Enrobés à performances élevés (HPAC) pour régions froides: GB5

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1 Enrobés à performances élevés (HPAC) pour régions froides: GB5 François Olard EIFFAGE Infrastructures, Directeur recherche et innovation Montreal, 30 septembre, 2016

2 Plan Généralités sur les EME2 Principe théorique de l empilement granulaire Utilisation de la PCGpour l optimisation granulaire Essais sur le GB5 & résultats Principaux accomplissements en Europe (Climat alpin), Afrique du sud 2 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

3 Généralités sur la formulation des EME2 Norme franç aisenf P (1992, Updated 1999) Cacatéristiques typiques: Teneur en bitume 6% par masse des granulats Bitume dur: Pen Teneur en vides basse (<6%) Specs des EME2: E* > MPa (15 C & 10 Hz) Sur éprouvettes trapézoidales ε 6 > μs (10 C & 25 Hz) Sur éprouvettes trapézoidales (2PBT) 3 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

4 Dimensionnement avec EME2 Kc est un facteur de calibration déterminé par la modélisation in situ du comportement de sections d essais (Fonction de transfert et analyse du risque) 30% bonus vs EME in-situ brittle behavior Accelerated Load Testing (ALT) facility at IFSTTAR Nantes (France) 4 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

5 Pose des EME2 Une bonne compaction est une priorité pour avoir une bonne durabilité: - si la densité est > 97% : il y a un risque d orniérage - si la densité est < 94%, les performances ne rencontre pas les specs (E*15 C et ε 6 ) Si la température de fabrication est >190 C, ça cause un vieillissement accéléré 5 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

6 Les EME2: oui, ça peut orniérer! Pas de risque d 1 Hz [orniéreur EN ] Risque d orniérage avec autobus sur pneus guidés par un rail central Risque d orniérage sous charge statique élevée dans les ports 6 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

7 Expérience Européenne de 2 mondes parallèles Le monde des enrobés 1980: développement des HiMA pour réduire l épaisseur des couches de base utilisation de bitume dur (Pen@25 C<30dmm) augmentation de la teneur en bitume (up to 6%) les EME2 sont les enrobés de référence pour les chaussées à longue durée de vie 1970: développement des bitumes polymères pour des raisons économiques, leur utilisation est limité à la couche de roulement. Le monde du béton Théories de Caquot (1937), Faury (1944), Dreux (1970), Baron (1982) sur l empilement granulaire et des bétons avec porosité minimales naissance des béton haute performance (HPC) Il est possible de transférer cette approche aux enrobés? 10 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

8 Empilement granulaire selonlees [AAPT 1970] Qu est-ce qui influence les résultats? Granulométrie - continue, discontinue Forme - Plate et allongée, cubique, arrondi Texture de surface (micro-texture) - lisse, rugeuse Type et amplitude de l effort de compaction - Pression statique, impact, cisaillement Épaisseur des couches 11 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

9 Empilement granulaire Le modèle "idéal" le plus répandus pour une granulométrie continue est basé sur cette équation empirique P = 100(d/D) b où P (%) : % de granulat, massique, sur un tamis donné d (mm) : dimension des ouvertures du tamis choisi D (mm) : dimension maximale des granulats b: coéfficient. Nijboer (1948) & Yoder (1959) ont trouvé que la densité maximale de n importe mélange à granulométrie continue compacté est obtenue avec un b égal à f0.45 or GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

10 Empilement granulaire P = 100(d/D) 0.45 est la ligne de référence au USA Passing (%) 10mm 20mm (10/20) (Sieve Size/D) GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

11 Effet de l interaction entre les particules sur les vides [Caquot 1937] Effet de parois Empilement granulaire Effet de desserrement minimalisation des contacts entre les gros granulats Additional void interstices due to the wall effect Loss of contact between coarse particles Solid D Solid d void 14 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

12 Empilement granulaire Changement de la porosité granulaire vs la dimensione moyenne des granulats [Furnas 1928, Powers 1968, Olard & Perraton 2010] d Fine too close to d Coarse Interparticle interaction d Fine << d Coarse Next to no interparticle interaction 16 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

13 Proposition d une méthode pour l optimisation de l empilement Utilisation de la PCG (20 girations) 17 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

14 Proposition d une méthode pour l optimisation de l empilement Stage 1 0/4mm fraction is dominant 10/14mm fraction is dominant 18 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

15 Proposition d une méthode pour l optimisation de l empilement Stage 1 Stage 2 19 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

16 Proposition d une méthode pour l optimisation de l empilement Stage GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

17 Proposition d une méthode pour l optimisation de l empilement - Comme la technique des poupées russes, l optimisation proposés du combiné quaternaire (10/14-0/4-0/2 - filler) a été obtenu en suivant les 3 étapes du processus itératif: + Étape 1: optimisation du mélange 10/14 0/4 + Étape 2: quantité optimal de 0/2 dans le mélange de la première étape + Étape 3: Teneur en filler optimale dans le mélange de l étape 2 - Généralisation d une procédure à (n-1)- étapes lorsque n fractions granulaires sont consiuderées 21 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

18 Courbe granulo optimale : 10/14-0/4-0/2-filler 100 reference GB2 0/14 HPA 0/14 (4/10 gap-graded) HPA 0/14 (4/10 gap-graded) + 10%RAP Maximum density line (for continuous gradations) 80 % Passing *(d/D)^ GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

19 Évaluation des enrobés en labo - Aptitude au compactage [NF EN ]: PCG - Tenue à l eau [NF EN ]: Duriez - Résistance à l orniérage à 60 C [NF EN ]: orniéreur - Module complexe à 15 C-10Hz [NF EN ] Essai de fatigue à 10 C-25Hz [NF EN ] 23 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

20 Matériaux étudiés EME2 0/14mm standard Squelette granulaire à granulo continue 5.5% de bitume dur 20/30 GB4 0/14mm standard Squelette granulaire à granulo continue 4.2% de bitume 35/50 GB5 0/14mm Granulo discontinue 6/10mm 4.2% de binder: Multigrade Biprene 41 IPE (polymer-modified multigrade) ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 24

21 Propriétés des matériaux PCG NF EN Orniérage NF EN Module (15 C, 10 Hz) NF EN Fatigue (10 C, 25 Hz) NF EN Vides à 100 girations % De vides Ornière (%) % Des vides Modul (MPa) % des vides ε 6 (µdef) EME2 0/ GB4 0/ GB5 0/14 Multigrade GB5 0/14 Bip. 41 IPE

22 Analyse d image Analyse d image 2D; 2D 3D en utilisant une approche de stéréométrie (approche statistique) Quantification de la strcuture des enrobés: Identification des phases des matériaux (granulats, mastic, porosité) Description de l empilement granulaire avec une approche développée par l IFSTTAR Slab compaction appareil photo numérique haute performance capable de capturer des images avec une bonne résolution (entre 20 um / pixel et 50 um / pixel) et capable de couvrir une surface minimale de 100 cm². ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 26

23 Analyse d image Principe de discréditation de Dirichlet Les paramètres suivants peuvent être déterminés: granulat (aire, périmètre et coordonnées) mastic (aire, distribution) Vides (aire, distribution) ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 27

24 Analyse d image EME2 GB4 GB5 Photo originale Photo après seuillage Identification des particules supérieure 50mm² ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 28

25 Analyse d image LAF-average: the LAF (Local Area Fraction) is the ratio of the area of the aggregate intercepted particle to the area of the cell around it. NNDist-Kurtosis: The NNDist-Kurtosis (Nearest-Neighbour Distance) histogram shows the spatial distribution of the largest particles. A high Kurtosis-NNDist value indicates a good occupation of the surface area covered. (Area/NN Dist): This parameter combines both the area of the particle and the distance from its nearest neighbour, in other words, the interaction zone of a skeleton particle. Specimen Number Of particles LAFaverage (%) NN Dist - Kurtosis (Area/NN Dist) (x1000) EME2 34 ± 3 25 ± 3 4 ± ± 0.5 GB4 34 ± 5 22 ± 1 11 ± ±0.5 GB5 48 ± 2 33 ± 2 18 ± ±0.5 ISAP 2016 SYMPOSIUM & 53rd PARC - Jackson (WY) 29

26 Correlation 4, Rutting Depth (%) 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 EME2 GB4 GB5 Multigrade GB5 Bip. IPE Stifness 15 C/10Hz (MPa) EME2 GB4 GB5 Multigrade GB5 GB5 Bip. Bip. IPE IPE y = 222,17x R² = 0, ΣArea/NNDist ΣArea/NNDist 30

27 Comparaison de dimensionnement de chaussées (en France: réalisé à 15 C & 10Hz) Thick Bituminous Pavement Structures. "TC620" Traffic Category. 4cm-BBM Overlay. "PF3" Pavement Formation Class. Traditional Solution Innovative GB5 Solutions EME2 Binder content=5,7% GB5 35/45B GB5 35/50+2.5%SBS GB5 35/45B+2.5%SBS 4% Binder content=3,9% 4% Binder content=3,9% 4% Binder content=3,9% Overlay 4cm BBM 4cm BBM 4cm BBM 4cm BBM Base course 16cm EME2 14cm GB5 12cm GB5 10cm GB5 Difference in base layer thickness Difference in aggregate quantity Difference in bitumen quantity Difference in materials cost/m 2 Reference - 2cm (- 10%) - 4cm (- 20%) - 6cm (- 10%) - 10% - 20% - 30% - 28% - 39% - 48% -23% -27% -38% 31 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

28 2010: des sections GB5 32 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

29 2011: GB5 roadworks on A43 & A41N highways 31,000T with PMB Biprene & HiPMB Orthoprene GENEVA A 41 N ANNECY CE d Annecy LYON Siège de Bron A 432 CE de Chesnes A 43 CE de Nances CHAMBERY A 430 VALENCE St Marcelin (CE des 3 Massifs) A 49 A 48 Le Crozet (CE des 3 Massifs) Rives (CE des 3 Massifs) GRENOBLE A 51 Aiton ALTBERVILLE (CE du Val d Isère) Le Touvet (CE du Val d Isère) A 41 S 33 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

30 2011: GB5 roadworks on A43 & A41N highways 31,000T with PMB Biprene & HiPMB Orthoprene GB5 0/14 (4/10 gap) Budillon-Rabatel aggregate + 15% RAP + 3.5% PMB ( Biprene 41 ) E*(15ºC-10Hz)=17,500MPa & Fatigue(10 C-25Hz) ε 6 = % de vides 34 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

31 2011: GB5 roadworks on A43 & A41N highways 31,000T with PMB Biprene & HiPMB Orthoprene GB5 0/14 (4/10 gap) Budillon-Rabatel aggregate + 15% RAP + 3.5% HiPMB ( Orthoprene ) E*(15ºC-10Hz)=11,000MPa & Fatigue(10 C-25Hz) ε 6 = GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, % de vides

32 2011: GB5 roadworks on A43 & A41N highways 31,000T with PMB Biprene & HiPMB Orthoprene Granulo continue 0/14mm 0/14mm (4/10mm discontinue) 36 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

33 2012: In-situ follow-up of GB5 & EME2 on A41N highway 37 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

34 : GB5 près de la frontière France-Suisse 38 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

35 2014: GB5 roadworks, ETHEKWINI METRO (Afrique du sud) 39 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

36 Plusieurs autres applications Ports Aéroports Voies ferrées Ponts 40 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

37 Conclusions - Transposition de l empilement granulaire développé pour les béton haute résistance - Notre méthode expérimentale pour l optimisation de l empilement granulaire est basé sur la PCG à 20 girations. Dépendamment du nombre de fraction granulaires utilisés (n), l optimisation est effectuée en n-1 étapes. - La granulo optimale du GB5 apporte: + excellente aptitude au compactage + résistance en compression accrue et module plus élevé. - L utilisation d environ 4,5% de bitume polymère est suffisant pour avoir une bonne résistance à la fatigue 41 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

38 Conclusions - l optimisation granulaire amène une meilleure densité (<94-98%) avec une basse teneur en bitume (3.9% to 5.0%) intéressant économiquement - Amélioration de la résistance en compression et du module pas besoin d utiliser u bitume plus dur - 60 natures de granulats avec différentes combinaisaon granulaire ont été testés par Eiffage en labo (Chaud, tiède, à froid) - 2,000,000 tons de GB5 avec bitume polymere ont été posé en France, Espagne, Afrique du sud 42 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

39 Perspectives - Implentation desgb5 dans d autres pays (validation avec d autres matériaux, climat ). 43 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016

40 Merci de votre attention Shoot for the moon. Even if you miss, you'll land among the stars (Oscar Wilde ) 45 GB5 High-Performance Asphalts Montreal, September 30, 2016