SENGA, Yann - Polytech Annecy

Influence de l’hétérogénéité des propriétés
des granulats sur la résistance au polissage
des enrobés bitumineux.
Yann Senga1, 2, 3
1
UPMC – LMT-Cachan (ENS Cachan/CNRS/UPMC), France.
Institut de Recherche en Constructibilité, École Spéciale des Travaux Publics,
France.
3
Département Laboratoire et CECP d’Angers, France.
2
[email protected]
Prix Jeunes Chercheurs « René Houpert »
RÉSUMÉ. Cet article traite de l’influence des propriétés des granulats sur la résistance au
polissage d’enrobés bitumineux pour couche de roulement. Deux matériaux granulaires
susceptibles d’être présents dans un enrobé recyclé ont été étudiés : un granulat couramment
utilisé en couche de roulement et un autre recommandé pour les couches d’assise. Des
mélanges ont été établis de façon à se placer dans les cas de recyclage à faible et fort taux en
couche de roulement. Les essais de résistance au polissage ont été réalisés avec la machine
Wehner & Schulze sur les granulats d’une part et sur les enrobés bitumineux d’autre part.
Des protocoles de préparation des échantillons et d’analyses d’images des éprouvettes ont
été minutieusement étudiés et définis. Les résultats obtenus permettent de définir l’influence
des caractéristiques de chacun des matériaux sur celles des mélanges finaux.
ABSTRACT. This article talks about the influence of the variability of the aggregates
properties on the skid resistance of wearing course bituminous mixtures. Two aggregates
likely to be present in a recycled bituminous mixture have been used: an aggregate commonly
used in wearing courses and another one recommended for the base layers. We established
blends in several proportions in order to simulate low and high percentage of recycling in
wearing course. The skid resistance tests were done with the Wehner & Schulze machine on
the aggregates and the bituminous mixtures. We defined protocols of elaboration of samples
and of images processing. The results allow measuring the influence of the characteristics of
each material on the final blends.
MOTS-CLÉS :
granulats, enrobés bitumineux, adhérence, couche de roulement.
KEY WORDS:
aggregates, bituminous mixtures, skid resistance, wearing course.
Prix Jeunes Chercheurs « René Houpert ». Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
1.
2
Introduction
Depuis quelques années, les nouvelles dispositions environnementales sont au
cœur de l’action de l’industrie routière. En France, la technique de recyclage à chaud
des enrobés bitumineux, développée depuis les années 1970, est actuellement en
plein essor. Dans le contexte de développement durable, l’utilisation des agrégats
d’enrobés devient une priorité pour cette industrie qui a pour objectif d’optimiser
leur utilisation dans toutes les couches de chaussées, lesquelles sont constituées de
matériaux dont le choix de la qualité varie en fonction de leurs rôles.
Jusqu’à présent, les recherches se sont principalement concentrées sur le liant
d’agrégats d’enrobés, notamment sur les interactions avec le liant d’apport [NAV
11]. La caractérisation des effets des granulats d’agrégats qui représentent environ
95% de la masse des agrégats est souvent moins importante. Or, les granulats jouent
un rôle prépondérant dans les phénomènes d’adhérence pneumatique – chaussée,
directement liés à la sécurité des usagers. Il est donc primordial de comprendre
l’influence que pourrait avoir les granulats d’agrégats d’enrobés, présentant souvent
des caractéristiques hétérogènes, sur cette adhérence.
Nous avons étudié deux matériaux granulaires aux propriétés distinctes (un
granulat couramment utilisé en couche de roulement et un autre recommandé en
couche d’assise). Ces granulats ont été mélangés dans différentes proportions de
façon à se placer dans le cadre de recyclage à faible et fort taux. Nous nous sommes
intéressés à la résistance au polissage accéléré par l’essai Wehner & Schulze.
La première partie de notre travail a consisté en une caractérisation de granulats
et de leurs mélanges. Ce travail s’inscrit dans une campagne expérimentale de
caractérisation plus complète [SEN 11]. La seconde partie, traite de l’étude de la
résistance au polissage d’enrobés bitumineux formulés à partir de mélanges
granulaires. Notre objectif est de pouvoir prédire les propriétés des mélanges à partir
de celles des matériaux de « référence ». Dans un contexte plus large, cette étude
permettra de mieux appréhender l’influence des granulats de recyclage sur
l’adhérence des enrobés recyclés.
2.
Caractérisation des granulats et de leurs mélanges
2.1. Démarche expérimentale
Nous avons utilisé deux granulats aux propriétés intrinsèques distinctes. Le
premier, que nous appellerons GR, est couramment utilisé en couche de roulement
alors que le second, GA, est recommandé pour les couches d’assises selon la
classification française [norme XP P 18-545, 2008]. Le tableau 1 présente les
caractéristiques de ces granulats déterminées par nos soins en laboratoire. Elles l’ont
été sur la fraction 6/10, fraction étudiée par la suite.
Influence de l’hétérogénéité des propriétés des granulats sur la résistance au polissage des enrobés
bitumineux.
3
Tableau 1. Caractéristiques des granulats 6/10 utilisés (déterminées en
laboratoire).
Désignation
GR
GA
Nature
minéralogique
Diorite
Calcaire
Los
Angeles
12
23
Micro-Deval
8
13
Polished Stone
Value (PSV)
50
36
Nous avons effectué des mélanges dans les proportions annoncées dans le tableau
2. La résistance au polissage de ces mélanges a été étudiée par l’essai Wehner &
Schulze dans le but d’établir une loi de prédiction.
Tableau 2. Composition massique des mélanges granulaires.
Mélanges
1
2
3
4
5
GR (%)
100
75
50
25
0
GA (%)
0
25
50
75
100
2.2. Essai de polissage accéléré Wehner & Schulze
Développée en Allemagne dans les années 1970, la machine Wehner & Schulze
est un moyen de déterminer la résistance au polissage. Elle permet de simuler en
laboratoire le polissage causé par le trafic routier. Cet essai (en cours de
normalisation) présente l'avantage de pouvoir se pratiquer sur les granulats et sur les
enrobés, contrairement à l'essai traditionnel normalisé PSV (Polished Stone Value).
La machine se compose de deux postes (cf. figure 2) : un poste de polissage
simulant l’action du trafic routier et un poste de mesure de frottement reproduisant
un freinage à roue bloquée en présence d’eau [HAM 10].
La fabrication des éprouvettes de granulats se fait de façon manuelle. On utilise
des granulats 6/10 déplatés avec une grille à fentes d’espacement de 7,2 mm. Les
granulats sont disposés en une seule couche dans un moule de 225 mm de diamètre
intérieur de manière à en occuper le maximum de surface. Pour faciliter cette
procédure, le moule est disposé sur une table vibrante. Les granulats sont ensuite
maintenus en place par une résine. Dans le cas des mélanges, il est important de
rester le plus homogène possible dans toute la zone de polissage. Nous avons élaboré
le protocole suivant : dans un premier temps, remplir complètement notre moule
avec un seul type de granulats puis remplacer un à un des granulats sélectionnés
préalablement de façon à obtenir les proportions massiques visées.
Prix Jeunes Chercheurs « René Houpert ». Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
a- Compartiments de la
machine
4
b- Les galets
caoutchoutés assurant le
polissage.
c- Géométrie du cône
d- Patins de mesure du
frottement
e- Géométrie du patin
Figure 2. Machine Wehner & Schulze.
Le polissage se fait à l’aide de cônes en caoutchouc et en présence d’une solution
abrasive composée de silice et d’eau. La mesure du coefficient de frottement est
automatisée et s’effectue par l’intermédiaire de patins en caoutchouc sur une
couronne de 14,5 mm de large (cf. figure 2e). Le coefficient de frottement à 60 km/h
est relevé à différents états de polissage (0, 5 000, 10 000, 15 000, 90 000 et 180 000
passages de cônes) suivant une procédure développée conjointement par les quatre
utilisateurs français de la machine (l’Institut Français des Sciences et Technologies
des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux de Nantes (IFSTTAR Nantes), le
Département Laboratoire et CECP d’Angers, Colas et Eurovia) [HAM 10].
2.3. Résultats
Le coefficient de frottement est une mesure surfacique. Il dépend de la
distribution surfacique des granulats GR et GA dans la zone de mesure. Nous avons
déterminé cette distribution (la surface occupée par GR et GA et le pourcentage de
remplissage) avec précision par une analyse d’images (cf. figure 3). Grâce aux
proportions surfaciques, nous avons pu calculer des coefficients de frottement
théoriques en utilisant une loi linéaire. On retrouve une très bonne corrélation entre
cette simulation et les résultats obtenus (cf. figure 4). La résistance au polissage des
mélanges granulaires peut être prédite par la loi proposée [1]:
μWS(α GR +β GA) = αμWS(GR) + βμWS(GA),
[1]
où μWS est le coefficient de frottement à 60 km/h obtenu avec la machine Wehner
& Schulze, α et β les proportions surfaciques des matériaux GR et GA.
Influence de l’hétérogénéité des propriétés des granulats sur la résistance au polissage des enrobés
bitumineux.
5
Mélange 2
Remplissage : 86 %
Surface GR : 21%
Figure 3. Distribution surfacique des granulats GR dans la zone de mesure des
éprouvettes W&S déterminée par analyse d’images.
Figure 4. Corrélation entre les coefficients de frottement expérimentaux et ceux
obtenus par la loi des mélanges.
3.
Caractérisation des enrobés bitumineux
3.1. Démarche expérimentale
Les granulats employés sont de même nature que dans l’étude précédente. Ils
nous été fournis par les carrières sous les fractions présentées dans le tableau 3.
Tableau 3. Caractéristiques des granulats utilisés.
Désignation
GR
GA
Nature
minéralogique
Diorite
Calcaire
Coupures granulaires
6/10
6/10
2/6
4/6
0/2
0/4
Masse
volumique
(g/cm3)
2,88
2,67
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Prix Jeunes Chercheurs « René Houpert ». Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
Nous les avons utilisées pour formuler des enrobés bitumineux de type BBSG Béton Bitumineux Semi-Grenu - deuxième enrobé le plus utilisé en France. La
granulométrie des enrobés est 0/10. Le bitume employé est de classe 35/50.
La démarche adoptée a été la même que dans le chapitre précédent à savoir que
nous avons formulé des enrobés à partir de mélanges granulaires en respectant les
proportions annoncées dans le tableau 2. L’objectif poursuivi est de pouvoir prédire
la résistance au polissage des enrobés « mélanges » à partir de la résistance au
polissage des enrobés « extrêmes ». Les enrobés ont été fabriqués en nous appuyant
sur une courbe granulaire de référence que nous avons définie, et une même
compacité a été visée (94,6 %) ; ceci dans le but d’obtenir un aspect de surface
identique, limitant ainsi les paramètres de l’étude à la nature des granulats. Nous
avons employé pour ce faire la méthode de formulation de l’IFSTTAR.
3.2. Essai de polissage accéléré Wehner & Schulze
La caractérisation vis-à-vis du polissage a été faite par l’essai Wehner & Schulze
précédemment présenté. Les éprouvettes de 225 mm de diamètre sur 5 mm
d’épaisseur sont issues du carottage de plaques d’enrobés préalablement fabriquées.
Une mesure du coefficient de frottement a été effectuée pour les états de
polissage suivant : 0, 5 000, 10 000, 15 000, 20 000, 90 000 et 180 000 passages de
cônes de polissage. Deux essais ont été réalisés pour chaque mélange.
3.3. Résultats
Pour nous assurer de l’homogénéité de la texture des enrobés fabriqués, nous
avons eu recours à des essais à la tâche de mesure de profondeur moyenne de texture
(PMT). Les résultats présentés dans le tableau 4 montrent un faible écart type (0,08).
Tableau 4. Résultats de mesure de PMT sur les enrobés (moyenne sur 2 essais).
Enrobés
1
2
3
4
5
PMT
0,84
0,93
1,03
0,93
0,81
L’analyse des résultats des essais Wehner & Schulze nous montre que les
coefficients de frottement à l’état initial de tous les enrobés sont quasiment
identiques (cf. figure 5). En plus des essais PMT, ceci confirme que nous avons
réussi à maîtriser le paramètre texture. Par ailleurs, l’ordre des courbes d’adhérence
est respecté car l’augmentation de la proportion de granulats GA dans les enrobés
entraîne une diminution de la résistance au polissage de ces derniers. Cependant,
nous notons une différence de comportement entre les deux enrobés « extrêmes ».
Des tests d’adhésivité passive ont permis de mettre en exergue une mauvaise affinité
des granulats GA avec le liant utilisé, expliquant ainsi l’absence de la phase de
décapage du liant observée au début de l’essai pour l’enrobé 5 (100 % GA).
Influence de l’hétérogénéité des propriétés des granulats sur la résistance au polissage des enrobés
bitumineux.
7
L’identification des proportions des granulats GR et GA en surface par des
méthodes d’analyses d’images a permis le calcul de coefficients de frottement
théoriques en utilisant la loi préalablement proposée. Il en résulte une prédiction
fiable de l’adhérence de l’enrobé 2 (75% GR) sur toute la durée de l’essai. En
revanche, les résultats tendent à montrer que la loi proposée ne permet une
prédiction fidèle que jusqu’à 20 000 passages de cônes pour les enrobés 3 et 4 (50 %
GR et 25 % GR). Au-delà, nous observons une divergence des résultats, exprimée par
des valeurs théoriques non comprises dans la plage d’erreur de la machine. Notons
au passage que la loi proposée sous-estime les coefficients de frottement dans ces
deux cas.
Figure 5. Résultats des essais de résistance au polissage accéléré W&S.
Figure 6. Corrélation entre les coefficients de frottement expérimentaux et ceux
obtenus par la loi des mélanges.
Prix Jeunes Chercheurs « René Houpert ». Chambéry, 6 au 8 juin 2012.
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Néanmoins, une corrélation faite sur l’ensemble des résultats montre que la loi
des mélanges proposée permet une bonne estimation de la résistance au polissage
des enrobés bitumineux (cf. figure 6).
4.
Conclusion
Pour comprendre l'influence de l'hétérogénéité des propriétés des granulats
d'agrégats d'enrobés sur une couche de roulement, nous avons mené une étude avec
deux granulats possédant des caractéristiques intrinsèques distinctes. Cette étude a
conduit à la proposition d'une loi de prédiction de la résistance au polissage accéléré.
Cette loi a été parfaitement vérifiée dans un travail préliminaire sur les mélanges
granulaires. Une première validation a pu être faite sur les enrobés bitumineux. Elle
sera complétée par une étude incorporant des agrégats d'enrobés issus de chantier.
Toutefois, l'adhérence pneumatique - chaussée est régie par de nombreux facteurs
: la nature du liant et des granulats, la formulation [DUP 00], la texture [DUP 00],
les conditions de mise en œuvre, etc. L'utilisation d'agrégats d'enrobés pourra
nécessiter la prise en compte par le modèle d'un facteur « remobilisation » du liant
« de recyclage ».
5.
Bibliographie
[CAR 80] Carpenter, S., Wolosick, J. R., (1980). “Modifier influence in the
characterization of hot-mix recycled material”, Transportation Research Record 777,
TRB, Washington, D.C., pages 15-22.
[DUP 00] Dupont, P., Ganga, Y., Bellanger, J., Delalande, G., (2000). « Planches
expérimentales adhérence – granulats. Conclusions », RGRA n°788, pages 93-97.
[HAM 10] Hamlat, S., Marsac, P., Do, M.T., Morgades, R., Drouadaine, I. (2010).
« Évaluation de la résistance au polissage des matériaux de chausses avec la machine
Wehner & Schulze », RGRA n°885, pages 28-29.
[NAV 11] NAVARRO J., Cinétique de mélange des enrobés recyclés et influence sur les
performances mécaniques. Thèse de doctorat. École Nationale des Arts et Métiers,
2011.
Norme XP P 18-545 (2008). Granulats. Éléments de définition, conformité et
codification, pages 20 – 25.
[SEN 11] Senga Y., Dony A., Colin J., Hamlat S., Berthaud Y., (2011). « Impact de
l’hétérogénéité des granulats d’agrégats d’enrobés sur les propriétés d’adhérence des
enrobes recyclés », 24e Congrès mondial de la route, Mexico.