Soutenance mémoire
Les granulats
Caractéristiques intrinsèques
Les caractéristiques intrinsèques dépendent des propriétés de la roche, soit la dureté et la ténacité pour le gros granulat et la friabilité pour le granulat fin. Ces caractéristiques sont propres et ne peuvent pas être modifiées. Au Québec, pour la fabrication des gros granulats, la norme exige des critères de résistance à l’usure et à la fragmentation des particules. L’usure d’un granulat utilisé comme matériau routier se produit par la création de fine lors des passages répétés des véhicules ainsi que par le frottement mutuel des granulats. La méthode d’essai LC 21-070 (Détermination du pourcentage d’usure par attrition du gros granulat au moyen de l’appareil Micro-Deval) permet d’évaluer la résistance à l’usure du granulat. La seconde caractéristique intrinsèque pour le gros granulat est la résistance aux chocs. L’essai LC 21-400 (Détermination de la résistance à l’abrasion au moyen de l’appareil Los Angeles) permet d’obtenir la résistance à la fragmentation par chocs ainsi que l’usure provoquée par le frottement réciproque des granulats. Sur les routes, ces chocs peuvent être représentés par le compactage de l’enrobé ainsi que par le trafic pouvant entrainer une fragmentation par fatigue des granulats. En ce qui concerne les granulats fins, la norme exige des critères de résistance à l’usure et à la friabilité. La méthode d’essai LC 21-101 (Détermination du pourcentage d’usure par attrition du granulat fin au moyen de l’appareil Micro-Deval) permet d’obtenir la résistance à l’usure des granulats fins. Également, un essai de friabilité pour déterminer la résistance à la fragmentation et à l’écrasement du granulat est requis selon la méthode LC 21-080 (Détermination du pourcentage de friabilité des granulats fins). Cet essai est également effectué à l’aide de l’appareil Micro-Deval. Comparativement à l’essai LC 21-101, les charges abrasives de dimensions plus grosses et variées possèdent une action d’écrasement et de fragmentation sur les granulats fins et non une action d’usure.
Caractéristiques de fabrication
D’autre part, les caractéristiques de fabrication sont fonction du mode de production des granulats. Dépendamment des méthodes et des équipements utilisés, les particules peuvent avoir des formes angulaires, plates et allongées. Ces critères concernent le gros granulat seulement. La détermination des particules fragmentées s’effectue selon la méthode LC 21-100 (Détermination du pourcentage de particules fracturées du gros granulat). Tel que discuté dans cette section, les particules fragmentées accentuent la résistance au cisaillement par l’enchevêtrement au sein du squelette granulaire d’un enrobé ainsi que par une augmentation de la friction entre ces mêmes particules. Ceci a pour effet d’améliorer le support des charges et, par le fait même, la résistance à l’orniérage. D’autre part, les méthodes de fabrication produisent des particules dites plates et allongées. Ces dernières ont tendance à se placer horizontalement dans le mélange diminuant ainsi le volume des vides. La détermination de ces caractéristiques est effectuée selon la méthode LC 21-265 (Détermination du pourcentage de particules plates et de particules allongées). Toutefois, des particules plates possédant une épaisseur trop mince se fracturent plus facilement. Il faut porter une attention particulière à ce point, car une grande quantité de particules fracturées changent la granulométrie et les propriétés de l’enrobé.
Granulométrie: Les caractéristiques de chacune des particules sont importantes, mais les caractéristiques de l’ensemble des particules le sont d’autant plus. Cet ensemble est appelé granulométrie. La granulométrie d’un granulat est la distribution des particules selon leur dimension. Cet essai est déterminé selon la méthode LC 21-040 (Analyse granulométrique) et s’effectue par séparation du granulat sur une série de tamis normalisés de différentes dimensions. Les caractéristiques mécaniques des matériaux granulaires, comme celles des enrobés, dépendent largement des proportions des différentes dimensions des granulats. Donc, l’optimisation de la granulométrie est une étape importante lors de la formulation des enrobés. Les courbes b et d de la Figure 1.2 illustre une représentation des résultats d’une analyse granulométrique. L’abscisse représente la dimension des particules (en millimètre et micromètre) tandis que l’ordonnée indique le pourcentage de tamisat, soit le pourcentage massique du granulat étant plus petit que la grosseur du tamis correspondant. Par exemple, à la Figure 1.2, il y a 84 % de particules plus petites que 2,5 mm pour la courbe b. La granulométrie est distinguée sous deux fractions, soit la portion grossière et la portion fine. La portion grossière représente les particules plus grosses que 5 mm et la portion fine correspond aux particules plus petites que 5 mm. En raison de la grande plage de dimensions d’un granulat, l’analyse granulométrique est souvent séparée selon ces deux fractions.
Comportement mécanique du bitume Le bitume est un matériau dont le comportement mécanique est viscoélastique, ce qui signifie qu’il réagit différemment en fonction de la température (susceptibilité thermique), mais aussi de la durée, de la fréquence et de la vitesse d’application d’une charge (susceptibilité cinétique) (Di Benedetto et Corté, 2004 et Di Benedetto et al. 2005). La Figure 1.4 illustre le comportement du bitume selon ces différents paramètres. Le bitume est très ferme à basse température se comportant comme un solide vitreux élastique et fragile. La température à laquelle le bitume devient fragile est appelée température de transition vitreuse (Tg). À l’inverse, à haute température (± 80 °C), il devient peu visqueux et se comporte comme un fluide newtonien. Entre cette plage de températures hautes et basses, le bitume traverse les domaines linéaires et non linéaires en fonction du type de déformation imposée (Di Benedetto et Corté, 2004). Ces caractéristiques du bitume sont employées lors de la fabrication des enrobés afin de permettre de bien enrober les granulats par le bitume liquéfié. C’est pour cette raison que le terme « enrobés à chaud » est employé. Également, il existe des procédés qui permettent de rendre le bitume fluide pour certains usages, mais de façon temporaire. Il y a les bitumes fluidifiés où le bitume est mélangé dans un hydrocarbure. Les émulsions sont des bitumes qu’on ajoute à de l’eau avec l’addition d’un émulsifiant qui permet de produire un mélange homogène d’eau et de bitume. Il y a aussi les liants modifiés qui consistent à l’ajout d’un polymère au bitume modifiant ces propriétés (Di Benedetto et al. 2005). Également, il y a les mousses de bitume qui sont introduit en injectant de l’eau dans le bitume chaud.
Vieillissement du bitume
Une courte introduction sur le vieillissement du bitume est nécessaire afin de bien comprendre une des notions des EBE. Le bitume est un matériau qui vieillit. Cela veut dire qu’avec le temps, il durcit. Le bitume perd de sa capacité viscoélastique. Autrement dit, le bitume perd de son élasticité, soit de vouloir revenir à son état initial après avoir subit une déformation. Avec le temps, l’enrobé devient donc plus résistant à l’orniérage, mais plus sensible à la fissuration thermique (Lelièvre, 1994). Il existe plusieurs facteurs de vieillissement du bitume, soit l’oxydation, l’absorption des huiles par les particules minérales, la restructuration moléculaire ainsi que l’évaporation des composantes volatiles de l’enrobé (Choquet, 1993). Le facteur principal demeure l’oxydation du bitume. Le bitume neuf étant très noir devient plus pâle au cours des années ce qui est un signe que le bitume s’oxyde. Ce phénomène s’accélère avec l’augmentation de la température. Les études ont montré qu’au-delà de 100 °C, l’oxydation double pour chaque tranche de 10 °C. Donc, la réduction de la température de chauffage du bitume pour le malaxage permet de minimiser considérablement le vieillissement prématuré du bitume (Choquet, 1993). Généralement, le bitume atteint sa température la plus haute lors du malaxage de l’enrobé.
Donc, c’est durant ce malaxage que le taux de vieillissement du bitume est le plus élevé tel que présenté à la Figure 1.5. Il est possible de constater que le vieillissement du bitume, avant même la mise en service de l’enrobé, peut correspondre à près de 70 % du vieillissement total du bitume pour les 12 premières années de service selon la Figure 1.5. D’autre part, il est très important de tenir compte du degré de vieillissement du bitume lorsqu’on vise le retraitement de granulats bitumineux. En effet, le bitume contenant dans le GBR est déjà durci et vieillit en fonction de sa durée d’utilisation et des conditions auxquelles le bitume dans l’enrobé a été exposé. En introduisant du GBR dans un nouvel enrobé, le processus de malaxage de l’enrobé accroît rapidement le vieillissement du bitume du GBR, diminuant ainsi sa viscoélasticité. Sachant que l’augmentation de température augmente l’oxydation, une température de malaxage la plus basse possible est souhaitable afin de restreindre l’oxydation du GBR lors du malaxage. De plus, une basse température permet d’augmenter le pourcentage d’utilisation du GBR, de diminuer l’apport en liant neuf, d’augmenter la qualité de cohésion du mélange ainsi que de procurer une durée de vie plus longue au nouvel enrobé (ARRA, 2001).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DES CONNAISSANCES
1.1 L’enrobé
1.1.1 Rôles des constituants de l’enrobé
1.1.2 Les types d’enrobés
1.1.2.1 Graves-bitumes
1.1.2.2 Enrobés de liaison
1.1.2.3 Enrobés de surface
1.2 Les granulats
1.2.1 Caractéristiques des granulats recherchés pour les enrobés
1.2.1.1 Caractéristiques intrinsèques
1.2.1.2 Caractéristiques de fabrication
1.2.2 Granulométrie
1.2.2.1 Fuseau granulométrique
1.3 Le bitume et ses dérivés
1.3.1 L’origine du bitume
1.3.2 Composition du bitume
1.3.3 Comportement mécanique du bitume
1.3.4 Vieillissement du bitume
1.3.5 Le bitume dans l’enrobé
1.3.6 Bitumes avec polymères
1.3.7 Mousse de bitume
1.3.7.1 Origine de la mousse de bitume
1.3.7.2 Principe de la mousse de bitume
1.3.7.3 Caractérisation d’une mousse de bitume
1.3.7.4 Facteurs influençant la qualité d’une mousse de bitume
1.3.7.5 Facteurs influençant sur la qualité d’enrobage d’un enrobé à la mousse de bitume
1.4 Les propriétés mécaniques des enrobés à chaud
1.4.1 Résistance à l’orniérage
1.4.2 Résistance à la fissuration (par fatigue et par retrait thermique)
1.4.3 Résistance à l’arrachement et au désenrobage
1.4.4 Résistance à l’abrasion, à l’usure et imperméabilité
1.5 Utilisation de granulats bitumineux recyclés (GBR) dans les enrobés
1.5.1 Historique de l’utilisation de GBR dans les enrobés
1.5.2 Principales utilisations du GBR
1.5.3 Étapes préliminaires d’analyse du GBR
1.5.4 Comportement des enrobés avec GBR
1.6 Comportement thermomécanique des enrobés
1.6.1 Classe de comportement des enrobés
1.6.2 Module complexe
CHAPITRE 2 LES ENROBÉS À BASSE ÉNERGIE
2.1 Fondement et principe des enrobés à basse énergie
2.2 Utilisation d’adjuvants
2.3 Méthodes d’enrobage des enrobés à basse énergie
2.3.1 Méthode d’enrobage EBE 01
2.3.2 Méthode d’enrobage EBE 02
2.3.3 Méthode d’enrobage EBE 03
2.3.4 Méthode d’enrobage EBE 04
2.4 Production en centrale
2.5 Performance en chantier
2.6 Comportement thermomécanique des EBE
2.6.1 Impact de la teneur en eau dans le mélange
2.6.2 Ouvrabilité
2.6.3 Orniérage
2.6.4 Module complexe
2.7 Avantages et désavantages des enrobés à basse température
CHAPITRE 3 PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
3.1 Objectif du programme expérimental
3.2 Critères de formulation d’un enrobé
3.3 Enrobé ciblé
3.3.1 Caractéristiques de l’enrobé ciblé
3.4 Variables de formulation
3.4.1 Choix de la méthode d’enrobage des EBE
3.4.2 Choix des teneurs en eau
3.4.3 Type de bitume
3.5 Plan expérimental
3.6 Caractérisation des granulats
3.7 Formulation de l’enrobé
3.7.1 Choix des proportions granulaires
3.7.2 Calculs et ajustement des paramètres de formulation
3.8 Procédure d’essai à la PCG
3.8.1 Principe de l’essai
3.8.2 Détermination des températures de malaxage et de compactage
3.8.2.1 Enrobés à chaud
3.8.2.2 Enrobés à basse énergie (EBE)
3.8.3 Fabrication des enrobés pour l’essai à la PCG
3.8.3.1 Enrobés à chaud
3.8.3.2 Enrobés à basse énergie
3.8.4 Compaction des éprouvettes
3.9 Procédure d’essai à l’orniéreur
3.9.1 Principe de l’essai
3.9.2 Fabrication et compactage des plaques
3.9.3 Réalisation de l’essai à l’orniéreur
3.10 Essai de module complexe (mesure de E*)
3.10.1 Principe de l’essai
3.10.2 Préparation des éprouvettes
3.10.3 Procédure d’essai du module complexe
3.10.4 Traitements des données
3.10.5 Principe d’équivalence temps-température (PETT)
3.10.6 Indice de qualité des données (I.Q.)
3.10.7 Modèle 2S2P1D
CHAPITRE 4 CARACTÉRISTIQUES DES MATÉRIAUX UTILISÉS POUR LA FABRICATION DES ENROBÉS
4.1 Granulats
4.1.1 Granulats de calibre 5-10 mm
4.1.2 Granulats de calibre 0-5 mm
4.1.3 Granulat de calibre 0-1,25 mm (Sable naturel)
4.1.4 Filler
4.1.5 Granulats bitumineux recyclés (GBR)
4.2 Bitume
CHAPITRE 5 PRÉSENTATION DES RÉSULTATS
5.1 Formulation des enrobés
5.1.1 Dosage en enrobé recyclé
5.1.2 Formule de mélange
5.1.2.1 Combiné granulométrique
5.1.2.2 Calibration des formules de mélange des enrobés
5.2 Températures des enrobés lors du malaxage et du compactage
5.3 Variation de la teneur en eau de l’enrobé lors du malaxage, de la cure et du compactage
5.4 Évaluation de la qualité de l’enrobage
5.5 Aptitude au compactage (PCG)
5.6 Résistance à l’orniérage
5.7 Module complexe
5.7.1 Enrobés confectionnés avec un bitume PG 58-28
5.7.2 Enrobés confectionnées avec un bitume PG 64-34
CHAPITRE 6 ANALYSE DES RÉSULTATS
6.1 Évolution de la température des EBE
6.2 Évolution de la teneur en eau des EBE
6.2.1 Enrobés confectionnés avec un bitume PG 58-28
6.2.2 Enrobés confectionnés avec un bitume PG 64-34
6.2.3 Comparaison de l’évolution de la teneur en eau expérimentale avec
les modèles théoriques de conduction thermique
6.3 Aptitude au compactage
6.3.1 Enrobés confectionnés avec un bitume PG 58-28
6.3.2 Enrobés confectionnés avec un bitume PG 64-34
6.3.3 Comparaison entre les EBE avec bitume PG 58-28 et PG 64-34
6.3.4 Sommaire
6.4 Résistance à l’orniérage
6.5 Module complexe
6.5.1 Enrobés confectionnés avec un bitume PG 58-28
6.5.2 Enrobés confectionnés avec un bitume PG 64-34
6.5.3 Comparaison entre les modules vitreux (E0)
6.5.4 Sommaire
CONCLUSION
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