Analyse des performances mesurées sur enrobés à module élevé (EME) et graves-bitumes (GB). Proposition d un principe de compensation DIMENSIONNEMENT

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1 RECHERCHE & DÉVELOPPEMENT DIMENSIONNEMENT Analyse des performances mesurées sur enrobés à module élevé (EME) et graves-bitumes (GB). Proposition d un principe de compensation

2 Dimensionnement Caractéristiques de module et fatigue AUTEURS Michel Chappat Directeur de le Recherche et du développement S.A. Xavier Carbonneau Chef de service Enrobés1 Campus scientifique et technique (CST) Yann Lefeuvre Chef de section Calcul de structure Campus scientifique et technique (CST) Analyse des performances mesurées sur enrobés à module élevé (EME) et graves-bitume (GB) Proposition d un principe de compensation De plus en plus fréquemment, sont réalisées des études de formulation d enrobés complètes, avec détermination des caractéristiques fondamentales de module et de tenue en fatigue, au sens de la norme NF EN [1], historiquement appelée étude de niveau 4. Le groupe dispose d une base de données significative, à partir de laquelle est présentée une première analyse détaillée portant essentiellement sur l importance de la nature du liant et sur les possibilités du dimensionnement. Les évolutions normatives récentes sont tout d abord rappelées, ainsi que la notion de distance critique, essentielles lorsque l on compare des résultats issus de laboratoires différents. Sont ensuite présentés les résultats pour deux grandes familles de produits que sont les enrobés à module élevé (EME) de classe 2 et les graves-bitume (GB) de classe 4. Enfin la notion de compensation, qui paraît maintenant nécessaire, eu égard à la connaissance acquise sur les performances mesurées, mais aussi par le retour d expérience disponible sur les mélanges, est proposée. Ces résultats ouvrent un débat plus large sur les modalités d acceptation d une formulation, au niveau contractuel, mais également sur la nécessité de valoriser l offre bitume disponible. L obtention de résultats non-conformes peut conduire à diverses alternatives. Dans le cas d une étude menée très en amont du chantier, l étude de formulation peut être reprise, en capitalisant sur la première série de résultats pour optimiser la composition, par une modification du squelette granulaire, une optimisation du dosage en liant, une modification de la classe du liant retenu lorsque c est possible. Il se présente également des situations où la reprise complète de l étude de formulation n est pas compatible avec les impératifs du chantier. Il est alors possible de vérifier que les caractéristiques propres du matériau permettent de valider avec le logiciel de calcul de dimensionnement Alizé la structure proposée vis-à-vis du trafic. Enfin, une dernière alternative consiste à fixer arbitrairement une modification de la structure, augmentation de l épaisseur, ou bien augmentation de la teneur en liant par exemple, sans vérification expérimentale supplémentaire. 84 RGRA N 875 avril 2009

3 Evolution normative Appellation La dernière décennie a été riche en parution de textes normatifs, le plus récemment européens. Parmi les dernières modifications, citons tout d abord l appellation des enrobés bitumineux. La norme NF EN regroupe ainsi une grande part des enrobés bitumineux, pour couches de roulement, de liaison et de base. Elle codifie également l appellation européenne pour ces différents produits. Dans le cas des GB et des EME, l appellation européenne se fait sous la forme EB Ø assise liant, Ø indiquant le diamètre du plus gros granulat et liant signifiant qu il faut préciser la classe du liant de la formule. Pour la France, cette simple appellation n indique nullement le niveau de performance à atteindre. Il est précisé dans les caractéristiques recommandées de l avant-propos national de la norme NF EN , ce qui conduit respectivement, lorsque l on ne retient que les caractéristiques de module et tenue en fatigue, aux dénominations suivantes : EB Ø assise liant S min , ε Vi = 3 % et Vs = 6 % pour un EME de classe 2 selon la norme NF-P [2], et EB Ø assise liant S min , ε Vi = 5 % et Vs = 8 % pour une GB de classe 4 au sens de la norme NF P [3]. Le propos portant sur le niveau de performance mesuré sur les familles de produits de type EME ou GB, sans précision sur le diamètre du plus gros ganulat, ni sur la classe du liant dur (10/20, 15/25, 20/30, liant spécial), seuls sont évoqués les EME de classe 2 et les GB de classe 4. Evolution des normes produits Parmi les modifications plus anciennes, puisqu elles sont apparues lors de l actualisation des normes produits françaises en 1999 et ont été conservées dans les caractéristiques recommandées de la norme NF EN , on peut citer une plage de pourcentage de vides à respecter pour les corps d épreuve. Pour les EME de classe 2, il faut respecter une compacité comprise entre 94 et 97 %. Dans ce cas précis, le concept même d EME impose de formuler un enrobé compact et riche en liant dur pour obtenir simultanément les performances de module et de tenue en fatigue. Travailler dans cette plage de compacité s avère donc souvent facile, sauf avec certaines natures de matériaux particulièrement frottants ou poreux. Mais il faut justifier de performances pour un pourcentage de vides supérieur ou égal à 3 %, alors qu en place le produit présente parfois des valeurs plus faibles. Cette évolution était pourtant nécessaire, car elle assure une garantie supplémentaire pour les performances de module et fatigue, et évite les propositions de formulations trop maniables en laboratoire, mais susceptibles de présenter ensuite des difficultés de mise en œuvre. Evolution des normes essais Un autre domaine, qui a connu des modifications parfois peu visibles, est celui des essais. Ainsi la mesure de la flèche prise en compte dans la réalisation de l essai de fatigue, se faisait par le passé en statique. Elle s opère sur une mesure dynamique depuis la réédition de la norme NF P [4]. Ce changement n a interpellé que les praticiens de l essai, qui ont commencé leur travail par une mise à niveau de leur matériel. Outre ces modifications matérielles, cette évolution que l on pourrait penser anodine conduit, dans le cas des EME, à une réduction du résultat de l ordre de 6 à 10 μdef, valeurs déterminées sur quelques mélanges pour lesquels deux exploitations possibles des données expérimentales ont été effectuées. Présenté autrement, un résultat qui donnait auparavant une estimation de durée de vie en fatigue de 132 μdef, peut conduire à une valeur de 126 par exemple avec cette nouvelle manière de réaliser l essai. Ce qui hier était conforme, ne l est plus aujourd hui. En effet, l évolution de la norme essai ne s est pas accompagnée de modifications des spécifications performantielles des produits. Ici encore, c est tout à l avantage du client, qui obtient «plus» pour la même demande. C est moins acceptable pour l entreprise, car on n accepte plus un mélange qui, auparavant, donnait entière satisfaction dans la durée sur site. Une dernière subtilité, toujours dans le cas de l essai de tenue en fatigue, porte sur la définition même de la durée de vie. Dans la version de juillet 2001 de la norme NF P , le critère de rupture conventionnel est défini de la manière suivante : «une éprouvette est considérée comme détruite lorsque sa force de réaction en tête correspondant à l application de la flèche en tête est diminuée de moitié». Dans sa version européenne, NF EN de mars 2005 [5], modifiée en 2007 NF EN A1 [6], ce critère conventionnel de rupture (à déplacement constant) devient : «nombre d applications de charge, Nf/50, correspondant à une diminution de moitié du module complexe de rigidité par rapport à sa valeur initiale». Ces petites différences ne doivent pas offrir la possibilité d avantager une proposition de formulation. Les comparaisons chiffrées, permettant d affirmer que cette modification de la définition de la rupture se traduit par une variation significative du résultat, ne sont pas disponibles, mais l établissement de ce type d information n est pas non plus du ressort d une seule entreprise. Elle s avère cependant nécessaire, pour éviter d éventuelles discussions stériles, et pour apporter des éléments concrets en cas d analyse de résultats issus d études menées à l international avec un critère de rupture différent. Il serait également dommageable qu elle puisse induire une distorsion de la concurrence, un acteur profitant de biais de ce type pour favoriser ses propositions techniques. Présentation des résultats Seules sont présentées, dans cet article, les données de concernant les EME de classe 2 et les GB de classe 4. L ensemble de ces valeurs correspond à des résultats extraits de plus de 170 études de formulation menées au sein du Campus scientifique et technique (CST) de. Un atelier constitué par 6 machines, 4 machines de type «excentriques» et 2 machines de type «pots vibrants», a été organisé pour garantir un optimum de productivité et de fiabilité des résultats (photo 1). Photo 1 Vue partielle de l atelier dédié aux essais de fatigue sur enrobés au CST Partial view of asphalt fatigue test unit at scientific and technical campus (CST) Ces valeurs obtenues sur la période ne représentent qu une partie des données, mais sur cette période les conditions de réalisation sont identiques, avec une mesure dynamique de la flèche intégrant les commentaires précédents. RGRA N 875 avril

4 Dimensionnement Caractéristiques de module et fatigue Les résultats de fatigue correspondent exclusivement à des résultats d essais en flexion sur éprouvettes trapézoïdales. Aucune estimation de la durée de vie en fatigue n est faite à partir des données expérimentales d essai de non-linéarité à la MAER. En effet, les relations, rappelées dans le Manuel LPC d aide à la formulation des enrobés [7], ont été établies bien avant les modifications des conditions d essais rappelées précédemment. Elles mériteraient sans doute des études nouvelles pour être réactualisées. Le nombre de formules étudiées reste relativement modeste pour une analyse statistique de ces données, d autant plus que toutes les variations possibles sont intégrées (nature des matériaux, nature des liants, dosage en liants,...). On ne peut, dans ces conditions, espérer systématiquement obtenir les exigences classiques de performance, de MPa et de 130 μdef. Néanmoins, ces cas restent des cas particuliers, identifiés, et ne modifient pas les tendances présentées par la suite. Enfin, dans les figures suivantes, les points correspondant à des éprouvettes non-conformes en termes de compacité n ont pas été éliminés. Mais leur nombre est précisé, et ici encore cela ne remet pas en cause les commentaires généraux. Sont également commentées certaines observations que l on peut faire à partir de ces données et celles présentées par le LCPC sur le thème CH 17 lors des journées techniques «Durabilité structurelle des chaussées : Pathologie et entretien» du 9 septembre 2008 [8]. Cette dernière base de données ayant été initiée avant 2002, nous n avons pas de certitude sur l homogénéité des conditions de réalisation d essais. Elle mélange peut-être des résultats tirés de mesures avec détermination de la flèche en statique et en dynamique. La représentation graphique retenue montre pour chaque mélange en abscisse la valeur du module à 15 C, déterminée majoritairement en flexion sur éprouvettes trapézoïdales mais également en traction directe à la MAER, et en ordonnée la durée de vie en fatigue ε 6 déterminée en flexion à 10 C 25Hz. 86 RGRA N 875 avril 2009 Les formules jugées conformes correspondent donc à celles situées dans la partie supérieure à droite sur les différents graphiques présentés. Cas des GB Sur la période, 65 résultats de tenue en fatigue sur des GB sont disponibles, dont 38, soit 58 %, concernent des GB de classe 4. Pour l ensemble des résultats concernant les GB, la part des résultats non-conformes est de 30 %. Elles sont presque exclusivement formulées avec des bitumes 35/50. Dans cette population, 6 résultats de module ont été obtenus en traction directe à la MAER. Les résultats obtenus sont représentés sur la figure 1. Les teneurs en liant sont comprises entre 4,4 et 5,21 %. Seuls 35 résultats sur 38 sont représentés, car le résultat de 3 formules est non-conforme en tenue en fatigue sans mesure du module. Lorsque l on calcule la proportion de résultats non-conformes pour les GB cl4, en comparant ces valeurs aux caractéristiques recommandées dans l avant-propos de la norme NF EN (S min et ε ), elle est de 42 %. Cette évaluation n a pas été menée pour les autres classes de GB étudiées pour lesquelles une population trop faible de résultats (20 GB cl3 et 7 GB cl2) était disponible. La population disponible est comparable à celle du LCPC en ce qui concerne les GB de classe 4, la taille est comparable : 31 d un côté (LCPC) pour 38 de l autre (). Les valeurs moyennes d epsilon 6, calculées sur les 2 populations, sont proches : 99 μdef pour le LCPC et 101 au CST, avec des écarts-types respectifs de 13 et 10 μdef. Dans le cas de la base de données LCPC, la proportion de formules non-conformes établie sur la seule base du critère de tenue en fatigue est de 55 %, alors qu on n a pas pris en compte une éventuelle non-conformité pour le critère module. On a donc pour ces deux ensembles de données, ou LCPC, une part de résultats non-conformes de l ordre de 50 %, ce qui est considérable. La comparaison ne peut aller beaucoup plus loin, car nous ne disposons d aucune connaissance précise sur les formulations LCPC, mais elle révèle déjà la nécessité de vérifier les performances dans le cas des produits de type GB de classe 4. Cas des EME Sur la période, 109 résultats sur des EME sont disponibles, dont un seul concerne un EME de cl1. Dans cette population, 11 valeurs de modules ont été déterminées en traction directe à la MAER. L analyse des valeurs de module et fatigue au regard des caractéristiques recommandées dans l avant-propos de la norme NF EN , S min et ε pour la classe 2, permet de déterminer une part de résultats non-conformes de 65 % (70 sur 108). Ces données sont représentées figure 2. Ici encore, il est possible de comparer ces proportions aux données tirées de la base de données du LCPC. Les dernières données présentées [8] font état d une population d EME Figure 1 Représentation des valeurs modules et fatigues pour les GB de classe 4 disponibles dans la banque de données sur la période Representation of modulus and fatigue values for Class-4 asphalt treated roadbase aggregate (GB) available in data base over period N.B. Pour 3 formules, les seuils sont dépassés, mais avec des teneurs en vides inférieures à la valeur minimale indiquée par la norme produit. En les intégrant, la part de formules nonconformes est de 67, 5 %. Figure 2 Représentation des valeurs modules et fatigues pour les EME de classe 2 disponibles dans la banque de données sur la période Representation of modulus and fatigue values for Class-2 high-modulus mixes (EME) available in data base over period de 73 formulations, dont 2 seraient de classe 1, et 8 pour lesquelles la classe n est pas clairement stipulée, mais présentant une valeur de ε 6 de l ordre de 130.

5 On constate ainsi qu un résultat obtenu par un autre laboratoire sur une même formulation avec le même lot de constituants pourrait conduire à des valeurs bien inférieures aux exigences de la norme. Ce point pose alors la question de l analyse à mener dans le cas de réalisation d une étude de formulation contradictoire complète. il n y a pas, a priori, de raison de privilégier un laboratoire plutôt qu un autre sous réserve que les deux respectent parfaitement les conditions d essais. En conséquence, on se trouve alors dans le cas de l acceptabilité de résultats d essais obtenus sous des conditions de reproductibilité, avec un seul résultat obtenu par chaque laboratoire. Cette première Figure 3 Représentation des valeurs modules et fatigues pour les EME de classe 2 en fonction de leur teneur en liant exprimée en % (Base de données sur la période ) Representation of modulus and fatigue values for Class-2 high modulus mixes (EME) as a function of binder content expressed in % ( data base over period) A partir de la répartition des valeurs d epsilon 6 pour les EME, on dénombre, si l on élimine les 2 formules de classe 1, 34 résultats de tenue en fatigue inférieurs à la valeur de 130 μdef exigée pour un EME de classe 2. On peut donc estimer la part des résultats non-conformes à 48 % sur le seul critère ε 6, et sans tenir compte du module. Elle reste néanmoins, selon les bases de données utilisées, proche ou supérieure à 50 %. Comme pour les GB de classe 4, ces proportions montrent la difficulté à obtenir des performances conformes. Cette première illustration est complétée figure 3 par une représentation dans laquelle est précisé le pourcentage de liant dans les mélanges d EME évalués. On constate sur la figure 3 que la teneur en liant n est pas un paramètre suffisant pour garantir le niveau de performance voulu. Dans certains cas, malgré des pourcentages de liant supérieurs à 6 %, par exemple dans le cas de matériaux poreux, l obtention des caractéristiques exigées d un EME de classe 2 n est pas atteinte. Conformité des mélanges Ces données révèlent une situation que l on peut qualifier d anormale, au regard de produits normalisés, pour lesquels on pourrait s attendre à ce que la non-conformité soit l exception. En préalable à une autre analyse portant sur la nature des liants, il est important de rappeler quel recul il faut prendre vis-à-vis de ces données notamment par rapport à la reproductibilité de ces mesures. L important travail d essais croisés réalisé en France permet en effet de disposer pour la mesure du module et de la tenue en fatigue de la répétabilité et de la reproductibilité des méthodes d essais que nous pratiquons [9,10], valeurs reprises dans les normes essais européennes. C est une chance, ces données n étant pas disponibles pour tous les autres essais proposés par la normalisation européenne. Au sens de la norme NF ISO [11], nous disposons donc d une valeur chiffrée de la distance critique. Deux résultats ne peuvent pas être considérés comme différents si l écart, en valeur absolue, entre les deux résultats est inférieur à cette distance critique. Cette dernière précision est très importante. Elle suppose, lorsque l on conduit une comparaison entre des valeurs expérimentales issues de deux laboratoires différents, que les mesures ont été effectuées avec les mêmes lots de matériaux. En retenant les valeurs de reproductibilité publiées, et en supposant, pour une formule, un module de MPa et une tenue en fatigue de 130 μdef, on a représenté sur la figure 4 le domaine couvert par les notions de distance critique. Figure 4 Représentation du domaine couvert par la limite de reproductibilité pour les essais de module et de tenue en fatigue autour d une valeur expérimentale de MPa et 130 μdef Representation of domain covered by reproducibility limit for modulus and fatigue resistance tests around an experimental value of 14,000 MPa and 130 μdef Cette situation s est déjà souvent rencontrée dans le cas de la tenue à l orniérage, par exemple pour un produit de couche de roulement (EB 10 roul type béton bitumineux semi-grenu, BBSG 35/50) lorsque l on dispose d un seul résultat expérimental à 4,8 % d ornières à cycles. A priori ce résultat expérimental permet l attribution de la classe 3, mais une vérification peut très bien conduire à une nouvelle valeur supérieure à 5 %. Le même type de situation est tout à fait envisageable en ce qui concerne les performances de module et de tenue en fatigue. Il est cependant bon de préciser que pour pouvoir faire une comparaison des résultats issus de deux études contradictoires, il faudrait que les deux laboratoires travaillent dès le départ avec des échantillons prélevés simultanément sur les mêmes stocks, et avec le même lot de liant bitumineux. Par ailleurs si l on s en tient à une lecture rigoureuse de la norme NF ISO sur l utilisation dans la pratique des valeurs d exactitudes condition sous-entend que les deux caractérisations ont été faites exactement avec les mêmes lots de constituants. Il faut alors, dans un premier temps, comparer l écart entre les deux valeurs expérimentales avec la limite de reproductibilité. Et encore dans l absolu, faudrait-il retenir des échantillons du dernier stade de la procédure de préparation, c'est-à-dire des éprouvettes fabriquées par le même laboratoire puisque les limites de répétabilitéreproductibilité ont été établies pour les essais de module et de tenue en fatigue. Cette modalité n étant pas applicable, elle contraint de comparer l écart entre résultats expérimentaux avec la limite de reproductibilité de l essai. S il lui est inférieur, les deux résultats doivent être considérés comme en accord, et la moyenne des deux résultats peut être utilisée comme le résultat établi. Dans ce cas, pour obtenir une valeur moyenne conforme en module et fatigue, c'est-à-dire MPa RGRA N 875 avril

6 Dimensionnement Caractéristiques de module et fatigue et 130 μdef à partir des deux résultats expérimentaux, en supposant que la différence entre valeurs individuelles est maximale, égale à la limite de reproductibilité, les performances minimales à mesurer sont donc de MPa et 134 μdef. S imposer un tel niveau de performance s avère une contrainte supplémentaire par rapport aux caractéristiques recommandées par la norme, avec en conséquence un surcoût des produits proposés. Importance de la nature des liants Comme déjà signalé, l ensemble des formulations étudiées correspondent à toutes les études conduites au sein du CST du groupe, et intègrent donc des variations de matériaux, de squelette granulaire, de nature et de dosage en liant. Les praticiens comprendront la difficulté de disposer de données précises sur la variation de paramètres comme le dosage en liant et /ou la compacité. On comprend aisément pourquoi l on dispose de peu d études aussi complètes que celles issues des campagnes d essais pluriannuelles du LCPC, qui ont conduit aux courbes proposées par Moutier [12]. Néanmoins, pour certaines origines de liants un nombre significatif de résultats est disponible, qui met en évidence des tendances fortes. Elles sont illustrées sur la figure 5, pour laquelle elles sont représentées pour 4 origines de liants durs différentes. Des domaines qui recouvrent l ensemble des résultats expérimentaux disponibles peuvent être esquissés. Il est, de plus, important de préciser que pour chaque origine, les essais ont été réalisés avec des lots différents, qui correspondent à chaque fois à une production différente du liant de la classe voulue. Les limites de ces contours sont indicatives, mais ces zones mettent en évidence une tendance plus marquée pour certains liants à conduire à un résultat plutôt favorable en module ou en fatigue. On distingue ainsi clairement qu avec le liant d origine A, la caractéristique module est Figure 5 Regroupement des résultats de module et tenue en fatigue par origine du liant Grouping of modulus and fatigue resistance results by binder origin le plus souvent vérifiée, mais la tenue en fatigue peut s avérer plus aléatoire. A l inverse, le liant d origine B conduit plutôt à des mélanges non-conformes quant au module, mais présentant une tenue en fatigue souvent supérieure à 140 μdef. D autre part, avec certains liants, il est déjà arrivé d obtenir des caractéristiques très faibles de tenue en fatigue, sans espoir de pouvoir corriger cette faiblesse par une augmentation raisonnable de la teneur en liant du mélange. Enfin, on peut également remarquer que les quelques formulations avec agrégats identifiées sur la figure 5 présentent des performances tout à fait satisfaisantes, même si elles sont obtenues par l usage de liant moins dur que le 10/20, comme le 20/30 par exemple. Cette présentation met clairement en évidence l importance prépondérante de la nature du liant de l étude, avec toutes les implications que peut avoir cette information, et toutes les incertitudes que connaît notre activité industrielle. Il arrive que la demande d étude soit lancée longtemps avant le démarrage du chantier, et dans ce cas le fournisseur est encore souvent inconnu, sauf dans le cas particulier de gros chantiers qui imposent très tôt des engagements de la part des fournisseurs de liant bitumineux. Mais la durée et le coût des essais de fatigue rendent impossible un balayage systématique de l offre bitume possible. Enfin, comme l illustre la photo 2, il est aussi raisonnable de penser qu au-delà du liant le matériau peut lui aussi jouer un rôle, en absorbant une part du liant, ce qui peut avoir là encore un impact sur la performance. Cette question ne sera pas développée, mais offre encore de beaux sujets techniques d études. La conformité des mélanges est jugée sur la vérification des performances en module et fatigue. Les données précédentes indiquent clairement que les caractéristiques du liant liées à son origine et à son processus industriel d élaboration, conduisent à une combinaison des performances qui ne permettent pas nécessairement d atteindre les caractéristiques recommandées dans l avantpropos national de la norme NF EN , reprises dans le guide d utilisation des normes enrobés à chaud [13]. Des caractéristiques simples à déterminer, comme la pénétrabilité, la température bille anneau, ne sont nullement suffisantes pour appréhender les performances en fatigue de l enrobé. Certains liants durs montrent clairement une tendance à présenter un module «faible» combiné à une tenue en fatigue très élevée. Pour d autres, c est plutôt l inverse qui est observé. L offre bitume, particulièrement pour les bitumes durs, a plusieurs fois atteint ses limites, dans un contexte de forte activité de la profession ces dernières années, avec un recours fréquent aux variantes en EME pour leur intérêt technico-économique. On remarque aussi dans nos données qu une imperfection sur l une des caractéristiques (module et fatigue) est souvent associée à un excès de performance dans l autre. Cette constatation a également été faite dans le cadre d études menées par le LCPC Photo 2 Mise en évidence de l absorption du liant bitumineux par le squelette minéral Demonstration of asphalt binder absorption by aggregate skeleton sur la corrélation entre résultats d essais de laboratoires et caractéristiques mécaniques mesurées sur éprouvettes extraites de prélèvements de chaussées [14]. La notion de compensation, abondamment usitée pour les granulats, même si le contexte normatif européen a pu réduire son usage, apparaît intéressante à étudier dans le cadre du dimensionnement des structures, pour les EME et GB de classe RGRA N 875 avril 2009

7 Compensation module - fatigue Rappel de quelques généralités sur la méthode de dimensionnement française Le dimensionnement mécanique prend en compte la méthodologie du Guide technique 1994 [16] du LCPC-SETRA. La méthode de dimensionnement de chaussée LCPC-SETRA fait appel au programme de calcul de structure Alizé. Ce programme informatique, basé sur la méthode de Burmister, calcule sous une charge circulaire les contraintes et déformations en différents points dans un massif multicouches semi-infini, où chaque couche est homogène, isotrope à comportement élastique linéaire. La démarche suivie pour l'étude de dimensionnement consiste à : Déterminer les limites admissibles des matériaux en fonction de leurs caractéristiques mécaniques propres (loi de fatigue du matériau) et du trafic. Modéliser la structure existante en fonction de ses épaisseurs, des modules de rigidité des matériaux et de leur coefficient de Poisson. Calculer sous une charge de référence, celle des engins de chargement, les contraintes et déformations dans les différentes couches de matériau. Comparer les valeurs calculées par le modèle aux valeurs admissibles déterminées précédemment. De façon générale, les critères retenus pour le dimensionnement des chaussées sont au nombre de trois : 1. La déformation verticale du sol support, notée ε z et exprimée sans unité, paramètre retenu pour les chaussées souples et les chaussées en enrobés. 2. La déformation horizontale exercée à la base des matériaux bitumineux, notée ε t et exprimée sans unité, paramètre retenu pour les chaussées en enrobés. 3. La contrainte horizontale exercée à la base des matériaux traités aux liants hydrauliques (MTLH), notée σ t et exprim ée en bars, critère retenu Détail des équations de calcul des limites admissibles Dans cet article, on s intéresse plus particulièrement aux structures bitumineuses épaisses et donc à seulement deux des trois critères énoncés précédemment et leur valeur admissible : la déformation horizontale admissible à la base des matériaux bitumineux d assise de chaussée, ε t,adm, et la déformation verticale admissible à la surface de la plate-forme support, ε z,adm. La première étape pour déterminer ces limites admissibles est de convertir le nombre cumulé de poids lourds pendant la durée de service, TC, en un nombre équivalent d essieux de référence de 13 t (essieu légal français), NE. La relation entre les deux s écrit NE = CAM x TC où le paramètre CAM est le coefficient d agressivité moyen du trafic dont la valeur donnée notamment dans les manuels de dimensionnement dépend du type de structure et du type des poids lourds qui composent le trafic. A titre d exemple, elle vaut par défaut 0,1 pour les voies de dessertes en ville et 0,8 pour les voiries du réseau structurant [15]. Sur cette base et en fonction de plusieurs coefficients définis ci-dessous, ces deux critères de dimensionnement sont donnés par les équations suivantes [16] : La déformation admissible à la base de l EME2 ou de la GB4 : pour les chaussées en matériaux traités aux liants hydrauliques. A la lumière de ce bref rappel sur les fondements de la méthode de dimensionnement, on remarque que l impact des caractéristiques mécaniques des matériaux bitumineux se fait à deux niveaux : Pour les limites admissibles des enrobés, et principalement via la valeur de déformabilité, ε 6, de pente de la courbe de fatigue, b, et aussi du module complexe qui intervient dans la détermination du coefficient de correction thermique, Kt, décrit précédemment. Pour les résultats de calcul de structure (logiciel Alizé) où il faut introduire la valeur du module complexe des matériaux bitumineux notamment, la variation de ce module engendre ε t,adm = Kn x Ks x Kr x Kc x Kt x ε 6, où : - Kn = (NE/10 6 ) b : coefficient lié au nombre d'essieux équivalents avec «b» la pente de droite de fatigue du matériau ; - Ks : coefficient lié à la qualité de la plate-forme qui vaut 1/1,2 si PF1, 1/1,1 si PF2 et 1 pour PF3 et PF4 ; - Kr = 10 -ubε et ε = [SN 2 + (c.sh/b) 2 ] 0,5 : coefficient qui traduit l approche probabiliste de la méthode où «u» est le fractile lié au risque de calcul selon les tables de la loi de probabilité normale centrée, «SN» est l écart type des résultats d essai de fatigue, «Sh» est la dispersion sur les épaisseurs de mise en œuvre et «c» est une constante qui vaut 0,02 m -1 ; - Kc : coefficient de calage déterminé à partir du suivi du comportement in situ de sections tests ; - Kt = (E 10 C / E éq ) 0,5 : coefficient lié à la température de calcul où E 10 C est le module à 10 C/10 Hz et E éq celui à la température de dimensionnement T éq (15 C en France métropolitaine) et 10 Hz ; - ε 6 : déformation provoquant la rupture à 10 6 cycles à 10 C/25 Hz. La déformation verticale admissible à la surface de la plate-forme support : ε z,adm = 0,012 x NE -0,222 directement une modification du champ des déformations dans cette structure, et plus particulièrement dans l enrobé. Hypothèses Charge de référence : jumelage standard de 6,5 t Risque de calcul : 10 % pour TC4 20 et 2 % pour TC6 20 Tableau 1 Principales hypothèses de dimensionnement de l étude Main hypothetical design alternatives of study Principe et justification d une compensation des performances mécaniques E/ε 6 L objet de cette partie est d établir les couples de valeurs module/fatigue (E/ε 6 ) d un EME de classe 2 (EME2) et d une GB de classe 4 (GB4) qui permettent de conserver la validité d une structure donnée, du strict point de vue des règles de dimensionnement. C est ainsi une réponse à la question qui est de connaître l augmentation (respectivement la diminution) nécessaire de ε 6 pour compenser une diminution (respectivement augmentation) du module de l enrobé E pour des hypothèses de calcul inchangées (épaisseurs, trafic, plate-forme support). Dans ce but, deux structures types avec EME2 et GB4, issues des manuels de référence LCPC-SETRA [15,16] pour illustrer deux cas extrêmes, ont été retenues, l une concernant une structure épaisse et l autre une structure relativement peu épaisse. Le choix de ces deux cas extrêmes de chaussée permet d encadrer l ensemble des épaisseurs de voirie en EME2 et GB4 qui sont réalisées habituellement. Les conclusions pourront par conséquent être généralisables à l ensemble des structures routières usuelles. / Hypothèses retenues pour les calculs Les hypothèses retenues (tableau 1) sont conformes au catalogue 1998 [15] et concernent deux cas types d une structure épaisse et une autre peu épaisse, les couples classe de trafic/plateforme support suivants : exemple de structure épaisse pour trafic important : TC6 20 / PF2, Trafic TC4 20 : 200 PL/jour pendant 20 ans et 2 % d augmentation annuelle Trafic TC6 20 : PL/jour pendant 20 ans et 2 % d augmentation annuelle RGRA N 875 avril

8 Dimensionnement Caractéristiques de module et fatigue exemple de structure peu épaisse pour trafic peu important : TC4 20 / PF4. Les structures de référence avec EME2 issues du catalogue [16] sont les suivantes (tableau 2) : Les structures de référence avec GB4 obtenues avec les hypothèses du catalogue 1998 [16] sont décrites sur le tableau 3 (les couches de surface sont choisies arbitrairement par analogie aux structures GB3 du catalogue des structures). Les caractéristiques mécaniques des matériaux sont présentées au tableau 4. Résultats Pour chacun des exemples retenus, TC6 20 / PF2 et TC4 20 / PF4, les figures 6 et 7 montrent les résultats obtenus pour des variations de module à 15 C/10 Hz entre MPa et MPa pour les EME2 et entre et MPa pour les GB4. Les variations de ε 6 associées sont comprises entre 85 et environ. La courbe de chaque figure représente la frontière des valeurs autorisées pour le couple (E ; ε 6 ) afin que la limite admissible de dimensionnement (ici la déformation horizontale à la base du matériau d assise) de l EME2, respectivement de la GB4, soit toujours respectée. Par conséquent, la zone située sous la courbe correspond à des valeurs interdites de ce couple. L exploitation de ces courbes (figures 6 et 7) montre que : La courbe frontière qui établit les valeurs limites de compensation Nota : la courbe TC4 20 / PF4 ne prend pas en compte les valeurs de module inférieures à MPa car celles-ci ne permettent plus de respecter le critère de dimensionnement lié à la déformation de la plate-forme support quelle que soit la valeur de ε 6. Figure 6 Représentation dans le plan module fatigue des courbes de compensation établies pour un EME de classe 2 Representation in fatigue-modulus plane of compensation curves established for a Class-2 high-modulus mix (EME). TC6 20 / PF2 TC4 20 / PF4 0,04 m BBM 0,025 m BBTM 0,04 m BBM 0,10 m EME2 0,09 m EME2 0,10 m EME2 Plate-forme support PF2 Tableau 2 Structures de chaussées dimensionnées pour l étude avec EME Pavement structures designed for high-modulus asphalt study TC6 20 / PF2 Plate-forme support PF4 TC4 20 / PF4 0,08 m BBSG 0,06 m BBSG 0,11 m GB4 0,09 m GB4 0,11 m GB4 Plate-forme support Plate-forme support PF2 PF4 Tableau 3 Structures de chaussées dimensionnées pour l étude avec GB4 Pavement structures designed for Class-4 asphalt treated roadbase aggregate (GB) Matériau Module (MPa) ε 6 Coefficient de Poisson BBM et BBTM Ne travaille pas en traction 0,35 EME2 (valeurs standards) ,35 GB4 (valeurs standards) ,35 Plate-forme support PF2 50 / 0,35 Plate-forme support PF4 200 / 0,35 Nota : le module des enrobés correspond à la valeur obtenue à 15 C/10 Hz Tableau 4 Caractéristiques mécaniques des matériaux Mechanical properties of materials Figure 7 Représentation dans le plan module fatigue des courbes de compensation établies pour une GB de classe 4 Representation in fatigue-modulus plane of compensation curves established for a Class-4 asphalt-treated roadbase aggregate E/ε 6 peut être approximée par une relation de la forme suivante : log (ε 6 ) + αlog(e) = A où A est une constante, qui prend une valeur différente en fonction de la famille d enrobés, respectivement A EME2 pour les EME de classe 2 et A GB4 pour les GB de classe 4. L écart maximal sur les valeurs de ε 6 sur les courbes de compensation (figures 6 et 7) est relativement faible, de l ordre de grandeur de la limite de répétabilité établie pour l essai de fatigue, et vaut respectivement : - pour les structures EME2 : 4, à MPa et 3, à MPa, - pour les structures GB4 : 3, à MPa et 3, à MPa. Cette simplification pourrait être utilisée pour déterminer rapidement des valeurs admissibles approchées avant d affiner ce résultat par l utilisation des méthodes de dimensionnement complètes. La figure 6 TC4 20 / PF4 montre une zone (E < MPa) où même si le critère de dimensionnement pour l EME est respecté ce n est plus le cas du second critère de dimensionnement lié à la plate-forme support (i.e. la déformation verticale à la surface de cette couche). Dans ce cas, aucune valeur de ε 6 ne permet de compenser la perte de module du strict point de vue des règles de dimensionnement. C est généralement le type de résultats obtenus pour des structures peu épaisses. Impact supplémentaire de la variation de la pente de fatigue Les résultats de laboratoire montrent qu en plus de la variation de E et ε 6, 90 RGRA N 875 avril 2009

9 un autre paramètre qui caractérise la fatigue de ces matériaux, la pente de fatigue notée b, prend des valeurs qui peuvent être différentes de la valeur standard de -1/5 telle que définie dans les manuels de dimensionnement [15,16??] et telle qu utilisée dans l obtention de la courbe de compensation précédente. Afin d évaluer l importance de cette variation sur les courbes de compensation précédemment établies, une étude de sensibilité pour les structures types avec EME2 et pour des valeurs de pente b comprises entre -1/4 et -1/9 a été réalisée. Ces valeurs correspondent aux extrema mesurés pendant les essais. Ainsi, pour une structure et un trafic donnés, l exploitation de l équation de limite admissible ε t,adm de l enrobé, et des résultats de calcul du logiciel Alizé permettent de quantifier l écart relatif Δ(ε 6 ) sur les courbes de compensation précédentes, consécutif à une variation de pente de fatigue par rapport à sa valeur standard : ( ) = ' = 6,s tandard 6 t,s tandard b' b 1 1 où, b est la nouvelle valeur de pente de fatigue, ε 6 est la valeur de déformabilité associée à b, b est la pente de fatigue standard, égale à -1/5, qui a permis d établir les courbes de compensation précédentes, ε 6 est la déformabilité de la courbe de compensation obtenue avec la pente b standard, ε 6,standard est la déformabilité standard du matériau, ici pour l EME2, ε 6t,standard est la déformation horizontale calculée avec le logiciel Alizé à la base de l EME2 pour le module standard de ce matériau, en l état MPa. Il faut noter que cette variation de pente pour une structure et un trafic donnés ne dépend que du ratio des pentes, b /b, et des valeurs de déformabilité et de déformation calculées pour la structure avec les caractéristiques mécaniques originelles du matériau (ε 6,standard et ε t,standard ). Les variations à appliquer aux valeurs de ε 6 de la courbe de compensation sont fonction de la nouvelle pente de fatigue, et sont résumées dans le tableau 5 pour les deux structures types en EME2 retenues pour cet article. Par exemple pour la structure TC6 20 / PF2, si l EME2 avait une pente de fatigue qui valait b = -1/7 = -0,14, la courbe de compensation originelle devrait être corrigée de -18 %. Commentaires sur l écart relatif dû à l impact de la variation de la pente de fatigue : L impact est négligeable pour la structure correspondant à TC4 20 / PF4 contrairement à celle de TC6 20 / PF2. Ces résultats illustrent ce qui se démontre mathématiquement, à savoir que l impact de la pente de fatigue porte principalement sur le terme Kn = (NE/10 6 ) b. Ainsi, si le nombre cumulé d essieux de référence, NE, est peu différent de 10 6, la variation de b a un impact limité sur le ratio NE/10 6 qui est proche de 1. Application de la notion de compensation aux résultats expérimentaux Les deux exemples précédents ont été reportés sur les figures 9 et 10 dans lesquelles on retrouve également les données expérimentales. On voit clairement l importance de cette notion de compensation. Un nombre significatif de formules, qui ne satisfont pas aux exigences de conformité, ont cependant des caractéristiques mécaniques satisfaisantes pour répondre aux exigences de dimensionnement et de durée de vie des chaussées. Dans le cas des EME, la part des résultats qui satisfont les exigences du dimensionnement passe alors de ~ 33 % à 68 % pour la population présentée. Autrement dit, on double la part des résultats acceptables sans risques techniques. Le retour d expérience sur la technique des EME ne révèle pas fort heureusement une part d échec équivalente à la population initiale de résultats non-conformes, preuve que l hypothèse de compensation faite ici, souvent pratiquée ponctuellement, Pente b' -1/4-1/5-1/7-1/9 Ratio b /b 1, 25 1, 00 0, 71 0, 56 Δ(ε 6 ) pour TC4 20 / PF4 1 % 0 % -1 % -2 % Δ(ε 6 ) pour TC6 20 / PF2 18 % 0 % -18 % -26 % Figure 9 Représentation des courbes délimitant le domaine de performances validées par la compensation pour les GB de classe 4 Representation of curves delimiting performance domain validated by compensation for Class-4 asphalt-treated roadbase aggregate Tableau 5 Impact de la variation de la pente de fatigue sur les courbes de compensation Impact of fatigue slope variation on compensation curves Figure 8 Effet d une variation de b, pente de l essai de fatigue sur la courbe de compensation dans le cas d un EME de classe 2 Effect of fatigue test slope variation on compensation curve in the case of a Class-2 high-modulus mix (EME) Figure 10 Représentation des courbes délimitant le domaine de performances validées par la compensation pour les EME de classe 2 Representation of curves delimiting performance domain validated by compensation for Class-2 high-modulus mixes (EME) RGRA N 875 avril

10 Dimensionnement Caractéristiques de module et fatigue s avère pertinente. Il est difficile d envisager qu il puisse en être autrement, car aucune hypothèse ni modalité du calcul ne sont modifiées, et seules sont prises en compte les valeurs expérimentales possibles du couple module-tenue en fatigue, satisfaisant les exigences du dimensionnement. On imagine mal que le calcul ne soit valable que pour un couple de valeur simultanément conforme. Cette approche permet par ailleurs de justifier et d exploiter au mieux l offre de liants durs disponibles. Dans un contexte où l effort porte dans tous les domaines sur le développement durable et la valorisation des ressources disponibles, il serait aberrant de se priver d une offre de liant dur locale disponible pour une seule caractéristique mécanique non-conforme, par ailleurs compensée par une autre très satisfaisante. Le même type de démarche est bien déjà en place avec les guides d utilisation des matériaux locaux. L expérience ayant démontré le bon comportement de certains granulats pour certaines applications, on s autorise à les utiliser malgré des performances qui pourraient s avérer non-conformes pour certaines caractéristiques. Il est de toute manière industriellement impossible de ne conserver que les liants présentant un ensemble de performances combinées en module et fatigue conformes. Une telle solution radicale conduirait à la disparition de l utilisation des EME. Conclusion Cette présentation dresse un bilan très représentatif des niveaux de performances couramment mesurés sur les formulations d EME de classe 2 et de GB de classe 4. La pratique régulière des études de formulation de niveau 4 permet de disposer maintenant d un recul suffisant, qui révèle des différences de performances résultant des caractéristiques des liants utilisés. Elle montre également dans le cas des EME, la propension de certains liants à apporter plutôt du module ou de la fatigue. A partir de cette constatation, la compensation possible des caractéristiques mécaniques mesurées sur les mélanges, qui est déjà occasionnellement pratiquée, est détaillée de manière explicite en la généralisant. Cette possibilité est à exploiter pour valoriser l offre liant localement disponible. Elle nécessite cependant la détermination complète des caractéristiques de module et de fatigue. Elle peut être approximée par une relation de la forme suivante : log (ε 6 ) + αlog(e) = A où, A étant une constante, qui prend une valeur différente en fonction de la famille d enrobés, respectivement A EME2 pour les EME de classe 2 et A G B4 pour les GB de classe 4. BIBLIOGRAPHIE [1] NF EN Mélanges bitumineux Spécifications des matériaux. Partie 1 Enrobés bitumineux, février 2007 [2] NF P Enrobés hydrocarbonés Couches d assises : enrobés à module élevé (EME), novembre 1999 [3] NF P Enrobés hydrocarbonés Couches d assises : Graves Bitume (GB), novembre 1999 [4] NF P Essais relatifs aux chaussées Détermination de la résistance en fatigue des mélanges hydrocarbonés Partie 1, juillet 2001 [5] NF EN Mélanges bitumineux Méthodes d essai pour mélange hydrocarboné à chaud Partie 24 Résistance à la fatigue, mars 2005 [6] NF EN A1 Mélanges bitumineux Méthodes d essai pour mélange hydrocarboné à chaud Partie 24 Résistance à la fatigue, septembre 2007 [7] Manuel LPC d aide à la formulation des enrobés, Routes et Sécurité Routières, CR 39 F 2 e version révisée décembre 2007, sous la direction de J.L. Delorme, C. de la Roche, L. Wendling [8] «Base de données fatigue» Présentation de Mr S. Moreira à l occasion des journées technique du LCPC «Durabilité structurelle des chaussées : Pathologie et entretien» le 9 septembre 2008 [9] J.-F. Corté, J.-L. Gourdon, J.-L. Delorme, «Les expériences d exactitude dans le domaine des essais relatifs aux chaussées», Revue générale des routes et des aérodromes (RGRA), n 793, mars 2001, pp [10] C. de La Roche, «Essai de fatigue sur enrobés bitumineux : Résultats de l expérience d exactitude» Revue générale des routes et des aérodromes (RGRA) n 793, mars 2001, pp [11] NF ISO Application de la statistique Exactitude (justesse et fidélité) des résultats et méthodes de mesure Partie 6 : Utilisation dans la pratique des valeurs d exactitude, décembre 1994 [12] F. Moutier «Etude statistique de l effet de la composition des enrobés bitumineux sur leur comportement en fatigue et leur module complexe» Bulletin de Liaison des LCPC N 172, pp , mars avril 1998 [13] Guide technique «Utilisation des normes enrobés à chaud», janvier 2008, édité par le Setra [14] J.L. Delorme, C. De La Roche, L. Wendling, «Fatigue resistance of bituminous mixes : variability analysis in the pavement and correspondence with the type testing» Eurasphalt Eurobitume, Copenhague 2007 [15] Manuel «Catalogue des structures types de chaussées neuves», édition 1998 LCPC-SETRA [16] Guide technique «Conception et dimensionnement des structures de chaussée», Décembre 1994, édité par LCPC-SETRA Analysis of performance measured on high-modulus mixes (EME) and asphalt-treated roadbase aggregate (GB) Compensation principle proposed Complete asphalt mix design studies are being conducted increasingly with the determination of basic modulus and fatigue resistance properties as per French standard NF EN [1], historically called Level 4 studies. The Group has accumulated a significant data base from which an initial detailed analysis is presented dealing essentially with the importance of the type of binder and mix design possibilities. New specifications in standards are first of all reviewed, as well as the notion of critical distance, essential when results coming from different laboratories are compared. The article looks at results for two major families of products, namely Class-2 highmodulus asphalt (EME) and Class-4 asphalt treated roadbase material (GB). Finally, the notion of compensation, which now appears necessary given the data acquired through performance measurements, but also from available project feedback regarding mixes, is proposed. These results lead to a broader debate on mix design acceptance conditions, on the contractual level, but also on the need to gainfully enhance the available bitumen supply. Obtaining non-complying results may call for various alternatives. In the case of a study carried out upstream of the worksite, the mix design study can be revised by capitalising on the first series of results to optimise mix composition by modifying the grain skeleton, tweaking binder proportions, and modifying the adopted binder class when possible. Situations also arise in which a complete mix design revision is not compatible with project constraints. It is then possible to ensure that the specific properties of the material allow the validation of the proposed structure with respect to traffic using Alizé mix design software. Finally, a last alternative consists in arbitrarily applying a modification of the structure, increasing its thickness or binder content, for example, without an additional experimental verification. 92 RGRA N 875 avril 2009