IBTSS-05-OMM
Évolution de la température et de l’échauffement en surface
de l’éprouvette
INTRODUCTION
Le réseau routier québécois se détériore constamment dans le temps et c’est pourquoi des sommes d’argent importantes doivent être investies stratégiquement à chaque année afin d’entretenir les chaussées. La majorité des interventions ont principalement lieu sur la couche de surface d’enrobé bitumineux. Or, plusieurs dommages, comme l’orniérage ou les fissurations par fatigue, sont liés en grande partie à la qualité des matériaux en couche de base du revêtement bitumineux. Dans ce contexte il devient important de chercher à maximiser les performances de l’enrobé formant cette couche.
Le projet de recherche proposé consiste à formuler et caractériser un mélange d’enrobé bitumineux à hautes performances (EBHP), possédant notamment un haut module de rigidité.
Le concept de formulation utilisé pour concevoir un EBHP est fondé sur le principe de l’enrobé à matrice de pierre (SMA), mais en s’assurant également d’optimiser les proportions des différentes combinaisons granulaires pour former un squelette granulaire très dense. En bref, l’approche EBHP vise à maximiser dans un premier temps le volume de la fraction grossière (principe SMA). Ensuite, une ou plusieurs combinaisons de plus petits granulats sont ajoutées pour minimiser les vides intergranulaires du squelette, sans toutefois nuire au contact gros-sur-gros de la fraction la plus grossière. La granulométrie des plus petites particules ainsi ajoutées doit également être très compacte, ce qui n’est pas toujours évident puisque le concepteur est souvent limité au niveau de la dimension des granulats pouvant être utilisés. Dans cette optique, un intérêt particulier est porté sur des granulats en verre concassé mixte. Il est possible actuellement d’obtenir ce type de matériaux en visant une granulométrie précise puisque le fournisseur a un bon degré de liberté quant au concassage du verre. Notons également l’aspect positif d’un point de vue environnemental de réutiliser des particules de verre concassé mixte dans l’enrobé bitumineux. En plus du travail d’optimisation mené sur les composantes solides de l’enrobé, différents bitumes et additifs sont testés durant la phase exploratoire de cette étude dans le but d’obtenir ultimement un bon matériau rigide et durable dans le temps.
REVUE DE LA LITTÉRATURE
Dans l’optique de formuler un Enrobé Bitumineux à Hautes Performances (EBHP), plusieurs voies ont dû être étudiées afin de déterminer quels sont les paramètres de formulation qui peuvent aider à obtenir de hautes performances. Ce chapitre sur la revue de la littérature traite de différentes documentations actuellement disponibles pouvant aider de près ou de loin à déterminer ces paramètres de formulation.
Généralités au sujet des enrobés bitumineux
L’enrobé bitumineux est un mélange de granulats et de liant bitumineux. Une fois bien mis en place, l’enrobé offre une rigidité appréciable et peut être utilisé comme revêtement dans les structures de chaussée bitumineuse. Les granulats de différentes dimensions, représentés souvent sous la forme d’une courbe granulométrique, forment le squelette solide de l’enrobé, lequel est choisi en fonction des caractéristiques mécaniques et fonctionnelles recherchées.
Le liant et les fines forment ce qui est appelé le mastic bitumineux. Le mastic est donc un amalgame de bitume et de particules fines, dispersées idéalement de façon homogène dans le bitume, agissant comme interface d’adhésion entre les plus grosses particules. C’est le mastic qui est en quelque sorte le véritable liant assurant l’intégrité de l’enrobé en lui permettant d’avoir de la cohésion (Olard, 2003). Tout comme le liant bitumineux qui le compose, l’enrobé bitumineux est un matériau thermosusceptible puisque ses propriétés dépendent fortement de sa température. Pour une température élevée, le module de rigidité de l’enrobé est faible et ce dernier est plus facilement déformable. Pour une basse température, le module de rigidité est élevé et le matériau devient fragile (Di Benedetto et al., 2005).
Composition de la chaux hydratée
L’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 est le principal composant de la chaux hydratée. Cette dernière est obtenue suite à l’hydratation de la chaux vive, essentiellement constituée d’oxyde de calcium CaO, grâce à un appareil qu’on appelle hydrateur. La chaux vive quant à elle est obtenue en brûlant de la roche calcaire (CaCO3) à très haute température (≈900°C) (Bitume.info, 2012). Il y a plusieurs types de chaux hydratée; la chaux hydratée calcique est la plus utilisée, mais il y a aussi la chaux hydratée dolomitique qui fonctionne de façon similaire. Étant donné sa forme, son origine minérale et la taille des particules, la chaux hydratée est considérée comme une fine minérale dans l’industrie routière selon la norme européenne EN 13108-1 (Eula, 2012).
Bénéfices de la chaux hydratée sur l’enrobé
La littérature rapporte que la chaux hydratée dans les enrobés bitumineux permet d’améliorer la durabilité des chaussées. La société des Autoroutes du Nord et de l’Est de la France a pu observer que les enrobés bitumineux de son réseau contenant de la chaux hydratée avaient une durabilité de 20 à 25% supérieure aux autres enrobés bitumineux similaires, mais confectionnés sans chaux hydratée (Eula, 2012). L’ajout de chaux hydratée a des effets bénéfiques en minimisant différents modes de dégradation de l’enrobé soit : le désenrobage, l’orniérage, le vieillissement chimique et la fissuration (Eula, 2011).
Interaction bitume-fines
Concept d’adsorption
Il existe un phénomène de surface, entre le bitume d’un enrobé et les particules solides, qu’on appelle l’adsorption. Il s’agit d’atomes ou molécules d’un gaz ou d’un liquide qui se fixent sur une surface solide suites à des interactions électriques de faible intensité connu sous le nom de force de Van der Waals.
En utilisant un solvant, il est possible de fractionner le bitume en deux parties, soit :
• Une fraction dissoute qu’on appelle les maltènes. Ils ont l’aspect d’une huile visqueuse et ils confèrent un comportement de viscosité newtonienne au bitume.
• Une fraction précipitée qu’on appelle les asphaltènes. Ils ont l’aspect d’un solide noir et ils confèrent un comportement élastique au bitume.
Réflexion de la lumière
Une autre étude des performances du Glasphalt réalisée par certains membres de l’Université de Tongji, en Chine, s’est intéressée aux propriétés de réflexion de la lumière des enrobés contenant du verre concassé. En théorie, une formulation d’enrobé réfléchissant mieux la lumière permet de diminuer l’augmentation de sa température durant le jour et d’augmenter la visibilité de la chaussée la nuit. Des résultats concernant la réflexion de la lumière ont été obtenus sur trois mélanges et ils indiquent que la quantité de verre concassé ainsi que la grosseur des particules sont deux facteurs favorisant la capacité à réfléchir la lumière de l’enrobé bitumineux (Lu et al., 2011).
Mise en oeuvre
Un rapport de recherche sur le Glasphalt, provenant de l’état de la Virginie, rapporte que l’utilisation de verre dans l’enrobé a tendance à réduire le pourcentage de vides mesuré pour des briquettes Marshall. La teneur optimale en liant nécessaire à une bonne compaction en est aussi réduite. Les enrobés testés contenaient respectivement 5% et 15% de particules de verre (Kandhal, 1993). La surface lisse et le faible taux d’absorption en bitume des particules de verre pourraient expliquer ces résultats.
CONCLUSION
Le principal objectif de ce programme expérimental est de confectionner un enrobé bitumineux suivant le concept de formulation d’un EBHP, c’est-à-dire que l’enrobé est optimisé au niveau du squelette granulaire en maximisant le contact des particules (gros surgros).
L’enrobé doit également être confectionné de manière à bien performer au niveau de la maniabilité (PCG), la rigidité (E*), la résistance à l’orniérage, la résistance à la fatigue et le retrait thermique empêché (TSRST). Ce programme expérimental est divisé en deux phases où la première phase est plutôt de type exploratoire et où la deuxième phase consiste à caractériser la formulation finale d’EBHP.
Lors de la première phase du projet, neuf formulations d’EBHP (GNM = 14mm) ont été confectionnées (incluant la formulation de référence). Des essais de presse à cisaillement giratoire (PCG) et de module complexe (E*) ont été réalisés afin d’évaluer de façon préliminaire les performances au niveau de la maniabilité et de la rigidité de toutes ces formulations. Pour ce projet, quatre aspects en lien avec le contexte de formulation d’EBHP
ont été explorés, soit :
• L’influence de l’utilisation de nanoparticules remplaçant un volume du filler
• L’influence de la nature des granulats (comparaison verre et calcaire)
• L’influence de l’utilisation de chaux hydratée remplaçant un volume du filler
• L’influence de différents liants
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Généralités au sujet des enrobés bitumineux
1.2 Maximisation du contact gros-sur-gros d’un squelette granulaire
1.2.1 Historique
1.2.2 Principes de la méthode d’optimisation granulaire maximisant le contact
gros-sur-gros
1.2.2.1 Effets d’interaction entre les particules
1.2.2.2 Impact des dimensions moyennes des particules sur l’indice
des vides (e)
1.2.2.3 Analyse proposée par Baron
1.2.3 Bénéfices apportés par cette nouvelle méthode d’optimisation
granulométrique maximisant les contacts gros-sur-gros
1.3 Paramètres de composition pouvant influencer la rigidité de l’enrobé
1.3.1 Les paramètres de composition plus généraux
1.3.2 La chaux hydratée
1.3.2.1 Composition de la chaux hydratée
1.3.2.2 Bénéfices de la chaux hydratée sur l’enrobé
1.3.2.3 Dosages recommandés et méthodes d’application de la chaux
hydratée
1.3.3 Interaction bitume-fines
1.3.3.1 Concept d’adsorption
1.3.3.2 Modèle conceptuel de l’effet rigidifiant des particules fines
dans le bitume
1.4 Utilisation du verre concassé dans les enrobés bitumineux
1.4.1 Propriétés du verre concassé
1.4.2 Performances des enrobés contenant du verre concassé
1.4.2.1 Résistance au désenrobage
1.4.2.2 Résistance à l’orniérage
1.4.2.3 Réflexion de la lumière
1.4.2.4 Mise en oeuvre
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE, PROGRAMME DE RECHERCHE ET PLAN DE
TRAVAIL
2.1 Méthodologie proposée pour la formulation du EBHP et formulation de référence
2.1.1 Optimisation granulométrique : interaction des particules grosses et
intermédiaires
2.1.2 Optimisation granulométrique : interaction du combiné de particules
grosses-intermédiaires et des particules fines
2.1.3 Synthèse des étapes de formulation de l’EBHP
2.1.4 Formulation de base
2.1.4.1 Squelette granulaire de l’EBHP formulé
2.1.4.2 Utilisation de particules de verre
2.2 Programme de recherche et plan de travail
2.2.1 Programme de recherche et stratégies – Phase I
2.2.1.1 L’influence de l’utilisation de nanoparticules remplaçant un
volume du filler
2.2.1.2 L’influence de la nature des granulats (comparaison verre et
calcaire)
2.2.1.3 L’influence de l’utilisation de chaux hydratée remplaçant un
volume des fines
2.2.1.4 L’influence de la nature du liant utilisé
2.2.1.5 Plan de travail – Phase I
2.2.2 Programme de recherche et stratégies – Phase II
2.2.2.1 Plan de travail – Phase II
CHAPITRE 3 DESCRIPTION DES MATÉRIAUX, DES ENROBÉS BITUMINEUX
CONFECTIONNÉS ET DES PRINCIPALES MÉTHODES D’ESSAIS
3.1 Matériaux granulaires
3.1.1 Grosses particules
3.1.2 Particules intermédiaires
3.1.3 Particules fines
3.2 Liant
3.3 Description des enrobés bitumineux testés
3.3.1 Formulation du mélange de référence
3.3.1.1 Détermination des proportions granulaires
3.3.1.2 Détermination du volume de bitume effectif (Vbe)
3.3.2 Formulation des mélanges comparatifs
3.4 Principales méthodes d’essai
3.4.1 Essai d’aptitude au compactage
3.4.2 Essai de module complexe
3.4.2.1 Équipements et norme utilisés pour la détermination du
module complexe
3.4.2.2 Le principe d’équivalence temps et température (PETT)
3.4.2.3 Modélisation 2S2P1D
3.4.3 Essai de retrait thermique empêché (TSRST)
3.4.4 Essai de fatigue
3.4.4.1 Critères de rupture
3.4.5 Essai d’orniérage
3.4.6 Récapitulatif des essais
CHAPITRE 4 RÉSULTATS ET ANALYSES – PHASE I DU PROJET
4.1 Essais d’aptitude au compactage
4.1.1 Densité maximale (dmm) pour l’essai de PCG
4.1.2 Calcul de la teneur en vides
4.1.3 Comportement à la PCG de l’enrobé de référence
4.1.4 Résultats et analyses pour les différents paramètres de formulation
évalués à l’essai de PCG
4.1.4.1 Analyse de l’influence de l’ajout de fumée de silice sur la
maniabilité (PCG)
4.1.4.2 Analyse de l’influence de la nature des granulats sur la
maniabilité (PCG)
4.1.4.3 Analyse de l’influence de l’ajout de chaux hydratée sur la
maniabilité (PCG)
4.1.4.4 Analyse de l’influence de la nature du liant sur la maniabilité
(PCG)
4.2 Essais de module complexe
4.2.1 Confection des corps d’épreuve
4.2.2 Résultats de module complexe pour l’enrobé de référence
4.2.3 Résultats et analyses comparative du module complexe des
formulations testées
4.2.3.1 Analyse de l’influence de l’ajout de fumée de silice sur le
module complexe
4.2.3.2 Analyse de l’influence de la nature minéralogie des granulats
sur le module complexe
4.2.3.3 Influence de la chaux hydratée sur le module complexe
4.2.3.4 Influence de la nature du liant sur le module complexe
4.3 Conclusion de la phase I
CHAPITRE 5 CARACTÉRISATION DE L’ENROBÉ SÉLECTIONNÉ : EBHP
(CHAUX-H)
5.1 Confection et présentation des corps d’épreuve testés
5.2 Essais de retrait thermique empêché (TSRST)
5.2.1 Présentation des résultats d’essais TSRST
5.2.2 Données d’essais TSRST analysées
5.3 Essais de fatigue
5.3.1 Présentation des essais réalisés
5.3.2 Présentation des résultats types d’un essai de fatigue
5.3.2.1 Introduction
5.3.2.2 Évolution de la température et de l’échauffement en surface
de l’éprouvette
5.3.2.3 Évolution de l’indice de qualité des signaux
5.3.2.4 Évolution de la déformation
5.3.2.5 Évolution de la contrainte
5.3.2.6 Évolution de l’angle de phase
5.3.2.7 Évolution de la norme du module complexe
5.3.2.8 Évolution de l’énergie dissipée
5.3.3 Durée de vie des éprouvettes de fatigue et critères de rupture
5.3.3.1 Correction des durées de vie en fonction de la température
5.3.3.2 Droite de Wöhler et durée de vie pour 1 000 000 de cycles
5.3.4 Méthodes DGCB d’analyse de l’endommagement par fatigue
5.3.4.1 Modules de rigidité initiaux
5.3.4.2 Calcul du dommage et correction
5.3.4.3 Résultats des valeurs de DIIIc et prédiction
5.4 Essais d’orniérage
5.5 Essais de module complexe
5.5.1 Résultats et calibration pour le module complexe de l’EBHP
(Chaux-H)
5.6 Comparaison des performances évaluées avec un enrobé de type ESG14
5.6.1 Comparaison des constituants
5.6.2 Comparaison des résultats d’essais
5.6.3 Comparaison en termes de structure de chaussée
5.6.3.1 Logiciel de dimensionnement OPECC©
5.6.3.2 Intrants du logiciel OPECC©
5.6.3.3 Résultats de l’analyse des deux structures de chaussée
CONCLUSION
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