Discrete element modeling of bituminous materials
Modélisation numérique discrète des matériaux bitumeux
Résumé
Bituminous mixtures have traditionally been used in road constructions and recently under railway ballast. Its high rigidity at relatively low ambient temperatures and high frequency explains its widespread application in northern Europe. This material has been studied at the global level by both empirical, experimental and analytical approaches. However, the asphalt has a heterogeneous internal structure and complex which may cause complex behavior. The analysis at the local level then make it possible to supplement the knowledge of its behaviors.Nowadays, the method of discrete elements is known as a numerical tool spread in the granular field. It can model its behavior through local models and provide information about its internal structure. On the one hand, this method considers that the particles are quasi-solid. Its displacement is governed by the laws of motion. On the other hand, the overlap at the particle contact level is allowed. The interpenetration of the particles is calculated by the associated local contact laws. This thesis constitutes a numerical model of bituminous mixes whose isolated particles interact through laws of interaction at a distance. This model takes into account the granulometry of the aggregates (> 1 mm) and its volume ratio with respect to the mastic constituted by grains (<1 mm), the binder and voids. The aggregates (> 1 mm) alone are modeled by numerical particles, while mastic is taken into account by laws of interaction.First, an elastic simulation is performed in order to reproduce the elastic asymptotic behaviors of a reference bituminous mix of GB3 type that appear during extreme conditions (frequency or temperature). Elastic interaction laws have applied to the created numerical model. In both normal and tangential directions, the stiffness of the spring and its ratio are constant.Then, the viscoelastic simulations are performed to reproduce the viscoelastic behavior of the same reference material. At first, a Kelvin-Voigt interaction law is used to qualitatively highlight the application of a viscoelastic law. Then, the global viscoelastic behavior is modeled at the level of the particles by some laws of interaction of type 1KV1R (a Kelvin-Voigt and a spring in series) leaving again to the network of interaction of the numerical model. The stiffness of the springs taking into account the geometry of the particle interface is constant for all models of 1KV1R. However, the viscosities of the dashpots are different. Some hypotheses are examined to distribute its viscosities in the interaction network. At the end of the studies, the analysis of the internal efforts are carried out.
Les enrobés bitumineux ont été utilisés habituellement dans des constructions routières et récemment sous les ballasts des ferroviaires. Sa grande rigidité aux températures relativement basses de l’ambiance et à haute fréquence explique son application répandue en Europe du nord. Ce matériau a été étudié au niveau global par à la fois des essais empiriques, expérimentaux et des approches analytiques. Pourtant, l’enrobé bitumineux possède un structure interne hétérogène et complexe qui peut-être engendrer des comportements complexe. Les analyses au niveau local permettent alors de compléter les connaissances de ses comportements.De nos jours, la méthode des éléments discrets est connue comme un outil numérique répandu dans le domaine granulaire. Elle peut modéliser son comportement à travers des modèles locaux et fournir des informations de sa structure interne. Une part, cette méthode considère que les particules sont quasi-solides. Son déplacement est régi par les lois de mouvement. L’autre part, le chevauchement au niveau de contact entre particules est admis. L’interpénétration des particules est calculée par les lois de contact locaux associées. Cette thèse constitue une maquette numérique des enrobés bitumineux dont les particules isolées s’interagissent à travers des lois d’interaction à distance. Cette maquette prend en compte la granulométrie des granulats (>1mm) et son rapport volumique vis-à-vis du mastic constitué par des grains (<1mm), le liant et des vides. Les granulats (>1mm) seuls sont modélisés par des particules numériques, tandis que du mastic est pris en compte par des lois d’interaction. Au premier lieu, une simulation élastique est réalisée afin de reproduire des comportements asymptotiques élastiques d’un enrobé bitumineux de référence de type GB3 qui apparaissent lors des conditions extrêmes (fréquence ou température). Des lois d’interaction élastiques ont appliqué à la maquette numérique créée. Sur deux directions normale et tangentielles, les raideurs du ressort et leur rapport sont constantes.Ensuite, les simulations viscoélastiques sont réalisées pour reproduire le comportement viscoélastique du même matériau de référence. Au premier temps, une loi d’interaction de type Kelvin-Voigt est utilisée pour mettre en évidence qualitativement l’application d’une loi viscoélastique. Ensuite, le comportement viscoélastique globale est modélisé à niveau des particules par quelques lois d’interaction de type 1KV1R (un Kelvin-Voigt et un ressort en série) repartant au réseau d’interaction de la maquette numérique. Les raideurs des ressorts prenant en compte la géométrie de l’interface de particules sont constantes pour toutes les modèle de 1KV1R. Cependant, des viscosités des amortisseurs sont différentes. Certaines hypothèses sont examinées pour distribuer ses viscosités dans le réseau d’interaction. A la fin des études, les analyses des efforts internes sont réalisées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)