Détermination de la densité maximale des enrobés bitumineux

Influence des fillers sur les performances du mélange

Les fillers sont définis comme étant les granulats fins dont les dimensions des particules sont comprises entre 0mm et 630μm (BNQ, 2014). Ils servent à remplir les vides entre les particules plus grossières. De fait, la quantité de filler dans un mélange bitumineux a une grande importance, car elle peut influencer de beaucoup les paramètres de formulation et donc les performances du mélange bitumineux. Selon Lamothe (2003), le filler peut avoir un effet variable sur le VAM. Il diminue au fur et à mesure de l’addition du filler dans un mélange bitumineux jusqu’à atteindre une valeur optimale au-delà de laquelle 1’ajout de filler fait augmenter le VAM. L’excès de filler entraine donc un effet de desserrement et diminue la qualité de contact entre les particules grossières. De plus, cet excès entraine une augmentation de la quantité de bitume nécessaire à l’enrobé du fait d’une augmentation de la surface spécifique des granulats fins. 13 L’excès de filler peut être particulièrement néfaste pour la résistance à l’orniérage de l’enrobé bitumineux.

En plus de créer un effet de desserrement des grosses particules, le filler peut avoir aussi un comportement semblable à celui des billes et permettre ainsi le glissement des particules grossières les unes par rapport aux autres lors des chargements (Perraton, 2015). L’enrobé bitumineux présente dès lors un comportement instable à l’orniérage. La distribution granulométrique et la taille du filler sont deux paramètres aussi très importants. Pour Lamothe (2003), ces deux paramètres peuvent avoir un effet sur l’ouvrabilité du mélange. Il distingue alors dans le filler une portion relativement grossière (> 40μm) et une seconde ultra fine (entre 20 et 5μm). Les particules inférieures à 10μm entrent dans la composition du FBE sans interaction avec les plus grosses particules. Par contre les particules plus grosses que l’épaisseur du FBE prennent part dans la structure minérale et vont contribuer aux contacts entre les particules (Lamothe, 2003). En dehors de la quantité de filler, le type de filler aussi peut influencer la résistance à l’orniérage du mélange bitumineux. Bérubé et Paradis (1997), mentionnent qu’il semble préférable d’utiliser un filler de même composition minéralogique que la fraction sable donc que la fraction intermédiaire afin d’avoir une meilleure résistance à 1’orniérage. Pour ces auteurs, les différences dans l’angularité, la rugosité, les résistances mécaniques, les compositions chimiques et l’absorptivité de la fraction de sable des granulats et du filler entrainent des modifications du comportement des mélanges.

Le liant bitumineux

Le bitume est un produit complexe composé de différents hydrocarbures de poids moléculaire élevé appartenant dans leur grande majorité aux groupes aliphatique et naphténique (Di Benedetto et Corté, 2003). Il est obtenu par raffinage et traitement des pétroles bruts et doit présenter une cohésion suffisante pour résister aux sollicitations thermiques et mécaniques imposées par les conditions atmosphériques et de circulation (Di Benedetto et Corté, 2003). De fait, le bitume servant de liant pour les enrobés n’est en général pas utilisé à l’état pur en tant que matériau de construction (Sohm, 2011). Le bitume est principalement caractérisé par sa susceptibilité thermique liée à la variation de sa consistance avec la température et par sa susceptibilité cinétique. Avec les variations de température, le bitume passe d’un état de liquide newtonien peu visqueux dans le domaine des hautes températures à un solide vitreux élastique et fragile dans le domaine des températures négatives, en passant par des états dits viscoélastiques (linéaire et non linéaire) (Sohm, 2011). La susceptibilité cinétique est liée aux variations des propriétés du bitume avec le temps d’application des charges. Malgré la faible proportion du bitume comparativement à celle du granulat, les caractéristiques du bitume influencent de façon importante les propriétés de l’enrobé (Di Benedetto et Corté, 2003). Aussi, les changements d’état des enrobés sous sollicitations climatiques et de circulation (trafic) sont liés au bitume et sont à l’origine des déformations permanentes aux températures élevées, de l’endommagement ou fatigue aux températures intermédiaires, de la fissuration thermique et de la rupture fragile aux basses températures (Sohm, 2011). Il existe plusieurs classes de bitume en construction. La classification des bitumes se fait en quantifiant la cohésion du bitume en fonction d’une température de référence (méthode européenne) ou bien en déterminant des plages de température pour des niveaux de cohésion de référence (méthode SHRP « Strategic Highway Research Program ») (Lachance Tremblay, 2014; Lamothe, 2014). La classification Superpave est celle utilisée au Québec.

Historique des SMA

Découvert en Allemagne dans les années 1960 suite aux problèmes d’ornière constatés sur les chaussées bitumineuses dus à l’utilisation des pneumatiques cloutés et à l’augmentation du trafic, l’utilisation des enrobés SMA c’est rapidement répandu dans le monde et particulièrement dans les pays européens. L’enrobé SMA est le fruit de Zichner, qui pour corriger les pathologies liées aux pneus cloutés proposait un mélange de mastic et de pierre concassés de haute qualité dans les proportions de 30/70 (Perraton, Meunier et Carter, 2007). Ainsi naissait l’enrobé SMA en 1968. Toutefois, le fort taux de bitume du mélange entraina un problème de saignement dans le SMA. Zichner utilisa des fibres pour stabiliser le mastic et ainsi empêcha le saignement de l’enrobé SMA. Les toutes premières spécifications pour l’enrobé SMA ne voient le jour qu’en 1984 avec la norme allemande ZTV-Asphalt 1984. Aujourd’hui la norme utilisée en Europe est la norme EN 13108-5, rédigée en décembre 2006, intitulée : Mélange bitumineux– Spécifications des matériaux – partie 5 : Stone Mastic Asphalt (Gourier, 2009). Aux USA, les problèmes d’orniérage par fluage des chaussées bitumineuses dans les années 1980 amenèrent les américains à s’intéresser aux enrobés SMA. Fort de l’expérience allemande, les premiers projets à base d’enrobé SMA virent le jour en 1991 (Tremblay, 2001). L’usage des enrobés SMA sur les routes au Canada date des années 1990. Les premières expérimentations in situ sont réalisées sur l’autoroute 401 et sur le boulevard Lakeshore à Toronto dans l’Ontario, et dans la même année sur l’autoroute 20 près de la ville de Québec. Le MTO estimait dès lors la durée de vie utile des enrobés SMA utilisés en couche de roulement de 5 à 8 ans supérieure à celle des enrobés conventionnels (Tremblay, 2001).

Modélisation du module complexe d’un enrobé bitumineux

Le comportement des matériaux bitumineux dans le domaine viscoélastique linéaire (VEL) est modélisable à l’aide d’assemblage discret de ressorts et d’amortisseurs. Ainsi, il existe plusieurs modèles rhéologiques analogues, trouvés dans la littérature, qui décrivent le comportement VEL des liants et enrobés bitumineux. Les modèles de Maxwell et de Kelvin-Voigt sont les plus simples, mais ils ne peuvent pas décrire correctement le comportement complexe des matériaux bitumineux (Olard, 2003). Le modèle de Maxwell est constitué d’une combinaison d’un ressort et d’un amortisseur monté en série et représente un liquide viscoélastique. Celui de Kelvin-Voigt est constitué de la même combinaison, mais d’un montage en parallèle. Il représente un solide viscoélastique (Olard et Di Benedetto, 2003). Figure 1.22 Modèles de Maxwell et de Kelvin-Voigt Tirée de Lamothe (2014) Il existe des modèles de Maxwell et de Kelvin-Voigt généralisés, qui sont constitués chacun de n éléments de Maxwell montés en parallèle pour le modèle généralisé de Maxwell et de n éléments de Kelvin-Voigt pour son modèle généralisé. Ces modèles généralisés permettent une description satisfaisante du comportement des liants et des enrobés bitumineux lorsqu’ils possèdent un nombre suffisant d’éléments n (Olard, 2003). Ainsi, en constituant un modèle avec un nombre infini d’éléments de l’un de ces deux modèles, on obtient un modèle à spectre continu qui améliore la modélisation du VEL des mélanges bitumineux.

Le modèle proposé par Huet (1963) est un modèle à spectre continu. C’est un modèle analogique à 3 éléments qui associe en série un ressort de raideur E0 et deux éléments à fluage parabolique de paramètres h et k de la forme F1(t) = ath et F2(t) = btk. Les paramètres h et k du modèle sont reliés aux pentes à l’origine et au point asymptotique E00 (Olard, 2003). Le modèle de Huet permet une bonne modélisation du comportement des enrobés. Mais toutefois, dans le domaine des basses fréquences et hautes températures, le module complexe dans le plan Cole – Cole tend vers zéro pour ce modèle et donne ainsi un comportement fluide aux enrobés. Le problème du comportement fluide du modèle de Huet est résolu par Sayegh (1965) lorsqu’il obtient pour le domaine des basses fréquences et hautes températures un module réel E00 non nul, très faible par rapport à E0 et dépendant du squelette granulaire du mélange : le module statique. Il proposa par la suite le modèle de Huet – Sayegh, en ajoutant un élément ressort de très faible rigidité (E0) en parallèle aux éléments du modèle proposé par Huet (Lamothe, 2014; Olard, 2003). Figure 1.23 Représentation des modèles de Huet et Huet-Sayegh Tirée de Lamothe (2014) Selon Olard (2003), le modèle de Huet – Sayegh traduit correctement le comportement des enrobés bitumineux dans le domaine des petites déformations et ne nécessite que six constantes (δ, k, h, E00, E0, et τ0) pour déterminer le comportement VEL du matériau à une température donnée. Toutefois, Olard et ses collaborateurs ont proposé un nouveau modèle analogique pour tous les types de matériaux bitumineux (liants, mastic et enrobés) : c’est le modèle 2S2P1D.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1Structure d’une chaussée bitumineuse et sollicitations induites dans la chaussée bitumineuse
1.1.1Structure d’une chaussée bitumineuse
1.1.2Sollicitations induites dans la chaussée
1.1.2.1Effets de trafic
1.1.2.2Effet de la température
1.2Les enrobés bitumineux
1.2.1Les principaux constituants d’un enrobé
1.2.1.1Les granulats
1.2.1.2Combinaison granulaire
1.2.1.3Porosité et indice des vides
1.2.1.4Évolution de l’indice des vides pour un mélange binaire
1.2.1.5Influence des fillers sur les performances du mélange
1.2.1.6Le liant bitumineux
1.2.2Les types d’enrobé bitumineux
1.2.3Formulation des enrobés bitumineux
1.2.4Méthode du laboratoire des chaussées (LC)
1.2.5Comportements des enrobés
1.2.6Les enrobés SMA
1.2.6.1Historique des SMA
1.2.6.2Principes des enrobés SMA
1.2.7SMA – Cpack
1.2.8La grave – bitume
1.2.9Les Enrobés Bitumineux Hautes Performances (EBHP)
1.2.9.1Sélection du dosage en granulat gros et intermédiaire
1.2.9.2Sélection des dosages optimaux en granulat
1.2.9.3Détermination du volume de bitume en fonction des vides
1.2.9.4Performances des EBHP
1.3Utilisation du verre recyclé dans les enrobés
1.4Production et mise en oeuvre des enrobés bitumineux à chaud
1.4.1Fabrication des enrobés bitumineux en centrale d’enrobage
1.4.1.1Fabrication des enrobés en centrale continue
1.4.1.2Fabrication des enrobés en centrale discontinue
1.4.1.3Chargement des camions
1.4.2Mise en oeuvre des enrobés bitumineux à chaud
1.4.2.1Déchargement des camions
1.4.2.2Compactage des enrobés bitumineux à chaud
1.5Caractéristiques volumétriques des enrobés bitumineux
1.5.1Détermination de la densité maximale des enrobés bitumineux
1.5.2Aptitude au compactage à la presse à cisaillement giratoire des enrobés bitumineux
1.5.3Détermination de la teneur en bitume au four à ignition
1.5.4Détermination de la teneur en bitume par la méthode d’extraction
1.6Caractéristiques thermomécaniques
1.6.1Résistance à l’orniérage
1.6.1.1Ornières dans le revêtement bitumineux
1.6.1.2Paramètres influençant la résistance à l’orniérage des enrobés bitumineux
1.6.1.3Ornières dans la fondation
1.6.1.4Types d’essai
1.6.2Détermination du module complexe des enrobés bitumineux
1.6.2.1Types d’essais pour la mesure du module complexe
1.6.2.2Modélisation du module complexe d’un enrobé bitumineux
1.6.2.3Présentation du modèle analogique 2S2P1D
1.6.2.4Principe d’équivalence temps – température
1.6.2.5Représentation graphique des résultats de module complexe
1.6.2.6Paramètres influençant la valeur du module complexe
1.6.3Résistance à la fatigue
1.6.3.1Types d’essai de fatigue
1.6.3.2Évolution de la rigidité |E*| au cours d’un essai de fatigue
1.6.3.3Méthodes d’analyse des résultats d’un essai de fatigue
1.6.3.4Représentation graphique des résultats d’un essai de fatigue
1.6.3.5Paramètres influençant la fatigue des enrobés
1.6.3.6Paramètres de la loi de fatigue
CHAPITRE 2 OBJECTIFS ET PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
2.1Mise en contexte
2.2Problématiques
2.3Objectifs de recherche
2.4Méthodologie
2.4.1Caractérisation du EBHP 14– Verre de la planche d’essai de l’entrepôt de la SAQ
2.4.1.1Échantillonnage68
2.4.1.2Choix du nombre de boite de constitution pour la fabrication des méga boites
2.4.1.3Procédure de fabrication des méga boites
2.4.1.4Essais retenus pour la caractérisation de l’EBHP 14– Verre
2.4.1.5Étapes de caractérisation de l’EBHP 14– Verre
CHAPITRE 3 MATÉRIAUX UTILISÉS,PRÉPARATION DES ÉPROUVETTES ET MÉTHODES D’ESSAIS
3.1Description des matériaux utilisés pour la production du EBHP 14– Verre
3.1.1Les granulats
3.1.2Le verre
3.1.3Le liant
3.1.3.1Composition du bitume de type PG 76-28THRD
3.1.3.2Manipulation et entreposage
3.1.3.3Propriétés mécaniques,physiques et chimiques du bitume PG 76 28THRD
3.2Description et procédures des essais
3.2.1Détermination de la densité maximale de l’enrobé (dmm)
3.2.2Détermination de la teneur en bitume de l’enrobé
3.2.2.1Détermination des facteurs de correction
3.2.3Fabrication des éprouvettes
3.2.3.1Compactage des éprouvettes à la PCG
3.2.3.2Éprouvettes pour les essais de module complexe, fatigue et tenue à l’eau
3.2.3.3Collage des casques sur les éprouvettes
3.2.3.4Compactage des plaques au compacteur LCPC
3.2.3.5Détermination de la teneur en vides des plaques
3.2.4Essai de résistance à l’orniérage
3.2.5Essai de module complexe et module de rigidité
3.2.5.1Essai sur les éprouvettes de PCG fabriquées en laboratoire
3.2.5.2Équipement utilisé pour la réalisation de l’essai de module complexe
3.2.5.3Modélisation des résultats de l’essai
3.2.5.4Essai de module de rigidité par traction indirecte
3.2.6Essai de résistance à la fatigue
3.2.6.1Critères de rupture
3.2.6.2Indices de qualité des signaux
3.2.7Tenue à l’eau
CHAPITRE 4 PRÉSENTATION, DISCUSSION ET ANALYSE DES RÉSULTATS DES ESSAIS EN LABORATOIRE
4.1Les essais en laboratoire
4.2Densité maximale du mélange bitumineux
4.3Teneur en bitume des mélanges
4.3.1Résultats et discussion de la teneur en bitume selon la méthode au four à ignition (LCMB)
4.3.2Résultats et discussion de la teneur en bitume par la méthode d’extraction (Laboratoire DJL)
4.3.3Discussion des résultats des essais de teneur en bitume
4.4Aptitude au compactage à la presse à cisaillement giratoire (PCG)
4.5Analyse granulométrique
4.5.1Granulométrie des mélanges
4.5.2Vérification des cibles aux tamis de contrôle
4.5.2.1Proportion retenue sur le tamis de 10mm
4.5.2.2Proportion passant le tamis 10mm et retenue au tamis 5mm
4.5.2.3Proportion passant le tamis 5mm et retenue au tamis 0,16mm
4.5.2.4Proportion passant au tamis 0,16mm
4.5.3Correction des cibles aux tamis de contrôle
4.6Analyse de la qualité de la production
4.7Résistance à l’orniérage
4.7.1Résultats et discussion
4.7.2Analyse des résultats d’orniérage
4.8Détermination des modules complexes (MC) et modules de rigidité de l’EBHP 14–Verre
4.8.1Présentation des éprouvettes testées
4.8.2Courbes dans le plan Cole – Cole
4.8.3Courbes dans l’espace de Black
4.8.4Variation des facteurs de translation aT et Tau
4.8.5Paramètres du modèle 2S2P1D
4.8.6Différences entre les résultats expérimentaux et les valeurs simulées du modèle 2S2P1D
4.8.7Valeurs des modules des essais de laboratoire (E*), des essais en traction indirecte sur les carottes d’enrobé et de l’essai in situ au FWD
4.9Analyse des modules de rigidité in situ de l’EBHP 14– Verre et validation des résultats des essais en laboratoire
4.10Résistance à la fatigue
4.10.1Résultats des essais de fatigue
4.10.2Indices de qualité des signaux
4.10.3Évolution de la température en cours d’essai
4.10.4Évolution de la déformation
4.10.5Évolution du centre de déformation
4.10.6Évolution de la contrainte
4.10.7Évolution de l’angle de phase
4.10.8Évolution de la norme du module complexe
4.10.9Évolution de l’énergie
4.10.10Analyse des résultats des essais de fatigue
4.10.10.1Durée de vie des éprouvettes de fatigue et critères de rupture
4.10.10.2Critère de transition entre les phases II et III
4.10.10.3Droite de fatigue selon la loi de Wöhler
4.11Essai de durabilité (Tenue à l’eau)
CHAPITRE 5 ANALYSE DES RÉSULTATS DES ESSAIS DE CARACTÉRISATION DE L’EBHP 14– VERRE
5.1Analyse des résultats
5.2Influence du verre recyclé sur les performances de l’EBHP 14
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I FICHES TECHNIQUES DE PRODUIT DES MÉLANGES C2ET C3
ANNEXE II RÉSULTATS DES ESSAIS DE MODULE COMPLEXE DES MÉLANGES C2ET C3.181
ANNEXE III RÉSULTATS DES ESSAIS DE MODULE DE RIGIDITÉ OPTION 1
ANNEXE IV RÉSULTATS DES ESSAIS DE MODULE DE RIGIDITÉ OPTION 2
ANNEXE V RÉSULTATS DES ESSAIS DE FATIGUE
ANNEXE VI RÉSULTATS DES ESSAIS D’EXTRACTION AU LABORATOIRE DJL
ANNEXE VII RÉSULTATS DES ESSAIS D’ANALYSE GRANULOMÉTRIQUE
ANNEXE VIII RÉSULTATS DES ESSAIS DE MODULE COMPLEXE ET DE FATIGUE DE L’EBHP 14– LAB 229
ANNEXE IX FICHE TECHNIQUE DES GRANULATS DE CALIBRE 10– 14
ANNEXE X ATTESTATION DE CONFORMITÉ DU BITUME PG 76 28THRD
BIBLIOGRAPHIE

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