FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES DE GRANULATS BITUMINEUX RECYCLES

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1 Mémoire de projet de fin d études -Spécialité Génie Civil- FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES DE GRANULATS BITUMINEUX RECYCLES Auteur : Simon LACHAMBRE INSA Strasbourg, spécialité Génie Civil, option Aménagement du territoire Tuteur entreprise : Alan CARTER Ecole de Technologie Supérieure de Montréal, Ing., Ph.D., Professeur Tuteur INSA : Cyrille CHAZALLON INSA Strasbourg, Maitre de conférence RAPPORT FINAL

2 Remerciements Je tiens à remercier mon tuteur entreprise Alan CARTER de m avoir accueilli au sein de son laboratoire et de m avoir aiguillé tout au long du stage, ainsi que mon tuteur d école Cyrille CHAZALLON pour l attention et les corrections qu il a apporté à mon projet. Je tiens aussi à remercier le technicien Francis BILODEAU pour sa disponibilité et son aide au cours des essais de laboratoire. Enfin, je salue mes collègues Arnaud MONTALANT et Romain THOMAS, présents pour m aider à réaliser certaines expériences. Page 2

3 Avant propos Après plus de quatre années de formation supérieure ponctuées de quelques expériences professionnelles à différentes échelles hiérarchiques, le projet de fin d études représente la transition entre la vie universitaire et la vie professionnelle en offrant l opportunité d exprimer ses capacités tout en enrichissant son savoir dans un domaine qui nous passionne. Ce projet met à l épreuve notre esprit de synthèse, d analyse, d organisation et d autonomie pour résoudre un problème réel dans une situation réelle. C est dans ce contexte que je réalise du 24 janvier 2011 au 10 juin 2011 mon projet de fin d études au sein du Laboratoire Universitaire de Chaussée, Route et Enrobé Bitumineux (LUCREB) de l École de Technologie Supérieure de Montréal. After four years of engineering school training punctuated by hierarchical scales internships, the Final Project represents the transition between university and professional life. It offering us the opportunity to express our capabilities while enhancing our knowledge in a field that fascinate us. This project will test our ability to synthesize, organize and solve a real situation problem. In this context, from January 24, 2011 to June 10, 2011, I realize my Final Project in the University Laboratory of Road and asphalt (LUCREB) of the Superior School of Technology (ETS, Montréal, Québec). Page 3

4 Abstract L industrie de la route est de plus en plus confrontée au problème du manque de ressources et à la sensibilisation écologique. Les ressources pétrolières pour la réalisation du bitume se raréfient, la fabrication des enrobés consomme beaucoup d énergie et la mise en œuvre à haute température pose des problèmes de santé publique. Certes, la fabrication et la mise en œuvre à basse température d enrobés performants utilisant des matériaux bitumineux recyclés est utilisée mais cette technique doit être optimisée. En d autres termes, peut-on formuler ce type d enrobés en utilisant des pourcentages élevés de granulats recyclés tout en conservant des performances similaires à un enrobé à chaud classique? Quelles sont les limites de l utilisation des granulats recyclés? Nowadays, Road industry is facing resources and environmental awareness problems. Petroleum resources for bitumen realization are scarce, manufacture of asphalt consume a lot of energy and finally, high temperature implementation is supposed to cause health problems. Actually, manufacture and implementation of performed low-temperature asphalt using reclaimed asphalt pavement is used, but this technique should be optimized. In other words, can we use high percentages of recycled asphalt in low energy asphalt while maintaining similar performances to conventional hot mix asphalt? What are the limits of recycled asphalt use? Page 4

5 Sommaire 1. INTRODUCTION PRESENTATION PRESENTATION DE L ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPERIEURE PRESENTATION DU LABORATOIRE L.U.C.R.E.B RAPPELS SUR LES ENROBES BITUMINEUX COMPOSITION ET ROLE DES COMPOSANTS DE L ENROBE BITUMINEUX LES DIFFERENTS TYPES D ENROBES BITUMINEUX FABRICATION DES ENROBES BITUMINEUX IMPORTANCE DE LA FORMULATION LES ESSAIS SUR ENROBES BITUMINEUX ÉTAT DE L ART DU PROJET LE PROCEDE DE «LOW ENERGY ASPHALT» POUR LA MISE EN PLACE DES ENROBES SEMI-TIEDES Bref historique du concept Avantages du système Explication de la démarche technique Perspectives pour le projet L UTILISATION DU «GRANULAT BITUMINEUX RECYCLE» (GBR) OU «RECLAIMED ASPHALT OF PAVEMENT» (RAP) Introduction Importance de la nature, de l âge et du pourcentage de granulats bitumineux recyclés Problème de la combinaison des bitumes : The black rock ÉTAT DES LIEUX DES EXPERIENCES SUR LES ENROBES SEMI-TIEDES CONTENANT DES GRANULATS BITUMINEUX RECYCLES DESCRIPTION DU PROJET RAPPEL DE L OBJECTIF DEFINITION DES MOYENS DE REALISATION ORGANIGRAMME EXPERIMENTATION DEFINITION DES PROCEDURES D ESSAIS ET DES CRITERES DE VALIDATION DES MELANGES (FORMULATION DE NIVEAU 1) Procédure d analyse granulométrique Procédure de formulation LC pour les enrobés bitumineux Procédure de malaxage des enrobés Procédure d essai pour la densité maximale Procédure d essai de la presse à cisaillement giratoire Procédure de réalisation du mélange pour la plaque Procédure de compaction du mélange PROCEDURES ET EXPLICATIONS SUR LES ESSAIS DE RETRAIT THERMIQUE EMPECHE ET DE MODULE COMPLEXE Préparation pour les essais Procédures et explications sur le retrait thermique empêché Introduction Principe de l essai et mode opératoire Résultats types et calculs Procédures et explications sur l essai au module complexe Page 5

6 Introduction Etude expérimentale (essai de traction-compression directe (TCD)) PREMIERE PHASE D ESSAIS AVEC UN BITUME DE TYPE PG Introduction et explications Granulométries utilisées et procédure suivie Granulométries expérimentées Procédure de réalisation Résultats obtenus Test complémentaire du bitume Bilan SECONDE PHASE D ESSAIS AVEC LE BITUME DE TYPE PG Réalisation de l enrobé témoin pour les essais de retrait thermique et de module complexe Caractéristiques granulaires du mélange Caractéristiques du malaxage pour les essais PCG et dmm Caractéristiques du malaxage pour la réalisation et le compactage de la plaque Réalisation des essais pour l enrobé LEA contenant 30% de granulats bitumineux recyclés Introduction Caractéristiques granulaires et bitumineuses du mélange Travaux préliminaires Malaxage pour les essais PCG et dmm Détail des températures de l essai Description des mélanges réalisés Malaxage et compactage de la plaque Réalisation des essais pour l enrobé LEA contenant 50% de granulats bitumineux recyclés Caractéristiques granulaires et bitumineuses du mélange Malaxage pour les essais de PCG et dmm Description des mélanges Températures caractéristiques des essais Malaxage et compactage de la plaque Réalisation des essais pour l enrobé LEA contenant 70% de granulats bitumineux recyclés Caractéristiques granulaires et bitumineuses du mélange Malaxage pour les essais dmm et PCG Températures caractéristiques des essais Description des mélanges réalisés Malaxage et compactage de la plaque RESULTATS ET ANALYSES Introduction Les résultats de validation des mélanges (test de formulation niveau 1) Résultats du mélange témoin Résultats du mélange LEA+30% de GBR Enrobé LEA+50% de GBR Enrobé LEA+70% de GBR Comparaison et bilan des essais PCG Essai de retrait thermique empêché Introduction Comparaison des résultats de l essai de retrait thermique Essai de traction-compression directe pour le module complexe Introduction Représentation de Cole and Cole Bilan CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES Page 6

7 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Table des figures FIGURE 1 : LOGO DE L'ECOLE [ 10 FIGURE 2 : LOGO DU LABORATOIRE [RECHERCHE.ETSMTL.CA/LUCREB] FIGURE 3 : SCHEMA HEURISTIQUE DE L'IMPORTANCE DE LA FORMULATION FIGURE 4 : COMPARAISON ENERGETIQUE DES DIFFERENTS PROCEDES DE REALISATION DES ENROBES (F. OLARD 2007) FIGURE 5 : ENERGIE NECESSAIRE A LA PRODUCTION D'UNE TONNE D'ENROBE FIGURE 6 : SCHEMA DE DEROULEMENT DU PROCEDE LEA DE TYPE 1 (OLARD, ET AL. 2009) FIGURE 7 : SCHEMA DE DEROULEMENT DU PROCEDE LEA DE TYPE 2 (OLARD, ET AL. 2009) FIGURE 8 : SCHEMA DE DEROULEMENT DU PROCEDE LEA DE TYPE 3 (OLARD, ET AL. 2009) FIGURE 9 : EXEMPLE DE GRAPHIQUE DU COMBINE GRANULAIRE POUR LA FORMULATION D UN ENROBE ESG FIGURE 11 : COMPORTEMENT D'UNE CHAUSSEE AU PASSAGE D'UNE ROUE FIGURE 12 : REPRESENTATION DU MODULE COMPLEXE FIGURE 13 : EXEMPLE DE REPRESENTATION DANS LE PLAN DE COLE AND COLE FIGURE 14 : EXEMPLE DE REPRESENTATION DANS LE PLAN DE BLACK FIGURE 15 : COURBES GRANULOMETRIQUES DES DIFFERENTS MELANGES TESTES FIGURE 16 : COMPARAISON SOMMAIRE DES RESULTATS PCG OBTENUS POUR LES DIFFERENTS MELANGES PRECEDENTS FIGURE 17 : COURBE GRANULOMETRIQUE DE L'ENROBE RETENUE POUR LA REALISATION DE LA PLAQUE FIGURE 18 : COURBE GRANULOMETRIQUE DE L'ENROBE LEA+30% DE GBR FIGURE 19 : COURBE GRANULOMETRIQUE DU MELANGE LEA+50% DE GBR FIGURE 20 : COURBE GRANULOMETRIQUE DU MELANGE LEA+70% DE GBR FIGURE 21 : RESULTATS DE LA PRESSE A CISAILLEMENT POUR LES DIFFERENTS MELANGES FIGURE 22 : COUPE DE L'ECHANTILLON DE PCG FIGURE 23 : RESULTATS DES ESSAIS PCG FIGURE 24 : COUPE DE L'ECHANTILLON DE PCG FIGURE 25 : RESULTATS DES ESSAIS PCG FIGURE 26 : COMPARAISON DES ESSAIS PCG VALIDES FIGURE 27 : COMPARAISON DES MELANGES APRES ESSAI AU RETRAIT THERMIQUE EMPECHE FIGURE 28 : COMPARATIF DES PENTES DE RELAXATION FIGURE 29 : COMPARAISON DES PENTES FIGURE 30 : REPRESENTATION DE L'ENROBE TEMOIN DANS LE PLAN DE COLE, COLE FIGURE 31 : REPRESENTATION DE L'ENROBE LEA+50% DE GBR DANS LE PLAN DE COLE, COLE FIGURE 32 : COMPARAISON DU COMPORTEMENT VISCOELASTIQUE DANS LE PLAN DE COLE AND COLE Table des tableaux TABLEAU : DIFFERENTES GRANULOMETRIES TESTEES TABLEAU : FORMULATION VALIDE AVEC BITUME PG TABLEAU : RESULTATS DECOULANT DE L'ANALYSE AU VISCOSIMETRE TABLEAU : GRANULOMETRIES TESTEES TABLEAU : FORMULATION RETENUE TABLEAU : GRANULOMETRIE RETENUE POUR L'ENROBE LEA+30% DE GBR TABLEAU : GRANULOMETRIE RETENUE Page 7

8 TABLEAU : GRANULOMETRIE RETENUE TABLEAU 9 : NOMBRE DE VIDES EN FONCTION DE CHAQUE MELANGE TABLEAU 10 : COMBINE GRANULAIRE DU MELANGE RETENU TABLEAU 11 : CARACTERISTIQUES DE VIDES DU MELANGE RETENU TABLEAU 12 : CARACTERISTIQUES DE VIDES DES MELANGES TESTES TABLEAU 13 : COMBINE GRANULAIRE DU MELANGE RETENU TABLEAU 14 : CARACTERISTIQUES DE VIDES DU MELANGE RETENU TABLEAU 15 : CARACTERISTIQUES DE VIDES DES MELANGES TESTES TABLEAU 16 : CARACTERISTIQUES DE RUPTURE DES TROIS MELANGES TESTES TABLEAU 17 : COMPARAISON DES COEFFICIENTS DIRECTEURS DE LA PENTE DE RELAXATION TABLEAU 18 : COEFFICIENTS DIRECTEURS DES PENTES POUR CHAQUE MELANGE Page 8

9 1. Introduction Au cours du XXe siècle, le développement de l industrialisation et des moyens de transport a favorisé l essor des chaussées bitumineuses. L enrobé s est vite imposé comme la chaussée de référence de par ces caractéristiques mécaniques, son confort et son aspect sécuritaire pour l usager. La construction routière est devenue un outil social, politique et économique majeur pour la société (CORTE et Di BENEDETTO 2004). Toutefois, l industrie de la route se confronte depuis quelques années au problème de la sensibilisation écologique et du développement durable. Les techniques de réalisation et de mise en œuvre ont nettement évolué depuis le début du XXe, mais certains problèmes restent toujours d actualité (enrobé.fr s.d.). Dans un premier temps, les enrobés dits à chaud consomment beaucoup d énergie pour maintenir à haute température l ensemble des composants du mélange. C est dans ce contexte que des nouvelles techniques de réalisation ont été mises en œuvre au début des années 2000 pour pallier à ce problème de surconsommation énergétique. Une de ces techniques est la mise en place d enrobés dit semi-tièdes. Ces enrobés dont la température n excède jamais les 100 C du malaxage à la mise en œuvre sont obtenus par un procédé particulier (LEA : Low Energy Asphalt) qui permet de diminuer l énergie nécessaire à la réalisation tout en maintenant les caractéristiques des enrobés à chaud. D autre part, on ne peut parler de développement durable sans aborder le sujet du recyclage. Le recyclage pour la réutilisation des enrobés est en perpétuelle évolution (Bitume Québec 2010). En effet, ce recyclage possède de nombreux avantages tel que la réduction des émissions, la diminution de la consommation énergique et des coûts de production ou encore la préservation des ressources naturelles. Actuellement, les normes en Europe et en Amérique du Nord restreignent l utilisation des enrobés recyclés à des pourcentages relativement faible pour des raisons d opinion publique et car la quantité de ressources actuelles ne nécessite pas l utilisation de pourcentages d enrobés recyclés importants. Toutefois, avec l augmentation du prix du bitume et la diminution des granulats disponibles dans certains pays, l utilisation des enrobés recyclés demeure une technique d avenir (Bitume Québec 2010). C est donc dans ce contexte que s inscrit la problématique de mon projet de fin d études. Cette étude vise à faire interagir la technique des enrobés semi-tièdes avec l utilisation des enrobés recyclés. Le sujet consistera donc à formuler des enrobés semi-tièdes contenant des pourcentages élevés d enrobés recyclés par la méthode LEA puis à analyser le comportement et la résistance mécanique de ces derniers. L étude se décomposera en plusieurs étapes ; Dans un premier temps, il s agira de faire des rappels sur les enrobés bitumineux puis d établir l état de l art des études ayant un rapport avec le sujet de façon à mettre en avant les études antérieures, la nécessité du projet ainsi que les éléments théoriques nécessaires au bon déroulement de la suite du projet. Ensuite, le rapport s articulera autour de l expérimentation (procédures mises en œuvre et essais réalisés) puis de l analyse des résultats et leur interprétation. Des conclusions seront alors apportées. Page 9

10 2. Présentation 2.1. Présentation de l École de Technologie supérieure Figure 1 : Logo de l'école [ L École de technologie supérieure (ÉTS), fondée en 1974, est une constituante du réseau de l'université du Québec. Elle propose des formations en trois cycles : le premier consacré aux baccalauréats et les second et troisième cycles regroupant les maîtrises, les DESS, les programmes courts ainsi que les doctorats en génie. Les domaines d étude offerts couvrent une demi-douzaine de génies. Ainsi l école rassemble près de 25 % de toute la population étudiante au baccalauréat en génie au Québec, ce qui la classe au premier rang des établissements universitaires offrant ce type de formation. (Ecole de Technologie Supérieure de Montréal s.d.) En matière de formation, l ÉTS, c est : étudiants, 130 professeurs, 22 maîtres d enseignement général et quelque 200 chargés de cours millions de dollars alloués à la recherche annuellement. Autour de 40 % provenant de contrats de recherche du milieu industriel. - Plus de stages rémunérés accessibles en milieu industriel dans plus de 900 entreprises avec une moyenne salariale de CAD par stage finissants qui obtiennent leur diplôme et qui s intègrent aux diplômés travaillant déjà dans différents secteurs de l ingénierie (Ecole de Technologie Supérieure de Montréal s.d.) En matière de débouchés, les statistiques montrent que : - 95 % des étudiants diplômés du premier cycle occupent un emploi ou poursuivent leurs études au 2e cycle % des étudiants ont trouvé un emploi dans les six mois qui ont suivi l obtention de leur diplôme % d entre eux obtiennent un emploi dans une entreprise où ils ont déjà fait un stage (Ecole de Technologie Supérieure de Montréal s.d.) (Laboratoire Universitaire sur les Chaussées, Routes et Enrobés Bitumineux s.d.). Page 10

11 2.2. Présentation du laboratoire L.U.C.R.E.B. Figure 2 : Logo du laboratoire [recherche.etsmtl.ca/lucreb] Parmi les différents génies que possède l école se trouve le département du génie de la construction autour duquel gravitent cinq groupes de recherche, dont le laboratoire L.U.C.R.E.B. Ce laboratoire, l un des mieux équipés du Québec, permet de réaliser un panel important de formulations et essais sur les enrobés bitumineux, domaine dans lequel je désirais réaliser mon projet (Laboratoire Universitaire sur les Chaussées, Routes et Enrobés Bitumineux s.d.). Le laboratoire L.U.C.R.E.B poursuit trois objectifs distincts : élaborer des projets de recherche adaptés à la réalité québécoise, permettre à l industrie de disposer d un laboratoire performant et former des ingénieurs qualifiés sur des techniques et des théories actuelles. Le LUCREB occupe une position très avantageuse parmi les laboratoires nordaméricains de R&D des enrobés bitumineux grâce à une équipe au savoir-faire reconnu et à des équipements de haute technologie. Page 11

12 3. Rappels sur les enrobés bitumineux 3.1. Composition et rôle des composants de l enrobé bitumineux Un enrobé bitumineux est un mélange de granulats et de liant (le bitume) appliqué en plusieurs couches pour constituer une chaussée. Un enrobé doit supporter les charges de trafic, être confortable et sécuritaire et protéger les fondations des charges et des agents thermiques. Ainsi, chacun des constituants à des caractéristiques particulières qui donnent à l enrobé bitumineux ses caractéristiques. Dans un premier temps, les granulats sont classés en trois grandes catégories ; les fines, les sables et les gravillons. Ils sont définis par leur granulométrie. Les gravillons constituent l ossature de l enrobé bitumineux tandis que les fines et les sables permettent l enrobage du liant. Des proportions de ces derniers découlent les caractéristiques de l enrobé bitumineux que ce soit au niveau de la texture de surface, la résistance à l orniérage ou encore la résistance à la fissuration (DELORME, De la ROCHE et WENDLING Septembre 2010). L étude des proportions de ces granulats appelés granulométrie est indispensable pour quantifier la qualité de l enrobé bitumineux obtenu. En effet la formulation d un enrobé est définie par une courbe granulométrique qui illustre les pourcentages de granulats passants en fonction des différents tamis normalisés. La granulométrie est donc indispensable pour obtenir le matériau escompté et pouvoir contrôler la qualité de ce dernier. D autre part, l unité structurale de l enrobé bitumineux ne serait pas envisageable sans le liant. Il existe différents liants tels que l asphalte, le goudron ou le bitume. Nous ne nous concentrerons que sur le bitume dans cet exposé. Le bitume est un matériau obtenu par raffinage de pétrole brut. Ce distillat lourd est complexe tant sur le plan chimique que mécanique. Il est principalement caractérisé par une viscosité qui évolue avec la température. Même si ce dernier ne représente environ que 6 % du poids total d enrobé, il donne à ce dernier ses caractéristiques de rigidité (CORTE et Di BENEDETTO 2004). Toutefois, les caractéristiques de viscosité peuvent être modifiées par des additifs qui modifient l agencement chimique. En effet, de tels constituants peuvent s adjoindre au mélange pour en modifier et le plus souvent favoriser les caractéristiques du bitume et de l enrobé. Ces additifs, d origine naturelle ou artificielle sont incorporés dans le bitume ou lors du malaxage. Il peut s agir de dopes d adhésivité, de polyéthylène, de polymères, dérivés du caoutchouc ou encore de produits recyclés (DELORME, De la ROCHE et WENDLING Septembre 2010). Le bitume est caractérisé par son gradient de performance nommé PG suivit de deux températures (ex : PG 58-28). Pour l exemple cité, 58 C représente la température maximale que l enrobé peut supporter avant déformation et -28 C représente la température jusqu à laquelle l enrobé ne risque pas de fissuration thermique. La détermination de la température maximale avant déformation est obtenue grâce à l essai DSR caractérisant le comportement viscoélastique du bitume grâce un appareil nommé rhéomètre à cisaillement dynamique qui soumet l échantillon de bitume à des déformations sinusoïdales pour ensuite Page 12

13 mesure le module G* du liant à des températures fixées. On obtient alors la température maximale avant déformation. La température avant fissuration est quand à elle obtenue après un essai BBR. Sommairement, cet essai consiste à mesurer la flexion d une poutre de bitume soumise à une contrainte constante à différentes températures. On obtient ainsi la température de fissuration (Lelièvre 2002) Les différents types d enrobés bitumineux Les enrobés s utilisent au niveau des diverses couches de chaussée et ont donc des structures et des compositions différentes pour répondre aux contraintes particulières de la couche. Trois grands types d enrobés bitumineux peuvent être mis en avant : Dans un premier temps, les graves bitumes (GB). Mises au point dans les années 70, elles représentent aujourd hui la première technique d assise des chaussées autoroutières. Ce type d enrobé est utilisé en couche de base pour la diffusion des efforts. La stabilité est obtenue par l utilisation de bitume relativement dur à un dosage relativement faible et avec l utilisation de granulats entièrement concassés. Ainsi, il est en général caractérisé par une teneur en bitume de 3 % à 4,5 % et une granularité de type 0/14 mm (GB14) ou 0/20 mm (GB20) facilitant un bon compactage. L épaisseur de la couche est comprise entre 60 et 150 mm (DELORME, De la ROCHE et WENDLING Septembre 2010) (cours-génie-civil.com s.d.). Le critère épaisseur de la couche joue sur le compactage. D autre part, il existe aussi les enrobés de liaison (BBL). Ces derniers ont une teneur en bitume comprise entre 4 % et 5,2 %. Les granulats associés ont un diamètre nominal maximal de 14 mm. Ces enrobés sont utilisés en couche de liaison. Cette couche, située entre la couche de base et la couche de surface, reprend les efforts superficiels horizontaux (cours-génie-civil.com s.d.) (SETRA 1992). Ensuite, les enrobés s utilisent en couche de roulement (BB). Ces enrobés de surface sont de plusieurs natures suivant leurs caractéristiques d uni, de drainage, d acoustique et de sollicitations mécaniques. Il existe ainsi des enrobés grenus (BBG), semi-grenus (BBSG), denses caractérisés par une granulométrie particulière (DELORME, De la ROCHE et WENDLING Septembre 2010) (SETRA 1992). Enfin, il existe des enrobés dits spéciaux qui se différencient des autres enrobés par une granulométrie particulière, l utilisation de bitume modifié ou encore l ajout de produits au mélange. On peut citer (SETRA 1992) : - Les enrobés à module élevé (EME), utilisé en couches d assises et caractérisé par un module de rigidité, une résistance à la l orniérage et à la fatigue plus élevée. - Les bétons bitumineux minces (BBM), utilisés en couche de roulement et caractérisés par l utilisation de bitume modifié favorisant ses caractéristiques mécaniques à fort trafic. - Les bétons bitumineux très minces (BBTM), caractérisés par leur faible épaisseur (2,5 cm), l utilisation d une granulométrie discontinue et d un bitume modifié, Page 13

14 permettent des économies de matériaux tout en répondant aux critères de performances demandés. - Les bétons bitumineux drainants qui favorisent la sécurité par temps de pluie, réduisent le bruit de roulement et possèdent un bon comportement vis-à-vis de l orniérage. Ils sont caractérisés par un pourcentage de vides important (20 à 25 %) Fabrication des enrobés bitumineux Il existe plusieurs techniques de fabrication des enrobés dépendant principalement de la température du mélange et de son malaxage. Dans un premier temps, la technique la plus répandue est la fabrication des enrobés à chaud. Cette technique conventionnelle est basée sur le principe du malaxage des granulats et du bitume à haute température ( C). Il existe toutefois des techniques alternatives permettant de baisser la température de malaxage et de mise en œuvre. On parle alors d enrobés tièdes (température de malaxage entre 100 et 140 C grâce à l ajout d une cire synthétique dans le bitume) ou d enrobés semitièdes (voir partie 4. État de l art du projet). Enfin, une dernière méthode de fabrication consiste à fabriquer des enrobés à froid. Les granulats sont dans ce cas mélangés à une émulsion de bitume sans chauffage et ensuite mis en place à température ambiante. Ce type d enrobé possède des performances variables suivant sa fabrication et son usage (temporaire ou durable) qui ne feront pas l objet du présent projet (enrobé.fr s.d.) 3.4. Importance de la formulation Pour que l enrobé bitumineux réponde aux exigences de confort, de protection et de résistance, il doit répondre à de nombreux critères de performance parfois incompatibles avec toutes les exigences. En effet, un compromis est toujours nécessaire pour assurer la résistance minimale à l orniérage, à la fissuration, au vieillissement et à l arrachement tout en conservant des quantités de vides, de granulats spécifiques et de bitume raisonnables, propices au confort, la sécurité et la mise en œuvre (Service des chaussées du ministère des transports du Québec 2005).Ce compromis doit être trouvé dans la formulation. Page 14

15 Résistance à l orniérage Angularité des granulats forte Fraction de sable faible Vides interstitiels élevés Liant de consistance élevée et de susceptibilité faible Résistance à la fissuration Bonne mise en œuvre Confort pour les usagers Sécurité pour les usagers Volume de bitume effectif élevé Consistance et susceptibilité faible Vides comblés par le bitume élevés Bon enrobage des granulats Viscosité du bitume suffisante Limite maximale de vides pour être imperméable Propriétés du squelette granulaire particulières en surface pour assurer la sécurité à toute température Suffisamment de bitume pour assurer une bonne durabilité et un bon confort tout en évitant le feuil de bitume, néfaste pour la sécurité COMPROMIS À TROUVER ENTRE CES EXIGENCES Figure 3 : Schéma heuristique de l'importance de la formulation 3.5. Les essais sur enrobés bitumineux Chaque formulation doit être vérifiée pour pouvoir définir ces caractéristiques et quantifier ses performances. Cette analyse est réalisée au travers de divers essais, réalisables au sein du laboratoire L.U.C.R.EB et dont je vais vous faire une description résumée. On peut classer ces essais dans cinq grandes catégories : - Les essais de Presse à Cisaillement Giratoire (DELORME, De la ROCHE et WENDLING Septembre 2010) - Les essais de teneur en eau (Service des chaussées du ministère des transports du Québec 2005) - Les essais d orniérage (Service des chaussées du ministère des transports du Québec 2005) - Les essais de retrait thermique (US department od Trasports s.d.) - Les essais de module (DELORME, De la ROCHE et WENDLING Septembre 2010) Page 15

16 - Les essais de fatigue (Service des chaussées du ministère des transports du Québec 2005) Chacun d entre eux permettant d interpréter des caractéristiques particulières de l enrobé formulé. - Dans un premier temps, la Presse à Cisaillement Giratoire. Cet essai soumet une éprouvette d enrobé à un mouvement de rotation déviée permettant de quantifier le pourcentage de vides interstitiels en fonction du nombre de girations (Service des chaussées du ministère des transports du Québec 2005). Ainsi, en fonction du type d enrobés et de l épaisseur de la couche, on peut prévoir le pourcentage de vide et donc caractériser la texture et la compacité de l enrobé sur le chantier. Cette expérience permet de valider la formulation grâce à des exigences de pourcentages de vides à certaines girations - Ensuite des essais de teneur en eau peuvent être réalisés. Ces essais s appuient sur deux méthodes ; la compression simple (ou essai de Duriez) et la compression diamétrale. Le rapport de la résistance après immersion à la résistance à sec donne la tenue à l'eau du mélange. - D autre part, des essais d orniérage sont aussi mis en place. Une plaque parallélépipédique de 5 ou 10 cm d épaisseur est soumise au passage d une roue simulant le trafic. L enrobé est caractérisé en fonction de la profondeur de l ornière à 1000, 3000 et cycles de passage de la roue. - De plus, il est important de réaliser des essais de retrait thermique empêché pour quantifier les performances de l enrobé. Cet essai, nommé TSRST (Thermal Stress Restrianed Specimen Test), donne une indication de la performance de l enrobé à basse température en place. L essai permet de réaliser des mesures jusqu à -45 C (US department od Trasports s.d.). - À ces essais s ajoute la quantification du module complexe. Il s agit d un essai de traction uniaxiale avec contrôle de la loi de chargement, de la fréquence et de la température. L interprétation de la déformation en fonction de la contrainte permet alors d obtenir le module complexe en fonction des paramètres de chargement et de température et donc de quantifier la résistance à la fissuration de l enrobé sous contraintes thermiques et de chargement. - Enfin, des expérimentations sur la fatigue peuvent être réalisées. En résumé, on fixe une déformation et un cycle de chargement. On observe alors l évolution de la contrainte à imposer pour conserver la déformation et lorsque cette contrainte est diminuée de moitié par rapport à la situation initiale, on considère que l éprouvette est endommagée et on comptabilise le nombre de cycles auxquels l échantillon a résisté. Les essais de fatigue sont réalisés à diverses températures pour observer l évolution de la fatigue en fonction du gradient thermique. Page 16

17 4. État de l art du projet 4.1. Le procédé de «Low Energy Asphalt» pour la mise en place des enrobés semi-tièdes Le procédé LEA pour «Low Energy Asphalt» permet de produire et de mettre en œuvre des enrobés à des températures dites «basses», c'est-à-dire comprises entre 60 et 100 C comme le montre le graphique ci-dessous : Figure 4 : Comparaison énergétique des différents procédés de réalisation des enrobés (F. OLARD 2007) LEA est la désignation anglaise d un procédé international venant de la fusion de deux procédés brevetés par Eiffage TP et Fairco. Les brevets en questions sont les suivants : EBE (Enrobé à Basse énergie) et EBT (Enrobé à Basse Température) (F. OLARD 2007). Ce procédé utilise l eau contenue dans le sable humide ou le granulat bitumineux recyclé pour faire mousser le bitume Comparé aux enrobés à chaud, le procédé LEA de réalisation des enrobés semi-tièdes possède des avantages économiques et écologiques notables sans altérer les performances de l enrobé Bref historique du concept Le procédé L.E.A., imaginé par Romier en France, est un concept récent développé à partir de Cette technique brevetée, appelée aussi E.B.T. pour Enrobé à Basse Température, a été développée en laboratoire à partir de 2004 puis mise en œuvre dans une vingtaine de centrales entre 2005 et 2007 (GAUDEFROY et AL. 2007). Page 17

18 Avantages du système Ce nouveau moyen de production d enrobés a des avantages notables comparés aux enrobés à chaud. Ces avantages peuvent être classés en trois grands domaines : - Les avantages écologiques et environnementaux (PIDWERBESKY, BEUZENBERG et J. 2009). - Les avantages économiques et productiques (ROMIER, et al. 2006). - Les avantages de mise en œuvre favorisant santé et sécurité (PIDWERBESKY, BEUZENBERG et J. 2009) (MARCOTTE, et al. 2010). Dans un premier temps, ce procédé influe sur la réduction de l énergie consommée tout au long du procédé ainsi que le dégagement des gaz à effet de serre. Ainsi on peut noter : - Une réduction d environ 50 % de l énergie de chauffage comme le montre le tableau ci-dessous ; Figure 5 : Energie nécessaire à la production d'une tonne d'enrobé - Une réduction des gaz à effet de serre (VOC et NOx) de plus de 50 % D autre part, le procédé possède des avantages économiques et productiques telles que : - Une conservation des performances des enrobés à chaud. - Un système de production pouvant réutiliser le système des enrobés à chaud avec seulement quelques équipements complémentaires. Pour finir, le procédé LEA possède des avantages de mise en œuvre. Il permet de : - diminuer les dégagements nocifs et donc les désagréments vis-à-vis des ouvriers du chantier - Faciliter les conditions de transport ainsi que le confort de mise en œuvre (lié à la température). - Remettre rapidement la circulation en route - D éviter l adhérence sur les matériaux en contact tel que les bennes, les finisseurs (F. OLARD 2007) Explication de la démarche technique Page 18

19 Le principe de base de la méthode LEA est de faire mousser le bitume grâce à l adjonction de granulats froids et humides (OLARD, et al. 2009). Cet ajout de matériaux aux propriétés de température et d humidité différentes favorise plusieurs aspects. - Tout d abord, l eau réagit avec le bitume, créant une réaction de moussage et d expansion de ce dernier. Les granulats ajoutés sont alors enrobés par la mousse pour créer un film d enrobage. La présence de ce film favorise la maniabilité de l enrobé à base température. - D autre part, cette adjonction stabilise la température du mélange à environ 100 C, donnant à l enrobé ces propriétés semi-tièdes. - Enfin, le surplus d eau permet une meilleure maniabilité à basse température sans pour autant réduire les performances. Une adjonction supplémentaire d eau est envisageable avant la réaction en augmentant l humidité du sable ou des granulats bitumineux recyclés (GBR) et en fin de réaction pour faciliter la maniabilité (ROMIER, et al. 2006). Il existe trois grands types de procédés LEA ayant tous le même principe de base, mais des chronologies d ajout des matériaux différentes. Nous avons ainsi : - Tout d abord le procédé LEA que l on appellera de type 1 (OLARD, et al. 2009) : o o o o o Dans un premier temps, le squelette granulaire est séparé de façon à mettre de côté les granulats fins (sables et fines). La partie ne contenant pas de fines est alors séchée puis chauffée à environ C. Cette action permet de réduire l énergie nécessaire au chauffage des granulats fins qui sont les éléments les plus humides et qui requièrent donc le plus d énergie de séchage et de chauffage (MARCOTTE, et al. 2010). En parallèle, le bitume est lui aussi chauffé à une température optimale variant de 140 à 180 C suivant le grade et la nature. Des additifs peuvent être ajoutés pour réguler la future expansion du bitume et favoriser l interaction du bitume avec l eau (ROMIER, et al. 2006). Les gros granulats sont alors malaxés avec le bitume pour former une épaisse pellicule d enrobage uniforme autour des granulats préalablement chauffés (OLARD, et al. 2009). C est à ce moment-là que l on rajoute le sable ou les granulats bitumineux recyclés, humide et à température ambiance. On créait alors le procédé de moussage décrit précédemment. Pour finir, le mélange se stabilise à une température d environ 85 C et un pourcentage d eau variant de 0,1 à 0,5 % en masse (MARCOTTE, et al. 2010). Page 19

20 Le processus est résumé sur le schéma ci-dessous : Figure 6 : Schéma de déroulement du procédé LEA de type 1 (OLARD, et al. 2009) - Ensuite le procédé LEA de type 2 (OLARD, et al. 2009). Ce dernier se différencie du premier par le fait que la fraction de granulats humides et froids est ajoutée à la fraction de gros granulats séchés avant le malaxage avec le bitume. Une adduction d eau est possible avant ce malaxage pour faciliter l émulsion ainsi que la future mise en œuvre (ROMIER, et al. 2006). Figure 7 : Schéma de déroulement du procédé LEA de type 2 (OLARD, et al. 2009) Page 20

21 - Enfin, un dernier procédé peut être utilisé et nous le noterons procédé de type 3 (OLARD, et al. 2009). Pour ce dernier, l ensemble des granulats est chauffé. Toutefois, la température de séchage n excède pas les 100 C pour garder une relative humidité et faire des économies d énergie. C est à ce moment qu est ajouté le bitume et que s opère la réaction d expansion. Figure 8 : Schéma de déroulement du procédé LEA de type 3 (OLARD, et al. 2009) Perspectives pour le projet Le procédé L.E.A. est un procédé d avenir à la fois écologique et performant, s intégrant parfaitement dans la politique actuelle de développement durable. Toutefois, même si la technique requiert moins d énergie, elle nécessite autant de matières premières, qu il s agisse des granulats ou encore du bitume. Les ressources en granulats sont disparates suivant les pays. Certains pays d Europe tendent à en manquer tandis que des pays tels que le Canada ont encore des ressources considérables (Bitume Québec 2010). Cependant, le bitume, d origine pétrolière, est une ressource sensible au centre des préoccupations. En effet, le prix de l enrobé dépendant principalement du prix du bitume, l économiser devient important. Mais comment économiser le bitume? Le granulat bitumineux recyclé est une solution. Page 21

22 Le recyclage des enrobés est largement utilisé de nos jours pour répondre à ce problème. Un état des lieux des techniques utilisés est nécessaire pour les inclure dans le processus de fabrication d enrobés semi-tièdes L utilisation du «Granulat bitumineux recyclé» (GBR) ou «Reclaimed asphalt of pavement» (RAP) Introduction Historiquement, le recyclage des enrobés bitumineux s est développé à la suite de la crise pétrolière de Le prix du pétrole et donc du bitume devant être optimisé. Ce recyclage est normalisé et réglementé de façon à faciliter la réutilisation des matières premières (Bitume Québec 2010). Il existe deux grandes techniques de recyclage de l enrobé ; le recyclage à froid et le recyclage à chaud. Dans les deux cas, ce recyclage peut être réalisé sur place ou en usine. Le recyclage présente des avantages environnementaux, techniques et économiques présentés en Annexe (Bitume Québec 2010). C est pour cette raison que le pourcentage de réutilisation des enrobés est en constante évolution. Techniquement, ces granulats bitumineux recyclés sont incorporés dans des nouveaux mélanges avec des proportions prédéfinies Importance de la nature, de l âge et du pourcentage de granulats bitumineux recyclés. Les granulats bitumineux recyclés sont des granulats contenant une certaine proportion de bitume du précédent mélange. L ajout de granulats bitumineux recyclés à des conséquences sur les propriétés mécaniques du nouvel enrobé. Il faut donc avant toute chose connaître les caractéristiques du bitume en présence ainsi que les proportions et les caractéristiques des granulats. En effet, les enrobés bitumineux contenant du RAP ont des caractéristiques influencées par l âge, le pourcentage et la composition du RAP. Avec l âge, le bitume évolue. Il existe deux types de vieillissement du bitume ; le vieillissement à court terme représentatif du vieillissement lors de la mise en œuvre et le vieillissement à long terme, représentation du vieillissement en place de l enrobé (BROWN et SCHOLTZ 2000). Les conséquences directes de ce vieillissement sont une modification du grade de performance 1 (PG grade), plus élevé à haute et basse température, et une augmentation de la viscosité (XINJUN, et al. 2008) (SIAS DANIEL, POCHILY et BOISVERT 1 Le grade de performance, noté PG, défini les limites d utilisation du bitume. Une annexe explique le principe et la démarche de caractérisation du grande de performance du bitume Page 22

23 2010). Le bitume du RAP se combine avec le bitume vierge du nouveau mélange. Ce mélange modifie alors le grade de bitume et la viscosité, augmentant ainsi le module complexe et la résistance à l orniérage. La combinaison a toutefois des effets négatifs sur la résistance à la fatigue et la résistance thermique du nouveau mélange (XINJUN, et al. 2008). D autre part, la nature des granulats bitumineux recyclés à elle aussi évoluée au cours du temps. Les proportions des différents granulats ainsi que leur angularité sont différentes du nouveau mélange granulaire (McDANIEL, et al. 2000). Pour des pourcentages importants de GBR, l analyse granulométrique doit prendre en compte cette caractéristique. Enfin, cette combinaison des deux bitumes est influencée par le pourcentage de RAP. Plus la proportion de RAP est importante, plus les caractéristiques définies précédemment sont importantes à analyser. Ceci est d autant plus vrai que des problèmes de combinaisons des bitumes sont à prendre en considération Problème de la combinaison des bitumes : The black rock Le terme «Black Rock» fait référence au phénomène de non-combinaison du bitume provenant des granulats recyclés et du bitume vierge, d où le terme de «Black Rock» pour décrire la conservation de l aspect initial des GBR. La technologie Superpave a mis en avant ce problème de combinaison. En effet, le bitume provenant du GBR ayant un grade de performance (PG grade) et une viscosité différente de celui du bitume du nouveau mélange, le mélange des deux bitumes n est pas garanti (STEPHENS, MAHONEY et DIPPOLD 2001). En d autres termes, si l on considère que la combinaison est totale alors que les GBR réagissent comme un «Black Rock», le mélange final ne sera pas assez visqueux et ses propriétés mécaniques en seront modifiées. De même, si l on considère les GBR comme des «Black Rock» alors que la combinaison des bitumes opère, le mélange final sera alors trop visqueux (McDANIEL, et al. 2000). Ainsi, des tests ont été menés et ont conduit aux conclusions suivantes : en dessous de 15 % de RAP, la conservation des performances ne nécessite aucune modification de la classe de bitume du nouveau mélange. Entre 15 et 25 % de RAP, on doit augmenter d une classe le grade de bitume pour conserver les performances. Enfin, au-delà de 25 %, les caractéristiques du mélange doivent être étudiées (STEPHENS, MAHONEY et DIPPOLD 2001). Pour les pourcentages supérieurs à 25 %, l évaluation du mélange se fait grâce à des «courbes de mélange» découlant d interpolations et de modélisations mathématiques État des lieux des expériences sur les enrobés semitièdes contenant des granulats bitumineux recyclés Mix Design and Characterization of Low Energy Asphalt (LEA) Mixes containing Reclaimed Asphalt Mixes de Tomy Marcotte, Alan Carter, Alice Duveau et Daniel Perraton a traité le sujet des enrobés semi-tiède contenant des granulats bitumineux recyclés. L étude s est portée sur l utilisation du procédé LEA avec un mélange comportant 15 % de granulats bitumineux recyclés. Le but étant de comparer les procédés suivants : Page 23

24 - Procédé HMA (enrobé à chaud) sur enrobé ESG 10 (mélange de référence) - Procédé HMA sur enrobé ESG % de RAP - Procédé LEA sur enrobé ESG % de RAP La comparaison a été faite vis-à-vis de l essai PCG, de l orniérage, du retrait thermique et enfin du module complexe. Ces essais ont mené aux résultats suivants (MARCOTTE, et al. 2010) : - «L ajout de RAP augmente la résistance à l orniérage, causé par la présence d une proportion de bitume plus vieux et plus visqueux dans le mélange» - «Le mélange LEA et RAP a une meilleure résistance à l orniérage que le mélange HMA + RAP même si on observe une stabilisation à cycles, la résistance est alors quasiment la même au final» - «Les essais de retrait thermique ont montré que les trois mélanges respectent les conditions définies par le grade de performance du bitume à base température. Toutefois le mélange LEA + RAP possède la plus faible température de retrait thermique à basse température». - «En ce qui concerne, le module complexe, les résultats des essais sur le mélange LEA + RAP est différent des deux autres mélanges. Il s avère que ce module est plus élevé que pour les deux autres ; résultat non attendu». Pour conclure, les essais réalisés montrent que la technique LEA alliée à l utilisation du RAP est une technique simple, écologique, économique et qui ne modifie pas défavorablement les caractéristiques de l enrobé (MARCOTTE, et al. 2010). Il n en demeure pas moins que d autres essais avec des pourcentages de RAP plus importants doivent être menés pour voir quelle est la limite de l utilisation de cette technique d avenir. C est dans cette logique que s inscrit mon projet. Page 24

25 5. Description du projet 5.1. Rappel de l objectif Le but de cette étude est de formuler des enrobés dits semi-tièdes par la méthode LEA en utilisant des pourcentages élevés de granulats bitumineux recyclés. L objectif est de concevoir ce produit et d en analyser ses caractéristiques mécaniques de façon à savoir si un tel mélange, s intégrant dans une logique écologique et économique actuelle, possède les performances nécessaires pour s appliquer à l échelle industrielle Définition des moyens de réalisation Le projet est divisé en 4 branches similaires. Chacune des branches analyse le retrait thermique et le module complexe d un mélange. Si jamais le temps ne permet pas de réaliser l ensemble des essais, 1 ou 2 branches intermédiaires pourront être mises en suspend. Les cinq branches correspondent aux cinq mélanges suivants : - ESG-10 à chaud (HMA), enrobé de référence - ESG-10 semi-tiède (procédé LEA) + 30 % de RAP - ESG-10 semi-tiède (procédé LEA) + 50 % de RAP - ESG-10 semi-tiède (procédé LEA) + 70 % de RAP L enrobé ESG-10 est un enrobé de référence très utilisé au Québec. Deux enrobés ont été utilisés lors des essais ; un bitume modifié de type PG et un bitume de type PG Un second bitume a été nécessaire car des tests supplémentaires de viscosité sur le premier bitume ont montré que ce dernier ne correspondait pas aux normes de viscoélasticité et donnait des résultats non satisfaisant (l analyse du problème est développée dans la partie Expérimentation en 6.2.). Quand aux granulats bitumineux recyclés, ils sont directement récupérés à l usine d enrobé après recyclage et concassage. Leurs caractéristiques sont précisées en annexe Organigramme Page 25

26 Enrobé témoin réalisé à chaud Enrobés LEA avec pourcentages de RAP Échantillonnage du RAP Échantillonnage du RAP Échantillonnage du RAP Échantillonnage des granulats % de bitume estimé Échantillonnage des granulats % de bitume estimé Échantillonnage des granulats % de bitume estimé Échantillonnage des granulats % de bitume estimé Formulation du mélange Formulation du premier échantillon d enrobé LEA avec 30 % de RAP Formulation du premier échantillon d enrobé LEA avec 50 % de RAP Formulation du premier échantillon d enrobé LEA avec 70 % de RAP Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Essai dmm 1 Obtention du % réel de bitume Détermination de la masse de l éprouvette PCG Obtention du % réel de bitume Détermination de la masse de l éprouvette PCG Obtention du % réel de bitume Détermination de la masse de l éprouvette PCG Obtention du % réel de bitume Détermination de la masse de l éprouvette PCG Formulation du mélange avec le % de bitume Formulation des échantillons PCG d enrobés LEA avec 30 Formulation des échantillons PCG d enrobés LEA avec 50 Formulation des échantillons PCG d enrobés LEA avec 70 Essai PCG 1 Essai PCG 2 Essai PCG 1 Essai PCG 2 Essai PCG 1 Essai PCG 2 Essai PCG 1 Essai PCG 2 Analyse des vides Validation de la formulation Analyse des vides Validation de la formulation Analyse des vides Validation de la formulation Analyse des vides Validation de la formulation Réalisation des plaques d enrobés à partir de la formulation Réalisation des plaques d enrobé à partir de la formulation Réalisation des plaques d enrobé à partir de la formulation Réalisation des plaques d enrobé à partir de la formulation Essai au module complexe Essai au retrait thermique Essai au module complexe Essai au retrait thermique Essai au module complexe Essai au retrait thermique Essai au module complexe Essai au retrait thermique Analyse, interprétation et conclusions sur les expériences réalisées Page 26

27 6. Expérimentation 6.1. Définition des procédures d essais et des critères de validation des mélanges (formulation de niveau 1) Choix des classes granulaires, des proportions de chaque classe, détermination de la densité des granulats (Dgb) du combiné granulaire Normes NQ NQ Fabrication d un enrobé à teneur en bitume approximant le Vbe (bitume effectif), détermination de la densité maximale dmm Normes 4202 NQ NQ Oui Calcul de Dge (densité granulat effectif) Calcul de Pbe (% de bitume effectif Calcul de Pbi (% bitume initial) Normes LC Réajustement de la granulométrie Non Calcul de Dmm Normes LC Calcul de la masse de la prise d essai pour un essai à la PCG Normes LC Essai à la PCG Normes LC Calcul des vides à 10 girations, 80 girations et 200 girations Normes 4202 LC Non Réajustement du Pbi ou de la granulométrie Résultats conformes? Normes 4202 Oui Deux essais supplémentaires PCG, coefficient de variation et calcul des vides Normes LC Non Résultats conformes? Page 27 Normes 4202 LC

28 L ensemble des références et les procédures permettant de réaliser la caractérisation du mélange sont définis dans les normes présentes sur l organigramme ci-dessus Procédure d analyse granulométrique Cette analyse consiste à caractériser la granulométrie des différents types de granulats utilisés pour le mélange. Dans notre cas, pour un ESG-10, il est nécessaire de réaliser la granulométrie des granulats de type 0/5 mm, 5/10 mm et filler. La granulométrie du filler a déjà été réalisée car la méthode de détermination requiert des équipements et une méthode pointue qui n a pas d intérêt particulier pour le stage. L ensemble de la granulométrie a été réalisé par tamisage suivant la procédure suivante : - Échantillonnage d une masse X de granulats - Homogénéisation de l échantillon grâce à l utilisation du séparateur - Récupération d une masse Y de granulats pour le tamisage - Lavage puis séchage à l étuve des granulats pour la classe granulaire 0/5 mm - Réalisation de deux tamisages automatiques de 10 minutes - Pesée des différents tamis et du refus Procédure de formulation LC pour les enrobés bitumineux La formulation LC pour les enrobés bitumineux comprend la détermination du combiné granulaire ainsi que le calcul de divers pourcentages et densités de granulats et bitume. Ils permettent de réaliser le mélange et de trouver les différents paramètres de réalisation des essais de densité maximale et de presse à cisaillement giratoire validant la formulation. - Détermination du combiné granulaire : Le combiné granulaire correspond au pourcentage de passant du mélange composé des différentes classes granulaires. Ces différentes classes étant combinées de façon à répondre aux exigences de la méthode de formulation LC. Ainsi, la méthode LC définit trois intervalles de contrôle de passant en fonction du tamis 2. Chaque combiné granulaire doit valider ces points de contrôle. Toutefois, le fait de passer ces points de contrôle de garanti pas la validation de la formulation. La courbe granulométrique doit être ajustée de façon à optimiser le nombre de vides interstitiels et répondre aux exigences de l essai PCG. Plusieurs fois au cours des essais, les pourcentages des classes granulaires ont dû être modifiés pour minimiser les vides. Cette démarche passe par une augmentation du pourcentage des granulats fins (fillers et 0/5 mm) qui se traduit par un rapprochement de la courbe granulométrique vers la courbe de masse volumique maximale. 2 Ces intervalles sont présents en Annexe 6, 7 et 8 dans les tableaux de courbe granulométrique Page 28

29 100,00 90,00 80,00 Points de contrôle 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 Courbe de masse volumique maximale Points de contrôle 10,00 0,00 Points de contrôle Courbe de masse volumique maximale 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Figure 9 : Exemple de graphique du combiné granulaire pour la formulation d un enrobé ESG-10 - Paramètres de densité et de pourcentage à déterminer pour la suite des essais : Pour mener à bien les essais de densité maximale de l enrobé et de presse à cisaillement giratoire, des prérequis théoriques sont obligatoires. Ils permettent de calculer : - Le pourcentage de bitume initial pour l essai de densité maximale d enrobé - La densité maximale théorique de l enrobé pour le pourcentage de bitume précédent Ces calculs requièrent des paramètres intermédiaires. L ensemble des calculs est détaillé dans «Enrobé : Formulation de la méthode LC» du Service des chaussées du ministère des Transports du Québec. Les résultats de ces calculs seront présentés en annexe Procédure de malaxage des enrobés Le malaxage des enrobés bitumineux en laboratoire est défini par la NQ La procédure est la même pour les essais dmm et PCG. Pour la réalisation de l enrobé, ESG-10 choisit à chaud, les conditions suivantes ont été respectées lors du malaxage. Opérations préliminaires : - Préchauffage du bitume à une température dépendant du type de bitume lui même - Préchauffage des granulats à une température dépendant de la température du bitume et de la température de compactage : Page 29

30 o Trois échantillons (1 échantillon d environ 4 kg pour les trois essais de dmm et 2 échantillons d environ 6 kg pour les deux essais PCG) o Les échantillons respectent les proportions granulaires définies par l analyse granulométrique. - Préchauffage de la cuve et du bras de malaxage à température des granulats pendant ½ heure. Opérations de malaxage : - Sortie de la cuve de malaxage, mise en place sur la balance et mise à zéro de cette dernière. - Sortie des granulats, introduction dans la cuve et homogénéisation. - Formation d un cratère, remise à zéro de la balance puis introduction de la masse de bitume avec ajustement si la masse de granulat a évolué après séjour dans l étuve. - Mise en place de la cuve et du bras de malaxage sur le malaxeur - Malaxage à vitesse 1 durant 45 secondes - Arrêt puis homogénéisation pour éviter que les fines ne soient pas malaxées - Malaxage à vitesse 2 durant 30 secondes - Transvasement et récupération des fines sur les parois de la cuve - Cure de 2 h de l enrobé pour la dmm et cure jusqu à température de compactage pour l essai PCG Procédure d essai pour la densité maximale L essai de densité maximale permet d obtenir la densité maximale expérimentale de l enrobé réalisée de façon à ajuster plus précisément la quantité de bitume à insérer dans le mélange destiné à l essai PCG. Opérations préalables à l essai : - Mise à l étuve des bacs du séparateur pour faciliter la séparation des échantillons - Sortie de l échantillon d enrobé après deux heures de cure à température de compactage. - Séparation de la quantité (environ 4 kg) en trois échantillons d environ 1 kg chacun grâce au séparateur préalablement chauffé grâce à la lumière infrarouge. - Désagglomération des sous-échantillons et refroidissement jusqu à la température de la pièce. Matériel de l essai : - Récipient nommé pycnomètre servant de contenant durant tout l essai - Balance de précision - Plaque de verre servant de couvercle au pycnomètre pour avoir des pesées exactes - Agitateur - Pompe à vacuum L objectif de l opération est d obtenir trois masses permettant de déterminer la densité maximale de l enrobé. Ces trois masses sont : Page 30

31 - D : masse du récipient rempli d eau (g à 25 C) - À : masse de l échantillon à l air libre (g) - E : masse du récipient rempli d eau contenant l échantillon (g à 25 C) Procédure de détermination de D : - Remplir le pycnomètre (récipient) d eau dans le basin à 25 C jusqu à obtention d un ménisque supérieur. - Mise en place de la plaque en verre pour avoir la quantité d eau requise vis-à-vis du volume du récipient. - Vérification de la non-présence de bulles d air. - Pesée du récipient : masse D obtenue. Procédure de détermination de A : - Remplir le fond du récipient avec un peu d eau (éviter la fissuration lors de l incorporation de l enrobé). - Mise à zéro de la balance. - Incorporation de l enrobé. - Pesée du récipient : masse A obtenue. Procédure de détermination de E : - Compléter d eau le récipient précédent (2,5 cm au dessus de l enrobé) - Mettre en place le récipient sur l agitateur. - Positionnement de la ventouse sur le récipient et activation de la pompe à vacuum à une pression partielle d environ 3 kpa. - Processus d évacuation de l air grâce à la pompe : o 1 minute de pompage à vacuum sans agitation o 9 minutes de pompage avec agitation o Retour à la pression normale par ouverture de la vanne - Remplir le reste du récipient en évitant de faire des bulles d air qui faussent l analyse volumétrique - Remplir le pycnomètre (récipient) d eau dans le basin à 25 C jusqu à obtention d un ménisque supérieur. - Mise en place de la plaque en verre pour avoir la quantité d eau requise vis-à-vis du volume du récipient. - Vérification de la non-présence de bulles d air. - Pesée du récipient : masse E obtenue. On réalise ces essais pour les trois échantillons de dmm fabriqués. On obtient alors trois valeurs de dmm grâce à la formule suivante : d mm = A A + D E (LC ) Page 31

32 Procédure d essai de la presse à cisaillement giratoire Matériel utilisé : - 2 échantillons d enrobés obtenus suivant la méthode de malaxage précédente en cure à 160 C - Cylindre de moulage maintenu à 160 C - Pastilles à placer dans le fond du cylindre et sur l échantillon après moulage - Entonnoir pour transvasement de l échantillon dans le moule Opérations préalables : - Calcul de la masse d enrobé à incorporer à partir des caractéristiques du moule et la densité maximale d enrobé expérimentale calculée précédemment. M PCG = π diam ètre cylindre ² 4 hauteur à 0 % de vides (115 mm) dmm (LC ) Procédure d essai : - Sortir l échantillon et le cylindre de l étuve - Mettre la pastille au fond du cylindre - Procéder au transvasement de la quantité Mpcg d enrobé dans le cylindre - Égaliser la surface et mettre la seconde pastille - Positionner le moule dans la presse à cisaillement giratoire - Démarrer la procédure (pression 600kPa et 200 girations) et faire attention de bien axer le moule avec le vérin supérieur. - La procédure est automatisée, on récupère les données des hauteurs en fonction des girations à la fin de l essai. Le résultat des essais permet alors de déterminer le pourcentage de vides en fonction du nombre de girations. Pour l enrobé ESG 10 témoin, la formulation est validé si le pourcentage de vides à 10, 80 et 200 girations répond aux critères suivants : - Le pourcentage de vides doit être supérieur à 11 % à 10 girations. - Le pourcentage de vides doit être compris entre 4 et 7 % à 80 girations. - Le pourcentage de vides doit être supérieur à 2 % à 200 girations. Si les deux essais PCG répondent aux exigences, la formulation est validée et l on peut procéder à la réalisation des plaques d enrobé servant aux essais de module complexe et de retrait thermique Procédure de réalisation du mélange pour la plaque Page 32

33 Le malaxage des enrobés bitumineux en laboratoire est défini par la NQ La procédure est la même que pour les essais dmm et PCG. Opérations préliminaires : - Préchauffage du bitume à température normé - Préchauffage des granulats : o 30 kilogrammes de granulats sont chauffés o Les échantillons respectent les proportions granulaires définies par l analyse granulométrique. - Préchauffage de la cuve et du bras de malaxage dans l étuve pendant ½ heure. Opérations de malaxage : - Sortie de la cuve de malaxage, mise en place sur la balance et mise à zéro de cette dernière. - Sortie des granulats, introduction dans la cuve et homogénéisation. - Formation d un cratère, remise à zéro de la balance puis introduction de la masse de bitume avec ajustement si la masse de granulat a évolué après séjour dans l étuve. - Mise en place de la cuve et du bras de malaxage sur le malaxeur - Malaxage à vitesse 1 jusqu à obtention du mélange visuellement enrobé - Arrêt puis homogénéisation pour éviter que les fines ne soient pas malaxées - Malaxage à vitesse 2 durant 30 secondes - Sortie du bol et vérification de la présence de fines non enrobés - Si présence de fines, décollement de ces dernières à l aide d une cuillère puis malaxage à vitesse 2 jusqu à homogénéisation. - Transvasement dans une panne avec ajustement de la quantité précise pour le moule de compactage. Cette quantité dépend du moule choisi ainsi que des caractéristiques de ce dernier. Le détail de cette opération sera décrit dans l annexe 1. - Cure jusqu à température de compactage Procédure de compaction du mélange Le compactage est réalisé grâce au compacteur du laboratoire LUCREB 3. Le compactage suit lui aussi une procédure bien précise : - Sortir la panne de l étuve et transvasé la quantité exacte d enrobé dans le moule fixé sur le compacteur - Pilonner l enrobé de 50 coups en circulaire de l extérieure de du moule vers l intérieur - Suivre la procédure de compactage définie par la force de compactage, le nombre de passage, la position de passage ainsi que la hauteur du vérin situé sous le moule. Une procédure normée doit être respecté pour le compactage de l enrobé ESG 10. Cette dernière est présente en Annexe 2. 3 Voir Annexe 2 Page 33

34 6.2. Procédures et explications sur les essais de retrait thermique empêché et de module complexe Préparation pour les essais Avant de réaliser les essais de retrait thermique et de module complexe, la plaque réalisée doit être découpée pour créer les éprouvettes servant à la réalisation des essais de retrait thermique et de module complexe. La démarche de conception de ces éprouvettes est décrite dans l annexe 11. Chaque plaque permet d obtenir deux éprouvettes pour le retrait thermique et deux éprouvettes pour le module complexe Procédures et explications sur le retrait thermique empêché Introduction L essai au retrait thermique est une bonne interprétation de la fissuration thermique des enrobés bitumineux. La fissuration thermique est une dégradation commune dans les pays nordiques tel que le Canada. Les premières fissures qui apparaissent sur un revêtement bitumineux sont généralement les fissures transversales causées par le retrait thermique. La couche de surface tend à se contracter sous l effet de l abaissement de la température. Lorsque la contrainte engendrée dans l enrobé dépasse sa résistance en tension, il se crée une fissure transversale. En termes de matériaux, lors d une baisse de température, le bitume se contracte tandis que les granulats tendent à se séparer, créant la fissuration thermique. L essai de retrait thermique empêché permet d évaluer la performance d un enrobé bitumineux à basse température suivant la norme AASHTO TP Principe de l essai et mode opératoire L essai est fondé sur le principe énoncé précédemment. L échantillon d enrobé est placé dans une enceinte à température contrôlée dans laquelle la température est abaissée progressivement tout en empêchant toute déformation thermique de l échantillon. Les variations de températures provoquent alors des contraintes thermiques qui amènent à la fissuration de l échantillon à basse température. Cet essai nécessite l utilisation d une presse pour laquelle le déplacement peut être contrôlé en fonction de la température et de la force de façon à créer le phénomène de retrait empêché. L utilisation d extensomètres est primordiale pour maintenir la longueur de l éprouvette constante jusqu à sa rupture par contrainte thermique Résultats types et calculs Page 34

35 Contrainte (kpa) FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES L essai de retrait thermique empêché permet de tracer l évolution de la contrainte thermique en fonction de la température jusqu à rupture de l échantillon. L objectif principal de cet essai étant de d obtenir la température correspondant à la contrainte de rupture maximale. Toutefois, cet essai permet aussi d obtenir des informations complémentaires : - Pente 1 correspondant au comportement lors de la période de relaxation - Pente 2 représentant une valeur analogue au module élastique - Température de transition vitreuse (Tg) 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Pente 2 Pente 2 Tg Température ( C) 10 : Exemple de résultats du retrait thermique empêché L ensemble des résultats obtenus avec cette procédure sont décris dans la partie 7. Résultats Procédures et explications sur l essai au module complexe Introduction L essai au module complexe permet de modéliser de façon empirique le comportement viscoélastique de l enrobé sous chargement cyclique, modélisant ainsi la déformation d une chaussée au niveau de ses différentes couches lors du passage d un véhicule. Page 35

36 Figure 11 : Comportement d'une chaussée au passage d'une roue Le E* d un enrobé est déterminé à différentes fréquences et températures pour des petites déformations afin de caractériser le comportement viscoélastique linéaire de l enrobé. L American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), l American Society for Testing and Materials (ASTM) et le Comité européen de normalisation (CEN) proposent différentes méthodes d essai pour l analyse du module complexe. Le comportement de la couche de chaussée au passage d une roue devrait être modélisé par un phénomène de flexion. Toutefois, le ministère des transports du Québec (MTQ) considère qu un élément fini de chaussée sur la fibre supérieure et inférieure de la chaussée est soumis en alternance à un phénomène de traction et de compression. Ainsi, contrairement à certains essais retenus par le CEN permettant d obtenir le module complexe par un essai de flexion sur poutre prismatique, les normes nord-américaines (AASHTO) définissent le module complexe à partir d un système de tension/compression directe. Le MTQ a sélectionné l essai de traction-compression directe (TCD) pour son type de chargement uniformément distribué dans l éprouvette permettant de calculer l état de contrainte et de déformation directement dans l axe de sollicitation. Dans le cas des essais de flexion et de traction indirecte, les contraintes et les déformations ne sont pas réparties uniformément dans l éprouvette et sont déterminées de manière indirecte Etude expérimentale (essai de traction-compression directe (TCD)) E* est un nombre complexe composé d une partie réelle (E1) et d une partie imaginaire (E2). Le E* peut également se décomposer en deux paramètres sous sa forme vectorielle ; son module ( E* ) et son argument (ϕ). Page 36

37 Figure 12 : Représentation du module complexe Ainsi, les résultats de E* sont représentés dans le plan complexe de Cole et Cole ou dans l espace de Black. Le plan complexe de Cole et Cole représente la partie imaginaire E2 en fonction de la partie réelle E1. Dans le plan de Black, le E* et le ϕ de l enrobé sont illustrés sous forme de graphique permettant de visualiser le E* et le ϕ maximum de l enrobé. Deux exemples de ces représentations sont présentés ci-dessous. Figure 13 : Exemple de représentation dans le plan de Cole and Cole Page 37

38 Figure 14 : Exemple de représentation dans le plan de Black Ces représentations permettent de définir le caractère viscoélastique de l enrobé. Elles permettent de comparer plusieurs échantillons vis-à-vis de leur comportement visqueux et élastiques à différentes températures. Le plan de Cole and Cole définit le comportement visqueux et élastique grâce à l expression de la partie imaginaire du module complexe (représentatif de la viscosité) en fonction de la partie réelle (représentatif de l élasticité). L espace de Black permet de visualiser le module complexe en fonction de l angle de phase. La courbe de Black montre que le de l enrobé augmente lorsque le E* diminue, ou lorsque le temps de chargement ou la température augmente. Par ailleurs, le diminue à de faibles valeurs de E* lorsque le comportement élastique des granulats devient significatif comparativement au comportement viscoélastique du bitume. La courbe de Black d un bitume ne présente pas cette diminution caractéristique de observée pour les enrobés Première phase d essais avec un bitume de type PG Introduction et explications L ensemble des essais et des objectifs précédemment décris devaient être réalisés avec un bitume très répandu au Québec et dont le grade de performance de type Toute une série d essais a été réalisée avec ce bitume. Toutefois, aucun des résultats obtenus à l essai PCG ne correspondait aux critères d obtention d un ESG 10. Il a donc été nécessaire d effectuer plusieurs recherches et expériences pour déterminer la source du problème. Dans un premier temps, j ai donc testé plusieurs combinés granulaires en gardant une procédure de réalisation identique. Cette première phase de recherche est décrite ci-dessous. En parallèle, un test sur le bitume Page 38

39 s imposait pour vérifier les données du fournisseur en termes de viscosité, paramètre primordial pour la définition de la température de compactage et de malaxage du mélange Granulométries utilisées et procédure suivie Granulométries expérimentées Les mélanges expérimentés présentent des pourcentages en granulats différents de façon à analyser un large spectre de granulométrie et donc de trouver la courbe granulométrique optimale. A noter que toutes les courbes granulométriques de ces mélanges passent les points de contrôles cités au paragraphe et dans les annexes 6,7 et 8. Identification ,5 filler % massique mél % massique mél % massique mél % massique mél % mélange réussi Tableau : Différentes granulométries testées Description des choix : Le choix des formulations s est fait au fur et à mesure des résultats obtenus. En effet les résultats du mélange 1 impliquent les modifications du mélange 2 et 3 qui ont eux même impliqué des modifications pour les mélanges 4 puis 5. Page 39

40 POurcentage de passant FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 Courbe de masse volumique maximale mélange 4 Courbe de formulation 2 mélange 1 mélange 2 mélange 3 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Tamis^0,45 Figure 15 : courbes granulométriques des différents mélanges testés Tous les mélanges précédents respectent les points de contrôles de l enrobés ESG10 tels qu ils sont explicités dans la partie Procédure de réalisation La procédure de réalisation utilisée est celle décrite dans le paragraphe 6.1. avec les caractéristiques de températures ci-dessous. L ensemble de ces températures est conforme à la norme LC détaillée dans l annexe 1: - Température de malaxage du bitume PG : 168 C - Température des granulats : 180 C - Température de compactage pour la PCG : 160 C - Température et durée de cure pour la dmm : 160 C pendant 2 heures Résultats obtenus Les résultats décrits ci-dessous découlent du test à la presse à cisaillement giratoire. Page 40

41 Après analyse des résultats, les mélanges 1, 2, 3 et 4 ne répondaient pas aux critères de vides d un enrobé ESG 10 définis dans le paragraphe Le mélange 1 possédait beaucoup trop de vides intergranulaires. - Les mélanges 2 et 3, possédant tous deux plus de particules fines (2% de filler pour le mélange 2, 2% de filler et 2% de plus de 0-5 mm pour le mélange 3) possédaient eux aussi trop de vides. Ainsi, étant donné que les points de contrôles ne permettaient pas d augmenter le pourcentage de particules fines (filler et 0-5 mm), j ai décidé d utiliser un autre matériau possédant un passant plus important au niveau du tamis de 5 mm et de 2,5 mm (voir annexe 4) pour augmenter la quantité de particules fines et diminuer le pourcentage de vides interstitiels. - Les mélanges 4 et 5 utilisaient donc un matériau plus fin qui a permis d obtenir une formulation répondant aux critères de validation à la presse à cisaillement giratoire. Identification ,5 filler % mélange réussi Tableau : Formulation valide avec bitume PG Toutefois, étant donné que des formulations n impliquant pas l utilisation de granulats de type 0-2,5 mm avaient fonctionné par le passé, j ai décidé de tester le bitume pour vérifier les données du fournisseur Test complémentaire du bitume Le viscosimètre de Brookfield mesure la viscosité d un liquide à une vitesse de cisaillement donnée. A partir de ces données, il permet de déterminer la température à laquelle l enrobé doit être malaxé et compacté. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous : Températures malaxage compactage [ C] [ C] Températures d'après l'essai Températures dans les normes Tableau : Résultats découlant de l'analyse au viscosimètre D après les essais, pour le bitume PG que nous avons utilisé, la température de malaxage de ce bitume est de 183 C et la température de compactage de l enrobé de 167 C. Les normes, que nous avons suivies, donnent une température de malaxage de 168 C et une température de compactage de 160 C pour le bitume PG Il est donc évident que le bitume ne correspond ni aux données fournisseur ni aux normes en vigueur pour ce produit. Dans ce contexte, il apparaît évident que l ensemble des essais menés avec ce bitume ne peut aboutir à des résultats satisfaisants. Page 41

42 Bilan Le bitume utilisé lors de cette phase d essai a donc faussé les résultats obtenus précédemment. Les essais doivent être réalisés avec un nouveau bitume. Etant donné que le fournisseur ne possède plus de bitume de type PG 70-28, c est un bitume de type PG qui est utilisé pour refaire et continuer les essais Seconde phase d essais avec le bitume de type PG Avant de commencer tout essai et pour éviter de devoir recommencer une série d essais à cause d erreurs adjacentes, j ai testé le bitume PG et les caractéristiques de viscosité sont respectés Réalisation de l enrobé témoin pour les essais de retrait thermique et de module complexe Caractéristiques granulaires du mélange Pour confirmer le rôle de la viscosité du bitume sur le résultat des essais de PCG, nous avons testé quatre formulations granulaires en analysant l influence sur les résultats des essais PCG. Les quatre mélanges granulaires suivants donnent des courbes granulométriques différentes permettant de juger de l influence du mélange granulaire sur la validation par l essai de la presse à cisaillement giratoire. Les quatre formulations sont les suivantes : Identification filler % massique mél % massique mél % massique mél % massique mél Tableau : Granulométries testées Page 42

43 Pourcentage de vides FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES 25 Points de contrôle PCG mélange 2 20 PCG mélange 3 PCG mélange 4 PCG mélange Girations Figure 16 : Comparaison sommaire des résultats PCG obtenus pour les différents mélanges précédents Seuls les résultats de la formulation 1 seront détaillés car c est ce mélange qui est utilisé par la suite. Toutefois, on remarque sur le graphique suivant que deux des quatre mélanges sont validés par la PCG tandis que les deux autres sont très proches de la validation. En effet, les quatre mélanges répondent aux critères de validation à 10 et 80 girations. Toutefois, les mélanges 3 et 4 ne possèdent pas assez de vides à 200 girations même si le résultat est très proche de la valeur escomptée (1,96% pour 2% minimum). Cette série de tests dont certains des mélanges sont similaires à ceux réalisés avec le bitume de type PG montrent bien que le bitume utilisé lors de la première phase d essais ne pouvait mener à des résultats satisfaisants. Pour la suite des essais, j ai donc retenu la formulation suivante : Identification filler % massique Tableau : Formulation retenue Page 43

44 Pourcentage de vides FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Zone de restriction Courbe de masse volumique maximale Courbe de formulation 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Tamis^0,45 Figure 17 : Courbe granulométrique de l'enrobé retenue pour la réalisation de la plaque Les quantités exactes de matériaux utilisés ainsi que les calculs théoriques de densité maximale et de pourcentage de bitume sont détaillés en annexe 9 et Caractéristiques du malaxage pour les essais PCG et dmm Les procédures de réalisation sont décrites dans la partie 6.1. Les températures et les diverses quantités respectées lors des essais sont décrites ci-dessous. - Température du bitume PG : 150 C - Température des granulats : 165 C - Caractéristiques de cure de la dmm : 2 heures à 135 C - Température de compactage pour la PCG : 135 C Caractéristiques du malaxage pour la réalisation et le compactage de la plaque Les procédures de réalisation sont décrites dans la partie 6.1. Les températures et les diverses quantités respectées lors des essais sont décrites ci-dessous. - Température du bitume PG : 150 C - Température des granulats : 165 C - Température et temps de cure : ½ heure dans une panne à 135 C - Température de compactage : 135 C La démarche de réalisation est identique à celle décrite au Page 44

45 On obtient au final une plaque dont les caractéristiques sont les suivantes : - Masse 28,031 kilogrammes - Dimensions : 500 mm x 250 mm x 125 mm On peut ainsi réaliser les essais de module complexe et les essais de retrait thermique avec cette plaque (Voir annexe 2) Réalisation des essais pour l enrobé LEA contenant 30% de granulats bitumineux recyclés Introduction La technique de réalisation ainsi que la présence de granulats bitumineux recyclés modifient la formulation ainsi que le procédé de réalisation des échantillons d enrobé. En effet, le procédé LEA requiert des températures de compactage ainsi qu un phasage d ajout des constituants particulier. D autre part, l ajout d un pourcentage fixé de granulats bitumineux recyclés va modifier la formulation ainsi que les caractéristiques de bitume et de densité du mélange granulaire. Ceci venant du fait que les granulats bitumineux recyclés possèdent : - Leur propre granulométrie 4 - Un pourcentage de bitume présent dans les granulats - Leur propre densité brute D autre part, ces granulats ont une teneur en eau qui devra être maitrisée car le pourcentage d eau présent dans le mélange joue un rôle prépondérant pour le processus LEA fondé sur le moussage du bitume. Voici donc les travaux à mettre en œuvre pour réaliser des échantillons dmm et PCG d enrobé LEA contenant 30% de GBR Caractéristiques granulaires et bitumineuses du mélange La granulométrie du mélange répond à deux critères. Dans un premier temps, cette dernière doit répondre aux exigences des points de contrôle définis par la norme pour un ESG 10. D autre part, pour avoir des résultats comparables entre les essais, j ai choisi de prendre une granulométrie qui se rapproche le plus possible de l enrobé témoin représenté en pointillés sur le graphique si dessous. Les pourcentages granulométriques utilisés pour les essais sont les suivants : Identification filler RAP % massique Tableau : Granulométrie retenue pour l'enrobé LEA+30% de GBR 4 Voir annexe 3 Page 45

46 Pourcentage de vides FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Tamis^0,45 Zone de restriction Courbe de masse volumique maximale Courbe de formulation Figure 18 : Courbe granulométrique de l'enrobé LEA+30% de GBR Comme dit dans l introduction de cette partie, le pourcentage de bitume des granulats bitumineux recyclés doit être pris en compte pour le calcul du pourcentage de bitume du nouveau mélange. Des extractions de bitumes réalisées au laboratoire de chimie de l Ecole de Technologie Supérieure ont permis de déterminer le pourcentage de bitume présent dans les granulats bitumineux recyclés. Ce paramètre permet de connaître le pourcentage de bitume mobilisable pour le mélange (pourcentage de GBR x pourcentage de bitume dans GBR) et d adapter le pourcentage de bitume initial estimé et initial du mélange en prenant en compte ce bitume mobilisable. Il suffit pour cela de soustraire cette quantité de bitume mobilisable à la quantité obtenue en considérant le GBR comme un granulat classique (prise en compte de la densité brute et de l absorption d eau mais pas du bitume mobilisable). Caractéristiques supplémentaires du RAP U Pourcentage bitume RAP Pb RAP 5,180 % Pourcentage de bitume mobilisable Pbm RAP 1,55 % L ensemble des calculs théoriques ainsi que les quantités utilisées pour les mélanges sont présentés en annexes 9 et Travaux préliminaires - Mise à l étuve du GBR à 60 C dans une panne couverte avec brassage toutes les heures Page 46

47 - Tamisage des GBR au tamis de 10 mm pour obtenir la granulométrie souhaitée 5 - Echantillonnage des autres granulats - Mise à l étuve à 150 +/- 2 C du bitume PG Mise à l étuve à 165 C des granulats autre que GBR o Environ 4kg pour l essai dmm o Environ 6kg pour l essai PCG 6 - Mise à l étuve à 165 C du bol de malaxage - Préparation de la quantité d eau souhaitée 7 La quantité d eau nécessaire à la réaction de moussage correspond en général à 3,5 à 6% de la masse de granulats bitumineux recyclés. Comme je l ai expliqué dans la partie contexte de l étude, des expériences ont été réalisées avec des LEA comprenant 15% de GBR et la quantité d eau retenue était de 5%. Je vais donc prendre ce pourcentage en compte pour avoir un outil de comparaison supplémentaire pour mes essais. - Granulats GBR à la température de la pièce (environ 23 C) Malaxage pour les essais PCG et dmm - Sortie du bol de malaxage - Tare de la balance - Incorporation des granulats (relevé de température) - Ajustement de la quantité de bitume (relevé de la température du bitume) - Malaxage phase 1 :45 secondes - Ajout du RAP et de l eau pendant le malaxage (relevé de la température du mélange). Pour mieux maitriser le pourcentage d eau contenu dans le GBR, ce n est pas du GBR humide qui est ajouté mais du GBR sec et une quantité d eau correspondant à la teneur en eau voulue. - Malaxage phase 2 : 30secondes - Récupération des fines 8 - Malaxage phase 3 : 30 secondes - Mise en place dans un contenant chauffé (relevé de la température du mélange) - Mise en place dans l étuve à 80 C pendant 2h (relevé de la température avant essais) Détail des températures de l essai - Température des granulats chauds : 165 C - Température du bitume : 150 C - Température du RAP : 22,6 C - Température de l eau : 21,7 C - Température pendant le malaxage : environ 100 C - Température après malaxage : entre 70 et 80 C - Température de mise à l étuve : entre 60 et 80 C suivant l essai 5 Cette opération est nécessaire pour obtenir la granulométrie escomptée 6 Les quantités exactes seront définies en annexe 7 Voir fichier Excel récapitulatif 8 La récupération des fines est réalisée au moyen d une cuillère chauffée et en raclant le fond et les bords du bol de malaxage Page 47

48 - Température au début de l essai PCG : entre 60 et 80 C suivant l essai Description des mélanges réalisés Comme dit précédemment, les mélanges de type LEA comportant des granulats bitumineux recyclés font intervenir des paramètres supplémentaires étant donné les incertitudes concernant la réaction de moussage et la quantité de bitume réutilisé réellement mobilisable. Les températures doivent elles aussi être totalement maîtrisées pour mener à bien la réaction. Ainsi, j ai du mener plusieurs essais avec différents mélanges pour obtenir un enrobé correspondant aux critères de la formulation de niveau 1 : - Mélange avec le pourcentage de bitume découlant de la dmm expérimentale (4,75% de bitume) et une température de compaction de 70 C - Mélange avec le pourcentage de bitume découlant de la dmm expérimentale (4,75% de bitume) et une température de compaction de 60 C - Mélange avec un pourcentage de bitume découlant de la dmm expérimentale (4,75% de bitume) et une température de compaction de 80 C - Mélange avec le pourcentage de bitume inférieur à la dmm expérimentale (4,3% de bitume) et avec une température de compaction de 80 C L analyse au niveau de la formulation s est faite en deux temps. Dans un premier temps, l évolution de la température de compaction a permis de voir l évolution du pourcentage de vides en fonction de la température et de voir la température optimale de compaction permettant de répondre aux critères de la formulation de niveau 1. Dans un second temps, l évolution du pourcentage de bitume a permis de palier au problème de vides et de ressuage de bitume. L ensemble des résultats et les observations en découlant sont présentés dans la partie 7. Résultats. L analyse des résultats a permis de retenir le dernier mélange ayant un pourcentage de 4,3 % et une température de compaction de 80 C pour la réalisation de la plaque Malaxage et compactage de la plaque La procédure de malaxage est identique à celle décrite pour les essais de dmm et PCG. Opérations préliminaires - Préchauffage du bitume à température normé - Préchauffage des granulats : o 30 kilogrammes de granulats sont chauffés o Les échantillons respectent les proportions granulaires définies par l analyse granulométrique. - Préchauffage de la cuve et du bras de malaxage dans l étuve pendant ½ heure. Page 48

49 Opérations de malaxage : - Sortie de la cuve de malaxage, mise en place sur la balance et mise à zéro de cette dernière. - Sortie des granulats, introduction dans la cuve et homogénéisation. - Formation d un cratère, remise à zéro de la balance puis introduction de la masse de bitume avec ajustement si la masse de granulat a évolué après séjour dans l étuve. - Mise en place de la cuve et du bras de malaxage sur le malaxeur - Malaxage à vitesse 1 jusqu à obtention du mélange visuellement enrobé - Ajout des granulats bitumineux recyclés et de la quantité d eau - Malaxage à vitesse 1 jusqu à obtention d un mélange visuellement enrobé - Arrêt puis homogénéisation pour éviter que les fines ne soient pas malaxées - Malaxage à vitesse 2 durant 30 secondes - Sortie du bol et vérification de la présence de fines non enrobés - Si présence de fines, décollement de ces dernières à l aide d une cuillère puis malaxage à vitesse 2 jusqu à homogénéisation. - Transvasement dans une panne avec ajustement de la quantité précise pour le moule de compactage. Cette quantité dépend du moule choisi ainsi que des caractéristiques de ce dernier. Le détail de cette opération sera décrit dans l annexe 1. - Cure jusqu à température de compactage Observation sur le malaxage: - Durant l opération, une grande quantité de vapeur d eau est dégagée, preuve de la réalisation de la réaction de moussage. - Contrairement à un enrobé classique, aucune particule bitumineuse ou granulaire ne reste collé au fond du bol, facilitant le nettoyage à l échelle du laboratoire mais aussi à l échelle industrielle dans les camions qui transportent l enrobé sur le chantier Opération de compactage : L opération de compactage peut être résumée de la façon suivante : - Sortir la panne de l étuve et transvaser la quantité exacte d enrobé dans le moule fixé sur le compacteur - Pilonner l enrobé de 50 coups en circulaire de l extérieure du moule vers l intérieur - Suivre la procédure de compactage définie par la force de compactage, le nombre de passage, la position de passage ainsi que la hauteur du vérin situé sous le moule. Une procédure normée doit être respecté pour le compactage de l enrobé ESG 10. Cette dernière est présente en Annexe 3. Observation sur le compactage : Le compactage d un enrobé LEA présente certaines particularités : Page 49

50 Pourcentage de vides FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES - Dans un premier temps, le volume à mettre dans le moule est plus important, ce qui force à faire une passe de roue de compactage supplémentaire pour mettre en place le mélange et pour suivre la procédure de malaxage décrite en Annexe 3. - D autre part, comparé à un enrobé classique, l enrobé LEA est plus facile à compacter Réalisation des essais pour l enrobé LEA contenant 50% de granulats bitumineux recyclés Caractéristiques granulaires et bitumineuses du mélange - Caractéristiques granulaires La granulométrie du mélange répond à deux critères. Dans un premier temps, cette dernière doit répondre aux exigences des points de contrôle définis par la norme pour un ESG 10. D autre part, pour avoir des résultats comparables entre les essais, j ai choisi de prendre une granulométrie qui des rapproche le plus possible de l enrobé témoin représenté en pointillés sur le graphique ci-dessous. Les pourcentages granulométriques utilisés pour les essais sont les suivants : Identification filler RAP % massique Tableau : Granulométrie retenue 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Tamis^0,45 Zone de restriction Courbe de masse volumique maximale Courbe de formulation Figure 19 : Courbe granulométrique du mélange LEA+50% de GBR Page 50

51 Le détail de la granulométrie est défini en Annexe 6 - Caractéristiques bitumineuses : Caractéristiques supplémentaires du RAP U Pourcentage bitume RAP Pb RAP 5,18 % Pourcentage de bitume mobilisable Pbm RAP 2,59 % Malaxage pour les essais de PCG et dmm - Sortie du bol de malaxage - Tare de la balance - Incorporation des granulats (relevé de température) - Ajustement de la quantité de bitume (relevé de la température du bitume) - Malaxage phase 1 :45 secondes - Ajout des GBR (préchauffés pour certains mélanges) et de l eau pendant le malaxage (relevé de la température du mélange). Pour mieux maitriser le pourcentage d eau contenu dans le GBR, ce n est pas du GBR humide qui est ajouté mais du GBR sec et une quantité d eau correspondant à la teneur en eau voulue. - Malaxage phase 2 : 30secondes - Récupération des fines 9 - Malaxage phase 3 : 30 secondes - Mise en place dans un contenant chauffé (relevé de la température du mélange) - Mise en place dans l étuve à 80 C pendant 2h (relevé de la température avant essais) Description des mélanges Voici les différents mélanges utilisés pour obtenir un enrobé correspondant aux critères de la formulation de niveau 1 : - Mélange avec le pourcentage de bitume découlant de la dmm théorique (3,2% de bitume) et une température de compaction de 80 C - Mélange avec le pourcentage de bitume découlant de la dmm expérimentale (3,75% de bitume) et avec une température de compaction de 80 C - Mélange avec le pourcentage de bitume supérieur à celui de la dmm expérimentale (4,3% de bitume) et une température de compaction de 80 C - Mélange avec le pourcentage de bitume supérieur à celui de la dmm expérimentale (4,3% de bitume), une température de compaction de 80 C et des granulats bitumineux recyclés chauffés à 60 C - Mélange avec le pourcentage de bitume supérieur à celui de la dmm expérimentale (4,3% de bitume), une température de compaction de 80 C et des granulats bitumineux chauffés à 80 C. 9 La récupération des fines est réalisée au moyen d une cuillère chauffée et en raclant le fond et les bords du bol de malaxage Page 51

52 La variation du pourcentage de bitume a permis de répondre au problème de mauvais enrobage. Le préchauffage des GBR a assuré la totale réaction de vaporisation. L ensemble des résultats et des observations en découlant sont présentés dans la partie 7. Résultats. L analyse des résultats a permis de retenir le dernier mélange ayant un pourcentage de 4,3 % et une température de compaction de 80 C pour la réalisation de la plaque Températures caractéristiques des essais - Température des granulats chauds : 165 C - Température du bitume : 150 C - Température du GBR : de 22 C à 80 C suivant les mélanges - Température de l eau : environ 22,1 C - Température pendant le malaxage : 98,5 C - Température de mise à l étuve : 80 C - Température au début de l essai PCG : 80 C Malaxage et compactage de la plaque La procédure de malaxage est identique à celle décrite pour le mélange LEA précédent. Opérations préliminaires - Préchauffage du bitume à température normé - Préchauffage des granulats : o Préchauffage des granulats vierges à 165 C o Préchauffage des granulats bitumineux recyclés à 60 et 80 C suivant les mélanges o Les échantillons respectent les proportions granulaires définies par l analyse granulométrique. - Préchauffage de la cuve et du bras de malaxage dans l étuve pendant ½ heure. Opérations de malaxage : - Sortie de la cuve de malaxage, mise en place sur la balance et mise à zéro de cette dernière. - Sortie des granulats, introduction dans la cuve et homogénéisation. - Formation d un cratère, remise à zéro de la balance puis introduction de la masse de bitume avec ajustement si la masse de granulat a évolué après séjour dans l étuve. - Mise en place de la cuve et du bras de malaxage sur le malaxeur - Malaxage à vitesse 1 jusqu à obtention du mélange visuellement enrobé - Ajout des granulats bitumineux recyclés et de la quantité d eau. - Arrêt puis homogénéisation pour éviter que les fines ne soient pas malaxées - Malaxage à vitesse 1 jusqu à obtention d un mélange visuellement enrobé Page 52

53 - Malaxage à vitesse 2 durant 30 secondes - Sortie du bol et vérification de la présence de fines non enrobés - Si présence de fines, décollement de ces dernières à l aide d une cuillère puis malaxage à vitesse 2 jusqu à homogénéisation. - Transvasement dans une panne avec ajustement de la quantité précise pour le moule de compactage. Cette quantité dépend du moule choisi ainsi que des caractéristiques de ce dernier. Le détail de cette opération sera décrit dans l annexe 1. - Cure jusqu à température de compactage Observation sur le malaxage: - Pour les mélanges n ayant pas de granulats bitumineux recyclés préchauffés, la réaction entre l eau et le bitume n est que partielle et il reste de l eau après compactage à l essai PCG. - Pour ces mêmes mélanges, le malaxage laisse beaucoup de particules au fond du bol de malaxage. - Il est nécessaire de chauffer les granulats bitumineux recyclés à 80 C pour observer un phénomène et un rendu similaire au LEA contenant 30% de GBR. Opération de compactage : L opération de compactage peut être résumée de la façon suivante : - Sortir la panne de l étuve et transvaser la quantité exacte d enrobé dans le moule fixé sur le compacteur - Pilonner l enrobé de 50 coups en circulaire de l extérieure de moule vers l intérieur - Suivre la procédure de compactage définie par la force de compactage, le nombre de passage, la position de passage ainsi que la hauteur du vérin situé sous le moule. Une procédure normée doit être respecté pour le compactage de l enrobé ESG 10. Cette dernière est présente en Annexe 3. Observation sur le compactage : Les observations sont les même que pour les enrobés LEA contenant 30% de granulats bitumineux recyclés Réalisation des essais pour l enrobé LEA contenant 70% de granulats bitumineux recyclés Caractéristiques granulaires et bitumineuses du mélange - Caractéristiques granulaires Page 53

54 Pourcentage de vides FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES La granulométrie du mélange répond à deux critères. Dans un premier temps, cette dernière doit répondre aux exigences des points de contrôle définis par la norme pour un ESG 10. D autre part, pour avoir des résultats comparables entre les essais, j ai choisi de prendre une granulométrie qui les rapproche le plus possible de l enrobé témoin représenté en pointillés sur le graphique ci dessous. Les pourcentages granulométriques utilisés pour les essais sont les suivants : Identification filler RAP % massique Tableau : Granulométrie retenue 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Zone de restriction Courbe de masse volumique maximale Courbe de formulation 0,00 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 Tamis^0,45 Figure 20 : Courbe granulométrique du mélange LEA+70% de GBR - Caractéristiques bitumineuses Caractéristiques supplémentaires du RAP U Pourcentage bitume RAP Pb RAP 5,18 % Pourcentage de bitume mobilisable Pbm RAP 3,63 % Malaxage pour les essais dmm et PCG - Sortie du bol de malaxage - Tare de la balance Page 54

55 - Incorporation des granulats (relevé de température) - Ajustement de la quantité de bitume (relevé de la température du bitume) - Malaxage phase 1 :45 secondes - Ajout des GBR (préchauffés pour certains mélanges) et de l eau pendant le malaxage (relevé de la température du mélange). Pour mieux maitriser le pourcentage d eau contenu dans le GBR, ce n est pas du GBR humide qui est ajouté mais du GBR sec et une quantité d eau correspondant à la teneur en eau voulue. - Malaxage phase 2 : 30secondes - Récupération des fines 10 - Malaxage phase 3 : 30 secondes - Mise en place dans un contenant chauffé (relevé de la température du mélange) - Mise en place dans l étuve à 60 C pendant 2h (relevé de la température avant essais) Températures caractéristiques des essais - Température des granulats chauds : 165 C - Température du bitume : 150 C - Température du RAP : de 22,6 C à 80 C suivant les mélanges - Température de l eau : environ 22 C - Température après malaxage : environ 85 C - Température de mise à l étuve : 60 C - Température au début de l essai PCG : 60 C Description des mélanges réalisés Voici les différents mélanges pour obtenir un enrobé correspondant aux critères de la formulation de niveau 1 : - Mélange avec le pourcentage de bitume découlant de la dmm théorique (2,78% de bitume) et température de compaction de 60 C - Mélange avec le pourcentage de bitume découlant de la dmm expérimentale (3,2% de bitume) et avec une température de compaction de 60 C - Mélange avec le pourcentage de bitume supérieur à la dmm expérimentale (4,3% de bitume), une température de compaction de 60 C - Mélange avec le pourcentage de bitume supérieur à la dmm expérimentale (4,3% de bitume), une température de compaction de 60 C et des granulats bitumineux recyclés chauffés à 80 C. La variation du pourcentage de bitume avait pour but de répondre au problème de mauvais enrobage. La mise à l étuve des granulats bitumineux recyclés à 80 C avait pour but de répondre au problème de mauvaise réaction entre le bitume et l eau. 10 La récupération des fines est réalisée au moyen d une cuillère chauffée et en raclant le fond et les bords du bol de malaxage Page 55

56 Malaxage et compactage de la plaque Les procédures de malaxage et de compactage sont identiques à celles décrites pour les mélanges LEA précédents. Observation sur le malaxage: - Pour les mélanges dont les granulats bitumineux ne sont pas chauffés, l enrobage ainsi que la réaction de moussage n est que partielle. - L enrobage est total pour l enrobé contenant les GBR à 80 C. Cependant, la réaction entre l eau et le bitume n est pas non plus totale à la fin du malaxage. Page 56

57 7. Résultats et analyses 7.1. Introduction Les résultats de l étude se divisent en deux catégories : - Les résultats de validation des mélanges obtenus après les essais de presse à cisaillement giratoire. - Les résultats des essais au module complexe et au retrait thermique empêché permettent de comparer les formulations, d analyser l évolution du comportement en fonction des compositions et de juger de la conformité et de la possible mise en œuvre de ces mélanges. L essai au module complexe est un essai long qui prend en général 3 jours. Etant donné que d autres étudiants utilisent la machine, j espère pouvoir réaliser l ensemble de ces essais avant la fin de mon projet Les résultats de validation des mélanges (test de formulation niveau 1) A l heure actuelle, deux de mes trois ou quatre mélanges sont validés. Cette partie présente les résultats des essais de dmm et de PCG pour le mélange témoin et le mélange LEA+30% de GBR Résultats du mélange témoin - Essai de dmm : L essai de dmm dont la procédure est défini dans la partie 6. Expérimentation donne les résultats suivants : Dmm Essai 1 Essai 2 Essai 3 masse nette échantillon A 1274,5 1190,7 1298,0 masse récipient avec l'eau D 5491,2 5479,8 5491,2 masse nette dans l'eau E 6281,5 6218,5 6295,8 température de l'eau t C 25,00 25,00 25,00 densité max enrobé dmm 2,632 2,634 2,631 Et en faisant une moyenne nous avons dmm = 2, Essai de presse à cisaillement giratoire : En respectant la procédure de réalisation et de calcul de la masse d échantillon citée en partie 6. Expérimentation, j obtiens les résultats suivants : Page 57

58 Pourcentage de vides FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 Points de contrôle 0, Nombre de girations Critères de validation Girations Vides % Limite de vides % 10 13,99 > 11 % 80 5, % 200 2,38 > 2 % - Bilan : La formulation est validée, la plaque est réalisée suivant la procédure décrite dans la partie 6.3. ; Il ne reste plus qu a attendre la fin du repos de la plaque (environ 15 jours pour carotter et réaliser les essais de module complexe et de retrait thermique) Résultats du mélange LEA+30% de GBR Comme dit dans la partie expérimentation, plusieurs mélanges ont été réalisés pour obtenir le mélange correspondant aux exigences de la formulation de niveau 1. Les paramètres modifiés entre les mélanges sont le pourcentage de bitume et la température de compactage. Les proportions granulométriques ont été prises de façon à se rapprocher au plus près de la courbe granulométrique de l enrobé témoin Mise en œuvre des mélanges Page 58

59 Contrairement aux mélanges contenant 50 et 70% de granulats bitumineux recyclés, tous les mélanges réalisés avec l enrobé LEA contenant 30% de GBR n ont pas posé de problèmes vis-à vis de la réaction de moussage. Les températures et pourcentages de chacun des matériaux introduis a permis d avoir une température de malaxage proche des 100 C, permettant la réaction des enrobés LEA. - Essai dmm : Dmm Essai 1 Essai 2 Essai 3 masse nette echantillon A 1102,4 1525,2 1251,1 masse recipient avec l'eau D 5543,8 5491,4 5543,9 masse nette dans l'eau E 6221,1 6429,4 6313,3 température de l'eau t C 25,00 25,00 25,00 densité max enrobé dmm 2,593 2,597 2,597 En faisant une moyenne, nous avons : dmm = 2,596 Observations : Contrairement au mélange témoin, il y une différence notable entre la densité maximale théorique et la densité maximale expérimentale. Cette différence vient du fait que, théoriquement, on ne connaît pas exactement les caractéristiques de moussage et de mélange des deux bitumes en présence. C est ce pourcentage expérimental qui est pris en compte pour les essais de presse à cisaillement giratoire Essais PCG Les essais de PCG ont été menés sur les quatre mélanges cités dans la partie Ils ont aboutis aux résultats suivants : Pourcentage de vides (%) Compactage 60 C + 4,75% de bitume 8,59 3,36 2,95 Compactage 70 C + 4,75% de bitume 8,87 3,60 2,95 Compactage 80 C + 4,75% de bitume 7,33 3,44 3,12 Compactage à 80 C + 4,3% de bitume 8,15 4,64 4,41 Critères de girations >11 4 à 7 > 2 Tableau 6 : Nombre de vides en fonction de chaque mélange Page 59

60 Pourcentage de vides (%) FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES Points de contrôle Compactage 60 C + 4,75% de bitume Compactage 70 C + 4,75% de bitume Compactage 80 C + 4,75% de bitume Compactage à 80 C + 4,3% de bitume Nombre de girations Figure 21 : Résultats de la presse à cisaillement pour les différents mélanges Analyse visuelle des échantillons après l essai : Les quatre mélanges étaient tous enrobés de manière satisfaisant et aucune trace d eau (signe d une réaction de moussage partielle) n était à signaler. Toutefois, un faible ressuage pouvait être observé sur les mélanges comportant 4,75% de bitume d ajout au niveau des parois de l échantillon et du moule de PCG. Analyse des résultats de l essai : Dans un premier temps, il apparaît évident qu aucun des mélanges ne répond aux critères de vides à 10 girations. Pour l ensemble des mélanges réalisés par la procédure LEA, ce critère n a pas pu être respecté. La réaction de moussage caractéristique du mélange LEA lui donne une texture particulière dont le pouvoir de compaction est plus important en début d essai. De 0 à 30 girations, les enrobés LEA ont un comportement particulier. Toutefois, les mélanges retenus pour les essais au retrait thermique et au module complexe respectent tous les critères à 80 et 200 girations, nécessaire à la bonne compaction lors de la réalisation de la plaque. Le critère à 10 girations non respecté oblige à faire une passe supplémentaire avant d entreprendre la procédure de compaction au compacteur présentée dans l annexe 3. Page 60

61 Le premier mélange réalisé fut l échantillon compacté à 80 C et comportant 4,75% de bitume. Ce mélange possédait des caractéristiques valides à 200 girations et très proches des critères à 80 girations. Il a donc été décidé de voir l influence de la température de compactage sur ce mélange pour voir si, pour une température de compactage plus faible, les pourcentages de vides changés et pouvaient respecter les critères de validation de la presse à cisaillement giratoire pour un mélange ESG10. Toutefois baisser la température de compactage à 70 C puis 60 C n a pas eu une influence significative sur les résultats tant à 80 qu à 200 girations avec des différences de pourcentages n excédent pas 0,3% et ne permettant pas de respecter le critère à 80 girations. Un second axe d optimisation fut le pourcentage de bitume. En effet, après l essai à la presse à cisaillement giratoire, les mélanges contenant 4,75% de bitume d ajout ressuées faiblement sur les parois du moule et de l échantillon, signe d un trop fort pourcentage de bitume. Or, un pourcentage important de bitume à des répercussions sur le pourcentage de vide du mélange. Dans ce contexte, un mélange contenant 4,3% de bitume d ajout fut réalisé. En termes de malaxage, de réaction et de températures, aucune différence n a été notée avec les autres mélanges. Cependant, ce mélange répond aux critères de la presse à cisaillement giratoire et le résultat visuel ne montre pas de signes de ressuage. C est donc ce mélange qui a été retenu pour les essais de retrait thermique et de module complexe Bilan Le mélange retenu a donc les caractéristiques suivantes - Granulométrie : Identification filler RAP % massique Tableau 7 : Combiné granulaire du mélange retenu - Caractéristiques bitumineuses : Bitume d ajout de grade de performance : 4,3% de la masse totale du mélange - Caractéristiques visuelles : Page 61

62 Figure 22 : Coupe de l'échantillon de PCG - Températures du mélange : o Température des granulats chauds : 165 C o Température du bitume : 150 C o Température du RAP : 22,6 C o Température de l eau : 21,7 C o Température pendant le malaxage : 102,5 C o Température après malaxage : 80 C o Température de mise à l étuve : 80 C - Caractéristiques de la presse à cisaillement giratoire : Pourcentage de vides (%) Compactage à 80 C + 4,3% de bitume 8,15 4,64 4,41 Critères de girations >11 4 à 7 > 2 Tableau 8 : Caractéristiques de vides du mélange retenu Enrobé LEA+50% de GBR Cinq mélanges ont été réalisés pour obtenir le mélange correspondant aux exigences de la formulation de niveau 1. Les paramètres modifiés entre les mélanges sont le pourcentage de bitume et la température des granulats bitumineux recyclés, essentiels pour répondre aux exigences de la presse à cisaillement giratoire mais aussi pour assurer le bon enrobage et la réaction entre l eau et le bitume lors du malaxage. Les proportions granulométriques ont été Page 62

63 prises de façon à se rapprocher au plus près de la courbe granulométrique de l enrobé témoin Mise en œuvre des mélanges - Essai dmm : En faisant une moyenne, nous avons : dmm = 2,507 Observations : Comme les autres mélanges, il y une différence entre la densité maximale théorique et la densité maximale expérimentale. Cette différence vient du fait que, théoriquement, on ne connaît pas exactement les caractéristiques de moussage et de mélange des deux bitumes en présence. C est ce pourcentage expérimental qui est pris en compte pour les essais de presse à cisaillement giratoire Essais PCG Les essais de PCG ont été menés sur les quatre mélanges cités dans la partie Ils ont aboutis aux résultats suivants : Pourcentage de vides (%) Compactage à 80 C+3,2% de bitume 5,04 3,12 2,79 Compactage à 80 C + 3,75% de bitume 5,97 3,52 2,95 Compactage à 80 C + 4,3% de bitume 5,43 3,69 3,36 Compactage à 80 C + 4,3% de bitume + GBR à 60 C 5,35 3,85 3,60 Compactage à 80 C + 4,3% de bitume + GBR à 80 C 5,35 4,01 3,85 Critères de girations >11 4 à 7 > 2 Tableau 9 : Caractéristiques de vides des mélanges testés Page 63

64 Pourcentage de vides (%) FORMULATION D ENROBES SEMI-TIEDES UTILISANT DES POURCENTAGES ELEVES Points de contrôle Compactage à 80 C + 4,3% de bitume + GBR à 80 C Compactage à 80 C+3,2% de bitume Compactage à 80 C + 3,75% de bitume 10 8 Compactage à 80 C + 4,3% de bitume Compactage à 80 C + 4,3% de bitume + GBR à 60 C Nombre de girations Figure 23 : Résultats des essais PCG Analyse visuelle des échantillons après malaxage et essais : Lors du malaxage, ajouter 50% des granulats bitumineux recyclés a posé des problèmes d enrobage et de réaction de moussage. En effet, dans un premier temps, pour les mélanges comprenant 3,2% et 3,75% de bitume, certains granulats (majoritairement les granulats fins) ne sont pas enrobés de bitume. Le bitume contenu dans les granulats bitumineux recyclés n est pas mobilisable comme attendu. Il est ainsi nécessaire de rajouter du bitume pour palier à ce manque de bitume mobilisable. D autre part, les mélanges cités précédemment n ont pas une réaction de moussage complète. Une grande quantité d eau n est pas vaporisée. L eau continue à se vaporiser après le malaxage. De plus, de l eau est présente sur les parois de l échantillon et du moule de presse à cisaillement giratoire après compactage. Visuellement, les échantillons possédant 4,3% de bitume n ont pas de problème d enrobage des granulats. Toutefois, il est nécessaire de chauffer les granulats pour avoir une température de malaxage d environ 100 C et une évaporation complète de l eau introduite. Ainsi, après compactage à la presse à cisaillement giratoire seul le mélange dont les granulats bitumineux recyclés ont été chauffés à 80 C n a pas de problème de surplus d eau. Page 64

65 Analyse des résultats de l essai : Pour le pourcentage de vides à 10 girations, on peut faire la même remarque que pour l enrobé LEA contenant 30% de granulats bitumineux recyclés. En ce qui concerne le pourcentage de vides à 80 et 200 girations, seul le mélange contenant 4,3% de bitume et des granulats bitumineux recyclés à 80 C répond aux critères de vides à 80 et 200 girations. Toutefois, les mélanges à pourcentage de bitume équivalent ont des pourcentages de vides respectés à 200 girations et à moins de 0,31% pour le critère à 80 girations Bilan Le mélange retenu a donc les caractéristiques suivantes - Granulométrie : Identification filler RAP % massique Tableau 10 : Combiné granulaire du mélange retenu - Caractéristiques bitumineuses : Bitume d ajout de grade de performance : 4,3% de la masse totale du mélange - Caractéristiques visuelles : Figure 24 : Coupe de l'échantillon de PCG Page 65