Numerical study of the cracking of a viscoelastic medium : analysis of the fracture test on asphalt

Étude numérique de la fissuration d'un milieu viscoélastique : analyse de l'essai de rupture sur bitume

Hoai Nam Nguyen

This thesis is devoted to study the phenomenon of initiation and propagation of a crack in a bituminous material. By applying an innovative test developed at LCPC (French PublicWorks Research Institute), we reproduce the conditions of initiation and propagation of a crack in a confined film of bitumen. The first part of the study introduces the approach which is used to identify the rheological properties by the generalized Maxwell model. The determination of Prony series is done by linear and non-linear optimization methods so that the complex modulus of asphalt binder could be accurately described in the frequency domain. The calibration of the viscoelastic model is then validated by comparing simulation of the three point bending test in the time domain. In the other part of the study, both viscoelasticity of the material and the kinematics of crack opening are taken into consideration in the numerical modeling of the local fracture test. The finite elements analysis exhibits the different stages of the test during the initial, final loading and the crack development process. The numerical simulation of the first traction stage of the bituminous film is 150particularly used to determine the Poisson ratio of the material. Then the analysis focuses in local fields of stress and displacement near the crack tip in the aim of evaluating the stress and opening intensity factor of the crack. The interpretation of the results clarifies the dependence of the intensity factors to the speed of loading.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des phénomènes d'initiation et de propagation d'une fissure dans un matériau bitumineux. À l'aide d'un essai innovant développé au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, on reproduit les conditions d'initiation et de propagation d'une fissure confinée dans un film de bitume. Dans la première partie de ce travail de thèse, on aborde l'approche utilisée pour identifier les propriétés rhéologiques à l'aide du modèle de Maxwell généralisé. La détermination des séries de Prony passe par les méthodes d'optimisation linéaire et non-linéaire pour représenter précisément le module complexe du liant bitumineux dans le domaine fréquentiel. Ce comportement viscoélastique identifié est ensuite validé par l'essai de

Mots clés: Bitumen; Viscoelasticity; Fracture mechanic; Crack propagation; Stress intensity factors; Finite element

Mots clés: Liant bitumeux; Viscoélascticité; Mécanique de rupture; Propagation de fissure; Facteur d'intensité de contrainte; Eléments finis

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Hoai Nam Nguyen. Numerical study of the cracking of a viscoelastic medium : analysis of the fracture test on asphalt. Engineering Sciences [physics]. Ecole des Ponts ParisTech, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00005307⟩