La chaussée bitumineuse

La chaussée bitumineuse

Les matériaux recyclés

Un fraisât d’enrobé ou de béton est un matériau lié décohésionné , foisonné puis récupéré par un processus de fraisage fournissant des morceaux (granulats) de tailles variées (LCPCSETRA, 2007). Ces matériaux recyclés, également appelés agrégat d’enrobé (AE) ou agrégat de béton (AB), sont utilisés depuis une trentaine d’années dans la fabrication d’enrobés ou comme source granulaire dans des applications de génie civil.

Classification des matériaux recyclés, des MR

Procédés largement plébiscités au Québec par le ministère des Transports (MTQ) et encadrés par la méthode d’essai LC26-002, les matériaux sont classés en fonction de la nature et de la proportion des agrégats constituant leurs squelettes granulaires Notons également que les matériaux recyclés de type MR-5 et MR-7 sont les plus courants au Québec et que dans le cadre de ce projet de recherche, les deux enrobés recyclés TFE (Traités à Froid à l’aide d’une Émulsion) étudiés sont des MR5.

Les enrobés recyclés

Constituant une alternative plus économique aux techniques traditionnelles d’enrobés à chaud, les enrobés recyclés sont constitués de matériaux recyclés et peuvent être produits à chaud, à une température proche de 160ºC-180ºC, ou à température ambiante. Dans ce dernier cas, on parle alors d’enrobé recyclé à froid (Navaro, 2011).
Les enrobés recyclés peuvent être réalisés en place, par décohésionnement de la chaussée existante, ou en centrale. Les performances recherchées, la nature des matériaux utilisés, le matériel a disposition et bien sûr les contraintes financières, sont alors autant de facteurs qui seront pris en compte dans le choix de l’une ou l’autre des techniques.

Composition et nomenclature des enrobés recyclés

Le squelette granulaire d’un enrobé recyclé est composé de différentes proportions et de différentes sources de granulats. En effet, on peut choisir d’y incorporer de l’agrégat d’enrobé (AE) issu du décohésionnement d’une chaussée, des granulats d’agrégat de béton de ciment (GAB) ou des granulats nobles aussi appelés granulats d’apport (GA). La présence d’un agrégat d’enrobé implique également la prise en compte du liant hydrocarboné comme faisant partie intégrante des agrégats lors de la formulation du mélange. On parle alors du liant d’agrégat d’enrobé (LAE) auquel il faudra ajouter un liant d’apport (LA) pour obtenir la teneur en liant d’enrobé recyclé (LER) visée. Les caractéristiques du liant d’apport devront par ailleurs être ajustées afin de réduire la rigidité du liant d’agrégat d’enrobé et ainsi, aider à l’obtention d’un enrobé recyclé dont les propriétés seraient semblables à celles d’un enrobé neuf. Par ailleurs, la détermination du pourcentage de bitume encore présent dans l’agrégat d’enrobé est possible par extraction du liant à l’aide d’un solvant : le trichloréthylène (LC26-100). Le liant contenu dans l’agrégat est dissout par le solvant et il est alors possible de séparer les granulats d’agrégat d’enrobé (GAE) de la phase contenant le solvant et les résidus de bitume. L’évaporation du solvant permet finalement de récupérer le liant hydrocarboné  (LAE) pour en déterminer ses propriétés rhéologiques (Navaro, 2011). Enfin, le liant d’apport (LA) peut être de plusieurs natures. Outre la température de malaxage, c’est donc ce facteur qui constitue la principale différence entre les différentes techniques de recyclage.
Ainsi, pour les enrobés recyclés à froid, le liant d’apport sera sous la forme d’une émulsion ou d’une mousse bitumineuse. En particulier, dans cette étude, nous traiterons d’un enrobé recyclé de type MR5 et traité à froid à l’aide d’une émulsion de bitume (TFE).

Les enrobés recyclés à froid

Les enrobés recyclés à froid, ou ERF, sont de plus en plus développés au Québec comme en France. Présentés comme une solution plus durable par l’industrie routière, les ERF permettent, entre autres, le recyclage de matériaux bitumineux par la réutilisation d’agrégats d’enrobé issus du décohésionnement d’une chaussée usée, le fraisât. Par ailleurs, la production des ERF étant réalisée à température ambiante, ils constituent ainsi une alternative moins énergivore et plus écologique grâce à une réduction de 10% des émissions de gaz à effet de serre lors de leur fabrication (Navaro, 2011). Principalement utilisés lors de la construction ou de la réhabilitation de bases pour chaussées souples à faible trafic, les enrobés à froid traités être réalisés in-situ, souvent désigné en place, ou en centrale.

Recyclage en place à froid

Les enrobés recyclés en place à froid sont principalement utilisés comme technique de réhabilitation – ou de retraitement – des chaussées. Ce procédé consiste à réutiliser des matériaux d’une chaussée usée, dégradée, en les traitant en place à froid avec une émulsion ou une mousse de bitume. Une couche de roulement adaptée au trafic est ensuite appliquée (Brosseaud, 2007). Outre la réutilisation de matériaux, cette technique possède un atout économique majeur puisqu’une seule machine permet de réaliser le décohésionnement de la chaussée, l’ajout de liants, le malaxage et la mise en place du nouvel enrobé : un train de recyclage. Selon l’épaisseur retraitée, cette technique peut permettre un renforcement structurel, cela devient alors très utile si l’ancienne chaussée n’était pas adaptée à l’évolution du trafic, tout en améliorant les caractéristiques de surface, en contrant la remontée de fissures.

Les liants hydrocarbonés

Le type de liant hydrocarboné utilisé dans la fabrication d’un enrobé recyclé à froid va définir les méthodes de production et de mise en place du matériau retraité. On distingue deux types de liant hydrocarboné: la mousse de bitume et l’émulsion de bitume. Dotés de caractéristiques physicochimiques différentes, ces deux liants jouent un rôle premier dans la performance du matériau. En outre soulignons que, dans le cadre de ce projet, le matériau recyclé étudié est traité à l’aide d’une émulsion de bitume.

La mousse de bitume

La mousse de bitume est réalisée dans une chambre d’expansion où un jet de bitume très chaud (170ºC-180ºC) entre en contact avec un jet d’eau froide (Lacombe, 2008). Présente en faible quantité (1% à 2%), l’eau s’évapore instantanément au contact du bitume et la mousse se forme. La qualité de la mousse de bitume est avant tout déterminée par le taux d’expansion de la mousse (jusqu’à 20 fois le volume initial) et sa demi-vie qui représente le temps nécessaire pour que le volume du bitume moussé diminue de moitié (entre 30 et 60 secondes) (Gauvain, 2006). Plus l’expansion et la demi-vie sont élevées, meilleure est la mousse de bitume (Wirtgen, 2009). Pour optimiser la qualité de la mousse, des additifs peuvent être utilisés en guise d’agents moussants ou stabilisants. Par ailleurs, afin d’assurer un bon enrobage des granulats lors de la fabrication d’un ERF à l’aide d’un bitume moussé, ces derniers sont souvent mélangés, au préalable, à de la chaux hydratée afin d’augmenter leur insensibilité à l’eau. Enfin, c’est la faible viscosité du bitume mis sous forme de mousse qui facilite l’enrobage des granulats sans que ceux-ci n’aient été chauffés au préalable (Gauvin, 2009). L’enrobé est donc produit à « froid ».

L’émulsion de bitume

Composition
Une émulsion de bitume est constituée de fines gouttelettes de bitume dispersées dans une phase aqueuse. Puisque le bitume et l’eau sont deux fluides non-miscibles, un agent émulsifiant, appelé tensioactif, est utilisé afin de stabiliser le mélange en jouant le rôle de liant entre l’eau et les gouttelettes de bitume, tout comme la lécithine contenue dans le jaune d’œuf permet à la mayonnaise de former un mélange homogène. Constituant 55% à 70% du mélange, les gouttelettes de bitume mesurent conventionnellement 0,1m de diamètre, en dessous, on parle de microémulsion (Le Bec, 2005)
Le rôle du tensioactif
Par définition, une émulsion est constituée de deux phases non miscibles qui entrainent, dans le cas présent, la création d’une interface entre l’eau et le bitume ; c’est là qu’intervient le tensioactif. Molécule aux propriétés amphiphiles, un tensioactif comprend deux parties distinctes : une tête polaire ionisable est dite hydrophile (miscible dans l’eau) et une queue apolaire (moment dipolaire nul) qui est dite hydrophobe ou lipophile (non miscible dans l’eau). Plus précisément, la tête hydrophile est constituée d’hétéroatomes (atomes différents du carbone ou de l’hydrogène et non métalliques) et la queue hydrophobe est formée d’une longue chaîne hydrocarbonée
Les différents tensioactifs
Dans un tensioactif, la tête de la molécule est ionisable et devient fortement polaire au contact de l’eau. On distingue alors 4 familles de tensioactifs :
– les tensioactifs anioniques qui libèrent une charge négative (anion) en solution aqueuse.
Ils sont connus pour avoir une balance hydrophile/lipophile élevée car leur tendance hydrophile est plus marquée (Graciaa et al., 1982). Ainsi, ils orientent l’émulsion dans le sens huile dans l’eau. C’est le cas des savons par exemple, mais aussi de toutes les molécules qui en cas d’ionisation au contact de l’eau forment des acides gras (R-COOH) ou des sulfonâtes (H2SO4-) obtenus à partir de molécules de souffre oxydées (SO3);
– les tensioactifs cationiques libèrent une charge positive (cation) en solution aqueuse. Ce sont les plus utilisés. Ils forment des amines gras (N(CH3)3) et de l’acide chlorhydrique (HCl) en présence d’eau;
– les tensioactifs non-ioniques qui possèdent une partie hydrophile non ionisable dans l’eau. La solubilisation de ces tensioactifs est due à la formation de liaisons hydrogènes entre les molécules d’eau et certaines fonctions de la partie hydrophile. Ils sont généralement compatibles avec les autres tensioactifs;
– les tensioactifs amphotères qui contiennent des charges positives et négatives centrales et équilibrées, et peuvent par conséquent se comporter comme des tensioactifs anioniques ou cationiques. Ils s’adaptent au milieu dans lequel ils se trouvent en fonction du pH. Ils deviennent donc anioniques en milieux basique, cationiques en milieux acides et sont équivalents à des tensioactifs non ioniques à pH neutre.

Le rôle de l’eau dans la formulation de l’enrobé recyclé

La présence d’eau dans les matériaux recyclés traités à froid s’explique essentiellement par son rôle d’enrobage. Bien que généralement les matériaux recyclés soient utilisés humides dans la confection d’ERF, on a très souvent recourt à une eau d’ajout qui est incorporée au mélange granulaire avant l’ajout de l’émulsion afin de faciliter l’enrobage des granulats. Le but étant que la répartition de l’émulsion au sein du squelette granulaire ne nécessite pas une trop grande énergie lors du malaxage et surtout, conduise à un mélange homogène ; c’est-à-dire qu’il ne doit pas y avoir de ségrégation de l’émulsion sur une fraction granulaire spécifique aux dépens d’une autre (Deneuvilliers et Poirier, 2002).
L’eau dans le mélange va également augmenter la maniabilité de l’enrobé pour une mise en place plus facile. Par ailleurs, le projet OPTEL, mené par le groupe COLAS entre 2002 et 2004, a mis en évidence qu’une augmentation de la teneur en eau initiale n’influe pas sur la compactabilité de l’enrobé mais implique simplement qu’une plus grande quantité d’eau est évacuée lors du compactage (Eckmann et al., 2002). L’excès d’eau permet néanmoins d’assurer une répartition homogène de l’émulsion à travers le squelette granulaire au malaxage.

Le processus d’évacuation de l’eau

Si l’ajout d’eau au mélange s’avère indispensable à la réalisation d’ERF traités à l’émulsion de bitume, le départ de cette eau après la mise en place du matériau est tout aussi important.
Comme nous l’avons souligné précédemment, le compactage conduit à un effet d’essorage du matériau à la mise en place. Ainsi, après compactage, l’évacuation de l’eau par évaporation va être un critère essentiel à l’obtention d’une montée en cohésion optimale et rapide du matériau traité. Les études menées sur le sujet, notamment dans le cadre du projet OPTEL, s’accordent pour dire que le départ d’une grande partie de l’eau se fait généralement rapidement et que la teneur en eau résiduelle semble se stabiliser autour de 1% après quelques jours (Serfass, 2002). Il apparaît également que, quelques soient l’hygrométrie et la température du milieu ambiant, il est très difficile d’éliminer totalement l’eau du matériau.

La mesure in-situ de la teneur en eau dans un sol

Connaître avec précision, la valeur et l’évolution de la teneur en eau dans les matériaux, est essentiel dans de nombreux domaines tels que la géotechnique, l’hydrologie ou encore l’agriculture. Longtemps cependant, la mesure de cette teneur en eau s’est limitée à des prélèvements d’échantillons pour une analyse gravimétrique du matériau. Ainsi, il faut attendre les années 50 pour voir apparaître des sondes à neutrons et avec elles, la première méthode de mesure de la teneur en eau non-destructrice (Gardner et al., 1998). Cette technique se base sur les propriétés que possède un flux de neutrons à se réfléchir sur les molécules d’eau, en particulier sur les atomes d’hydrogènes qui les composent. Ce procédé, bien que rapide reste cependant coûteux et comprend une certaine dangerosité d’utilisation du fait de l’émission de radiations nucléaires.
Pour répondre aux besoins du secteur agricole et à la curiosité scientifique, le développement de nouvelles technologies a alors été encouragé. C’est ainsi que la réflectométrie temporelle, ou Time Domain Reflectometry (TDR) en anglais, a été développée en 1980 par Topp et ses collaborateurs (Topp et al., 1980). La technologie TDR, qui s’appuie sur le comportement diélectrique du matériau, consiste à mesurer le temps mis par une onde électromagnétique pour se propager le long des tiges métalliques d’une sonde enfouie dans le matériau. La permittivité diélectrique d’un matériau (ε) traduit la capacité du matériau à absorber de l’énergie d’une onde électromagnétique qui le traverse, à se polariser et de stoker de l’énergie (Ekblad et Isacsson, 2000 ; Evans et al., 2007 ; Diefenderfer et al., 2007).

Les débuts de la technologie TDR

Inspirée du radar, la technologie TDR fut utilisée en premier lieu pour tester la qualité des câbles de transmissions. Dans le cas d’un câble totalement fonctionnel, l’impulsion émise est entièrement transmise à l’extrémité du câble. En revanche, dans le cas d’une discontinuité d’impédance due à un défaut du câble, une partie du signal émis sera réfléchi puis renvoyé vers la source (Jones et al., 2002). En fonction du temps mis par le signal pour se réfléchir et par l’analyse des variations dans l’impédance mesurée, cette technologie permet donc de localiser et d’identifier un défaut dans un câble. La technologie TDR a d’abord été introduite par Fellner-Feldegg en 1969 pour la mesure des propriétés électriques d’un matériau avant d’être considérée pour la mesure de la teneur en eau volumique d’un matériau dans le milieu des années 70 avec les travaux de Topp, Davis et Annan. Prenant en compte les différentes caractéristiques du sol étudié telles que la densité du matériau, sa texture, sa teneur en sel ou encore sa température, le trio s’intéresse alors aux recherches menées par Davis et Chudobiak(1975) qui décrivent la méthode TDR comme un excellent moyen de mesurer la vitesse de propagation d’un signal-radio dans un sol humide ou sec.

La technologie WCR (Water Content Reflectometry)

Bien que largement utilisée aujourd’hui, la technologie TDR peut s’avérer dispendieuse, encombrante et restrictive dans son utilisation du fait de la résistance limitée des sondes ou des interfaces nécessaires à leur emploi. En effet, les systèmes TDR fonctionnent à l’aide d’un générateur d’onde capable de travailler à de hautes fréquences (0,02GHz à 3 GHz), un dispositif qui s’est révélé à la fois onéreux et mal adapté à la réalisation de mesures in-situ (Kim et Benson, 2002). C’est pourquoi, la plupart des sondes TDR développés récemment, comme les systèmes WCR (Water Content Reflectometry), incorporent l’intégralité des composants électroniques dans la tête de la sonde. L’utilisation d’une interface spécifique n’est alors plus nécessaire. Cependant la plage de fréquence nécessaire au fonctionnement de ce type de sonde est nettement plus faible (de l’ordre de 30-60MHz), ce qui a pour conséquence d’augmenter la sensibilité du dispositif de mesure à la nature du milieu (Kim et Benson, 2002). La réalisation d’un étalonnage rigoureux de la sonde WCR est donc indispensable.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DES CONNAISSANCES 
1.1 La chaussée bitumineuse
1.1.1 La structure de la chaussée
1.1.2 L’enrobé bitumineux
1.1.2.1 Introduction
1.1.2.2 Le squelette granulaire
1.1.2.3 Le liant
1.1.2.4 La rhéologie des enrobés bitumineux
1.2 Les matériaux recyclés
1.2.1 Introduction
1.2.2 Classification des matériaux recyclés, des MR
1.3 Les enrobés recyclés 
1.3.1 Introduction
1.3.2 Composition et nomenclature des enrobés recyclés
1.4 Les enrobés recyclés à froid
1.4.1 Introduction
1.4.2 Recyclage en place à froid
1.4.2.1 Introduction
1.4.2.2 Classification des techniques
1.4.3 En centrale
1.4.4 Les liants hydrocarbonés
1.4.4.1 Introduction
1.4.4.2 La mousse de bitume
1.4.4.3 L’émulsion de bitume
1.4.5 La cure
1.4.6 Les applications
1.4.7 Limites d’application
1.4.8 L’eau : un facteur déterminant
1.4.8.1 Le rôle de l’eau dans la formulation de l’enrobé recyclé
1.4.8.2 Le processus d’évacuation de l’eau
1.5 La mesure in-situ de la teneur en eau dans un sol
1.5.1 Introduction
1.5.2 Notions relatives à l’utilisation des sondes WCR
1.5.2.1 Introduction
1.5.2.2 Champ électromagnétique
1.5.2.3 Onde électromagnétique
1.5.2.4 Permittivité
1.5.3 Les débuts de la technologie TDR
1.5.3.1 Introduction
1.5.3.2 Développement des sondes à tiges métalliques
1.5.3.3 Le principe TDR
1.5.3.4 Relation entre la teneur en eau volumique et la permittivité relative apparente
1.5.3.5 Les évolutions
1.5.4 La technologie WCR (Water Content Reflectometry)
1.5.4.1 Introduction
1.5.4.2 Étalonnage
CHAPITRE 2 APPROCHE GLOBALE DU PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
2.1 Phase I : Réalisation d’une planche d’essai 
2.2 Phase II : Programme d’essais en laboratoire 
2.2.1 Introduction
2.2.1.1 Étude des facteurs influençant la réponse des sondes à l’aide d’éprouvettes instrumentées
2.2.2 Étude de l’effet de la température et la porosité sur la réponse des sondes WCR
2.2.2.1 Effet de la température
2.2.2.2 Effet de la porosité
2.3 Phase III : Exploitation des mesures in-situ
2.3.1 Introduction
2.3.2 Analyse de l’évolution de la teneur en eau
2.3.3 Validation des résultats
CHAPITRE 3 DESCRIPTION DU PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
3.1 Réalisation d’une planche d’essai 
3.1.1 Notion de zone de confinement
3.1.2 Mesure de la température à proximité des sondes
3.1.3 Étapes de mise en place des sondes
3.2 Reconstitution du matériau de confinement en laboratoire
3.2.1 Caractérisation du MR5 utilisé pour la confection du MR5-TFE-B
3.2.1.1 Échantillonnage et préparation du MR5
3.2.1.2 Caractérisation du MR5
3.2.2 Étude du matériau MR5-TFE-B
3.2.2.1 Échantillonnage in-situ
3.2.2.2 Mesure de la teneur en bitume et granularité du MR5-TFE-B (avant et après extraction)
3.2.3 Formulation du matériau de confinement en laboratoire
3.2.3.1 Introduction
3.3 Réalisation d’éprouvettes instrumentées pour évaluer l’influence de la température et de la porosité 
CHAPITRE 4 PRÉSENTATION DES RÉSULTATS
4.1 Résultats sur l’étude de la sensibilité des sondes à la présence d’eau 
4.1.1 Longueurs effectives (Lef) et temps de délais (td) des sondes WCR
4.1.2 Mesure de la période dans l’air et dans l’eau
4.1.3 Détection de l’eau liée
4.2 Présentation des résultats traitant de l’effet de la température et de la porosité sur la réponse d’une sonde WCR
4.2.1 Avant-propos
4.2.2 Résultats de l’étude sur l’effet de la température sur la réponse des sondes WCR
4.2.2.1 Contrôle de la stabilité de la température mesurée à chaque palier
4.2.2.2 Temps de réponse de la sonde WCR à un changement de température
4.2.2.3 Influence de la température sur la période mesurée
4.2.3 Effet de la porosité sur la réponse des sondes WCR
CHAPITRE 5 ANALYSE DES RÉSULTATS 
5.1 Influence conjuguée de la teneur en eau et de la température sur la réponse des sondes WCR
5.2 Modèle d’étalonnage
5.2.1 Introduction
5.2.2 Évolution des constantes a et b en fonction de la teneur en eau
5.2.3 Définition d’un modèle d’étalonnage
5.2.4 Validation du modèle en laboratoire
5.2.4.1 Introduction
5.2.4.2 Modèle d’étalonnage du manufacturier
5.2.4.3 Les limites du modèle
5.2.4.4 Conclusion pour le modèle
5.3 Analyse des données collectées in-situ 
5.3.1 Application du modèle aux mesures réalisées in-situ
5.3.1.1 Introduction
5.3.1.2 Les premières semaines d’instrumentation
5.3.1.3 Les premières semaines d’instrumentation
5.3.1.4 Le début de la période hivernale
5.3.1.5 Après 10 mois d’acquisition
5.3.2 Extrapolation des données in-situ
5.3.3 Conclusion sur l’application du modèle d’étalonnage aux mesures in-situ
5.4 Analyse du facteur porosité
5.4.1 Correction du facteur porosité
5.4.2 Validation du modèle corrigé
CONCLUSION

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