Daniel Perraton & Hassan Baaj. Perraton, Baaj

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1 Comment se répercutent les résultats des essais de laboratoire liés à la performance en fatigue de l enrobé et à son module complexe au terme de la structure de la chaussée souple Daniel Perraton & Hassan Baaj

2 Plan de la Présentation Introduction Plan de la Recherche Résultats et Discussion Conclusion

3 Les sollicitations dans la chaussée La chaussée est soumise à de multiples Sollicitations Variations température Variations D humidité Trafic Poids lourds Fissures thermiques Gel - Dégel Déformations différentielles Orniérage Fatigue Rupture

4 Le design des chaussées souples Le phénomène de fatigue : C est le phénomène prépondérant à température «moyenne» dans les structures de chaussées souples Suivant une approche analytique de conception, On fixe h couche pour gérer l évolution de la fatigue

5 Le design des chaussées souples L effet de la charge d un essieu se traduit par une déformation en bas de couche

6 Le design des chaussées souples L effet de la charge d un essieu se traduit par une déformation en bas de couche ε h

7 Le design des chaussées souples L effet de la charge d un essieu se traduit par une déformation en bas de couche L amplitude de ε h est directement tributaire de la RIGIDITÉ des matériaux de la chaussée incluant celle des matériaux bitumineux! ε h la déflexion est RÉDUITE pour des matériaux PLUS RIGIDES réduisant ainsi ε h

8 Le design des chaussées souples Que représente la déformation ε h? L amplitude de ε h définie la DURÉE E DE VIE des matériaux traitées D un point de vue «MATÉRIAU», l effet du passage d un d véhicule se traduit par: La fatigue des matériaux traités Microfissurations qui s amplifient à chaque passage d un poids lourd Notion de DOMMAGES Le design, vise à contrôler le processus de Fatigue contrôler le cumul des dommages de manière à atteindre la vie escomptée

9 Le design des chaussées souples Comment différencier la «fatigue» entre 2 matériaux? Δ de Performance en Fatigue entre 2 matériaux bitumineux 1. Le Matériau LABORATOIRE 1. Mesure des Caractéristiques intrinsèques 1. E* 2. Fatigue 2. Vérifier comment ça se passe dans la structure STRUCTURE 1. Approche analytique (mécanistique) 1. E* ε h Δ vitesse auto! 2. Intègre Fatigue

10 Le design des chaussées souples En Amérique du Nord AASHTO 1993 Largement Répandu en Amérique du Nord Méthode Empirique: AASHTO Road Test (fin 50 s, IL, USA) Premier Guide 1961 Modifications limitées: 1972, 1981, 1986, 1993 Nouvelle méthode en développement 200X (20YX??) Ne considère aucun essai de performance des EB Dimensionnement : M r à 20 C!! Seulement Calibrée sur des matériaux des années 50 et dans les conditions climatiques de l ILLINOIS, USA

11 Le design des chaussées souples Au Québec AASHTO Gel-Dégel

12 Le design des chaussées souples Bilan Fatigue : Matériau et Structure Sélectionner deux enrobés bitumineux: Enrobé A: Enrobé Conventionnel Enrobé B: Enrobé Spécial Effectuer une caractérisation rhéologique (Mesures de Module Complexe) et évaluation de la résistance à la fatigue des deux enrobés. Utiliser les deux matériaux comme enrobé de couche de base dans deux sections identiques pour les autres couches Calculer les épaisseurs des couches avec AASTO 1993 Estimer la durée de vie en fatigue des deux sections (Enrobé A et Enrobé B) Comparer, discuter et conclure..

13 Module complexe et Fatigue Mesures de Modules Complexes E* Essai Non-destructif Température ( C): -35 C à +40 C Fréquence (Hz) : 20Hz à 0,01Hz Résistance à la Fatigue Essai Destructif Température : 10 C Fréquence : 10 Hz

14 Les différents essais de Fatigue Flexion Deux-Points Sinusoidal cyclic loading (force or displacement) Flexion Trois-Points Asphalt concrete specimen Failure section Flexion Fixed base Flexion Quatre-Points Essai de Fatigue Diamétral

15 Problématique inhérente aux essais de Fatigue en Flexion

16 Problématique inhérente aux essais de Fatigue en Flexion Flexion Deux-Points Sollicitation sinusoïdale Éprouvette d enrobé Base fixée Plan de rupture

17 Problématique inhérente aux essais de Fatigue en Flexion - Non-Homogène: Contraintes et Déformations varient d un point à l autre dans l éprouvette - Nécessité d assumer une loi de comportement (pas évident) - Contraintes et Déformations ne sont pas mesurables - Phase non-linéaire est rapidement entamée importante dispersion pas de corrélation entre les essais effectués en mode de force ou de déplacement imposé

18 Problématique inhérente à l essai de Fatigue diamétral

19 Problématique inhérente à l essai de Fatigue diamétral ΔH H 1 H 2 DH H 1 100% = εp

20 Problématique inhérente à l essai de Fatigue diamétral Chargement cyclique en compression Accumulation des déformations Rupture précaire Durée de vie très courte par rapport aux autres essais + ESSAI NON-HOMOGÈNE

21 Essai de Fatigue de Traction - Compression (T/C)

22 Fatigue Interprétation : Critère classique (50% perte de E*) E 0 E E 0 /2 N f N

23 Fatigue Interprétation : Droite de Wöhler Pour chaque éprouvette testée, on détermine le nombre de cycles N f correspondant à la rupture. Module E* 0 E 0 2 Log ε or σ Droite de Fatigue (Wöhler) N f N ε Log N f

24 Fatigue Interprétation : DURÉE DE VIE! Log (N f ) Enrobé B Enrobé A ε 6 = m/m ε 6 = Log = m/m (ε 10-6 m/m)

25 Fatigue Interprétation : DURÉE DE VIE!..RELATIVE Log (N f ) Durée de vie : ! Comment les comparer? Enrobé A Enrobé B Durée de vie : Log (ε 10-6 m/m)

26 Fatigue Performance Matériau : Durée de vie à 160 μdef Durée de vie 1.2E+07 Enrobé B 1.0E E E E E+06 Durée de Vie du B est 15X Durée de Vie du A Bilan Matériau! Enrobé A 0.0E+00

27 Fatigue Performance Structure : Configuration retenue 1750 MPa Enrobé A 5380 MPa 490 MPa 50 mm EB10S Épaisseur?? 300 mm MG MPa Enrobé B 3380 MPa 490 MPa 190 MPa 400 mm sable 3.8 % au 80μm 190 MPa 50 MPa Infra. 50 MPa

28 Fatigue Performance Structure : Design avec ASSHTO 1- Le trafic: ECAS Sol d infrastructure : Mr = 40 MPa (5 800 psi). 3- Sous-fondation : 400 mm de sable, Mr = 160 MPa ( psi). a 4 = 0,227 Log(Mr SB ) 0,839 = 0, Fondation : MG20, H B = 300 mm, Mr = 490 MPa ( psi). a 3 = 0,249 Log(Mr B ) 0,977 = 0, Couche de surface: 100 mm de EB10-S, E* = 1750 MPa (20 C 3 Hz). a 1 = 0,414 Log(E) 1,896 = 0,341

29 Fatigue Performance Structure : Configuration retenue 1750 MPa Enrobé A 5380 MPa 490 MPa 50 mm EB10S 140 mm 165 mm 25 mm 300 mm MG MPa Enrobé B 3380 MPa 490 MPa 190 MPa 400 mm sable 3.8 % au 80μm 190 MPa 50 MPa Infra. 50 MPa

30 Fatigue Performance Structure : Déformation ε h 1750 MPa 1750 MPa Enrobé A 140 mm εha Enrobé B 165 mm εhb Déformation calculées en bas de couches de base avec le logiciel KENPAVE (Y. H. Huang). Cas 1 - Milieu Urbain (30 Km/hre & 20 C) Cas 2 - Autoroute (100 Km/hre & 20 C)

31 Fatigue Performance Structure : Déformation ε h Déformation en bas de couche Section1 Enrobé A Section2 Enrobé B Urbain Autoroute 60

32 Remarque Les valeurs des durées de vie de la chaussée sont calculées à partir de l équation suivante: Cette équation, proposée par Huang* a été développée à partir des résultats des essais des fatigue de flexion quatrepoints (essai non-homogène) et les paramètres permettant le passage des résultats de laboratoire à la structure sont des paramètres empiriques. * Huang, H. Yang, Pavement Analysis and Design Second edition, Prentice Hall, ISBN:

33 Fatigue Performance Structure : Calcul Durées de Vie Durée de vie estimée 6.0E E E E E+08 Durée de Vie du B est 200 Urbain à 245 X 5.0E+08 Autoroute Durée de Vie du A Bilan Structure! Section1 Enrobé A N f = c 1 (ε h ) f2 (E s ) f3 Section2 Enrobé B 0.0E+00

34 Fatigue Performance Structure : Épaisseurs égale 1750 MPa 1750 MPa Enrobé A 140 mm εta 140 mm 140 mm Enrobé B 165 mm εtb La performance de la section 2 est nettement supérieure Solution: Réduire l épaisseur de la couche de base dans la section 2

35 Fatigue Performance Structure : ε h même H Déformation en bas de couche 110 Urbain Section1 Enrobé A Section2 (Modifié) Enrobé B Autoroute

36 Fatigue Performance Structure : Épaisseurs égale Durée de vie estimée 1.8E+08 Durée de Vie du B Urbain est 60 à 70X Autoroute Durée de Vie du A 1.6E E E E E E E+07 Bilan Structure! Section1 Enrobé A N f = c 1 (ε h ) f2 (E s ) f3 Section2 Enrobé B 2.0E E+00

37 Conclusions -On montre que l appréciation de la performance en fatigue dépend du point de vue dans lequel on se place: Matériau versus Structure : Matériau ne montre pas toutes les facettes! -Ceci reste vrai dans la mesure où l on caractérise de façon intrinsèque la performance en fatigue c est pas le cas avec les essais en flexion - Pour une évaluation dans le contexte de la structure - E* et Fatigue - La méthode AASHTO ne met pas en relief le gain attribuable à la performance en fatigue

38 Conclusions Suite La méthode AASHTO ne met pas de mettre en relief le gain attribuable à la performance en fatigue des matériaux: la plus value de certains procédés n est pas valorisée au détriment de d autres notion coût-performance est biaisée

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