Caractérisation des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux recyclés

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1 Caractérisation des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux recyclés Ninouh Tarek Département de Génie Civil, Université de Tébessa, Algérie RÉSUMÉ. Les actions des intempéries et de la densité du trafic sont les causes de la dégradation des chaussées bitumineuses. Ces structures nécessitent un entretien régulier pour assurer le confort et la sécurité de tous les usagers. Le recyclage de l ancien matériau bitumineux offre de multiples avantages sur le plan environnemental : une économie de matériaux naturels, une forte diminution du trafic de poids lourds qui transportent ces matériaux et ainsi une grande économie d énergie. L objectif de cette recherche est de pouvoir recycler des matériaux bitumineux obtenus par fraisage de couches bitumineuses, tout en conservant un maximum des qualités du matériau recyclé et en utilisant le moins de granulat neuf possible. Pour cela, une série des essais a été effectuée sur des éprouvettes avec plusieurs formulations pour faciliter la comparaison entre les performances des matériaux recyclés et celles des matériaux réalisés avec de graves naturelles. Les résultats obtenus sont extrêmement encourageants pour l incorporation maximale d agrégats d enrobés aux enrobés produits. ABSTRACT. The action of weather and traffic density are the main cause of the deterrioration of pavements made of asphalt. The structures require regular maintenance to ensure the comfort and security for users. Using recycled bituminous materials, beyond the economic interest that it provides, presents other advantage such as the preservation of natural resources. The objective of the present research is to investigate the behaviour of recycled bituminous materials obtained by milling of asphalt layers, while keeping up the qualities of the recycled material and using the minimum quantities of new agregates. For this purpose, a serie of tests was conducted on samples with several formulations to understand the characteristics and to facilitate comparison between the performance of recycled and new materials. The primary results obtained are extremely encouraging for maximum incorporation of asphalt aggregates for asphalt products. MOTS-CLÉS: béton bitumineux, recyclage, caractérisation, environnement. KEY WORDS: asphalt, recycling, characterization, environment. 1. Introduction Dans un monde où on voit la nécessité de développer de nouvelles technologies et méthodes de gestion pour satisfaire les demandes environnementales, et cela sans altérer la performance des ouvrages.

2 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 Le développement durable est un thème actuel dans le secteur des chaussées bitumineuses car la construction routière est une grande consommatrice en granulats neufs ; de plus l entretien des routes passe nécessairement par le fraisage des anciennes couches de chaussée : ce qui entraîne la production d une grande quantité de déchets des matériaux bitumineux. L'utilisation de la technique de fraisage- recyclage des enrobés bitumineux pour leur réutilisation dans les projets routiers permettra de réduire le coût global d'un projet de 30 % à 40%. Et d un point de vue environnemental, le recyclage des enrobés permet de limiter l utilisation des ressources naturelles non renouvelables dans la construction des infrastructures, en plus de réduire la quantité de rebuts dans les lieux d entreposage. La technique de fraisage- recyclage des enrobés bitumineux pour leur réutilisation dans les projets routiers a été introduite en Algérie en 2005 et a été appliquée sur la voirie urbaine et les grands boulevards des grandes villes. Le principal objectif de cette recherche est de pouvoir recycler des matériaux enrobés, tout en conservant un maximum des qualités du matériau recyclé et en utilisant le moins de matériau neuf possible. De nombreux essais présentés dans ce travail visent à évaluer les performances mécaniques des matériaux bitumineux préparés avec des différents pourcentages d'ajout de fraisât. Avant de commencer la préparation de mélanges bitumineux avec de enrobés recyclés, il est recommandé de vérifier les caractéristiques de constituants des matériaux bitumineux (granulats et bitume) du fraisât et des matériaux neufs. 2. Caractéristiques des agrégats d enrobés utilisés Les agrégats d enrobés à recycler sont caractérisés après récupération (matériaux issus du fraisage) ou après conditionnement (concassage et criblage) comme suit : a. Après récupération Les agrégats d enrobés récupérés par fraisage sont destinés à être réutilisés sans conditionnement supplémentaire possèdent les caractéristiques moyennes suivantes : -Une granularité 0/14 mm, la granularité étant principalement dépendante de la vitesse d avancement de la fraiseuse et aussi de la profondeur de fraisage ; -Le conditionnement par concassage-criblage permet d obtenir des granularités conformes à celles souhaitées pour l utilisation envisagée. b. Après conditionnement Les caractéristiques moyennes de ces agrégats (obtenus par fraisage ou concassage-criblage): - granularité 0/14mm ; - le pourcentage de fines variant de 6 à 10.

3 Caractérisation des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux recyclés Les granulats ont été soumis aux tests d'évaluation classiques : répartition granulométrique pour évaluer la compacité du mélange, coefficient Los Angeles LA pour connaître la dureté aux chocs, et coefficient MDE pour déterminer la résistance des granulats à l'usure. La figure 1 donne une idée de la courbe granulométrique moyenne obtenue à partir d analyses d agrégats du fraisât d enrobés utilisés dans la présente étude. Figure 1. Courbe granulométrique moyenne des agrégats Et le Tableau 1 donne les caractéristiques mécaniques des granulats utilisés. Tableau 1. Caractéristiques mécaniques des granulats Caractéristiques mécaniques Los Angeles LA Micro-Deval en présence d eau MDE Valeurs 23, Caractéristiques du bitume Le bitume confère à l enrobé sa flexibilité et sa capacité à résister à certaines dégradations causées par plusieurs facteurs surtout le trafic et les conditions climatiques.

4 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 La teneur en liant des agrégats à recycler est fonction du type de récupération (fraisage ou démolition). Lorsque les agrégats sont récupérés par fraisage d une couche d enrobé homogène, la teneur en liant est proche de celle de l enrobé d origine. Mais si les agrégats sont obtenus après conditionnement (concassage - criblage) d enrobés de provenances diverses, la teneur en liant moyenne est, généralement, de l ordre de 4 à 4,7%. Le vieillissement du bitume se traduit par une augmentation de sa consistance (durcissement) et de sa teneur en asphaltènes. Les caractéristiques du liant vieilli dépendent ainsi des caractéristiques du liant d origine, du nombre d années de service, de la porosité de l enrobé, de la température, des rayons ultraviolets du soleil, de la nature des granulats et des sollicitations subies par l enrobé récupéré. Les bitumes sont caractérisés par des essais normalisés dont les plus connus sont la pénétrabilité et le point de ramollissement qui permettent d apprécier leur consistance. Par ailleurs, les modifications de consistance pouvant s accompagner de variations de la quantité et de la qualité des asphaltènes. Cette teneur en asphaltènes est aussi un élément pris en compte dans la caractérisation du liant ancien, parce que ces caractéristiques influent sur le choix d un liant de régénération. La teneur en bitume soluble obtenue après extraction du liant des agrégats du fraisât étudié par la centrifugeuse à flux continu, et les propriétés de ces liants récupérés sont donnés respectivement dans les tableaux 2 et 3. Tableau 2. Teneur en liant récupéré Teneur en liant Minimum Maximum Moyenne Tableau 3. Propriétés de liant récupéré Valeurs Valeur Min. Valeur Max. Valeur Moyenne Ecart max. Pénétrabilité TBA Formulation des enrobés

5 Caractérisation des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux recyclés Les enrobés bitumineux sont des composants essentiels dans la construction des chaussées. Alors, une bonne conception de ces matériaux garantit une durabilité et une tenue de l ouvrage réalisé. Les gains d une étude de formulation se traduisent par un confort et une sécurité accrus pour l usager de la route et aussi par une diminution des coûts d entretien pour le gestionnaire de la route. L objet de l étude de formulation est de définir les dosages des divers constituants capables d atteindre et d assurer, au cours de la vie de la chaussée, le maintien à un niveau satisfaisant des performances. L étude de formulation de ces matériaux consiste en une série de compromis, puisque le comportement de l enrobé oscille entre sensibilité aux déformations permanentes et à la fissuration par fatigue ou au désenrobage par arrachement des granulats. La formulation de matériaux hydrocarbonés peut donc être décomposée en trois phases principales : - la sélection et l identification des constituants (granulats et bitume); - la formulation et la mise au point du mélange; - l épreuve de formulation pour la validation des mélanges bitumineux. La figure 2 présente la démarche proposée par la formulation française des matériaux enrobés. Figure 2. Formulation des matériaux enrobés Les caractéristiques de laboratoire du mélange bitumineux étudié constituent des indicateurs des futures propriétés d usage.

6 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012 Des éprouvettes d enrobés bitumineux ont été préparés avec des granulats neufs et des autres éprouvettes avec trois pourcentages : 10, 30 et 50 % de fraisât, voir le Tableau 4. Tableau 4. Différents pourcentages des matériaux recyclés dans les éprouvettes testés Enrobés Bitumineux Pourcentage des Teneur en liant matériaux recyclés EB EB EB EB La série suivante de test et de mesures effectuée au laboratoire permettant de réaliser toute épreuve de formulation d enrobés (composition granulométrique et du dosage optimal en liant régénérant): - Essai PCG : optimisation du mélange et prévision de son comportement «in situ». - Essai Duriez : pourcentage de vide, résistance à la compression, tenue à l eau. - Essai Marshal : le taux de recyclage est calculé de manière à obtenir un enrobé ayant des caractéristiques comparables à celles exigées pour un enrobé neuf Essai PCG Le mélange hydrocarboné préparé en laboratoire, est placé, dans un moule cylindrique de 150 mm de diamètre. Puis on applique sur le sommet de l'éprouvette une pression verticale de 0,6 MPa. En même temps, l'éprouvette est inclinée d'un angle faible de l'ordre de 1 (externe) ou 0,82 (interne) et soumise à un mouvement circulaire. Ces différentes actions exercent sur l éprouvette un compactage par pétrissage. Pour un nombre de girations donné, fonction du type d'enrobés, de la nature des granulats et de l'épaisseur de mise en œuvre, le formulateur peut prévoir le pourcentage de vides sur le chantier. Figure 3. Principe de l essai PCG

7 Caractérisation des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux recyclés Les mélanges fabriqués à 20 C sont trop raides pour être compactés avec le matériel de compactage classique. En effet, à température ambiante, la forte viscosité du bitume nécessite une forte énergie de compactage, Figure 4. Figure 4. Evolution de la teneur en vide on fonction du nombre de girations 4.2. Essai de tenue à l eau DURIEZ Cet essai a pour but de déterminer la résistance à la compression d'une éprouvette d'enrobé de poids et de section déterminés. Il permet également de définir la tenue à l'eau de l'enrobé par le rapport des résistances à la compression après et avant immersion de l'éprouvette dans un bain d'eau thermostatique. Le mélange hydrocarboné est compacté dans un moule cylindrique par une pression statique à double effet. Une partie des éprouvettes est conservée sans immersion à température (18 C) et hygrométrie contrôlées, l'autre partie est conservée immergée. Chaque groupe d'éprouvettes est écrasé en compression simple. Le rapport de la résistance après immersion à la résistance à sec donne la tenue à l'eau du mélange. La résistance à sec est une approche des caractéristiques mécaniques, et la compacité constitue un indicateur complémentaire à l'essai de compactage à la PCG. A partir de cet essai on peut déterminer : - La résistance en compression à l air R ; - La résistance en compression à l eau ; - (r/r) : tenue à l eau et qui traduit l aptitude de l enrobé à résister au désenrobage sous l action de l eau ;

8 XXX e Rencontres AUGC-IBPSA Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin Le pourcentage des vides ; - La masse volumique apparente du granulat dans l éprouvette. Le tableau 5 présente les résistances en compression à l air R et les résistances en compression à l eau des différentes éprouvettes. Tableau 5. Résistances en compression R et r Formule granulaire EB1 EB2 EB3 EB4 Rc à 18 C (MPa) r à 18 C immersion (MPa) Rapport (r/r) L'essai Marshall L'essai Marshall a pour but de déterminer la teneur en vides ainsi que des caractéristiques mécanique d'un enrobé bitumineux. Il sert de valeur indicative et de précieuses indications sur la régularité d'une production. L'essai Marshall permet d'avoir les caractéristiques suivantes : - La stabilité S [kn]] qui est la résistance maximale à l'écrasement. - Le fluage Ft [mm] qui est le raccourcissement du diamètre de l'éprouvette au moment de sa rupture. Le tableau 6 résume les résultats obtenus par l'essai Marshall. Tableau 6. Résultats de l'essai Marshall Formule Granulaire EB1 EB2 EB3 EB4 Teneur en bitume (%) Compacité C(%) Stabilité S(KN) Fluage Ft(mm) Analyse des résultats: Par comparaison, on peut remarquer que les résultats obtenus par tous les essais avec des différents pourcentages d'ajout de fraisât sont très proches, bien que certaines éprouvettes montrent peu de différences entre les valeurs obtenus par l essai Marshall. Pour arriver à une quantité optimale de vides, nous avons fait l'évaluation du mélange en fonction de la teneur en liant de celui-ci. A une température ambiante, la forte viscosité du bitume ne permet pas d avoir un pourcentage faible de vide. Les méthodes de dosage des bétons bitumineux reposent essentiellement sur la façon de

9 Caractérisation des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux recyclés sélectionner la teneur en liant et cela se justifie par le fait que celle-ci est d'une grande influence relativement à toutes les caractéristiques désirées d'un enrobé. Conclusion Les essais de laboratoire montrent qu il n existe pas de différences significatives entre les mélanges à faible contenu de matériaux bitumineux de recyclage et ceux à plus fort contenu de ces matériaux. Alors la quantité de matériaux recyclés utilisée dans les mélanges peut être augmentée jusqu à 50% sans affecter les performances de ce mélange. L amélioration des techniques de recyclage, va diminuer la demande en matières premières, et de préserver les gisements et au même temps de réduire le bilan énergétique. Et Il convient de noter que la quantité utilisée des enrobés (bitumes et granulats) en Algérie pour les cinq dernières années a dépassés 60 millions de tonnes. Notre but à travers cette recherche est de permettre une rationalisation des procédures de fabrication des enrobés avec des agrégats de recyclage locaux pour lesquels il n'existe pas dans notre pays de procédures codifiées de fabrication adaptées aux conditions locales (surtout climatiques). 1. Bibliographie [AIP01] AIPCR. «Recyclage des chaussées souples existantes» Association mondiale de la route, [BIT10] BITUME QUEBEC. «Le Recyclage Des Enrobés Bitumineux» Bulletin Technique, Octobre [BIT05] BITUME INFO «Le recyclage à froid des enrobés routiers», Bulletin Technique, [IDR11] INSTITUT DES ROUTES, DES RUES ET DES INFRASTRUCTURES POUR LA MOBILITE. «Classification et aide au choix des matériaux granulaires recyclés pour leurs usages routiers hors agrégats d enrobés». Note D information N 22 Février 2011 [FAR98] FARCAS F., «Etude d une méthode de simulation du vieillissement des bitumes sur route», Document publié par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, (1998) [LAN] LANGELET M. et PIERRON D. «Formulation des enrobés bitumineux» CTE de l est France [ROD04] RODRIGUEZ M. «Résistance mécanique d'enrobé avec matériau recyclé», Journée Technique LAVOC Lausanne, Septembre 15, 2004