Caractérisation des propriétés mécaniques des enrobés bitumineux

Caractérisation des propriétés mécaniques
des enrobés bitumineux recyclés
Ninouh Tarek
Département de Génie Civil, Université de Tébessa, Algérie
[email protected]
RÉSUMÉ. Les actions des intempéries et de la densité du trafic sont les causes de la
dégradation des chaussées bitumineuses. Ces structures nécessitent un entretien régulier
pour assurer le confort et la sécurité de tous les usagers. Le recyclage de l’ancien matériau
bitumineux offre de multiples avantages sur le plan environnemental : une économie de
matériaux naturels, une forte diminution du trafic de poids lourds qui transportent ces
matériaux et ainsi une grande économie d’énergie. L’objectif de cette recherche est de
pouvoir recycler des matériaux bitumineux obtenus par fraisage de couches bitumineuses,
tout en conservant un maximum des qualités du matériau recyclé et en utilisant le moins de
granulat neuf possible. Pour cela, une série des essais a été effectuée sur des éprouvettes avec
plusieurs formulations pour faciliter la comparaison entre les performances des matériaux
recyclés et celles des matériaux réalisés avec de graves naturelles. Les résultats obtenus sont
extrêmement encourageants pour l’incorporation maximale d’agrégats d’enrobés aux
enrobés produits.
ABSTRACT. The action of weather and traffic density are the main cause of the
deterrioration of pavements made of asphalt. The structures require regular maintenance to
ensure the comfort and security for users. Using recycled bituminous materials, beyond the
economic interest that it provides, presents other advantage such as the preservation of
natural resources. The objective of the present research is to investigate the behaviour of
recycled bituminous materials obtained by milling of asphalt layers, while keeping up the
qualities of the recycled material and using the minimum quantities of new agregates. For
this purpose, a serie of tests was conducted on samples with several formulations to
understand the characteristics and to facilitate comparison between the performance of
recycled and ‘new’materials. The primary results obtained are extremely encouraging for
maximum incorporation of asphalt aggregates for asphalt products.
MOTS-CLÉS: béton bitumineux, recyclage, caractérisation, environnement.
KEY WORDS: asphalt, recycling, characterization, environment.
1. Introduction
Dans un monde où on voit la nécessité de développer de nouvelles technologies
et méthodes de gestion pour satisfaire les demandes environnementales, et cela sans
altérer la performance des ouvrages.
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA
Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
Le développement durable est un thème actuel dans le secteur des chaussées
bitumineuses car la construction routière est une grande consommatrice en
granulats neufs ; de plus l’entretien des routes passe nécessairement par le fraisage
des anciennes couches de chaussée : ce qui entraîne la production d’une grande
quantité de déchets des matériaux bitumineux. L'utilisation de la technique de
fraisage- recyclage des enrobés bitumineux pour leur réutilisation dans les projets
routiers permettra de réduire le coût global d'un projet de 30 % à 40%. Et d’un point
de vue environnemental, le recyclage des enrobés permet de limiter l’utilisation des
ressources naturelles non renouvelables dans la construction des infrastructures, en
plus de réduire la quantité de rebuts dans les lieux d’entreposage. La technique de
fraisage- recyclage des enrobés bitumineux pour leur réutilisation dans les projets
routiers a été introduite en Algérie en 2005 et a été appliquée sur la voirie urbaine et
les grands boulevards des grandes villes.
Le principal objectif de cette recherche est de pouvoir recycler des matériaux
enrobés, tout en conservant un maximum des qualités du matériau recyclé et en
utilisant le moins de matériau neuf possible. De nombreux essais présentés dans ce
travail visent à évaluer les performances mécaniques des matériaux bitumineux
préparés avec des différents pourcentages d'ajout de fraisât. Avant de commencer la
préparation de mélanges bitumineux avec de enrobés recyclés, il est recommandé de
vérifier les caractéristiques de constituants des matériaux bitumineux (granulats et
bitume) du fraisât et des matériaux neufs.
2. Caractéristiques des agrégats d’enrobés utilisés
Les agrégats d’enrobés à recycler sont caractérisés après récupération (matériaux
issus du fraisage) ou après conditionnement (concassage et criblage) comme suit :
a. Après récupération
Les agrégats d’enrobés récupérés par fraisage sont destinés à être réutilisés sans
conditionnement supplémentaire possèdent les caractéristiques moyennes suivantes :
-Une granularité 0/14 mm, la granularité étant principalement dépendante de la
vitesse d’avancement de la fraiseuse et aussi de la profondeur de fraisage ;
-Le conditionnement par concassage-criblage permet d’obtenir des granularités
conformes à celles souhaitées pour l’utilisation envisagée.
b. Après conditionnement
Les caractéristiques moyennes de ces agrégats (obtenus par fraisage ou
concassage-criblage):
- granularité 0/14mm ;
- le pourcentage de fines variant de 6 à 10.
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Les granulats ont été soumis aux tests d'évaluation classiques : répartition
granulométrique pour évaluer la compacité du mélange, coefficient Los Angeles LA
pour connaître la dureté aux chocs, et coefficient MDE pour déterminer la résistance
des granulats à l'usure.
La figure 1 donne une idée de la courbe granulométrique moyenne obtenue à
partir d’analyses d’agrégats du fraisât d’enrobés utilisés dans la présente étude.
Figure 1. Courbe granulométrique moyenne des agrégats
Et le Tableau 1 donne les caractéristiques mécaniques des granulats utilisés.
Tableau 1. Caractéristiques mécaniques des granulats
Caractéristiques
mécaniques
Los Angeles
LA
Valeurs
23,65
Micro-Deval en présence
d’eau
MDE
29.3
3. Caractéristiques du bitume
Le bitume confère à l’enrobé sa flexibilité et sa capacité à résister à certaines
dégradations causées par plusieurs facteurs surtout le trafic et les conditions
climatiques.
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La teneur en liant des agrégats à recycler est fonction du type de récupération
(fraisage ou démolition). Lorsque les agrégats sont récupérés par fraisage d’une
couche d’enrobé homogène, la teneur en liant est proche de celle de l’enrobé
d’origine. Mais si les agrégats sont obtenus après conditionnement (concassage criblage) d’enrobés de provenances diverses, la teneur en liant moyenne est,
généralement, de l’ordre de 4 à 4,7%.
Le vieillissement du bitume se traduit par une augmentation de sa consistance
(durcissement) et de sa teneur en asphaltènes. Les caractéristiques du liant vieilli
dépendent ainsi des caractéristiques du liant d’origine, du nombre d’années de
service, de la porosité de l’enrobé, de la température, des rayons ultraviolets du
soleil, de la nature des granulats et des sollicitations subies par l’enrobé récupéré.
Les bitumes sont caractérisés par des essais normalisés dont les plus connus sont
la pénétrabilité et le point de ramollissement qui permettent d’apprécier leur
consistance. Par ailleurs, les modifications de consistance pouvant s’accompagner
de variations de la quantité et de la qualité des asphaltènes. Cette teneur en
asphaltènes est aussi un élément pris en compte dans la caractérisation du liant
ancien, parce que ces caractéristiques influent sur le choix d’un liant de
régénération.
La teneur en bitume soluble obtenue après extraction du liant des agrégats du
fraisât étudié par la centrifugeuse à flux continu, et les propriétés de ces liants
récupérés sont donnés respectivement dans les tableaux 2 et 3.
Tableau 2. Teneur en liant récupéré
Minimum
Maximum
Moyenne
4.33
5.05
4.69
Teneur en liant
Tableau 3. Propriétés de liant récupéré
Valeurs
Valeur Min.
Valeur Max.
Valeur
Moyenne
Ecart max.
Pénétrabilité
26
34
29
6
TBA
50.6
56.3
54.4
1.9
4. Formulation des enrobés
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Les enrobés bitumineux sont des composants essentiels dans la construction des
chaussées. Alors, une bonne conception de ces matériaux garantit une durabilité et
une tenue de l’ouvrage réalisé. Les gains d’une étude de formulation se traduisent
par un confort et une sécurité accrus pour l’usager de la route et aussi par une
diminution des coûts d’entretien pour le gestionnaire de la route.
L’objet de l’étude de formulation est de définir les dosages des divers
constituants capables d’atteindre et d’assurer, au cours de la vie de la chaussée, le
maintien à un niveau satisfaisant des performances. L’étude de formulation de ces
matériaux consiste en une série de compromis, puisque le comportement de l’enrobé
oscille entre sensibilité aux déformations permanentes et à la fissuration par fatigue
ou au désenrobage par arrachement des granulats.
La formulation de matériaux hydrocarbonés peut donc être décomposée en trois
phases principales :
- la sélection et l’identification des constituants (granulats et bitume);
- la formulation et la mise au point du mélange;
- l’épreuve de formulation pour la validation des mélanges bitumineux.
La figure 2 présente la démarche proposée par la formulation française des
matériaux enrobés.
Figure 2. Formulation des matériaux enrobés
Les caractéristiques de laboratoire du mélange bitumineux étudié constituent des
indicateurs des futures propriétés d’usage.
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Des éprouvettes d’enrobés bitumineux ont été préparés avec des granulats neufs
et des autres éprouvettes avec trois pourcentages : 10, 30 et 50 % de fraisât, voir le
Tableau 4.
Tableau 4. Différents pourcentages des matériaux recyclés dans les éprouvettes
testés
Enrobés Bitumineux
Pourcentage des
Teneur en liant
matériaux recyclés
EB1
0
5.4
EB2
10
5.4
EB3
30
5.4
EB4
50
5.4
La série suivante de test et de mesures effectuée au laboratoire permettant de
réaliser toute épreuve de formulation d’enrobés (composition granulométrique et du
dosage optimal en liant régénérant):
- Essai PCG : optimisation du mélange et prévision de son comportement « in
situ ».
- Essai Duriez : pourcentage de vide, résistance à la compression, tenue à l’eau.
- Essai Marshal : le taux de recyclage est calculé de manière à obtenir un enrobé
ayant des caractéristiques comparables à celles exigées pour un enrobé neuf.
4.1. Essai PCG
Le mélange hydrocarboné préparé en laboratoire, est placé, dans un moule
cylindrique de 150 mm de diamètre. Puis on applique sur le sommet de l'éprouvette
une pression verticale de 0,6 MPa. En même temps, l'éprouvette est inclinée d'un
angle faible de l'ordre de 1° (externe) ou 0,82° (interne) et soumise à un mouvement
circulaire. Ces différentes actions exercent sur l’éprouvette un compactage par
pétrissage. Pour un nombre de girations donné, fonction du type d'enrobés, de la
nature des granulats et de l'épaisseur de mise en œuvre, le formulateur peut prévoir
le pourcentage de vides sur le chantier.
Figure 3. Principe de l’essai PCG
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Les mélanges fabriqués à 20°C sont trop raides pour être compactés avec le
matériel de compactage classique. En effet, à température ambiante, la forte
viscosité du bitume nécessite une forte énergie de compactage, Figure 4.
Figure 4. Evolution de la teneur en vide on fonction du nombre de girations
4.2. Essai de tenue à l’eau DURIEZ
Cet essai a pour but de déterminer la résistance à la compression d'une
éprouvette d'enrobé de poids et de section déterminés. Il permet également de définir
la tenue à l'eau de l'enrobé par le rapport des résistances à la compression après et
avant immersion de l'éprouvette dans un bain d'eau thermostatique. Le mélange
hydrocarboné est compacté dans un moule cylindrique par une pression statique à
double effet. Une partie des éprouvettes est conservée sans immersion à température
(18 °C) et hygrométrie contrôlées, l'autre partie est conservée immergée. Chaque
groupe d'éprouvettes est écrasé en compression simple.
Le rapport de la résistance après immersion à la résistance à sec donne la tenue à
l'eau du mélange. La résistance à sec est une approche des caractéristiques
mécaniques, et la compacité constitue un indicateur complémentaire à l'essai de
compactage à la PCG. A partir de cet essai on peut déterminer :
- La résistance en compression à l’air R ;
- La résistance en compression à l’eau ;
- (r/R) : tenue à l’eau et qui traduit l’aptitude de l’enrobé à résister au
désenrobage sous l’action de l’eau ;
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- Le pourcentage des vides ;
- La masse volumique apparente du granulat dans l’éprouvette.
Le tableau 5 présente les résistances en compression à l’air R et les résistances
en compression à l’eau des différentes éprouvettes.
Tableau 5. Résistances en compression R et r
Formule granulaire
Rc à 18°C (MPa)
r à 18°C immersion (MPa)
Rapport (r/R)
EB1
8.1
6.9
0.85
EB2
8.4
7.2
0.86
EB3
11.1
9.8
0.88
EB4
11.9
11.34
0.95
4.3. L'essai Marshall
L'essai Marshall a pour but de déterminer la teneur en vides ainsi que des
caractéristiques mécanique d'un enrobé bitumineux. Il sert de valeur indicative et de
précieuses indications sur la régularité d'une production.
L'essai Marshall permet d'avoir les caractéristiques suivantes :
- La stabilité S [kN]] qui est la résistance maximale à l'écrasement.
- Le fluage Ft [mm] qui est le raccourcissement du diamètre de l'éprouvette au
moment de sa rupture.
Le tableau 6 résume les résultats obtenus par l'essai Marshall.
Tableau 6. Résultats de l'essai Marshall
Formule Granulaire
Teneur en bitume (%)
Compacité C(%)
Stabilité S(KN)
Fluage Ft(mm)
EB1
5.22
94.22
11.32
3.11
EB2
5.36
93.87
13.34
3.50
EB3
5.69
93.64
15.62
3.38
EB4
5.92
93.12
17.98
3.94
5. Analyse des résultats:
Par comparaison, on peut remarquer que les résultats obtenus par tous les essais
avec des différents pourcentages d'ajout de fraisât sont très proches, bien que
certaines éprouvettes montrent peu de différences entre les valeurs obtenus par
l’essai Marshall.
Pour arriver à une quantité optimale de vides, nous avons fait l'évaluation du
mélange en fonction de la teneur en liant de celui-ci. A une température ambiante, la
forte viscosité du bitume ne permet pas d’avoir un pourcentage faible de vide. Les
méthodes de dosage des bétons bitumineux reposent essentiellement sur la façon de
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sélectionner la teneur en liant et cela se justifie par le fait que celle-ci est d'une
grande influence relativement à toutes les caractéristiques désirées d'un enrobé.
Conclusion
Les essais de laboratoire montrent qu’il n’existe pas de différences significatives
entre les mélanges à faible contenu de matériaux bitumineux de recyclage et ceux à
plus fort contenu de ces matériaux. Alors la quantité de matériaux recyclés utilisée
dans les mélanges peut être augmentée jusqu’à 50% sans affecter les performances
de ce mélange.
L’amélioration des techniques de recyclage, va diminuer la demande en matières
premières, et de préserver les gisements et au même temps de réduire le bilan
énergétique. Et Il convient de noter que la quantité utilisée des enrobés (bitumes et
granulats) en Algérie pour les cinq dernières années a dépassés 60 millions de
tonnes.
Notre but à travers cette recherche est de permettre une rationalisation des
procédures de fabrication des enrobés avec des agrégats de recyclage locaux pour
lesquels il n'existe pas dans notre pays de procédures codifiées de fabrication
adaptées aux conditions locales (surtout climatiques).
1.
Bibliographie
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route, 2001.
[BIT10] BITUME QUEBEC. « Le Recyclage Des Enrobés Bitumineux » Bulletin Technique,
Octobre 2010.
[BIT05] BITUME INFO « Le recyclage à froid des enrobés routiers », Bulletin Technique,
www.score-project.org. 2005.
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MOBILITE. « Classification et aide au choix des matériaux granulaires recyclés pour
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[LAN] LANGELET M. et PIERRON D. « Formulation des enrobés bitumineux » CTE de
l’est France
[ROD04] RODRIGUEZ M. « Résistance mécanique d'enrobé avec matériau recyclé »,
Journée Technique LAVOC Lausanne, Septembre 15, 2004