Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Comportement à long terme de matériaux à moindre impact environnemental pour la décarbonation des routes

Laboratoire principal - Référent principal MAST - MIT  -  HAMMOUM Ferhat      tél. : +33 240845767

Directeur du laboratoire principal SEDRAN Thierry  -

Spécialité de la thèse Mécanique des matériaux

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription ECOLE CENTRALE NANTES

Ecole doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)

Directeur de thèse prévu HAMMOUM Ferhat  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - MIT

Co-directeur de thèse prévu GAUDEFROY Vincent  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - MIT

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

1- Contexte et problématique
Les enrobés à « froid » composés d’un mélange granulaire lié par de l’émulsion de bitume constituent une réponse permettant de réduire la consommation d’énergie et la consommation des ressources non renouvelables pour engager une démarche globale de décarbonation de la construction et de l’entretien routier significative (de l’ordre de 30%).
Cette gamme de matériaux, pouvant être utilisée en couche d’assise comme en couche de roulement, est adaptée à une grande partie du linéaire d’infrastructure en France métropolitaine (c.-à-d. environ 80%) et capable de supporter des classes de trafic routier faible à moyen (c.-à-d. jusqu’à 150 à 300 poids lourds par jour). Pourtant chaque année, seulement 2 millions de tonnes d’enrobé à l’émulsion sont produits, soit 6% de la production totale française.
Les travaux développés sur les matériaux routiers « à froid » traités à l’émulsion montrent que l’approche couramment utilisée pour caractériser leurs propriétés mécaniques à court terme (construction, murissement au jeune âge et remise au trafic) et long terme (après la phase de murissement qui peut durer quelques semaines à quelques mois) est incomplète. D’abord les moyens de caractérisation classiquement utilisés pour les matériaux de référence dits « à chaud » ne sont pas complétement adaptés et conduisent à des estimations inexactes des performances des mélanges et des structures réalisées. Ensuite, le phasage dual classique pour évaluer les performances des enrobés, à savoir la phase de construction (maniabilité/compactabilité) et de celle de service (durabilité mécanique sur 10-20 ans) n’est pas pertinent car les matériaux à froid évoluent de manière continue, avec les conditions mécaniques à fixer pour la remise sous trafic qui reste un frein très important pour les gestionnaires de réseaux qu’il faut traiter. Enfin, le(s) mode(s) de ruine à long terme n’est (sont) pas bien défini(s) pour ces matériaux et l’approche classique n’est pas adaptée.
Cette analyse conduit à 3 problèmes majeures : (i) Comment dimensionner les chaussées qui incorporent les matériaux traités à l’émulsion ? (ii) Comment déterminer les critères mécaniques qui conditionnent la remise sous trafic et (iii) Comment étendre la formulation des mélanges à l’émulsion pour obtenir des produits dits structurants utilisés en couche de base ?

2-Objectifs de thèse
Dans le cadre des travaux de thèse, le(a) candidat(e) travaillera d’abord au développement d’une nouvelle démarche basée sur une approche expérimentale alternative permettant de combiner judicieusement des sollicitations mixtes composées de cisaillement et de compression afin de mieux reproduire l’état de contrainte subi par le matériau, élaboré à l’émulsion, au passage d’une charge roulante.
Ensuite en prenant en compte la cohésion du liant et l’angle de frottement intergranulaire du mélange, cette approche sera appliquée à des mélanges routiers actuels et permettra (i) d’identifier la cinétique de murissement permettant de résister aux sollicitations mécaniques (cisaillement + compression) au jeune âge ainsi que les valeurs nominales à atteindre et (ii) de définir des critères de résistance à l’endommagement conduisant à la ruine du matériau. Durant les essais de fatigue (point ii), on exploitera en particulier les enregistrements d’évènements acoustiques pour détecter et suivre l’endommagement des mélanges. Enfin (iii) une analyse des données expérimentales permettra d’élaborer un modèle d’endommagement du type loi de Paris.
Le travail de thèse comportera un volet sur l’optimisation des mélanges à l’émulsion pour accroitre leur performance en modifiant leur formulation du point de vue de l’arrangement granulaire, de la répartition du liant de l’émulsion ainsi que prenant en compte leur caractère évolutif liés à la présence d’eau et de vide.
3-Verrous scientifiques :
- Développer un essai mécanique 3D pour simuler des sollicitations réalistes dans des conditions aux limites maitrisées et en associant les efforts de cisaillement et de compression
- Proposer un protocole d’essai pour identifier les niveaux de résistance au cisaillement en phase de murissement en lien avec la cohésion du liant résiduel,
- Identifier le ou les mode (s) de ruine du matériau traité à l’émulsion;
- -Proposer une méthodologie ou un critère de ruine selon le type de sollicitation;
- Identifier les paramètres de mélange à optimiser pour améliorer les performances mécaniques du matériau ;
4- Partenariat scientifique de la thèse et visibilité
Le projet de thèse implique le Laboratoire MIT du département MAST. Le travail sera ancré dans la recherche fondamentale au travers d’analyses réalisées majoritairement en laboratoire et offre des retombés techniques et de terrain via l’identification de matériaux et la recherche de solutions techniques destinées à améliorer les infrastructures de transport et la qualité de vie dans les métropoles.
Cette thèse est aussi l’opportunité d’acquérir une expertise technique et scientifique sur un sujet à fort enjeu environnemental. Elle vise à compléter les travaux menés dans le cadre du projet national IDEE sur les matériaux traités à l’émulsion associant entreprises (en particulier avec VINCI CONSTRUCTION) et partenaires académiques au niveau national et international dans le cadre d’un comité technique de la RILEM dédié sur le sujet des matériaux traités à l’émulsion.
Durant le travail de thèse, le (la) doctorant(e) sera basé(e) à Nantes. L’encadrement de la thèse sera assuré par Vincent Gaudefroy, Gabriel Orozco et Ferhat Hammoum.

5- Compétences requises
Le (la) candidat(e) sera de préférence, titulaire ou en voie d’obtention en 2024-2025 d’un master ou d’un diplôme d’ingénieur en génie civil ou mécanique des matériaux. Vous devez avoir une bonne affinité pour le développement expérimental et des connaissances en modélisation mécanique des matériaux anélastiques (viscoélasticité et élastoplasticité). Il (elle) devra faire preuve de curiosité scientifique, d’autonomie, de précision et s’organiser pour mener à bien sa recherche. Des aptitudes à rédiger et à communiquer en langue anglaise pour présenter et publier les résultats sont indispensables.

Mots-clefs: décarbonation, émulsion de bitume, viscoélasticité, cisaillement, optimisation granulaire, fatigue mécanique, torsion/compression, loi de dommage, paramètres intrinsèques

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - MIT - HAMMOUM Ferhat tél. : +33 240845767
Directeur du laboratoire principal	SEDRAN Thierry -
Spécialité de la thèse	Mécanique des matériaux
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	ECOLE CENTRALE NANTES
Ecole doctorale	Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)
Directeur de thèse prévu	HAMMOUM Ferhat - Université Gustave Eiffel - MAST - MIT
Co-directeur de thèse prévu	GAUDEFROY Vincent - Université Gustave Eiffel - MAST - MIT
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé 1- Contexte et problématique Les enrobés à « froid » composés d’un mélange granulaire lié par de l’émulsion de bitume constituent une réponse permettant de réduire la consommation d’énergie et la consommation des ressources non renouvelables pour engager une démarche globale de décarbonation de la construction et de l’entretien routier significative (de l’ordre de 30%). Cette gamme de matériaux, pouvant être utilisée en couche d’assise comme en couche de roulement, est adaptée à une grande partie du linéaire d’infrastructure en France métropolitaine (c.-à-d. environ 80%) et capable de supporter des classes de trafic routier faible à moyen (c.-à-d. jusqu’à 150 à 300 poids lourds par jour). Pourtant chaque année, seulement 2 millions de tonnes d’enrobé à l’émulsion sont produits, soit 6% de la production totale française. Les travaux développés sur les matériaux routiers « à froid » traités à l’émulsion montrent que l’approche couramment utilisée pour caractériser leurs propriétés mécaniques à court terme (construction, murissement au jeune âge et remise au trafic) et long terme (après la phase de murissement qui peut durer quelques semaines à quelques mois) est incomplète. D’abord les moyens de caractérisation classiquement utilisés pour les matériaux de référence dits « à chaud » ne sont pas complétement adaptés et conduisent à des estimations inexactes des performances des mélanges et des structures réalisées. Ensuite, le phasage dual classique pour évaluer les performances des enrobés, à savoir la phase de construction (maniabilité/compactabilité) et de celle de service (durabilité mécanique sur 10-20 ans) n’est pas pertinent car les matériaux à froid évoluent de manière continue, avec les conditions mécaniques à fixer pour la remise sous trafic qui reste un frein très important pour les gestionnaires de réseaux qu’il faut traiter. Enfin, le(s) mode(s) de ruine à long terme n’est (sont) pas bien défini(s) pour ces matériaux et l’approche classique n’est pas adaptée. Cette analyse conduit à 3 problèmes majeures : (i) Comment dimensionner les chaussées qui incorporent les matériaux traités à l’émulsion ? (ii) Comment déterminer les critères mécaniques qui conditionnent la remise sous trafic et (iii) Comment étendre la formulation des mélanges à l’émulsion pour obtenir des produits dits structurants utilisés en couche de base ? 2-Objectifs de thèse Dans le cadre des travaux de thèse, le(a) candidat(e) travaillera d’abord au développement d’une nouvelle démarche basée sur une approche expérimentale alternative permettant de combiner judicieusement des sollicitations mixtes composées de cisaillement et de compression afin de mieux reproduire l’état de contrainte subi par le matériau, élaboré à l’émulsion, au passage d’une charge roulante. Ensuite en prenant en compte la cohésion du liant et l’angle de frottement intergranulaire du mélange, cette approche sera appliquée à des mélanges routiers actuels et permettra (i) d’identifier la cinétique de murissement permettant de résister aux sollicitations mécaniques (cisaillement + compression) au jeune âge ainsi que les valeurs nominales à atteindre et (ii) de définir des critères de résistance à l’endommagement conduisant à la ruine du matériau. Durant les essais de fatigue (point ii), on exploitera en particulier les enregistrements d’évènements acoustiques pour détecter et suivre l’endommagement des mélanges. Enfin (iii) une analyse des données expérimentales permettra d’élaborer un modèle d’endommagement du type loi de Paris. Le travail de thèse comportera un volet sur l’optimisation des mélanges à l’émulsion pour accroitre leur performance en modifiant leur formulation du point de vue de l’arrangement granulaire, de la répartition du liant de l’émulsion ainsi que prenant en compte leur caractère évolutif liés à la présence d’eau et de vide. 3-Verrous scientifiques : - Développer un essai mécanique 3D pour simuler des sollicitations réalistes dans des conditions aux limites maitrisées et en associant les efforts de cisaillement et de compression - Proposer un protocole d’essai pour identifier les niveaux de résistance au cisaillement en phase de murissement en lien avec la cohésion du liant résiduel, - Identifier le ou les mode (s) de ruine du matériau traité à l’émulsion; - -Proposer une méthodologie ou un critère de ruine selon le type de sollicitation; - Identifier les paramètres de mélange à optimiser pour améliorer les performances mécaniques du matériau ; 4- Partenariat scientifique de la thèse et visibilité Le projet de thèse implique le Laboratoire MIT du département MAST. Le travail sera ancré dans la recherche fondamentale au travers d’analyses réalisées majoritairement en laboratoire et offre des retombés techniques et de terrain via l’identification de matériaux et la recherche de solutions techniques destinées à améliorer les infrastructures de transport et la qualité de vie dans les métropoles. Cette thèse est aussi l’opportunité d’acquérir une expertise technique et scientifique sur un sujet à fort enjeu environnemental. Elle vise à compléter les travaux menés dans le cadre du projet national IDEE sur les matériaux traités à l’émulsion associant entreprises (en particulier avec VINCI CONSTRUCTION) et partenaires académiques au niveau national et international dans le cadre d’un comité technique de la RILEM dédié sur le sujet des matériaux traités à l’émulsion. Durant le travail de thèse, le (la) doctorant(e) sera basé(e) à Nantes. L’encadrement de la thèse sera assuré par Vincent Gaudefroy, Gabriel Orozco et Ferhat Hammoum. 5- Compétences requises Le (la) candidat(e) sera de préférence, titulaire ou en voie d’obtention en 2024-2025 d’un master ou d’un diplôme d’ingénieur en génie civil ou mécanique des matériaux. Vous devez avoir une bonne affinité pour le développement expérimental et des connaissances en modélisation mécanique des matériaux anélastiques (viscoélasticité et élastoplasticité). Il (elle) devra faire preuve de curiosité scientifique, d’autonomie, de précision et s’organiser pour mener à bien sa recherche. Des aptitudes à rédiger et à communiquer en langue anglaise pour présenter et publier les résultats sont indispensables.
Mots-clefs:	décarbonation, émulsion de bitume, viscoélasticité, cisaillement, optimisation granulaire, fatigue mécanique, torsion/compression, loi de dommage, paramètres intrinsèques

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