Rapport PFE final - Bienvenue sur Catalogue des mémoires de

Transcription

Mémoire de PFE
Spécialité Génie Civil
Etude de la sensibilité du module des enrobés à module élevé,
influence de la teneur en liant, de la compacité et du pourcentage
d’agrégats d’enrobé du matériau
Auteur : PY Florian
INSA Strasbourg, Spécialité Génie civil
Tuteur Laboratoire : COIN Vincent
Responsable d’activité matériaux de chaussées, LRPC Strasbourg
Tuteur INSA Strasbourg : CHAZALLON Cyrille
Maitre de conférences
Juin 2010
Remerciements
Ma gratitude s’adresse M. COIN, responsable d’activité matériaux de chaussées, mon
maître de stage. Son accueil et sa confiance ont rendu ce stage possible et intéressant. Je le
remercie aussi pour son amabilité, sa patience et le soutien technique qu’il m’a apporté tout au
long du stage.
Je tiens ensuite à remercier l’ensemble du personnel du LRPC de Strasbourg avec qui
j’ai eu la chance d’être en contact et de travailler, et plus particulièrement :
-
M. KUNTZ, Directeur Général du LRPC de Strasbourg, pour m’avoir accueilli au sein
du laboratoire.
-
M. ODEON, chef du groupe GTC, pour son accueil au sein du groupe Chaussée.
-
M. AUBRY et M. FEESER qui m’ont apporté leur aide et leur soutien dans la
réalisation de mes essais.
Je remercie également le personnel du LCPC de Nantes qui m’a accordé du temps et
permis d’avancer plus efficacement dans mes recherches, et plus particulièrement :
-
M. GAUDEFROY pour son aide dans l’élaboration et l’interprétation des plans
d’expérience.
-
M. BROSSEAUD pour les renseignements apportés sur les EME.
Mes remerciements s’adressent également à M. MARSAC du LRPC de Angers qui
devrait poursuivre cette étude en étudiant la fatigue de l’EME, ce qui donnera sans nul doute
une autre dimension à ce projet.
Je remercie également Mme STORCK, ingénieur commercial région Est de Shell
bitume, ainsi que les employés de la centrale de Valff pour l’approvisionnement en matériau.
Je tiens enfin à remercier l’équipe d’encadrement de la formation Génie Civil de
l’INSA Strasbourg et plus spécialement M. Chazallon pour le suivi du stage.
2
Résumé
Dès mon arrivée dans le laboratoire régional de Strasbourg, je me suis documenté sur
les enrobés à module élevé (EME) ainsi que sur l’essai de traction direct type MAER pour en
comprendre au mieux son fonctionnement et ses principes. L’autre grande partie de cette
étude bibliographique fut la compréhension générale de la méthode des plans d’expérience.
Cette méthode a permis de fixer, par une démarche scientifique, le nombre et les essais à
réaliser pour répondre aux attentes du laboratoire dans le temps imparti.
Le travail demandé par le laboratoire, outre l’exécution et l’exploitation des essais de
module préalablement défini par le plan d’expérience, était l’élaboration complète de l’EME.
Cette élaboration est constituée de diverses étapes toutes aussi importantes les unes que les
autres et demandant chacune une attention particulière.
J’ai tout d’abord mené une étude de recomposition (basée sur une étude de formulation
récente d’une entreprise de travaux publics) qui m’a permis de calculer les masses de
constituants nécessaires (filler, granulats, agrégats d’enrobé et bitume). Une fois ces
matériaux récupérés, j’ai réalisé des essais de caractérisation sur les différentes coupures
granulaires et les agrégats en vue d’affiner leurs dosages dans la formulation.
Cette phase amont terminée, j’ai pu me familiariser avec la fabrication des plaques
d’enrobé à proprement parlé. Ainsi, j’ai pu réaliser les différents mélanges à chaud, malaxer
l’ensemble des matériaux pour ensuite compacter et obtenir une plaque d’enrobé. Ceci m’a
permis de me rendre compte de certaines difficultés pratiques, notamment vis à vis du
compactage de plaques à certaines caractéristiques imposées qui semblent ainsi peu
compatibles.
Une fois les diverses opérations de découpage des éprouvettes réalisées (sciage,
carottage et surfaçage), j’ai dû caractériser précisément les éprouvettes fabriquées. J’ai ainsi
pratiqué divers essais, notamment concernant la détermination des vides de l’enrobé (par
diverses méthodes que sont le banc gamma, la méthode géométrique et la méthode
hydrostatique) et de sa teneur en liant.
J’ai enfin pu mettre en pratique les connaissances théoriques acquises lors de la phase
bibliographique en manipulant et réalisant les différents essais de traction MAER aux
différentes températures et temps de charge définis par la norme. Ces essais de module ont été
suivis d’une interprétation via un logiciel statistique qui a permis d’exploiter au mieux les
résultats du plan d’expérience et de mettre en évidence les facteurs déterminant sur les
performances mécaniques et d’en déduire un modèle mathématique associé utilisable dans les
limites du domaine d’étude.
Mots clés : matériaux de chaussée – enrobé à module élevé (EME) – performances
mécaniques des EME – essais MAER - module de rigidité
3
Sommaire
1.
2.
Introduction ......................................................................................................................... 7
Présentation du CETE et du LRPC ..................................................................................... 9
2.1. Le CETE ...................................................................................................................... 9
2.2. Le LRPC de Strasbourg ............................................................................................... 9
2.2.1. Présentation générale .......................................................................................... 9
2.2.2. Le Groupe Chaussée (G2) .................................................................................. 10
3. Les enrobés à module élevé .............................................................................................. 11
3.1. Définition et contexte normatif de l’EME ................................................................. 11
3.1.1. Définition ............................................................................................................ 11
3.1.2. Contexte normatif ............................................................................................... 11
3.2. Historique .................................................................................................................. 12
3.3. Caractéristiques des EME .......................................................................................... 12
3.3.1. Les différents niveaux de l’épreuve de formulation ........................................... 12
3.3.2. Les performances attendues de l’EME............................................................... 14
4. Détermination de la quantité d’essais à réaliser – Plan d’expérience ............................... 16
4.1. Objectif et problématique de l’étude ......................................................................... 16
4.2. Plan d’expérience ...................................................................................................... 17
4.2.1. Principe .............................................................................................................. 17
4.2.2. Plan adopté : carré latin 33-1.............................................................................. 17
4.3. Partenariat avec le LRPC d’Angers ........................................................................... 19
5. Les matériaux .................................................................................................................... 20
5.1. Provenance et caractéristiques des matériaux............................................................ 20
5.1.1. Granulats ............................................................................................................ 20
5.1.2. Filler d’apport .................................................................................................... 20
5.1.3. Bitume................................................................................................................. 20
5.1.4. Agrégats d’enrobés ............................................................................................ 21
5.2. Quantités des constituants ......................................................................................... 21
6. Planning ............................................................................................................................ 23
7. Analyse granulométrique et teneur en liant ...................................................................... 24
7.1. Préliminaires .............................................................................................................. 24
7.2. Analyse granulométrique ........................................................................................... 24
7.2.1. Objectif de l’analyse........................................................................................... 24
7.2.2. Interprétation des résultats de l’analyse granulométrique ................................ 24
7.3. Teneur en liant ........................................................................................................... 27
8. Formulation du mélange bitumineux ................................................................................ 28
8.1. Etude de formulation ................................................................................................. 28
8.2. Calcul des quantités ................................................................................................... 30
9. Confection de la plaque d’enrobé ..................................................................................... 31
4
9.1. La fabrication ............................................................................................................. 31
9.2. Le compactage ........................................................................................................... 32
9.3. Observations .............................................................................................................. 32
10. Sciage, carottage et surfaçage ........................................................................................... 34
10.1. Sciage de la plaque .................................................................................................... 34
10.2. Carottage des éprouvettes .......................................................................................... 34
11. Détermination de la teneur en vides .................................................................................. 36
11.1. Méthodes utilisées ..................................................................................................... 36
11.2. Résultats obtenus et interprétation ............................................................................. 37
11.2.1.
Interprétation générale ................................................................................... 37
11.2.2.
Comparaison des différentes méthodes utilisées ............................................ 39
11.2.3.
Conclusion ...................................................................................................... 42
12. Détermination de la teneur en liant ................................................................................... 43
12.1. Méthode et résultats ................................................................................................... 43
12.2. Résultats et interprétation .......................................................................................... 44
12.3. Cause ......................................................................................................................... 44
12.4. Conséquence .............................................................................................................. 45
13. Essai MAER...................................................................................................................... 46
13.1. Préliminaires .............................................................................................................. 46
13.2. Divergence de procédure avec la norme.................................................................... 46
13.3. Résultats obtenus ....................................................................................................... 47
13.4. Incertitude de mesure................................................................................................. 48
14. Interprétation des résultats ................................................................................................ 49
14.1. Préliminaires .............................................................................................................. 49
14.2. Poids des effets .......................................................................................................... 49
14.3. Modèle mathématique ............................................................................................... 50
14.4. Limites de l’étude ...................................................................................................... 51
14.5. Résultats du plan d’expérience complet .................................................................... 52
14.6. Observations .............................................................................................................. 54
14.7. Fuseaux de passage .................................................................................................... 58
15. Compétences acquises ...................................................................................................... 59
16. Conclusion ........................................................................................................................ 60
Bibliographie ............................................................................................................................ 62
5
LISTE DES FIGURES
Figure 1. Organigramme du groupe Chaussée ...................................................................................................... 10
Figure 2. Niveaux de l’épreuve de formulation .................................................................................................... 13
Figure 3. Représentation graphique du plan carré latin adopté ............................................................................. 18
Figure 4. Comparaison des courbes granulométriques effectuées par EUROVIA et au LRS ............................... 25
Figure 5. Analyses granulométriques du sable ...................................................................................................... 26
Figure 6. Schéma d’une plaque d’enrobé réalisée ................................................................................................. 32
Figure 7. Eprouvettes C2 à gauche à 3% de vides et D2 à droite à 2,2% de vides................................................ 33
Figure 8. Plan de sciage ........................................................................................................................................ 34
Figure 9. Plan de carottage (exemple de la plaque EME A (Ag=20%, TL=5% et V=5%)) .................................. 35
Figure 10. Exemple de « I » paraffiné (« I 12») utilisé pour la méthode hydrostatique ........................................ 36
Figure 11. Gradient de teneur en vides sur la hauteur d’une plaque ..................................................................... 38
Figure 12. Comparaison des méthodes de détermination du pourcentage de vides d’un enrobé .......................... 39
Figure 13. Comparaison des méthodes sur éprouvettes cylindriques .................................................................... 41
Figure 14. Extraction de liant : panier contenant de l’enrobé avant et après l’essai ............................................. 43
Figure 15. Poids des facteurs donnés par Statgraphic ........................................................................................... 49
Figure 16. Représentation graphique de Pareto du poids des facteurs .................................................................. 50
Figure 17. Comparaison des valeurs observées aux valeurs prédites .................................................................... 54
Figure 18. Influence de la teneur en liant sur le module d'un EME ...................................................................... 55
Figure 19. Influence de la teneur en vides sur le module d'un EME ..................................................................... 56
Figure 20. Influence de la teneur en agrégats sur le module d'un EME ................................................................ 57
Figure 21. Fuseaux de passage en compacité du module d’un EB14-EME2 contenant 0% d’agrégats ................ 58
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1. Extrait NF EN 13108-1 concernant un EME 0/14 de classe 2 ............................................................ 11
Tableau 2. Epaisseurs d’utilisation par couche ..................................................................................................... 15
Tableau 3. Formule de Moutier pour les graves bitumes ...................................................................................... 16
Tableau 4. Ordre des essais et dénomination des plaques d’enrobé correspondante ............................................ 19
Tableau 5. Quantité totale de matériaux à prélever ............................................................................................... 21
Tableau 6. Teneur en liant des agrégats ................................................................................................................ 27
Tableau 7. Explication du principe de l’étude de formulation. Exemple de la plaque sans agrégats .................... 29
Tableau 8. Quantité de matériaux nécessaires pour la réalisation des 9 plaques du plan d’expérience ................ 30
Tableau 9. Désignation utilisée pour référencer les plaques ................................................................................. 35
Tableau 10. Récapitulatif des teneurs en vides obtenues ...................................................................................... 37
Tableau 11. Comparaison teneur en vides du banc gamma aux valeurs initialement souhaitées .......................... 37
Tableau 12. Teneurs en liant réelles ...................................................................................................................... 44
Tableau 13. Plan d’expérience revu et adopté ....................................................................................................... 47
Tableau 14. Résultats complets (% Ag, teneur en liant, % vides, modules et incertitudes de mesure) ................. 48
Tableau 15. Valeurs de module des EME du plan d’expérience complet ............................................................. 53
6
1. Introduction
Dans le cadre de chantiers routiers, les matériaux de type enrobé à module élevé
(EME) sont largement utilisés sur le territoire français. Ces matériaux ont des propriétés
mécaniques très intéressantes qui leur offrent de très bonnes performances mécaniques en
termes de résistance à la fatigue et de module, ce qui permet de réduire l’épaisseur des
couches d’assise.
L’autorisation de mise en œuvre de ce genre de matériaux est la plupart du temps
conditionnée par la réalisation d’essais de laboratoire et par le respect des seuils de
performance conformément à la norme européenne en vigueur. Ces performances ne sont
donc valables que pour une composition bien définie et un compactage fixé. Or, les aléas de
chantier ne permettent pas de garantir ces différents critères et entrainent parfois des écarts sur
le dosage des constituants et la mise en œuvre du matériau, ce qui peut provoquer une
diminution importante de la durée de vie de la chaussée.
L’état actuel des connaissances ne permet pas de prédire précisément l’effet d’un sous
compactage de l’EME ou d’un sous dosage en liant sur le module de ce type d’enrobé. Ainsi,
à défaut d’autres données sur le sujet, il est courant d’utiliser un modèle mathématique qui est
à priori inadapté. En effet, ce modèle a été défini pour un autre type de matériaux, les graves
bitumes, dont les caractéristiques, teneur en liant (plus faible) et nature du liant (moins dur),
diffèrent de celles de l’EME.
La préservation des ressources non renouvelables exigée dans le cadre de la mise en
œuvre du Grenelle de l’environnement incite les entreprises de construction routière au
réemploi et au recyclage des matériaux bitumineux. Tout comme la teneur en liant et le
pourcentage de vides, l’influence de la teneur de ces agrégats sur les propriétés de l’EME est
encore mal connue bien que le recyclage soit fortement pratiqué (recyclage des enrobés
drainants – base dure dans les EME – pratique française et hollandaise très répandue).
L’objectif de cette étude portera donc sur le développement d’un modèle
mathématique permettant d’estimer l’influence d’un sous dosage en liant, d’un sous
compactage et la présence en quantités plus ou moins importante d’agrégats d’enrobé sur les
performances mécaniques d’un EME fabriqué à partir de granulats silico-calcaires d’Alsace.
Par ailleurs, cette étude se basera sur une formulation d’enrobé existante et répondant aux
niveaux d’exigence prescrit dans la norme.
Dans ce mémoire, nous présenterons dans un premier temps le Centre d’Etudes
Techniques de l’Equipement (CETE) et plus particulièrement le Laboratoire Régional des
Ponts et Chaussées (LRPC) de Strasbourg. Ensuite, nous discuterons de l’EME de façon
générale en abordant notamment différentes thématiques telles que son développement
historique et ses propriétés mécaniques fondamentales. Nous étudierons ensuite la méthode
7
des plans d’expérience, démarche utilisée pour la détermination du nombre et le choix des
essais à réaliser. Nous nous intéresserons également aux différentes opérations nécessaires à
la confection des éprouvettes cylindriques en vue l’essai de traction (calcul des quantités de
matériaux, étude de formulation, fabrication des plaques d’enrobé, sciage, carottage,
surfaçage et encollage des casques) ainsi qu’aux différents essais réalisés pour caractériser au
mieux les matériaux d’apport (analyse granulométrique et teneur en liant des agrégats). Nous
discuterons également des essais réalisés pour caractériser les enrobés fabriqués (teneur en
liant, pourcentage de vides), faisant par la même une analyse critique de ces procédés. Nous
présenterons ensuite l’essai MAER, les résultats de module obtenus et leur interprétation.
Enfin, nous terminerons par une partie concernant les compétences acquises lors de ce projet
avant de conclure sur l’étude menée.
8
2. Présentation du CETE et du LRPC
2.1.
Le CETE
Une présentation globale et sommaire du Centre d’Etudes Techniques de
l’Equipement (CETE) est disponible en annexe 1. Dans ce rapport, seul est présenté le
Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées (LRPC) de Strasbourg et plus particulièrement
le groupe Chaussée dans lequel la présente étude a été effectuée.
2.2.
Le LRPC de Strasbourg
2.2.1. Présentation générale
Le Laboratoire Régional des Ponts et Chaussées de Strasbourg a été crée en 1966. Il
fusionnera en 1971 avec le Laboratoire Régional de Colmar pour ensuite être intégré au
CETE de l’Est en octobre 1973, date de création du CETE. Il compte à ce jour une
soixantaine d’ingénieurs et techniciens qui mobilisent leurs compétences prioritairement en
Alsace, sur le Territoire de Belfort et l’arrondissement de Saint-Dié des Vosges.
Le laboratoire de Strasbourg est composé des services généraux et de cinq groupes
techniques (G1 à G6) comprenant :
-
Groupe Géotechnique – Terrassement – Chaussées, divisé en deux sous groupes (G1 =
Géotechnique + Terrassement et G2 = Chaussées) ;
-
Groupe Ouvrage d’Art (G3) ;
-
Groupe Construction (G4) ;
-
Groupe Acoustique (G5) ;
-
Groupe Méthodes physiques (G6).
L’organigramme simplifié du LRPC de Strasbourg est donné en annexe 2 pour
information.
Il est également important de noter que le LRPC de Strasbourg est accrédité par le
COmité FRançais d’ACcréditation (COFRAC) pour une partie de ses activités Essais (norme
EN45001) qu’il réalise soit dans le cadre de ses prestations propres, soit pour l’application des
procédures de certification. De plus, pour satisfaire au mieux ses clients et partenaires, le
laboratoire de Strasbourg est engagé dans une démarche de certification selon le référentiel de
la norme ISO 9001 sur le champ de l’ensemble de ses activités.
9
2.2.2. Le Groupe Chaussée (G2)
L’organigramme fonctionnel du groupe Chaussée au 01/01/2010 est le suivant :
Figure 1. Organigramme du groupe Chaussée
Les domaines d’intervention du groupe G2 sont les suivants :
-
Activité 1 : Dimensionnement et auscultation: études technico-économiques,
assistance technique, détermination des caractéristiques structurelles et de surface,
suivi gel-dégel, expertise.
-
Activité 2 : Matériaux de Chaussées : assistance technique (participation à la rédaction
des dossiers de consultation des entreprises, assistance en phase chantier…),
vérification de la qualité des ouvrages (contrôle extérieur), études de formulation des
enrobés et expertise.
10
3. Les enrobés à module élevé
3.1.
Définition et contexte normatif de l’EME
3.1.1. Définition
Le dictionnaire de l’entretien routier de l’Observatoire National de la Route définit
l’EME de la manière suivante : « Enrobé préparé à partir d’un mélange de liant hydrocarboné,
de granulats (éventuellement de dopes) et/ou d’additifs minéraux ou organiques, dosés,
chauffés et malaxés dans une installation appelée centrale d’enrobage. Ils sont destinés à la
réalisation des assises dans le cadre de travaux neufs ou de renforcements de chaussées. On
distingue deux classes de performance classe 1 et classe 2. Les granularités les plus utilisées
sont 0/10, 0/14 et 0/20 ».
3.1.2. Contexte normatif
Anciennement référencé dans la norme française NF P 98-140, l’EME ainsi que de
nombreux autres enrobés (BBSG, BBME, BBA, BBCS, BBM et GB) est depuis février 2007
repris dans la norme européenne NF EN 13108-1. Cette norme se veut spécifier les enrobés
bitumineux soit par une approche empirique soit par une approche fondamentale, pour tenir
compte au mieux des degrés de connaissance et d’expérience des pays de l’Union
Européenne.
Le tableau ci-dessous présente l’extrait de cette norme qui concerne le type d’EME sur
lesquels les essais seront réalisés lors de cette étude.
Tableau 1. Extrait NF EN 13108-1 concernant un EME 0/14 de classe 2
Remarque : Il est important de noter que le pourcentage de vides de 3 à 6% concerne la
formulation en laboratoire. Sur chantier, la norme NF P98150-1 relative à la mise en œuvre
des enrobés définit seulement un fuseau de conformité compris entre 0 et 6%.
11
3.2.
Historique
Pour mieux comprendre la raison pour laquelle les EME sont apparus sur le territoire
français, il convient de s’intéresser tout d’abord à la problématique des graves bitumes (GB),
problématique exposée dans Les enrobés bitumineux Tome 2.
Les premières graves bitumes sont apparues au milieu des années 1960 pour répondre
à un accroissement du trafic poids lourd. Elles étaient fabriquées par mélange à chaud à faible
teneur en bitume (de 3 à 3,5% pour les couches de base et seulement de 1,5 à 2,2% en couche
de fondation). Les bitumes étaient assez durs pour l’époque avec des grades 40/50 ou 60/70 et
les compositions granulométriques faisaient appel à 2 ou 3 coupures (0/4, 4/10 et 10/20).
Concernant les teneurs en fines, celles-ci étaient faibles et généralement comprises entre 3 et
7%. A partir de la fin des années 1970, pour limiter le phénomène de désenrobage des GB, les
teneurs en bitume ont été augmentées pour atteindre des valeurs de 4,5 à 5% pour les GB les
plus performantes.
Malgré ces modifications, le problème des graves bitumes réside dans l’importance
des épaisseurs à mettre en œuvre pour obtenir des performances mécaniques de plus en plus
grandissantes. Ainsi, ces considérations économiques mêlées à un souci de préservation des
ressources naturelles ont conduit à la mise au point d’une nouvelle technique pour l’assise des
chaussées, les EME. Ceux-ci permettent de réduire les épaisseurs de matériaux avec des
performances mécaniques élevées, s’inscrivant dans une politique de développement durable
bien avant le Grenelle de l’Environnement.
Pour atteindre cet objectif, les modifications se sont portées sur les squelettes
granulaires (plus stables via l’utilisation de granulats et de sables concassés), l’emploi de
bitume plus dur et sur les teneurs en liant plus élevées que pour les GB.
3.3.
Caractéristiques des EME
Dans cette partie, nous allons dans un premier temps présenter l’épreuve de
formulation comprenant les différents essais et exigences à atteindre en fonction du type
d’enrobé. Ensuite, nous résumerons les principales caractéristiques concernant les EME.
3.3.1. Les différents niveaux de l’épreuve de formulation
Le niveau d’étude de formulation dépend en général du type d’enrobé, du niveau de
sollicitation de la chaussée, de la taille de chantier et des enjeux. La plupart des enrobés
nécessitent à minima une étude de niveau 2 excepté les EME que la norme 13108-1 oriente
vers une étude de niveau 4. Les différents essais présentés ci-dessous permettent de vérifier
les caractéristiques de l’enrobé formulé vis-à-vis des normes en vigueur.
12
Figure 2. Niveaux de l’épreuve de formulation
(extrait de Les enrobés bitumineux Tome 1, MOULIERAC, 2001)
Nous présentons à présent les différents niveaux sans toutefois entrer dans le détail de
l’exécution des différents essais. Ainsi, seuls les essais réalisés dans le cadre de l’évaluation
du module seront détaillés ultérieurement.
• Niveau 1 :
Ce niveau permet d’estimer le comportement des matériaux vis-à-vis de leur tenue à
l’eau (essai Duriez) et vis-à-vis de leur maniabilité (essai Presse à Cisaillement Giratoire).
• Niveau 2 :
Ce niveau comporte les essais du niveau 1 auxquels s’ajoute l’essai de résistance à
l’orniérage.
13
• Niveau 3 :
Ce niveau comporte les essais des niveaux précédents auxquels s’ajoute un essai de
module. Cet essai de module est spécifié dans le cas de chantiers importants et lorsque la
couche intervient dans le fonctionnement structurel de la chaussée (c’est le cas des EME). Il
existe différentes méthodes pour évaluer le module de rigidité d’un enrobé. La procédure de
ces différents essais se trouve dans la norme NF EN 12697-26.
Parmi les méthodes d’évaluation du module, nous comptons notamment l’essai de
module complexe ou l’essai de traction directe MAER (Machine Asservie d’Essais
Rhéologiques) qui sera utilisé lors de nos expérimentations. Les valeurs de module sont
mesurées à 15°C, 10Hz (pour l’essai complexe) ou 0,02s (essai MAER). La température de
15°C correspond à la température moyenne de référence en Europe occidentale. Le temps de
charge de 0,02s, quant à lui, correspond sensiblement au passage d’un poids lourd à 60km/h.
• Niveau 4 :
Ce niveau comporte tous les essais cités précédemment ainsi qu’un essai de
détermination de la résistance à la fatigue. Le recours à cet essai intervient généralement pour
des chantiers importants, notamment sur le réseau autoroutier.
3.3.2. Les performances attendues de l’EME
Il existe théoriquement deux classes de performance pour les EME (classe 1 et 2) qui
diffèrent de part leur teneur en liant :
-
classe 1 : environ 4,2% de liant dans le mélange (module de richesse supérieur à 2,5).
Le système normatif définit bien cette classe, cependant cette technique a
progressivement disparu au profit des EME de classe 2.
-
classe 2 : environ 5,6% de liant dans le mélange (module de richesse supérieur à 3,4)
Remarques :
• Les valeurs de teneur en liant citées correspondent à des valeurs moyennes courantes
en Alsace. L’approche fondamentale de l’avant propos national de la norme NF EN
13108-1 ne définit pas de valeurs. Les spécifications de la norme ne concernent que
les performances mécaniques du matériau, libre au formulateur d’ajuster la teneur en
liant en conséquence.
• Le module de richesse est une grandeur qui est proportionnelle à l’épaisseur du film de
liant enrobant les granulats et reliant la teneur en liant à la surface spécifique
conventionnelle des granulats. Malgré les informations concernant la qualité de
14
l’enrobage que ce module fournissait, cet indicateur a disparu des normes
européennes.
• C’est principalement la teneur en liant ainsi que sa nature (bitume « dur »,
habituellement de grade 10/20 ou 15/25 conformément à la norme NF EN 13924,
obtenu par raffinage direct) qui confèrent au matériau des propriétés mécaniques
supérieures aux GB.
De plus, nous pouvons noter que ces épaisseurs de mise en œuvre sont également
fonction de la granulométrie du mélange (quasi identique à celles des graves bitumes)
et notamment du diamètre D du plus gros grain. La norme NF P 98150-1 précise les
valeurs suivantes :
Tableau 2. Epaisseurs d’utilisation par couche
(extrait de Les enrobés bitumineux Tome 2, PREVOST, 2003, et de la norme NF P 98150-1)
La compacité (et donc la teneur en vide de l’enrobé) est également différente pour l’un
et l’autre des deux types d’enrobé. Ainsi, pour une classe 1, la norme NF EN 13108-1 prévoit
une teneur en vide in situ inférieure à 10% alors que pour une classe 2, celle-ci doit être
inférieure 6%. La maniabilité étant évaluée au préalable en laboratoire par l’intermédiaire de
l’essai PCG, les seuils sont fonctions de la classe de performance visée et du diamètre D du
plus gros granulat.
La résistance à l’orniérage (niveau 2) doit également être vérifiée, et ceci avec l’aide
d’un orniéreur. Dans le cas d’un EME (1 ou 2), la déformation verticale doit être inférieure à
7,5% à 60°C et 30000 cycles.
Concernant le module (niveau 3), celui-ci doit être supérieur à 14000MPa
(indépendamment de la classe de l’EME) à 15°C, 10Hz ou 0,02s. Dans la norme, il n’existe
pas de valeur maximale pour le module, mais nous pouvons considérer qu’au-delà des
19000MPa, le matériau devient trop rigide et présente en général une grande susceptibilité
thermique à basse température.
Enfin, la dernière caractéristique mesurable au niveau 4 concerne la déformation en
fatigue qui est distincte pour un EME 1 d’un EME 2. Concernant le premier, la spécification
en fatigue est fixée au minimum à 100 μdef (10°C et 25Hz) alors que pour le second elle est
de 130 μdef (10°C et 25Hz).
N.B : un tableau récapitulatif des performances de l’EME est disponible en annexe 3.
15
4. Détermination de la quantité d’essais
à réaliser – Plan d’expérience
4.1.
Objectif et problématique de l’étude
L’essai principal réalisé lors de cette étude est un essai de traction directe, encore
appelé essai MAER. C’est à partir de celui-ci que nous tenterons d’établir un modèle
mathématique reliant le module de rigidité à sa teneur en liant, sa teneur en vides et son
pourcentage d’agrégats d’enrobés. Le but final de cette étude est d’obtenir un modèle
« simple » de la forme de celui établi par F. Moutier pour les graves bitumes dans les années
1980. A cette époque, les travaux de F. MOUTIER, basé sur la méthodologie des plans
d’expérience, avaient permis de quantifier l’impact d’une variation de liant et de compacité
sur le module et le comportement en fatigue d’une GB. Il avait alors pu établir le modèle
mathématique suivant :
Tableau 3. Formule de Moutier pour les graves bitumes
(extrait du guide technique Conception et dimensionnement des structures de chaussée,
DESTHUILLIERS, 1994)
Pour parvenir à quantifier l’influence des facteurs liant, compacité et agrégats, nous
avons décidé de les étudier sur les 3 niveaux suivants :
-
Teneur en liant : valeur cible 5,6% ± 0,6%. Cette valeur correspond à la valeur
moyenne des EME 0/14 de classe 2 sur la région Alsace.
-
Teneur en vides : 5% ± 3,5%. Le domaine étudié correspond à des valeurs
représentatives issues de chantiers alsaciens.
-
Pourcentage d’agrégats d’enrobés : 0%, 20% et 40%. Le domaine d’étude reflète les
pratiques courantes de recyclage en Alsace.
16
Remarque : La largeur des fuseaux étudiés pour la teneur en liant et le pourcentage de vides
dépassent volontairement celle des fuseaux de spécification du système normatif en vigueur.
Cette démarche répond aux objectifs du stage qui vise à évaluer plus particulièrement l’impact
d’un sous dosage en liant et d’une sous compacité du matériau sur les performances
mécaniques. De plus, la valeur de vides dans un enrobé est difficile à atteindre avec exactitude
dans la pratique et des variations de plus ou mieux 1 voire 2 points comparée à la valeur visée
sont fréquentes. De ce fait, des valeurs en vides visées trop proches (3%, 4,5% et 6%)
pourraient conduire à des niveaux atteints dans la pratique se chevauchant, ce qui est
évidemment à exclure.
Une étude expérimentale complète de l’influence de chacun de ces paramètres est à
proscrire car cela reviendrait à réaliser 33 soit 27 plaques d’enrobé différentes, ce qui est
irréaliste et irréalisable dans un laps de temps de 5 mois. Il a donc fallu trouver un moyen
réfléchi pour réduire le nombre d’essais tout en maximisant l’information obtenue, ce qui est
réalisable avec les plans d’expérience.
4.2.
Plan d’expérience
4.2.1. Principe
La méthode des plans d’expérience est une méthode qui permet d’établir s’il existe des
relations de dépendance entre certains facteurs (dans notre cas la teneur en liant, la teneur en
vides et le taux d’agrégats) et certaines réponses (ici module) et de les modéliser. La
différence capitale avec la méthode classique tient au fait que l’on fait varier les niveaux (ici
les pourcentages des différents facteurs) de tous les facteurs à la fois à chaque expérience de
manière programmée et raisonnée. Ceci offre de nombreux avantages comme la diminution
du nombre d’essais ou la possibilité d’étudier un nombre de facteurs plus grand tout en
optimisant les résultats.
Cette méthode, qui de prime à bord semble révolutionnaire et relativement simple dans
son principe, nécessite toutefois une interprétation poussée et souvent complexe des résultats
à l’aide d’outils mathématiques divers. De plus, nous ne pouvons pas à priori garantir le
résultat d’une telle méthode et ne sommes pas à l’abri d’une interprétation qui pourrait rester
trop creuse et donc nous décevoir quelque peu en matière de résultats.
4.2.2. Plan adopté : carré latin 33-1
Dans le but de réduire le nombre d’expériences (initialement 27), nous avons décidé
d’employer un plan factoriel fractionnaire dit « carré latin », ce qui nous permet de ramener le
nombre d’essais, c'est-à-dire le nombre de plaques à fabriquer, à 9, tout en gardant nos 3
17
facteurs à 3 niveaux initiaux. Ce plan ainsi que le plan complet dont il est issu sont
disponibles en annexe 4.
Le choix des 9 essais sur les 27 peut normalement s’effectuer à partir de logiciels de
statistiques tels que Statgraphic V4.1 (logiciel utilisé par le LCPC). Dans notre cas, nous
avons dans un premier temps choisis notre plan d’expérience en se basant sur la littérature (et
notamment les ouvrages de J. GOUPY, La méthode des plans d’expérience (2006) et Les
plans d’expérience (2006)). Une fois ce choix effectué, nous avons voulu voir si le choix
obtenu avec Statgraphic V4.1 était identique mais après plusieurs tentatives, cela n’était
toujours pas le cas. De ce fait, nous avons préféré garder notre plan de départ (basé sur la
littérature), plus vérifiable que celui proposé par un logiciel assimilable à une boite noire.
Figure 3. Représentation graphique du plan carré latin adopté
Une fois calée la détermination des essais à réaliser, la méthode de randomisation est
employée pour limiter les éventuels biais. En effet, de petites variations dues à des facteurs
non contrôlés peuvent légèrement modifier les réponses mesurées sans que l’on puisse les
connaître. Ces petites variations peuvent introduire des erreurs à chaque mesure. Pour
« éviter » ces variations des niveaux des facteurs non contrôlés, il est préférable de donner un
ordre au hasard aux essais, c'est-à-dire de les randomiser. Cette randomisation a pour résultat
de rendre aléatoire la répartition des erreurs systématiques et ainsi de permette l’application
des tests statistiques.
18
La randomisation peut s’effectuer à l’aide d’un simple « tirage au sort » ou à l’aide de
logiciels tel que Matlab, logiciel utilisé ici. Finalement, nous obtenons la procédure d’essais
suivante :
Essais
non randomisés
Agrégats
(%)
4
6
1
8
3
2
7
9
5
20
20
0
40
0
0
40
40
20
Teneur en Teneur en
Ordre
liant (%)
vide (%) (essais randomisés)
5,00
6,20
5,00
5,60
6,20
5,60
5,00
6,20
5,60
5,0
1,5
1,5
1,5
8,5
5,0
8,5
5,0
8,5
Dénomination de la
plaque
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
G
H
I
Tableau 4. Ordre des essais et dénomination des plaques d’enrobé correspondantes
4.3.
Partenariat avec le LRPC d’Angers
Le laboratoire d’Angers réalisera des essais de fatigue en complément de cette étude.
Pour ce faire, ils doivent disposer des mêmes matériaux (même provenance, même mode de
préparation des éprouvettes).
Compte tenu du temps imparti et du temps de préparation des plaques d’enrobé, la
norme d’essai NF EN 12697-26 ne sera pas totalement suivie à la lettre au niveau du nombre
d’éprouvettes étudiés par résultat d’essai (3 réalisés pour 4 selon la norme). Ces 3 éprouvettes
dédiées à l’essai MAER seront prélevées sur une demi plaque ; l’autre demi plaque sera
réservée au LRPC d’Angers pour la réalisation des essais de résistance à la fatigue.
19
5. Les matériaux
5.1.
Provenance et caractéristiques des matériaux
5.1.1. Granulats
Les granulats proviennent des stocks Valff Enrobés (Helmbacher) qui ont été utilisé
pour la fabrication de l’EME 0/14 de classe 2 destinée au chantier A35 (PR 417 à 423)
(entreprise Eurovia) en 2009. Leurs courbes granulométriques et caractéristiques intrinsèques
sont disponibles en annexe 5. C’est à partir de ces courbes que seront calculées grossièrement
les quantités à prélever alors que la formulation pour la réalisation de nos plaques d’enrobé
nécessitera des essais granulométriques internes au LRS pour ajuster plus finement les
dosages des coupures granulaires.
Date de prélèvement : 08 et 09 mars 2010
5.1.2. Filler d’apport
Le filler d’apport provient également des stocks Valff Enrobés qui ont été utilisé pour
le chantier A35. Aucun test complémentaire n’est réalisé sur ces fines et la formulation se fera
à l’aide des données du laboratoire EUROVIA.
Date de prélèvement : 12 mars 2010
5.1.3. Bitume
Le bitume 10/20 nécessaire pour la réalisation des éprouvettes d’EME est un bitume
de grade dur. Peu de raffineries françaises fabriquent ce type de produits et suite à des
mouvements de grèves de divers sites pétroliers, le bitume proviendra de la raffinerie Shell à
Mannheim (Allemagne).
Caractéristiques fournies par l’usine :
-
Température Anneau et Bille : TBA= 69°C (donnée Shell)
-
Pénétrabilité à 25°C : 16 x 0,1mm (donnée Shell)
20
5.1.4. Agrégats d’enrobés
Les agrégats d’enrobés proviennent eux aussi des stocks Valff Enrobés qui ont été
utilisés pour le chantier A35 (PR 417 à 423) en 2009. La courbe granulométrique fournie par
les analyses du laboratoire EUROVIA est disponible en annexe 5 et des analyses
complémentaires internes au LRS ont été réalisés (résultats présentés ultérieurement dans le
rapport).
Caractéristiques fournies par l’usine :
-
Température Anneau et Bille : TBA= 60,9°C (donnée EUROVIA)
-
Pénétrabilité à 25°C : 22,7 x 0,1mm (donnée EUROVIA)
5.2.
Quantités des constituants
La démarche du calcul des quantités des constituants ainsi que l’étape de
recomposition sur laquelle elle est basée sont explicités en annexe 7. Nous ne présentons ici
que les résultats importants.
Comme nous l’avons vu précédemment, le plan d’expérience prévoit la fabrication de
9 plaques (3 plaques pour chacun des pourcentages d’agrégats). Cependant, nous prévoyons
l’apport de matériau pour 6 plaques sans agrégats supplémentaires (au cas où l’interprétation
du plan d’expérience serait trop creuse, ce qui permettrait la réalisation ultérieur d’essais
complémentaires). Dans ce cas, les fabrications et essais réalisés sur ces 6 plaques seraient
probablement faits ultérieurement par une tiers personne, faute de temps. Nous arrivons donc
aux quantités de matériaux suivantes :
Nombre de plaques
FA
0/4
4/6
6/10
10/14
Agrégats
Plaques à fabriquer
sans agrégat
20% Ag 40% Ag
9
3
3
Plaques supplémentaires
sans agrégat
20% Ag 40% Ag
5
3
3
Total
26
17,63 kg
3,43 kg
1,22 kg
9,79 kg
3,43 kg
1,22 kg
36,72 kg
330,53 kg
85,69 kg
53,86 kg
183,63 kg
85,69 kg
53,86 kg
793,24 kg
66,11 kg
0
0
36,73 kg
0
0
102,83 kg
80,80 kg
34,76 kg
22,03 kg
44,89 kg
34,76 kg
22,03 kg
239,27 kg
198,32 kg
0
58,27 kg
48,96 kg
56,06 kg
97,92 kg
110,18 kg
0
58,27 kg
48,96 kg
56,06 kg
97,92 kg
537,15 kg
293,77 kg
total G
2002,98 kg
Tableau 5. Quantité totale de matériaux à prélever
21
Il semble évident qu’il faille prendre plus de matériaux que le strict minimum. En
effet, le risque de fabriquer des plaques trop éloignées des caractéristiques recherchées est
toujours possible. De plus, des essais complémentaires, comme l’analyse granulométrique par
exemple, doivent être réalisés. Ainsi, il vaut mieux prévoir l’enlèvement de plus de matériaux
pour s’assurer de l’homogénéité de ceux-ci. Par exemple, les caractéristiques de fabrication
des granulats provenant de la même gravière mais prélevés à deux temps différents peuvent
évoluées par leur mode de concassage ou de stockage. De même, il est évident que le bitume,
bien que provenant d’une même raffinerie, n’aura pas exactement les mêmes caractéristiques
suivant les dates de prélèvement. De ce fait, en commandant plus de matériaux que
nécessaire, les risques de biais introduits par une évolution des caractéristiques des
constituants sont limités.
Concernant la quantité de bitume, nous partons sur une teneur en liant moyenne de
5,60% pour une plaque (calcul basé uniquement sur des plaques sans agrégat, c'est-à-dire ne
prenant pas en compte l’apport en liant des fraisâts d’enrobé), soit 4,57kg/plaque, ce qui nous
donne une quantité à commander de l’ordre de 75kg pour permettre la réalisation des 15
plaques.
22
6. Planning
Avant de pouvoir réaliser les essais MAER, un certain nombre d’opérations
(confection des plaques, sciage, carottage, surfaçage et collage des casques) ainsi que divers
essais (analyse granulométrique, teneur en liant, banc gamma vertical) sont nécessaires.
Toutes ces opérations doivent être réalisées en un temps limité et optimisé au maximum. Pour
ce faire, un planning s’avère utile. Celui-ci permettra en outre de s’assurer de la faisabilité, de
la bonne exécution des travaux ainsi que la traçabilité de l’étude.
Un planning initial, élaboré avant les différentes fabrications, a donc été mis en place.
Celui-ci a évidemment évolué au fil du temps, notamment à cause de délais d’exécution
erroné et de « l’expérience » acquise tout au long du stage, expérience qui a permis
d’optimiser ces délais. Nous présentons le planning réel du PFE, réalisé via le logiciel Project,
tenant compte de toutes ces modifications en annexe 8.
23
7. Analyse granulométrique et teneur
en liant
7.1.
Préliminaires
Dans ce chapitre et ceux qui suivent, nous présenterons uniquement les résultats et les
valeurs importantes des différents essais et opérations préalables à l’essai MAER. Leurs
principes, leurs références normatives et les points importants de leur exécution sont donnés
en annexe. Ainsi, nous nous contenterons de renvoyer le lecteur à l’annexe approprié pour en
connaître les détails.
7.2.
Analyse granulométrique
7.2.1. Objectif de l’analyse
Nous disposons déjà des résultats des analyses granulométriques effectuées par
EUROVIA et qui ont été utilisées pour la formulation de l’EME étudié. De ce fait, notre
analyse granulométrique a uniquement pour but de vérifier les résultats annoncés (disponibles
en annexe 5) et d’ajuster, si besoin est, les formulations aux différentes teneurs d’agrégats
utilisées précédemment pour le calcul des quantités de constituants.
La norme ne prévoit pas un nombre d’essais granulométriques fixe. Dans un souci de
représentativité, nous choisissons ici d’effectuer 3 analyses granulométriques par coupure
pour les granulats et 4 pour les agrégats. La démarche et le principe d’exécution de cet essai
sont donnés en annexe 9.
7.2.2. Interprétation des résultats de l’analyse granulométrique
La caractérisation granulométrique a une incidence sur la formulation de l’enrobé.
Ainsi, si nous désirons coller au mieux aux courbes granulométriques de la formulation de
l’EME présentée par EUROVIA, il nous faut une granulométrie la plus similaire possible à
celle utilisée. Comme nous l’avons déjà dit, les matériaux utilisés pour cette étude
proviennent des mêmes stocks que ceux utilisés par EUROVIA lors de leur formulation.
Ainsi, nous devrions obtenir un résultat d’analyse granulométrique semblable.
L’ensemble des résultats des analyses granulométriques est disponible en annexe 9.
Pour mieux les comparer à celles effectuées par EUROVIA, nous les représentons sur le
graphique suivant :
24
Figure 4. Comparaison des courbes granulométriques effectuées par EUROVIA et au LRS (Laboratoire Régional de Strasbourg)
25
Comme nous pouvons le voir, les résultats des analyses sont similaires (en prenant en
compte la reproductibilité de l’essai) pour les différentes coupures, sauf en ce qui concerne le
0/4 qui apparaît nettement moins grenu dans notre analyse. En l’absence de résultats
d’EUROVIA sur la fraction 4/6, la comparaison n’a pu être menée sur cette coupure.
Pour le sable (0/4), la norme prévoit une quantité de matériau minimale de 200g.
Ainsi, nos 3 analyses ont été effectuées sur une quantité moyenne de 300g. Cependant, en vue
des résultats relativement éloigné de cette coupure comparée à l’analyse réalisée par
EUROVIA, nous avons réalisé 3 analyses granulométriques supplémentaires avoisinant les
1400g dans le but de vérifier les résultats de la première analyse. Les résultats numériques
sont données en annexe 9 et nous comparons sur le graphique l’ensemble des données sur le
sable.
Figure 5. Analyses granulométriques du sable
Les résultats concernant les parties grenus sont similaires et confirment la tendance
mais ce n’est pas le cas pour les parties fines. En effet, à la 2ème analyse, nous obtenons un
passant au tamis de 63microns proche des 6,5%, c'est-à-dire une différence de 4% avec la 1ère
analyse. Une telle différence est difficilement explicable, l’essai étant réalisé sur 3
échantillons à chaque fois. En tout cas, la valeur de 6,5% paraît trop faible pour un sable.
Nous décidons donc de partir sur les résultats de la 1ère analyse (sur 300g de sable) pour notre
étude de formulation.
Remarque : Le fait d’avoir une courbe de 0/4 différente de celle utilisée EUROVIA peut
avoir des conséquences sur la formulation. Cependant, celles-ci restent minimes. En effet,
calculer dans le cas le plus défavorable, la dérive de plus ou moins 4% sur le sable entrainerait
une modification de plus ou moins 1,4% en fines).
26
7.3.
Teneur en liant
L’analyse effectuée à l’aide de l’Asphalt Analysator (voir annexe 10) sur 4
échantillons d’agrégats d’enrobé nous permet de connaître la teneur en liant des agrégats.
Comme nous pouvons le voir sur le tableau ci-dessous, cette valeur de teneur en liant est
quasi identique pour les 4 échantillons étudiés, ce qui nous laisse à penser que le mélange
bitume-granulats a été bien exécuté. Pour nos formulations, nous prendrons une moyenne de
teneur en liant égale à 5,02% (résultats complets disponibles en annexe 10).
Asphalt Analysator
N° Echantillon
Teneur en Liant
1
4,99%
2
4,96%
3
5,05%
4
5,09%
Tableau 6. Teneur en liant des agrégats
27
Moyenne
5,02%
8. Formulation du mélange bitumineux
Connaissant à présent les caractéristiques réelles du matériau prélevé (granulométrie et
teneur en liant) et en vue des résultats obtenus, nous devons affiner la formulation de
l’enrobé. En effet, nous devons à présent connaître avec précision les quantités de matériau et
de bitume à injecter pour obtenir, en théorie, les caractéristiques recherchées pour les 9
plaques.
8.1.
Etude de formulation
Il s’agit ici de réaliser l’étude de formulation pour chacune des plaques (avec
respectivement 0%, 20% et 40% d’agrégats) et ce pour des teneurs en liant de 5,00%, 5,60%
et 6,20%.
Cette étude de formulation consiste, comme celle effectuée pour la quantité de
matériaux à prélever, à modifier les fractions des différentes coupures de granulats tout en
gardant une certaine proportionnalité entre les valeurs des plaques avec et sans agrégats. Nous
tenterons ainsi de coller au mieux notre courbe sans agrégats à celle de référence EUROVIA
et celles avec agrégats à celle de référence à 30% d’agrégats d’EUROVIA. La différence
maximale entre ces courbes doit être inférieure à 8 points pour une coupure granulaire pour
ainsi ne pas modifier de manière significative le comportement mécanique de l’enrobé. Il
faudra également s’assurer que l’on se trouve bien à l’intérieur du fuseau d’un EME 10/14
(valeurs fournies en annexe 7).
Une fois l’étude de formulation réalisée pour une teneur en liant égale à 5,60%, il faut
s’intéresser aux teneurs en liant de 5,00% et 6,20%. Pour ces formulations, nous modifions
uniquement le pourcentage de 6/10 pour retomber sur un total de 100%. En effet, cette
fraction granulaire influe peu sur l’allure de la courbe granulométrique.
Les résultats de la totalité des formulations ainsi que les formules mathématiques
principales employées sont disponibles en annexe 11. Nous explicitons ci-dessous le principe
de la démarche de formulation pour la plaque sans agrégats :
28
3
2
4
EME 0/14
(0% Ag)
2,4%
40,0%
13,0%
13,6%
26,0%
EME 0/14
(0% Ag)
2,4%
40,0%
13,0%
13,0%
26,0%
EME 0/14
(0% Ag)
2,4%
40,0%
13,0%
12,4%
26,0%
5,00%
0,00%
5,00%
100,00%
5,60%
0,00%
5,60%
100,00%
6,20%
0,00%
6,20%
100,00%
Tamis
6,4
0,063
7,1
0,080
8,4
0,125
11,8
0,250
13,3
0,315
16,6
0,5
24
1
34
2
42
3,15
45
4
50
5
58
6,3
66
8
72
10
85
12,5
94
14
100
16
100
20
2,65 g/cm3
MVR G
6,4
7,1
8,5
11,9
13,4
16,7
24
34
42
45
50
59
66
72
85
94
100
100
2,65 g/cm3
6,5
7,2
8,5
12,0
13,5
16,8
24
34
43
46
50
59
66
72
85
94
100
100
2,65 g/cm3
Etapes de formulation:
- faire correspondre la courbe granulométrique de 2 à 1 (ici réf à 0% car
plaque sans agrégats) tout en gardant au maximum les proportions des
différentes coupures.
- établir la formulation de 3 puis 4 en ne modifiant que la fraction 6/10
(cette fraction influant peu sur la courbe granulométrique lorsqu’on la
modifie légèrement) pour obtenir un total de 100,00.
Tamis
0,063
0,080
0,125
0,250
0,315
0,5
1
2
3,15
4
5
6,3
8
10
12,5
14
16
20
M.V.R.
F.A.
78,6
83,5
90,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100
2,67
Granulo. <> Coupures
0/4
4/6
6/10
10,2
0,1
0,4
11,5
0,1
0,4
0,1
0,5
14,3
0,2
0,5
21,7
25,2
0,2
0,6
32,7
0,3
0,7
0,7
0,8
49,0
0,9
72,7
1,0
4,0
91,7
1,0
5,4
97,3
5,3
9,4
99,0
29,8
100,0
81,7
13,7
100,0
99,9
46,6
100,0
100,0
85,7
100,0
100,0
99,9
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100,0
100
2,65
2,65
2,65
10/14
0,2
0,2
0,2
0,3
0,3
0,4
0,5
0,6
0,8
0,9
1,0
2,6
4,2
5,7
46,0
77,6
99,0
100
2,65
Granulos.LRS
agrégats
10,6
11,1
13,3
17,1
18,8
22,0
28,6
39,9
49,9
55,1
62,1
69,7
79,3
88,4
96,9
99,2
100,0
100
2,65
Formule
F.A.
0/4
4/6
6/10
10/14
agrégats
t.l. tot
l.agrégats
l. apport
Tableau 7. Explication du principe de l’étude de formulation. Exemple de la plaque sans agrégats
29
1
Réf. 0% Réf. 30%
2,4%
1,1%
45,0%
30%
9,0%
11,0%
10%
27,0%
25%
28,3%
5,60%
5,60%
6,6
7,2
7,0
7,5
12,0
13,0
15,0
22
32
12,0
14,0
17,0
23,0
33,0
50
49,0
61
67
73
88
98
100
100
D.Bit. :
57,0
63,0
72,0
88,0
97,0
99,0
100
1,033
Remarques:
-
Dans la partie « granulo », les données inscrites en vert sont les données interpolées
graphiquement à l’aide des résultats obtenus pour les tamis utilisés lors de l’analyse
granulométrique.
-
Les masses volumiques réelles (MVR) des granulats sont prises égales à 2,65g/cm3
(granulats silico-calcaires du Rhin) et le filler est pris à 2,67 g/cm3 (donnée
EUROVIA). Ces valeurs vont notamment nous permettre de calculer la masse
volumique réelle de l’enrobé et ainsi de déterminer la quantité de chacun des
matériaux nécessaire pour la fabrication de la plaque d’enrobé.
8.2.
Calcul des quantités
Les quantités de matériaux nécessaires à la fabrication de la totalité des plaques du
plan d’expérience complet ainsi que les formules mathématiques principales employées sont
disponibles en annexe 11. Nous ne donnons ici qu’un tableau récapitulatif concernant les
quantités des 9 plaques à réaliser.
Pourcentage
d'agrégats
0%
20%
40%
visé
Caractéristiques Teneur en
5,00% 5,60% 6,20% 5,00% 5,60% 6,20% 5,00% 5,60% 6,20%
théoriques
liant visé
Teneur en
vides visé
Quantité de
matériaux
en kg
Quantité de
liant
en kg
FA
0/4
4/6
6/10
10/14
agrégats
liant
d'apport
10/20
liant total
(agrégats +
apport 10/20)
Désignation plaque
1,5%
5,0%
8 ,5%
1,5%
5,0%
8,5%
1,5%
5,0%
8,5%
2,049
34,142
11,096
11,608
22,193
0
1,959
32,645
10,610
10,610
21,219
0
1,870
31,173
10,131
9,664
20,262
0
0,988
26,753
0
14,405
19,591
16,463
0,943
25,545
0
13,283
18,706
15,720
1,007
27,263
0
13,674
19,965
16,777
0,396
17,045
0
8,721
17,441
31,712
0,423
18,191
0
8,799
18,614
33,843
0,405
17,394
0
7,928
17,799
32,361
4,268
4,570
4,832
3,289
3,612
4,359
2,372
3,039
3,391
4,268
4,570
4,832
4,116
4,402
5,201
3,964
4,738
5,016
C
F
E
A
I
B
G
D
H
Tableau 8. Quantité de matériaux nécessaires pour la réalisation des 9 plaques du plan d’expérience
30
9. Confection de la plaque d’enrobé
Connaissant à présent les quantités exactes nécessaires pour la fabrication des
différentes plaques, nous pouvons les réaliser, dans l’ordre donné par la randomisation du
plan d’expérience. Les principes du malaxage et du compactage sont donnés en annexe 12.
9.1.
La fabrication
La préparation des granulats et des agrégats, c'est-à-dire la mise en bacs des quantités
respectives nécessaires, s’effectue la veille de la fabrication de la plaque. Pour pouvoir
prélever le bitume 10/20, nous le chauffons à 70°C (le point de ramollissement étant à 69°C)
pendant une durée supérieure à 5h (fût de 25kg). Concernant les temps de chauffe, nous
observerons les règles suivantes :
-
Environ 10h à 180°C pour les granulats à l’étuve ventilée
-
Environ 3h à 180°C pour les agrégats à l’étuve ventilée
-
Environ 3h à 180°C pour le bitume d’apport à l’étuve ventilée
Nous pouvons également noter que le moule dans lequel sera réalisé la plaque ainsi
qu’un bac vide utilisé pour le transfert de l’enrobé du malaxeur au compacteur sont
systématiquement mis à l’étuve 3 heures avant la fabrication pour éviter un refroidissement
inutile de l’enrobé et qui s’avérerait « endommageable » lors du compactage (difficulté de
compactage).
Nous rappelons à présent les points importants de la fabrication de l’enrobé.
L’incorporation des granulats se fait de la fraction granulaire la plus grosse à la plus fine,
c'est-à-dire tout d’abord le 10/14, le 6/10, le 4/6, le 0/4 et le filler (généralement
préalablement mélangé au 0/4 car plus volatile). Lorsque le mélange comporte des agrégats,
leur incorporation se fait en lieu et place du 4/6. Une fois ces constituants dans le malaxeur,
nous entreprenons un malaxage à sec pendant 1 minute. Ensuite, nous incorporons le bitume
neuf et procédons à nouveau au malaxage pendant 3 minutes. Ces données de séquençage, de
temps et de température de chauffe ainsi que les durées de malaxage sont importantes car elles
peuvent influencer le comportement mécanique final de l’enrobage.
31
9.2.
Le compactage
Une fois le mélange bitumineux élaboré, celui-ci est extrait du malaxeur pour pouvoir
être compacté. Il existe deux types de compactage, fort et faible, qui se distinguent par la
charge appliquée (10kN pour le fort contre 4kN pour le faible) et par le nombre de passes
effectuées. S’agissant d’un EME, nous avions tout d’abord envisagé l’utilisation d’un
compactage fort quelque soit le pourcentage de vides à obtenir, les quantités de matériaux
arasées à la surface du moule définissant en théorie à elles seules le pourcentage de vides
final. Cependant, comme nous le verrons dans les observations ci-après, cela n’est pas aussi
simple.
Nous nous réservons le droit de modifier le nombre de passes en fonction du
pourcentage de vides à atteindre, restant cependant proportionnel dans le nombre de passages
avant, arrière et central.
Les plans de compactage réalisés pour chacune des plaques sont disponibles en annexe
12. Après ce compactage, la plaque d’enrobé obtenue a les dimensions théoriques suivantes :
Figure 6. Schéma d’une plaque d’enrobé réalisée
Remarque : Nous verrons que la hauteur peut varier de l’ordre du centimètre suivant le
compactage réellement réalisé et en vue des difficultés éventuelles rencontrées.
9.3.
Observations
Lors de la confection des différentes plaques, certaines conclusions pratiques nous
sont apparues. Ainsi, nous avons pu nous apercevoir de façon pratique que plus le
pourcentage d’agrégats était élevé (dans les limites de l’étude, c'est-à-dire 40%), plus l’enrobé
était maniable et donc la plaque plus « facile » à compacter.
32
Ainsi, il est apparu très difficile de compacter la plaque C (Ag=0%, TL=5% et
V=1,5%). En effet, lors de la confection de cette plaque, nous observons un delta résiduel sur
la hauteur de l’ordre du cm. Ceci aura indubitablement des conséquences sur la teneur en
vides de l’éprouvette, observables (après sciage et carottage) à l’œil nu sur la figure cidessous et au banc gamma.
Figure 7. Eprouvettes C2 à gauche à 3% de vides pour 1,5% visé (à 0% d’agrégats) et D2 à droite à 2,2%
de vides pour 1,5% visé (à 40% d’agrégats)
Ce sous compactage peut notamment être dû à une moindre maniabilité de l’enrobé
causée par une teneur en liant insuffisante. De plus, des considérations pratiques telles que la
rapidité d’exécution de la plaque (et donc un matériau moins chaud et plus difficilement
compactable) peuvent également expliquer ce phénomène, même si la réalisation (avec plus
de soin) d’une deuxième plaque C aboutit elle aussi a des difficultés de compactage.
Le sur compactage, notamment pour la plaque E, a également posé quelques
problèmes. En effet, l’utilisation d’un plan de compactage fort pour une teneur en vides de
8,5% est à proscrire, et ce même pour un EME dont le bitume est considéré comme dur.
Ainsi, après plusieurs tentatives, il est apparu plus judicieux d’adopter un compactage fort
pour les teneurs en vides de 1,5% et 5% et faible pour 8,5%. Nous verrons cependant, dans le
chapitre 11 Détermination de la teneur en vides, que cela n’a pas permis de résoudre tous les
problèmes liés au sur compactage.
33
10. Sciage, carottage et surfaçage
Les principes et normes auxquels se rattachent ces différentes opérations sont exposés
en annexe 13. Nous ne présentons ici que les plans pratiques de sciage et de carottage.
10.1.
Sciage de la plaque
Il s’agit tout d’abord de couper la plaque en 2 tel que défini ci-dessous puis de couper
la partie d’où seront extraites les éprouvettes cylindriques. Sur le schéma ci-dessous, seule la
partie hachurée rose est à jeter.
Figure 8. Plan de sciage
10.2.
Carottage des éprouvettes
Pour notre étude, nous ne récupérons donc que le morceau de plaque de
220x400x150mm. Le carottage des éprouvettes se fait par la face intérieure de cette plaque.
Le diamètre de la cloche de la carotteuse est légèrement supérieur à 80mm pour obtenir une
éprouvette cylindrique de 80mm. Il est important que le carottage soit net pour limiter les
incidences sur la mesure au banc gamma et éventuellement sur les résultats de traction. Ainsi,
il est nécessaire de prendre la plus grande précaution lors de l’avancement de la carotteuse, en
gardant autant que possible la même vitesse d’avancement et en évitant les légers retours en
arrière qui provoqueraient des stries sur l’éprouvette. (Cela a d’ailleurs été le cas lors du
carottage de la plaque C, entrainant du même coup la fabrication d’une nouvelle plaque. En
effet, l’essai MAER étant déjà simplifié à 3 éprouvettes, il n’est pas envisageable de réduire
encore ce nombre).
34
Figure 9. Plan de carottage (exemple de la plaque EME A (Ag=20%, TL=5% et V=5%))
Comme nous pouvons le voir sur la figure ci-dessus, une dénomination claire a été
nécessaire dans le but de référencer chaque éprouvette carottée de chacune des 9 plaques
fabriquées. Cette désignation est la suivante :
Pourcentage d'agrégats Teneur en liant
20%
5,00%
20%
6,20%
0%
5,00%
40%
5,60%
0%
6,20%
0%
5,60%
40%
5,00%
40%
6,20%
20%
5,60%
Teneur en vide
5,0%
1,5%
1,5%
1,5%
8,5%
5,0%
8,5%
5,0%
8,5%
Ordre
1
2
3
4
5
6
7
8
9
EME A.1
EME B.1
EME C.1
EME D.1
EME E.1
EME F.1
EME G.1
EME H.1
EME I.1
gauche
Désignation
EME A.2
EME B.2
EME C.2
EME D.2
EME E.2
EME F.2
EME G.2
EME H.2
EME I.2
centre
EME A.3
EME B.3
EME C.3
EME D.3
EME E.3
EME F.3
EME G.3
EME H.3
EME I.3
droite
Tableau 9. Désignation utilisée pour référencer les plaques
L’ordre figurant ici a son importance pour respecter la randomisation adoptée dans le
plan d’expérience. Cependant, lors de l’exécution des travaux, certains problèmes de
carottage ou des problèmes de teneur en vides réelles trop éloignées de celles visées nous ont
amené à exécuter les essais dans un ordre différent. De plus, faute de temps dû à un planning
relativement complet et un temps de stage court, il n’était pas possible de retarder les essais
dans l’attente de la plaque « parfaite ». Toutefois, ces problèmes étant imputable au hasard, il
pourra être considéré qu’ils n’ont pas d’influence sur la randomisation, celle-ci étant ellemême le fruit du hasard (via le logiciel Matlab).
35
11. Détermination de la teneur en vides
11.1.
Méthodes utilisées
Il existe différentes méthodes prévues dans la norme pour déterminer le pourcentage
de vides d’une éprouvette. Celles-ci, basées sur le calcul de la masse volumique apparente
(masse par unité de volumes incluant les vides d’air), sont au nombre de trois : la
détermination géométrique, la pesée hydrostatique et le banc gamma vertical. Les principes de
chacune d’entre elles, les formules utilisées pour la détermination de la teneur en vides ainsi
que les résultats obtenus sont disponibles en annexe 14.
En outre, il faut savoir que la méthode la plus pointue semble être dans notre cas celle
au banc gamma. En effet, la méthode géométrique est simple d’utilisation mais en théorie
moins fiable que les deux autres, notamment à cause des imprécisions géométriques de
l’éprouvette lors de la fabrication qui ne peuvent être prises en compte au cours de sa mesure.
De plus, dans notre cas, seule la mesure au banc gamma est réalisée sur l’éprouvette, la pesée
hydrostatique étant réalisée sur la partie située entre les éprouvettes (après carottage) comme
nous pouvons le voir sur la figure ci-dessous (ceci pour des raisons pratiques). Ainsi, cette
méthode ne permet pas, dans notre cas, de connaître le pourcentage de vides de l’éprouvette
considérée, mais doit toutefois théoriquement donner des résultats relativement similaires,
d’où son utilisation. Les valeurs retenues seront donc celles obtenues au banc gamma.
Emplacement
éprouvette EME I1
Emplacement
éprouvette EME I2
Figure 10. Exemple de « I » paraffiné (« I 12») utilisé pour la méthode hydrostatique
36
11.2.
Résultats obtenus et interprétation
Nous donnons ci-dessous le récapitulatif des résultats de vides obtenus, en %, par les diverses méthodes citées précédemment pour
ensuite en tirer plusieurs conclusions.
Dénomination
% vides
gamma
moy gamma
% vides géo
Ep. A
Ep. B
A1 A2 A3 B1 B2 B3
Ep. C
Ep. D
Ep. E
3,0
3,5 2,2 2,1 1,9 3,6 3,2 3,9 2,7 2,6 3,2 4,8 4,6 5,4 3,4 2,7 3,3 5,0 4,3 4,7
4,2 3,6 4,3 1,7 1,9 1,5 3,3
2,9
3,6%
2,8%
G1
G2
G3
H1
4,9%
H2
3,1%
H3
I1
I2
Ep. Epsilon
4,0 3,3 3,9 1,1 1,1 1,0 3,2
2,1%
F3
Ep. I
C3
3,2%
F2
Ep. H
C2
1,1%
F1
Ep. G
C1
3,7%
D1 D2 D3 E1 E2 E3
Ep. F
I3
eps1 eps2 eps3 gam1 gam2 gam3
4,0
4,7%
3,8 2,0 1,8 1,8 3,5 3,3 4,2 2,8 2,6 3,2 4,7 4,7 5,4 3,1 2,8 3,3 5,2 4,2 4,8
Ep. Gamma
3,6
4,3
3,7
4,0%
4,9
4,3
3,1
4,2
3,7%
5,0
3,7
3,3
moy géo
4,0%
1,7%
3,3%
1,9%
3,7%
2,9%
4,9%
3,0%
4,7%
4,7%
3,8%
% vides hydro
sur "I"
3,7%
2,0%
3,9%
2,7%
5,0%
3,9%
6,5%
4,8%
5,4%
5,5%
4,5%
4,4
Tableau 10. Récapitulatif des teneurs en vides obtenues
11.2.1.
Interprétation générale
Cette interprétation concerne la variation constatée entre la teneur en vides souhaitée et celle réellement obtenue. Pour ce faire, nous
rappelons ci-dessous uniquement les résultats de la méthode gamma.
Ep. A
Ep. B
Ep. C
Ep. D
Ep. E
Ep. F
Ep. G
Ep. H
Ep. I
Ep. Epsilon
Ep. Gamma
% vides visés
5,0%
1,5%
1,5%
1,5%
8,5%
5,0%
8,5%
5,0%
8,5%
8,5%
8,5%
Dénomination A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 E1 E2 E3 F1 F2 F3 G1 G2 G3 H1 H2 H3 I1 I2 I3 eps1 eps2 eps3 gam1 gam2 gam3
% vides
gamma
moy gamma
4,0 3,3 3,9 1,1 1,1 1,0 3,2 3,0 3,5 2,2 2,1 1,9 3,6 3,2 3,9 2,7 2,6 3,2 4,8 4,6 5,4 3,4 2,7 3,3 5,0 4,3 4,7 4,0
3,7%
1,1%
3,2%
2,1%
3,6%
2,8%
4,9%
3,1%
4,7%
Tableau 11. Comparaison teneur en vides du banc gamma aux valeurs initialement souhaitées
37
3,6
4,0%
4,3
3,7
3,1
3,7%
4,2
Nous pouvons tout d’abord constater, comme il en a été question dans le chapitre 9,
qu’il est très difficile d’obtenir le pourcentage de vides souhaité, et ce quelque soit la valeur
de vides désirée. Ainsi, nous observons une variation minimale de 0,4 points (à la méthode
gamma) concernant les éprouvettes B (1,1% de vides réels contre 1,5% souhaité) alors que
l’écart maximal observé est d’environ 4,5 points (pour les éprouvettes Epsilon dont la
moyenne est de 4,0% contre 8,5% souhaitée), et ce malgré un compactage à priori adapté (pas
le cas pour les éprouvettes E). En effet, il faut rappeler que la plaque Epsilon a été compactée
à l’aide d’un compactage dit faible (c'est-à-dire moins de passes et surtout une énergie de
compactage moins importante).
Le sous compactage, bien que peu fréquent dans notre cas excepté pour la plaque C,
est relativement simple à expliquer. Il en a d’ailleurs déjà été question dans la partie
Observations du chapitre 9 (teneur en liant faible et absence d’agrégats). En revanche, le sur
compactage par rapport aux objectifs fixés est plus difficilement explicable et donc plus dur à
résoudre. En effet, malgré l’utilisation d’un type de compactage qui semble adapté aux
caractéristiques de vides souhaitées, nous obtenons encore une compacité trop élevée, et ce
malgré le fait que l’enrobé est uniquement compacté jusqu’à l’atteinte de l’arase supérieure du
moule. La seule raison qui nous apparait en vue d’observations à l’œil nu (comme nous
pouvons le voir sur la figure ci-dessous), c’est que la vitesse de montée de la table n’est pas
adaptée, ce qui expliquerait le gradient des vides observables sur la hauteur de la plaque (plus
de vides en partie basse qu’en partie haute, et ce pour la quasi-totalité des plaques réalisées).
Ce point est difficilement corrigeable, car la norme ne prévoit pas de valeurs relatives à ces
montées de table et que cela semble dépendre de beaucoup de paramètres (températures
réelles du moule et de l’enrobé, vitesse d’exécution…), sans parler du fait que des valeurs de
8,5% de vides sont à priori proscrites pour un EME, le maximum normatif étant de 6%. Ainsi,
nous pouvons uniquement supposer que le fait d’attendre un peu lors des différentes montées
de table que l’enrobé se refroidisse ajouté à l’utilisation d’un compactage faible nous
permettrait probablement d’obtenir une compacité plus faible.
Figure 11. Gradient de teneur en vides sur la hauteur d’une plaque
38
Les difficultés rencontrées pour obtenir le pourcentage de vides voulu pose problème
quant à l’interprétation qui en sera faite via le plan d’expérience. En effet, nous pouvons
raisonnablement nous fixer une variation possible entre théorie et pratique de l’ordre de plus
ou moins 1%. Cependant, certaines plaques dépassent cette limite de variation et ont donc
conduit dans un premier temps à leur refabrication. Cette dernière n’étant pas satisfaisante
(caractéristiques de vides toujours trop éloignées de celles recherchées) et par manque de
temps, il a été décidé de modifier les valeurs cibles du plan d’expérience. Les nouveaux seuils
de vides ont été ramenés à 2,0% - 3,5% - 5,0% contre 1,5% - 5,0% - 8,5% définis
initialement. (Ces modifications sont clairement notifiées, avec les plaques correspondantes,
dans le chapitre 13.3.).
11.2.2.
Comparaison des différentes méthodes utilisées
Cette comparaison concerne, d’une manière générale, les écarts observables entre les
différentes méthodes de détermination des vides. Pour ce faire, nous représentons sous forme
de graphique les valeurs de vides moyennes obtenus pour chacune des plaques grâce aux 3
méthodes.
Figure 12. Comparaison des méthodes de détermination du pourcentage de vides d’un enrobé
Comme nous pouvons le constater, les valeurs obtenues au banc gamma et celles
trouvées via la méthode géométrique paraissent relativement proches. En effet, l’écart moyen
entre ces deux méthodes n’excède pas 0,3 points, sauf dans le cas des éprouvettes B où un
écart de 0,6 points est observé. En revanche, les pourcentages de vides obtenus par la méthode
39
hydrostatique sont plus éloignées de la méthode du banc gamma ; en effet, un écart moyen de
0,8 points est constaté et jusqu’à 1,4 points pour les éprouvettes G et H. Il faut toutefois noter
le fait, important, que la méthode hydrostatique n’est pas appliquée sur les éprouvettes elles
mêmes, mais sur les « I » les séparant. Ainsi, des différences sensibles sont trouvées entre les
éprouvettes cylindriques extraites d’une même plaque (comme nous le verrons par la suite). Il
est donc logique que la différence soit plus marquée entre méthodes appliquées sur les
éprouvettes cylindriques (partie centrale de la plaque) et celle appliquée sur les « I »
(représentant un échantillon sur toute la hauteur de la plaque), et ce notamment pour des
faibles compacités.
Ces comparaisons nous permettent de tirer certaines conclusions :
-
La plaque d’enrobé ne semble pas être compactée de façon homogène. Ainsi, la partie
inférieure des « I » semble contenir plus de vides, ce qui expliquerait en partie le fait
d’obtenir des valeurs de vides plus élevé par la méthode hydrostatique. Cette
constatation a déjà été soulevé précédemment (paragraphe 11.2.1.) où l’on a pu
constater visuellement le gradient de vides sur la hauteur d’une plaque.
-
La méthode du banc gamma donne des résultats satisfaisants, mais nécessite une
évaluation très précise du diamètre de l’éprouvette. En effet, une variation de l’ordre
du 10ème de millimètre sur le diamètre engendre des différences de l’ordre de 2 à 3
10ème de pourcent sur l’évaluation de la compacité. C’est d’ailleurs pour cela que des
pesées hydrostatique ont été menées en dernier lieu sur les éprouvettes cylindriques
décollées (après passage en MAER), notamment après l’observation d’écarts plus
significatifs (sur les éprouvettes B et Epsilon) entre banc gamma et méthode
géométrique.
-
La méthode hydrostatique sur les « I » ne semble pas être adaptée, dans notre cas, à
l’étude des vides des éprouvettes cylindriques d’EME. Bien que celle-ci soit peu
coûteuse en temps et relativement simple à réaliser, il vaut mieux lui préférer la
méthode géométrique comme première approche, à moins bien sûr de pouvoir réaliser
la méthode hydrostatique directement sur l’éprouvette passée à la MAER (après sciage
des deux extrémités encollés). Cependant, dans ce dernier cas, la méthode ne permet
pas de connaître la teneur en vides avant l’essai de traction. En revanche, ces pesées
sur les « I » permettent de corroborer les constations visuelles concernant le gradient
de vides vertical.
Nous allons à présent affiner la comparaison banc gamma / méthode géométrique, les
résultats de chacune de ces éprouvettes étant disponibles, partant toujours du principe que la
méthode du banc gamma donne les résultats les plus justes. Nous y ajoutons également les
mesures (non exhaustives) en pesée hydrostatique faites sur certaines éprouvettes cylindriques
après l’essai de traction.
40
Figure 13. Comparaison des méthodes sur éprouvettes cylindriques
Comme nous pouvons l’observer sur ce graphique, la pesée hydrostatique donne,
d’une façon générale, des valeurs légèrement inférieures à celle du banc gamma, avec un écart
maximal inférieur à 0,6 points (éprouvette H1). La pesée hydrostatique, lorsqu’appliquée sur
les éprouvettes cylindriques, corroborent donc relativement bien et avec une précision
légèrement supérieure (comparée à la méthode géométrique) les mesures au banc gamma.
Comme nous pouvions nous y attendre au vue des remarques précédentes, les résultats
obtenus avec la méthode géométrique sont proches de ceux obtenus par le banc gamma, sauf
en ce qui concerne les éprouvettes de la plaque B et Epsilon. Ces deux plaques ayant des
pourcentages de vides bien différents (1,5% et 4%), il est impossible au vue de ces seuls
résultats de dire si la méthode géométrique est plus appropriée aux faibles ou aux fortes
compacités.
Nous pouvons remarquer que les seules éprouvettes dont la mesure hydrostatique
donne des résultats supérieurs au banc gamma sont les éprouvettes Epsilon. Ainsi, au vue de
cette remarque et du relevé géométrique sur ces éprouvettes, nous garderons comme résultat
moyen pour les éprouvettes Epsilon la moyenne du banc gamma et de la pesée hydrostatique,
c'est-à-dire un pourcentage de vides de 4,2% (au lieu des 4% initiaux).
Enfin, ce graphique nous montre que les éprouvettes carottées au centre de la plaque
(éprouvettes 2) ont une compacité plus élevée comparée à celles carottées sur les côtés
(éprouvettes 1 et 3).
41
11.2.3.
Conclusion
Nous rappelons ici les points importants touchant notre étude qui ont été mis en
exergue quant à la détermination du pourcentage de vides via les trois méthodes de mesure :
-
La méthode géométrique utilisée sur les éprouvettes cylindrique est simple et rapide
d’utilisation. Les résultats fournis sont relativement fiables et peuvent donc servir en
1ère approche pour juger s’il est utile de passer les éprouvettes au banc gamma (si les
caractéristiques sont proches de celles souhaitées) ou si la plaque peut être abandonnée
et refabriquée.
-
La méthode au banc gamma donne les résultats les plus proches de la réalité, avec
toutefois des précautions à prendre lors des mesures de diamètre sur l’éprouvette.
-
La pesée hydrostatique sur les « I » nous donne une information précieuse quant à
l’homogénéité des vides sur la hauteur de la plaque, pouvant conforter les
observations visuelles.
-
La pesée hydrostatique sur les éprouvettes cylindriques peut éventuellement être
réalisée après l’essai MAER, notamment pour conforter (voire affiner) des résultats
trop discordant entre banc gamma et mesure géométrique.
42
12. Détermination de la teneur en liant
Le principe de cet essai, précédemment utilisé lors de la caractérisation des agrégats
d’apport, est disponible à l’annexe 10.
12.1.
Méthode et résultats
Après sciage de la plaque d’enrobé, nous en récupérons plusieurs morceaux pour
réaliser cet essai de teneur en liant et ainsi être en mesure de caractériser au mieux les facteurs
du plan d’expérience. Ces morceaux sont chauffés à 90°C pendant une durée d’environ 4
heures (ce qui permet de les ramollir) puis disposés dans des paniers cylindriques et introduits
dans l’Asphalt analysator (modèle de la société Infratest). Nous réalisons 2 analyses pour
chaque plaque (environ 1,5kg de matériau pour chacune des analyses), ce qui est jugé
satisfaisant au vue de l’homogénéité de la teneur en liant obtenue grâce au malaxage et qui est
constatée en générale.
Asphalt Analysator
10 cycles de lavage
+
6 cycles de séchage
(durée : environ 1h)
Figure 14. Extraction de liant : panier contenant de l’enrobé avant et après l’essai
43
12.2.
Résultats et interprétation
Nous récapitulons ci-dessous les valeurs obtenues, pour les différentes plaques en
comparaison avec les valeurs théoriques souhaitées.
Plaque
A
B
C
D
E
F
G
H
I
Epsilon
Gamma
Teneur en liant
théorique mesurée
5,00%
5,74%
6,20%
6,90%
5,00%
5,55%
5,60%
6,24%
6,20%
6,72%
5,60%
6,15%
5,00%
5,66%
6,20%
6,66%
5,60%
6,01%
6,20%
6,74%
5,00%
5,36%
Tableau 12. Teneurs en liant réelles
Comme nous pouvons le voir sur le tableau ci-dessus, nous observons un écart positif
d’environ 0,6% sur chacune des plaques par rapport à la teneur en liant souhaitée, et ce
qu’elle que soit son contenu d’agrégats.
Les valeurs mesurées qui figurent dans ce tableau sont, pour chacune des plaques, les
moyennes des 2 échantillons analysés. Les écarts de mesure sur 2 échantillons de la même
plaque varient de quelques centièmes de point à trois dixièmes (cas de la plaque C).
12.3.
Cause
Une telle variation sur la teneur en liant nous montre qu’il y’a forcément un problème,
soit dans la formulation, soit avec l’appareil d’extraction. En effet, il est impossible d’avoir un
tel écart en partant du principe que la fabrication est contrôlée, c'est-à-dire que les quantités de
matériaux définit sont réellement incorporées au mélange. Plusieurs pistes ont été envisagées :
-
Facteur « humain » dans l’établissement des feuilles de calculs de la formulation, le
formulaire type du LRS ayant été modifié pour l’incorporation des agrégats.
-
Caractérisation des agrégats d’apport en teneur en liant. Cette éventualité est à écarter
puisqu’une dérive est également observée sur les plaques sans agrégats.
44
-
Dérive de l’Asphalt Analysator. L’écart observé étant constant, cette cause semble à
priori la plus plausible. En effet, le calcul de la teneur en liant s’effectuant par pesée
des granulats désenrobés et du filler, il est possible que des fines soient extraites avec
le bitume et ne soient donc pas pris en compte dans le calcul. Ainsi, des essais EAPIC
(essais croisés inter-laboratoire) réalisés annuellement ont permis de mettre en
évidence une dérive pouvant aller jusqu’à 0,3 point lors de la mesure de la teneur en
liant par ce type d’appareil. Cependant, les essais sur la machine présente au LRS en
2008 ont montré une dérive de 0,1 point par rapport avec la moyenne à obtenir, ce qui
tendrait à écarter l’éventualité d’une dérive si importante de l’appareil.
Les doutes concernant la teneur en liant réelle des enrobés fabriqués ont conduit à faire
analyser deux échantillons, F et G, à raison de deux extractions par échantillon, dans un
laboratoire tiers. Les résultats de ces analyses sont les suivants :
-
Echantillon F : 5,14% et 5,63%, soit une moyenne de 5,39% (pour 5,60% en théorie)
-
Echantillon G : 4,83% et 5,18% soit une moyenne de 5,00% (pour 5,00% en théorie)
12.4.
Conséquence
Au vue des résultats obtenus par les analyses complémentaires et sachant que la
fabrication de l’enrobé est contrôlée, nous admettrons dans la suite de l’étude la dérive de
l’appareil. Nous conserverons donc le plan de teneur en liant initial prévu (5,60 ± 0,60%).
Cette dérive ne s’est produite que tardivement dans le déroulement du stage et ne
remet pas en cause les extractions faites sur les agrégats d’enrobé. Les résultats du laboratoire
tiers n’ayant été obtenus que quelques jours avant la rédaction du présent rapport, il n’a pas
été possible de corriger l’anomalie ou de faire réaliser les autres essais de teneurs en liant.
Pour connaitre avec précision les caractéristiques des éprouvettes, il serait utile de caractériser
les plaques en teneur en liant ultérieurement et ainsi s’assurer des résultats « supposés ».
45
13. Essai MAER
13.1.
Préliminaires
Une fois les éprouvettes cylindriques surfacées et la prise des mesures géométriques
effectuée, il est nécessaire de procéder à l’encollage des casques qui vont nous permettre de
réaliser l’essai de traction. Cette étape est décrite en 15.
Nous trouverons par ailleurs, en annexe 16, des informations sur l’essai MAER
(invention, procédure d’essais selon la norme et interprétation théorique des résultats).
13.2.
Divergence de procédure avec la norme
Comme nous pouvons le voir dans la norme NF EN 12697-26, les éprouvettes doivent
être maintenues à la température d’essai pendant au moins 4 heures et la mise en température
de l’enceinte MAER doit être au minimum de 4 heures pour nos types d’éprouvettes
cylindriques. Cependant, compte tenu du temps imparti, nous nous contenterons d’une
« préchauffe » d’une heure seulement pour l’enceinte MAER, explicable par le fait que nos
éprouvettes sont mises à températures d’essai la veille de ce dernier, soit environ pendant une
durée de 16 heures.
Nous devons également noter que les temps de stabilisation mécanique requis par la
norme ne sont pas exactement respectés. De ce fait, nous exerçons une force nulle sur
l’éprouvette pendant une vingtaine de minutes (au lieu des 30 minutes prévues dans la norme)
et un couple nul pendant une dizaine de minutes (au lieu des 60 minutes de la norme). Ces
réductions de temps sont nécessaires pour pouvoir réaliser les essais dans le temps imparti.
Les plages de température étudiées sont 10°C, 15°C, 5°C et 0°C, dans cet ordre
d’exécution. La norme prévoit la réalisation des essais dans un ordre croissant de température,
mais dans un souci de temps, nous commençons l’étude à 10°C. En effet, un essai
préliminaire doit être réalisé à cette température et il est donc intéressant, pour un gain de
temps, de commencer l’essai à 10°C au lieu de 0°C (qui nous ferait perdre une journée).
Concernant les temps de charge, ceux effectivement réalisés sont 3s, 10s, 30s, 100s et
300s. Nous ne réalisons pas le temps de charge de 1s car celui-ci est jugé trop
endommageable pour l’éprouvette. En revanche, nous réalisons tous les temps de charge
précédents aux 4 températures étudiées pour ainsi obtenir des résultats de module les plus
précis possible avec seulement 3 éprouvettes par plaque.
46
13.3.
Résultats obtenus
Remarque préliminaire : L’ensemble des courbes maitresses à 15°C pour un temps de
charge de 0,02s est disponible en annexe 17. Nous y faisons également figurer les procès
verbaux des enrobés qui récapitulent l’ensemble des résultats trouvés (hormis la teneur en
liant). Nous en présentons ici uniquement le récapitulatif avec les explications concernant les
modifications du domaine d’étude.
Comme nous avons pu le voir précédemment, un certain nombre de plaques a dû être
refabriqué pour tenter de mieux coller aux caractéristiques de vides. Cependant, ceci n’est pas
satisfaisant car ces éprouvettes offrent des écarts trop importants avec les valeurs cibles
(écarts supérieurs à 1%). Il a donc été décidé de réattribuer des valeurs cibles en fonction des
résultats obtenus, et ceci en gardant au maximum à l’esprit l’aspect pratique de cette étude.
Nous pouvons toutefois noter que l’étude via le plan d’expérience n’en est pas affectée.
Nous présentons ici, sous forme de tableau, l’ensemble des résultats concernant les
éprouvettes passées à l’essai MAER. Nous y indiquons de ce fait la teneur en agrégats (valeur
théorique), les teneurs en vides (banc gamma) et en liant théoriques et mesurées ainsi que la
valeur du module à 0,02s et 15°C correspondante aux 9 plaques du plan d’expérience.
Plaques utilisées
pour le plan
d’expérience
Plaque
Pourcentage
Agrégats
A
B
C
D
Epsilon
F
G
H
I
théorique
20%
20%
0%
40%
0%
0%
40%
40%
20%
théorique
5,00%
6,20%
5,00%
5,60%
6,20%
5,60%
5,00%
6,20%
5,60%
mesurée
5,39%
5,00%
-
théorique
3,5%
2,0%
2,0%
2,0%
5,0%
3,5%
5,0%
3,5%
5,0%
mesuré
3,7%
1,1%
3,2%
2,1%
4,2%
2,8%
4,9%
3,1%
4,7%
E
Gamma
0%
0%
6,20%
5,00%
-
5,0%
2,0%
3,6%
3,8%
Teneur en liant
Pourcentage de vides
Module
15°C ; 0,02s
(MPa)
19585
17890
21112
18675
15266
19343
18324
15916
15938
16252
19864
Tableau 13. Plan d’expérience revu et adopté
Remarques :
-
Comme cela a été expliqué lors de la comparaison des différentes méthodes de mesure
de compacité, la valeur de 4,2% de vides des éprouvettes Epsilon retenue est la
moyenne du banc gamma et de la pesée hydrostatique.
-
L’absence de mesures en teneur en liant a été expliquée dans le paragraphe 12.4.
47
13.4.
Incertitude de mesure
Nous évaluons ici l’incertitude qui entache la mesure de la valeur du module à 15°C et
0,02s. Pour ce faire, nous calculons l’écart type de répétabilité à l’aide de la formule suivante :
3
σ n −1 =
où
∑ (x
i =1
i
− x)²
n −1
x est la moyenne par plaque des modules pour 15°C et 0,02s.
Après calcul, nous obtenons les valeurs d’incertitudes suivantes :
A
B
C
D
Epsilon
F
G
H
I
Pourcentage
Agrégats
théorique
20%
20%
0%
40%
0%
0%
40%
40%
20%
théorique
5,00%
6,20%
5,00%
5,60%
6,20%
5,60%
5,00%
6,20%
5,60%
mesurée
5,39%
5,00%
-
théorique
3,5%
2,0%
2,0%
2,0%
5,0%
3,5%
5,0%
3,5%
5,0%
mesuré
3,7%
1,1%
3,2%
2,1%
4,2%
2,8%
4,9%
3,1%
4,7%
Module
15°C ; 0,02s
(MPa)
19585
17890
21112
18675
15266
19343
18324
15916
15938
E
Gamma
0%
0%
6,20%
5,00%
-
5,0%
2,0%
3,6%
3,8%
16252
19864
Plaque
Teneur en liant
Pourcentage de vides
Ecart type
(MPa)
± 766
± 319
± 1227
± 242
± 442
± 504
± 741
± 697
± 501
± 550
±450
Tableau 14. Résultats complets (% Ag, teneur en liant, % vides, modules et incertitudes de mesure)
Les écarts types présentés ci-dessus seront nécessaires par la suite pour le traitement
des données du plan d’expérience via le logiciel Statgraphic.
Nous donnons également en annexe 18 la totalité des écarts types aux différents temps
de charge (0,02s, 3s, 10s, 30s, 100s, et 300s), et ce uniquement pour la température de 15°C.
En observant ces écarts types, nous pouvons voir que ceux-ci diminuent pour les temps de
charge plus élevés, ce qui est rassurant puisque les valeurs de modules deviennent quant à
elles plus faibles.
L’étude statistique menée sur ces valeurs de modules nous a aussi permis de montrer
que les résultats suivent une loi de Gauss (par construction de droites de Henry non présentées
ici).
48
14. Interprétation des résultats
14.1.
Préliminaires
L’analyse du plan d’expérience est réalisée avec le logiciel Statgraphic. Il est
important de noter que les données entrées dans le logiciel sont les données théoriques de
vides et de teneur en liant et ne sont en aucune façon les caractéristiques réelles des plaques.
En effet, pour que l’analyse soit possible, il faut uniquement 3 niveaux par facteur (ce qui
n’est évidemment pas possible si l’on décide de rentrer les valeurs réelles). De plus, ces
niveaux doivent impérativement être centrés pour que le test de Pareto soit possible (par
exemple teneur en liant de 5,60 ± 0,6%). Nous avons donc regroupé les pourcentages de vides
en 3 familles avec les écarts 2,0 ± 1% ; 3,5 ± 0,7% et 5,0 ± 0,8%. De même, pour la teneur en
liant, nous avons adopté les familles 5,00% ; 5,60% et 6,20%.
Il est important de rappeler que les niveaux de teneur en liant, à la date de rédaction du
présent rapport, ne sont pas encore vérifiés. Les résultats qui suivent ont été obtenus en
considérant une teneur en liant cible à 5,60%, c'est-à-dire avec un plan d’expérience en teneur
en liant non modifié.
Le logiciel Statgraphic nous a permis, via l’analyse de Pareto, de trouver quels
facteurs sont les plus influents sur le module de rigidité et d’établir le modèle mathématique
permettant de calculer le module d’un EME dans les plages spécifiées par les niveaux de
l’étude.
14.2.
Poids des effets
Le test de Pareto nous a tout d’abord donné une estimation des effets entre facteurs en
nous fournissant les poids de ces facteurs.
Estimated effects for Var_1
average
= 16347,9 +/- 314,104
A: Agrégats = -937,333 +/- 486,607
B: Teneur en liant = -3316,33 +/- 486,607
C: Pourcentage de vides = -2716,33 +/- 486,607
Figure 15. Poids des facteurs donnés par Statgraphic
49
Les signes négatifs devant chacun de ces facteurs montrent qu’une augmentation des
facteurs agrégats, teneur en liant et pourcentages de vides conduisent dans notre cas à une
diminution des valeurs de module.
Au vue des valeurs, nous pouvons en déduire que les facteurs B et C (respectivement
la teneur en liant et le pourcentage de vides) sont statistiquement influents. Il est également
possible de représenter graphiquement ces facteurs.
Figure 16. Représentation graphique de Pareto du poids des facteurs
Ainsi, nous pouvons clairement identifier les facteurs statistiquement influents situés à
droite du trait bleu vertical. Celui-ci correspond à un indicateur de risque statistique critique
utilisé dans le plan d’expérience prenant en compte les degrés de libertés et les interactions
possibles.
14.3.
Modèle mathématique
Le test de Pareto nous a également fournit une fonction mathématique à partir de
laquelle il est théoriquement possible de calculer le module d’un EME connaissant sa teneur
en liant, sa teneur en vides et sa teneur en agrégats d’enrobé. Le nombre d’essais (9 dans
notre cas) est insuffisant pour permettre l’étude d’éventuelles interactions entre facteurs.
Le modèle mathématique obtenu est de la forme Yi = Y0 + a. A + b.B + c.C
Avec Yi = réponse expérimentale du module de rigidité déterminée par la MAER
Y0 = valeur moyenne du module déterminée à partir des 9 essais expérimentaux
= 37120,1 MPa
{a ; b ; c} = niveaux respectifs des facteurs A, B et C
= {- 2343,4 ; - 276361 ; - 90544,4}
50
A = teneur en agrégats d’enrobés de la formule en %
B = teneur en liant de la formule en %
C = teneur en vides de la formule en %
Au vue des signes négatifs des différents niveaux a, b et c, nous pouvons dire, comme
il en a été question lors de l’étude du poids des effets, qu’une augmentation de l’un de ces
facteurs diminuent la valeur de module.
Après remplacement des niveaux des facteurs et de la constante, nous obtenons la
formule mathématique suivante :
Yi = 37120 − 2343. A − 276361.B − 90544.C
Remarque : La valeur maximale de module est obtenue pour les valeurs minimales des
niveaux des facteurs, c'est-à-dire pour A = 0%, B = 5,00% et C = 2,0%. Avec ces valeurs,
nous obtenons un module de rigidité égal à 21491MPa.
14.4.
Limites de l’étude
Rappel : Nous redonnons ici les domaines de variation pour lesquels ont été réalisés les
essais:
-
Teneur en agrégats : de 0% à 40%
-
Teneur en liant : de 5,00% à 6,20%
-
Teneur en vides : de 2,0% à 5,0%
Il est important de préciser que le modèle mathématique est bien entendu restreint aux
bornes de variation précédemment citées et valable uniquement avec des constituants et une
composition similaires. Le bitume d’apport est un bitume pur 10/20. Il est également utile de
préciser que le bitume apporté par les agrégats présente une moindre rigidité que le bitume
d’apport.
Il faut également rappeler la dispersion quant aux compacités réellement obtenues. En
effet, pour certaines plaques (plaque C notamment), une dispersion de l’ordre de 50% vis-àvis de la teneur en vides a été observée. Ceci est à mettre en relation avec le fait, comme
expliqué précédemment, que les valeurs entrées dans le logiciel sont théoriques, c'est-à-dire
que malgré une teneur en vides réelle de 3,2%, celle-ci figurera à 2,0% dans le logiciel et sera
interprétée comme telle. Il en est de même pour les teneurs en liant, même si dans ce cas les
écarts entre théorie et pratique semblent être moindres.
51
Enfin, il est important de rappeler que cette formule a été obtenue via l’interprétation
d’un plan d’expérience qui nous a permis de réaliser 9 essais au lieu des 27 initiaux. Le fait
d’utiliser le plan d’expérience représente donc un compromis qui nous a permis d’effectuer
tous les essais nécessaires en un temps réduit. Ainsi, même si la méthodologie est approuvée
et utilisée par bon nombre d’expérimentateurs, elle ne permet pas d’obtenir de si bon résultats
que si nous avions réalisé l’ensemble des 27 essais. La réalisation des autres (ou une partie)
essais permettraient d’affiner les prédictions fournis par le plan d’expérience.
14.5.
Résultats du plan d’expérience complet
Il est à présent possible de calculer toutes les valeurs de module du plan d’expérience
complet. Nous les présentons ainsi dans le tableau ci-dessous où nous indiquons par la même
occasion les intervalles de confiance à 95% (fournis par le logiciel), qui nous permettront par
la suite la construction de fuseaux de passage.
52
Teneur en Teneur en Teneur en
Essai agrégats
liant
vides
(%)
(%)
(%)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
20%
20%
20%
20%
20%
20%
20%
20%
20%
40%
40%
40%
40%
40%
40%
40%
40%
40%
5,00%
5,00%
5,00%
5,60%
5,60%
5,60%
6,20%
6,20%
6,20%
5,00%
5,00%
5,00%
5,60%
5,60%
5,60%
6,20%
6,20%
6,20%
5,00%
5,00%
5,00%
5,60%
5,60%
5,60%
6,20%
6,20%
6,20%
2,0%
3,5%
5,0%
2,0%
3,5%
5,0%
2,0%
3,5%
5,0%
2,0%
3,5%
5,0%
2,0%
3,5%
5,0%
2,0%
3,5%
5,0%
2,0%
3,5%
5,0%
2,0%
3,5%
5,0%
2,0%
3,5%
5,0%
Module (MPa)
mesuré
21112
19343
15266
19585
15938
17890
18324
18675
15916
calculé
21491
20133
18775
19833
18475
17117
18175
16817
15458
21022
19664
18306
19364
18006
16648
17706
16348
14990
20554
19196
17837
18896
17537
16179
17237
15879
14521
Borne
Borne
inférieure
supérieure
(IC = 95,0%) (IC = 95,0%)
20294
19112
17577
18812
17667
16095
16977
15795
14261
20001
18857
17285
18557
17495
15841
16685
15541
13968
19356
18174
16640
17874
16730
15158
16040
14858
13324
22689
21154
19972
20854
19282
18138
19372
17838
16656
22044
20472
19327
20172
18517
17455
18727
17155
16011
21751
20217
19035
19917
18345
17201
18435
16901
15719
Tableau 15. Valeurs de module des EME du plan d’expérience complet
Il est à présent possible de comparer les valeurs observées expérimentalement à celles
obtenues à l’aide du modèle mathématique, et ce pour les 9 plaques du plan d’expérience
fractionnaire. Nous présentons les résultats obtenus sous la forme d’un graphique. L’abscisse
représente les modules calculés en MPa alors qu’en ordonnée nous pouvons lire la différence
« module mesuré – module calculé » en MPa.
53
Residual Plot for Var_1
900
residual
600
300
0
-300
-600
-900
15
17
19
predicted
21
23
(X 1000)
Figure 17. Comparaison des valeurs observées aux valeurs prédites
Ce graphique nous montre clairement les écarts entre module mesuré et module prédit.
Ainsi, nous pouvons voir que sur les 9 valeurs mesurées, le plus gros écart réside dans la
plaque 5 (notation du plan d’expérience complet) et que cet écart est inférieur à 900MPa.
Cette valeur peut paraître élevée, mais il ne faut pas oublier que nous sommes dans le cas
d’un EME, c'est-à-dire avec des spécifications minimales de module qui doivent être
supérieures ou égales à 14000MPa. Cet écart ne représente donc, au vue des résultats
présentés ici, qu’un écart relatif inférieur à 7% de la valeur réelle du module. Il est à mettre en
relation avec les écarts de l’ordre de 5 à 6% trouvés sur les résultats de module fournis par la
MAER.
14.6.
Observations
Nous avons pu voir, lors de l’étude du poids des facteurs, que les facteurs les plus
influents sont la teneur en liant et la teneur en vides. Dans cette partie, nous allons nous
intéresser tour à tour à ces différents facteurs et à la teneur en agrégats en essayant d’en
quantifier l’impact de leurs variations de niveaux sur le module de rigidité d’un EME.
Pour ce faire, nous avons représenté graphiquement chacun de ces paramètres en
fixant les deux autres, ce qui nous a permis de quantifier plus précisément l’impact de chacun
d’entre eux.
54
• Influence de la teneur en liant
Figure 18. Influence de la teneur en liant sur le module d'un EME
(pourcentage de vides et d'agrégats fixés)
Comme nous l’avons déjà remarqué, l’augmentation de la teneur en liant dans les
limites de l’étude (5,00% à 6,20%) provoque une diminution du module, et ce quelque soit la
teneur en vides ou en agrégats considérés. Cette diminution est de l’ordre de 280MPa par
augmentation de 0,1 point de teneur en liant.
Sur ce graphique, il est également possible d’observer la prédominance du facteur
« vide » sur le facteur « agrégats ». En effet, les EME offrant les modules les plus élevés sont
ceux dont la compacité est la plus élevée, le pourcentage d’agrégats n’intervenant que dans
leur classification secondaire.
Il serait également possible, grâce à ce graphique, de quantifier l’impact d’une
augmentation de teneur en vides ou en agrégats sur le module. Cependant, nous préférons ici
tracer chaque graphique pour mieux se rendre compte de cet impact.
55
• Influence de la teneur en vides
Figure 19. Influence de la teneur en vides sur le module d'un EME
(teneur en liant et pourcentage d'agrégats fixés)
De même ici, nous voyons clairement que l’augmentation du pourcentage de vides
dans les limites de l’étude (2,0% à 5,0%) provoque une diminution du module, et ce quelque
soit la teneur en liant ou en agrégats considérés. Cette diminution est de l’ordre de 900MPa
par point de teneur en vides.
Nous pouvons également observer la prédominance du facteur « liant » sur le facteur
« agrégats ». En effet, les EME offrant les modules les plus élevés sont ceux dont la teneur en
liant est la plus faible.
56
• Influence de la teneur en agrégats
Figure 20. Influence de la teneur en agrégats sur le module d'un EME
(teneur en liant et en vides fixés)
Nous pouvons voir ici que l’augmentation de la part des agrégats dans le mélange
n’entraîne qu’une faible diminution du module de l’EME. En effet, celle-ci n’est que
d’environ 1000MPa pour une variation de 40%, c'est-à-dire une diminution de l’ordre de
250MPa par augmentation de 10% d’agrégats (234MPa exactement au regard de la formule
mathématique).
Ce graphique met également en évidence l’influence plus importante des facteurs
teneur en liant et teneur en vides. Nous pouvons voir qu’un EME à 5,0% de vides pour une
teneur en liant de 5,00% aura un module plus faible qu’un EME à 2,0% de vides et 5,60% de
teneur en liant. Cette remarque est importante puisqu’il apparaît que le fait de compacter plus
énergiquement le matériau pourrait compenser un dosage plus faible en liant vis-à-vis des
caractéristiques en module de rigidité d’un EME. Cependant, il ne faut pas oublier qu’une
compacité de 98% représente une valeur énorme, difficilement atteignable et pouvant
provoquer la cassure de certains granulats. De plus, il n’est pas toujours aisé d’obtenir la
compacité souhaitée, d’autant plus sur chantier, pouvant faire de cette éventuelle économie de
bitume une entreprise périlleuse, notamment au niveau de la résistance en fatigue du matériau
où les spécifications minimales pour un EME 2 s’avèrent élevés avec 130µdef. En effet, il
faut aussi rappeler que plus la teneur en liant est élevée, meilleure est la résistance en fatigue
(cours de Réalisation des infrastructures de transport, A.-G. DUMONT, 2009), résistance en
fatigue qui représente une caractéristique importante d’un EME.
57
14.7.
Fuseaux de passage
Lorsque nous avons donné les résultats du plan d’expérience complet, nous avons
également donné les intervalles de confiance à 95% que le logiciel Statgraphic nous a fournis.
A partir de ces bornes inférieures et supérieures, il est possible de créer des fuseaux de
passage qui vont nous donner une idée de la valeur de module en fonction des différents
paramètres.
La teneur en agrégats d’un mélange étant raisonnablement censée être connue lors de
la formulation, ces fuseaux sont déterminés à pourcentage d’agrégats fixés pour une variation
de teneur en liant et de compacité.
Nous donnons ci-dessous l’exemple de l’un de ces graphiques (fuseaux de compacité à
0% d’agrégats), les autres étant disponibles en annexe 19.
Fuseau à 5,00% de teneur en liant
Figure 21. Fuseaux de passage en compacité du module d’un EB14-EME2 contenant 0% d’agrégats
Comme nous pouvons le voir sur le graphique ci-dessus et ceux disponibles en annexe
19, la valeur du module de rigidité est prédite par des fuseaux de passage d’amplitude
maximale égale à 2000MPa, ceci pour un intervalle de confiance de 95%. Ces abaques
permettent d’avoir un ordre de grandeur de la valeur réelle du module de rigidité et ainsi de
mieux se rendre compte des risques éventuels concernant la durée de vie de la chaussée.
58
15. Compétences acquises
Ce projet de fin d’étude m’a donné l’opportunité de travailler dans un laboratoire de
renom spécialisé dans le domaine routier. J’ai pu y découvrir un domaine qui m’était encore
inconnu, celui de la recherche, ainsi que des outils d’analyses puissant tels que les plans
d’expérience.
Lors de mes recherches bibliographiques, j’ai assimilé une quantité relativement
importante d’informations concernant les enrobés en général (contenu d’une étude de
formulation, essais divers), et plus particulièrement concernant les enrobés à module élevé.
J’ai ainsi pu appréhender leur historique, leurs caractéristiques mécaniques ou encore leur rôle
dans une chaussée de façon plus poussée que celle vue lors de mes études universitaires. Ces
recherches m’ont également conduit à rencontrer des personnes de notoriété dans le domaine
routier qui m’ont apporté leur aide, ce qui a indubitablement apporté un plus à mon projet.
Ce projet m’a également permis d’acquérir des apports concrets. J’ai tout d’abord pu
découvrir et réaliser l’ensemble des opérations relatives à la fabrication d’un enrobé en
laboratoire, de l’étude de formulation à la conception pratique des plaques d’enrobé. J’ai ainsi
pu me familiariser avec un nombre important de normes concernant les mélanges
hydrocarbonés. De plus, en réalisant moi-même l’ensemble de ces étapes, j’ai pu me rendre
compte des difficultés qui s’y rattachent ainsi que des écarts inhérents entre la théorie et la
pratique.
J’ai aussi pu réaliser les principaux essais de caractérisation d’un enrobé, découvrant
ainsi des méthodes d’essai de type extraction de liant ou de compacité qui m’étaient jusque là
inconnues. J’ai pu en observer la fiabilité ainsi que les limites de certaines d’entre elles,
notamment concernant la détermination des vides d’une éprouvette.
Par mes lectures, j’ai pu découvrir les divers essais utilisés pour la mesure du module
d’un enrobé, et notamment l’essai de traction directe (MAER) avec lequel j’ai réalisé mon
étude. J’ai ainsi pu me familiariser avec la procédure d’essai MAER et maitriser les procédés
(construction de la courbe maîtresse) qui permettent d’obtenir la valeur de module de rigidité
utilisée lors du dimensionnement d’une chaussée.
Ce stage m’a enfin apporté des notions plus abstraites. En qualité d’ingénieur, j’ai pu
faire preuve d’une grande autonomie en planifiant mon projet et en le menant à ma façon. J’ai
dû faire preuve de flexibilité et d’adaptabilité aux objectifs, ce qui m’a d’ailleurs amené à
prendre des décisions importantes vis-à-vis de la bonne exécution de mon projet. J’ai enfin pu
développer mon esprit critique quant aux divers résultats obtenus, que ce soit lors de
l’interprétation des essais de caractérisation ou ceux de module de rigidité.
59
16. Conclusion
Le but de cette étude était d’établir un modèle mathématique permettant d’évaluer
l’impact d’une variation de teneur en liant, de compacité ou d’agrégats sur le module d’un
enrobé à module élevé de classe 2. Ce modèle, obtenu à l’aide d’un plan d’expérience
fractionnaire, devait ainsi permettre de prédire l’influence de ces facteurs pour des variations
observables sur chantier et permettre de mieux quantifier leur impact sur la durée de vie réelle
d’une chaussée.
Cette étude a permis d’établir que la teneur en liant et la compacité étaient les facteurs
statistiquement influents (sur les trois facteurs étudiés) pour l’évaluation du module.
Cependant, bien que débouchant sur un modèle mathématique fonctionnel, cette étude fait
l’objet d’un bilan mitigé. Nous en tirons ici les conclusions qui s’imposent.
Concernant le facteur compacité, le domaine d’étude initial n’a pas pu être atteint. En
effet, l’un des objectifs principaux de cette étude était de quantifier l’influence d’un sous
compactage d’un EME qui constitue un problème inhérent au chantier. Hors, lors de nos
fabrications, il est apparu très difficile d’obtenir les compacités souhaitées (faibles ou fortes).
Les déterminations de pourcentage de vides ont mise en évidence une hétérogénéité de la
compacité sur la hauteur de la plaque et des différences importantes entre les compacités
souhaitées et réellement obtenues. Les faibles compacités (8,5% de vides) n’ont pu être
atteintes, sans doute en partie à cause d’une montée trop rapide de la table de compactage.
Certaines fortes compacités n’ont pas non plus pu être obtenues, probablement à cause d’une
formulation d’enrobé ou d’un compacteur de plaques peu compatibles avec les objectifs
recherchés. Dans ce dernier cas, il aurait ainsi été préférable de réaliser des essais PCG pour
étudier au préalable la faisabilité de l’étude. Cependant, nous avons pu observer, via
l’application du modèle mathématique, qu’une variation de -1 point sur la compacité
entraînait une diminution de 900MPa sur le module.
Pour le facteur liant, l’objectif était d’en quantifier l’influence d’un sous dosage, faits
observables sur chantier. Les essais ont été entrepris dans les gammes de teneur en liant
observables sur les EME en Alsace. Des analyses réalisées à l’Asphalt Analysator ont montré
un écart de 0,6 points comparé aux valeurs cibles, mais cette dérive semble provenir de
l’appareil. A l’aide du modèle mathématique, il a été mis en évidence qu’une augmentation de
0,1% de liant entraînait une diminution de l’ordre de 280MPa.
Concernant le facteur agrégats, les résultats trouvés répondent mieux aux attentes.
Ainsi, il a pu être démontré que la présence d’agrégats, jusqu’à 40% du mélange, diminuait de
façon minime le module d’un EME (à raison de 230MPa par augmentation de 10%). Nous
avons par ailleurs pu voir que la présence d’agrégats d’enrobé augmentait la maniabilité du
mélange et facilitait donc son compactage. Des études antérieures en fatigue menées au LCPC
ont montré que l’ajout d’agrégats avait tendance à améliorer le comportement en fatigue.
60
Ainsi, au vue des résultats de module en présence d’agrégats d’enrobé et la mise en avant des
considérations environnementales, il apparaît plus que judicieux de les incorporer dans la
formulation d’un EME.
Des essais de résistance à la fatigue sont programmés sur les demi-éprouvettes déjà
testées en module de rigidité. L’ensemble des résultats représentera ainsi les critères de
dimensionnement (module et fatigue) d’une chaussée et devrait donner une première tendance
de l’impact d’une non-conformité de chantier sur la durée de vie de la chaussée. Les résultats
devront être consolidés en retenant des plages de variation de teneur en liant et de compacité
compatibles avec la réalité de chantier.
61
Bibliographie
• Ouvrages et revues
[1] DELORME J-L., DE LA ROCHE C., WENDLING L., Routes et sécurité routière CR39F,
Manuel LCPC d’aide à la formulation des enrobés, impression Jouve, 2007, 2ème édition,
197p
[2] DESTHUILLIERS C., Conception et dimensionnement des structures de chaussée,
Imprimerie Julien-Nollet, 1994
[3] ELVIRA J.L., FERNANDEZ del CAMPO J. A., Comportement mécanique des mélanges
bitumineux, Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et chaussées, spécial V, décembre
1977, p.153-163
[4] FRANCKEN L., Module complexe des mélanges bitumineux, Bulletin de liaison des
laboratoires des ponts et chaussées, spécial V, décembre 1977, p.181-198
[5] GOUPY J., La méthode des plans d’expériences, Optimisation du choix des essais & de
l’interprétation des résultats, Imprimerie Gauthier, 1988, 303p
[6] GOUPY J., Les plans d’expérience, Revue Modulad n°34, 2006, p.74-116
[7] GUILLERME A., GLASSON D., BRUNSCHWIG G., BERTHONNET A., L’aventure
des laboratoires régionaux des ponts et chaussées, Presses de l’Ecole nationale des ponts et
chaussées, 2003, 258p
[8] LINDER R., Application de l’essai de traction directe aux enrobés bitumineux, Bulletin de
liaison des laboratoires des ponts et chaussées, spécial V, décembre 1977, p.255-274
[9] LINDER R., Comportement en traction simple des enrobés hydrocarbonés, Rapport de
recherche LPC n°71, oct 1977, 100p
[10] LINDER R., Les plans d’expérience, Un outil indispensable à l’expérimentateur, Presses
de l’Ecole nationale des ponts et chaussées, 2005, 319p
[11] MOULIERAC H., PREVOST F., Les enrobés bitumineux Tome 1, Imprimerie Moderne
de Bayeux, 2001, 229p
62
[12] MOUTIER F., Bilan au 31/10/84 des études réalisées par le LR d’Angers relatives aux
essais de traction sur MAER, janv 1985
[13] MOUTIER F., Etude statistique de l’effet de la composition des enrobés bitumineux sur
leur comportement en fatigue et leur module complexe, Bulletin de liaison des laboratoires
des ponts et chaussées, mars-avril 1991, p.33-41
[14] PREVOST F., GRESSET P., Les enrobés bitumineux Tome 2, Imprimerie Moderne de
Bayeux, 2003, 381p
[15] THIBAULT M., Dictionnaire de l’entretien routier Volumes 1-2-3, 1996, 208p
[16] RAY M., CHARONNAT Y. VAGUELSY D., DELUDE P., PROST J., BERISSI R., Les
formules régionales de béton. Etude de l’influence de la variabilité naturelle des composants.
Plan d’expérience, Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et chaussées, mars-avril
1975, p.81-91
[17] SOLIMAN S., DOAN T.H., Influence des paramètres de formulation sur le module et la
résistance à la fatigue des graves bitumes, Bulletin de liaison des laboratoires des ponts et
chaussées, spécial V, décembre 1977, p.229-246
• Normes
NF EN 12697-1, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 1 : Teneur en
liant soluble, Mélanges bitumineux, AFNOR, avril 2006
NF EN 12697-2/IN1, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 2 :
Granulométrie, Mélanges bitumineux, AFNOR, sept 2007
NF EN 12697-6+A1, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 6 :
Détermination de la masse volumique apparente des éprouvettes bitumineuses, Mélanges
bitumineux, AFNOR, sept 2007
NF EN 12697-7, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 7 :
Détermination de la masse volumique apparente des éprouvettes bitumineuses par les rayons
gamma, Mélanges bitumineux, AFNOR, juin 2003
63
NF EN 12697-8, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 8 :
Détermination des pourcentages de vides caractéristiques des éprouvettes bitumineuses
NF EN 12697-26, Méthodes d’essai pour mélange hydrocarboné à chaud, Partie 26 : Module
de rigidité, Mélanges bitumineux, AFNOR, déc 2004
Confection d’éprouvettes au compacteur de plaque, Mélanges bitumineux, AFNOR, sept 2007
Malaxage en laboratoire, Mélanges bitumineux, AFNOR, sept 2007
NF EN 13108-1, Spécification de matériaux, Mélanges bitumineux, AFNOR, fév 2007
NF EN 13108-8, Spécification de matériaux, Agrégats d’enrobés, AFNOR, mars 2006
NF EN 993-1, Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats, Partie
1 : Détermination de la granularité - Analyse granulométrique par tamisage, AFNOR, déc
1997
NF P 98-250-3, Préparation des mélanges hydrocarbonés, Partie 3 : Confection d’éprouvettes
dans un bloc de mélange hydrocarboné, Essais relatifs aux chaussées, AFNOR, déc 1992
64

Rapport PFE final - Bienvenue sur Catalogue des mémoires de

Transcription

Documents pareils

ertalh® - Eiffage Travaux Publics

qualite de l`eau du robinet - Agence Régionale de Santé Ile-de

Les Modes Médiévaux

AUTORISATION DE PRELEVEMENT AUTOMATIQUE A renvoyer

Fabriquer le gesso en trois recettes

BIELLE

Autorisation de prélèvement → à envoyer à votre banque

château lestage chevillon

boissy aux cailles - Agence Régionale de Santé Ile-de