Étude de la cinétique de vieillissement d un bitume-polymère suivi dans la cadre d une chaussée fortement circulée du Sud de la France

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1 Étude de la cinétique de vieillissement d un bitume-polymère suivi dans la cadre d une chaussée fortement circulée du Sud de la France Virginie MOUILLET LRPC d Aix-en-Provence ERA n 5

2 Objectif de l étude Définir une loi permettant de transposer l évolution des caractéristiques des bitumes-polymères à partir d essais de vieillissement accéléré en laboratoire (quelques heures) à celle constatée sur chaussée après plusieurs années : Propriétés d usage (pertinentes vis-à-vis de la durabilité des bitumes-polymères) Vieillissement laboratoire Vieillissement in situ Modèle?? temps Prédiction pertinente du vieillissement in situ des bitumes-polymères?

3 Modes de vieillissement retenus Vieillissement sur site Vieillissement par des méthodes de laboratoire temps de séjour : 7, 1 et 6 mois pression d air supposée constante : 0,1 MPa relevé de température sur site réaction d oxydation contrôlée par diffusion de l air dans le bitume au sein des bétons bitumineux Extraction des liants modifiés selon le mode opératoire interne du LRPC d Aix-en-Provence RTFOT à 163 C à différents temps de séjour : 75, 150 et 300 minutes 0,1 MPa de pression constante d air renouvellement constant du film de liant exposé à l oxydation PAV à 100 C à différents temps de séjour : 0, 30 et 65 heures,1 MPa de pression constante d air film de bitume visqueux en couche mince et statique

4 1) Suivi de la consistance : Méthodes de caractérisation pénétrabilité à 5 C (NF EN 146) température de ramollissement bille et anneau (NF EN 147) ) Suivi du degré d oxydation par spectroscopie infrarouge : indice carbonyles indice sulfoxydes 3) Suivi du module de rigidité en flexion mesuré par rhéologie de flexion sur barreau de liant (BBR) : Tiso-S : température de «fissuration à froid du bitume» Tiso-m : température limite de fragilité du bitume (NF EN 14771) HYPOTHESES : Caractéristiques des bitumes = indicateurs pertinents de l avancement de la réaction de vieillissement Vitesse de réaction affectée par la température de réaction d oxydation et la pression d air

5 Caractéristiques du chantier A Béton Bitumineux Drainant à base de bitume élastomère (SBS) mis en œuvre sur une chaussée fortement circulée du Sud de la France : formule granulométrique : 0/10 épaisseur de la couche : 4 cm teneur en liant : 4,5% teneur en vides : 4,3%

6 Etude des chemins d évolution de la consistance Évolution par RTFOT à 163 C y = -1,0667x + 93,6 R = 0,9884 Température Bille et Anneau ( C) RTFOT + 0h PAV Évolution par PAV à 100 C y = -1,4784x + 98,851 R = 0,9706 Évolution sur site y = -0,7714x + 84,771 R = 0, Pénétrabilité (0,1 mm)

7 Etude des chemins d évolution des fonctions oxygénées Indice sulfoxydes (%) RTFOT + 0h PAV Évolution par RTFOT à 163 C y = 1,9134x + 7,331 R = 0,987 Évolution par PAV à 100 C y =,0037x + 8,176 = 0,9935 R 8 Évolution sur site y = 0,313x + 9,999 R = 0, ,5 1 1,5,5 3 3,5 4 4,5 Indice carbonyles (%)

8 Etude des chemins d évolution des propriétés à froid Tiso-module ( C) Évolution par RTFOT à 163 C y =,7473x + 31,839 R = 0,974 Évolution par PAV à 100 C y = 3,5884x + 43,689 R = 0,9999 RTFOT + 0h PAV Évolution sur site y = 1,770x + 14,696 R = 0, Tiso-pente ( C)

9 Discussion Chemins d évolution différents suivant les modes de vieillissement retenus : évolution par RTFOT à 163 C (temps de séjour variable de 75, 150 et 300 minutes) plus faible que celle obtenue par PAV à 100 C (temps de séjour de 0, 30 et 65 heures) conditions expérimentales différentes : concentration d oxygène 1 fois plus élevée dans l essai PAV que dans l essai RTFOT évolution sur site différente des modes de vieillissement de laboratoire retenus vieillissement normalisé RTFOT à 163 C + 0h PAV 30 heures de PAV à 100 C 300 minutes de RTFOT à 163 C

10 Etude préliminaire de modélisation de la cinétique de vieillissement Démarche proposée : déterminer l évolution des indicateurs pertinents du vieillissement du bitume-polymère en fonction du temps de séjour (évolution de chaque indicateur par différence à son point initial) identifier la contribution des paramètres affectant le vieillissement (nature du bitume-polymère, température, temps, pression, formulation des enrobés) recherche d une modélisation multi-critères

11 Expression mathématique (1) Modélisation à partir d une loi du type : Indicateur = a t b a et b = constantes caractérisant le bitume t = temps de séjour ou de réaction (en heures) Coordonnées bi-logarithmiques -> droite : - pente «b» : hypothèse : «b» constant pour un bitume donné car droites parallèles pour chaque mode de vieillissement - ordonnée à l origine «a», dépendant des conditions de vieillissement (variable tenant compte du type de bitume, de la température et de la pression) a r : mode de vieillissement RTFOT à 163 C a p : mode de vieillissement PAV à 100 C a s : mode de vieillissement sur site

12 Expression mathématique () Vitesse de réaction V au temps t = dérivée par rapport au temps : Indicateur = a t b V = d( Indicateur)/dt = abt b-1 V = a b quand t = 1 heure Indicateur = a quand t = 1 heure Calcul de V pour chaque mode de vieillissement Loi d action de masse : V = k [c] x k = constante de vitesse [c] = concentration des espèces réactives x = ordre de la réaction k donné par la loi d Arrhénius : k = A exp [-E/RT] A = facteur de fréquence, caractéristique des conditions de réaction E = énergie d activation, caractéristique de la réaction R = constante des gaz parfaits T = température absolue de la réaction

13 Expression mathématique (3) V = a b = k [c] x quand t = 1 heure V/[c] x = k= A exp [-E/RT] Ln (V/[c] x ) = LnA -E/RT Loi d Arrhénius applicable si Ln (V/[c] x ) = f(1/t) est une droite avec : - pente = E/R - ordonnée à l origine = Ln A Tracé de Ln(V) = f(1/t) avec T= 436K pour RTFOT à 163 C T = 373K pour PAV à 100 C [c] x = 1 Connaissant la température moyenne sur site: V site = A exp [-E/RT site ] -> calcul de a site = V site /b -> Indicateur = a site t b

14 Accroissement de la pénétrabilité en fonction du temps de séjour 100 Log (delta(pénétrabilité à 5 C)) Évolution par RTFOT à 163 C y = 9,9876x 0,531 R = 0, minutes 30 heures Évolution par PAV à 100 C 0,484 y = 9,6518x 65 heures R = 0,9809 Évolution sur site y = 1,5563x 0,85 R = 0, mois 6 mois 150 minutes 0 heures 7 mois 75 minutes 10 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+0 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 Log (temps en heures)

15 Accroissement de la teneur en carbonyles en fonction du temps de séjour heures 6 mois Log(delta(indice carbonyles)) 1 0,1 75 minutes 300 minutes 150 minutes 0 heures 30 heures 7 mois 1 mois Évolution par RTFOT à 163 C y = 3E-05x 1,9037 R = 0,9005 Évolution par PAV à 100 C y = 0,0007x R = 1 Évolution sur site y = 0,0006x 0,8675 R = 0,9965 0,01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+0 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 Log (temps en heures)

16 Accroissement de la température de fissuration en fonction du temps de séjour 10 6 mois Log (delta(température d'iso-module ) 1 75 minutes 300 minutes 150 minutes 30 heures 0 heures 65 heures 7 mois 1 mois Évolution par RTFOT à 163 C y = 0,0007x 1,437 R = 0,9095 Évolution par PAV à 100 C y = 0,0806x 0,459 R = 0,9995 Évolution sur site y = 0,0168x 0,5711 R = 0,9735 0,1 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+0 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 Log (temps en heures)

17 Discussion Modélisation de la cinétique de vieillissement HYPOTHESE DE DEPART : droites d évolution des indicateurs en fonction du temps de séjour parallèles pour chaque mode de vieillissement -> «b» constant Hypothèse vérifiée pour l évolution par PAV à 100 C et celle sur site MAIS pas pour l évolution par RTFOT à 163 C Calcul des vitesses d évolution des indicateurs pour chaque mode de vieillissement : Pénétrabilité Carbonyles Température de fissuration à froid V site 0,4 5, , V PAV,4 7, V RTFOT 5,3 0, ,0 10-3

18 Affiner la modélisation sur un ensemble plus vaste de données de calibration (issues de différents chantiers) et valider le modèle par un ensemble de données de prédiction (étude des résidus) CETE Conclusions et perspectives Possibilité de modéliser la cinétique de vieillissement d un bitumepolymère à partir d une loi du type : Indicateur = a t b MAIS pente de la droite d évolution par vieillissement RTFOT à 163 C non équivalente à celle des autres modes de vieillissement : poursuivre le vieillissement par RTFOT à 163 C au-delà de 300 minutes tester une température différente (175 C par exemple) Établir la matrice de corrélation des différents indicateurs ou combinaison de plusieurs paramètres afin d identifier les plus pertinents vis-à-vis du modèle proposé