LES ENROBÉS À MODULE ÉLEVÉ ADAPTÉS AUX CLIMATS FROIDS

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1 PUBLIÉ PAR BITUME QUÉBEC NUMÉRO 09 LES ENROBÉS À MODULE ÉLEVÉ ADAPTÉS AUX CLIMATS FROIDS Introduction Dans le domaine des chaussées bitumineuses, les enrobés à module élevé constituent une approche performante pour pallier aux problèmes d accroissement et d agressivité du trafic. Les enrobés à module élevé ( EME ) permettent un apport structural supérieur aux chaussées bitumineuses comparativement aux enrobés conventionnels. Les premières applications des EME sont apparues en France dans les années Tout récemment, le développement de spécifications a été réalisé afin d adapter ce type d enrobés aux conditions climatiques du Québec. Ce bulletin présente les notions générales ayant permis de formuler les enrobés à module élevé EME-10 et EME ) DÉFINITION Les EME sont des matériaux permettant un renforcement structurant très important aux chaussées bitumineuses grâce à leur performance élevée sur trois plans : la résistance à l orniérage, le module complexe et la tenue en fatigue. L optimisation et la combinaison de ces facteurs permettent conséquemment de diminuer les épaisseurs de couches de la chaussée. La rigidité des EME peut être jusqu à trois fois plus élevée que celle des enrobés conventionnels. C est grâce à cette augmentation de la rigidité qu il est possible, pour une durée de vie égale, de diminuer la quantité de matériaux nécessaires à la réalisation d une chaussée bitumineuse, ou, pour une même épaisseur d enrobés, d augmenter la durée de vie de la chaussée. Dans les deux cas, cette approche contribue aux valeurs préconisées de développement durable. 2 ) LES AVANTAGES L utilisation des EME dans les structures de chaussées bitumineuses augmente la résistance aux sollicitations élevées provenant du trafic lourd et du débit de circulation. Les EME sont très résistants à l orniérage et à la fatigue et offrent les avantages suivants: augmentent la durée de vie de la chaussée pour une épaisseur équivalente aux enrobés à chauds ; diminuent les épaisseurs de couches pour une durée de vie égale. Cette fonction est particulièrement utile lorsque le chantier a des contraintes de hauteur avec, par exemple, un passage sous un ouvrage et une restriction de profil en milieu urbain ; diminuent les coûts grâce aux épaisseurs de couches plus minces ou à une durée de vie prolongée pour la chaussée ; favorisent les gains environnementaux puisque la diminution des épaisseurs des couches bitumineuses et l augmentation de la durée de vie diminuent les émissions de gaz à effet de serre (GES) et l utilisation des ressources naturelles. 1

2 3 ) Les domaines d emploi Les enrobés à module élevé s utilisent en construction neuve, en renforcement et en réfection. Ils peuvent être utilisés pour tout types de trafic et leur formule est spécialement adaptée aux trafics les plus élevés. Les couches de base et de liaison ont un rôle structurant permettant d assurer la durée de vie de la chaussée; rôle que remplit l EME grâce à ses performances mécaniques ( figure 1 ). L EME-14 a été formulé à cette fin (se référer à la fiche technique ci-jointe). En résumé, l EME-14 est spécialement adapté pour : les autoroutes et les boulevards industriels fortement sollicités ; les voies à trafic lent et canalisé telles que des corridors d autobus ; les voies spéciales avec circulation de véhicules et d appareils lourds telles que les quais de chargement, les aires de stockage, les voies aéroportuaires et les pistes d aéroports ; les carrefours giratoires 1 ( EME-10 en surface ). Pour une couche de roulement fortement sollicitée, un deuxième enrobé à module élevé, l EME-10 a aussi été développé ( fiche technique ci-jointe ). L EME-10 est aussi utilisable en couche de liaison. 4 ) L approche de dimensionnement mécanistique-empirique Cette section aborde l approche de dimensionnement mécanistique afin d expliquer les paramètres, tels que les modules complexes 2, la résistance en fatigue et le retrait thermique ayant servi à la formulation des EME-10 et EME-14. Les premières étapes de conception et de calculs de dimensionnement des chaussées sont essentielles afin d assurer la pérennité des ouvrages. Les modèles de comportement mécanique des chaussées routières permettent de calculer la distribution des contraintes et les déformations selon la rigidité des matériaux ( approche mécanistique ) ainsi que leurs résistances à l endommagement tout au long de leur durée de vie ( approche empirique ). Les propriétés et les performances recherchées sont différentes selon la fonction de l enrobé ( couche de base, de liaison ou de roulement ), les conditions climatiques et les sollicitations du trafic. Lors des sollicitations sous le passage d un essieu, la partie supérieure des enrobés est principalement soumise à des contraintes en compression tandis que sa partie inférieure est surtout assujettie à des contraintes en traction ( figure 1 ). 1 Pour ce type de géométrie, les joints doivent être réalisés à chaud ou avec un produit adhésif haute performance pour joint afin de contrer les effets du cisaillement. 2 Il existe différentes appellations pour la norme du module complexe. Les normes américaines AASHTO TP et ASTM D déterminent le module dynamique tandis que la norme européenne EN parle de module de rigidité. Les résultats présentés dans ce bulletin proviennent de la méthode d essai récemment développée par le ministère des Transports, soit la LC Détermination du module complexe des enrobés. 2

3 Essieu: 8200 kg Pression par pneu: 587 kpa NUMÉRO 09 Revêtement E1 v1 h1 couche de roulement h2 couche de liaison h3 couche de base E2 v2 E3 v3 (collée) (collée) v = 0,35 v = 0,35 Zone de compression v = 0,35 Zone de traction 1 Axe neutre 2 3 (collée) E pƒ v= 0,35 µdeƒ (εz ) Effets des EME Diminution des déformations sol couche de fondation et sous-fondation granulaire µdeƒ (εt ) Figure 1 Distribution des contraintes sous chargement dans une structure de chaussée bitumineuse 3 MODÉLISATION STRUCTURE CAS DE CHARGE MATÉRIAUX - Résistance en fatigue de l enrobé en couche de base Essieu standard de référence: 8200 kg 1000 Rayon de contact: 0,104m Pression par pneu: 587 kpa εt E3 H3 v3 εz Microdéformation ε6 100 εt adm E1 H1 v1 E2 H2 v2 Conditions aux interfaces (collées ou glissantes) Droite d e fatigu e 10 1 x 10 4 εt calculée < εt admissible NE = 5 M ÉCAS 1 x x x 10 7 Nombre de cycles: NE = ÉCAS Figure 2 Déformation sous chargement d un essieu normalisé et admissible selon la résistance en fatigue de l enrobé 3 3 Les unités de microdéformations s identifient également en «µm / m».

4 Les matériaux peuvent se rompre lorsqu un grand nombre de sollicitations, dont l amplitude est inférieure à leur résistance à la rupture instantanée, leur sont appliquées de façon répétée. C est ainsi que se définit le phénomène de fatigue des matériaux ; phénomène applicable aux enrobés bitumineux subissant les passages soutenus de véhicules lourds. Les logiciels de dimensionnement 4 de chaussée permettent de calculer la contrainte en déformation-traction ( ε t ) à la base des couches bitumineuses et la contrainte en déformation du sol support ( ε z ). Les déformations sont alors comparées et elles doivent demeurées inférieures à la contrainte admissible de cette même couche de la chaussée projetée ( figure 2 ). 5 ) La rigidité des enrobés ( modules complexes ) Les enrobés présentent une susceptibilité thermique et cinétique : cela signifie que leur module évolue suivant la température et la fréquence de sollicitation. Cette propriété leur provient du bitume caractérisé par la combinaison de ses comportements visqueux et élastiques ( figure 3 ). La particularité viscoélastique du bitume est conséquemment transmise à l enrobé ( figure 4 et tableau 1 ). L approche analytique du module complexe permet d évaluer la rigidité de l enrobé en fonction de la température et du temps de chargement ( fréquence ). Il existe différentes méthodes pour déterminer le module complexe. En 2009, le MTQ a instauré la méthode d essai LC L essai détermine la contrainte pour une déformation donnée d un enrobé en appliquant une force en traction-compression directe sur une éprouvette ( figure 6 ). Dès le début, l application d une contrainte provoque une déformation de l éprouvette due au comportement viscoélastique du bitume ( figure 7 ). La figure 8 illustre une presse hydraulique permettant de mesurer les modules complexes. Le tableau 2 présente les spécifications suggérées pour les EME-10 et EME-14. Les graphiques de la courbe maîtresse et des courbes isothermes des EME-10 et EME-14 sont présentés dans la figure 9. La figure des courbes isothermes montrent l évolution du module complexe d un enrobé à différentes températures et à diverses fréquences de sollicitation. À titre informatif, la norme européenne EN sur les EME spécifie des exigences de fatigue à 15 C et 10 Hz. Le module complexe d un enrobé est déterminé à différentes fréquences et températures et selon de faibles déformations afin de demeurer dans le domaine viscoélastique linéaire. Les matériaux sont souvent identifiés selon leur rigidité et la figure 5 permet de visualiser où se situent les enrobés à module élevé par rapport à d autres matériaux. 4 Il existe différents logiciels de dimensionnement mécanistique. Au Québec, l ÉTS a développé le logiciel OPECC disponible au Aux États-Unis et au Canada, le logiciel DARWin-ME est disponible au En France, le logiciel Alizé est utilisé; il est disponible au 5 Référence n 2. 4

5 TABLEAU 1 Résumé des relations des différents modules NUMÉRO 09 NOM FORMULES 1. Module d Young d'un matériau purement élastique E = Contrainte / Déformation 2. Norme du module complexe des bitumes G* = (G ) ² + (G ) ² 3. Norme du module complexe des enrobés (module dynamique) E* = (E ) ² + (E ) ² TABLEAU 2 Spécifications des modules complexes des EME EME-10 et EME-14 Module complexe E* Traction-compression directe, 10 C et 10 Hz ( MPa ) * Module complexe E* Traction-compression directe, 15 C et 10 Hz ( MPa ) * > > ( * ) Méthode d essai : LC Détermination du module complexe des enrobés G''A bitume A Composante visqueuse (G'') G''B δ = 65 δ = 25 bitume B G'A Composante élastique (G') G'B Figure 3 Propriétés viscoélastiques du bitume 5

6 E''A enrobé A Composante visqueuse (E'') E''B δ = 65 δ = 25 enrobé B Figure 4 Propriétés viscoélastiques des enrobés E'A Composante élastique (E') E'B Matériaux de chaussée à Plexiglass Enrobés EME Béton Verre Bronze Acier MPa Figure 5 Différentes valeurs de module de rigidité des matériaux 6 6 Cette figure est inspirée d une diapositive présentée par M. Laurent Porot. 6

7 NUMÉRO 09 Figure 6 Installation d une éprouvette pour subir des cycles de traction-compression directe Figure 8 Presse hydraulique permettant de mesurer les modules complexes σ sin (ωt) Contrainte, σ (kpa) t lag ω = 2π / t total ε sin (ωt - Φ) σ ε Déformation, ε(µdeƒ) 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 Temps, t (sec) Figure 7 Déphasage entre la contrainte et la déformation d une éprouvette d enrobés 7

8 Figure 9 Exemples de résultats graphiques d un EME-14 8

9 NUMÉRO ) La résistance en fatigue La fatigue est un phénomène d endommagement observé pour les matériaux soumis à des chargements cycliques de sollicitation qui se traduit par une perte progressive de leur module de rigidité. Pour un enrobé bitumineux, la fatigue se manifeste par le passage répété de poids lourds sur la chaussée qui provoquent l accumulation de multiples déformations dans le revêtement, notamment de traction dans sa partie inférieure. La tenue en fatigue d une couche d enrobés bitumineux est assurée par : un film de liant plus épais autour des granulats ; une compaction élevée ; une répartition granulaire dense ( optimisation granulaire ). Au Québec, présentement, il n existe aucun essai de résistance en fatigue normalisé pour les enrobés. Le Laboratoire sur les Chaussées et les Matériaux Bitumineux ( LCMB ) de l ÉTS a implanté récemment une nouvelle méthode d essai pour évaluer la résistance en fatigue des enrobés à partir d un essai de tractioncompression simple 7. Les principes sont les suivants : l essai est pratiqué sur les mêmes formats d éprouvette que ceux retenus pour la mesure du module complexe de l essai LC , soit des éprouvettes cylindriques de 150 mm de hauteur et de 75 mm de diamètre ; le mode de sollicitation est le même que celui imposé pour la mesure du module complexe ( LC ), soit des sollicitations cycliques sinusoïdales centrées en déformation autour de zéro ; au moins trois niveaux de déformations, normalement entre 90 et 210 µdef, sont imposés en traction-compression en vue de définir la relation entre les déformations imposées et la durée de vie en fatigue ( figure 10 ). Cette relation exprimée dans un domaine log-log permet de déterminer la droite de fatigue de l enrobé ( droite de Wöhler- figure 11 ) ; un suivi de la force est effectué durant l essai afin de déterminer le critère de rupture. La force initiale Fi est mesurée au début de l essai et l éprouvette est considérée rompue à Fi / 2. C est alors que le nombre de cycles Nf 50 % est noté ( figure 11 ) ; le chargement cyclique et les déformations imposées sont mesurés à 10 C et 10 Hz. Il est à noter que cet essai se réalise sur plusieurs jours et que la fabrication des éprouvettes est délicate. Le résultat de l essai s exprime en microdéformations (µdef) pour un nombre donné de cycles à la rupture. Les valeurs typiques des enrobés bitumineux se situent entre100 et 200 µdef à 1 million de cycles de sollicitations ( à 10 C et 10 Hz ). L étude de fatigue permet de déterminer : la valeur de référence d epsilon «ε 6» ( niveau de déformation correspondant à la résistance à 1 million de cycles de sollicitations, soit 10 6 cycles ) ; la pente de la droite de fatigue ( -1/b ) de la courbe de Wöhler (nombre de cycles en fonction du niveau de déformations sur un graphique en échelle log-log) ( figure 11 ); la dispersion des valeurs exprimées par l écart-type des mesures Sn. Au même titre que la norme du module complexe E*, ces trois valeurs ( ε 6-1/b et Sn) servent au calcul de dimensionnement des chaussées. Le tableau 3 présente les valeurs spécifiées pour les EME. 7 Cette méthode d essai a été développée au département de génie civil et de bâtiment ( DGCB ) de l École Nationale des Travaux Publics ( ENTPE ) de Lyon en France. La méthode consiste à imposer une déformation cyclique sur une éprouvette cylindrique et à mesurer l évolution de son module dynamique afin de déterminer sa durée de vie en fatigue ( N f ) selon différents critères de rupture ( référence n 5 ).

10 TABLEAU 3 Exigences de résistance en fatigue des EME ε 6 ( traction compression, 10 C, 10 Hz )* 1 million de cycles, N f 50% ( µdéf ) EME-10 et EME-14 > 130 ( * ) Essai réalisé selon le mode opératoire de l ÉTS : Détermination de la résistance en fatigue par essais de traction compression. Lot n 1 Déformation appliquée 130 µdéf Résultats Cas n 1 Plus de 60 % des éprouvettes dépassent 1,6 millions de cycles avant la rupture Cas n 2 Moins de 60 % des éprouvettes dépassent 1,6 millions de cycles avant la rupture Lot n 1 Déformation appliquée: 170 µdéf Lot n 2 Déformation appliquée: 90 µdéf Lot n 3 Déformation appliquée: 210 µdéf Lot n 3 Déformation appliquée: 200 µdéf Figure 10 Exemple de déroulement de l essai de fatigue 7,20 7,00 Log Nombre de cycle (log Nƒ50%) 6,80 6,60 6,40 6,20 6,00 5,80 5,60 5,40 5,20 5,00 Pente -1/b = 5,1646 b = -0,194 ε6 = 165 µdeƒ y = -5,1646 x + 17,456 R 2 = 0,8647 4,80 2,10 2,20 2,30 2,40 Log µdéformation (log ε) Figure 11 Droite de fatigue à 10 C et 10 Hz La déformation admissible initiale en traction ( ε t adm ), que peut subir la couche inférieure en enrobé est déterminée à partir du trafic équivalent ( NE ) ( figure 2 ). Le NE représente le nombre d équivalent charge axiale simple ( ÉCAS ) sur la voie la plus sollicitée pour la chaussée à l étude. Cette valeur est établie lors du calcul de dimensionnement d une chaussée, selon le trafic et la durée de vie recherchée. Quant à la déformation admissible, elle se calcule à partir de l équation suivante 8 : ε t adm =εε 6 ( NE / 10 6 ) b 8 Cette formule est générale et exclue les coefficients d ajustements de calage, de risque, de capacité portante et de température d essai. 10

11 NUMÉRO 09 7) Le retrait thermique empêché Le climat froid du Québec provoque des contractions dans les enrobés (retrait thermique ), souvent responsables des premières fissures transversales qui apparaissent dans les enrobés de surface. En effet, lors de baisses de la température, le bitume se contracte alors que les granulats résistent à cette variation volumétrique provoquant ainsi le retrait thermique. L essai de retrait thermique empêché évalue donc la susceptibilité des enrobés à la fissuration aux basses températures ( figure 12). Cet essai est donc très important en milieu québécois. Présentement, les enrobés bitumineux du Québec sont formulés avec des bitumes «relativement mous» afin de s adapter aux contraintes de retrait thermique sévères induites par le refroidissement de l enrobé lors des températures hivernales. Par contre, il est possible de chercher l adéquation de rigidité élevée et de résistance au retrait thermique afin de fabriquer des enrobés à module élevé. La formulation des EME-10 et EME-14 est caractérisée par l emploi d un bitume polymère à haut module, aux températures élevées mais résistant également au froid ; ce bitume présente donc une très grande plage de performances thermiques H-L ( tableau 4 ). La méthode d essai permettant de déterminer le retrait thermique empêché est celle de l AASHTO TP10-93 Thermal Stress Restrained Specimen Test ( TSRST ) 9 ( figure 13 ). Cet essai permet de confirmer la performance «L» du bitume dans l enrobé. 5,0 4,5 4,0 Température de fissuration Contrainte (MPa) 3,5 Rupture 3,0 2,5 Pente 2,0 Température de transition 1,5 Accumulation des contraintes 1,0 0,5 Relâchement des contraintes 0,0-40,0-30,0-20,0-10,0 0,0 Température ( C) Figure 12 Courbe de résultat d un essai de retrait empêché 10 9 Cet essai de l AASHTO n est plus mis à jour. 10 Cette figure est une reproduction de celle présentée dans la référence n 3. 11

12 TABLEAU 4 Exigences des EME au retrait thermique empêché EME-10 et EME-14 TSRST, Température de rupture ( C )* - 28,0 ( * ) Norme : AASHTO TP Thermal Stress restrained Specimen Test ( TSRST ) 8 ) La formulation des EME Les EME se caractérisent normalement par les propriétés suivantes : un squelette granulaire dense et continu de 0-10 mm ou de 0-14 mm ; un grade de bitume à haute performance à température élevée, tel qu un grade PG ; un pourcentage de vides faible ; des performances mécaniques élevées ( module > MPa à 10 C, 10 Hz ). Optimisation granulaire 11. L optimisation des fractions granulaires constituant l enrobé permet d obtenir un mélange à basse teneur en vides. Le bitume. L utilisation d un bitume de haute performance permet de combiner les performances d une rigidité élevée et d une grande résistance à la fatigue tout en résistant aussi aux effets néfastes des conditions climatiques du Québec. Ainsi, un bitume de haute performance a été développé. Ses propriétés s apparenteraient à un grade de bitume PG La teneur en bitume des EME varie entre 4,0 à 5,0 %. Informations complémentaires sur le bitume haute performance PG Les enrobés a module élevé EME sont apparus en France au début des années 1980 et ont maintenant leur spécification normalisée selon la norme européenne EN Les performances mécaniques attendues des EME européens sont généralement obtenues par l emploie de bitumes purs de distillation directe très dur de grade de pénétration ( ASTM-D5 ). Figure 13 Éprouvette d enrobés ayant subi l essai de retrait thermique empêché Ces bitumes durs permettent l obtention des modules élevés des EME (> MPa à 15 C selon la norme EN ) mais leur consistance empêche l obtention de résistances aux basses températures des hivers Québécois. Le tableau 5 présente la comparaison des caractérisations de différents bitumes durs disponibles en France et les performances du bitume PG utilisé dans le développement des EME-14 et EME Une méthode d optimisation granulaire a été développée par l ÉTS ( référence n 4 ). 12

13 NUMÉRO 09 Les viscosités dynamiques et les valeurs de température élevée obtenues ( Te ) sont comparables entre les bitumes et le PG Il y a cependant une différence appréciable de leur performance aux basses températures ( Tb ) explicable pour le bitume PG par la sélection du bitume de base qui le compose et par l ajout de polymère. De même, selon la nouvelle approche de caractérisation des performances à haute température, soit l essai MSCR, les résultats révèlent des performances remarquables sous déformation par fluages répétés (Jnr) pour ces deux bitumes ( et PG ). Les résultats très faibles de déformations cumulées pour ces deux bitumes assurent aux EME des résistances exceptionnelles à l orniérage. De plus, l excellente recouvrance élastique du PG ( essai MSCR ), démontre l effet de la modification par l ajout de polymère de ce bitume haute performance comparativement au bitume pur nonmodifié. Finalement, l ajout de polymère au bitume améliore la résistance en fatigue des EME. TABLEAU 5 Caractéristiques structurales d enrobés bitumineux Classification européenne du bitume ( pénétration, 1/10 mm ) Québec ( EME ) ESSAIS 10/20 20/30 35/50 50/70 PG Densité à 25 C ( gr / cm 3 ) 1,041 1,033 1,033 1,026 1,013 Pénétration ( dmm ) Point de ramollissement ( C ) Recouvrance d élasticité à 10 C ( % ) < 5 < 5 < 5 7,5 71 Viscosité Brookfield ( cp ) à 135 C à 165 C Télevée ( C ) 88,24 80,6 71,7 69,3 90,7 Grade PG Tbasse ( C ) -14,6-18,8-21,2-22,7-29,2 Grade PG PG PG PG PG Jnr à 3,2 kpa 0,10 0,38 1,50 2,17 0,013 PG-MSCR à 64 C Recouvrance (%) 29,3 12,5 2,3 1,3 95,6 Grade (*) PG 64E-10* PG 64E-16* PG 64H-16 PG 64S-22 PG 64E-28 ( * ) Ces grades de bitume sont non-conformes à l essai de recouvrance. 13

14 9 ) Particularités lors de la mise en œuvre La maniabilité des EME en chantier est plus difficile que celle des enrobés conventionnels étant donné la présence d un bitume à haute performance dans le mélange. Pour une même température, les EME sont moins maniables que les enrobés avec un bitume usuel. Par contre, la compacité en chantier est assurée par l optimisation granulaire de la formulation. Afin d obtenir une forte résistance à la fatigue, des compactions élevées sont fortement souhaitées, de l ordre de 96 % et même 98 %. Au début de novembre 2012, Bitume Québec a réalisé une première planche expérimentale en EME-14 sur une chaussée urbaine réhabilitée ( rue Bourgogne à Brossard ). L EME-14 a été posé en 60 mm d épaisseur et recouvert d une couche de surface d enrobés à chaud de 40 mm. La compacité obtenue était de l ordre de 98 %. Des jauges de déformations et de température ont été installées sous l enrobé EME ainsi que sur une section témoin afin de comparer les résultats et de suivre les performances ( apport structural ) des deux enrobés. Après deux hivers où la température minimale enregistrée était de -28,2 C, la section en EME n a aucune fissure. 10) Comparaison de différentes structures de chaussées Grâce à leur fonction structurante, l utilisation d EME dans une structure de chaussée permet des diminutions considérables de l épaisseur des couches d enrobés pour une même durée de vie de la chaussée ( tableau 6 ). À titre comparatif, trois différentes structures ont été analysées 12, soit une structure rigide en dalles de béton, une structure bitumineuse composée d une couche de grave-bitume et une structure bitumineuse en EME. L exercice simule une autoroute à forte circulation, d une durée de vie de 30 ans et avec les données de trafic suivantes : 2 x 3 voies ; DJMA et 25 % de poids lourds ; soit 149 millions d ÉCAS. À partir de ces données de calcul hypothétiques, les trois structures de chaussée obtenues ( figure 14 ) ont les épaisseurs suivantes : 37,5 cm d épaisseur pour la dalle courte goujonnée de la structure rigide ; 32,0 cm d épaisseur d enrobés pour les trois couches de la structure en grave-bitume ; 23,0 cm pour les deux couches d enrobés de la structure à base d EME. Ainsi, la structure en EME permet des diminutions d épaisseur appréciables comparativement à une structure grave-bitume, de l ordre de 9 cm ( 28 % ) dans le cas présent. La réduction devient de l ordre de 14,5 cm ( 39 % ) lors d une comparaison avec une structure rigide. TABLEAU 6 Caractéristiques structurales d enrobés bitumineux Caractéristiques Modules complexes ( Traction compression directe ) Résistance en fatigue Déformation correspondant à 1 million de cycles, ε 6 ( 10 C, 10 Hz ) Structure grave-bitume ( GB-20 ) PG Matériaux bitumineux Structure EME ( EME-14 ) PG C - 10 Hz > ( MPa ) ( MPa ) 15 C 10 Hz > ( MPa ) ( MPa ) de 80 à 100 µdef > 130 µdef 12 Les logiciels de calculs de dimensionnement utilisés sont Winpass pour la structure rigide, Chaussée 2 pour la structure en grave-bitume et Alizée pour la structure en EME. 14

15 STRUCTURE RIGIDE NUMÉRO 09 STRUCTURE GRAVE-BITUME DALLE COURTE GOUGEONNÉE, DCG ESG-10 ESG-14 5cm GB-20 21cm 6cm BÉTON DCG DCG / 37,5cm FONDATION GRANULAIRE STRUCTURE EME EME-14, BITUME PG ESG-10 EME-14 5cm 18cm FONDATION GRANULAIRE FONDATION GRANULAIRE MG-20 / 25cm MG-20 / 25cm SOUS FONDATION GRANULAIRE SOUS FONDATION GRANULAIRE MG-20 / 25cm SOUS FONDATION GRANULAIRE MG-56 / 55cm MG-56 / 60cm MG-56 / 60cm Figure 14 Comparaison des différentes structures de chaussées équivalentes CONCLUSION L a p p r o c h e d e f o r m u l a t i o n p e r m e t t a n t d obtenir des enrobés bitumineux avec de très bonnes performances rhéologiques tels que les EME-10 et EME-14 représente une très grande avancée dans le domaine des chaussées bitumineuses en région froide. L utilisatio n d es enrobés à mo d u le é le vé permettra de réaliser des structures adaptées au trafic très sévère rencontré sur le réseau autoroutier supérieur, des boulevards industriels à f orte c irc u latio n de poid s lo u rd s e t d e s configurations particulières telles que les corridors d autobus et les carrefours giratoires. 15 Le s p ro ch a in e s e xp é rie n ce s e n c h a n t i e r permettront d établir des corrélations précises entre les propriétés mécaniques des EME et leur espérance de vie dans les conditions particulièrement contraignantes du climat québécois. C est donc essentiellement l impact économique que représentent les EME combiné à une très vaste gamme d utilisation qui en assureront le développement.

16 ENROBÉ À MODULE ÉLEVÉ EME-10 DÉFINITION AVANTAGES DOMAINE D EMPLOI LIMITES D EMPLOI FABRICATION LIANT D ACCROCHAGE MISE EN ŒUVRE CARACTÉRISTIQUES DE MISE EN ŒUVRE contrôle de qualité L enrobé à module élevé EME-10 a une granulométrie dense et continue. Il est composé à partir d un bitume modifié lui permettant de résister aux sollicitations sévères de la surface, engendrées par les déformations indues à la suite du passage des poids lourds. Offre une couche de surface très performante. Le module de rigidité, de deux à trois fois plus élevé que les enrobés à chaud, confère un excellent comportement aux efforts superficiels sévères. Démontre une très bonne résistance à l orniérage et au fluage. Apporte une très bonne résistance à la fatigue à la structure ( déformations répétées produites par le trafic lourd ), lorsqu il est utilisé en couche de liaison. Résiste aux efforts de cisaillement ( ex. : carrefour giratoire ). Apporte une bonne résistance aux contraintes de retrait thermique ( à basse température ). L EME-10 est utilisé en couche de liaison et de roulement, soit en construction ou en renforcement, pour tous types de trafic. L EME-10 est tout spécialement adapté au trafic lourd et est destiné aux arrêts d autobus, aux carrefours giratoires, aux voies lentes en montée, aux intersections très sollicitées et aux stationnements industriels. L EME-10 est destiné à la couche de liaison et de roulement. Lorsque le support est composé d enrobés, celui-ci doit être sans fissures excessives, sans orniérage excessif ( < 15 mm )*, sans arrachement et sans faiblesse structurale. Lorsque le support est composé de béton, celui-ci doit être sans joint ouvert ni épaufrures. ( * ) Au-delà de cette limite, le support doit être reprofilé par rabotage à froid. Toutes les centrales d enrobage continues ou discontinues peuvent produire l enrobé EME-10. L EME-10 est un enrobé à granularité 0-10 mm dense. L EME-10 peut contenir jusqu à 15 % de granulats bitumineux recyclés ( GBR ). La quantité de liant d accrochage recommandée ( avec 60 % de résiduel ) selon le type de support est de : 0,35 l / m 2 pour des enrobés neufs ( au taux de bitume résiduel de 0,21 l/m 2 ); 0,50 l / m 2 pour de vieux enrobés et une surface fraisée ( au taux de bitume résiduel de 0,3 l/m 2 ). Le type de liant d accrochage à utiliser lors du recouvrement d un support en béton est une émulsion de bitume polymère de type CRS-1hP à un taux de 0,85 l / m 2. N. B. : Pour obtenir plus d information sur les bonnes pratiques de l utilisation des liants d accrochage, consultez le Techno-Bitume n 2. L EME-10 est un produit spécialisé qui demande des précautions supplémentaires lors de sa mise en œuvre. Voici les recommandations : la température extérieure doit être de 10 C et plus lors de la pose ; l utilisation d un véhicule de transfert des matériaux ( VTM ) est recommandée, car la pose d un enrobé utilisant un liant à haute viscosité entraîne un raidissement rapide et une diminution de la maniabilité du mélange ; la vitesse d avancement du finisseur doit être ajustée au débit de la centrale de production ; la température de l enrobé dans les vis du finisseur doit être supérieure à 150 C ; le compactage s effectue à l aide de rouleaux compacteurs de grande capacité et ceux-ci doivent circuler le plus près possible du finisseur ; le compactage s effectue principalement en mode vibration. La vibration doit être à grande amplitude et adaptée à l épaisseur de pose lors des premiers passages ; les joints froids sont à éviter. Sinon, il faut effectuer un collage à l émulsion ou réchauffer les joints ; les interventions manuelles doivent être minimisées ; l épaisseur de l enrobé doit être entre 40 à 70 mm par couche ( après compactage ). La texture de l enrobé est fermée. La profondeur moyenne de texture est de l ordre de 0,6 mm. En production : Analyse granulométrique. Densités brutes et maximales. Teneur en bitume par ignition. Pourcentage de vides. En chantier : Compacité 93 %. Cette spécification est un essai de contrôle important. Température de l enrobé. Taux de pose. AOÛT 2014

17 COMPOSITION TYPE ET PERFORMANCES DE L ENROBÉ À MODULE ÉLEVÉ EME-10 CATÉGORIE DU GROS GRANULAT ( 5 mm ) à utiliser : «2» et «a» ( NQ /2002-M2 Travaux de génie civil - partie V - enrobés à chaud, tableau 2 ) CATÉGORIE DU GRANULAT FIN ( < 5 mm ) à utiliser : «2» ( NQ / M2 Travaux de génie civil - partie V - enrobés à chaud, tableau 2 ) FUSEAU GRANULOMÉTRIQUE ( LC Analyse granulométrique des granulats et LC Analyse granulométrique des granulats d extraction ) % PASSANT TAMIS ( * ) À titre indicatif 14 mm mm ,0 mm 68-80* 2,5 mm 44-56* 80 µm 8-16 COMPACITÉ ( LC Détermination du pourcentage de vides et de la compacité dans les enrobés à chaud compactés ) 93 % POURCENTAGE DE VIDES ( LC Détermination du pourcentage de vides et de la compacité dans les enrobés à chaud compactés ) Vides à 10 girations 11,0 % Vides à 80 girations 4,0 à 7,0 % Vides à 200 girations 2,0 % RÉSISTANCE À l ORNIÉRAGE (%) ( LC Résistance à la déformation des enrobés à l essai d orniérage ) Plaques de 50 mm, 60 C à cycles 5,0 Plaques de 50 mm, 60 C à cycles 10,0 TENUE À L EAU, TSR ( % ) ( AASHTO T283 - Standard Method of Test for Resistance of Compacted Hot Mix Alphalt (HMA) to Moisture-Induced Damage ) TENEUR EN BITUME MINIMALE ( % ) ( LC Détermination de la teneur en bitume par ignition ) RÉSISTANCE AU RETRAIT THERMIQUE EMPÊCHÉ ( C ) TSRST - Température de rupture 75 4,0-28,0 ( AASHTO TP10-93 Thermal Stress Restrained Specimen Test - TSRST ) GRADE DE BITUME PG RÉSISTANCE À LA FATIGUE ( µ déformation ) ( Mode opératoire de l ÉTS Détermination de la résistance à la fatigue par essais de traction - compression ) Traction compression, 10 C, 10 Hz, 1 million de cycles, N f 50 % > 130 MODULES COMPLEXES E* ( MPa ) ( LC Détermination du module complexe des enrobés ) Traction compression directe, 10 C, 10 Hz > Traction compression directe, 15 C, 10 Hz > ISBN : AOÛT 2014

18 ENROBÉ À MODULE ÉLEVÉ EME-14 DÉFINITION AVANTAGES DOMAINE D EMPLOI LIMITES D EMPLOI FABRICATION LIANT D ACCROCHAGE MISE EN ŒUVRE CARACTÉRISTIQUES DE MISE EN ŒUVRE contrôle de qualité L enrobé à module élevé EME-14 a une granulométrie dense et continue. Il est composé à partir d un bitume modifié lui permettant de résister aux sollicitations très élevées engendrées par les déformations indues suite aux passages des poids lourds. Dans une structure de chaussée, l EME-14 dispose d un grand pouvoir structurant. Offre une couche de rigidité structurale supérieure très performante. Le module de rigidité, de deux à trois fois plus élevé que les enrobés à chaud, permet un excellent renforcement. Apporte une très bonne résistance à la fatigue à la structure ( déformations répétées produites par le trafic lourd ). Démontre une très bonne résistance à l orniérage. Transmet au revêtement une très bonne résistance aux contraintes de retrait thermique ( à basse température ). Permet de doubler la durée de vie de la structure ( à épaisseur égale ). Alloue une diminution d épaisseur pour une durée de vie structurale comparable. Nécessite moins de ressources naturelles ( diminution d épaisseurs ). L EME-14 est utilisé en couche de base et de liaison, soit en construction ou en renforcement. Cet enrobé est conçu pour tous les types de trafic, mais il est principalement destiné aux chaussées fortement sollicitées ( t rafic élevé, autobus et camions ). L EME-14 est destiné à la couche de base et de liaison. Il peut être utilisé en couche de surface lors d applications particulières telles que des arrêts d autobus. Lorsque le support est composé d enrobés, celui-ci doit être sans fissures excessives, sans orniérage ( < 20 mm )*, sans arrachement et sans faiblesse structurale. ( * ) Au-delà de cette limite, le support doit être reprofilé par rabotage à froid. Toutes les centrales d enrobage continues ou discontinues peuvent produire l enrobé EME-14. L EME-14 est un enrobé dense à granularité de 0-14 mm. La température de malaxage doit être ajustée selon les recommandations du fabricant de bitume. L EME-14 peut contenir jusqu à 15 % de granulats bitumineux recyclés ( GBR ). La quantité de liant d accrochage recommandée ( avec 60 % de résiduel ) selon le type de support est de : 0,35 l / m 2 pour des enrobés neufs ( au taux de bitume résiduel de 0,21 l/m 2 ) ; 0,50 l / m 2 pour de vieux enrobés et une surface fraisée ( au taux de bitume résiduel de 0,3 l/m 2 ). N. B. : Pour obtenir plus d information sur les bonnes pratiques de l utilisation des liants d accrochage, consultez le Techno-Bitume n 2. L EME-14 est un produit spécialisé qui demande des précautions supplémentaires lors de sa mise en œuvre. Voici les recommandations : la température extérieure doit être de 10 C et plus lors de la pose ; l utilisation d un véhicule de transfert des matériaux ( VTM ) est recommandée, car la pose d un enrobé utilisant un liant à haute viscosité entraîne un raidissement rapide et une diminution de la maniabilité du mélange ; la vitesse d avancement du finisseur doit être ajustée au débit de la centrale de production ; la température de l enrobé dans les vis du finisseur doit être supérieure à 150 C ; le compactage s effectue à l aide de rouleaux compacteurs de grande capacité et ceux-ci doivent circuler le plus près possible du finisseur ; le compactage s effectue principalement en mode vibration. La vibration doit être à grande amplitude lors des premiers passages ; les joints froids sont à éviter. Sinon, il faut effectuer un collage à l émulsion ou réchauffer les joints ; les interventions manuelles doivent être minimisées ; l épaisseur de l enrobé doit être entre 50 à 90 mm par couche ( après compactage ). La texture de l enrobé est fermée. En production : Analyse granulométrique. Densités brutes et maximales. Teneur en bitume par ignition. Pourcentage de vides. En chantier : Compacité 93 %. Cette spécification est un essai de contrôle important. Température de l enrobé. Taux de pose. AOÛT 2014

19 COMPOSITION TYPE ET PERFORMANCES DE L ENROBÉ À MODULE ÉLEVÉ EME-14 CATÉGORIE DU GROS GRANULAT ( 5 mm ) à utiliser : «2» et «a» ( NQ /2002-M2 Travaux de génie civil - partie V - enrobés à chaud, tableau 2 ) CATÉGORIE DU GRANULAT FIN ( < 5 mm ) à utiliser : «2» ( NQ / M2 Travaux de génie civil - partie V - enrobés à chaud, tableau 2 ) FUSEAU GRANULOMÉTRIQUE ( LC Analyse granulométrique des granulats et LC Analyse granulométrique des granulats d extraction ) % PASSANT TAMIS ( * ) À titre indicatif 20 mm mm mm 80-90* 5,0 mm 58-70* 2,5 mm 40-52* 80 µm 8-16 COMPACITÉ ( LC Détermination du pourcentage de vides et de la compacité dans les enrobés à chaud compactés ) 93 % POURCENTAGE DE VIDES ( LC Détermination du pourcentage de vides et de la compacité dans les enrobés à chaud compactés ) Vides à 10 girations 11,0 % Vides à 100 girations 4,0 à 7,0 % Vides à 200 girations 2,0 % RÉSISTANCE À l ORNIÉRAGE (%) ( LC Résistance à la déformation des enrobés à l essai d orniérage ) Plaques de 100 mm, 60 C à cycles 5,0 TENUE À L EAU, TSR ( % ) ( AASHTO T283 - Standard Method of Test for Resistance of Compacted Hot Mix Alphalt (HMA) to Moisture-Induced Damage ) TENEUR EN BITUME MINIMALE ( % ) ( LC Détermination de la teneur en bitume par ignition ) RÉSISTANCE AU RETRAIT THERMIQUE EMPÊCHÉ ( C ) TSRST - Température de rupture 75 3,75-28,0 ( AASHTO TP10-93 Thermal Stress Restrained Specimen Test - TSRST ) GRADE DE BITUME PG RÉSISTANCE À LA FATIGUE ( µ déformation ) ( Mode opératoire de l ÉTS Détermination de la résistance en fatigue par essais de traction - compression ) Traction compression, 10 C, 10 Hz, 1 million de cycles, N f 50 % > 130 MODULES COMPLEXES E* ( MPa ) ( LC Détermination du module complexe des enrobés ) Traction compression directe, 10 C, 10 Hz > Traction compression directe, 15 C, 10 Hz > ISBN : AOÛT 2014

20 RÉFÉRENCES 1 ) Ministère des transports du Québec ( mai 2010 ). Matériaux et infrastructures. Études et recherches en transport. Détermination du module complexe des enrobés au ministère des Transports du Québec, Québec. 2 ) Ministère des transports du Québec (décembre 2009). LC Détermination du module complexe des enrobés, Recueil des méthodes d essai LC, Laboratoire des chaussées. Les publications du Québec. 3 ) Ministère des transports du Québec ( avril 2004 ). Mesure en laboratoire de la résistance au retrait thermique des enrobés. Info DLC, Vol. 9, n 4, Québec. 4 ) Daniel Perraton, Mathieu Meunier et Alan Carter (oct/nov/déc 2007). Application des méthodes d empilement granulaire à la formulation des Stones Matrix Asphalts ( SMA ). Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées, n , France. 5 ) Daniel Perraton et Radouen Touhara (mars 2013). Détermination de la durée de vie en fatigue d une éprouvette d enrobés bitumineux. Via Bitume Vol 8 N 1, Québec. 6 ) Marc Proteau et Catherine Lavoie (mars 2014). Les enrobés à module élevé ( EME ) adaptés au climat nordique. Via Bitume Vol. 9 N 1, Québec. Mise en garde : Les informations présentées dans ce bulletin sont réalisées à titre d information par les mandataires de Bitume Québec en toute bonne foi et au meilleur de leur connaissance. Ces informations ne doivent en aucun cas se substituer à l opinion d un professionnel du domaine des enrobés et elles ne sauraient lier leurs auteurs, l association et ses mandataires. Août 2014 ISBN , boulevard Saint-Joseph, bureau 213, Sainte-Julie ( Québec ) J3E 1W8 Téléphone : Télécopieur : contact@bitumequebec.ca 20