Valorisation des bétons bitumineux recyclés et étude de leur renforcement

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1 Valorisation des bétons bitumineux recyclés et étude de leur renforcement Melbouci B.* Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou,Labo. Géomatériaux Environnement et Aménagement, Algérie. Sadoun S. Université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou,Labo. Géomatériaux Environnement et Aménagement, Algérie. Résumé Sous l action du trafic toujours plus contraignant et des agressions climatiques, les chaussées vieillissent, ce qui conduit au terme de leur durée de vie, à des couches ne présentant plus les caractéristiques compatibles avec les fonctions demandées. Les contraintes environnementales imposent la valorisation des matériaux existant dans les chaussées et de limiter l apport de matériaux dits «nouveaux» pour l entretien de ces dernières. La présente étude a pour objectif, d intégrer et de réutiliser le matériau fraisât d enrobé bitumineux en formulant un béton bitumineux neuf avec différents pourcentage d ajout de fraisât jusqu à obtention d un mélange ayant des qualités comparables à celles d un enrobé neuf, en le renforçant toutefois par des ajouts de granulats plastiques qui sont eux-mêmes un produit issu de recyclage de déchets plastiques ; Après que les différents matériaux de mélange soient préparés, les échantillons avec différents pourcentages d ajout de fraisât, en premier lieux, sont soumis aux essais Marshall et Duriez à sec et en présence d eau. Les résultats obtenus sont ensuite comparés à ceux obtenus sur les mélanges avec ajout de granulats plastiques. Les résultats du rapport résistance après immersion sur résistance à sec pour les différentes formules avec ou sans renforcement, sont conformes aux spécifications SETRA- LCPC. Mots clés : chaussée, béton bitumineux, fraisât, granulats plastiques, comportement * Auteur correspondant:

2 1. INTRODUCTION Depuis 2009, beaucoup d entreprises dans différents pays se sont engagés, à développer et à généraliser le recyclage des fraisât. Des engagements rendus possibles par l'arrivée à maturité des techniques de recyclage des enrobés. En centrale ou sur site, à chaud ou à froid, elles conjuguent économie de matériaux et d'énergie par rapport aux techniques traditionnelles. Parallèlement, des axes forts de recherche sont lancés dans le monde pour augmenter le taux de recyclage des agrégats d'enrobés et associer le recyclage à d'autres techniques environnementales performantes. La couche de roulement, longtemps considérée comme la couche «noble» et à ce titre exempte de recyclé, incorpore désormais classiquement 10 % de recyclé pour les chantiers importants. La présente étude a pour objectif, d intégrer et de réutiliser le matériau fraisât d enrobé bitumineux dans des chaussées nouvelles, en formulant un béton bitumineux neuf avec différents pourcentages d ajout de fraisât jusqu à obtention d un mélange ayant des qualités comparables à celles d un enrobé neuf, en le renforçant par des ajouts de granulats plastiques issus du recyclage des déchets plastiques. 2. GENERALITES SUR LES BETONS BITUMINEUX Un enrobé bitumineux est défini comme un mélange de liant bitumineux (5 à 7 % en masse), d agrégats et de fines (passant à 80 μm). Ces enrobés font appel à des propriétés bien spécifiques en particulier, un pouvoir d adhésion aux granulats et une consistance variable avec la température. On distingue trois types d enrobés: béton bitumineux très mince, béton bitumineux mince et l enrobé à module élevé. L enrobé bitumineux choisi doit être assez souple à faible température de service pour empêcher la fissuration et être suffisamment rigide à haute température de service pour prévenir l orniérage [1](Mouillet et al. 2008). Les problèmes d orniérage des couches de surface sont le résultat de l accumulation de déformations permanentes sous l effet de températures élevées [2](Loizos et al. 2000). Plusieurs études ont montrées que la cause principale de ces dégradations était la faible stabilité de la couche de roulement [3](Haddadi 2007). Pendant les périodes chaudes, l orniérage est d autant plus important que la circulation est canalisée à faible vitesse dans les zones d accélération ou de décélération. Le type d orniérage le plus rencontré sur les chaussées souples est issu du fluage de l enrobé bitumineux [4](Proteau & Paquin 2001et Saoula et al 2009) Choix de l utilisation d une classe de bitume et du liant régénérant Le choix de la classe de bitume tient compte des paramètres suivants : les sollicitations appliquées à la chaussée (trafic et climat), la susceptibilité du bitume à la température qui est fonction de son mode de fabrication et de l augmentation de la température de ramollissement du bitume Bille et Anneau (ΔTBA) due au vieillissement lors de la fabrication de l enrobé en centrale [5](Saoula 2010). On régénère un liant vieilli en lui apportant les parties plus légères qui lui font défaut. Une méthodologie d étude en laboratoire a été définie par le LCPC. Le recyclage en centrale doit permettre la conservation des caractéristiques du liant régénérant, dont la susceptibilité thermique augmente avec le taux de recyclage. 3. ETUDE DE FORMULATION ET DETERMINATION DU TAUX DE RECYCLAGE L étude de la formulation des enrobés bitumineux consiste à chercher la teneur optimale en liant pour assurer un certain seuil de stabilité, de compacité, de résistance à l eau (dés enrobage) et au fluage. Le taux de recyclage est calculé de manière à obtenir un enrobé ayant des caractéristiques comparables à celles exigées pour un enrobé neuf Provenance des matériaux Les granulats utilisés dans le cadre de la présente étude sont les fractions couramment utilisées en Algérie pour la fabrication des bétons bitumineux destinés aux couches de roulement. Les trois fractions utilisées sont 0/4, 4/8 et 8/16 extraites de la carrière d Ain-Touta. Leurs caractéristiques intrinsèques sont regroupées dans le tableau1.

3 Tableau 1: Caractéristiques intrinsèques des granulats. Essais Référence Fillers 0/4 4/8 8/16 Masse volumique réelle [KN/m 3 ] NA 255 2,65 2,66 2,66 2,66 LA[%] NA MDE [%] NA Le bitume Le bitume utilisé est le 35/50 provenant de Naftal. Les caractéristiques physiques et mécaniques du bitume de base sont résumées dans le tableau 2. Le bitume analysé répond bien aux caractéristiques de la classe 35/50 selon la norme NFT Tableau 2: Caractéristiques du bitume Type d essais Résultats moyenne Spécifications Pénétrabilité à 25 C (1/10 mm) Température bille et anneau «TBA» ( C) 52, Densité relative (g/cm 3 ) 1,01 1,01 1,0-1, Identification et caractéristiques des fraisât Les Fraisât utilisés dans la présente étude sont d une ancienne chaussée semi rigide (0/14) d un tronçon de l autoroute Est Ouest à Bouira. Les caractéristiques intrinsèques LA et MDE sont respectivement de l ordre 23 et 21. Les résultats obtenus sur les autres caractéristiques sont: module de richesse égal 2,86, teneur en liant est de 4,85%, surface spécifique est de 13,92 m 2 /kg et le pourcentage de fines est de 9%. Après récupération du bitume, on effectue les essais de caractérisation (Pénétrabilité égale à 21, Point de ramollissement égal à 60) Identification de l additif L additif utilisé est un produit de PR Industrie; qui recycle des produits plastiques (films plastiques, profilés de fenêtre, Polyéthylène haute densité (emballages de produits ménagers), matériaux chimiques contenant du carbone et de l'hydrogène, etc. Ce polymère (plastomère à 95%) est d une granulométrie de 4 mm. Il est dénommé PR PLAST S et offre, au niveau de l enrobé, un triple effet de renforcement. Un effet de liant offrant notamment un abaissement de la pénétrabilité, une augmentation de la température bille et anneau, un abaissement de la susceptibilité thermique. Un effet d armature initié par des fibres plastiques présentes en créant des ponts à l intérieur du squelette granulométrique. Un effet bloquant dû aux particules ramollies lors de la mise en œuvre et qui seront ainsi thermoformées lors du compactage en remplissant les vides du squelette granulométrique. L ensemble de ces trois effets permet à l enrobé ainsi amélioré d obtenir une amélioration importante des performances des chaussées et de leur durée de service. Les caractéristiques principales du PRPLAST sont : la densité variant de 0,910 à 0,965 et le point de fusion de 140 à150 C Formulation des mélanges bitumineux L étude de formulation a été menée selon la démarche suivante: choix de la formule granulaire, détermination des teneurs en bitume et composition des mélanges Choix de la formulation granulaire et teneur en bitume La courbe granulométrique du mélange est donnée dans la figure 1. Elle s inscrit parfaitement dans le fuseau spécifique au béton bitumineux semi grenu 0/14 selon les recommandations algériennes de Février Trois formulations ont été retenues dans cette étude (formulation A avec 10% de fraisât, formulation B avec 20% de fraisât et formulation C avec 30% de fraisât). Les teneurs en liants en fonction des modules de richesses sont données dans le tableau 3. La fabrication de l enrobé bitumineux au niveau du laboratoire a été réalisée conformément à la norme NFP

4 Tamisat [%] Courbe Granulométrique du mélange 0/ Courbe mélange Fuseau BB 0/ Trois formulations ont été retenues dans cette étude (formulation A avec 10% de fraisât, formulation B avec 20% de fraisât et formulation C avec 30% de fraisât). Les teneurs en liants en fonction des modules de richesses sont données dans le tableau 3. La fabrication de l enrobé bitumineux au niveau du laboratoire a été réalisée conformément à la norme NFP Tableau 3: Teneurs en bitume retenues. Formule A B C Module de richesse 3,45 3,6 3,75 Teneur en liant 5,59 5,84 6,08 4. ESSAIS DE PERFORMANCE MECANIQUE Les matériaux utilisés doivent être soumis à des essais mécaniques pour étudier leur comportement sous différentes sollicitations. Il s agit des essais Marshall et des essais Duriez normal (pour la couche de roulement) Essai MARSHALL Son but est de déterminer, pour une température et une énergie de compactage donnée, «la stabilité» et «le fluage» dits Marshall, d un mélange hydrocarboné à chaud. Les résultats des essais Marshall (tableau 4) montrent que les compacités des éprouvettes sont acceptables, les stabilités et les résistances aux fluages MARSHALL sont bonnes à l exception de celles de la formule A. La formule «C» présente les meilleures performances en termes de stabilité, fluage et quotient MARSHALL. Tableau 4: Résultats des essais MARSHALL. Formule granulaire A B C Spécifications Teneur en bitume [%] 5,59 5,84 6,08 Compacité [%] 93,47 94,67 93, Stabilité [KN] 10,42 12,80 18,03 > 10,5 Fluage [mm] 2,38 2,50 3,32 < 4 Quotient Marshall [KN/mm] 4,38 5,02 5,43 1 Tamis [mm] Figure 1 : Courbe granulométrique du mélange granulaire 0,1 0, Essai Duriez Le but de l essai est de déterminer, pour une température et un compactage donné, la tenue à l eau d un mélange hydrocarboné à chaud, à partir du rapport des résistances en compression avec et sans

5 Stabilité Marshall [KN] Fluage [mm] immersion des éprouvettes. Les résultats des essais DURIEZ (tableau 5) montrent que la résistance à la compression à sec et le rapport de résistance après immersion sur la résistance à sec sont conformes aux spécifications SETRA- LCPC. La formule «C» présente les meilleures performances en termes de résistance à la compression à sec. Tableau 5: Résultats des essais Duriez. Formule granulaire A B C Spécifications Rc à sec à 18 C [MPa] 8, ,7 > 7 Rc à 18 C immersion [MPa] 7 8,8 10,24 Rapport (Rc immersion/rc à sec) 0,84 0,80 0,88 > 0,80 5. INTERPRETATIONS DES RESULTATS Les résultats sont présentés sous forme de courbes et tableaux montrant le comportement des mélanges des bétons bitumineux neufs en faisant varier les pourcentages d ajout de fraisât et les pourcentages d ajout de granulats plastiques 5.1. Cas des essais Marshall sans plastique 10 2% de PR-PLAST 4% PR-PLAST 5 6% PR-PLAST 8% PR-PLAST Pourcentage de fraisât [%] 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Pourcentage de fraisât [%] sans plastique 2% PR-PLAST 4% PR-PLAST 6% PR-PLAST 8% PR-PLAST Figure 2: Résultats d essai Marshall en fonction du pourcentage d ajout de fraisât et de PRPLAST. La figure 2 montre la variation de la stabilité Marshall en fonction du pourcentage d ajout de fraisât et de PRPLAST S. Sans ajout de granulats plastiques, la valeur de stabilité obtenue est de 18 MPa, cette stabilité diminue avec l ajout des fraisât et atteint la valeur de 8MPa à 30% d ajout. Cette diminution peut se justifier par le fraisât de béton bitumineux qui a vieilli et qui a perdu beaucoup de ses caractéristiques mécaniques et chimiques et dont les granulats des différentes fractions sont usés. Avec l ajout de PRPLAST S, la stabilité Marshall s améliore relativement par rapport au seul ajout de fraisât. Après ajout de fraisât et de PRPLAST simultanément, on constate une diminution progressive de la stabilité pour les quatre mélanges. Une diminution progressive du fluage a été constatée avec l ajout des différents pourcentages des fraisât (figure 2). Cette diminution est due au bitume contenu dans les fraisât. En effet, le bitume une fois vieilli a tendance à durcir. Les valeurs du fluage obtenues après l ajout du PR PLAST S ont diminué par rapport aux premières valeurs initiales des mélanges de Béton Bitumineux avec fraisât. D après les résultats obtenus, la résistance au fluage a non seulement augmenté avec l ajout des fraisât mais aussi avec l ajout du PR PLAST S. Nous pouvons conclure que la stabilité Marshall à 30% d ajout de fraisât est au dessous de la spécification exigée par la norme. Après le renforcement effectué avec le PRPLAST S, nous remarquons que Les stabilités Marshall et les résistances aux

6 fluages augmentent à partir de 4% d ajout en PRPLAST et l enrobé se comporte comme un enrobé neuf à partir de 6% d ajout en PRPLAST Cas des essais Duriez La diminution de la résistance à la compression à l air libre qui est enregistrée après ajout de fraisât est liée à la résistance des granulats de ce dernier qui sont moins résistants par rapport aux granulats neufs ainsi que le bitume qui a vieilli et qui présente des caractéristiques moindres. Le tableau 6 montre que le rapport (résistance après immersion (Rc) / la résistance (Rc) à sec) évolue avec l augmentation du pourcentage d ajout des fraisât (tableau 6). Cela est dû au bon comportement du bitume vieilli mélangé avec l enrobé neuf. En effet, le bitume devient plus mou une fois sorti de l étuve ce qui le rend plus résistant à la compression. L ajout de PRPLAST a engendré une augmentation de la résistance à la compression (tableau 6). Ceci est dû à la présence des granulats plastiques qui sont très résistants et très flexibles. Les résultats du rapport résistance après immersion sur résistance à sec pour les différentes formules avec ou sans renforcement, sont conformes aux spécifications SETRA- LCPC.C est qu à partir de 6% d ajout de PRPLAST que les valeurs des résistances obtenues commencent à se stabiliser et se rapprochent de celles enregistrées avec 8% d ajout. La résistance à la compression en immersion augmente avec l ajout de fraisât qui est probablement dû au bitume vieilli contenu dans le fraisât. Tableau 6: Evolution des caractéristiques de l essai Duriez en fonction du % de fraisât. Formule granulaire A B C D Spécifications Ajout de fraisât [%] Ajout du PR PLAST S. [%] Rc à sec à 18 C [MPa] 17,73 17,04 16,92 16,51 > 7 Rc avec immersion à18 C [MPa] 15,30 16,42 16,53 16,88 - Rapport (Rc immersion/rc à sec) 0,86 0,96 0,98 1,02 > 0,80 6. CONCLUSION Les essais Marshall et Duriez réalisés sur les mélanges de béton bitumeux et fraisât nous ont permis non seulement, de mieux caractériser leur comportement et de déterminer le pourcentage d ajout de fraisât optimal que l on peut recycler, tout en restant dans les normes exigées par SETRA et LCTP ; mais aussi de déterminer l optimum d ajout de granulats plastiques pour atteindre les meilleurs résistances aux déformations permanentes du fluage ainsi qu à la compression et l orniérage. En effet, les résultats des essais effectués avec les différents pourcentages d ajout de fraisât montrent clairement que le recyclage des chaussées peut être effectué sans contraintes jusqu à 30% de matériau à recycler, malgré que la stabilité Marshall à ce pourcentage d ajout est faible. En outre, les résultats des essais Duriez effectués sur les différents mélanges, à la compression à sec ou en immersion à 18 C, augmentent avec l augmentation de l ajout de fraisât. Après renforcement avec les granulats plastiques de PRPLAST, les mélanges bitumineux se comportent comme un enrobé neuf. 7. REFERENCES [1] Mouillet V. et al Infrared microscopy investigation of oxidation and phase evolution in bitumen modified with polymers, Fuel, 87, [2] Loizos A., Enrobés modifiés anti-orniérants expérience crétoise, Revue Générale Routes et Aérodromes, N 782, pp [3] Haddadi S Influence de la poudrette de caoutchouc sur le comportement au fluage des enrobés bitumineux. Thèse de doctorat, USTHB, Alger, Algérie. [4] Proteau M. & Paquin Y Contribution de différents bitumes purs et bitumes modifiés par ajout de polymères à la résistance à l orniérage. Revue Générale Routes et Aérodromes, 793, [5]SAOULA S., Approche Modéliste et Valorisation des Enrobés Modifiés par Ajout de Polymères - Impact sur l Environnement. Thèse de Doctorat Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene, Alger, Algérie.

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