Comportement mécanique à la fatigue d enrobés bitumineux renforcés de fibres végétales

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1 Comportement mécanique à la fatigue d enrobés bitumineux renforcés de fibres végétales Horacio DELGADO Université de Lyon, F-693, Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat, CNRS, URA 1652, Département Génie Civil et Bâtiment, 3, rue Maurice Audin, Vaulx-en-Velin, F-6912, Téléphone: Laurent ARNAUD Université de Lyon, F-693, Ecole Nationale des Travaux Publics de l Etat, CNRS, URA 1652, Département Génie Civil et Bâtiment, 3, rue Maurice Audin, Vaulx-en-Velin, F-6912, Téléphone: Mots clés : enrobé bitumineux, fibre végétale, module complexe, fatigue. Nombre de mots :

2 Problématique Il est manifeste depuis quelques années que la diminution des ressources naturelles, la préservation de l environnement et les économies d énergie constituent trois facteurs d importance vitale. Ces trois préoccupations majeures rendent souhaitables de promouvoir une utilisation plus systématique des différents types de déchets et de sous-produits en technique routière. Il est devenu impératif de mettre au point un moyen de mieux utiliser les déchets et sous produits ; leur usage intensif en technique routière contribue donc à résoudre un important problème technico-économique (1). De plus les enrobés bitumineux sont susceptibles à des dégradations visibles à la surface de la chaussée (fissure thermique ou par fatigue) et par vieillissement prématuré du bitume. Ces dégradations provoquent des problèmes au niveau de la sécurité routière et du confort. La diminution du niveau du service a une répercussion importante dans les coûts d entretien, parce que la fréquence et sévérité des dégradations augmentent (2-4). Cette problématique s'est présentée parce que les enrobés bitumineux sont de plus en plus sollicités à cause du passage des charges de véhicules plus fréquent et de charges plus importantes. Actuellement il est devenu important de trouver des nouvelles formulations pour améliorer les enrobés bitumineux et diminuer cette problématique. L utilisation des nouveaux matériels comme les polymères et fibres sont unes des solutions les plus utilisées. Entre les fibres les plus utilisées ont peut trouver les fibres du polyester, fibres de cellulose et les fibres minérales (4-6). Cependant aucune des ces fibres ne présente un apport écologique significatif, de plus le prix élevé des fibres synthétiques en comparaison avec le bitume emmène à que l'utilisation commerciale de fibres soit seulement attractive à la construction de routes si la quantité de fibres utilisées pour obtenir une amélioration significative de la performance du pavement est relativement petite (7). Donc, l'utilisation de fibres végétales se présente comme une bonne alternative puisqu'elles peuvent donner tant un apport mécanique comme écologique et à un plus bas prix. En remarquant que l utilisation des déchets et sous-produits devrait être un élément d une stratégie global d utilisation des matériaux, qui devrait comprendre les diverses utilisations concurrentes possibles, et la technique routière n est qu un des secteurs où l utilisation des déchets est devenu possible. Fibres et les enrobés bitumineux En accord à son origine, les fibres ont différents longueurs, épaisseurs, et propriétés mécaniques. Les plus étudiés en renforcement des enrobés bitumineux sont les fibres de polyester, polypropylène et asbeste (8-1). Au niveau du coût, les fibres synthétiques ont un prix plus élevé que celles d origine naturelle et elles n ont pas d apport écologique significatif, comme les fibres naturelles. Par contre, les fibres d origine naturelle ont tendance à être plus hétérogènes par rapport aux produits synthétiques dont leur procédé de fabrication est contrôlé. L idée d utiliser des fibres n est pas nouvelle. Son fonction principale comme matériau de renfort a été de fournir une force de tension supplémentaire dans le matériau composite résultant. Cela peut augmenter la quantité d'énergie de déformation que peut être absorbé pendant le procès de fatigue et fracture de l enrobé bitumineux. Le renfort avec fibres est 2

3 Tamis cumulés (%) plutôt utilisé comme une barrière de fissures que comme un élément de renforcement dont la fonction doit être porter la charge de tension aussi bien qu'empêcher la formation et la propagation de fissures (2). Démarche expérimentale La campagne expérimentale a pour objectif déterminer l influence des fibres végétales dans les propriétés mécaniques d enrobés bitumineux. Pour cela, on a réalisé deux essais : l essai du module complexe et l essai de fatigue. Ces deux déterminations ont été réalisées dans un essai homogène, essai de tension-compression, sur des éprouvettes cylindriques. Pendant la campagne expérimentale certains caractéristiques de fabrication de l enrobé ont été fixés, comme la granulométrie, la teneur en liant et le type de compactage. Deux variables ont été considérés : la longueur et la concentration de la fibre végétale. Pour la longueur on a considéré quatre valeurs (1cm, 3cm, 5cm et 7cm) et trois pour la concentration (,2% ;,3% et,4% de la masse de l enrobé). Avec ces valeurs on étudiera l'influence des caractéristiques physiques de la fibre naturelle sur le comportement mécanique d enrobés bitumineux. Matériaux et fabrications des éprouvettes La courbe granulométrie pour le béton bitumineux est celle d une formulation semi-grenue. La Figure 1 présent l analyse granulométrique des différents fractions et la mélange utilisée pour fabriquer le Béton Bitumineux. Mélange BB Gravillon 6/1 Gravillon 4/6 Gravillon 2/4 Sable /2,1, Maille du tamis (mm) FIGURE 1 Courbes granulométriques, formulation Béton Bitumineux Semi-Grenue L enrobé bitumineux a été réalisé avec une bitume 5/7, avec une teneur en liant de 6,% (masse de granulats). Les températures de malaxage et compactage ont été soigneusement contrôlées pour éviter l ignition des fibres. Le malaxage a été réalisée à une température de 155 C et l enrobé a été compacté à 145 C. Les éprouvettes cylindriques ont été réalisées par compactage dynamique à l aide d une dame Marshall, en trois couches, en donnant 75 coups par couche. Les éprouvettes ont été carottées et coupées pour obtenir une hauteur de 15 mm et 75 mm de diamètre. Essais mécaniques On a réalisé deux types des essais mécaniques, l essai du module complexe pour évaluer la condition initiale de l enrobé bitumineux renforcé avec fibres végétales et l essai de fatigue 3

4 Signal d'emission (V) Signal de réception (V) Amplitude (V) pour évaluer l évolution des propriétés mécaniques (E* et ) au cours de cycles de chargement. Les deux tests ont été réalisés sur le même mode d essai (tension-compression). L essai mesure la déformation et la contrainte axiale, pendant l application d une sollicitation sinusoïdale en mode de force à une éprouvette d enrobé bitumineux. La contrainte axiale ( ) est mesurée du capteur de force et la déformation axiale ( 1 ) par trois extensomètres (figure 2) FIGURE 2 Dispositif expérimental de l essai de tension-compression Mesures Ultra-Sons Tous les essais de fatigue sont instrumentés à l aide d une technique non-destructive qui permet de suivre en continu l évolution des vitesses de propagation ainsi que l amplitude des ondes. Pour ces mesures, on a utilisé ondes de compression (ondes P). Le système applique une impulsion (fréquence de 5 khz), utilisant un capteur émetteur, le signal produit est reçu par un autre capteur pour être analysé (Figure 3a). Le pair de capteurs (émetteur et récepteur) sont placés centrés, chacun d un côté de l éprouvette. Un générateur de fonctions sert à créer la signal d excitation du capteur émetteur. Ce signal est sinusoïdal, centré sur une fréquence. Ensuite, le signal délivré par le capteur récepteur est filtré et amplifié, avant d être visualisé sur un oscilloscope. L écran de l oscilloscope est ensuite enregistré à l aide d un ordinateur 1,2,8,4 -,4 -,8-1,2 t Amplitude Emission Réception,1,2,3 Temps (s),25,2,15,1,5 -,5 -,1 -,15 -,2 -, Fréquence (khz) FIGURE 3 Analyse des ondes-p dans l enrobé bitumineux. Gauche: Signal enregistré et amplitude de signal; droit: Transformé de Fourier de la signal Au cours de l essai de fatigue, la perte d énergie a été bien mesurée avec le dispositif US. Cette perte d énergie est calculée à partir des amplitudes de signales et il est défini comme le ratio de l énergie transmise du signal par rapport à l énergie transmise initiale. Cette caractéristique peut être comparée avec la variable d endommagement. 4

5 E* (MPa) ( ) Evaluation de la condition initiale L évaluation de la condition initiale a été réalisée en utilisant l essai de module complexe. Cette essai a été réalisé dans l enrobé de référence (sans fibre) et dans les enrobés renforcés de fibres végétales. Essai du module complexe L essai de module complexe consiste à solliciter une éprouvette cylindrique en tractioncompression en petites déformations (inférieurs à 1-4 m/m). Les essais sont réalisés à 7 différents niveaux de température (de -25 C à +35 C) et 9 différentes fréquences (,3Hz à 1Hz). Les essais ont été réalisés en contrainte, c est-à-dire qu on impose une sollicitation en force, et les déformations axiales sont mesurées. En prenant en compte le faible nombre de cycles de charge N, l évolution sinusoïdal dans le temps des deux valeurs mesurés est défini avec l équation suivante. 1 (t) = 1 sin ( t) [1] 1 (t) = 1 sin ( t ) [2] est la pulsation ( =2πf). est l angle de déphasage entre la déformation axiale et la contrainte axiale. En considérant une écriture complexe, les valeurs mesurées sont écrites 1*(t) = 1 e j t, 1*(t) = 1 e j( t ) où j est nombre complexe défini par j 2 = -1. Pour an matériau isotrope, le module complexe E* obtenu d un essai homogène est défini de la façon suivante : * 1 E E * * j 1 j E E e e * 1 1 Résultats expérimentaux La première analyse réalisée a été la vérification de la dispersion de résultats due à la fabrication des éprouvettes. La figure 4 présente la dispersion de cinq essais de module complexe, les résultats sont présentés dans les courbe maîtresse E* et. Les éprouvettes ont été fabriquées avec les mêmes caractéristiques mais en périodes de temps différentes. [3] 1 1 T ref = 15 C Série 1 - Eprouvette A Série 1 - Eprouvette B Série 1 - Eprouvette C Série 2 - Eprouvette A Série 3 - Eprouvette C T ref = 15 C Série 1 - Eprouvette A Série 1 - Eprouvette B Série 1 - Eprouvette C Série 2 - Eprouvette A Série 3 - Eprouvette C 1,1,1, a T * fréquence (Hz),1,1, a T * fréquence (Hz) FIGURE 4 Dispersion de résultats de l essai de module complexe, enrobe renforcé avec fibres de 3 cm de longueur et une concentration de,3%. Température de référence de 15 C. Gauge: norme du E*; droit: angle de phase 5

6 E* (MPa) ( ) On peut observer que les valeurs de E* et sont très similaires pour tous les fréquences. On a conclu que les résultats n ont pas été affectés pour les conditions de fabrications des éprouvettes. La figure 5 présente les résultats de l essai de module complexe pour cinq enrobés bitumineux renforcés avec fibres végétales. Les résultats sont présentées dans les courbes maîtresse du E* et. On observe une amélioration des valeurs de E* pour les fréquences basses et intermédiaires (températures hautes et intermédiaires). Pour les mêmes fréquences, on a observé une réduction des valeurs de l angle de phase. Il n y a pas de modifications importantes du comportement mécanique pour les hautes fréquences (basses températures). Ces modifications représentent un incrément de la partie élastique (module d élasticité dynamique, E 1 ) de l enrobé bitumineux. Ces résultats confirment une amélioration du comportement mécanique des enrobés bitumineux renforcés avec fibres végétales pour certains longueurs et concentrations de fibres. 1 1 T ref = 15 C Longueur: 3cm - Concentration:,3% Longueur: 3cm - Concentration:,4% Longueur: 5cm - Concentration:,3% Longueur: 5cm - Concentration:,4% Longueur: 7cm - Concentration:,2% 1,1,1, a T * fréquence (Hz) T ref = 15 C Longueur: 3cm - Concentration:,3% Longueur: 3cm - Concentration:,4% Longueur: 5cm - Concentration:,3% Longueur: 5cm - Concentration:,4% Longueur: 7cm - Concentration:,2%,1,1, a T * fréquence (Hz) FIGURE 5 Influence du renforcement de fibres végétales, Courbe Maîtresse (T ref de 15 C). Gauche: norme du E*; droit: angle de phase. Evolution des propriétés mécaniques au cours de l essai de fatigue Essai de fatigue Sous faibles amplitudes de contraintes, le nombre de cycles de sollicitation joue un rôle déterminant. Pour un nombre élevé de cycles, le comportement mécanique d un enrobé bitumineux présente un endommagement par fatigue. La fatigue a été évaluée au moyen de l essai de tension-compression. Cet essai permet d appliquer le concept viscoélastique linéaire (VELI) et déterminer les propriétés intrinsèques du matériau. La fatigue est caractérisée en utilisant la courbe de Wöhler. La relation peut être obtenue de l'équation [4]. Dans cette représentation la relation est semi logarithmique N f = A * B [4] A et B sont facteurs, dépendant de la composition et propriétés de l enrobé. N f est le nombre de cycles de sollicitation à la rupture. est la contrainte appliqué. Chaque condition d essai (longueur-concentration de fibre) a été testée au moins à 4 différents amplitudes de contrainte (de,64 MPa à,48 MPa). La température d essai a été 15 C. Pour déterminer N f, est nécessaire d introduire le concept d endommagement, D. Le paramètre D caractérise la perte relative du module entre l état initial et l état actuel du 6

7 matériau, équation [5]. On a utilisé le critère de perte du 5% du module initial. Le critère d énergie dissipé a été aussi évalué et comparé avec le critère d endommagement. D = 1 E*(N) / E * [5] Résultats expérimentaux La Figure 6 présent les résultats de quatre enrobés bitumineux renforcés de fibres végétales et l enrobé de référence, testées dans l essai de fatigue. 1,E+7 Nombre de cycles à la rupture, N f 1,E+6 1,E+5 1,E+4 N f = 8292,5-5,448 R² =,6115 L: 1cm - P:,2% L: 3cm - P:,3% L: 5cm - P:,4% L: 7cm - P:,4% N f = 2287,9-9,896 R² =,9757 N f = 391,26-1,78 R² =,9951 N f = 1887,3-9,3 R² =,981 N f = ,756 R² =,944,4,45,5,55,6,65,7,75 Contrainte (MPa) FIGURE 6 Courbe de Wöhler pour les essais de fatigue à différents contraintes Pour les contraintes élevées, on observe que deux mélanges ont une amélioration de la vie en fatigue par rapport à l enrobé de référence, mais seulement une maintient cette amélioration dans les basses contraintes (mélange avec fibres de 5cm de longueur et une concentration de,4%). Il semble que le pourcentage 3 % de fibre modifie la viscosité de l enrobé mais cette modification n'est pas suffisant pour améliorer le comportement à la fatigue. Néanmoins, pour ce pourcentage, on pourrait considérer que les améliorations sont dépendantes de la contrainte appliquée. On peut observer aussi que les enrobés avec fibres de 1 cm et 7cm de longueur n améliorent pas le comportement à la fatigue. Il semble que la fibre de 1 cm est courte par rapport à la taille de granulats et les fibres de 7cm sont si longues qui forment des boules qui représentent zones de failles potentielles dans l enrobé. La figure 7 présente les courbes d'énergie dissipée pour cinq enrobés renforcés avec fibres végétales et l enrobé de référence. Deux différentes contraintes sont présentées. En général pour les deux contraintes évaluées, les enrobés renforcés de fibres présentent meilleures performances que l enrobé de référence. Un effet de densification pendant le test de fatigue (énergie dissipé négatif) a été aussi observé pour quelques mélanges. Un effet important de l'incorporation de la fibre est l'énergie dissipée pendant le test de fatigue. On peut observer que l enrobé de référence a une perte d'énergie progressive pendant le test. D'autre part, la perte d'énergie des enrobés renforcés de fibres végétales est minimale ou inexistant, ainsi avec l incorporation de la fibre on améliore la vie de fatigue aussi comme l'énergie dissipée de l enrobé bitumineux. Ce phénomène peut être associé à l'augmentation de la partie élastique (le module de stockage, E 1 ) de l enrobé bitumineux (paragraphe 3.2). 7

8 Energie dissipée (%) Energie dissipée (%) 5% 4% 3% 2% L: 3cm - C:,3% L: 3cm - C:,4% L: 5cm - C:,3% L: 5cm - C:,4% L: 7cm - C:,2% Contrainte appliqué:,59 MPa 5% 4% 3% 2% 1% L: 3cm - C:,3% L: 3cm - C:,4% L: 5cm - C:,3% L: 5cm - C:,4% L: 7cm - C:,2% Contrainte appliqué:,52 MPa 1% % -1% % -2% -1% Nombre de cycles à la rupture, N f -3% Nombre de cycles à la rupture, N f FIGURE 7 Pourcentage d énergie dissipée pendant l essai de fatigue. Gauche: contrainte appliqué:,59mpa; droite: contrainte appliqué:,52mpa. Quelques conclusions et perspectives Dans cette étude, la longueur et la concentration de la fibre étaient les deux seules variables analysées. La granulométrie et le bitume n'ont pas été modifiés. L influence de la longueur et la concentration des fibres sur les propriétés mécaniques de l enrobé bitumineux est la suivante: Une faible dispersion de résultats dans l essai de module complexe, les résultats n ont pas été affectés pour les conditions de fabrications des éprouvettes. Un incrément des valeurs de E* et une réduction des valeurs de pour les fréquences basses et intermédiaires. Cela signifie une amélioration des propriétés viscoélastiques de l enrobé bitumineux, pour enrobés renforcés de fibres végétales de 3cm longueur et une concentration de,4%, et 5cm de longueur et une concentration de,4%. Pas d effets significatifs pour les basses températures (hautes fréquences). A cause, de la haute rigidité du bitume aux basses températures, la fibre agit plus comme une inclusion que comme un élément de renforcement. L incorporation de fibres végétales de 1cm et 7cm de longueur n améliorent pas le comportement à la fatigue des enrobés bitumineux. L enrobé bitumineux renforcé de fibres végétales de 5cm de longueur et une concentration de,4% a présenté une amélioration de la vie à la fatigue dans tout la plage de contraintes évaluées. Ce mélange présente une amélioration de 1 % de la vie de fatigue. L incorporation des fibres végétales dans les enrobés bitumineux réduit l énergie dissipée pendant l essai de fatigue. Les enrobés renforcés présentent ruptures du type fragile. Deux perspectives sont envisagées, le premier est la détermination de l influence des fibres végétales dans autres types d enrobés, plus spécifiquement dans les enrobé à froid. La deuxième est la modélisation des résultats obtenus avec ces deux types d enrobés bitumineux. Références (1) Faure M., Routes tome 2, Les cours de l ENTPE, ALEAS, 199, 255p. 8

9 (2) Abtahi S.M., Mohammad Sheikhzadeh, Sayyed Mahdi Hejazi. Fiber-reinforced asphalt concrete A review. Construction and Building Materials 21; Volume 24, no. 6; pp (3) A.I Al-Hadidy, Tan Yi-qiu. Effect of polyethylene on life of flexible pavements. Construction and Building Materials 29; Volume 23, no. 3; pp (4) Tayfur S., Ozen H., Aksoy A. Investigation of rutting performance of asphalt mixtures containing polymer modifiers. Construction and Building Materials 27; Volume 21, no. 2; pp (5) Chen H., Xu Q., Chen S., et al. Evaluation and design of fiber-reinforced asphalt mixtures. Materials and Design 29; Vol. 3, no. 7 ; pp (6) Serkan T. The effect of polypropylene fibers on asphalt performance. Building Environment 28; Vol. 43, no. 6; pp (7) Chen J.-S., and Lin K.-J., Mechanism and behavior of bitumen strength reinforcement using fibers. Journal of Materials Science, 25; Vol. 4; pp (8) Wu S.,Ye Q., LI N. et al. Effect of on the dynamic properties of asphalt mixtures. Journal of Wuham University technology, 27; Vol. 22, no 4. Pp (9) Ye Q., Wu S., Li N., Investigation of the dynamic and fatigue properties of fibers-modified asphalt mixtures. International Journal of Fatigue, 29; Vol. 31, no. 1; pp (1) Chen H., and Xu Q., Experimental study of fibers in stabilizing and reinforcing asphalt binder. Fuel 21; Vol 89, no. 7; pp (11) Wu S. and Ye Q., Investigation of rheological and fatigue properties of asphalt mixtures containing polyester fibers, Construction and building materials, p , Vol.22 No. 1, 28. (12) Sharma V., and Goyal S., Comparative study of performance of natural fibers and crumb rubber modified stone matrix asphalt mixtures, Canadian Journal of Civil Engineering, p , Vol.33, 26. (13) Tapkin S., The effect of polypropylene fibers on asphalt performance, Building Environment, p , Vol.43 No. 6, 28. (14) Houel A., Endommagement à la fatigue et fissuration mécanique des enrobés bitumineux sur dalle orthotrope, Thèse : Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, p. 35, 27. (15) Baaj H., Comportement à la fatigue des matériaux granulaires traités aux liants hydrocarbonés, Thèse : Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, 22. 9

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