Improving mechanical, thermodynamical and self-healing properties of asphalt by the incorporation of silica nanoparticles

L’asphalte joue un role tres important dans le domaine du Genie Civil. En effet, il s’agit du materiau principal de construction des chaussees. Il est egalement utilise dans la construction des bâtiments pour garantir l’etancheite. Suite au trafic frequent et specialement des poids lourds, les chaussees se retrouvent rapidement abimees, avec l’apparition de nano fissures qui finissent par s’elargir et donnent naissance a des micro fissures et ornierages si elles ne sont pas traitees rapidement. Avec l’introduction de l’eau dans ces fissures et le changement climatique qui conduit au cycle de gel/degel, les ‘nids de poules’ apparaissent. De ce fait, la duree de vie des chaussees diminue, necessitant des entretiens frequents et couteux. En raison de ses proprietes viscoelastiques, l’asphalte a des capacites naturelles d’auto-cicatrisation. Des recherches ont ete menees, aussi bien experimentalement que theoriquement, dans le but de mieux comprendre ce phenomene. Les resultats correspondants ont montre que meme si les fissures se cicatrisent, le materiau subit une perte partielle importante de ses proprietes.Des etudes experimentales ont montre que l'insertion de nouveaux additifs ameliorent les proprietes cicatrisantes de l'asphalte. Parmi ces additifs figurent les argiles de type bentonite (BT) et bentonite modifiee organiquement (BOT), les nanotubes de carbone et la nano-silice. En ajoutant de 1% a 6% du rapport de masse, on obtient une meilleure performance du niveau d'auto-guerison. Ainsi, le principal objectif de cette these est de contribuer a la comprehension des differents processus se produisant -a l’echelle nanometrique- dans la structure asphalte modifiee par la nano-silice. Le but final est celui de l’amelioration des proprietes mecaniques, thermodynamiques, et d’auto-cicatrisation de l’asphalte en utilisant la methode de dynamique moleculaire (DM). Afin de modeliser la structure atomique de l’asphalte, nous avons choisi le modele Asphalt2 de Zhang et Greenfield, avec une fraction 20 : 20 : 60. Nos travaux preliminaires ont d’abord concerne les proprietes mecaniques et thermodynamiques, ainsi que le processus d’auto-cicatrisation de l’asphalte. Ensuite, une etude prealable liee a l’effet de taille et de densite a ete effectuee afin de determiner le dosage optimal de nano-silice necessaire pour ameliorer les proprietes thermo-mecaniques et d'auto cicatrisation de la structure alteree de ce materiau. L'analyse comparative des proprietes mecaniques et structurelles a montre l'efficacite du processus d'auto-guerison. En effet, l'insertion de nano-silice ameliore les proprietes mecaniques de l'asphalte avec plus de 19% de ses performances initiales et reduit la perte energetique lors du processus de cicatrisation. Par consequent, la duree de vie de l'asphalte est prolongee, ce qui a un impact direct sur sa durabilite et ses performances mecaniques. Par ailleurs, la comparaison des indices de cicatrisation, entre la structure pure et alteree de l'asphalte, montre une nette augmentation de la vitesse de cicatrisation et une diminution de l'energie d'activation.

Topic: Asphalt Pavement Performance Evaluation
Subfield: Civil and Structural Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences