Analyse d une structure de chaussée autoroutière par auscultation in situ et essais en laboratoire

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1 Analyse d une structure de chaussée autoroutière par auscultation in situ et essais en laboratoire Gaborit Philippe 1, 2, Di Benedetto Hervé 2, Sauzéat Cédric 2, Pouget Simon 3, Olard François 3, Quivet Sandra 1 1 AREA, 260 avenue Jean Monnet, Bron, philippe.gaborit@aprr.fr; sandra.quivet@aprr.fr 2 Université de Lyon/ENTPE, 1 rue Maurice Audin, Vaulx en Velin, herve.dibenedetto@entpe.fr; cedric.sauzeat@entpe.fr 3 EIFFAGE Travaux Publics, 8 rue du dauphiné, Corbas, simon.pouget@eiffage.com; francois.olard@eiffage.com RÉSUMÉ. Pour optimiser la planification et le dimensionnement des travaux d entretien de chaussées autoroutières e, une étude a été initiée afin de déterminer l état d endommagement et son évolution d un réseau autoroutier constitué de chaussées entièrement bitumineuses. La section étudiée dans cet article n a quasiment subi aucune détérioration structurelle depuis sa construction il y a une vingtaine d années. Tout d abord, un calcul inverse à partir de données obtenues au curviamètre a permis de de déterminer les modules des couches bitumineuses et de la plate-forme support de la chaussée supposées élastiques. Des essais de module complexe et de fatigue ont été réalisés sur les matériaux des couches structurelles de la chaussée. Les modules mesurés et les paramètres de fatigue ont permis de montrer que les matériaux sont dans un état très peu dégradés. Enfin une comparaison des modules mesurés et des valeurs obtenues par calcul inverse ainsi qu un calcul de la durée de vie résiduelle de la chaussée sont proposés. ABSTRACT. To optimize job planning and maintenance of highway pavements, a study was initiated to determine the conditions of a highway network and the evolution of its damage. The majority of the highway network is comprised of entirely bituminous pavements. Since the construction of studied section, about twenty years ago, almost no structural deterioration has been observed. First, a back calculation from measured data by curviamètre was used to determine moduli of each road courses assumed elastic. Tests of complex modulus and fatigue were conducted on materials taken from each of the structural layers of the pavement. The measured moduli, closed to those measured on new materials, show that the materials have little degradation. Finally a comparison of the moduli measured and the values obtained by inverse calculation and a calculation of the residual life of the road are proposed. MOTS-CLÉS : essais in situ, essais en laboratoire, chaussées bitumineuses épaisses, chaussées perpétuelles. KEY WORDS: laboratory tests, in-situ tests, thick bituminous pavement, perpetual pavement.

2 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Introduction A l heure actuelle, il n existe pas de guide de dimensionnement des entretiens routiers. Les méthodes utilisées sont basées sur le guide de dimensionnement des chaussées neuves [SETRA 94]. Sur autoroute, avant leu renouvellement éventuel, les couches de chaussées sont auscultées afin d évaluer les besoins d entretien. Ces auscultations permettent de caractériser l état de surface de la chaussée (uni, orniérage, fissuration), de mesurer la portance de la structure (déflexions et rayons de courbure) et définir l état des matériaux (état de collage des couches, état des matériaux). Cependant, ces différentes caractérisations ne permettent pas d évaluer précisément l état des structures de chaussée, ni de prévoir leur comportement futur. Il est en effet difficile de faire concorder les calculs du dommage de la chaussée et les observations faites in situ. Cet article présente l étude d une section d autoroute. Après un bref état visuel, une auscultation à grand rendement a été menée à l aide d un curviamètre. Sur une zone témoin, des échantillons des couches structurelles de chaussée ont été prélevés puis des essais de module complexe et de fatigue ont été réalisés en laboratoire. En parallèle, le module des couches de chaussée a été évalué par des méthodes de calcul inverse à partir des mesures obtenues à l aide d un curviamètre. Les modules mesurés et calculés sont finalement comparés. 1 Présentation de la section étudiée La section étudiée, d une longueur de 15 km, a une structure entièrement bitumineuse épaisse. Celle-ci est composée de 3 couches (roulement, base et fondation), d une épaisseur totale moyenne de 28 cm, reposant sur un massif granulaire composé d une grave non traitée sur de la grave naturelle (Erreur! Source du renvoi introuvable.). Les enrobés bitumineux qui constituent les couches de fondation, de base et de roulement sont formulés à partir de bitume pur de grade 35/50. L ensemble de la structure date de la construction de l autoroute, en Aucun entretien ultérieur de la chaussée n a été effectué. Le trafic circulant sur cette section est mesuré grâce aux données recueillies aux péages. En 20 ans de service, 2.6 millions de poids lourds ont circulé sur la chaussée, ce qui est plutôt faible en comparaison des trafics moyens observés sur les autoroutes françaises. Visuellement, la chaussée présente une fissuration anarchique sur l ensemble de la surface de la couche de roulement. Celle-ci, non localisée, semble provenir de l effet du rayonnement solaire sur la couche de roulement. Des carottages réalisés sur les fissures montrent qu elles sont profondes de 2 à 3 cm et ne concernent que la couche de roulement.

3 Analyse d une structure de chaussée autoroutière par auscultation in situ et essais en laboratoire 3 Figure 1. Structure de la chaussée étudiée (BBSG : béton bitumineux semi grenu, GB : grave bitume, GNT : grave non traitée, GN : grave naturelle). 2 Essais in situ Deux types d essais ont été réalisés in situ : à l aide du curviamètre [NF P ] et à l aide de l essai à la plaque normalisé [NF P ]. 2.1 Mesure de la déformée sous une charge roulante La section a été auscultée avec le curviamètre, appareil de mesure à grande vitesse (18 km/h) de la portance de la chaussée. Cette portance se définit par la déflexion, enfoncement maximal de la chaussée au passage de l essieu de référence (13 tonnes, roues jumelées) et le rayon de courbure, rayon de plus grand cercle inscrit dans le bassin de déflexion (Figure 2). Figure 2. Paramètres obtenus avec le curviamètre Deux campagnes de mesures ont été effectuées avec le curviamètre : une en 1999 et une en Les résultats des mesures sont présentés dans la Figure 3. Les mesures sont agrégées et moyennées sur des zones homogènes selon la méthode de découpage présentée par du Mesnil-Adelé et Peybernard en 1984 [MESNIL 84]). Entre les deux campagnes, les déflexions mesurées ont augmenté et les rayons de courbure ont diminué, ce qui traduit un endommagement de la chaussée. Afin de caractériser le comportement des matériaux en laboratoire (voir section 3), un prélèvement de quatre plaques d enrobé a été effectué. La zone de prélèvement est présentée dans la Figure 3 (zone grisée). Cette zone a été choisie car elle présente pour les deux campagnes des valeurs de déflexion et de rayon de courbure se situant dans la moyenne de l ensemble des mesures effectuées sur la section.

4 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Figure 3. Déflexions et rayons de courbure caractéristiques mesurés au curviamètre en 1999 et en Mesure du module de la plate-forme L essai à la plaque normalisé [NF P ] a été effectué sur la plate-forme après extraction des blocs de chaussée. Une plaque de dimensions normalisées a été posée sur le massif granulaire et un chargement statique y a été appliqué. L enfoncement de la plaque est ensuite mesuré. L essai a fourni un module de la plate-forme de 160 MPa. Cette valeur semble élevée en comparaison du module standard attendu pour ce type de plate-forme de classe 2 (environ 120 MPa). 3 Essais de laboratoire 3.1 Obtention des éprouvettes A partir des blocs prélevés sur la section de chaussée, deux éprouvettes cylindriques ont été carottées dans chaque couche (base et fondation) de manière à ce que leur axe de symétrie soit parallèle au sens de circulation (Figure 4Figure 4). essais de module complexe (présentés à la section 3.2). 18 éprouvettes trapézoïdales ont également été taillées dans ces couches, telle que la plus grande longueur soit parallèle au sens de circulation (Figure 4), pour les essais de fatigue (présentés à la section 3.3). L enrobé de la couche de roulement n a pas été testé, la fissuration de surface ne permettant pas d obtenir des éprouvettes homogènes.

5 Analyse d une structure de chaussée autoroutière par auscultation in situ et essais en laboratoire 5 Figure 4. Schéma de découpe dans les blocs prélevés in situ et dimensions des éprouvettes (essais de module complexe pour les éprouvettes cylindriques et essais de fatigue pour les éprouvettes parallélépipédiques). 3.2 Essais de module complexe Les essais de module complexe ont été réalisés à l ENTPE/Université de Lyon. Ils couvrent une large plage de fréquence et de température (de 10-3 Hz à 10 Hz et de -30 C à 40 C). Pour chaque température et fréquence, les éprouvettes ont été sollicitées axialement, en contrôlant l amplitude de la sollicitation sinusoïdale de la déformation axiale (égale à 50 µm/m) La charge appliquée ainsi que les déformations axiales et radiales sont mesurées. Ces données ont été utilisées pour calculer le module complexe E* et le coefficient de Poisson complexe des matériaux des couches de structure de chaussée (le coefficient de Poisson complexe n est pas présenté dans cet article) [DI BENEDETTO 98]. Les résultats des essais de module complexe sont présentés dans le plan Cole-Cole (plan complexe) à la Figure 5. Pour chaque couche de chaussée, les résultats des deux essais dupliqués sont relativement proches, ce qui montre une bonne répétabilité des essais. Pour les deux couches de chaussée, on peut remarquer deux portions de courbes distinctes correspondant aux essais réalisés aux températures négative

6 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin et à ceux réalisés à 0 C et au-dessus ( Figure 5). Ce phénomène pourrait être expliqué par la présence d eau se transformant en lentille de glace, mais ce point nécessite d être confirmé. Figure 5. Résultats des essais de module complexe : deux éprouvettes testées par couches (couche de base à gauche, couche de fondation à droite) dans le plan de Cole-Cole. Le principe de superposition temps-température peut être considéré en première approximation puisque les résultats expérimentaux sont «proches» d une courbe unique dans le plan Cole-Cole. Sur la Figure 6 sont tracées les courbes maitresses de la norme du module complexe ( E* ) obtenues à la température de référence de 15 C pour les matériaux de la couche de base. Les coefficients de translation a T sont également présentés ainsi que le modèle WLF [FERRY 1980]. La courbe maitresse du module permet de caractériser et de modéliser entièrement le module viscoélastique étudié du matériau pour une température fixée [OLARD 2003] [POUGET 2011]. Pour les matériaux de la couche de fondation comme pour ceux de la couche de base, le module aux températures et fréquence de référence de 15 C et 10 Hz vaut MPa. Cette valeur semble très élevée en comparaison du module standard pour ce type de matériau valant MPa [SETRA 94].

7 Analyse d une structure de chaussée autoroutière par auscultation in situ et essais en laboratoire 7 Figure 6. Courbe maitresse du module complexe (couche de base) et coefficients de translation «temps-température» à la température de référence de 15 C, pour les deux éprouvettes H1 et H Essais de fatigue Des essais de fatigue sur les éprouvettes trapézoïdales (voir section 3.1) ont été effectués selon la norme [NF EN ]. Les résultats de l essai de fatigue pour la couche de fondation sont présentés à la Figure 7. Six éprouvettes ont été testées pour les deux niveaux de déformation les plus hauts (130 et 150 µm/m) et 4 éprouvettes ont été testées pour le plus bas niveau (100 µm/m). D après ces résultats, la valeur de déformation ( 6 ) conduisant à la rupture après 10 6 cycles ( 6 ) est de 124 µm/m. Cette valeur est très élevée comparée à la valeur standard pour ce type de matériau soit 80 µm/m [SETRA 94]. La chaussée étudiée a déjà subi près de 2.5 millions de cycles de chargement. Malgré ce nombre élevé de chargements, la résistance résiduelle en fatigue est très bonne. Ces résultats sont très éloignés du comportement prévu et considéré pour ce type de matériau lors du dimensionnement. Figure 7. Courbe de fatigue de Wöhler pour le matériau de la couche de fondation (10 C, 25 Hz).

8 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Modélisations Deux modélisations de la chaussée ont été effectuées. Un premier calcul vise à déterminer les modules de la plate-forme et des couches bitumineuses à partir des données fournies par le curviamètre (déflexions et rayons de courbure) (section 4.1) en utilisant une méthode d analyse inverse. Un deuxième calcul fournit une évaluation du trafic pouvant encore être supporté par la chaussée (fatigue) en utilisant les résultats des essais sur éprouvettes prélevées sur chaussée (section 4.2). 4.1 Calcul inverse des modules des couches bitumineuses et granulaires à partir des mesures au curviamètre Pour obtenir les modules des couches de chaussée par calcul inverse, l hypothèse d un comportement élastique linéaire isotrope est considérée pour chaque couche supposée semi infinie et d épaisseur donnée (voir la Erreur! Source du renvoi introuvable. avec massif infini constitué de la couche de grave naturelle (GN)). Le calcul est réalisé, en utilisant le logiciel Alizé-LCPC, de manière itérative en considérant deux étapes pour chaque itération : i) évaluation des modules des couches de sol (4.1.1), ii) évaluation des modules des couches bitumineuses (4.1.2). La méthode utilisée est une amélioration d une méthode développée au LCPC (IFSTTAR) qui ne considère qu une seule itération. Pour évaluer le module du sol, les modules des couches bitumineuses sont fixés à chaque itération. Pour la première itération les valeurs standards sont utilisées (9300 MPa pour les couches de GB, 5400 MPa pour la couche de BB) [SETRA 94]. Le massif granulaire (GNT et GN) est assimilé à un massif semi-infini. Le calcul fourni le module désiré de la couche granulaire inférieure en ajustant la déflexion calculée à celle mesurée. Le module du sol étant calé, les modules des couches bitumineuses sont déterminés à partir du rayon de courbure mesuré. Le problème comporte plus d inconnus que d équations (seule la valeur du rayon de courbure est connue et trois modules de couches sont a priori à déterminer). Compte tenu des mesures expérimentales et des observations sur chaussées, les hypothèses suivantes sont considérées. Les couches de fondation et de base qui sont constituées du même matériau bitumineux, ont le même module (voir section 3.2). Un module standard divisé par deux est attribué à la couche de roulement car elle est très fissurée. Il ne reste donc plus que le module des couches en grave bitume à déterminer. Le calcul fourni le module désiré de cette couche en ajustant le rayon de courbure calculé à celui mesuré. Le résultat du calcul inverse après plusieurs itérations assurant la convergence est présenté dans le Tableau 1. Les valeurs standards ainsi que les valeurs obtenues lors des essais de module à 15 C, 10 Hz sont également indiquées. La modélisation par calcul inverse donne un module de la plate-forme beaucoup plus élevé que celui mesuré sur le terrain. Les modules des couches bitumineuses sont dans le même ordre de grandeur que ceux mesurés en laboratoire. Il convient cependant de noter que le curviamètre (circulant à 18 km/h) sollicite les couches à

9 Analyse d une structure de chaussée autoroutière par auscultation in situ et essais en laboratoire 9 une fréquence probablement inférieure à 10 Hz qui est utilisée pour le dimensionnement. Tableau 1. Modules des couches de chaussée déterminés par calcul inverse, fournis par le catalogue [SETRA 94] (valeurs standards) et mesurés sur les matériaux prélevés. Module (MPa) (15 C, 10 Hz) Couche Matériau Epaisseurs (cm) Calculé, 1999 Calculé, 2010 Essais de laboratoire Valeurs standards Roulement BBSG / Base GB Fondation GB Plate-forme Graves Infini (in situ) 120 Déflexion caractéristique m m R. de courbure caractéristique 2300 m 2000 m a) Influence des épaisseurs des couches Pour le calcul inverse (Tableau 1), les épaisseurs de couches considérées sont les épaisseurs moyennes de l ensemble de la section. Les épaisseurs étant variables, les modules présentés dans le Tableau 2 ont été déterminés avec un modèle tenant compte des épaisseurs réelles des couches sur la zone de prélèvement. On peut constater que le module du sol ne varie pas avec l épaisseur des couches bitumineuses (Tableau 1 et Tableau 2). Il faut cependant noter que l épaisseur totale de la chaussée reste constante. Les modules des couches de base et de fondation diminuent avec la variation d épaisseur de couches bitumineuses (-7.3 % pour les modules de 1999 et -6.3% pour les modules de 2010). Les modules calculés en considérant les épaisseurs de couches mesurées in situ se rapprochent de ceux obtenus par les essais de laboratoire (section 3.2). Tableau 2. Modules des couches déterminés par calcul inverse à partir d un modèle tenant compte des épaisseurs réelles des couches bitumineuses. Epaisseur Module (MPa) (15 C, 10 Hz) Couche Matériau (cm) Calculé, 1999 Calculé, 2010 Roulement BBSG Base GB Fondation GB Plate-forme Graves Infini Déflexion m m R. de courbure 2300 m 2000 m b) Influence du module de la couche de roulement

10 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Afin d étudier l influence du module de la couche de roulement sur les modules des autres couches de la chaussée, un calcul a été réalisé en considérant le module standard [SETRA 94] de la couche de roulement (5400 MPa) (Tableau 3). Le passage d un module de 2700 MPa pour la couche de roulement (Tableau 1) à un module de 5400 MPa (Tableau 2) conduit à une légère diminution du module de la plate-forme (-4.8 % pour le calcul à partir des données de 1999 et -4.2 % pour celui à partir des données de 2010). Les modules des couches bitumineuses calculées à partir des données de 1999 varient très légèrement (+2.4 %) alors qu ils ne changent pas pour le calcul à partir des données de L influence du module de la couche de roulement sur les modules des autres couches de chaussée est donc faible. Tableau 3. Modules des couches déterminés par calcul inverse en considérant le module standard [SETRA 94] pour la couche de roulement. Module (MPa) Epaisseur (15 C, 10 Hz) Couche Matériau (cm) Calculé, 1999 Calculé, 2010 Roulement BBSG Base GB Fondation GB Plate-forme Graves Infini Déflexion m m R. de courbure 2300 m 2000 m 4.2 Evaluation de la capacité résiduelle à supporter des cycles de trafic La capacité résiduelle à supporter des cycles de trafic a été évaluée à partir des paramètres mécaniques standards des matériaux [SETRA 94] et des paramètres mesurés (sections 3.2 et 3.3) (Tableau 4). La méthode utilisée est la même que celle décrite dans la méthode française de dimensionnement des chaussées [SETRA 94]. Tableau 4. Paramètres mécaniques des couches de chaussées utilisés pour l évaluation de la capacité résiduelle à supporter des cycles de trafic. Valeurs mesurées en laboratoire et in situ Valeurs standards [SETRA 94] Couche de Module (15 C, 10 Hz) MPa MPa fondation µm/m 80 µm/m et b couche de base SN Plate-forme Module 160 MPa 120 MPa

11 Analyse d une structure de chaussée autoroutière par auscultation in situ et essais en laboratoire 11 Dans un premier temps, un calcul des déformations de la chaussée est effectué avec le logiciel Alizé afin de déterminer la déformation horizontale en bas de la couche de fondation, sous le chargement de l essieu de référence. Ensuite le trafic admissible est déterminé grâce, notamment, aux paramètres de fatigue du matériau. Le trafic pouvant être supporté par la chaussée, modélisé à partir des paramètres mécaniques des matériaux prélevé, parait être très élevé en comparaison de celui prévu lors du dimensionnement (Tableau 5). Tableau 5. Comparaison des trafics admissibles par la chaussée Trafic pouvant encore être supporté par la chaussée (fatigue et PL module mesurés en laboratoire) Trafic prévu lors du dimensionnement initial de la chaussée PL (fatigue et module standards [SETRA 94]) Trafic ayant déjà circulé sur la chaussée PL 5 Conclusion Cette étude s est attachée à évaluer l état de la chaussée d une section autoroutière existante par deux méthodes différentes. Dans un premier temps, une auscultation non destructive a permis d évaluer la portance de la chaussée. Grace à ces données et une méthode de calcul inverse, le module des matériaux (supposées élastiques linéaires isotropes) des différentes couches de chaussée a été déterminé. Dans un second temps, une portion de chaussée a été prélevée pour effectuer des essais en laboratoire sur les matériaux. Les modules déterminés par calcul inverse ont alors pu être comparés à ceux mesurés en laboratoire. Les valeurs obtenues pour les modules des couches bitumineuses sont proches de celles mesurées en laboratoire en considérant les épaisseurs réelles des couches bitumineuses. Cette méthode de calcul inverse n a pas permis d approcher de manière correcte le module de la plate-forme. Enfin la capacité résiduelle de la chaussée à supporter des cycles de trafic a été évaluée à partir des valeurs standards et des valeurs mesurées en laboratoire. En considérant les valeurs prises en compte lors du dimensionnement, la chaussée a consommé 81 % de cette capacité. Les calculs faits à partir des mesures effectuées sur les matériaux semblent démentir ce résultat et montrent que la capacité résiduelle à subir des cycles de trafic est très élevée en comparaison du trafic ayant déjà circulé. 6 Bibliographie [DI BENEDETTO 98] DI BENEDETTO H., DE LA ROCHE C., State of the Art on Stiffness Modulus and Fatigue of Bituminous Mixtures, Bituminous binders and mixtures : state of the art and interlaboratory tests on mechanical behavior and mix design, E&FN Spon, Ed. L. Francken, [FERRY 1980] FERRY J.D., "Viscoelastic Properties of Polymers", John & Sons, 1980.

12 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin [MESNIL 84] DU MESNIL-ADELEE M., PEYBERNARD J., «Traitement automatique des résultats de mesure en continu - Application aux mesures de déflexion», Bulletin de liaison du laboratoire des ponts et chaussées, n 30, mars-avril 1984, p [NF EN ] AFNOR, «Mélanges bitumineux - Méthodes d'essai pour mélange hydrocarboné à chaud - Partie 24 : résistance à la fatigue», septembre [NF EN ] AFNOR, «Mélanges bitumineux - Méthodes d'essai pour mélange hydrocarboné à chaud - Partie 26 : module de rigidité», décembre [NF P ] AFNOR, «Sols : reconnaissance et essais - Portance des plates-formes - Partie 1 : module sous chargement statique à la plaque (EV2)», avril [NF P ] AFNOR, «Essais relatifs aux chaussées - Mesure de la déflexion engendrée par une charge roulante - Partie 7 : détermination de la déflexion et du rayon de courbure avec un curviamètre.», décembre [OLARD 2003] OLARD F., DI BENEDETTO, H., General 2S2P1D model and relation between the linear viscoelastic behaviors of bituminous binders and mixes, International Journal Road Materials and Pavement Design, Vol. 4, p , [POUGET 2011] POUGET S., SAUZÉAT C., DI BENEDETTO H., OLARD F., Viscous energy dissipation in asphalt pavement structures and implication on vehicle fuel consumption, Journal of Materials in Civil Engineering, [SETRA 94] SETRA, Guide technique de dimensionnement des structures de chaussées, 1994.