un bilan positif sur ces deux sujets. Il a participé à des activités d'encadrement de thèses et de stagiaires. Une thèse dont il a été co-encadrant vient d'être soutenue en avril 2011. Les travaux associés à cette thèse sont en cours de valorisation (conférences, articles). Il s'est par ailleurs engagé pour le co-encadrement d'une thèse en cotutelle (France-Brésil) sur le recyclage des enrobés en utilisant la technique d'enrobés tièdes. Thomas s'est aussi intégré dans plusieurs projets internationaux. Il a assuré le suivi financier d'un projet européen du 7ème PCRD. Il participe activement aux essais inter-laboratoire, au comité scientifique et au groupe de management du projet Re-road. Pour l'instant, ces travaux ont été valorisés par la rédaction de documents internes. Il a participé à plusieurs actions internationales menant à la rédaction d'un état de l'art sur le recyclage des chaussées et d'un article de rang A (travaux réalisés dans le cadre du comité technique RILEM « ATB »). Sa participation aux enseignements de l'Ecole Centrale de Nantes lui permet de maintenir une activité d'enseignement, ce qu'il souhaite fortement.

Thomas s'est bien intégré dans son équipe. Nos discussions scientifiques montrent sa motivation et ses compétences. Je considère qu'il a tout à fait pris la mesure de ses fonctions et possède des bases solides pour fournir une production de qualité. Son travail pourrait être davantage mis en valeur par un nombre plus important de publications de rang A. Il serait intéressant qu'il s'investisse davantage dans la gestion de projets internationaux.

Nom et prénom : Di Benedetto Hervé, Fonction : Professeur à l'ENTPE

### AVIS DU REPRESENTANT DE L'ORGANISME* (chargés et dir. de recherche)

Thomas Gabet a été recruté dans le laboratoire en 2007 avec une mission principale autour de la caractérisation mécanique des matériaux de chaussées dans leur diversité de formulation (matériaux à chaud, à froid, issus de la récupération). Cette mission principale telle qu'elle est définie actuellement s'articule autour des deux aspects suivants :

- la problématique de la caractérisation intrinsèque en laboratoire du comportement mécanique des matériaux bitumineux en lien avec les sollicitations mécaniques, environnementales et climatiques.

- L'étude de la recyclabilité des agrégats d'enrobés en tenant compte des hétérogénéités des provenances et des propriétés.

T. Gabet s'est impliqué dans la problématique du comportement mécanique des matériaux. Ce sujet de recherche suppose des développements de modèles de comportement et leur validation par comparaison avec des expérimentations réalisées soit en laboratoire soit sur site. Les développements expérimentaux et numériques dépendent en partie de l'octroi d'un financement de thèse (demandé en 2010 mais non accordé). Ces travaux sont menés dans le cadre de l'opération de recherche CCLEAR dont il a pris la responsabilité d'assurer l'animation d'un sujet de l'opération. Dans le cadre du projet européen REROAD, T. Gabet a pris également en charge la recherche autour de la recyclabilité des agrégats d'enrobés et il assume la co-animation du WP1. Une partie de son temps de travail a été consacré également aux activités d'un groupe de travail de la RILEM TC-SIB sur le vieillissement des enrobés en lien avec le potentiel de recyclabilité.

T. Gabet est un chercheur complet et curieux. Sa production scientifique reste correcte avec un bon niveau (2 articles dans des revues internationales à comité de lecture dont un article soumis et 5 communications à des congrès internationaux) et entre parfaitement dans le cadre de la politique de valorisation et de positionnement international du groupe.

En conclusion, le travail effectué par Thomas Gabet au cours de cette période me paraît tout à fait satisfaisant, tant en positionnement scientifique que déroulement.

Nom et prénom : Hammoum Ferhat (Ferhat.hammoum@lcpc.fr)

Fonction : Chef du groupe Matériaux pour les Infrastructures de Transport (MIT) du département MATERIAUX

Vu et transmis le : 26 septembre 2011

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# Annexe C

## Introduction de l'article pour CCR ([37])

« The final purpose of this study is to establish a numerical model for the prediction of the concrete response under impact. When a concrete structure undergoes a dynamic loading such an explosion or an impact, its stress state is strongly heterogeneous and time-dependent. High triaxial stress states occur, causing different damage modes which strongly depend on stress state and loading path. The phenomena of brittle damage and irreversible strain such as compaction need to be understood, and tests results at high levels of solicitations and under various loading paths need to be performed.

Numerous studies show that dynamic tests performed on concrete, for example by means of split Hopkinson pressure bars [39] [76], are difficult to carry out essentially because of the brittle feature of the material that leads to a rupture in the transient stage of loading. The inhomogeneous character of the stress state in the sample, the very limited control of the loading path and the relatively poor instrumentation lead to a difficult test result analysis. The static characterization of a constitutive model to predict the dynamic behaviour is not a new practice in the study of geomaterials. Compared to dynamic tests, performing static tests allows a correct control of the loading paths and a precise measurement of strains. Thereby the strain rate effects will have to be studied too (it is a part of the global project but does not concern this specific paper). According to the literature, the rheological behaviour of concrete under compression seems to slightly depend on the strain rate for dried specimens [14] [67]. The strong loading rate dependency in tension can mainly be explained by the influence of propagation velocity of defects [38].
Most of the available experimental results in literature only relates to triaxial loadings with moderate confining pressure [43]. Regarding these results the transition from a brittle to a ductile behaviour which is characteristic of cohesive materials was understood. Experimental studies on the triaxial behaviour of cementitious materials were carried out previously but they were limited to small mortar samples [13] [17]. The aim of the present study is to extend this practice to “real” concretes, with aggregate dimensions of the order of one centimeter.

In this paper, tests on a low strength plain concrete are performed, using a large capacity triaxial press named “GIGA”. Stress levels overpassing one GigaPascal with homogeneous, static and well controlled loading paths can be reached. A particular procedure of experimentation and instrumentation was defined. It takes into account the very high stress level and the macro-porous feature of the concrete under study (section 4.2). Different testing programs have been carried out : hydrostatic, triaxial, proportional and oedometric tests. Thanks to these tests, the compaction process (and the irreversible phenomena associated with) can be characterized, as well as the influence of the loading path on this compaction (section 4.3). Moreover, Different limit states, defining a limit state threshold independent from the loading path (section 4.4) can be defined. Finally, the main perspectives for this study and the current works [70] are presented (section 4.6). »