Séminaire de restitution CCLEAR Impact des conditions climatiques sur les infrastructures routières Action des UV : étude en laboratoire et sur site 03 février 2015 Virginie MOUILLET Laboratoire d'aix-en-provence / Direction Territoriale Méditerranée Cerema virginie.mouillet@cerema.fr 1
Contexte de l étude Sujet de rattachement : «Étude de la durabilité des infrastructures routières à long terme : Prise en compte du vieillissement des matériaux et de la fatigue de la structure» Facteurs de vieillissement Température Oxydation UV solaires surface Rolling Thin Film Oven Test Pressure Ageing Vessel «RTFOT» «PAV» (NF EN 12607-1) (NF EN 14769) 163 C et 75 min sous air 100 C et 20h à une pression d air de 2.1 MPa Distorsions terrain / laboratoire UV non pris en compte? 2
Objectifs Étudier l'effet des UV sur le vieillissement chimique des couches très superficielles des revêtements bitumineux Vieillissement de laboratoire (RTFOT + 20 H PAV) Situer le vieillissement UV Vieillissement sur route (Mouillet, V.; Farcas, F.; Chailleux, E.; Sauger, L. Evolution of bituminous mix behaviour submitted to UV rays in laboratory compared to field exposure Journal of Materials & Structure, Volume 47, Issue 8, 2014, Page 1287-1299) 3
Démarche suivie (1) Comparaison de plusieurs types de vieillissement : en laboratoire et sur site - sur enrobé et sur liant modifié seul Vieillissement sur l enrobé bitumineux Vieillissement sur le liant Exposition aux UV à 44 C et à différents temps de séjour Vieillissement in situ - 12, 26 et 44 mois Béton Bitumineux Drainant à base de bitume élastomère (mis en œuvre sur une chaussée fortement circulée du Sud de la France) : formule granulométrique : 0/10 épaisseur de la couche : 4 cm teneur en liant : 4,5% teneur en vides : 24,3% Simulation du durcissement à court terme (enrobage) -RTFOT à 163 C (NF EN 12607-1) Simulation du vieillissement à long terme (plusieurs années de service) -RTFOT à 163 C + 20h PAV (NF EN 14769) 4
Démarche suivie (2) Vieillissement artificiel aux UV de «tranches» d'enrobés : choix de l appareil Q-UV avec lampes fluorescentes UV-A (NF EN ISO 4892-3) 30 min pluie 90 min UVA (340 nm) 30 min pluie 90 min UVA (340 nm) 90 min UVA (340 nm) Vieillissement UV Préparation des éprouvettes par sciage (8 cm X 24 cm X 1 cm) A A A A B 5
Démarche suivie (3) Mesure de la température moyennes des éprouvettes soumis au rayonnement UV : découplage de l effet thermique de l effet photo-oxydatif 85 75 enceinte 65 Température ( C) panneau noir 60 C 55 enrobé température moyenne 44 C 45 35 25 20:05:36 20:01:36 19:57:36 19:53:36 19:49:36 19:45:36 19:41:36 19:37:36 19:33:36 19:29:36 19:25:36 19:21:36 19:17:36 19:13:36 19:09:36 19:05:36 19:01:36 18:57:36 18:53:36 18:49:36 18:45:36 18:41:36 18:37:36 18:33:36 18:29:36 18:25:36 18:21:36 18:17:36 18:13:36 18:09:36 15 18:05:36 température moyenne de 44 C calculée sur 8 cycles à mi-épaisseur des éprouvettes Temps (horaire) 6
Résultats obtenus Influence des UV sur le vieillissement en laboratoire des «tranches» d'enrobés Impact sur les caractéristiques physico-chimiques : Caractéristiques physicochimiques mesurées Durée du vieillissement ((Thermique+UV) - Thermique) Contribution des UV dans le processus global d oxydation Température Bille & Anneau 800h 1600h 6,6 C 9,2 C 1,4% 12,0% 800h 1600h 2,4% 5,0% 77,4% 78,1% 800h 1600h 2,1% 1,7 % 19,1% 15,9% 800h 0,4% 22,2% (NF EN 1427) Indice infrarouge des carbonyles (Méthode des LPC n 69) Indice infrarouge des sulfoxydes (Méthode des LPC n 69) Indice infrarouge de la partie butadiène du SBS (Méthode des LPC n 69) Effet des UV très prononcé sur la production de carbonyles Effet des UV plus modéré sur la production des sulfoxydes et la diminution de la teneur en double-liaison des chaînes butadiène du SBS 7
Résultats obtenus Influence des UV sur le vieillissement en laboratoire des «tranches» d'enrobés Impact sur les caractéristiques rhéologiques : Caractéristiques rhéologiques mesurées Durée du vieillissement ((Thermique+UV) - Thermique) Contribution des UV dans le processus global d oxydation Température pour laquelle l angle de phase est égal à 27 800h 1600h 6,2 C 11,8 C 31,8% 45,2% Température pour laquelle l angle de phase est égal à 45 800h 1600h 9,0 C 16,1 C 22,7% 33,8% Effet des UV plus marqué pour la température à laquelle l'angle de phase est égal à 27 capacité du liant à dissiper les contraintes à basse température dépendante des UV 8
Résultats obtenus Comparaison des niveaux de vieillissement des enrobés après exposition UV en laboratoire et sur site Cinétique de production des carbonyles 1600 heures d'oxydation thermique RTFOT + PAV 800 heures de photo-oxydation > RTFOT + PAV 3200 heures d'oxydation thermique < 44 mois sur site 3200 heures de photo-oxydation < 44 mois sur site 9
Résultats obtenus Comparaison des niveaux de vieillissement des enrobés après exposition UV en laboratoire et sur site Cinétique de diminution de la teneur en double-liaison des chaînes butadiène du SBS 3200 heures d'oxydation thermique 9% de dégradation du polymère < RTFOT + PAV et 44 mois sur site 800 heures de photo-oxydation = 22% de dégradation du polymère > RTFOT + PAV et 44 mois sur site 10
Résultats obtenus Comparaison des niveaux de vieillissement des enrobés après exposition UV en laboratoire et sur site Cinétique d'augmentation de la température pour laquelle G* /sin δ est égal à 0,05 MPa 3200 heures d'oxydation thermique RTFOT + PAV 800 heures de photo-oxydation > RTFOT + PAV 3200 heures d'oxydation thermique < 44 mois sur site 800 heures de photo-oxydation > 44 mois sur site 75 Thermal ageing UV ageing Original fresh binder After RTFOT After RTFOT+PAV 12 months on site ageing 44 months on site ageing T @ G* /sin d = 0.05 MPa 70 65 60 55 50 45 40 0 500 1000 1500 2000 Ageing time (hours) 2500 3000 3500 11
Résultats obtenus Comparaison des niveaux de vieillissement des enrobés après exposition UV en laboratoire et sur site Cinétique d'augmentation de la température pour laquelle G*.sin δ est égal à 5 MPa 3200 heures d'oxydation thermique RTFOT + PAV 800 heures de photo-oxydation > RTFOT + PAV 3200 heures d'oxydation thermique < 44 mois sur site 3200 heures de photo-oxydation > 44 mois sur site 33 Thermal ageing UV ageing Original fresh binder After RTFOT After RTFOT+PAV 12 months on site ageing 44 months on site ageing 31 T @ G* *sin d = 5 MPa 29 27 25 23 21 19 17 15 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Ageing time (hours) 12
Synthèse des résultats Mise en évidence d'un effet des UV sur le vieillissement chimique des enrobés bitumineux de surface à base de bitume/polymère: Augmentation de la teneur en carbonyles Diminution de la teneur en double liaison des Accroissement de la rigidité du liant chaînes butadiène du SBS Comparaison des niveaux de vieillissement des matériaux sous différentes conditions oxydatives: A) vis-à-vis des propriétés rhéologiques : RTFOT + PAV 3200 heures d'oxydation thermique RTFOT + PAV < 800 heures de photo-oxydation 44 mois sur site 3200 heures d'oxydation thermique 44 mois sur site 3200 heures de photo-oxydation B) vis-à-vis de la production de produits oxygénés : RTFOT + PAV 1600 heures d'oxydation thermique RTFOT + PAV < 800 heures de photo-oxydation 44 mois sur site > 3200 heures d'oxydation thermique 44 mois sur site > 3200 heures de photo-oxydation 13
Conclusions Introduction lors du vieillissement simulé en laboratoire des enrobés d une séquence d exposition aux UV -> effet des UV significatif Accroissement de la vitesse d'oxydation par les UV Différenciation de la cinétique d'évolution des matériaux selon la présence ou pas de radiations UV : sous-estimation de l'évolution réelle du bitume dans un enrobé en couche de surface par les méthodes normalisées de vieillissement en laboratoire du liant meilleure simulation du vieillissement à long-terme en intégrant les UV à l oxydation thermique 14