LES GRANULATS DE VERRE DANS LE CORPS DE CHAUSSÉES Daniel Perraton Michel Vaillancourt

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1 LES GRANULATS DE VERRE DANS LE CORPS DE CHAUSSÉES Daniel Perraton Michel Vaillancourt

2 Contexte - L étude des matériaux de chaussées au LCMB de l ÉTS Structure de chaussée La structure de chaussée est constituée de trois principaux composants : 1. Le sol support 2. La fondation granulaire 3. Le revêtement Chaque composants possède des fonctionnalités spécifiques Dans le cadre du projet VERRE, les efforts sont concentrés sur: le revêtement et la fondation granulaire Deux volets : Volet matériaux bitumineux (revêtement) Volet matériaux granulaires (fondation granulaire) Revêtement Fondation

3 Contexte - L étude des matériaux de chaussées au LCMB de l ÉTS CLASSES DE COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX BITUMINEUX Revêtement : Confort et sécurité des usagers Fonction : Répartition des charges Imperméabilité Caractéristiques ciblés : Durabilité Désenrobage Tenue à l eau Performances TM Orniérage Retrait thermique Fatigue Module complexe OBJECTIF GÉNÉRAL: Améliorer la durabilité et les performances à l échelle du matériau en validant l impact à l échelle de la chaussée

4 Contexte - L étude des matériaux de chaussées au LCMB de l ÉTS CLASSES DE COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX BITUMINEUX THÈME DIMENSIONNEMENT DES CHAUSSÉES SOUPLES 80 kn 20 kn Essieu STD : ÉCAS canadien Piste de roue σv σv σv = 587 kpa σv σv R = 0,1044 m Revêtement Corps de chaussée Ligne du sol support

5 Contexte - L étude des matériaux de chaussées au LCMB de l ÉTS CLASSES DE COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX BITUMINEUX THÈME DIMENSIONNEMENT DES CHAUSSÉES SOUPLES 80 kn 20 kn Essieu STD : ÉCAS canadien Piste de roue σv σv σv = 587 kpa σv σv R = 0,1044 m Revêtement Corps de chaussée Ligne du sol support

6 Contexte - L étude des matériaux de chaussées au LCMB de l ÉTS CLASSES DE COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX BITUMINEUX THÈME - FORMULATION THÈME DIMENSIONNEMENT DES CHAUSSÉES SOUPLES 80 kn 20 kn Essieu STD : ÉCAS canadien Piste de roue σv σv σv = 587 kpa σv σv R = 0,1044 m Revêtement Text e Corps de chaussée Ligne du sol support

7 Contexte - L étude des matériaux de chaussées au LCMB de l ÉTS CLASSES DE COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX BITUMINEUX THÈME - FORMULATION THÈME DIMENSIONNEMENT DES CHAUSSÉES SOUPLES 80 kn 20 kn Essieu STD : ÉCAS canadien Piste de roue σv σv σv = 587 kpa σv σv R = 0,1044 m Revêtement Text e Corps de chaussée Ligne du sol support THÈME MATÉRIAUX RECYCLÉS EE

8 Contexte - L étude des matériaux de chaussées au LCMB de l ÉTS CLASSES DE COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX BITUMINEUX THÈME - FORMULATION THÈME DIMENSIONNEMENT DES CHAUSSÉES SOUPLES 80 kn 20 kn Essieu STD : ÉCAS canadien Piste de roue σv σv σv = 587 kpa σv σv R = 0,1044 m Revêtement Text e Corps de chaussée Ligne du sol support THÈME MATÉRIAUX RECYCLÉS

9 THÈME MATÉRIAUX RECYCLÉS Enrobés recyclés (RAP GBR) Bardeaux d asphalte Asphalttexas.com Poudrette de caoutchouc EE Martialexcavation.com Verre postconsommation

10 Verre postconsommation dans les chaussées

11 11 Comment fonctionne le recyclage du verre au Québec? Les matières recyclables (contenants, emballages et imprimées) sont recueillies pêle-mêle au moyen de la collecte sélective; Mises dans le bac par les citoyens, elles sont acheminés aux centres de tri par camion; Une fois au centre de tri, le verre est séparé des autres matières (possibilité de bris des contenants de verre pendant cette étape) avant d être vendu à un conditionneur ou un recycleur; Le verre des centres de tri n est généralement pas trié par couleurs (moins de 2% des tonnages), il s agit d un mélange de verre clair, vert et ambré appelé verre mixte. Source: futura-sciences.com & cc-bernay.com Éric LACHANCE-TREMBLAY

12 12 Pourquoi utiliser le verre dans les matériaux de chaussées? Quelques chiffres, en 2014 (1) : près de 57 % de la quantité de verre récupéré a été utilisé comme matériel de recouvrement dans les sites d enfouissement (faible valeur ajoutée); 37 % utilisé à des fins de recyclage (haute valeur ajoutée); Bouteilles de verre, laine minérale, micronisation; 6 % du verre est entreposé Cela représente 63% du verre recyclé présente une faible valeur ajoutée!; Recherche de solutions innovantes qui représentent un potentiel élevé de réutilisation du verre mixte: Additif dans les bétons de ciment, granulats dans les matériaux de chaussée; média filtrant, verre cellulaire, paillis, etc. Transport et concassage Source: (1) Fiche info verre 2015 Recyc-Québec Éric LACHANCE-TREMBLAY

13 Projet Verre 13 Projet de recherche : Incorporation de particules de verre dans les matériaux de chaussées Volet matériaux bitumineux (revêtement) 2 maîtrises avec mémoire (1 complétée, 1 en cours) Impact du verre dans les enrobés bitumineux 1 thèse conventionnels (en cours) Aspects rhéologique et 1 maîtrise physique avec du verre mémoire dans les enrobés (en cours) bitumineux Formulation d enrobés bitumineux Adhésion bitume-granulat de verre Prorpiétés TM/durabilité (Eau-Gel) Étude mastic bitume-filler de verre Rhéomètre à cisaillement annulaire Modélisation du comportement de la Volet matériaux 1 thèse chaussée (en cours) granulaires (fondation 1 granulaire) Utilisation maîtrise avec du verre projet dans les (en matériaux cours) de fondation 1 maîtrise avec mémoire (en cours) ETS Laboratoire sur les Chaussées et Matériaux Bitumineux Impact des caractéristiques du verre Performance - Planche d essais Propriétés hydriques du verre Propriétés mécaniques du verre Propriétés thermique du verre Éric LACHANCE-TREMBLAY

14 14 Projet de recherche : Incorporation Au Total de particules de verre dans les 2 matériaux thèses, 4 maîtrises de chaussées avec mémoire, 1 maîtrise avec projet D autres aspects seront étudiés notamment: - Étude de la qualité et de la disponibilité du verre à l échelle du Québec - Mise à niveau des centrales d enrobages - Potentiel de recyclage et de réutilisation des chaussées avec verre Une planche d essai comprenant une fondation granulaire et un revêtement avec granulats de verre est prévue ETS Laboratoire sur les Chaussées et Matériaux Bitumineux Éric LACHANCE-TREMBLAY

15 VERRE - REVÊTEMENT Enrobés bitumineux et Mastics Est-ce que le verre postconsommation peut améliorer les performances : En fatigue? Au retrait thermique? À la mise en œuvre et au compactage? Température de pose Maniabilité Est-ce que le verre postconsommation peut permettre une diminution du bitume?

16 VERRE - REVÊTEMENT Enrobés bitumineux et Mastics En remplaçant une partie du granulat dans l EB on étudie : La rhéologie La tenue à l eau L adhésion verre bitume Les changements thermiques La réponse aux critères de performance du MTQ Lier les performance à celles de mélanges de référence

17 VERRE FONDATIONS GRANULAIRES Le comportement hydrique Le comportement thermique Le comportement mécanique EFFETS SUR LE COMPORTEMENT DE LA CHAUSSÉE Importance de granularité des particules? Les combinés Verre Granulat noble À quelle proportion on a un effet optimal?

18 BILAN DE CE QUI A ÉTÉ FAIT À CE JOUR AU LCMB Maitrise de É. LACHANCE-TREMBLAY (E2014) Maitrise de S. EL MANSOURI (A2015) Maitrise de J.-M. CARON (E2015)

19 Présentation du projet de maîtrise de É. LACHANCE - TREMBLAY : «Incorporation de particules de verre mixte de postconsommation dans un enrobé bitumineux de type ESG14» ETS Laboratoire sur les Chaussées et Matériaux Bitumineux

20 20 Description et objectif du projet Projet complété à l été 2014 But: Vérifier la possibilité d incorporer du verre mixte de postconsommation dans un enrobé ESG14 tout en maintenant des performances équivalentes; 2 volets: 1. Évaluation de l effet du dosage en verre: 0, 5, 10, 15, 20, 25 (% de la masse totale de granulats) Critères d analyse: Caractéristiques volumétriques (Vba vs Vbe) Aptitude au compactage (PCG) Résistance à l orniérage (orniéreur MLPC) 2. Évaluation et comparaison des performances d un enrobé avec verre et un enrobé conventionnel; Thermomécaniques-TM (TSRST, Module complexe, Fatigue) Durabilité (Tenue à l eau). Éric LACHANCE-TREMBLAY

21 RUTTING DEPTH (%) VOLUME OF AIR VOIDS (%) 21 Phase I : Évaluation de l effet du dosage en verre Paramètres fixes : Paramètres variables: Type d enrobé ESG14 Dosage en verre Type de bitume PG64-34 Granulométrie du verre Volume de bitume effectif -V be utilisés (2 différentes) Granularité constante L utilisation de particules de verre diminue la quantité de bitume absorbé Permet donc une réduction de la quantité de bitume d ajout pour un volume de bitume effectif donné N affecte pas le comportement de l enrobé vis-à-vis l aptitude au compactage, mais améliore l ouvrabilité 25,0% Diminue de façon importante la résistance à l orniérage 14,0 12,0 10, mm mm 20,0% 15,0% 0 % 10 % 20 % Higher limit at 30,000 cycles 0% 10% 15% 20% 25% 8,0 6,0 4,0 10,0% 5,0% 2,0 0, N CYCLES 0,0% LOG GYRATION Éric LACHANCE-TREMBLAY

22 (MPa) E* φ E ( ) 22 Phase 2 : Évaluation et comparaison des performances log Nf 50% et log Nf II/III Sélection du dosage de 10 % et réduction de la teneur en bitume pour obtenir des performances équivalentes (compactage et orniérage) Performances thermomécaniques TSRST : Module complexe : ÉQUIVALENT Enrobé Fatigue : T σ Durabilité rupture rupture Éprouvettes Marshall Déformation µm/m T ref = 10 C Résultats Diminution ( C) non exploitables Reference #1 de la tenue (MPa) selon les critères conventionnels 40 à l eau (99.3 % vs 87.7 %) Reference # % glass #1 Respecte tout de même les exigences (minimum 70 %) 6 5 Référence Glass ÉQUIVALENT EB référence Nf50% R 2 = 0,35 b = -0,141 ɛ 15 6 = 208, EB verre Nf50% Reference #1 10 R 2 = 0,97 Reference b = -0,108 #2 ɛ 6 = 161,5 10 % glass #1 5 2 EB référence NfII/III 10 % glass #2 T ref = 10 C R 0 1 = 0,03 b = -0,131 ɛ 6 = 245,4 1,E-05 1,E-03 1,E-01 1,E+01 1,E+03 1,E+05 1,E+07 1,E+09 1,E-05 1,E-03 1,E-01 1,E+01 1,E+03 1,E+05 1,E+07 1,E+09 1 EB verre NfII/III a te * Frequency R 2 = 0,12 b = -0,126 ɛ 6 = 235,8 a te * Frequency % glass #2 0-3,69-3,68-3,67-3,66-3,65-3,64-3,63-3,62-3,61-3,6-3,59-3,58 Déformation réelle (Log) Éric LACHANCE-TREMBLAY

23 23 Conclusion du projet Objectif initial : Vérifier la possibilité d incorporer du verre mixte de post-consommation dans un enrobé ESG14 Principales observations : 1 er volet: Étude de l effet du dosage en verre Réduction possible de la teneur en bitume d ajout Augmentation de l ouvrabilité Diminution de la résistance à l orniérage 2 e volet: Évaluation et comparaison des performances en DIMINUANT le dosage en BITUME dans l enrobé de verre Performances équivalentes au niveau de: Résistance au retrait thermique empêché Module complexe Augmentation de la sensibilité à l eau Résultats de fatigue non exploitables Éric LACHANCE-TREMBLAY

24 24 Conclusion du projet Recommandations : Le critère de V be ne semble pas être approprié pour les enrobés avec verre Formulation doit plutôt être axée sur des critères de performances (orniérage, module complexe, etc.) Éric LACHANCE-TREMBLAY

25 Présentation du projet de maîtrise de Souleimane El MANSOURI: «Étude sur mastic Mise au point d un Rhéomètre à cisaillement Annulaire» Soutenance prévue : 14 décembre 2015 ETS Laboratoire sur les Chaussées et Matériaux Bitumineux

26 26 Étude sur mastic Développement d un nouveau rhéomètre Essais sur bitume et mastic Cisaillement annulaire Souleimane EL MANSOURI

27 27 Étude sur mastic Développement d un nouveau rhéomètre Sollicitations cycliques sinusoïdales 5mm 50mm 100mm Souleimane EL MANSOURI

28 G* (Pa) 28 Étude sur mastic 40% de verre Résultats Module complexe en cisaillement 1,E+10 1,E+09 T = -12 C 1,E+08 1,E+07 1,E+06 1,E+05 T = +44 C 1,E+04 1,E+03 0,01 0,10 1,00 10,00 Fréquence (Hz) Souleimane EL MANSOURI

29 G* (Pa) 29 Étude sur mastic 40% de verre Résultats Courbe maitresse T = 10 C : Bitume vs Mastic Verres (40%) 1,E+10 1,E+09 1,E+08 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E+04 Mastic-Verre Bitume 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E-08 1,E-05 1,E-02 1,E+01 1,E+04 a T. fréquence (Hz) Souleimane EL MANSOURI

30 C* 30 Étude sur mastic 40% de verre Résultats Courbe maitresse T = 10 C : Mastic calcaire vs Mastic Verre Mastic-Verre Mastic Filler calcaire ,E-10 1,E-06 1,E-02 1,E+02 1,E+06 1,E+10 Fréquence équivalente (Hz) Souleimane EL MANSOURI

31 Valeurs de at 31 Étude sur mastic Mastic calcaire vs Mastic Verre Facteurs de translations : a T 1,E+06 1,E+04 1,E+02 1,E+00 1,E-02 1,E-04 1,E-06 1,E-08 a T Bitume Mastic Filler calcaire Mastic-Verre Est-ce que le filler de verre est «ACTIF»? Température (ºC) Souleimane EL MANSOURI

32 Présentation du projet de maîtrise de Jean-Michel CARON: «Étude de formulations en vue de maximiser le module de rigidité d un enrobé bitumineux au niveau de ses contacts gros-sur-gros Soutenue : Juillet 2015 Codirection de Mathieu Meunier ETS Laboratoire sur les Chaussées et Matériaux Bitumineux

33 33 Objectif Objectif initial : Formuler un EBHP à Module Élevé ( EME) EBHP Jean-Michel CARON

34 Passant (%) 34 Objectif Stratégie préconisée Encapsuler des particules de verre intermédiaires dans les interstices du squelette granulaire grossier : MAXIMISER LES GROS permet une réduction de la teneur en bitume! Rigidifier le "Mastic" avec une ultrafine de verre Volumique Massique 100 Granulats Verre C mm 67% Verre M 73% 80 Sable de verre "C" 15% 15% Poussière 60 de verre "M" 8,7% 8,3% Verre M Verre C EBHP Bitume total 9,3% 3,7% 10/14 Bitume effectif 8,9% 3,6% 0 Bitume absorbé 0,3% 0,1% 0,001 Vi théorique 0,01 0, Diamètre (mm) 2,0% Jean-Michel CARON

35 35 Formulations Étudiées en Phase I (pcg et E*) Nature des granulats Fumée de silice EBHP- VERRE RÉF Chaux hydratée Nature du liant PG PG SBS Jean-Michel CARON

36 C* Limite essais 36 Conclusions Phase I 3 formulations se sont démarquées au niveau de la maniabilité et de la rigidité (E*) EBHP VERRE REF (PG76-28) : MPa à 10 C-10Hz EBHP AVEC CHAUX (PG76-28) : MPa à 10 C-10Hz EBHP AVEC BITUME PG88-28: MPa à 10 C-10Hz 4,0 3,0 EBHP PG ,0 1,0 EBHP VERRE REF 0,0 1,E-08 1,E-05 1,E-02 1,E+01 1,E+04 1,E+07 Fréquence équivalente (Hz) Jean-Michel CARON

37 Profondeur moyenne d'ornière (%) 37 Phase II - Caractérisation rhéologie EBHP-Verre Formule testée : EBHP AVEC CHAUX PG76-28 Résultats à l orniéreur 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Nombre de cycles Jean-Michel CARON

38 Contrainte (MPa) 38 Phase II - Caractérisation rhéologie EBHP-Verre Formule testée : EBHP AVEC CHAUX PG76-28 Résultats TSRST T-Rupture < T base du bitume! Température ( C) Jean-Michel CARON

39 Composante visqueuse - E2 (MPa) 39 Phase II - Caractérisation rhéologie EBHP-Verre Formule testée : EBHP AVEC CHAUX PG76-28 Résultats Module Complexe (E*) MPa à très base T! Composante élastique - E1 (MPa) Jean-Michel CARON

40 40 Phase II - Caractérisation rhéologie EBHP-Verre Formule testée : EBHP AVEC CHAUX PG76-28 Résultats Fatigue e 6 = 180 mm/m Pente = 12.5 Jean-Michel CARON

41 C* Ornière (%) 41 Phase II - Caractérisation rhéologie EBHP-Verre Formule testée : EBHP AVEC CHAUX PG76-28 Comparaison des propriétés TM du EBHP avec celles d ESG14 EBHP Chaux ESG14 P b 3,7% 5,0% P ba 0,1% 0,4% V be 8,9% 11,4% Bitume PG76-28 PG ESG14 EBHP Nombre de cycles EBHP Chaux FATIGUE Pente ε 6 µm/m 12,4 180,5 ESG14 5,3 112,6 1,2 0,9 0,6 0,3 (T ref = 15 C) 0,0 1,E-08 1,E-03 1,E+02 1,E+07 Fréquence équivalente (Hz) Jean-Michel CARON

42 42 Conclusions Phase II Perspectives du EBHP-14 VERRE avec CHAUX (PG76-28) On est au LABO! Plus performant que l ESG-14 pour tous les essais réalisés Réutilisation du verre concassé Potentiel d économie important Faible teneur en bitume Mise en place de 100mm d enrobé en une seule couche (compacité de 97-98% : Planche d essai SAQ A2015!) Jean-Michel CARON

43 Verre postconsommation dans les chaussées CONCLUSIONS GÉNÉRALES Plusieurs résultats surprenants qui vont à l encontre de l intuition Il est possible d incorporer du verre dans les enrobés bitumineux mais il faut s interroger quant à l exigence du V be Il est aussi possible d incorporer du verre dans les fondations de chaussée Mais quel est l intérêt (comportements thermique et hydrique?) À SUIVRE...

44 MERCI!