Dissertations / Theses on the topic 'Routes – Dégâts causés par le gel'

Depuis les dernières années, le gouvernement provincial a investi des montants record dans le réseau routier québécois, notamment pour la construction de nouvelles routes et l’entretien des chaussées. En plus d’être doté d’une grande superficie territoriale, le Québec connaît un climat rigoureux qui complexifie la conception des chaussées. Les changements de saison entraînent des répercussions néfastes quant à la performance des chaussées, dont l’accumulation de déformations permanentes (ɛp) dans les structures granulaires. Bien que la déformation permanente puisse se développer dans l’ensemble de la structure routière, seule la couche de fondation a été considérée dans cette étude. Afin d’améliorer les connaissances sur la déformation permanente à long terme des matériaux granulaires sollicités aux changements saisonniers nordiques, quatre sources granulaires de fondation (MG-20) typique du Québec (grauwacke, gneiss granitique, calcaire et basalte) ont été soumises à des essais de déformation permanente en laboratoire. Ces essais ont été réalisés à l’aide de deux appareils : la presse hydraulique à chargement répété et le simulateur à charge roulante. Les résultats obtenus ont été modélisés selon le modèle de Desden. Ce modèle mathématique est composé de quatre paramètres qui décrivent la phase de post compaction (a), le taux de déformation permanente (b) et la phase de rupture (c et d). Les principaux résultats de déformation permanente montrent que la composition minéralogique, la granulométrie, le degré de saturation (%SR) et la variation des conditions environnementales influencent le comportement plastique d’un matériau granulaire (MG). En effet, les résultats montrent que la composition minéralogique peut provoquer une augmentation de 62% du paramètre b pour une même teneur en eau et que de passer d’une granulométrie grossière à une granulométrie plus sableuse peut entrainer une augmentation moyenne de 30,75% du paramètre b. De plus, les résultats montrent qu’une variation du degré de saturation peut entraîner une augmentation de la déformation permanente de 147%. Les essais réalisés en condition de gel et de dégel ont également montré que le cycle de gel et dégel a un effet direct sur le paramètre de post compaction. Un essai au simulateur à charge roulante a été effectué dans le but de valider les résultats obtenus en condition triaxiale. Les résultats montrent que le simulateur provoque à l’échantillon une déformation permanente plus importante que celle enregistrée en condition triaxiale. Cependant, la phase de post compaction reste très similaire, peu importe l’instrumentation utilisée. Cette étude constitue un premier essai au Canada quant à l’application d’une charge roulante mobile en contexte de gel et dégel. Deux relations de corrélation entre les paramètres a et b du modèle de Dresden et les propriétés de base des matériaux granulaires ont été développées. La première relation développée est une relation de type linéaire qui relie le paramètre de post compaction (a) et la variable complexe nfopt et ce. La seconde relation développée est également de type linéaire et lie le paramètre b et le degré de saturation, le pourcentage de fracturation, le coefficient d’uniformité et la masse volumique sèche du matériau. L’intégration des deux relations de corrélation dans la relation mathématique de Sweere a permis de développer une relation de prédiction de déformation permanente à long terme.

L’infiltration de l’eau dans la structure de chaussée peut engendrer des variations importantes dans son comportement mécanique. Cette eau, si en excès, peut engendrer une diminution dans la capacité portante des différentes couches composant la structure de chaussée. Cette diminution dans les propriétés mécaniques de l’infrastructure, se reflèteront à travers l’apparition prématurée de différents mécanismes tels la fissuration de fatigue, l’orniérage, les nids de poules, etc. Il est donc important de prendre les mesures nécessaires afin d’éviter l’accumulation d’eau en excès dans les matériaux granulaires afin d’éviter d’entraîner une diminution dans la durée de vie de l’ouvrage routier. Afin de prévenir ce phénomène, plusieurs techniques de mitigation ont été intégrées aux conceptions routières. L’intégration de technologies drainantes de type géocomposite est l’une de celles-ci. Malgré toutes les recherches qui se sont déroulées au cours des dernières années sur les technologies géocomposites, les décideurs ainsi que la communauté scientifique restent sceptiques face aux gains réels engendrés par l’implantation d’une technologie drainante dans la structure de chaussée. Le but de cette étude était donc de démontrer que l’investissement supplémentaire lié à l’ajout d’une technologie drainante dans la structure de chaussée était reflété par une récupération plus rapide des propriétés mécaniques et ainsi une augmentation dans la durée de vie de l’ouvrage. Pour ce faire, une section de route expérimentale en laboratoire de format réduit et une route expérimentale en format réel ont été produites. Les essais en laboratoire se sont déroulés sur quatre sections présentant des configurations de drainage différentes qui ont aussi été reproduites pour les essais de terrain, en y ajoutant une cinquième configuration. Les résultats des essais de laboratoire ont permis d’observer des améliorations dans le taux de récupération des modules globaux relatifs enregistrés pour les 4 différentes configurations. Les essais de terrain ont aussi permis d’observer des tendances à l’amélioration plus rapide des propriétés mécaniques des chaussées dans les sections présentant des technologies drainantes, mais moins marquées qu’en laboratoire. L’analyse a montré des gains en durée de vie (ÉCAS) de 0,92 à 1,29 % basés sur les données obtenues sur le terrain. Toutefois, l’analyse économique a dévoilé que les gains enregistrés lors d’une seule période de drainage suivant le cycle de dégel n’étaient pas suffisants pour justifier les coûts supplémentaires d’une telle technologie. Néanmoins, il reste plusieurs facteurs qui n’ont pu être considérés dans cette étude et qui pourraient potentiellement contribuer aux gains enregistrés par l’ajout d’une technologie de drainage.
Water infiltration in road structures can lead to important changes in its mechanical response. If in excess, the water can induce bearing capacity loss in the different aggregate layers composing the road structure. The diminution in the mechanical properties is likely to reflect itself prematurely through different mechanisms like fatigue cracking, rutting, pot hole, etc.. In order to prevent the loss of service life, it is important to take measures to prevent excess water infiltration in the granular layers of the infrastructure. Many mitigation techniques have been incorporated to road conceptions in order to prevent this phenomenon. Geocomposite drainage systems are among those. Despite all the research that has been conducted on this matter in the last years, decision maker and the scientific community are skeptical as for the actual earnings generated by the installation of a drainage technology in the pavement structure. The purpose of this study is thus to demonstrate that the additional cost generated by the addition of drainage technologies in road structures is reflected by a faster recuperation of the mechanical properties of the infrastructure and an increase of its service life. In order to validate this hypothesis, a small scale experimental road was constructed in laboratory and a full scale experimental road was constructed in the Laval University experimental site. Laboratory tests were conducted on four different drainage configuration that were reproduced in the field were a fifth section was added. Laboratory trails enabled to record noticeable amelioration between the four tested sections in terms of the recuperation rate of normalised modulus. Although the field results were not as pronounced as in laboratory, they enabled to note trend to faster recovery of the mechanical properties. Damage calculations showed gains in service life (ECAS) from 0.92 to 1.29%. However, the economical analysis showed that gains recorded during one drainage period following a thaw cycle was not sufficient to justify the extra costs. Nevertheless, there still are many factors that have not been considered in this analysis that could potentially contribute to the increase in the calculated gains.

Assurer la sécurité routière et maintenir les autorités en état de circulation est une charge qui incombe aux gestionnaires autoroutiers. Cette charge se voit compliquer en période hivernale par des conditions météorologiques difficiles dont la formation de verglas routier. Pour lutter contre ce fléau, il convient de savoir prévoir la température de la surface du revêtement de la chaussée. Une telle approche notamment mise en place au travers du système PREVIROUTE sur l'autoroute de semi montagne A75, a servi de cadre aux études réalisées au cours de cette thèse. Les études du système PREVIROUTE se sont articulées autour de deux thèmes : l'étude de la sensibilité du système aux variables et paramètres du modèle physique de prévision de la température de surface à 24 heures d'échéance qui le constitue et l'étude des performances de ce système dans différentes conditions afin d'en connaître les limites. L'étude de la sensibilité de la prévision de la température de surface aux variables et aux paramètres du modèle a commencé par la constitution d'une base de données contenant huit années de mesures et de prévisions météorologiques relatives à l'autoroute A75. Ensuite, pour cette étude il a été procédé de deux manières différentes. La première a consisté à faire la relation entre les erreurs sur les variables météorologiques prévisionnelles et celles faites sur les prévitions de la température de surface. La seconde a consisté à apporter des variations volontaires sur les variables et paramètres et d'en observer l'influence sur la prévision de la température de surface. Cette étude a permis de conclure que parmi les paramètres du modèle, seule la diffusivité thermique possède une influence considérable sur le modèle. Quant à ce qui concerne les variables atmosphériques alimentant le modèle, ce sont la température de l'air et la nébulosité qui jouent le rôle le plus important par leur intervention dans le calcul des grandeurs radiatives. Par ailleurs, j'ai évalué en utilisant la base de données constituée, la performance du modèle dans diverses configurations. Il fut ainsi possible de distinguer trois phases de fonctionnement pour ce modèle : une première phase diurne où le modèle fournit des prévisions avec un écart moyen de 2,5°C+-3,2°C, une phase noctrune où le modèle fournit des prévisions avec un écart moyen de -0,1°C+-2,1°C et une phase diurne où le modèle fournit des prévisions avec un écart moyen de -1, 1°C+-3,8°C. J'ai pu constater et démontrer que ces performances étaient inchangées quel que soit le mois de prévision, l'état de la surface de la chaussée ou le lieu géographique ce qui fait du système PREVIROUTE un outil performant pour la prévision de la température de surface spécialement en phase nocturne, phase critique en terme de formation de verglas

En régions froides, les chaussées flexibles sont constamment soumises aux effets combinés des charges dynamiques induites par le trafic et de l’action du gel. Le soulèvement au gel dû à la formation de lentilles de glace dans le sol d’infrastructure est l'un des principaux mécanismes de dégradation impliqués dans l’accroissement du taux d’endommagement des infrastructures de transport. La relation entre la durée de vie des chaussées et les différents mécanismes de dégradation tels que la variabilité de la gélivité des sols, les charges associées aux effets du trafic, la capacité structurale des chaussées et l'effet de la fissuration est complexe à établir en régions nordiques où le soulèvement au gel joue un rôle majeur dans la détérioration des chaussées. L'objectif principal de ce projet est de présenter le développement de modèles d’endommagement de chaussée flexibles, développés grâce à une analyse de régression linéaire multiple, associant la performance de l’uni à long terme au soulèvement au gel et aux divers mécanismes de dégradation. Ces modèles seront essentiels pour évaluer les avantages ou les conséquences d'un soulèvement du gel inférieur, égal ou supérieur aux seuils admissibles établis par le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l'Électrification des Transports (MTMDET) du Québec selon les classes fonctionnelles routières. Le projet montre qu'une augmentation significative du taux de détérioration des chaussées flexibles, généralement causée par de grands soulèvements et d’importantes variations de la gélivité des sols, est susceptible de contribuer à accélérer la dégradation des chaussées. Ce qui se traduit par une réduction de la durée de vie et par des besoins de réhabilitation plus importants. Ce projet permettra aux administrations routières et aux entrepreneurs d'adapter les conceptions des infrastructures de transport soumises à l'action du gel en fonction de leurs besoins et leurs objectifs de conception et de mieux comprendre les effets du gel sur la détérioration des chaussées.
In cold regions, flexible pavements are constantly submitted to the effects of climate combined with the repeated traffic loads effect. The frost heave of the subgrade soils due to formation of ice lens is among the main mechanism involved in the high degradation rate of the flexible pavement. The relationship between pavement service life and the various pavement degradation mechanisms such as the soil variability, the effects of traffic, the pavement structural capacity and the effect of cracking, is complex to establish in cold regions where frost heave plays a major role in pavement deterioration. The main goal of this project is to present the development of flexible pavement damage models, developed through a multiple linear regression analysis, associating the long-term roughness performance to frost heave and several degradation mechanisms. At a design stage, those models would be essential to evaluate the benefits or consequences to have a frost heave lower, equal or higher than the allowable threshold values established by the Ministère des Transports, de la Mobilité Durable et de l’Électrification des Transports (MTMDET) du Québec according to the roads functional classification. The result illustrated that a significant increase in long-term IRI deterioration rate, usually caused by a more variable subgrade soil, is likely to contribute to the rehabilitation of the pavements before the end of the initial pavement service life. This project will allow the road administrations and contractors to adapt the designs of road infrastructure subjected to frost action according to their needs and design objectives, and to better understand to effect of frost heave on pavement deterioration.

Pendant la période de dégel, les chaussées subissent une diminution significative de leur capacité portante, ce qui conduit à une augmentation de la détérioration au cours de cette saison. Le Ministère des Transports du Québec impose une restriction des charges pendant le dégel et la récupération structurale de la chaussée pour assurer une protection contre les dommages excessifs liés au dégel. L’objectif principal de ce projet est de présenter les résultats d’une enquête sur le comportement de la structure de la chaussée pendant le gel et le dégel dans des conditions contrôlées au laboratoire de l’Université Laval à l’aide d’un Simulateur de Véhicules Lourds (SVL). Les résultats de l’étude seront utilisés pour développer des critères d’aide pour les autorités dans le processus de prise de décision pour la mise en place et l’enlèvement de la restriction des charges. Une structure typique de chaussée souple à quatre couches a été construite dans une fosse d’essai faite en béton à l’Université Laval. La section de la chaussée a été instrumentée pour mesurer les déformations horizontales dans la couche du béton bitumineux, ainsi que la contrainte et la déformation verticale, et la teneur en eau dans toutes les couches non-liées et dans le sol d’infrastructure. La température a été également suivie dans toutes les couches. Le nouveau SVL a été utilisé pour appliquer une charge de 5000 kg (conditions normales), 5500 kg (hiver) et 4000 kg (restriction des charges printanière) sur un assemblage standard d’un essieu à pneu jumelé. Le simulateur a également été utilisé pour induire trois cycles de gel-dégel jusqu’à une profondeur de 1,5 m dans la structure de la chaussée. Les résultats ont permis de quantifier la relation entre la réponse de la chaussée et la profondeur de gel/dégel et d’identifier les conditions critiques de la période de dégel. Aussi, les résultats ont montré que l’application d’une période de restriction de charge pendant la période de dégel permettait d’avoir un gain sur la durée de vie de la chaussée, cette période de restriction est donc justifiée et efficace. Cependant, pour optimiser la période de restriction de charges, de nouveaux critères de gestion ont été proposés dans ce projet.
During the spring thaw period, pavements experience a significant decrease of their bearing capacity, which leads to increased deterioration during that season. The Ministry of Transportation of Quebec enforces load restrictions during the thawing and the recovery of the pavement structures to ensure they are protected from excessive thaw associated damages. The main objective of this paper is to present the results of an investigation of the structural behaviour of a pavement structures during freezing and thawing under laboratory controlled conditions using the Laval University heavy vehicle simulator (HVS). The results of the study will be used to develop criteria to assists the authority in the decision-making process for the implementation and the removal of load restrictions. A typical four-layer flexible pavement structure was built inside an indoor concrete test pit at Laval University. The pavement section was instrumented to monitor horizontal strains in the asphalt concrete layer as well as vertical stress, vertical strain, and water content in each unbound layer and in subgrade soil. Temperature was also monitored in all layers. The new HVS was used to impose 5000 kg (normal conditions), 5500 kg (winter) and 4000 kg (spring load restrictions) loads on a standard dual-tire assembly. The load simulator was also used to induce three freeze-thaw cycles to a depth of 1,5 m in the pavement structure. The results allowed quantifying the relationship between pavement response and freezing/thaw depth and to identify the critical conditions of the thawing period. Also, the results showed that the application of a load restriction period during the thaw allowed to have a gain on the life cycle, thus a load restriction period is justified and effective. However, to optimize the load restriction period, new management criteria have been proposed in this project.

Des techniques adaptées aux contextes routiers sont nécessaires pour maintenir et réhabiliter des chaussées construites sur pergélisol ou en contexte de gel saisonnier. Plusieurs problématiques peuvent engendrer une augmentation des coûts de réparation et entretien, une diminution de la durée de vie des chaussées et des problèmes reliés à la sécurité des usagers de la route. L’objectif du projet consiste donc à élaborer un outil d’aide à la décision, qui contribuerait à localiser les zones sensibles au gel saisonnier et à la dégradation du pergélisol, à discerner les causes de dégradation des chaussées dues au gel saisonnier et à sélectionner les meilleures stratégies d’atténuation et de réfection à moindre coût. Le projet de recherche est divisé en deux volets distincts. Le premier volet traite des problématiques de gel de chaussées en contexte de gel saisonnier. Actuellement, il existe des méthodes de diagnostic qui permettent de détecter les endroits où un problème de gélivité est susceptible d’être présent. Par contre, ces méthodes ne permettent pas de discerner si le problème de gel est en profondeur ou en surface de la chaussée; en d’autres mots si le problème est lié à un soulèvement différentiel du sol ou à un soulèvement de fissures. De plus, les méthodes utilisées ne sont pas adaptées aux chaussées en contexte municipal. Selon les problématiques connues de certains sites, il a été possible de développer un abaque permettant de différencier si la problématique de gel se situe en surface ou en profondeur dans une chaussée. Puis, une analyse d’imagerie 3D a été réalisée pour complémenter l’abaque créé. À l’aide de cette technologie, une nouvelle méthode sera mise au point pour détecter des problématiques de gel grâce aux profils transversaux. Le deuxième volet porte sur les chaussées construites sur pergélisol. Les méthodes actuelles de détection de la dégradation du pergélisol sous les chaussées manquent de précision et ont besoin d’être raffinées, surtout dans le contexte actuel de réchauffement climatique. Pour ce faire, trois sites d’essais ont été étudiés sur l’Alaska Highway au Yukon. En fonction de différentes analyses telles que des analyses de profils longitudinaux, de la densité spectrale et de longueurs d’onde, des tendances ont été décelées pour caractériser l’instabilité du pergélisol.
Methods adapted to road condition are needed to maintain and rehabilitate roads built on permafrost or in context of seasonal frost. Several issues can lead to increase repair and maintenance costs, decrease the pavement’s lifetime and increase problems related to the safety of road users. The project objective is to develop a profile analysis tool, which would help to locate thaw and frost sensitive zones, diagnose the causes of degradation and select proper mitigation strategies. The research project is divided into two parts. The first section is related to frost heaves on pavements in context of seasonal frost. Currently, there are diagnosis methods for detecting areas where frost susceptibility is present. These methods do not allow to determine whether the freezing problem is under or at the surface of the road; in other words if the problem is related to differential heave or uplift cracks. Moreover, the methods used are not adapted to municipal roads. According to the known problems of some sites, it was possible to develop a chart used to differentiate if the frost problem is in surface layers or deep in the road subgrade. Then, a 3D analysis was done to complement the chart. Using this technology, a new method will be developed to detect freezing problems through the transverse profiles. The second part focuses on the pavements built on permafrost. Current methods for detecting the degradation of permafrost under roads are unclear and need to be refined. Three test sites were studied on the Alaska Highway in Yukon. Depending on various analysis, such as analysis of longitudinal profiles, the spectral density and wavelength, trends analysis were found to characterize the instability of permafrost.

Les chaussées à revêtement souple en béton bitumineux sont largement utilisées dans la construction routière. La conception de ces chaussées doit prendre en compte le comportement des matériaux utilisés, le chargement du trafic et les conditions climatiques.Dans les zones soumises au phénomène de gel, il est primordial de prendre en compte ce phénomène dans la conception des chaussées, leur maintenance et réhabilitation. En effet, ce phénomène peut causer de graves dommages aux chaussées, qui apparaissaient sous forme de fissures ou de déformations excessives. Le présent travail a pour but d’étudier le comportement des chaussées en béton bitumineux sous l’effet couplé du gel et du trafic :Le premier chapitre comporte une synthèse bibliographique des travaux réalisés sur le phénomène du gel-dégel dans les chaussées.Le second chapitre est consacré à la modélisation numérique du phénomène du gel dans les sols traités comme un milieu poreux tri-phasique. Il présente la formulation mathématique de ce problème couplé et sa résolution numérique à l’aide d’une modélisation par différences finies.Le dernier chapitre présente une analyse par éléments finis de la réponse mécanique d’une chaussée au phénomène du gel et du chargement du trafic. L’analyse est menée à l’aide d’une approche simplifiée qui comprend deux étapes: 1) elle consiste à résoudre le problème du gel à l’aide d’une modélisation par différences finies. 2) elle consiste dans la résolution, à l’aide de la méthode des éléments finis, d’un problème mécanique en prenant en compte les chargements d’origine mécanique et le champ de température déterminé d’après l’approche présentée dans le second chapitre
Flexible asphalt pavements are widely used in road construction. The design of these roads must take into account the behavior of the materials, traffic loading and weather conditions. In areas subjected to the freezing phenomenon, it is essential to take this phenomenon into account in pavement design, maintenance and rehabilitation. In fact, it can cause significant damages to roads, which appear as cracks or excessive deformations. The present work aims at analysis of the behavior of asphalt pavements subjected both freezing and traffic : The first chapter includes a literature review of researches conducted on the phenomenon of freezing effects in pavements. The second chapter is dedicated to the numerical modeling of the freezing phenomenon in soils treated as a tri-phasic porous medium. It presents the mathematical formulation of the coupled problem and its numerical solution using the finite difference method.The final chapter presents a finite element analysis of the pavement mechanical response to the phenomenon of freezing and traffic loading. This analysis is performed with a simplified approach that includes two steps: 1) it concerns solving the problem of freezing using a finite difference modeling. 2) it consists of the resolution, by the finite element method, of a mechanical problem considering the mechanical loads and the temperature effect

S’inscrivant dans la volonté du Ministère des Transports du Québec d’utiliser le béton léger dans des travaux de réparation, mais également pour de nouvelles structures, l’objectif principal de ce projet réside dans l’établissement d’une base scientifique offrant une meilleure compréhension des propriétés clés de ce matériau. Plusieurs volets expérimentaux ont donc été effectués dans le but de caractériser les propriétés mécaniques, le risque de fissuration et les résistances au gel-dégel et à l’écaillage d’un béton fabriqué avec des gros granulats de schiste expansé. Deux paramètres se trouvent au coeur de cette étude : d’une part, la teneur en eau des granulats légers, d’autre part, la quantité d’eau qu’ils relâchent et devant être comptée dans le rapport E/L (MAD). Les résultats expérimentaux de cette étude démontrent la possibilité de fabriquer au Québec un mélange de béton léger avec des propriétés mécaniques et une durabilité au gel satisfaisantes, bien que l’estimation du paramètre MAD soit encore mal maitrisée et ceci, d’autant plus que la teneur en eau effective des GL est élevée.
Over the years, lightweight aggregate concrete (LWAC) has been used in many building projects, notably in the USA and Nordic countries, but only in a few in Quebec. The aim of this project is to establish a better understanding of the fundamental properties of LWAC for a possible use in repairs and new structural projects. Several experimental phases were conducted in order to evaluate the mechanical properties, the cracking risk, the resistance of rapid freezing and thawing and the scaling resistance of a LWAC made with expanded shale coarse aggregate. We focused on two factors: the LWA water content and the evaluation of the quantity of water from LWA counted in the water/binder ratio. The experimental results show that, even if the understanding of the movements of water around the LWA is not yet total, mechanical properties and durability meeting structural standards can be obtained. For many properties like the cracking risk and the freezing resistance, LWAC are even better than usual concrete.

Le but de ce projet est de comprendre l’effet des cycles de gel/dégel sur le comportement en mécanique des poutres en béton armé de PRFB ainsi que le développement des capacités structurales des PRFB dans un renforcement interne. Afin de réaliser cette étude, vingt poutres en béton armé de PRFB ont été préparées et exposées à deux environnements différents le premier à une température ambiante et le deuxième à 260 cycles de gel/dégel de (-250C, à +150C). Le projet inclut aussi deux autres paramètres, le premier est le taux de renforcement qui est caractérisé par deux groupes (groupe 1) inclut des poutres sur armées et le (groupe 2) inclut des poutres sous-armées, le deuxième paramètre est le rapport entre la portée du cisaillement (a) et la profondeur de la poutre (d), (a/d). Les poutres ont été testées en flexion de quatre points. Les conclusions obtenues varient en fonction des paramètres étudiés.
The objective of this project is to study the effect of freeze-and-thaw cycles on the mechanical performance of concrete beams reinforced with basalt fibre-reinforced polymers (BFRP) bars that are recently developed. Twenty concrete beams reinforced with BFRP bars were cast and exposed to two different environments: (a) room temperature and (b) 260 cycles of freeze-and-thaw at temperature varying between 25oC and +15oC. The project investigated two other parameters namely (a) the internal reinforcement ratio (under and over reinforced beams) and the shear span-to-depth ratio (a / d). All beams were tested in four point bending. The experimental results were compared to the predictions of the Canadian code. The effect of each parameter on the behaviour of the beams is presented and discussed.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre l’École Nationale des Travaux Publics de l’État (ENTPE) et l’entreprise EUROVIA au sein du projet national DVDC. Elle contribue aux travaux du sous-thème 1.5, sur les dégradations hivernales, du thème 1 du projet national sur les mécanismes de dégradation des chaussées. Elle s’intéresse à l’endommagement des enrobés bitumineux à l’eau et au gel. Une étude bibliographique sur l’endommagement des enrobés bitumineux à l’eau et au gel a d’abord été réalisée. Après cette étude, deux campagnes expérimentales ont été proposées puis réalisées : une campagne principale et une campagne complémentaire. La campagne complémentaire étudie les évolutions des éprouvettes cylindriques lors des phases de conditionnement avec la saturation en eau, les cycles de gel/dégel et le séchage des éprouvettes sous vide. La campagne principale étudie les effets de la saturation en eau, de cycles de gel/dégel (cycle Freezing/Thaw - FT), de cycles avec réchauffement (cycle Heating/Freezing-HF et cycle Heating /Cooling- HC) sur les matériaux bitumineux non-vieilli et vieilli, dans des domaines de comportement différents. Elle se concentre sur trois grands domaines de comportement : le comportement viscoélastique, le comportement à la fatigue et le couplage thermomécanique. Pour le comportement viscoélastique linéaire (VEL), les éprouvettes soumises à des conditionnements différents ont été étudiées à l’aide de l’essai de module complexe. Le comportement VEL du matériau étudié a été ensuite simulé à l’aide du modèle 2S2P1D (2 Springs, 2 Parabolic elements, 1 Dashpot) développé à l’ENTPE. Le comportement à la fatigue des enrobés bitumineux soumis à 50 cycles FT et à la saturation en eau a été étudié. L’essai de traction-compression en déformation à température contrôlée et à fréquence donnée a été utilisé. Les effets des cycles de gel/dégel et de l’eau ont été analysés en traçant des courbes de fatigue de Wöhler. Un modèle a été proposé pour décrire l’endommagement à la fatigue. Dans le domaine de comportement à basse température, les éprouvettes ont été étudiées à l’aide de l’essai de retrait thermique empêché (TSRST) et de l’essai de retrait thermique libre (TUST). Des analyses ont été réalisées sur la température, la contrainte et aussi la déformation radiale à la rupture. Les résultats obtenus montrent des effets non-significatifs des cycles de gel/dégel et de l’eau sur les enrobés bitumineux pour les domaines étudiés, surtout pour des sollicitations à faible déformation (moins de 120μdef) et à température positive. Cependant, l’effet de l’eau devient dominant et significatif à basse température, en particulier dans l’essai TSRST. Pour un conditionnement avec des cycles intégrant une période de réchauffement (type HF et HC, où la température atteint 50°C), un vieillissement du bitume a été mis en évidence à l’aide des courbes du module complexe normalisé
This PhD thesis is part of a collaboration between “l’École Nationale des Travaux Publics de l’État” (ENTPE) and the research center of Eurovia within the national project DVDC. PhD works contribute to the sub-theme 1.5 dealing with winter degradations included in Theme 1 of the national project, on the mechanisms of pavement degradation. PhD thesis studies damages in bituminous mixtures, which might be caused by water and freeze/thaw cycles. A literature review on the effect of water and frost on bituminous mixtures was carried out as a first part of the thesis. After the literature review, two experimental campaigns were proposed and realized: a main campaign and a complementary campaign. The main campaign studies the effects of water saturation, freezing/thaw cycles (FT), thermal cycles with heating (Heating/Freezing-HF cycle and Heating/Cooling- HC cycle) on non-aged and aged bituminous mixtures. It focuses on three main behaviours of bituminous mixture : viscoelastic behaviour, fatigue behaviour and thermomechanical coupling. In the domain of linear viscoelastic behaviour (VEL), the complex module test was performed on a bituminous mixture subjected to different conditions : water conditioning, FT cycles, HF cycles or HC cycles. The VEL behaviour of the tested material was then modeled using the 2S2P1D model (2 Springs, 2 Parabolic elements, 1 Dashpot) developed at ENTPE. The fatigue behaviour of bituminous mixture subjected to 50 FT cycles and water saturation was studied. Sinusoidal loading in controlled axial strain mode was applied at 10 Hz and 10°C. The effects of water saturation and FT conditioning were then analyzed by using the Wöhler fatigue curves. A model was used to simulate the damage evolution. In the low temperature behaviour domain, the specimens were studied by using the Thermal Stress Restrained Specimen Test (TSRST) and Thermal Unstressed Specimen Test (TUST). The temperature, the stress and the radial strain at failure were analyzed to investigate the conditioning effects. The results show a non-significant effect of the FT cycles and water conditioning on the bituminous mixture behaviour, for small strain loading (less than 120μdef) and at positive testing temperature. However, the effect of water conditioning becomes dominant and significant at low temperatures, especially in the TSRST. For the non-aged material conditioned with HF and HC cycles, the aging of the bitumen was observed by using the normalized curves of complex modulus

Au Québec, lors de la période de gel et dégel, l’enrobé bitumineux, constituant le revêtement de la chaussée, est soumis à des conditions sévères qui le dégradent. Ces conditions sont : précipitations de pluie et fontes de neige générant une saturation partielle du matériau, présence de sel déverglaçant, passages de véhicule lourd sollicitant mécaniquement le matériau, variations de températures engendrant la création de déformations et de contraintes au sein du revêtement, et présence de cycles de gel-dégel.A cet effet, la revue de la littérature porte sur l’étude : des conditions sévères (sollicitations mécaniques, climatiques, hydriques et chimiques), et des caractéristiques physiques de l’enrobé qui affectent sa durabilité, ses comportements mécaniques (viscoélastique linéaire et en fatigue) et thermomécaniques (coefficient de dilatation-contraction thermique).Notamment, un programme expérimental de laboratoire a été réalisé en vue de vérifier l’influence de ces conditions sévères sur la dégradation et le comportement de l’enrobé. Premièrement, des essais thermiques, incluant des cycles de gel et dégel, ont été réalisés sur des éprouvettes d’enrobé à l’état sec et partiellement saturé en eau ou en saumures. Les éprouvettes sont instrumentées d’une jauge axiale et de deux thermocouples. L’éprouvette partiellement saturée en eau, comparativement à celles partiellement saturées en saumures, est soumise à des dilatations et des contractions nettement plus importantes lors de la formation et la fonte de la glace. De +10 à +23°C, les coefficients de dilatation linéique des éprouvettes partiellement saturées sont assez similaires, mais supérieurs à celui de l’enrobé à l’état sec, ce qui implique que l’enrobé partiellement saturé se contracte et se dilate un peu plus que celui a l’état sec à ces températures.Deuxièmement, les éprouvettes ont été soumises à des essais mécaniques, de module complexe, afin d’évaluer l’évolution de leur endommagement suite aux cycles de gel et dégel. Les résultats des essais et du modèle rhéologique 2S2P1D ont été utilisés afin de simuler le comportement de l’enrobé selon les divers états. Au fil des cycles de gel et dégel, un endommagement est observable pour l’ensemble des éprouvettes, mais nettement supérieur pour l’éprouvette partiellement saturée en eau. De plus, pour les éprouvettes partiellement saturées, un comportement distinct est observable en dessous et au-dessus de la température de solidification des liquides.Pour terminer, l’étude du comportement à la fatigue de l’enrobé suivant l’état sec et partiellement saturé en eau est réalisée. A +10°C et 10Hz, seules des diminutions légères ont été observées au niveau du module (3%) et de la résistance à la fatigue (ɛ6 de 105 vs 109ƒμdef) pour l’enrobé partiellement saturé en eau. Ces faibles diminutions sont attribuables à la faible période d’immersion des éprouvettes d’enrobé dans l’eau, à la faible température de l’eau et de l’essai, à la faible teneur en vides des éprouvettes, au bitume modifié et aux granulats de qualité utilisés
During winter and spring in the province of Quebec, hot mix asphalt (HMA) pavement could be subjected to sever conditions over their design life. These conditions are: 1) rainfall and snowmelt, which generates the partial saturation of the HMA, 2) winter maintenance requiring the presence of de-icing salt, which acting chemically on HMA, 3) traffic, which acting mechanically on HMA, and 4) temperature changes and presence of freeze-thaw cycles (FTC) creating thermal stress and deformation (thermo-mechanical coupling) within the pavement, and pressure, within the material, generated by freezing water or brines. More specifically, the literature review of this work focuses on the study of: 1) severe conditions such as climatic, chemical and mechanical solicitations, 2) physical characteristics of HMAthat affect its durability, mechanical properties (viscoelastic and fatigue) and thermomechanical properties (coefficient of thermal contraction).An experimental laboratory program was conducted to verify the influence of these severe conditions on the degradation and behavior of HMA. First, thermal testing (-18 to +23°C), including freeze-thaw cycles (FTC, -18 to +10°C) were performed on samples under dry (D)and partially saturated (PS), with water or brine, states. The samples were instrumented with an axial gauge and two thermocouples. During FTC (-18 to +10°C), sample partially saturated with water, compared to those partially saturated with brines, is subject to expansions and contractions significantly greater during formation and melting of ice. In the temperature range from +10 to +23°C, the linear coefficients of thermal contraction of partially saturated samples are quite similar, but higher than that of HMA in dry state. At such temperature range, this implies that the partially saturated HMA contracts and expands a little more than that in dry state. Secondly, the samples were subjected to mechanical testing.The complex modulus test was performed in order to evaluate the damage of samples due to FTC. The test results and rheological model 2S2P1D were used to simulate the behavior of the HMA according to the various states. Over FTC, damage is observed for all samples, butmuch higher for the PS sample with water. Moreover, for PS samples, a distinct behavior is observable below and above the solidification temperature of the liquid. Finally, the study of the fatigue behavior of HMA under PS, with water, and D states is performed. At +10°C and 10Hz, only slight decreases were observed for complex modulus (3%) and fatigue (ε6 = 105 vs 109μstrain) for HMA partially saturated with water. These small decreases are due to the low period of immersion of samples in water, lowers temperatures of water and test, low void content of the samples, modified bitumen and good aggregates used