TITRE DU PROJET :
Détermination de la présence et de l’efficacité de dope dans les bétons bitumineux
PROBLEMATIQUE : L’utilisation de dopes d’adhésivité comme ajout dans les liants hydrocarbonés est devenu aujourd’hui très classique. Cependant, de nombreuses questions restent posées en ce qui concerne le rôle et l’évolution liée à l’altération de ces ajouts. En effet, le terme d’adhésivité entre liant et granulat fait référence à plusieurs phénomènes physico-chimiques complexes (réaction chimique, énergie de surface, réarrangement moléculaire, viscosité et mouillabilité) mais le mécanisme réel est encore inconnu et mal maitrisé.
De plus, il n’existe pas actuellement de méthode de référence pour apprécier l’efficacité des dopes dans les enrobés. Une telle méthode permettrait alors de mieux appréhender l’influence de divers paramètres (température, vieillissement, compatibilité…) sur le comportement des dopes.
L’objectif du projet est donc de développer une méthodologie d’abord à partir d’essais existants puis grâce à un nouvel essai, qui permette d’évaluer l’efficacité de dopes à différentes étapes situées en amont et en aval de la fabrication du béton bitumineux. Cet objectif est à considérer en tenant compte des différentes pratiques et méthodologie existantes.
PROGRAMME : Le projet d’actions s’articule autour de trois axes.
Le premier vise à faire un inventaire des dopes utilisés aujourd’hui ainsi qu’un bilan de leurs interactions connues avec les granulats routiers type. Le deuxième axe consiste à caractériser ces dopes tant au niveau de leur influence sur le liant avant sa mise en œuvre que sur l’enrobé en place. Pour cela les outils classiques de caractérisation seront utilisés. Enfin dans une troisième partie, un nouvel essai est proposé afin de caractériser les propriétés intrinsèques des « liants dopés » en fonction de granulats type du domaine routier.
1- Etat de l’art, bilan des dopes utilisés aujourd’hui :
Aujourd’hui, de nombreux dopes (encore appelés agent d’adhésion, agent activateur, dope d’interface, …) sont utilisés afin d’améliorer les propriétés d’adhésivité des liants au moment de leur mise en contact avec les granulats. Ces agents en améliorant la mouillabilité des granulats assurent l’enrobage des granulats et limitent ensuite l’arrachement sous contrainte des particules solides et assurent donc une certaine cohésion. Ils jouent un rôle majeur sur la durée de vie d’une couche de roulement en enrobé bitumineux.
Un travail initial conduit par le LAVOC dans le cadre de la VSS – Fachkommission 4 « Baustofftechnologie » (document du 27/04/04) a permis d’identifier les paramètres et les questions clefs et les essais existants pour l’évaluation de l’efficacité des dopes.
En ce qui concerne les paramètres, il a notamment été souligné l’importance de la nature des granulats, du dosage en dope et en liant, des conditions de la conservation et plus précisément de l’histoire thermique du mélange liant/dope puis de celle de l’enrobé.
En ce qui concerne les méthodes de contrôle de l’affinité du couple liant/granulat, elles peuvent être classées suivant trois ordres. Le premier vise à contrôler en amont l’efficacité du dope, le deuxième, les performances de cohésivité de l’enrobé en place suivant différentes conditions de température et enfin, le troisième porte sur l’efficacité de l’ajout après un vieillissement.
Dans le cadre de ce travail de recherche, nous proposons de réaliser un large tour d’horizon des dopes actuellement mis en œuvre par les professionnels des liants hydrocarbonés. Par une enquête auprès des fabricants et des utilisateurs de ces dopes, ce bilan visera à :
- déterminer l’efficacité de chaque dope en fonction du couple liant/granulat mis en œuvre,
- préconiser des dosages optimums, et les conditions de mise en oeuvre (nature granulats, conditions physico-chimiques, pH, …)
- lister les réactions connues de ces ajouts avec divers solvants utilisés dans le domaine (toluène, kérosène, …) en vue d’une définition pertinente des essais de caractérisation,
- et enfin, identifier les cas de compatibilités avérés et ceux d’incompatibilité reconnus en fonction des diverses natures pétrographiques des granulats couramment utilisés dans le domaine routier en Suisse.
Une première approche a été réalisée afin d’évaluer un programme expérimental adéquat. Cinq liants type ont été répertoriés (un 70/100 obtenu par distillation directe, un 70/100 conventionnel semi-soufflé, un liant élastomère le Styrelf, un plastomère le Practiplast et un liant bitume caoutchouc le CTS). De même, cinq natures pétrographiques bien différentes ont été identifiées comme couvrant une large majorité des granulats utilisés dans le domaine routier en Suisse (Arvel, Balmholz, Famsa, Weicher et Gasperini).
Une étude exhaustive de tous les dopes utilisés aujourd’hui en combinaison avec toutes ces matières premières n’est pas réaliste. C’est pourquoi nous proposons à l’issue de cette première phase de sélectionner huit cas réprésentatifs d’associations fonctionnant bien ou au contraire ne fonctionnant pas afin de construire, dans la deuxième étape, la méthodologie de caractérisation de l’efficacité des dopes. Ces cas particuliers serviront alors de cas de référence pour les parties suivantes traitant d’une étude plus précise de l’efficacité des dopes en fonction de divers paramètres.
2- Efficacité des dopes
L’objectif de cette deuxième partie est de construire une méthodologie d’étude, à partir des essais existants notamment ceux retenus dans le cadre de la normalisation européenne, de l’efficacité de ces dopes à différentes étapes :
- en amont, à partir de l’essai d’efficacité d’un liant dopé qui pourra le cas échéant être adapté. De plus, des essais de vieillissement RTFOT permettront d’évaluer l’influence de l’histoire de température lors d’une fabrication en centrale d’enrobage. On complétera cette approche laboratoire par des essais sur quelques échantillons prélevés directement en centrale d’enrobage, ils permettront de valider la bonne corrélation des résultats laboratoire avec ceux obtenus à partir des matériaux fabriqués en conditions réelles pour les mêmes recettes.
- en service, par des essais sur les enrobés. Plusieurs essais seront conduits, d’une part pour la caractérisation mécanique par la détermination de la sensibilité à l’eau EN 12697-12 combinée à la mesure de la traction indirecte EN 12697-23 sur échantillon fabriqué spécialement, et d’autre part, par la mesure de l’adhésivité passive (Essai d’adhésivité des liants bitumineux aux granulats minéraux SN 671 960) puis par celle de l’adhésivité active (Détermination de l'affinité granulat-bitume, norme EN 12697-11).
Ensuite, il est important de pouvoir caractériser les performances de ces dopes en termes de cohésivité. C’est pourquoi nous préconisons la réalisation d’essais d’arrachement à partir de l’essai Micro-Deval modifié dans différentes configurations (avec et sans immersion, différentes températures, différentes histoire de température, …).
Cette analyse mécanique sera complétée par une analyse de l’évolution physico-chimique de ces dopes en fonction de leur efficacité et donc des paramètres qui l’influencent (temps, histoire thermique, compatibilité liant-granulat-dope).
A partir des cas particuliers étudiés, l’objectif de ce travail est de définir une méthodologie la plus simple possible afin de caractériser les performances d’un dope dans le cadre d’une utilisation avec un couple liant/granulat.
3- Mise au point d’un essai de caractérisation mécanique
Afin de compléter voire de remplacer en la simplifiant la démarche méthodologique établie dans le cadre de la deuxième partie de ce travail, il pourra s’avérer judicieux de mettre au point un nouvel essai de caractérisation mécanique des liants dopés. Cet essai permettra alors d’optimiser la mise au point de dope et la formulation des enrobés dopés.
Comme indiqué précédemment, le mécanisme d’adhésion entre liant et granulat n’est pas bien connu. De nombreux paramètres physicochimiques relatifs aux deux milieux et à leur état au moment du mélange, influencent ce processus. On peut citer sans volonté d’exhaustivité pour les granulats leurs taille et surface, la nature minérale, leur porosité, leur texture, leur absorption, leur teneur en eau, leur charge de surface, la présence de filler, … quant au liant, la composition chimique et la structure moléculaire, la viscosité, le pH, la tension de surface, la charge électrique, … Il est à noter que ces paramètres peuvent être influencés par l’ajout d’un dope.
Le LAVOC propose de s’orienter vers un essai mécanique simple sur des éprouvettes fabriquées à partir des granulats, du liant et du dope devant effectivement être mis en œuvre. Au vue des paramètres régissant le mécanisme d’adhésivité, cette caractéristique apparaît comme fondamentale pour évaluer la performance d’un dope pour un couple liant-granulat donné. Cet essai devra permettre de combiner des sollicitations mécanique à la fois de type traction-compression et de cisaillement. Enfin, ces performances devront être évaluées sous diverses conditions de température et d’humidité.
Après cette étape de faisabilité, ce nouvel essai devra dans le cadre d’un projet ultérieur, être validé et utilisé ensuite, pour la caractérisation de la pérennité de l’efficacité des dopes.
Résultats attendus de ces travaux de recherche :
A l’issue de ces travaux de recherche, l’analyse et l’interprétation des résultats conduiront à la rédaction d’un rapport de synthèse. Les résultats attendus sont de trois ordres.
Tout d’abord, le bilan exhaustif de l’ensemble des dopes permettra de faire le point sur les divers produits existants, sur leur dosage et les compatibilités et incompatibilités reconnues à ce jour.
Ensuite, nous proposons d’établir, à partir de cas particuliers représentatifs, une méthodologie permettant d’évaluer les performances des dopes à différents stades de son utilisation. Cette démarche se fera dans un premier temps à partir des essais de caractérisation existants.
Enfin, pour palier l’absence d’essai de référence, un nouvel essai mécanique sera testé. Cet essai permettra de tester les performances mécaniques du couple liant dopé - granulats entrant effectivement dans la composition de l’enrobé pour divers types de sollicitations et de conditions expérimentales (température, histoire thermique, humidité,…).
Ces résultats pourront servir de base pour la rédaction de prescriptions et recommandations pour une meilleure évaluation de la présence et de l’efficacité de dopes dans les enrobés bitumineux.
IMPLICATION POUR LA PRATIQUE
L’implication directe de ces travaux de recherche sera à court terme d’établir un bilan précis des produits utilisés actuellement et l’identification des systèmes (dope-liant, et dope-liant-granulats) qui fonctionnent et ceux qui ont posé problèmes. Les performances seront étudiées par des approches croisées mécaniques et physico-chimiques.
Ensuite, la méthodologie de caractérisation de l’efficacité de dopes donnera une procedure pour tester de nouveaux produits ou la compatibilité de nouvelles associations de dope avec des granulats à partir des essais existants les plus pertinents.
Ces travaux pourront conduire à l’établissement de prescriptions et recommandations pour l’utilisation de dopes.
A moyen terme, une simplification de cette méthodologie passera par la mise au point d’un nouvel essai de caractérisation mécanique du trio dope-liant-granulats. La validation de cet essai devra ensuite conduire à un programme de recherche plus large permettant à la fois de caractériser l’efficacité instantanée mais également les performances à plus long terme de tels agents d’adhésivité.
EFFET SUR LA NORMALISATION
Ce travail permettra à la VSS de mettre en place des recommandations ou des directives définissant les conditions d’utilisation de dopes et la caractérisation de l’efficacité de nouveaux agent d’adhésivité.
DEVIS
Le montant total de la recherche est de CHF 152'580.-. La répartition est détaillée en annexe 2.
Un projet ultérieur basé sur l’essai mécanique développé au cours de ce travail, pourra conduire à l’évaluation systématique de la pérennité des performances des produits existants.
PLANNING
Le planning d’une durée de 30 mois, débute en janvier 2006 et se termine au mois de juin 2008.
L’étape 1 relative à l’état de l’art et l’enquête sur les produits existants aujourd’hui durera une année. Elle s’achèvera par un rapport intermédiaire qui sera donc remis à la fin de l’année 2006.
L’étape 2 relative aux essais de caractérisation de cas paticuliers et à la définition d’une méthodologie se déroulera sur environ une année, les résultats seront donc disponibles au début 2008).
Enfin, la dernière étape visant à la définition du nouvel essai de caractérisation débutera courant 2007 de manière simultanée avec la deuxième étape et prendra fin au printemps 2008.
Le dernier trimestre (Mars - Juin 2008) sera consacré à la rédaction du rapport final.
