Modélisation du refroidissement d une couche d enrobé hydrocarboné à chaud Michel Froumentin CETE Normandie Centre 10, Chemin de la Poudrière 76121 Le Grand Quevilly Cedex Centre d Expérimentation Routière Géotechnique routière et matériels de chantier 1
Plan de la présentation Introduction Pourquoi une modélisation du refroidissement? Modèle retenu Étude en laboratoire: validation du modèle sur du sable réponse du modèle sur matériau bitumineux Étude en chantier Poursuite de la recherche Conclusions, perspectives, développement 2
Introduction Travaux initiés dans le cadre du projet européen OSYRIS (2000 2003) et poursuivis dans l opération «Modernisation de l exécution des chantiers routiers» (2001 2004) du LCPC. Unités: LCPC Centre de Nantes LR Rouen Département Chaussées CER Rouen CUST Clermont Ferrand (TFE ingénieur) INSA Rouen (stages 2ème année ingénieur) 3
Pourquoi une modélisation? (1/2) La température du mélange au moment du compactage est un paramètre important la maniabilité du matériau, donc sa "compactabilité" dépend de la température si le compactage est réalisé sur un enrobé trop froid: la compacité visée ne sera pas atteinte risque de micro fissuration défauts de surface (écrouissage) si le compactage est réalisé sur un enrobé trop chaud: apparition de fissures dues aux contraintes de cisaillement phénomène dem.fluage (vague devant le compacteur) FROUMENTIN Centre d Expérimentation Routière 4
Pourquoi une modélisation? (2/2) La température est le paramètre qui est de loin le plus susceptible à des grandes variations sur chantier (délais de transports, débit du finisseur, conditions météorologiques) Les normes (NF P 98 130,131,132 etc.) définissent une fourchette de température de fabrication et une fourchette de température de répandage La température minimale (Tmin) à partir de laquelle le compactage doit être arrêté (dernière passe effective) est définie en fonction de la dureté du bitume Tmin = Température de ramollissement + 50 C 5
Tableau extrait du guide Technique sur le Compactage des enrobés hydrocarbonés à chaud (LCPC juin 2003) Classe du bitume Température Température de de fabrication répandage de l enrobé optimale Températur Température e de minimale de répandage compactage minimale 180/220 130-150 125-145 115 95 70/100 140-160 130-150 120 100 50/70 145-165 135-155 125 105 35/50 150-170 140-160 130 110 145-165 140 115 20/30 Températures en C 6
On définit la durée utile de compactage Dc comme le temps durant lequel la température reste à l intérieur de l intervalle: Température de répandage Température minimale de compactage La durée utile de compactage est donc fonction de la nature du mélange mais aussi des conditions météorologiques qui influent sur la vitesse de refroidissement La prise en compte de façon précise de l influence des conditions météo implique la mesure de la température au sein de la couche compactée (à mi épaisseur) pour vérifier que la température est située à l intérieur de la fourchette 7
Dans la situation actuelle, trois situations types sont distinguées température De l air ( C) vent léger < 20 km/h vent moyen 20 à 50 km/h vent fort > 50 km/h < 5 C - - - 5 à 20 C = = - > 20 C + = - En fonction de la prévision en début de journée rencontrée sur chantier, on donne une durée utile de compactage pour les couches de roulement et de liaison. Si on autorise la mise en œuvre par temps froid ou pluie fine, il convient de déterminer la durée utile de compactage par mesure de la température. (informations données dans les tableaux du guide technique sur le compactage M. FROUMENTIN Centre d Expérimentation Routière 8
Objet de la modélisation: L objectif du modèle développé est de calculer sur chantier la durée utile de compactage en fonction des conditions réelles de mise en œuvre (mélange, épaisseur de la couche, conditions météorologiques). Cette durée correspond au temps auquel la température en milieu de couche aura atteint une température limite fixée au préalable en fonction du mélange mis en œuvre. 9
p*i I : rayonnement solaire Échange avec l atmosphère p : partie absorbée Convection : Phi = C(ts t) Couche d enrobé Equation de la Support chaleur a : diffusivité 10
Travaux utilisés: Bossemeyer H.R. (D) Corlew J.S. et Dickson P.F. (USA) M. Laporte LRPC Clermont Ferrand (F) Modèle 1D utilisant la méthode numérique de Crank Nicolson (approximation par différences finies) pour résoudre l équation de la chaleur 11
Calcul du gradient de température Exemple de résultat obtenu avec le modèle au cours du refroidissement (plaque sans compactage) 120 Hauteur couche (mm) 100 80 0 min 1 min 4 min 60 8 min 16 min 32 min 64 min 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Température ( C) 12
ETUDE EN LABORATOIRE Phase 1: étude de la réponse du modèle sur du sable Phase 2: étude de la réponse du modèle sur matériau bitumineux répétabilité influence du matériau influence de l épaisseur influence de la température 13
Réponse du modèle sur du sable Sable de Fontainebleau Le sable est pesé puis mis dans l étuve dans plusieurs bacs (température homogène 160 165 C) pendant 12 heures. Le sable est mis en place dans la cuve, les sondes sont placées aux différentes profondeurs (fonction de l épaisseur) et l enregistrement des températures est réalisé pendant 1 heure. Chaleur massique du sable de fontainebleau = 703 J/kg K. Conductivité du sable de fontainebleau = 0.32 W/m K 14
Validation du modèle sur du sable Ecart de température ( C) -40-30 -20-10 0 10 20 30 40 0 10 Profondeur (%) 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Modalités 8, 12, 16, 20 cm 15
Validation du modèle sur du sable Conclusions modèle très bien calé à mi couche il faut éliminer les zones situées en surface et au fond (tranches de 2 cm d épaisseur) écart observés < 5 % dans la frange 25 à 75 % de l épaisseur de la couche 16
Validation du modèle sur matériau bitumineux Essais réalisés en laboratoire: Petites quantités de matériau conditions constantes (température ambiante, température du support, vent nul, contrôle du compactage) mise en place des sondes contrôlée Méthodologie: Fabrication du mélange à chaud Conservation en étuve Confection de la plaque, mise en place des sondes Compactage Enregistrement M.du refroidissement (# 4000 sec.) FROUMENTIN Centre d Expérimentation Routière 17
Validation du modèle sur matériau bitumineux Fabrication des éprouvettes Matériel utilisé: Malaxeur MLPC thermo régulé BBMAX 18
Validation du modèle sur matériau bitumineux Mélange des granulats 19
Validation du modèle sur matériau bitumineux Ajout du bitume aux granulats 20
Validation du modèle sur matériau bitumineux Mélange obtenu après malaxage 21
Validation du modèle sur matériau bitumineux Compactage des éprouvettes Matériel utilisé: Compacteur de plaques MLPC BBPAC Roue de compacatge Enregistreur des températures Moule 500 x 180 mm 22
Validation du modèle sur matériau bitumineux Remplissage du moule avec le mélange 23
Validation du modèle sur matériau bitumineux Mise en place des sondes de température 24
Validation du modèle sur matériau bitumineux sondes de température à différentes profondeurs 25
Validation du modèle sur matériau bitumineux Compactage de la plaque 26
Température Facteur Matériau étudié répétabilité BBSG 0/10 (6 plaques) classe 1 de début de Epaisseur de Compacité Mode de compactage la plaque visée compactage ( C) (mm) (%) 8 passes rapides 140 120 140 160 85 85 85 85 84 90 90 90 16 passes rapides 16 passes rapides 16 passes rapides température BBSG 0/10 (3 plaques) vitesse de classe 1 BBSG 0/10 compactage classe 1 140 85 90 16 passes lentes (1 plaque) épaisseur BBSG 0/10 140 140 40 100 90 90 8 passes rapides 16 passes rapides 0/14 classe2 grave bitume 140 100 90 16 passes rapides 0/20 classe2 BBM 0/10 140 100 90 16 passes rapides classe 2 140 40 90 8 passes rapides (2 plaques) matériau (3 plaques) classe 1 grave bitume 27
Répétabilité sur enrobé 1 6 0.0 1 4 0.0 1 2 0.0 1 0 0.0 8 0.0 6 0.0 4 0.0 2 0.0 0.0 re p 1 re p 2 re p 3 re p 4 re p 5 re p 6 éra tu re m oyenne m + 2E T m -2 E T ( c ) te m p S o n d e à 3 8 m m d e p r o fo n d e u r l'é c a r t ty p e m o y e n p o u r te m p s > 4 0 0 " e s t d e 3.1 C 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 te m p s (s ) 28
Influence du matériau Ep. 100 mm compacité 90 % StartTemp= 140 C Sondes plac ées à 58 mm de hauteur 160.0 140.0 120.0 100.0 BBSG 0/10 GB 0/14 GB 0/20 é rature en 60.0 C Temp 80.0 40.0 20.0 0.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Temps ( en secondes ) 29
Comparaison des durées utiles de compactage calculées par le modèle et celles déterminées par la mesure de la température à mi épaisseur ( 19 essais de laboratoire) 3500 3000 "pessimiste" (25 %) 2500.) 1500 è le (sec StopTime mod 2000 "optimiste" (75 %) 1000 500 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 StopTime expérience (sec.) 30
Premiers essais sur chantier Matériau (épaisseur, compacité, conductivité) Conditions météo (températures ambiante et support, vitesse vent) Température de répandage et de fin de compactage Sondes placées sur le côté de la couche compactée à différentes profondeurs 31
Premiers essais sur chantier 32
Poursuite de la recherche Évaluation de la prise en compte des caractéristiques thermiques du mélange (chaleur massique, conductivité) Validation du modèle sur chantiers réels étude de l influence des principaux facteurs (épaisseur, matériau, conditions météorologiques, température de répandage), observation des écarts obtenus (modèle/mesure) Développement d un produit industriel (partenariat) 33
Conclusions Modèle simple (temps de calcul court) Bonne cohérence entre prédiction et réalité (cas de chantiers à élargir) Détermination précise de la durée utile de compactage Paramétrage simple du modèle (épaisseur de la couche) Traçabilité possible pour une partie des conditions de mise en œuvre (gestion de la route) Exploitation possible pour les EBE (?) 34
Vitesse vent, GPS θa, θs, θr Autres paramètres de fabrication de mélange (traçabilité) Affichage au conducteur du temps restant pour finir le compactage finisseur modèle GPS BdD (carte) Dc= 24 Affichage à l arrière du finisseur de la durée de compactage et de la tendance ( ) Le contrôleur consulte la base de données sur son pocket PC par liaison Wifi 35