Recyclage à froid. Réparation d une route en vue de la circulation de poids lourds

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1 Recyclage à froid Réparation d une route en vue de la circulation de poids lourds

2 Préface Le présent rapport décrit un projet de construction routière dans lequel on a utilisé les procédés de recyclage à froid «sur place» et «en usine» avec différents liants. Le point de départ en fut l idée de recycler la structure de la chaussée existante défectueuse au moyen de liants hydrauliques et de la renforcer d une couche de base à liants bitumineux et d une couche d usure. Le rapport est axé sur le principe que tout projet de construction commence par des examens et que l on devrait ensuite, sur la base des résultats obtenus, fixer les mesures à prendre pour la réparation et la rénovation de la chaussée. En conséquence, le présent rapport a la structure suivante: Examen de la chaussée sur place, Essais de laboratoire, Dimensionnement de la structure de la chaussée, Procédés de construction et engins utilisés, et Tests de contrôle.

3 Synoptique 1 Description brève 1.1 Antécédents Inspection du chantier Constat de la structure de la chaussée Réfection Rapport détaillé 2.1 Appréciation de la chaussée Propriétés de la chaussée existante Puits de reconnaissance Essais dynamiques de pénétration au cône (essais DCP) Essais de charge sur plaque Essais de laboratoire Essai de qualification pour la couche de fondation (Recyclage sur place avec du ciment) Essai de qualification pour la couche de base (Recyclage à froid en usine) Recyclage avec du bitume mousse Recyclage avec une émulsion bitumineuse Essai de qualification de la couche de roulement bitumineuse Procédés de réfection Rapport de chantier Recyclage sur place de la couche de fondation avec du ciment Recyclage à froid en usine de la couche de base avec du bitume mousse Recyclage à froid en usine de la couche de base avec une émulsion bitumineuse Couche de roulement bitumineuse Tests de contrôle durant la phase des travaux Couche de fondation recyclée sur place avec du ciment Couche de base recyclée à froid en usine avec du bitume mousse Couche de base recyclée à froid en usine avec une émulsion bitumineuse Couche de roulement bitumineuse Surveillance de la structure de la chaussée Glossaire Annexe Publication dans «Straße + Autobahn 55 (2004), n 5» (5 ans après l exécution du projet) // 3

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5 1 Description brève 1.1 Antécédents La route d accès à une carrière disposant d une centrale à béton prêt à l emploi présentait de graves détériorations telles que par exemple de profonds nids-de-poule que l on avait provisoirement réparés avec du béton et différents matériaux, ainsi que des microfissurations et un drainage insuffisant. Ces dégradations posaient de gros problèmes aux camions qui y circulaient. Une analyse des bordereaux de pesage montra que l on transporte sur cette route un poids net avoisinant les tonnes de matériaux de construction par an. Ceci correspond à environ camions par an à pleine charge. Une réfection était devenue inévitable, mais le temps dont on disposait pour effectuer les travaux de réfection était très limité en raison du volume élevé du trafic et de la production continuelle dans la carrière et dans la centrale de fabrication du béton. 1.2 Inspection du chantier Avant de commencer des analyses détaillées, on a examiné la route sur place. En outre, on a rassemblé toutes les informations disponibles sur cette route et on en a tenu compte lors de la décision relative à une réfection éventuelle. In der ersten Hälfte der Straße wurden erhebliche Risse im Asphaltbelag festgestellt (siehe Abb. 1). In den anderen Bereichen wurden Verformungen wie z.b. Abrieb und Spurrinnen festgestellt. Der Zustand der Straße war sehr uneinheitlich, da Illustr. 1: État de la route endommagée. Dans la première moitié du parcours, on a constaté des fissures considérables dans le revêtement bitumineux (voir Illustr. 1). Dans des autres zones, on a constaté des déformations telles que par exemple une abrasion et des ornières. L état de la chaussée était très hétérogène car la deuxième section en particulier fut construite en remblai et un drainage insuffisant y était responsable de la plus grande partie des détériorations (voir Illustr. 3). Comme cause des graves détériorations, on a soupçonné des problèmes avec le sous-sol, les petites fissures existant dans la couche de base et de roulement étant attribuées à une fatigue du bitume. Sur la base de ces informations, on a présumé que la route possédait la structure représentée dans l illustration 2 et prévu tout d abord le plan de réfection indiqué également dans l illustration 2. 4// 5

6 Structure présumée de la chaussée Première proposition de réfection Épaisseur supplémentaire = 39 cm 4 cm Revêtement bitumineux 15 cm Matériau fraisé recyclé à froid en usine 20 cm Grave bitume non lié comme couche antigel 5 à 10 cm Couches à liant bitumineux 15 à 20 cm Grave bitume 20 à 30 cm Recyclé à froid sur place sous addition de ciment ou de chaux Sous-sol Sous-sol Illustr. 2: Structure présumée de la chaussée existante et première proposition de réfection. Eau de surface Eau d infiltration Fossé de drainage avec écoulement insuffisant Eau de surface Grave bitume grossier 50 à 150 Illustr. 3: Coupe transversale de la deuxième partie de la route d accès avec remplissage par grave bitume et représentation des problèmes de drainage. 1.3 Constat de la structure de la chaussée L étape suivante consistait à exécuter des examens détaillés. Ils comprenaient une expertise minutieuse du chantier ainsi que le fraisage de puits de reconnaissance, des essais dynamiques de pénétration au cône (essais DCP) dans le sous-sol et des essais de charge sur plaque sur la fondation. Sur la base de ces résultats, on élabora ensuite un programme détaillé d essais de laboratoire. À l aide des granulats provenant des puits de reconnaissance, on exécuta des analyses granulométriques, des essais Proctor (rapport humidité/densité) et des essais destinés à la détermination de la teneur optimale en liant. Les examens préliminaires montrèrent que la structure présumée de la chaussée ne correspondait pas à la réalité. À la lumière des examens de laboratoire et de calculs assistés par ordinateur de l épaisseur des couches (ELSYM 5M), on révisa la première proposition de réfection et en déduisit le plan correspondant à l illustration 4. La différence existant entre la première proposition (Illustr. 2) et la solution finalement proposée (Illustr. 4) montre à quel point il est important d effectuer un examen détaillé de la chaussée.

7 Structure réelle de la chaussée Structure de la chaussée rénovée Épaisseur supplémentaire = 19 cm 4 cm Revêtement bitumineux 15 cm Granulat fraisé recyclé à froid en usine 9 cm Couche bitumineuse de base et de roulement 10 cm Couche de base en grave bitume 0 à cm Couche de fondation en grave bitume 50 à 75 Sous-sol 19 cm Recyclé à froid sur place sous addition de ciment cm Couche de fondation en grave bitume 50 à 75 Sous-sol Illustr. 4: Structure réelle de la chaussée et structure de la chaussée rénovée. 1.4 Réfection On a représenté dans l illustration 4 la structure choisie pour la réfection de la chaussée. La raison du choix d une autre structure neuve réside principalement dans le fait que c était surtout la couche de base en grave bitume non lié de 10 cm d épaisseur se trouvant sous les couches bitumineuses qui était instable. En raison des mauvaises conditions de drainage, de l eau avait pénétré dans cette couche de base en grave bitume à travers des fissures présentes dans les couches bitumineuses. La circulation produisit un effet de pompage qui transporta l eau avec les particules fines de la couche de base en grave bitume vers la surface. De plus, il est apparu des dommages dus au gel et à l eau qui avait pénétré. On décida de recycler la couche bitumineuse existante ainsi que la couche de base en grave bitume se trouvant au-dessous, sur toute la longueur de la route. On augmenta ainsi la portance de la chaussée et réduisit son hétérogénéité. Grâce à la résistance plus élevée obtenue au moyen de cette couche, on a pu renoncer à une couche de grave bitume non lié (couche antigel, voir Illustr. 2). La structure de la chaussée et le remplissage des bas côtés ont ainsi nécessité moins de matériaux, ce qui a conduit à des économies de coûts notables. Les essais de laboratoire ont clairement montré qu on devait stabiliser la couche de grave bitume existante non pas avec de la chaux, mais avec du ciment en raison de sa plasticité de toute évidence minime. En outre, il s est avéré que le sous-sol était relativement sec et possédait une portance plus élevée qu on ne l avait tout d abord supposé. Pour la stabilisation de la couche fraisée consistant en grave bitume et bitume, sur une épaisseur de 19 cm on a mis en œuvre un recycleur Wirtgen WR 2500 et un mélangeur de suspension mobile WM 400 de Wirtgen. Sur la couche de base stabilisée au ciment, on a mis en place une couche portante bitumineuse préparée à froid de 15 cm d épaisseur. Auparavant on avait fabriqué l enrobé à froid dans un mélangeur à froid mobile Wirtgen KMA 150. Le mélange de granulats destiné à cette couche était composé de matériau de fraisage bitumineux contenant du brai et du sable de concassage de 0/2 mm. L enrobé à froid destiné à cette couche de base fut préparé avec du bitume mousse et du ciment pour la section allant du km au km 0+714, et avec une émulsion bitumineuse et du ciment pour la partie allant du km au km Pour finir, on a recouvert la couche de base d une couche de roulement de 4 cm d épaisseur composée d enrobé 0/11 S. 6// 7

8 Illustr. 5: La route après clôture des travaux de réfection. La couche de base mélangée à froid et la couche de roulement bitumineuse furent mises en place par un finisseur de bitume Vögele Super 1800 équipé d une table de compactage performante. Afin de ne pas gêner l accès à la carrière, il fallait également planifier minutieusement le déroulement chronologique des mesure de réfection. C est pourquoi on décida d effectuer le recyclage de la couche de fondation au moyen de ciment un samedi. Dans la semaine qui suivit, la route d accès est restée ouverte au trafic. Au cours du week-end suivant, on a posé la couche de base en enrobé à froid et la couche de roulement bitumineuse. 2 Rapport détaillé 2.1 Appréciation de la chaussée Propriétés de la chaussée existante Longueur: m, Largeur: 5,1 m, Surface totale: m Essai de charge sur plaque 3 au km Puits de reconnaissance 3 au km Essai de charge sur plaque 2 au km Virage à gauche 45 Virage à gauche 45 Hauteur (m) Puits de reconnaissance 2 au km Virage à droite 90 Essai de charge sur plaque 4 au km Puits de reconnaissance 1 au km Descente de 5% entre km et km km Descente de 8% entre km et km Essai de charge sur plaque 1 au km Longueur (m) Illustr. 6: Représentation graphique de la route d accès avec indication géographique des endroits testés.

9 A B C D E F G H J K L M N O Légende: Légère fissuration et nids-de-poule isolés Légèrement fissuré Fortement fissuré Couches bitumineuses complètement défoncées, nids-de-poule remplis au béton Illustr. 7: Différents types de dégradation de la route. Les détériorations constatées le long de toute la route sont illustrées ci-dessous au moyen de quelques photographies (voir Illustr. 8 à 12): Illustr. 8: Camions entièrement chargés d agrégats minéraux. 8// 9

10 Illustr. 9: Fissures typiques longitudinales et transversales. Illustr. 10: L eau stagnante et le gel entraînent d autres détériorations de la route. Illustr. 11: De graves détériorations de la couche bitumineuse sont le signe d une couche de grave bitume instable. Illustr. 12: Dégâts dus à un drainage insuffisant.

11 2.1.2 Puits de reconnaissance On fraisa trois puits de reconnaissance aux km 0+080, km et km La couche bitumineuse existante de 9 cm d épaisseur et composée d une couche de roulement bitumineuse de 3 à 4 cm d épaisseur et d une couche de base également bitumineuse de 5 à 6 cm ainsi que 10 cm d une couche de base de grave bitume 0-32 a fait l objet d un fraisage à l aide d une fraiseuse à froid Wirtgen 500 DC. Ainsi, pour les essais de laboratoire il a été obtenu un matériau présentant une courbe granulométrique semblable à celle que présenterait plus tard le granulat produit par le recycleur Wirtgen WR 2500 durant l opération de recyclage. Illustr. 13: Une fraiseuse à froid Wirtgen 500 DC fraise le matériau destiné aux essais de laboratoire. Illustr. 14: Puits de reconnaissance fraisé et déblayé au km // 11

12 La couche de base en grave bitume présentait une très haute teneur en eau. La couche se trouvant au-dessous et qui fut déblayée à la main se composait de grave bitume de 50 à 75 mm. L épaisseur de la couche variait entre 17 cm (puits de reconnaissance 1 et 2) et 50 cm (puits de reconnaissance 3). Dans les trois puits de reconnaissance, on a constaté la présence d un sol limoneux dans un état sec. 9 cm Couche de roulement bitumineuse 10 cm Couche de base en grave bitume cm Couche de fondation en grave bitume Sol Illustr. 15: Structure existante de la chaussée Essais dynamiques de pénétration au cône (essais DCP) Dans les puits de reconnaissance, on a déterminé à l aide du pénétromètre dynamique à cône (DCP = Dynamic Cone Penetrometer) la portance structurelle du sous-sol jusqu à une profondeur atteignant 116 cm. À l aide du logiciel DCP on a calculé pour tous les trois puits de reconnaissance que l indice de portance californien minimal (California Bearing Ratio) était de 25% et que le coefficient d élasticité E V1 minimal était de 100 MN/m 2 (MPa). Ces résultats ont permis de conclure que le sous-sol présentait un état assez homogène sur toute la longueur de la route d accès. Illustr. 16: Exécution d un essai dynamique de pénétration au cône (essai DCP). Le pénétromètre à cône (voir Illustr. 17) mesure la profondeur de pénétration par frappe dans les couches de la fondation. Cette profondeur de pénétration dépend de la résistance à la poussée in situ du matériau en question. La courbe obtenue fournit des éclaircissements sur les propriétés in situ des couches de la fondation jusqu à la profondeur respective atteinte. Des études ont montré que les mesures effectuées au DCP sont en excellente corrélation avec l indice CBR connu pour les granulats.

13 Pénétromètre dynamique à cône (DCP = Dynamic Cone Penetrometer) Poignée Butée supérieure Marteau (8 kg) Dimensions du cône env mm 575 mm 3 mm 20 mm Butée Douille de fixation supérieure Point de référence de la graduation Point zéro Angle du cône 60 Barre en acier, Ø 16 mm Baguette de mesure Douille de fixation inférieure pour baguette de mesure (pas à l échelle) Illustr. 17: Pénétromètre dynamique à cône (DCP) Essais statiques de charge sur plaque Afin de vérifier en plus, sur la couche de base en grave bitume, la portance de la structure existante de la chaussée on exécuta quatre essais statiques de charge sur plaque aux km 0+040, km 0+222, km et km (voir Illustr. 20 et 21). À cet effet, il a fallu enlever les couches bitumineuses au moyen d une carotteuse (voir Illustr. 18 et 19). Illustr. 18: Avec un carottage d un diamètre de 30 cm, on a enlevé les couches bitumineuses pour déterminer la portance à la surface de la couche de base en grave bitume au moyen de l essai de charge sur plaque. 12 // 13

14 Illustr. 19: On enlève le corps bitumineux de la carotteuse. Illustr. 20: Essai de charge sur plaque dans l alésage au km Illustr. 21: Équipement servant à l essai statique de charge sur plaque avec chevalet porteur et bras palpeur.

15 Résultat: Aux quatre endroits testés, les valeurs E V2 mesurées étaient supérieures à 100 MN/m Essais de laboratoire Le but des essais de laboratoire est d obtenir des informations détaillées sur les matériaux disponibles et d élaborer des formules de mélange. De cette façon, on peut projeter de manière judicieuse la structure optimale et les mélanges des différentes couches que doit avoir une route rénovée, de sorte que la route en cours d élaboration satisfera à toutes les exigences Essai de qualification pour la couche de fondation (Recyclage sur place avec du ciment) Comme on l a déjà décrit, le granulat destiné aux essais de laboratoire fut fraisé dans les puits de reconnaissance. Les résultats des essais obtenus avec ce matériau peuvent se résumer comme suit: Illustr. 22: Matériau extrait par fraisage des puits de reconnaissance (enrobé et grave bitume). Analyse granulométrique/répartition granulométrique Lors de cette analyse, on a examiné les matériaux en provenance des trois puits de reconnaissance. La courbe granulométrique permit de constater un bon échelonnement du matériau avec une répartition satisfaisante des grains fins et grains grossiers (voir Illustr. 23). 14 // 15

16 Passés (pourcentage pondéral) ,09 0,25 0,71 2,0 5,0 8,0 11,2 16,0 22,4 Diamètre des grains (mm) Illustr. 23: Exemple de courbe granulométrique du matériau fraisé sur place. Indice de plasticité (PI) Les résultats de l essai Atterberg montrèrent que le matériau de la couche de fondation n était pas souple. Rapport humidité/densité Pour la détermination de la densité à sec maximale (DSM) et de la teneur en eau optimale (TEO) on exécuta l essai Proctor standard (DIN 18127/Désignation AASHTO T 99) (voir Illustr. 24). Résultat: DSM moyenne = 2210 kg/m 2 ; TEO moyenne = 6,4% 2,22 Densité à sec (g/cm 3 ) 2,20 2,18 2,16 2,14 2, Teneur en eau (pourcentage pondéral) Illustr. 24: Détermination de la teneur en eau optimale. Détermination de la teneur optimale en chaux/ciment Afin de décider s il fallait utiliser de la chaux ou du ciment, et de déterminer la teneur optimale en chaux/ciment, on exécuta un essai de compression simple (essai UCS) (voir Illustr. 25).

17 5 Ciment Chaux Ciment Contrainte de compression simple (N/mm 2 ) % 3% 4% Teneur en liant (%) 72 heures Ciment 7 jours Ciment 72 heures Chaux 7 jours Chaux Illustr. 25: Détermination de la teneur optimale en ciment de la couche à recycler au moyen du matériau fraisé. Il ressort du diagramme que la résistance à la compression lors d une addition de 3% de chaux est plus faible que lors de l addition de ciment. C est pourquoi on se décida en faveur d une utilisation du ciment. Lors du choix de la teneur optimale en ciment, on a tenu compte des aspects suivants: une augmentation de la proportion de ciment de 2 à 4% n entraîne aucune augmentation significative de la résistance à 7 jours. C est pour cette raison ainsi que pour des considérations économiques qu on a fixé la proportion de ciment à 2%, ce qui a entraîné une résistance à la compression à 7 jours de 3,62 N/mm Essai de qualification pour la couche de base (Recyclage à froid en usine) Comme on l a déjà mentionné, on décida de diviser la route en deux sections dont la couche de base devait être préparée respectivement avec du bitume mousse et du ciment, ou avec une émulsion bitumineuse et du ciment. La couche de base liée à l aide de bitume mousse se trouva entre les km et km 0+714, la couche de base liée à l aide d une émulsion bitumineuse entre les km et km Recyclage avec du bitume mousse Pour les essais de laboratoire, on préleva des échantillons pour le granulat bitumineux et le sable de concassage directement des tas se trouvant dans la carrière. Sur ces matériaux, on exécuta ensuite les essais suivants: Analyse granulométrique/répartition granulométrique Les courbes granulométriques du granulat bitumineux et du sable de concassage sont représentées dans l illustration 26. Pour montrer où se situent les mélanges respectifs, on a représenté également dans les illustrations 26 et 27, à côté des deux courbes granulométriques, les plages granulométriques du CSIR (Council for Scientific and Industial Research, Afrique du Sud) et des ZTVT (Prescriptions et Directives Techniques Supplémentaires pour les Travaux Publics). 16 // 17

18 Passés (pourcentage pondéral) Granulatbitumineux 0,09 0,25 0,71 2,0 5,0 8,0 11,2 16,0 22,4 Diamètre des grains (mm) Courbes granulo- Sable de métriques du CSIR Courbes granulométriques concassage (Afrique du Sud) des ZTVT (Allemagne) Illustr. 26: Courbes granulométriques séparées pour le granulat bitumineux et le sable de concassage. L illustration 26 montre que les deux matériaux, pris séparément, ne remplissent pas les exigences posées. Des calculs ont démontré que le mélange optimal devait se composer de 80% de granulat bitumineux et de 20% de sable de concassage (cf. Illustr. 27). 100 Passés (pourcentage pondéral) Mélange 80:20 Diamètre des grains (mm) Courbes granulométriques du CSIR (Afrique du Sud) Courbes granulométriques des ZTVT (Allemagne) Illustr. 27: Courbe granulométrique du mélange 80:20 de granulat bitumineux et de sable de concassage. Rapport humidité/densité Pour la détermination de la densité à sec maximale (DSM) et de la teneur en eau optimale (TEO) on soumit le mélange sélectionné à l essai Proctor standard (DIN 18127/Désignation AASHTO T 99). Résultat: DSM moyenne = 2088 kg/m 2 ; TEO moyenne = 5,7%.

19 2,10 Densité à sec (g/cm 3 ) 2,08 2,06 2,04 2, Teneur en eau (pourcentage pondéral) Illustr. 28: Rapport humidité/densité pour la détermination de la DSM et de la TEO. Détermination de la teneur optimale en bitume mousse Bitume mousse Pour fabriquer du bitume mousse, on ajoute à du bitume très chaud (B65 à B300) des faibles quantités d eau, ce qui conduit à une augmentation considérable de son volume et à une réduction notable de la viscosité du bitume. Dans cet état, le bitume se prête remarquablement bien à un mélange avec des matériaux froids et humides. Le bitume mousse convient comme liant pour une multitude de granulats minéraux différents allant jusqu au grave bitume et au gravier de plasticité relativement élevée. Dans le cas des granulats à gros grains, il faut veiller à ce que le pourcentage pondéral des grains fins soit 5%. Comme dans le cas du traitement à l aide d une émulsion bitumineuse, on ajoute la plupart du temps au matériau mélangé à du bitume mousse une faible quantité de chaux ou de ciment. Ceci n augmente pas seulement la résistance du mélange à l eau, mais favorise également la répartition du bitume en augmentant la proportion de filler formé de particules 0,075 mm. Clapet de régulation Clapet de circulation de la mousse bitume Raccordement pour l eau Réservoir d eau avec pression d air Cuve à bitume chauffée Clapets de pilotage de la mousse Réservoir à air comprimé Prise d air Débitmètre avec étrangleur pour l eau Clapet de rinçage Pompe à bitume Injecteur pneumatique pour la mousse Régulateur de pression avec manomètre Gicleur de mousse Illustr. 29: Vue éclatée du système de bitume mousse dans des conditions contrôlées dans la chambre à expansion du mélangeur de laboratoire WLB // 19

20 Illustr. 30: Pour déterminer ses propriétés, on injecte le bitume mousse dans un récipient d essai standard. Illustr. 31: L installation à bitume mousse de laboratoire WLB 10 de Wirtgen. Propriétés du bitume mousse Le bitume mousse est caractérisé par son expansion et sa demi-vie. Le facteur d expansion désigne le rapport du volume maximal atteint à l état moussé au volume du bitume non moussé. La demi-vie correspond à la durée en secondes après laquelle la mousse est retombée à la moitié de son volume maximal. Les facteurs principaux influant sur les propriétés de la mousse d un bitume donné sont la température du bitume, la quantité d eau qu on lui ajoute, et la pression à laquelle on injecte le bitume dans la chambre d expansion. Dans ce projet, on utilisa du bitume (pénétration B80) que l on fit mousser avec l installation à bitume mousse de laboratoire WLB 10 de Wirtgen (voir Illustr. 31) à 170 C. Comme on le voit dans l illustration 32, la teneur en eau optimale est alors d environ 2,5%..

21 Facteur d expansion Demi-vie (s) ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 Teneur en eau (Pourcentage pondéral) Facteur d expansion Demi-vie Illustr. 32: Demi-vie et facteur d expansion par rapport à la teneur en eau. Addition de bitume mousse au granulat de minéraux Afin d optimiser la teneur en bitume, on ajouta différentes quantités de bitume au mélange de granulat bitumineux et de sable de concassage (proportion 80:20), dans l installation à bitume mousse de laboratoire WLB 10, sous une teneur en humidité optimale. Comme on l a décrit ci-dessus, on ajouta à l enrobé 1,5% de ciment avant d effectuer l injection du bitume mousse, ceci afin d augmenter sa résistance à la compression diamétrale après immersion dans l eau. À partir de cet enrobé à froid, on fabriqua ensuite des éprouvettes suivant deux procédés différents. Dans le procédé 1, on effectua un compactage selon la procédure d essai proposée par le CSIR Transportek d Afrique du Sud pour le recyclage à froid à l aide de bitume mousse «Foamed Asphalt Mixes Mix design procedure» (Mélanges à bitume mousse Procédure de mise au point de mélanges), laquelle est basée sur l essai Marshall avec 75 frappes par côté. Dans le procédé 2, le compactage s est fait selon la «Fiche technique pour recyclage à froid in situ des couches supérieures de chaussées» de la commission FGSV s appliquant au recyclage à froid à l aide d une émulsion bitumineuse. Illustr. 33: App. de compactage Marshall destiné à la fabrication d éprouvettes selon le procédé 1. Illustr. 34: Presse destinée à la fabrication d éprouvettes selon le procédé // 21

22 Détermination de la teneur optimale en bitume mousse selon le procédé 1 On sécha les éprouvettes dans un four pendant 72 heures à une température constante de 40 C. Ensuite la moitié des éprouvettes de teneur donnée en bitume fut immergé dans l eau, pendant 60 minutes, dans un dessiccateur à vide sous une dépression de 50 mm Hg et une température de 25 C. Après séchage des éprouvettes, on examina la charge de clivage de cet ensemble d éprouvettes ainsi que de l autre moitié des éprouvettes. Cette charge de clivage permet de calculer la résistance à la compression diamétrale. Le facteur de résistance à l eau résulte du rapport des résistances à la compression diamétrale des éprouvettes imprégnées d eau et des éprouvettes sèches. Conformément à la procédure d essai du CSIR, le facteur de résistance à l eau devrait être supérieur à 50%, alors que la résistance à la compression diamétrale des éprouvettes sèches et des éprouvettes imprégnées d eau devrait être respectivement supérieure à 200 kpa et 100 kpa. Les résultats de ces essais peuvent se représenter comme suit: Résistance à la compression diamétrale (kpa) ,5% 2,0% 2,5% 3,0% 3,5% 4,0% Facteur de résistance à l eau (%) 100,0% 95,0% 90,0% 85,0% 80,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0% 3,5% 4,0% Teneur en bitume (%) Teneur en bitume (%) Sec Humide Illustr. 35: Résistance à la compression diamétrale par rapport à la teneur en bitume (72 h). Illustr. 36: Facteur de résistance à l eau par rapport à la teneur en bitume (72 h). La teneur en bitume optimale était de 2,5% de la masse. Les résultats relatifs au facteur de résistance à l eau furent dans tous les cas supérieurs à 80%. Illustr. 37: Presse Marshall standard avec dispositif de clivage pour la détermination de la résistance à la compression diamétrale. Illustr. 38: Éprouvettes après l essai de résistance à la compression diamétrale.

23 Détermination de la teneur optimale en bitume mousse selon le procédé 2 Le matériau provenant du procédé 1 et traité avec du bitume mousse fit l objet d un compactage et testé conformément à la «Fiche technique pour recyclage à froid in situ des couches supérieures de chaussées» de la commission FGSV. À cet effet, on a fabriqué les éprouvettes sous des charges de pression fluctuante appliquée par intervalles. Illustr. 39: Clivage de l éprouvette fabriquée conformément à la «Fiche technique pour recyclage à froid in situ» en vue de la détermination de la résistance à la compression diamétrale. 72 heures 7 jours Résistance à la compression diamétrale (kpa) ,5% 2,0% 2,5% 3,0% 3,5% 4,0% Teneur en bitume (%) Illustr. 40: Résistance à la compression diamétrale par rapport à la teneur en bitume (sec). Les différences apparaissant entre les résultats obtenus avec les deux procédés sont à attribuer aux différentes méthodes de fabrication et d essai des éprouvettes. Pour déterminer la teneur optimale en bitume mousse, on utilisa les résultats obtenus avec le procédé du CSIR Recyclage avec une émulsion bitumineuse Pour pouvoir comparer entre eux les enrobés à froid préparés avec du bitume mousse et avec une émulsion bitumineuse, on décida d utiliser dans les deux cas la même proportion de 80% de granulat bitumineux et de 20% de sable de concassage. Teneur optimale en émulsion bitumineuse (Procédé 1) Cette série d essais de laboratoire fut exécutée conformément aux GEMS «The design and use of granular emulsion mixes» (SABITA, Manuel n 14). En plus, on ajouta au mélange de matériaux 1,5% de ciment. 22 // 23

24 Résistance à la compression diamétrale (kpa) ,0% 3,0% 4,0% 5,0% 6,0% Teneur en bitume (%) Sec Humide Facteur de résistance à l eau (%) 76% 74% 70% 68% 2,0% 3,0% 4,0% 5,0% 6,0% Teneur en bitume (%) Illustr. 41: Résistance à la compression diamétrale vs. la teneur en émulsion bitumineuse (72 h). Illustr. 42: Facteur de résistance à l eau vs. à la teneur en émulsion bitumineuse (72 h). Le facteur de résistance à l eau fut dans tous les cas supérieur à 60%. Teneur optimale en émulsion bitumineuse (Procédé 2) Le matériau provenant du procédé 1 et traité avec une émulsion bitumineuse fit l objet d un compactage et fut testé conformément à la «Fiche technique pour recyclage à froid in situ des couches supérieures de chaussées». 7 jours 72 heures Résistance à la compression diamétrale (kpa) ,0% 3,0% 4,0% 5,0% 6,0% Teneur en bitume (%) Illustr. 43: Résistance à la compression diamétrale vs. la teneur en émulsion bitumineuse (sec). Afin de garantir l uniformité entre les matériaux traités avec du bitume mousse ou une émulsion bitumineuse, on choisit une teneur en bitume de 2,5% (corresp. à 4% d émulsion bitumineuse). Cette valeur correspondit aux résultats obtenus à partir du procédé Essai de qualification de la couche de roulement bitumineuse Étant donné qu il s agissait d un mélange bitumineux standard avec échelonnement granulométrique continu conformément aux Prescriptions Techniques Supplémentaires Bitume (0/11 S Béton bitumineux) provenant du mélangeur local, on n a pas établi d essai de qualification à cet effet. Lorsque la teneur en bitume est de 5,6 à 6,2%, la couche de roulement bitumineuse possède une stabilité Marshall de 10 à 12 kn. 2.3 Procédés de réfection Sur la base des résultats obtenus lors des examens préliminaires et des essais de qualification, on dimensionna, à l aide d un progiciel permettant de déterminer les propriétés mécaniques des enrobés, les épaisseurs des différentes couches pour qu elles présentent la durée de vie souhaitée et supportent les contraintes auxquelles il fallait s attendre. La structure de chaussée (A) qui en résulta est représentée dans l illustration 44.

25 (A) Résultat du dimensionnement (B) Directives RStO 86/89 4 cm Couche de roulement bitumineuse 15 cm Granulat bitumineux recyclé à froid en usine 19 cm Recyclé sur place sous addition de ciment 17 cm Couche de fondation en grave bitume 50 à 75 Sous-sol 4 cm Couche de roulement bitumineuse 8 cm Couche de base bitumineuse 15 cm Couche de base traitée avec du ciment 28 cm Couche de base en grave bitume Sous-sol Illustr. 44: Résultat du dimensionnement (A) et structure de la chaussée conformément aux directives correspondantes RStO 86/89 (B). L illustration 44 (B) montre la structure d une chaussée conforme aux directives RStO 86/89 pour une chaussée de classe IV. La différence entre les structure (A) et (B) réside dans le fait que (A) est fabriquée à partir de matériaux de recyclage, tandis qu on utilise pour (B) des matériaux neufs. Les deux variantes possèdent une portance structurellement comparable et correspondant à charges d essieu standards de 11 t. 2.4 Rapport de chantier Recyclage sur place de la couche de fondation avec du ciment À l aide du recycleur Wirtgen WR 2500 et du mélangeur de suspension mobile Wirtgen WM 400, on fraisa la couche de roulement bitumineuse de 9 cm existante ainsi que la couche de base de grave bitume 0 32 de 10 cm d épaisseur, et recycla simultanément le tout avec du ciment. La suspension, un mélange composé de ciment (1,5%) et d eau (3%), fut versée dans la rampe d injection du recycleur pour permettre un dosage précis de la quantité ajoutée et d obtenir ainsi un mélange optimal en fonction de la vitesse de travail du recycleur. Le compactage se fit au moyen d un rouleau simple à hauteur variable et bandages lisses de 9,7 t et d un rouleau tandem de 7 t. La surface m 2 fut recyclée en l espace d une journée. Illustr. 45: Fraisage, malaxage et addition de liant (suspension) dans le procédé sur place à l aide du recycleur Wirtgen WR 2500 et du mélangeur de suspension mobile WM 400 Wirtgen. 24 // 25

26 Comme on l a mentionné au début, le programme de mise en œuvre de cette couche recyclée prévoyait un temps de prise de 40 heures avant de l ouvrir à la circulation pendant trois jours. Durant cette période, on a maintenu la surface humide avec de l eau. Le résultat fut extrêmement positif: seulement quelques rares pierres s étaient détachées de la surface. Il n y eut aucun signe de déformations ou fissurations pour cause de charge prématurée. Avant la mise en place de la couche de base d enrobé à froid, on nettoya la surface avec une balayeuse. Illustr. 46: Couche de fondation terminée avant la mise en place de la couche de base d enrobé à froid Recyclage à froid en usine de la couche de base avec du bitume mousse Le granulat bitumineux et le sable de concassage 0/2 qui étaient tous les deux stockés dans la carrière furent versés dans les godets de prélèvement du mélangeur à froid Wirtgen KMA 150. On fabriqua ensuite le mélange de granulat bitumineux et le sable de concassage dans la proportion de 80:20 en ajoutant 2,5% de bitume mousse (B80), 1,5% de ciment et 2 à 3% d eau. Illustr. 47: Mélangeur à froid KMA 150 lors de la fabrication de l enrobé destiné à la couche de base supérieure. À l aide de quatre camions à benne basculante, on transporta le matériau vers un finisseur à enrobé Vögele Super 1800 à table de compactage performante, tampers, vibreurs et lames de compression. Le compactage préliminaire effectué par le fi-

27 nisseur à enrobé facilita considérablement le travail des rouleaux qui suivirent. Pour le compactage final, on utilisa un rouleau simple à hauteur variable et bandages lisses de 9,7 t et un rouleau tandem de 7 t. On mélangea ainsi t d enrobé destiné à la couche de base mise en place sur la section de route de 5,1 m de large et 714 m de long. Illustr. 48: Mise en place de la couche de base à bitume mousse faite d un enrobé à froid à l aide d une table de compactage performante Recyclage à froid en usine de la couche de base avec une émulsion bitumineuse Le jour suivant, on a préparé dans un mélangeur à froid Wirtgen KMA 150 un mélange similaire (dans la proportion de 80:20) avec 4% d une émulsion bitumineuse (U70K), 2% de ciment et 1% d eau. On transporta 500 tonnes d enrobé à froid à l aide de camions à benne basculante vers le finisseur à enrobé Vögele Super 1800 qui les mit en place sur une largeur de 5,1 m. Pour le compactage final, on utilisa les mêmes rouleaux que le jour précédent. Illustr. 49: Couche de base à émulsion bitumineuse compactée Couche de roulement bitumineuse Le jour suivant, on pulvérisa une émulsion d accrochage sur la couche de base en enrobé à froid qui venait d être possée. Comme pour la couche de base, on mit en place la couche de roulement bitumineuse 0/11S à l aide du finisseur Vögele Su- 26 // 27

28 per Le compactage se fit avec deux rouleaux tandem de 7 t. La surface totale de m 2, soit 600 tonnes, fut mise en place et compactée en l espace de 6 heures. Illustr. 50: Pulvérisation de l émulsion d accrochage avant la mise en place de la couche de roulement bitumineuse. Illustr. 51: Mise en place de la couche de roulement bitumineuse à l aide du finisseur Vögele Super Illustr. 52: Structure complète de la chaussée avec couche de fondation contenant du ciment, couche de base bitumineuse et couche de roulement bitumineuse, toutes les trois de différente épaisseur. 2.5 Tests de contrôle durant la phase des travaux Couche de fondation recyclée en place avec du ciment Le compactage effectué in situ fournit une densité Proctor normale variant entre 98 et 101% (DIN 18127/Désignation ASSHTO T 99) Couche de base recyclée à froid en usine avec du bitume mousse Résistance à la compression diamétrale des éprouvettes fabriquées suivant le procédé de compactage Marshall On transporta des échantillons provenant du chantier jusqu au laboratoire dans des récipients hermétiques à l air, et on les y prépara comme pour l essai de qualification. Afin de déterminer la résistance à la compression diamétrale, on fabriqua des éprouvettes Marshall. En outre, on exécuta des analyses granulométriques et par extraction du bitume.

29 Le compactage effectué in situ fournit une densité Proctor normale variant entre 98,6% et 103,4% (DIN 18127/Désignation ASSHTO T 99) Couche de base recyclée à froid en usine avec une émulsion bitumineuse Résistance à la compression diamétrale des éprouvettes fabriquées suivant le procédé de compactage Marshall On transporta des échantillons provenant du chantier jusqu au laboratoire dans des récipients hermétiques à l air, et on les y prépara comme pour l essai de qualification. Les essais effectués avec les éprouvettes ainsi fabriquées montrèrent que la résistance à la traction de la formule de mélange était supérieure à ce qu on en attendait. Le compactage effectué in situ fournit une densité Proctor normale variant entre 98,6% et 103,4% (DIN 18127/Désignation ASSHTO T 99). On exécuta en outre des analyses granulométriques et par extraction du bitume. Illustr. 53: Essai de compacité de la couche de base Couche de roulement bitumineuse Les examens effectués dans le laboratoire du fournisseur sur des échantillons en provenance du chantier fournirent les résultats suivants: Teneur en bitume totale 5,68% de la masse Densité à 25 C 2,622 g/m 3 Densité en vrac à 25 C 2,717 g/m 3 Teneur en vides à 25 C 3,5% du volume Stabilité Marshall 14,3 kn Indice de fluage Marshall 4,1 mm D après ces résultats, les valeurs caractéristiques de la couche de roulement bitumineuse se trouvent dans les limites fixées par la spécification. La couche de roulement présente par conséquent une qualité de mélange satisfaisante. Visuellement, la couche de roulement bitumineuse compactée présentait une bonne granularité et un compactage correct. 28 // 29

30 2.6 Surveillance de la structure de la chaussée Au bout de trois mois, on préleva des carottes de la chaussée (voir Illustr. 54 à 57) et contrôla leur résistance à la compression diamétrale et leur résistance à la compression simple (UCS). Les résultats de ces contrôles sont représentés dans les Illustr. 58 et 59. Bitume Bitume Recyclé à froid avec du bitume mousse Recyclé à froid avec une émulsion bitumineuse Recyclé à froid avec du ciment Recyclé à froid avec du ciment Illustr. 54: Carotte Bitume mousse. Illustr. 55: Carotte Émulsion bitumineuse. Illustr. 56: Coupe transversale d une carotte Bitume mousse. Illustr. 57: Coupe transversale d une carotte Émulsion bitumineuse. Afin d évaluer le comportement à long terme du revêtement de la chaussée, on continuera à contrôler la route d accès à la carrière.

31 Résistance à la compression diamétrale (kpa) Carottes Bitume mousse 25 C Émulsion bitumineuse 25 C Bitume mousse 5 C Émulsion bitumineuse 5 C Illustr. 58: Résultats des essais de résistance à la compression diamétrale des carottes avec bitume mousse et émulsion bitumineuse (valeurs moyennes). Résistance à la compression simple (N/mm 2 ) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 4 3,11 0 Carottes Bitume mousse Émulsion bitumineuse Illustr. 59: Résultats des essais de compression simple effectués sur des carottes avec bitume mousse et émulsion bitumineuse. 3 Glossaire CBR = California Bearing Ratio (Indice de portance californien) CSIR DCP E V1 E V2 ITS DSM TEO RStO UCS = Council for Scientific and Industrial Research (Conseil de la Recherche Industrielle et Scientifique), Afrique du Sud = Dynamic Cone Penetrometer (Pénétromètre dynamique à cône) = Module d élasticité résultant de l essai dynamique de pénétration au cône = Module d élasticité résultant de l essai statique de charge sur plaque = Indirect Tensile Strength (Résistance à la compression diamétrale) = Densité à sec maximale (Maximum Dry Density) = Teneur en eau optimale (Optimum Moisture Content) = Directives pour les couches supérieures des corps de chaussées = Unconfined Compressive Strength (Résistance à la compression simple) 30 // 31

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33 4 Annexe Publication dans «Straße + Autobahn 55 (2004), n 5» (5 ans après l exécution du projet) 32 // 33

34 Essai de méthodes de construction selon le recyclage à froid et les résultats du projet de Nauberg Ernst Neußner, Bernd Grätz et Steffen Riedl Le procédé de recyclage à froid (mode de construction RCF) jouit d une popularité croissante à l échelle internationale et voit sa signification augmenter sur le plan technique et économique. En mai 1999, la voie d accès à la carrière de «Nauberg» dans la Westerwald (région à l est de Coblence) a également été réhabilitée avec succès selon la méthode de construction du recyclage à froid. Au cours des cinq années écoulées, des mesures de contrôle annuelles ont été réalisées sur cette route qui subit de fortes sollicitations. Nous rendons compte ci-après des bons résultats ainsi que de l exécution du projet. 1. Rétrospective et contexte du projet Les méthodes de construction selon le recyclage à froid avec des mélanges de bitume-ciment sont appliquées dans le monde entier depuis une vingtaine d années et, en Allemagne, depuis une dizaine d années, la priorité ayant porté, à ce propos, sur les länder de Saxe, Saxe- Anhalt et Thuringe [1 à 21]. Malgré tout, en de nombreux endroits, on se doit de constater des réserves à l égard de ces modes de construction, réserves émanant aussi bien des maîtres d œuvre que de l industrie du bâtiment. Les raisons essentielles en sont surtout: - l absence d expériences faites par les maîtres d œuvre et les firmes de construction. - Les réserves concernant le niveau des résultats en comparaison avec les couches de base en bitume et les couches de base liées hydrauliquement. - Les investissements nécessaires en machines de chantier (par ex. recycleurs à froid, mélangeurs à froid) qui posent des exigences de résultats élevés en ce qui concerne le niveau de qualité à obtenir ainsi que l évitement et la minimisation des risques, car les appareils conventionnels de réalisation de mortier sont moins bien appropriés pour cela. - Les inconvénients face à la con-currence, car les méthodes de construction selon le recyclage à froid ne peuvent, en règle générale, être soumises que par le biais d offres annexes lors des procédés de concurrence. - L évaluation des mélanges de bitume-ciment sous l angle de la technique d essai. - L absence de règlements techniques. Tout d abord, le Ministère d Etat saxon de l Economie et du Travail, division Constructions routières, a adopté la «Directive Recyclage complexe dans les constructions routières», directive selon laquelle un grand nombre de mesures de ce genre a été réalisé dans les nouveaux länder. Entre-temps, la Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehrswesen (FGSV/Société de recherche pour les routes et la circulation) a élaboré la «Fiche technique pour le recyclage à froid in situ pour la superstructure de la route» (FT RCF) et l a publiée en tant qu édition Elle prend en considération aussi bien les expériences faites en Allemagne que celles faites à l étranger. En un premier temps, les deux règlements précités se circonscrivent, en ce qui concerne les liants bitumeux, à la seule application d émissions bitumeuses. En ce qui concerne l application de bitumes mousses, un complément à apporter à la M KRC est en cours de préparation sous forme de document de travail. A titre transitoire, il est possible de recourir aux publications spécifiques aux firmes. Ces dernières années, les méthodes de construction selon le recyclage à froid ont pris une signification particulière en combinaison avec la réutilisation de substances usagées contenant de la poix (méthodes de construction avec bitume à la poix ou avec une pure poix routière), en particulier pour les raisons suivantes: - aucun danger pour les eaux en raison d une intégration à l épreuve du phénomène d érosion des matériaux de construction routière contenant de la poix - évitement des vapeurs attaquant les voies respiratoires et/ou carcinogènes ainsi qu évitement des fumées. Le champ d utilisation des méthodes de construction selon le recyclage à froid s est cependant considérablement élargi. Outre les questions techniques et économiques, les principaux avantages lors de l application de ces méthodes de construction réside dans le ménagement des ressources et la minimisation des incidences négatives sur l environnement et la circulation, à savoir: - le commandement d évitement des déchets et de réutilisation dans le sens de la loi relative au recyclage et au déchets (KrW-/AbfG Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz). - La quantité principale d agrégats minéraux se trouve d ores et déjà dans la chaussée qui doit être refaite: par conséquent, évitement de transports de matériaux et, de ce fait aussi, de la consommation de carburant, de pollutions atmosphériques, de sollicitations dues au bruit et à la poussière ainsi que d un volume de circulation et de sollicitation des routes. - En raison de la préparation à froid, économie d énergie, en particulier pour les émulsions bitumeuses. - Raccourcissement des durées de construction. L intérêt porté aux méthodes de construction selon le recyclage à froid

35 ne sera cependant durable et n augmentera qu à la condition que l on puisse garantir une qualité et une rentabilité de haut niveau. Les expériences faites et les résultats obtenus lors de travaux de réfection de stabilisations de route ont donc une signification d autant plus grande. A cette fin, en supplément aux cas d application généraux, on crée des tronçons d essai et de mise à l épreuve afin d obtenir le plus grand nombre possible de critères d évaluation exhaustifs. Les résultats obtenus avec de telles mesures ont surtout une grande signification lorsque les hautes performances des méthodes de construction et des stabilisations de chaussée respectives ont été éprouvées dans des conditions locales défavorables et extrêmes. Le présent article se consacre à la fabrication et au comportement à l emploi d une voie d accès à une carrière qui a été construite en tant que tronçon d essai. [22, 23]. 2. Choix et état initial du tronçon d essai En ce qui concerne les objectifs précités, une route à refaire servant de voie d accès à une carrière et de sortie d une usine de mélange de béton manufacturé a semblé particulièrement appropriée. Cette voie d accès doit assumer aussi bien des transports de matériaux de construction en provenance de la carrière et de l usine à béton que des transports dans l enceinte de l entreprise, par exemple pour la livraison de ciment et de sable naturel à l usine de mélange de béton et de produits de récupération ainsi que masses de déblais destinées à remplir la carrière. De ce fait, on obtient la très forte sollicitation routière souhaitée. L état de la route présentait de nombreux dommages, si bien que d importantes travaux de réfection se sont avérés incontournables (photos 1 et 2). Le tronçon mesure environ 1000 m de long sur 5,1 m de large. Un endroit particulièrement critique, en direction de la sortie, est une section d environ 100 m de long avec une inclinaison longitudinale de jusqu à 6 % en combinaison avec un virage serré. Des recherches préalables, des essais de qualification, des analyses concomitantes à la construction et consécutives à celle-ci ont été confiées au bureau d études Nies, de Cologne, et sont évoqués aux rubriques 3 et Bilan et proposition de réfection Afin d élaborer une proposition de réfection, il a été procédé aux recherches préalables suivantes: - à l aide de prospections expérimentales, on a établi la structure de la stabilisation de chaussée existante et les propriétés respectives du sous-sol et de la fondation. - La portance du sous-sol a été constatée aussi bien avec l appareil conique qu avec un essai statique de charge à plaque. A cette occasion, on a obtenu les valeurs suivantes: valeur CBR 25 %, E V2 100 MN/m Essai de qualification (EQ) Figure 1: Fissurations transversales et longitudinales typiques de la route. Figure 2: Eau stagnante et gel ont contribué à aggraver la dégradation de la route. L essai de qualification s est déroulé par analogie à [24 à 30]. Des éprouvettes selon Marshall ont été testées quant à la résistance à la compression diamétrale sans et avec stockage dans de l eau. Les éprouvettes d un diamètre de 145 mm ont subi l essai de résistance à la compression unidimensionnelle et de résistance à la compression diamétrale sans stockage dans de l eau (SE) à l âge d essai mentionné. Une différence a été faite, lors de l EQ, entre un bitume mousse de la classe de normes B 80 et l adjonction d émission bitumeuse U 70 k. 3.2 Formules Exécution de la construction Couche de base consolidée au ciment: fraisat 0/22 mm, répartition à granulation moyenne, consistant en matériau pour la couche de base en macadam + bitume fraisé, adjonction de ciment 2,0 M.-%, teneur en eau w Pr = 6,4 M.-% Couche porteuse de RCF avec bitume mousse: granulat de bitume contenant de la poix 0/22 mm + 20 M.-% Sable concassé de basalte (BS) 0/1 mm + 2,0 M.-% Ciment + 2,5 34 // 35

36 M.-% de bitume mousse, teneur en eau de compactage optimale w Pr = 5,7 M.-%, couche de base de RCF avec émulsion bitumeuse: la formule correspond à l identification caractéristique ci-dessus. Il a été utilisé une émulsion bitumeuse se rompant lentement VIALIT U 70 k KRC, prétempérée à env C. Lors du dosage de l émulsion bitumeuse, sa teneur en eau a été prise en compte. Pour la restauration d un état de chaussée impeccable, il a fallu trouver une solution durable et économique en combinaison avec la durée de construction la plus courte possible. Il a été possible de satisfaire à ces exigences avec les méthodes de construction RCF qui, de ce fait, devaient être soumises à un test de résultats non seulement en ce qui concernait les charges du trafic, mais aussi les diverses conditions initiales défavorables. Les étapes de travail suivantes ont suivi la réfection (photo 3): - afin d instaurer une base aussi régulière que possible pour la couche de RCF avec des mélanges de bitumeciment, il a été prévu de consolider la stabilisation existante sur un total de 19 cm par fraisage et mélange de ciment. - Au-dessus de la couche consolidée hydrauliquement, une couche de RCF de 15 cm d épaisseur avec des mélanges de bitume-ciment a été aménagée. La majeure partie de la masse minérale de la couche de RCF consistait en granulats de bitume contenant de la poix que l on avait obtenus lors d une opération de renouvellement sur l autoroute A Sur la couche de RCF a été prévue, après l application par projection d une émulsion d accrochage, une couche de roulement de 4 cm d épaisseur seulement en béton bitumeux 0/11 S. 4. Composition des mélanges de matériaux de construction, exécution de la construction et résultats 4.1 Les mélanges de matériaux de construction La stabilisation s est effectuée avec le recycleur Wirtgen WR 2500 et le mélangeur de suspension Wirtgen WM 400 avec adjonction de 2 à 3 M.-% d eau et de 2 M.-% de ciment. En raison de l essai de qualification, une résistance mécanique suffisante a été obtenue avec une teneur en ciment de 2 M.-%. Afin de pouvoir comparer entre elles des couches de RCF avec différents types de liants bitumeux, il a été prévu de fabriquer environ 2/3 des quelque 1000 m de longueur de la route avec du bitume mousse et env. 1/3 avec des émulsions bitumeuses. A ce propos, les différents liants devaient être ainsi dosés que les mélanges de matériaux de construction des deux sections contiennent des proportions respectives identiques de bitume et de ciment. La préparation à froid in-plant s est effectuée, pour l enrobé des deux variantes, avec le mélangeur à froid Wirtgen KMA 150. L enrobé à froid a été posé avec un finisseur de route Vögele Super 1800 avec table à haut pouvoir de compactage. Le compactage s est effectué avec un tambour vibrant de 12 t et un tambour en tandem de 7 t. Après l application par projection d une émulsion d accrochage sur la couche de base de RCF, une couche de roulement de 4 cm d épaisseur en béton bitumeux 0/11 S a également été posée avec le finisseur de route Vögele Super L exécution de la construction Pendant l exécution de la construction, plusieurs facteurs ayant exercé une influence défavorables sont survenus: - une utilisation non optimale des appareils de compactage. - La teneur en ciment a été choisie à la limite inférieure aussi bien pour la couche consolidée au ciment que pour la couche consolidée selon le mode de construction RCF. - Les épaisseurs théoriques ont été dépassées vers le bas. - De basses températures régnaient lors de la pose des couches de RCF. - Aucune pause n a été respectée jusqu à la mise en place de la couche de roulement, ce qui est défavorable, en particulier, pour la section où a été posée l émulsion bitumeuse. La stabilisation au ciment de la superstructure existante fraisée s est effectuée le en faisant appel aux machines suivantes: Figure 3: Structure de la route avant et après la réfection. WR 2500 et mélangeur WM 400; tambours: tambour vibrant (12 t) et tambour en tandem (7 t). L épaisseur de la couche de pose à l état compacté s élevait à environ 18 cm. Ce résultat a été obtenu en l espace d une journée. Les degrés de compactage réglés ont été mesurés dans les limites de D Pr = 98 bis 101 %. La couche de base

37 Figure 4: Recycleur Wirtgen WR 2500 et mélangeur de suspension Wirtgen WM 400. Figure 5: Mélangeur à froid Wirtgen KMA 150. Figure 6: Vögele Super 1800 avec table à haut pouvoir de compactage. 4.3 Les essais de contrôle Pendant l exécution de la construction, il a été procédé à des prélèvements d échantillons de matériel pour des essais de contrôle. 20 carottes (diamètre de 150 mm) ont été prélevées trois mois plus tard. Les degrés de compactage ont été établis pour la totalité des carottes avec les moyennes: essais de compression diamétrale sur des éprouvettes selon Marshall et pour un diamètre de 145 mm sans et après stockage dans de l eau. Sur des échantillons de carottes, la résistance à la compression diamétrale a été mesurée à 5 et 20 C et la résistance à la compression unidimensionnelle, pour une dilatation latérale sans entrave. Respectivement deux carottes ont été soumises à l essai d alternance de gel et de dégel (EGD) avec dix cycles entre -25 C et +20 C selon le schéma de ce que l on appelle les «pieds mouillés chauds» afin de permettre en permanence l absorption d eau capillaire. Selon les essais de contrôle, les exigences ont été respectées conformément aux règlements correspondants ainsi qu aux objectifs cibles des propriétés de matériaux désirées. L essai d élution au respect de l environnement selon le procédé de l auge a révélé des résultats normaux, et les valeurs limites n ont pas été dépassées vers le haut. 5. La sollicitation de la route stabilisée au ciment a, conformément à la planification, reposé pendant une semaine sous un trafic de poids lourds. Abstraction faite d une usure par frottements à la surface, on n a constaté aucun dommage. Sur les deux tiers du tronçon, il a ensuite été procédé á la pose de matériau de RCF avec du bitume mousse, le , ainsi que, sur le tiers supérieur du tronçon, avec une émulsion bitumeuse, le La totalité de la surface de pose a été recouverte auparavant d environ 0,4 kg/m 2 d émulsion d accrochage. Pour cela, il a été fait appel aux machines suivantes: mélangeur mobile KMA à 150 t/h, finisseur Vögele Super 1800 avec table à haut pouvoir de compactage, trois tambours de la configuration précitée: épaisseur de couche de pose à l état compacté: d = 12 cm. Les degrés de compactage réglés pour les deux sections partielles se sont élevés à DPR = 98,6 à 103,4 %. La pose de la couche de roulement bitumeuse du type AB 11S sur une couche de 4 cm d épaisseur s est effectuée le Des conditions extrêmes sont rencontrées, en particulier, en raison des fortes sollicitations que subit la route. Le tronçon assure essentiellement la circulation d utilitaires lourds chargés au maximum, parfois avec des poids sur essieu dépassant les valeurs maxima tolérées. L avantage de ce tronçon en tant que tronçon expérimental est que les granulations de roches livrées et le béton ainsi que le nouveau remplissage de la carrière, le sable et le ciment ont été pesés exactement et documentés pour la fabrication du béton. Les passages d essieu ont été calculés depuis ces données conformément aux «Directives pour la standardisation de la superstructure de surfaces dédiées à la circulation, édition // 37

38 (RStO 01). La figure 7 représente la charge du trafic jusqu à fin 2003 en passages d essieu en 10 t et l affectation des classes de construction selon RStO 01. En conséquence, la charge du trafic jusqu à ce jour correspond à la classe de construction III. La figure 8 compare la structure refaite avec la structure de chaussée de la classe de construction III et II de la RStO 01. Ainsi, l épaisseur totale des couches liées ne concorde que pour la classe de construction III, tandis qu elle est 4 cm plus réduite par rapport à la classe de construction II. Une différence absolument essentielle entre les variantes représentées réside cependant dans le fait que la structure de la chaussée après la réfection ne comporte pas de couche de liaison entre la couche de base et la couche de roulement comme cela est le cas pour la structure des classes de construction II et III. Comme le maximum de frottement calculé par les charges à hauteur de la roue verticales selon la théorie de l espace semi-infini se trouve sous la couche de roulement, l abandon de la couche de liaison pour la structure assainie signifie que la couche de RCF doit encaisser les frottements maximaux. Des contraintes supplémentaires très élevées résultant des forces de freinage et centrifuges se produisent sur une section du tronçon avec une inclinaison allant jusqu à 6 % devant un virage serré. D autres conditions extrêmes sont le climat et les fossés de drainage non entretenus. Le long du tronçon règnent des conditions climatiques défavorables durant la période hivernale en raison du climat rude de la Westerwald (située à environ 450 m au-dessus du niveau de la mer). Autres facteurs particulièrement défavorables, les rapports de sous-sol non homogènes et la forte accumulation d eau sur les côtés. En combinaison avec l entretien totalement négligent des fossés de drainage et des accotements, cela entraîne une saturation d eau (figure 9). Parfois, le niveau de l eau dépassait l arête supérieure de la chaussée. Cet état de choses a duré jusqu à ce que l on procède à un entretien minutieux des fossés de drainage en Les résultats des mesures de profil transversal Figure 9: Saturation d eau. Figure 7: Charge du trafic et classes de construction. Figure 8: Structure de chaussée refaite en comparaison avec des superstructures de chaussée conformément à RStO 01. Pour les observations consécutives, le tronçon a été soumis à un arpentage géodésique avec la création de dix profils transversaux de 5 à 6 m de large et assurés par des vis d assemblage fixées par des chevilles du type M 24 intégrées au sol avec une cheville. La mesure s est effectuée en trois passages simultanément à des mesures de déflexion. Durant la période d observation d environ quatre ans et demi, on n a reconnu aucune modification en hauteur. Par contre, dans un virage à 90 avec une déclivité d environ 6 %, une touche mobile a été éjectée de son assemblage par chevilles sous l effet des efforts de guidage, ce qui montre clairement l ordre de grandeur des forces induites et des frottements que cela engendre. Selon le profil longitudinal, la déclivité sur certains tronçons partiels est comprise entre 6 et 8 %.

39 7. Mesure, calcul et évaluation de la portance La mesure de la portance a été effectuée à hauteur de trois points de temps de mesure avec le déflectomètre Falling Weight (FWD). Pour établir la portance, on utilise dans le monde entier environ 300 FWD [31]. Le FWD est un procédé de mesure dynamique de la portance avec lequel, à l instar de la charge dynamique du trafic, une impulsion de force est exercée sur la surface de la stabilisation de la chaussée à l aide d une masse pour démontrer l accélération de la chute des corps. Le procédé de calcul de la portance et des deux modules de couche est décrit au [32]. Comme résultat du calcul, sans la connaissance de l épaisseur de couche h des données de mesure au FWD, on obtient la portance (longueur élastique) et le module de couche M 0 de l espace semi-infini. La portance est définie au [33] en tant que «résistance mécanique d une stabilisation de route contre des déformations de courte durée. Pour juger la portance à hauteur des trois points de temps de mesure, on inscrit les indices de longueur élastique I et le module de couche M 0 dans le «diagramme d évaluation provisoire» représenté à la figure 10. Les mesures au FWD ont été réalisées sur la voie d accès dans les deux sens (en montée et en descente) respectivement à hauteur de dix-neuf stations de la voie de roulement de droite. La température était de 15 C (mesure 1 en septembre 1999), de 9 C (mesure 2 en mars 2001) et de 20 C (mesure 3 en septembre 2003). A la lumière de la comparaison des indices calculés et du «diagramme d évaluation provisoire», on peut constater que, lors de la mesure en côte, trois indices de portance se trouvent dans la zone de transition entre les domaines I et IV (ces indices doivent être affectés à une station) et que tous les autres indices de portance se trouvent dans la zone I et que, lors de la mesure en descente, tous les indices de portance se trouvent dans la zone I. La portance de la totalité de la stabilisation de la chaussée est donc garantie à l exception d une station. La localisation de cette station s effectue à partir de la «bande de portance». La bande de portance est la représentation graphique des indices Portance (longueur élastique) I et Module de couche M 0 de l espace semi-infini audessus des stations. La figure 11 représente à titre d exemple la bande de portance pour la direction de la montée. A la lecture de la figure 11, on peut constater que le point de mesure avec la portance la plus faible (transition de la zone I à la zone IV) se trouve à hauteur de la station 235 m. La bande de portance révèle en outre que - le module de couche M 0 est réparti de façon très inhomogène au-dessus du tronçon, - la portance l au-dessus du tronçon est répartie de façon plus homogène, - que la structure de couche choisie entraîne une portance répartie de façon homogène et, ainsi, une sollicitation de la stabilisation de la chaussée elle aussi répartie de façon homogène. Figure 10 : Diagramme d'évaluation provisoire pour le jugement de l'état d'usage d'une stabilisation de chaussée [34]. A partir de la bande de portance, il est en outre possible d extrapoler des 38 // 39

40 constats au sujet du comportement comme base de la stabilisation de la chaussée. Le comportement comme base est défini au [33] en tant que «Modification de la portance en fonction du temps et/ou de la charge du trafic». La figure 11 montre que, durant les années de 1999 à 2003, - la portance l n a pas changé de façon significative. - dans la zone comprise entre la station 700 et la station 850, le module de couche M 0 s est réduit lors de la troisième mesure par rapport aux deux premières mesures. - Sinon, que les modules de couche M 0 se déroulent sur une largeur de bande étroite en fonction du temps. Après environ quatre ans de temps de dépôt, le bon état de la portance obtenu après la pose pour la stabilisation de chaussée de la voie d accès à la carrière de Nauberg est pratiquement resté inchangé. Figure 11: Bande de portance pour le sens de circulation en montée. 8. Evaluation de synthèse du projet Nauberg et d autres mesures de réfection L objectif de cette mesure de renouvellement était, de façon générale, d administrer la preuve des hautes performances des modes de construction de RCF avec des mélanges de bitume-ciment et, en particulier, de répondre à la question de savoir si ces modes de construction étaient en mesure de satisfaire aux propriétés escomptées des couches de base et de liaison sous l angle de la portance et de la stabilité à la déformation. Les bons résultats sont imputables au fait que les couches de RCF avec mélanges de bitume-ciment présentent un grand potentiel de portance en raison de leur épaisseur et de leur composition. La teneur en ciment devrait cependant toujours être inférieure à la teneur en bitume. En outre, ces couches résistent à la déformation sans manifester la propension bien connue à l apparition de criques de contraction affichée par des couches liées de manière purement hydraulique. Du fait de la répartition de la charge similaire à des plaques reliées entre elles, les inhomogénéités de la base sont mieux surmontées et la zone de la stabilisation de chaussée qui se trouve sous la couche de RCF subit moins de sollicitations. A titre complémentaire au tronçon de test de Nauberg, plusieurs travaux de réfection avec application de méthodes de construction selon le recyclage à froid ont été réalisés en Rhénanie-Palatinat et en Rhénanie-du-Nord-Westphalie. Les bons résultats obtenus à cette occasion représentent une contribution importante à l élimination des réserves. Ceci devrait, en outre, être un motif à remettre en question, dans un esprit critique, les exemples d application énumérés dans la «Fiche technique pour le recyclage à froid in situ pour la superstructure de la route» (FT RCF). A ce propos, pour les classes de construction III à V, en fonction du module de déformation de la couche inférieure entre la couche de RCF et la couche de roulement, la FT RCF prévoit toujours une ou plusieurs couches de bitume sous la forme de couches de compensation, de base et/ou de liaison. De ce fait, les exemples d application de la FT RCF présentent une structure plus fortement dimensionnée des stabilisations de chaussée que cela n est le cas pour le tronçon d essai décrit cidessus et pour d autres travaux de réfection entre-temps exécutés, par exemple: - le renouvellement du réseau Strassenhaus K 99 Oberhonnefeld en l an 2000: Classe de construction V: 5 cm de couche de roulement 0/11 S Couche de RCF de 20 cm avec bitume mousse - Renouvellement du réseau de la L 275 Asbach Buchholz en 2002: Classe de construction VI: VI 5 cm de béton bitumeux 0/11 S 20 cm de couche de RCF avec bitume mousse et ciment - Renouvellement du réseau de la L 256 Breitscheid Fernthal Classe de construction IV: IV 5 cm de couche de

41 roulement 0/11 S 20 cm de couche de RCF avec émulsion - Renouvellement du réseau de la L 125 Lanzenbach Classe de construction VI: VI 4 cm de béton bitumeux 0/11 S 4 cm de liant bitumeux 0/16 S 20 cm de couche de RCF avec bitume mousse et ciment. Il convient de prendre en considération à ce propos que les exemples d application mentionnés dans la FT RCF ont encore leurs origines dans un stade précoce au cours duquel on ne disposait pas encore de valeurs avérées de façon ciblée quant au comportement à la portance des modes de construction selon le RCF, en particulier pour ceux avec des mélanges de bitume-ciment. En raison des expériences faites avec le projet de Nauberg et d autres mesures, il est proposé de procéder à une vérification des exemples donnés dans la FT RCF, en particulier dans ce sens que les couches comprises entre la couche de RCF et la couche de roulement peuvent être supprimées. S il devait malgré tout subsister des réserves dans des cas d espèce, il conviendrait de donner la préférence à une augmentation de l épaisseur de la couche de RCF à la place de l aménagement d une ou plusieurs couches intermédiaires. En renonçant à des couches intermédiaires, on diminuerait aussi le risque d e l apparition d ornières. Simultanément, du fait que le nombre de couches et les niveaux de couche diminuent, on voit aussi diminuer le risque de destruction possible de la liaison. La condition sine qua non à la suppression des couches intermédiaires est cependant que la couche de RCF soit fabriquée de façon suffisamment plane et en adéquation avec le profil. En outre, une liaison sur toute la surface de la route doit être garantie entre la couche de RCF et la couche de roulement. Si l on pose des exigences moins sévères à la planéité, par exemple pour les chemins d exploitation agricoles, il est possible de prévoir, à la place d une couche de roulement en bitume laminé, un traitement de surface (simple ou double) ou une couche de protection de la surface en émulsion bitumeuse. 9. Remarques finales et perspectives On peut qualifier de bonnes les expériences faites à l échelle internationale et nationale au cours des nombreuses années de pratique des méthodes de construction selon le recyclage à froid. A la condition que la préparation de la construction et l exécution soient minutieuses, les risques ne sont pas plus grands qu avec les méthodes de construction traditionnelles, si bien que, pour des considérations de principe, toute réserve sera, à l avenir, injustifiée. Les expériences faites représentent une base suffisante pour la planification et l exécution des mesures de réfection avec application des méthodes de construction selon le recyclage à froid avec mélanges de bitume-ciment. Comme liants bitumeux, on peut envisager à ce propos aussi bien les émulsions bitumeuses que les bitumes mousses fabriqués directement lors du processus de mélange. La nature et l ampleur des dommages routiers dus au vieillissement croissant des stabilisations de chaussée et à l augmentation de la charge du trafic présentent une tendance à une hausse régulière alors même que, simultanément, les déficits budgétaires perdurent ou s aggravent, ce qui a pour conséquence que la réfection des dommages se concentre de plus en plus souvent sur les méthodes les plus simples. Cela a pour conséquence que les intervalles de remise en état sont toujours plus courts et, ce qui va de pair avec cela, que les ralentissements de la circulation deviennent toujours plus fréquents alors que, simultanément, l ampleur des dommages structurels s accroît. En tant qu alternative aux procédés conventionnels de remise en état et de rénovation tels que la démolition de la stabilisation de chaussée existante et la fabrication à neuf de la structure de couches (montage en profondeur) ou le renforcement avec des paquets de bitume plus épais (construction sans enlèvement de sous-sol), les méthodes de construction selon le recyclage à froid sont considérées comme particulièrement appropriées en raison de leurs avantages techniques et économiques ainsi que sur le plan de la circulation et de la protection de l environnement pour une réfection de route avec un bon comportement à long terme, notamment pour les routes de land et de cercle dans le cadre de ce qu il est convenu d appeler la modernisation du réseau. 40 // 41

42 Bibliographie 1 Langer: Enrobé RCF, expériences faites lors de la pose à froid d asphalte de démolition retraité, Die Asphaltstrasse, n 6/ Glet; Rode: La réutilisation de bitumes de récupération par liaison avec émulsion bitumeuse, Bitumen, n 2/ Glet: Les méthodes de construction à froid, une nouvelle voie pour la réutilisation et l encapsulage de substances critiques, Die Asphaltstrasse, n 6/ Glet: Traitement et réutilisation de substances de récupération contenant du goudron et de la poix dans la construction routière, Die Asphaltstrasse, n 6/ Glet; Krass; Radenberg: Expérimentation d un procédé d essai pour l établissement des propriétés mécaniques d enrobé lié par émulsion, Strasse und Autobahn, n 9/ Roßberg; Langhammer: Analyses de compactage de mélanges de bitumemacadam liés par émulsion dans le recyclage à froid, Bitumen, n 2/ Krass; Radenberg: Essais de compatibilité avec l environnement de substances de récupération contenant de la poix liées au ciment et à l émulsion bitumeuse dans le cadre du tronçon expérimental de Wattenheim, Institut für Strassenwesen und Eisenbahnbau, Université de la Ruhr Bochum, Glet: Le recyclage à froid dans les procédés in place pour le traitement de quantités importantes de matériaux de récupération lors de la modernisation intermédiaire ou de la rénovation de routes bitumeuses, revue de la VSVI de l Etat libre de Saxe, G l e t: L enrobé à froid théorie, application et limites, Bitumen, n 4/ Langhammer: Analyses des matières et de la construction au sujet du recyclage à froid pour les couches de base, thèse de doctorat, recueil de mémoires de la chaire de construction routière de l UT de Dresde, n 6, Löffler; 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44 Aucun engagement de notre part sur illustrations. Sous réserve de toutes modifications techniques. Rendements dépendent des conditions d emploi. No FR-11/05 by Wirtgen GmbH Imprimé en RFA Wirtgen GmbH Hohner Strasse Windhagen RFA Tél.: +49 (0) 26 45/131-0 Fax: +49 (0) 26 45/ Internet: [email protected]