Résumé :

Cette recherche vise à étudier les performances mécaniques et rhéologiques des matériaux bitumineux recyclés à froid avec des liants conventionnels et biosourcés, à travers l’analyse des propriétés des liants, de leurs interactions et des mécanismes de diffusion. Cette thèse est divisée en trois campagnes expérimentales. La campagne 1 présente l’étude du comportement mécanique et de l’évolution des enrobés recyclés produits avec émulsion et mousse, utilisant du bitume conventionnel et du bioliant. Les propriétés des enrobés d’émulsion bitume et de bioliant ont été suivies, notamment la résistance à la compression au cours d’une période de cure de 90 jours sous différentes conditions (18 °C/50 % HR et 35 °C/20 % HR). En parallèle, des essais sur des mélanges mousses (bitume, 50 % bitume – 50 % bioliant, et bioliant) ont été réalisés, notamment des essais de résistance à la traction indirecte (ITS) et des essais triaxiaux, en considérant différentes teneurs en liant. De plus, les liants extraits des mélanges à émulsion à différents temps de cure ont été analysés par spectroscopie FTIR et par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), afin d’étudier les transformations chimiques. Les résultats de cette campagne montrent une augmentation de la résistance mécanique des mélanges produits avec émulsion au cours du temps. L’évaluation des propriétés chimiques a montré une augmentation des indices carbonyle et sulfoxyde lors de la comparaison des différentes périodes de cure. Les mélanges produits avec mousse ont montré que le bioliant réduit les propriétés de cohésion. Cependant, lorsqu’il est combiné avec le bitume, une amélioration relative de cette résistance est observée. La campagne expérimentale 2 présente une étude sur la caractérisation du comportement viscoélastique du bitume 160/220, du liant RAP, du bioliant, ainsi que des mélanges suivants : 25 % liant RAP + 75 % bioliant, 50 % liant RAP + 50 % bioliant
et 75 % liant RAP + 25 % bioliant. Les essais ont été réalisés au DSR, incluant des balayages fréquentiels (10 à 0,01 Hz) à des températures entre −30 et 40 °C. Les données obtenues ont permis la construction de courbes maîtresses basées sur le principe TTSP. Ces résultats ont également été modélisés à l’aide du modèle 2S2P1D. Pour les échantillons composés à 100 % de bioliant, des essais complémentaires ont été réalisés, notamment des essais de viscosité en régime permanent au DSR. Les résultats ont montré que le liant 160/220 et le liant RAP présentent un comportement typique des matériaux bitumineux, le liant RAP étant plus rigide. Le bioliant a présenté un comportement non thermo-rhéologiquement simple, ainsi que des valeurs de module complexe plus faibles par rapport aux autres liants. Les essais de viscosité sur le bioliant ont montré qu’à des températures inférieures à 40 °C, celui-ci présente un comportement non newtonien. Le modèle 2S2P1D a montré un bon ajustement pour la majorité des liants, à l’exception de l’échantillon 100 % bioliant et du
mélange 25 % liant RAP + 75 % bioliant. La campagne 3 traite de l’étude de la diffusion entre liants dans le DSR, dans laquelle deux liants étaient mis en contact. Les essais ont été réalisés à 35 °C et à des fréquences de 1, 3 et 10 Hz, permettant le suivi de l’évolution du module complexe au cours du temps. Un modèle numérique basé sur la deuxième loi de Fick a été développé. Le modèle simulait l’évolution de la concentration au cours du temps. Une loi de mélange basée sur une relation logarithmique entre la norme du module complexe et la concentration locale en liant a été implémentée afin d’estimer la réponse viscoélastique équivalente du système. Le coefficient de diffusion a été traité comme paramètre d’ajustement et calibré à partir de la comparaison entre les résultats expérimentaux et simulés. La comparaison entre les données expérimentales et les résultats numériques a montré que le modèle est capable de reproduire la tendance du processus de diffusion.

Summary:

This thesis was developed at Eiffage and ENTPE in France and a complementary part at Stellenbosch University, in South Africa. This research is part of the CIRCOPAV project under the Marie Skłodowska Curie Grant Agreement No. 101072820. This research aims to investigate the mechanical and rheological performance of cold recycled asphalt materials with conventional and bio-based binders, through the analysis of binder properties, interactions, and diffusion mechanisms. This thesis is divided into three experimental campaigns. Experimental campaign 1 presents a study on the mechanical behaviour and evolution of recycled asphalt mixtures produced with emulsion and foam using conventional bitumen and biobinder. Bitumen and biobinder emulsions mixtures properties were monitoring such as compressive strength over a curing period of 90 days under different conditions (18 °C/50% RH and 35 °C/20% RH). In parallel tests for foamed mixtures (bitumen, 50% bitumen–50% biobinder, and biobinder), as indirect tensile strength (ITS) tests and triaxial tests were performed, considering different binder contents. Additionally, binders extracted from emulsion mixtures at selected curing times were analysed using Spectroscopy FTIR and Differential Scanning Calorimetry (DSC), to investigate chemical transformations. The results of this campaign show an increase in the mechanical strength of mixtures produced with emulsion over time. Evaluation of chemical properties showed an increase in carbonyl and sulfoxide indices when comparing different curing period. Mixtures produced with foam, showed that the biobinder reduces cohesion property. However, when combined with the bitumen, a relative improvement in this strength is observed. Experimental campaign 2 presents a study on the characterization of the viscoelastic behaviour of the 160/220 bitumen, the RAP binder, biobinder, and blendings: 25% RAP binder + 75% biobinder, 50% RAP binder + 50% biobinder, and 75% RAP binder + 25% biobinder. Tests were carried out in the DSR, including frequency sweeps (10 to 0,01 Hz) at temperatures ranging from −30 to 40 °C. The data obtained from these tests allowed the construction of master curves based on the TTSP principle. These results were also modelled using the 2S2P1D model. For the 100% biobinder samples, additional tests were carried out, including viscosity tests in steady-state conditions in the DSR. The results showed that the 160/220 binder and RAP binder present a typical behaviour of bituminous materials, with the RAP binder being stiffer. The biobinder showed a non-thermorheologically simple behavior, in addition to lower complex modulus values compared to the other binders. From the viscosity tests on the biobinder, it was observed that at temperatures below 40 °C the biobinder presents non-Newtonian behavior. The 2S2P1D model showed a good fit for most binders, except for the 100% biobinder sample and the blending 25% RAP binder + 75% biobinder. The third  xperimental campaign addresses the study of diffusion between binders. An experimental methodology based on a double-layer configuration in the DSR was developed, in which two binders were placed in contact. The tests were carried out at 35 °C and at frequencies of 1, 3, and 10 Hz, allowing the monitoring of the evolution of the complex modulus over time. A numerical model was developed based on Fick’s second law. The model simulated the evolution of concentration over time. A mixing law based on a logarithmic relationship between the norm of the complex modulus and the local binder concentration was implemented to estimate the equivalent viscoelastic response of the system. The diffusion coefficient was treated as a fitting parameter and calibrated based on the comparison between experimental and simulated results. The comparison between experimental data and numerical results showed that the model can reproduce the trend of the diffusion process.

Mots-clés :

• enrobés recyclés,
• bioliant,
• recyclage en place à froid